Полая лопатка "вихрепор"

 

Использование: в газотурбинной технике для охлаждения лопаток, камер сгорания и жаровых труб. Сущность изобретения: внутри профильной стенки лопатки расположены две системы попарно пересекающихся и попарно параллельных каналов. В точках пересечений осей каналов одной системы с другой расположены отверстия, соединяющие одну систему с внешней стороной лопатки, а другую - с внутренней стороной лопатки. Точки пересечения осей каналов одной системы размещены со смещением относительно точек пересечения осей каналов другой системы. 8 ил.

Изобретение относится к газотурбинной технике и может быть использовано для охлаждения таких деталей ГТД, как лопатки, камеры сгорания, жаровые трубы.

Известна конструкция полой лопатки, содержащая в профильной стенке каналы для прохода охлаждающей среды со сквозными отверстиями.

Недостатком этого решения является невысокая эффективность охлаждения лопатки, обусловленная малым коэффициентом теплоотдачи между материалом и охлаждающей средой.

Известно наиболее близкое техническое решение в виде полой лопатки, содержащей в стенке две решетчатые системы пересекающихся попарно параллельных каналов со сквозными отверстиями.

Для образования на всей наружной поверхности профильной части лопатки теплозащитной пленки с равномерными в направлении, перпендикулярном омывающему горячему потоку, характеристиками необходимо выдержать определенное отношение между шагом и диаметром выходных отверстий, а именно: 2,2 <h / d <7,5.

Техническим результатом предложенного решения является повышение коэффициента теплоотдачи между материалом лопатки и охлаждающей средой за счет разрушения пограничного слоя на поверхности каналов в стенке лопатки и повышение технологичности изготовления.

Технический результат предложенного решения достигается тем, что в профильной стенке лопатки, внутри, подобно ее профилю, расположены две системы попарно параллельных и попарно пересекающихся каналов, причем в точках пересечений осей каналов одной системы с другой расположены отверстия, соединяющие обе системы, и в точках пересечения осей каналов каждой из систем расположены отверстия, соединяющие одну систему с внешней стороной лопатки, а другую с внутренней, при этом точки пересечения осей каналов одной системы размещены со смещением относительно точек пересечения осей каналов другой системы.

Сопоставительный анализ предложенного технического решения с прототипом выявил в первом наличие новых существенных признаков, а именно: смещение точек пересечения осей каналов одной системы относительно точек пересечения осей каналов другой системы.

Следовательно, заявленное техническое решение соответствует критерию "новизна".

Анализ патентной и научно-технической информации в области газотурбинной техники не позволил обнаружить совокупность признаков, являющуюся отличительной в заявленном изобретении.

Необходимо отметить, что вышеуказанные признаки являются необходимыми и достаточными для получения положительного эффекта, указанного в техническом результате изобретения, а именно: повышения величины коэффициента теплоотдачи между материалом стенки и охлаждающей средой. Наличие смещения точек пересечения осей каналов одной системы относительно точек пересечения осей каналов другой системы обеспечивает эффективное разрушение пограничного слоя в каналах оболочки лопатки за счет турбулизации газового потока.

Следовательно, можно сделать вывод о том, что предложенное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Что же касается вопроса о промышленной применяемости заявленного изобретения, то необходимо отметить следующие факторы.

1. Изобретение может быть использовано в газотурбинной технике для охлаждения лопаток, камер сгорания и жаровых труб газотурбинных авиационных и транспортных двигателей и стационарных газотурбинных установок.

2. Описание изобретения в том виде, как оно представлено, раскрывает его с достаточной полнотой для осуществления. Описание составлено так, что экспертизе ясно, какого рода известные знания и опыт должны быть найдены и использованы наряду с тем, что изложено в материалах самой заявки.

3. Доказывая возможность достижимости технического результата, приводим в подтверждение результаты экспериментальных исследований, полученных в процессе отработки заявляемой конструкции.

Для рабочего диапазона удельных расходов охлаждающей среды, встречающегося в конструкциях охлаждаемых лопаток газовых турбин, коэффициент теплоотдачи по сравнению с прототипом возрос в 1,8.2 раза.

Это доказывает соответствие заявленного технического решения критерию "промышленная применимость".

На фиг.1 изображен общий вид поперечного сечения профиля полой лопатки; на фиг.2 часть стенки лопатки в изометрии; на фиг.3 и 4 виды разрезов лопатки в плоскостях Ж-Ж и 3-3 (фиг.8), перпендикулярных стенке лопатки и проходящих через два последовательных горизонтальных ряда сквозных отверстий; на фиг.5 и 6 виды разрезов лопатки в плоскостях И-И и К-К (фиг.8), перпендикулярных стенке лопатки и проходящих через два последовательных вертикальных ряда сквозных отверстий; на фиг.7 и 8 виды разрезов лопатки в плоскостях B-B и E-E (фиг.3).

Стенка 1 лопатки содержит расположенные подобно ее профилю на двух уровнях А и Б (см. фиг.3) две системы попарно параллельных и попарно пересекающихся каналов 2, 3 и 4, 5 (см. фиг. 7 и 8). Каналы 4, 5 нижнего уровня Б смещены (в данном случае на шаг h_г/2) относительно каналов 2, 3 верхнего уровня А вдоль горизонтального ряда точек пересечения осей каналов 2, 3 (см. фиг. 7). В точках пересечения осей каналов 2 и 3 верхнего уровня А перпендикулярно плоскости пересечения осей каналов 2 и 3 в чередующихся вертикальных рядах расположены сквозные отверстия 8 (см. фиг.5 и 7), соединенные с одной внешней поверхностью стенки (входные), и сквозные отверстия 9 (см. фиг.6 и 7), соединенные с другой внешней поверхностью слоя (выходные). В точках пересечения осей каналов 4 и 5 нижнего уровня Б перпендикулярно плоскости пересечения осей этих каналов в чередующихся вертикальных рядах также расположены отверстия 6 (см. фиг.5 и 8), соединенные с внешней поверхностью стенки (входные), и сквозные отверстия 7 (см. фиг.6 и 8), соединенные с другой внешней поверхностью стенки (выходные).

Основания Г и Д каналов 2, 3 и 4, 5 на двух уровнях являются плоскими и расположены параллельно плоскости уровня А (Б). В месте прохождения каналов 2, 3 над каналами 4, 5 они сообщаются между собой.

Расположенные на одной внешней поверхности стенки входные отверстия 6, 8 имеют вертикальный шаг, равный h_в/2, и горизонтальный шаг h_г, где h_в вертикальный шаг точек пересечения осей каналов на уровнях А и Б, h_г горизонтальный шаг точек пересечения осей каналов на тех же уровнях.

Расположенные на другой внешней поверхности стенки выходные отверстия 7, 9 имеют также вертикальный шаг, равный h_в/2, а горизонтальный шаг - h_г.

Полая лопатка работает следующим образом.

Охлаждающий газ поступает из внутренней полости через входные отверстия 6 и 8 в каналы 4, 5 и 2, 3. При движении газа, например, по каналам 4 и 5 в направлении выходных отверстий 7 и 9 в месте сообщения указанных каналов (4, 5) с каналами 2, 3 потоки газа соприкасаются, что приводит к их турбулизации и связанной с ней интенсификации теплообмена между горячими стенками каналов 2, 3, 4 и 5 и охлаждающим газом.

Взаимодействие потоков газа, проходящих по каналам 2, 3 и 4, 5, находящимся на верхнем и нижнем уровнях, происходит в области смешения (в месте прохождения каналов 2, 3 над каналами 4, 5), в которой из-за взаимодействия потоков возрастает интенсивность турбулентных пульсаций. Это ведет к увеличению обмена количеством движения между соприкасающимися потоками, что в свою очередь приводит к возрастанию касательных напряжений в сопряженной области и интенсификации теплообмена между потоками, вызванной увеличением глубины проникновения турбулентных молей из области смешения в ядро потока. Увеличение касательных напряжений в сопряженной области каналов приводит к усилению взаимной подкрутки потоков. В результате образуется турбулентный поток кручения с высокими нормальными и тангенциальными переносными свойствами. Энергия турбулентности, вырабатываемая в области смешения потоков, переносится к теплоотдающей поверхности с молями теплоносителя как по нормали, так и тангенциально потоку кручения в результате взаимной подкрутки. Таким образом, вблизи теплоотдающей поверхности происходит непрерывное разрушение пограничного слоя, интенсифицируется массообмен пристенных слоев потока с его ядром, что является причиной значительного увеличения коэффициента теплоотдачи.

На внешней, омываемой горячим газом поверхности стенки лопатки образуется теплозащитный слой за счет поступающего из выходных отверстий 7 и 9 охлаждающего газа.

Использование изобретения обеспечивает повышение коэффициента теплоотдачи материала лопатки к охладителю за счет эффективного разрушения пограничного слоя на поверхности каналов в стенке лопатки и интенсификации теплообмена между потоками, проходящими по каналам, расположенным на разных уровнях.

Формула изобретения

Полая лопатка, содержащая профильную стенку, внутри которой подобно ее профилю расположены две системы с попарно параллельными и попарно пересекающимися каналами, причем в точках пересечения осей каналов одной системы с другой расположены отверстия, соединяющие обе системы, и в точках пересечения осей каналов каждой из систем расположены отверстия, соединяющие одну систему с внешней стороной лопатки, а другую с внутренней стороной лопатки, отличающаяся тем, что точки пересечения осей каналов одной системы размещены со смещением относительно точек пересечения осей каналов другой системы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8