Керамічна лопатка соплового апарату

Изобретение относится к области двигателестроения и может найти применение при разработке новых высокотемпературных газовых турбин в авиационной и машиностроительной промышленности. Известна конструкция сопловой лопатки высокотемпературной газовой турбины. Сопловая лопатка имеет керамический корпус и головку, выполненные как отдельные детали. Пограничная поверхность между головкой и корпусом имеет выпуклую форму на стороне последнего. Линия, продолжающая пограничную поверхность, образует острый угол с линией, касательной к боковой поверхности лопатки. Вдоль пограничной поверхности выполнены продольные каналы для охлаждающего воздуха, каналы через проточные отверстия сообщаются с внутренней полостью, выполненной в корпусе и подсоединенной к источнику охлаждающего воздуха. Лопатка отличается тем, что в пограничной поверхности выполнена воздушная камера, с которой сообщаются отверстия (Заявка Японии №63 60204 F01D9/02, Изобретения стран мира №9, 1989, вып.88). Существенные недостатки известного устройства состоят в: 1. Сложности конструкции и технологии изготовления отдельно корпуса и головки, а также трудности соединения этих элементов по двум криволинейным поверхностям в единую лопатку. 2. Подвод охлаждающего воздуха во внутреннюю полость приведет к росту перепада температур между внутренней и внешней поверхностями головки, что естественно увеличит термические напряжения в стенке головки и усилит ее растрескивание. 3. Охлаждающий воздух, который будет выходить через продольные каналы на выпуклой и вогнутой поверхности приведет к увеличению профильных потерь на лопатке. 4. Составная лопатка будет плохо работать на переходных режимах, особенно при разгоне двигателя, когда рост температуры на внешней поверхности головки значительно опережает ее рост на внутренней поверхности, что приведет к возникновению трещин и в конечном итоге к разрушению. 5. Отбор воздуха на охлаждение лопаток приведет к уменьшению КПД турбины. Все эти факторы значительно снижают надежность, сокращают время эксплуатации двигателя и снижают его КПД. Известна конструкция составной лопатки, полая керамическая оболочка которой, имеющая форму лопатки, разделена на две части, образующие элемент передней кромки. Линия раздела расположена вблизи линии нулевых термических напряжений, создаваемых горячим потоком. Элемент передней кромки и элемент задней кромки независимы друг от друга, вследствие чего отсутствуют ограничения для тепловой деформации каждого элемента. Таким образом обеспечивается уменьшение термических напряжений (Заявка Японии №1 - 110807, F01D9/02, Изобретения стран мира, №3, 1990г., вып.88). Существенные недостатки известного устройства состоят в том, что: 1. Передняя кромка имеет внутреннюю полость, которая не вентилируется горячими газами, что влечет за собой рост разности температур между внешней и внутренней поверхностями, а это приводит к увеличению термических напряжений в стенке лопатки. 2. Так как элемент передней кромки изготовлен отдельно от элемента задней кромки, то это усложняет конструкцию лопатки и затрудняет их монтаж в одно целое. 3. Наличие зазора в месте стыка передней кромки с задней кромкой дает возможность перетекать газу из области вогнутой стенки (область повышенного давления) в область выпуклой стенки лопатки (область пониженного давления), что искажает аэродинамический профиль и приводит к дополнительным потерям полного давления. Эти существенные недостатки не дают возможности решить основную задачу - выровнять температуру стенок, а, следовательно, и снять термические напряжения в стенке лопатки. Известна керамическая лопатка с малыми термическими напряжениями, выбранная в качестве прототипа, содержащая в элементе задней кромки лопатки полость. Высокотемпературные газообразные продукты сгорания проходят от отверстия на вогнутой стороне кромочного элемента керамической лопатки и далее через полость в задней кромке к выпускному отверстию на выпуклой сторон1; лопатки. Высокотемпературные газы используются так, что распределение температур в зоне элемента задней кромки керамической лопатки выравнивается, таким образом обеспечивается уменьшение термических напряжений (Заявка Японии №1 - 110808, F01D9/02, Изобретения стран мира №3 - 1990, вып.88). Существенные недостатки известного устройства состоят в том, что: 1. Лопатка содержит две внутренние полости и только одна из них, задняя, вентилируется горячими газами, а вторая передняя нет, что приводит к повышению термических напряжений, особенно в месте разделения их перегородкой. 2. Расположение впускных отверстий с вогнутой стороны лопатки и выпускных на выпуклой стороне лопатки близко к хвостовой ее части, что значительно снижает перепад давлений между впускным и выпускным отверстиями и приводит к снижению вентиляции задней полости, а это ведет к падению эффективности выравнивания температур стенок лопатки и росту термических напряжений в них. 3. Выход газа из задней полости через отверстия на выпуклой стороне лопатки ведет к увеличению профильных потерь. Недостатки не позволяют решить основную задачу -это выравнять температуру стенок, а, следовательно, и снять термические напряжения в лопатках, что значительно снижает надежность и долговечность работы двигателя. Задачей изобретения является выравнивание температуры стенок лопатки путем организации вентиляции ее внутренней полости. Технический результат состоит в снятии термической напряженности. Поставленная задача решается тем, что на концах лопатки со стороны ее вогнутой части выполнен ряд углублений высотой 1,3 - 2,2мм и шириной равной 2 - 3 высотам, а на вогнутой части лопатки по образующей выполнены не менее двух отверстий диаметром равноудаленных друг от друга и от углублений, при этом хвостовик имеет не менее двух сужающихся каналов с отношением площадей причем отверстия и первый ряд углублений удалены от носика лопатки на а последний ряд углублений расположен от него на где - хорда лопатки, - площадь канала на входе, площадь канала на выходе из хвостика лопатки. Сравнительный анализ прототипа с предлагаемым изобретением приведен в таблице. Размещение на вогнутой части лопатки по ее концам ряда углублений, на образующей не менее двух отверстий и в хвостике не менее двух сужающихся каналов позволяет: 1) создать значительный перепад давлений между углублениями и отверстиями с одной стороны и сужающимися каналами с другой стороны, что позволяет интенсивно вентилировать всю внутреннюю полость горячими газами основного потока и тем самым выравнивать температуру стенок лопатки и практически снять термические напряжения, в том числе и на переходных режимах; 2) перепад давлений между углублениями и сужающимися каналами позволяет засасывать пограничный слой с торцевых стенок во внутреннюю полость, что исключает перетекание потока газа в области пограничного слоя от вогнутой части к выпуклой части лопатки и тем самым устраняются вторичные и вихревые течения и повышается КПД турбины; 3) изготовление с одной внутренней полостью значительно упрощает конструкцию и технологию изготовления, а также повышает надежность и долговечность ее эксплуатации; 4) высота углублений от 1,3мм до 2,2мм на вогнутой части по концам лопатки выбирается из условия толщины пограничного слоя на торцевой стенке. Расчет по определению формуле производится по где - коэффициент кинематической вязкости газов при данной температуре; - сечение, отстоящее от передней кромки торцевой стенки; - скорость в расчетной точке на торцевой стенке невозмущенного потока (см.: С.С. Кутателадзе, В.М. Боришанский. Справочник по теплопередаче. - М.: Госэнергоиздат, 1955. - 116с.). Для современных газовых турбин ГТД длина вогнутой поверхности лопатки соплового аппарата лежит от до Расчет произведем для средней арифметической длины вогнутой части, т.е. для сечения удаленного от передней кромки торцевой стенки на тогда при получим Как видно из расчета, высота углублений от 1,3мм до 2,2мм вписывается в толщину пограничного слоя; 5) размещение отверстий и первого ряда углублений от носика лопатки на обусловлено надежной вентиляцией всей внутренней полости, включая и носовую часть; 6) удаление последнего ряда углублений от носика на выбрано из условия постоянного статического давления на вогнутой части лопатки до указанного сечения, что подтверждается данными работы (см.: Блэр. Экспериментальное исследование теплоотдачи и пленочного охлаждения торцевых стенок крупногабаритных турбин. (Теплопередача, №4, 1974, 95с., фиг.5). Это условие обеспечивает постоянный перепад давлений между углублениями и сужающимися каналами и позволяет надежно вентилировать всю внутреннюю полость лопатки; 7) диаметр отверстий их количество, а также расположение на образующей и равноудаление их друг от друга и от углублений позволяет надежно вентилировать всю внутреннюю полость лопатки, включая и ее носовую часть; 8) сужающиеся каналы выбраны с отношением из условия разгона потока до скорости, близкой к скорости звука, который выходит из внутренней полости, а также поддержания расхода газа через нее в заданных пределах, а их количество не менее двух позволяет обеспечить ее надежную вентиляцию. Газ, который выходит из сужающихся каналов в хвостике лопатки, будет совершать на рабочем колесе полезную работу, что дает возможность повысить КПД турбины. На чертеже (фиг.) изображен общий вид керамической лопатки соплового аппарата. Керамическая лопатка соплового аппарата состоит из корпуса лопатки 1 и внутренней полости 2. В корпусе лопатки 1 на вогнутой части имеются отверстия 3, углубления 4, а в хвостике сужающиеся каналы 5. На фигуре обозначено: высота углублений; - ширина углублений. Стрелками на фигуре показано движение газа основного потока на входе в межлопаточный канал (на фиг. не показан), а также через отверстия 3, углубления 4, внутреннюю полость 2 и сужающиеся каналы 5. Устройство работает следующим образом. При движении основного потока газа через проточную часть межлопаточного канала соплового аппарата, который образован рядом стоящих лопаток 1, внешним и внутренним бандажами (на фиг. не показан), он расширяется и на выходе из него статическое давление становится меньше, чем на входе. Однако, при аэродинамическом обтекании лопатки 1 и действии центробежных сил за счет поворота основного потока на вогнутой части лопатки 1 статическое давление на удалении от ее носика до сечения практически остается постоянным (см. ссылку выше), а на выходе из нее через сужающиеся каналы 5 оно значительно ниже. За счет этой разности давления на вогнутой части лопатки 1 и за ее хвостиком из области пограничного слоя с торцевых стенок (на фиг. не показаны) и по отверстиям 3 на образующей вогнутой части лопатки 1 поток газа поступает во внутреннюю полость 2, который омывает ее и через сужающиеся каналы 5 выходит за пределы хвостика лопатки 1. Таким образом, внутренняя полость 2 через отверстия 3, углубления 4 и сужающиеся каналы 5 постоянно вентилируется потоком газа, который имеет одинаковую температуру с основным потоком, в том числе и на переходных режимах, что позволяет выравнять температуру стенок корпуса лопатки 1 и тем самым снять термические напряжения. Засасывание потока газа через углубления А из области пограничного слоя с торцевой стенки во внутреннюю полость 2 и выход его через сужающиеся каналы 5 исключает поперечные перетекания от вогнутой части к выпуклой части соседней лопатки и тем самым ликвидирует вторичные и вихревые течения, что позволяет повысить КПД турбины. Преимущества предлагаемого устройства керамической лопатки соплового аппарата перед аналогами и прототипом состоят в том, что: 1) практически полностью снимаются термические напряжения в стенках корпуса лопатки при работе на стационарных и переходных режимах, что повышает надежность и долговечность работы двигателя; 2) исключаются вторичные и вихревые течения на торцевых стенках межлопаточного канала, что повышает КПД турбины; 3) лопатка с одной внутренней полостью проще по конструкции и технологии изготовления; 4) поток газа, который истекает из сужающихся каналов 5 будет совершать полезную работу на турбине, что повышает ее КПД; 5) исключается отбор воздуха на охлаждение лопатки, что также способствует повышению КПД турбины.