Охлаждаемая лопатка турбины с комбинированным охлаждением

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано в конструкции лопаток турбомашин. Лопатка турбины с комбинированным охлаждением содержит охлаждающие каналы внутри лопатки и перфорацию для создания охлаждающей пленки. На поверхности лопатки выполнены цилиндрические полости по всей длине пера, которые сверху закрыты дырчатой пластиной. Изобретение повышает экономичность турбомашины. 1 ил.

 

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано в конструкции охлаждаемых лопаток турбомашин.

Известно устройство для демпфирования вибраций камеры сгорания в жидкостных ракетных двигателях (патент ФРГ DE 3432607, МПК F 02 К 9/62, 1986, фиг.1).

Устройство для демпфирования вибраций камеры сгорания в жидкостных ракетных двигателях (патент ФРГ DE 3432607, МПК F 02 К 9/62, 1986, фиг.1) позволяет снижать механические вибрации конструкции, возникающие в результате не турбулентных пульсаций параметров потока, связанных с процессом горения, что и является в указанном патенте положительным эффектом. В указанном патенте ФРГ имеется один похожий существенный признак - демпфирующие камеры (в предлагаемой заявке имеются глухие полости), однако, в рассматриваемом аналоге демпфирующие полости отличаются от предлагаемого устройства конструкцией, размерами, принципом действия и назначением. Процесс горения топлива в камере сгорания вызывает механические вибрации. Демпфирующие камеры, расположенные в зоне распыливающей головки и сообщающиеся с камерой сгорания через проходные каналы, достаточно велики и выступают в качестве амортизаторов, которые гасят механическую вибрацию камеры. В предлагаемой заявке турбулентные пульсации потока являются результатом развития пограничного слоя пленочной завесы, продольно обтекающей поверхность лопатки турбины. Эти пульсации сравнительно слабые и не вызывают механических вибраций лопатки турбины. Однако они способствуют размыванию завесы, чем снижают ее эффективность. Глухие цилиндрические полости взаимодействуют с потоком завесы через отверстия и гасят турбулентные пульсации, ламинаризируя поток завесы. Ламинаризация потока завесы в свою очередь препятствует ее размыванию (отрыву и уносу охлаждающего воздуха завесы потоком горячего газа). Таким образом, природа пульсаций, механизм их гашения, конструктивные особенности, назначение устройства и технический результат совершенно различны.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является лопатка с комбинированным охлаждением (патент США №5538394, МПК 7 F 01 D 5/18, 1996, фиг.1), принятая за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что в известном устройстве завеса сдувается набегающим потоком, а предлагаемое решение препятствует быстрому размыванию завесы и таким образом позволяет добиваться технического результата.

Сущность изобретения заключается в следующем: для повышения эффективности работы турбоагрегата желательным является увеличение параметров газа перед турбиной. В турбомашинах лопатки являются наиболее теплонапряженной частью, и это существенно снижает как их надежность, так и долговечность, поэтому применяется охлаждение лопаток турбины. Охлаждение может быть конвективным, пленочным и комбинированным. Конвективное охлаждение позволяет охлаждать лопатку изнутри. При пленочном охлаждении часть охладителя выпускается наружу через выпускные отверстия. При комбинированном охлаждении вышеуказанные способы применяются совместно и ресурс работы лопаток увеличивается по сравнению с конвективным охлаждением и пленочным, но все же имеет свой предел. При повышении температуры газа перед турбиной до 1700 К потребный расход воздуха на охлаждение рабочих и сопловых лопаток при комбинированном конвективно-пленочном охлаждении достигает 15% от расхода воздуха на входе в компрессор.

Технический результат - повышение эффективности работы турбомашины. Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве охлаждение лопатки турбины происходит с помощью внутреннего конвективного и внешнего пленочного охлаждения. Особенность заключается в том, что в теле лопатки по поверхности предлагается сделать цилиндрические полости со стороны спинки, корытца и кромок по всей длине пера. Сверху полости должны закрываться дырчатой пластинкой. Этим достигается снижение интенсивности турбулентного переноса в пограничном слое пленки и ламинаризация течения, а следовательно, защитный эффект пленки охлаждающего воздуха будет повышаться и сохраняться на больших удалениях от места выдува.

Включение в совокупность существенных признаков, характеризующих охлаждаемую лопатку турбины, позволяет затянуть переход ламинарного режима течения к турбулентному в пограничном слое пленки на поверхности лопатки, что также снижает расход охладителя. В совокупности с внутренним конвективным и внешним пленочным охлаждением лопатки это даст возможность существенно повысить эффективность и экономичность турбомашины в целом.

На чертеже представлена схема охлаждаемой лопатки турбины.

Охлаждаемая лопатка турбины содержит цилиндрические полости 1, дырчатую пластину 2, охлаждающие каналы 3, перфорации для создания охлаждающей пленки 4.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем. Устройство содержит цилиндрические полости 1 на поверхности лопатки по всей длине пера, закрытые дырчатой пластиной 2. Дырчатая пластина 2 расположена со стороны потока. В теле лопатки содержатся цилиндрические полости 1, охлаждающие каналы 3 для конвективного охлаждения лопатки и перфорации для создания охлаждающей пленки 4 для пленочного охлаждения лопатки. Охлаждающие каналы 3 и перфорации для создания охлаждающей пленки 4 не сообщаются с цилиндрическими полостями 1. При помощи цилиндрических полостей 1, сообщающихся через дырчатую пластину 2 с пленочной завесой, достигается эффект, способствующий гашению турбулентных пульсаций. Поток сообщается с цилиндрической полостью 1 через отверстие в дырчатой пластине 2, при этом избыточное давление турбулентного моля стравливается в полость, что и способствует гашению турбулентных пульсаций. Таким образом течение охлаждающей пленки ламинаризируется, и она лучше удерживается на поверхности лопатки.

Работа устройства осуществляется следующим образом. По охлаждающим каналам 3 движется охлаждающий воздух, обеспечивая внутреннее конвективное охлаждение лопатки. Часть охлаждающего воздуха выпускается через перфорации для создания охлаждающей пленки 4 для создания внешнего пленочного охлаждения. Цилиндрические полости 1 сообщаются через дырчатую пластину 2 с пленочной завесой и гасят турбулентные пульсации. В результате затягивается переход ламинарного режима течения в турбулентный в пограничном слое пленки на поверхности лопатки. Это препятствует быстрому размыванию охлаждающей пленки горячим потоком газа. В совокупности с внутренним конвективным и внешним пленочным охлаждением лопатки это даст возможность повысить параметры газа перед турбиной, увеличить срок службы турбины и снизить расход охладителя, а следовательно, существенно повысить эффективность турбомашины.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленной установки следующей совокупности условий:

- заявленная охлаждаемая лопатка предназначена для использования в промышленности в области энергетического машиностроения и может быть использована с целью препятствия быстрого размывания охлаждающей пленки на поверхности лопаток турбомашин и повышения экономичности турбомашин;

- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств и методов;

- охлаждаемая лопатка турбины, воплощающая заявленное изобретение при его осуществлении, способна обеспечить достижение искомого технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Лопатка турбины с комбинированным охлаждением, содержащая охлаждающие каналы внутри лопатки и перфорации для создания охлаждающей пленки, отличающаяся тем, что на поверхности лопатки выполнены цилиндрические полости по всей длине пера, которые сверху закрыты дырчатой пластиной.