Охлаждаемая лопатка газовой турбины

 

Использование: турбостроение для стационарных силовых установок и транспортных турбин. Сущность изобретения: охлаждаемая лопатка состоит из полого пера 1 с полусферическими углублениями 2 на внутренней поверхности, в центре которых имеются отверстия 5 для слива охладителя в проточную часть турбины. Перед полусферическими углублениями расположены завихрители, которые обеспечивают образование устойчивого вихря на поверхности полусферического углубления. Вихрь приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи в полусферическом углублении в 1,5 - 2 раза по сравнению с гладким течением. 3 з. п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области охлаждения элементов конструкции высокотемпературной турбины и может быть использовано в турбостроении для стационарных силовых установок и транспортных турбин. Известна охлаждаемая лопатка, содержащая полое перо и дефлектор. В пере имеются ряды отверстий, через которые охлаждающий воздух вытекает в проточную часть турбины, образуя завесу на наружной поверхности лопатки. Дефлектор служит для подвода охладителя к рядам отверстий. Недостатком этой конструкции является то, что охлаждающий воздух почти не участвует в процессе конвективного теплообмена, т.к. основной охлаждающий эффект достигается за счет наружной завесы. Вследствие этого не используется имеющийся хладоресурс воздуха, что приводит к увеличению потребного расхода воздуха. Известна охлаждаемая лопатка газовой турбины, содержащая полое перо, на внутренней поверхности которого выполнены полусферические углубления. Охлаждающий воздух протекает в щели между внутренней поверхностью корпуса и дефлектором и вытекает через щель в задней кромке лопатки. Интенсификация теплоотдачи в такой системе охлаждения по сравнению с гладкой щелью происходит за счет срыва пограничного слоя на кромках полусферических углублений и образования вихрей. Однако вихревое течение внутри полусферических углублений неустойчиво и носит периодический характер. После образования вихря в полусферическом углублении он срывается и уносится основным потоком, а на его месте образуется новый вихрь. Это явление снижает возможный эффект интенсификации и приводит к некоторому увеличению гидравлических потерь в системе охлаждения лопатки. Целью изобретения является повышение эффективности охлаждения лопатки путем стабилизации вихревого течения в полусферических углублениях. Указанная цель достигается тем, что в охлаждаемой лопатке газовой турбины, содержащей полое перо, на внутренней поверхности которого выполнены полусферические углубления, перо снабжено завихрителями, каждый из которых размещен на внутренней поверхности пера в зоне углубления по направлению движения охлаждающей среды, причем в центре каждого углубления выполнены отверстия. Завихритель выполнен в виде профилированного выступа, продольного ребра или штырька. Сущность изобретения поясняется на чертежах, где на фиг. 1 изображена в разрезе профильная часть лопатки турбины с интенсификаторами теплоотдачами в системе охлаждения; на фиг. 2 сечение по перу лопатки; на фиг. 3-5 виды на полусферические углубления с завихрителями. Охлаждаемая лопатка содержит полое перо 1 с полусферическими углублениями 2 на внутренней поверхности 3 и дефлектор 4. В центре каждого полусферического углубления 2 выполнено отверстие 5, а перед каждым углублением 2 расположен завихритель, который может быть выполнен в виде профилированного выступа 6, продольного ребра 7 или штырька 8. Завихрители 6-8 расположены несимметрично относительно центра 9 полусферического углубления 2. При работе турбины охлаждающий воздух подводится внутрь дефлектора 4, равномерно распределяется по высоте пера 1 лопатки, затем поступает в зазор между дефлектором 4 и стенкой пера 1 лопатки и течет в поперечном направлении от передней кромки к задней. При этом воздух попадает в полусферические углубления 2 и постепенно расходуется, так что в конце канала расход его равен нулю. Это устраняет необходимость щели в задней кромке, которая охлаждается защитной пленкой, образующейся на поверхности лопатки. Расчет показывает, что предлагаемая система охлаждения обеспечивает более высокую эффективность охлаждения, чем прототип, при одинаковых расходах и начальных параметрах охлаждающего воздуха. Результаты расчета представлены на фиг. 6. В лопатке, принятой за прототип, на полусферические углубления набегает поток с одинаковой скоростью по всему фронту. Перепад давления по нормали к стенке отсутствует, так что в образующихся вихрях их окружная скорость W может изменяться только по закону твердого тела, т.е. угловая скорость в вихре ω=const. Величина массовой скорости ρW изменяется в этом случае по радиусу полусферического углубления r почти по линейному закону (ρ и W значения плотности и окружной скорости на расстоянии r от центра полусферичекого углубления). В заявленной охлаждаемой лопатке обеспечены условия образования устойчивого свободного вихря в полусферическом углублении с законом скорости ωr²=const. На фиг. 6 по оси абсцисс отложено отношение текущего радиуса полусферического углубления r к ее наружному радиусу R, по оси ординат отношение местного значения ρW к значению на наружном радиусе полусферического углубления, равному ее величине в невозмущенном потоке между углублениями. Схема и кривая II относятся к прототипу, схема и кривая I к предлагаемой лопатке, пунктирная кривая в верхней части графика показывает отношение величины ρW в том и другом случае. Линия р отношение давлений P_z/P_R). Как видно из фиг. 6 средняя величина отношения массовых скоростей с учетом охватываемой площади составляет примерно 2-2,5. Соответственно отношение средних коэффициентов теплоотдачи на поверхности полусферического углубления составит 1,75-2,0. Если глубину охлаждения Θ=Т_r-T_ст/Т_r-T_b на поверхности полусферических углублений в лопатках прототипа принять равной 0,5, то в лопатках заявляемой конструкции она при тех же начальных условиях и расходе воздуха составит 0,65-0,7. Учитывая, что площадь полусферических углублений составляет примерно 50% всей охлаждаемой поверхности пера лопатки, и считая глубину охлаждения на остальной части поверхности одинаковой в обоих случаях, получим в среднем увеличение глубины конвективного охлаждения лопатки на 0,07-0,08. Если принять во внимание также эффект пленочного охлаждения и оценить его как Θ_пл=0,1, то общее увеличение глубины охлаждения лопатки по сравнению с прототипом составит примерно 0,1-0,15. Технико-экономическая эффективность заявляемого решения по сравнению с прототипом заключается в том, что оно позволяет повысить температуру или давление рабочего газа, не увеличивая расход охлаждающего воздуха, или же сократить расход охлаждающего воздуха при тех же параметрах рабочего газа.

Формула изобретения

1. ОХЛАЖДАЕМАЯ ЛОПАТКА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ, содержащая полое перо, на внутренней поверхности которого выполнены полусферические углубления, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности охлаждения, перо снабжено завихрителями, каждый из которых размещен на внутренней поверхности пера в зоне углубления по направлению движения охлаждающей среды, причем в центре каждого углубления выполнены отверстия. 2. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что завихритель выполнен в виде профилированного выступа. 3. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что завихритель выполнен в виде продольного ребра. 4. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что завихритель выполнен в виде штырька.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6