Соплова лопатка газової турбіни

Изобретение относится к области двигателестроения и может найти применение при проектировании высокотемпературных газовых турбин в авиационной и машиностроительной промышленности. Известна конструкция охлаждаемой лопатки соплового аппарата газотурбинного двигателя, где выпуклая часть лопатки содержит покрытый тонкой оболочкой контур, который вместе с оболочкой образует рубашку охлаждения лопатки. Первый поток охладителя попадает в рубашку через отверстия и покидает рубашку через каналы, попадая в рубашку вогн утой части лопатки. При этом охладитель покидает лопатку через отверстия завесного охлаждения. Таким образом, сброс охладителя на выпуклой части лопатки отсутствует [Патент Великобритании №2246174, 1993]. Существенные недостатки известного устройства состоят в том, что: 1) лопатка имеет две рубашки охлаждения, при этом в рубашку вогн утой части лопатки охладитель попадает из рубашки выпуклой части, подогретый в ней, что снижает эффективность охлаждения вогнутой поверхности; 2) сброс охладителя на вогнутой части лопатки будет вызывать образование скачков уплотнения в канале решетки основного потока, а это приведет к снижению КПД турбины. Эти факторы ухудшают о хлаждение лопатки и снижают КПД турбины. Известна конструкция направляющей лопатки соплового аппарата газотурбинного двигателя, где направляющая лопатка содержит неподвижную, верхнюю по потоку часть с верхним и нижним по потоку концами и подвижную нижнюю по потоку часть с. верхним и нижним по потоку концами. Верхний конец нижней части лопатки расположен против нижнего конца нижней части лопатки на заданном расстоянии от него. В верхней части лопатки образован канал для прохода охлаждающего воздуха. Второй канал, образованный у нижнего конца верхней части лопатки, предназначен для направления потока охлаждающего воздуха на верхний конец нижней части лопатки. В верхнем конце нижней лопатки выполнен третий канал, в который поступает поток охлаждающего воздуха, направленный на эту часть лопатки. Между верхней и нижней частими установлено уплотняющее устройство, имеющее несколько выступов, расположенных на обращенных друг к другу концах верхней и нижней частей. Выступы простираются к другой части лопатки для уменьшения зазора между частями лопатки [Патент США №4897020,1990]. Существенные недостатки известного устройства состоят в том, что: 1) соединение неподвижной и подвижной частей лопатки и установка уплотняющего устройства, а также подвод охлаждающего воздуха по трем каналам значительно усложняют ее конструкцию; 2) как видно из конструкции лопатки более 40% ее хвостовой части практически не охлаждается, а это снижает срок ее службы; 3) процесс выпуска охладителя на вогнутой части лопатки вызывает образование скачков уплотнения в канале решетки основного потока и увеличивает профильные потери, что снижает КПД турбины. Все эти факторы усложняют конструкцию, снижают эффективность охлаждения лопатки и КПД турбины Известна сопловая лопатка газовой турбины, выбранная в качестве прототипа, содержащая оболочку аэродинамической формы, в которой размещен вставной дефлектор. Лопатка снабжена уплотняющими трубочками, установленными в передней полости в зазоре между дефлектором и оболочкой, а перегородка выполнена с поперечными прорезями, причем отношение высоты перегородки, к расстоянию между прорезями не должно превышать 3 [Патент РФ №2056505, 1996]. Существенные недостатки известного устройства втом, что : 1)оболочка разделена перегородкой с поперечными прорезями на переднюю и заднюю полости, что вызывает концентрацию термических напряжений в месте соединения перегородки с оболочкой, а это приводит в процессе эксплуатации к появлению трещин в месте их соединений; 2) в комплект лопатки, кроме оболочки, входят два вставных дефлектора и уплотняющие трубочки, что значительно усложняет конструкцию, а это снижает надежность её работы; 3) процесс выпуска охлаждающего, воздуха через тонкостенную перфорированную оболочку в основной поток приводит к увеличению профильных потерь и потерь от скачков уплотнения, а следовательно к снижению КПД турбины. Все эти факторы, значительно усложняют конструкцию, снижают срок службы лопатки и КПД турбины. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования сопловой лопатки газовой турбины, в которой путем использования вставного дефлектора, у которого лобовая и выпуклые части по всей поверхности имеют поперечные гофры с постоянным и переменным шагом, и выполнения фиксаторов вставного дефлектора в виде продольных впадин в сочетании с выступами на внутренней вогнутой полости оболочки лопатки, образования сужающихся каналов, дефлектора в области гофров с постоянным и переменным шагом в сочетании с оболочкой, обеспечивается снижение термических напряжений, уменьшение профильных потерь и потерь от скачков уплотнения, повышается коэффициент теплоотдачи, КПД турбины, упрощается конструкция. Поставленная задача решается тем, что в сопловой лопатке газовой турбины, содержащей оболочку аэродинамической формы, в которой размещен вставной дефлектор, согласно изобретению оболочка лопатки в своей внутренней полости вогнутой части имеет фиксаторы вставного дефлектора, выполненные в виде выступов, расположенные рядами вдоль образующей, причем количество выступов составляет не менее двух рядов, а вставной дефлектор состоит из последовательно соединенных между собой лобовой, выпуклой, вогнутой частей и штуцера подвода охлаждающей среды, причем лобовая и выпуклая части дефлектора по всей поверхности имеют поперечные гофры с постоянным и переменным шагом, образуя с оболочкой лопатки сужающиеся каналы со степенью сужения площадей равной 1,3-1,5, причем лобовая часть составляет от 1 носика лопатки на вогнутой части (0,10-0,15)b, а на выпуклой части (0,08-0,12)b, при этом вогнутая часть дефлектора имеет фиксатор в виде менее двух продольных впадин. Изготовление оболочки аэродинамической формы по шаблону из листового жаропрочного материала без перегородки и перфорации ее поверхности с фиксаторами дефлектора на вогнутой части и использование вставного дефлектора, у которого лобовая и выпуклая части по ввей поверхности имеют поперечные гофры с постоянным и переменным шагом, образуя с оболочкой сужающиеся каналы со степенью сужения площадей равным 1,3-1,5 и размещение на вогнутой части дефлектора фиксатора в виде двух продольных впадин, позволяет: - снизить термические напряжения в оболочке за счет более равномерной вентиляции пространства между оболочкой и дефлектором посредством использования сужающихся каналов; - отсутствие процесса выпуска охлаждающей среды в основной поток позволяет снизить профильные потери и потери от скачков уплотнения; - фиксация оболочки посредством выступов через продольные впадины в дефлекторе позволяет снизить термические напряжения; - использование в конструкции лопатки сужающихся каналов позволяет повысить коэффициент теплоотдачи от оболочки в охлаждаемую среду за счет увеличения ее скорости в них; - повысить КПД турбины за счет уменьшения гидравлических потерь и потерь от скачков уплотнения, а также выхода охлаждающей среды через щели в хвостовой части лопатки в основной поток, которая будет создавать на рабочем колесе турбины полезную работу; - значительно упростить и удешевить технологию изготовления оболочки путем изготовления ее из листового материала по шаблону. Таким образом достигается ожидаемый технический результат, а именно: снижение термических напряжений, уменьшение профильных потерь и потерь от скачков уплотнения, повышение коэффициента теплоотдачи, а также упрощение технологии изготовления лопатки. На фиг.1 изображен общий вид сопловой лопатки газовой турбины, на фиг.2 - общий вид вставного дефлектора. Сопловая лопатка газовой турбины состоит из оболочки 1 аэродинамической формы и вставного дефлектора 2. На внутренней поверхности вогнутой части оболочки 1 расположены выступы 3, а в хвостовой части оболочки 1 имеются разделяющие вставки 4 и щели 5 для выхода охлаждающей среды за пределы оболочки 1. Вставной дефектор 2 в себя включает: выпуклую часть 6, лобовую часть 7, штуцер 8 подхода охлаждающей среды, вогнутую часть 9, которая имеет продольные впадины 10. Посредством выступов 3 вставной дефлектор 2 фиксируется в оболочке 1 лопатки от перемещений. Сужающиеся каналы 11 в лобовой части 7 и выпуклой части 6 вставного дефлектора 2 образованы поперечными гофрами и оболочкой 1 аэродинамической формы. Степень сужения площадей сужающихся каналов составляет 1,3-1,5. Устройство работает следующим образом. Охлаждающая среда через штуцер 8 поступает во внутреннюю полость вставного дефлектора 2, откуда охлаждающая среда одновременно поступает во все сужающиеся каналы 11 лобовой части 7, где охлаждающая среда ускоряется и далее поступает в выпуклую часть 6 дефлектора 2. Охлаждающая среда в лобовой части 7 разделяется на две части. Большая ее часть в количестве 75-80% поступает на охлаждение носовой и выпуклой частей оболочки 1, которые испытывают более высокое тепловое воздействие от основного потока. Остальная охлаждающая среда (20-25%) идет на охлаждение вогнутой части оболочки 1. Путь движения охлаждающей среды в лобовой части 7, выпуклой части 6 и вогнутой части 9 в зазоре между оболочкой 1 и вставным дефлектором 2 на фиг.1 и фиг.2 показан стрелками. В сужающихся каналах 11 поток охлаждающей среды ускоряется, что повышает коэффициент теплоотдачи от оболочки 1 в охлаждающую среду, а это приводит к увеличению эффективности охлаждения и снятию термических напряжений в оболочке 1. Охлаждающая среда во внутренней вогнутой части оболочки 1 проходит через зазор между оболочкой 1 и вогнутой частью 9 вставного дефлектора 2 и выступы 3, охлаждая эту часть оболочки 1. После охлаждения носовой, выпуклой и вогнутой частей оболочки 1 охлаждающая среда через цели 5, которые образованы в хвостовой части оболочки 1 разделяющимися вставками 4, выходит в основной поток и в дальнейшем используется на рабочем колесе газовой турбины для создания полезной работы (на фиг.1 и фиг.2 рабочее колесо турбины не показано). Таким образом преимущества предлагаемой сопловой лопатки газовой турбины перед аналогами и прототипом состоят в том, что: 1) снижаются термические напряжения в оболочке; 2) снижаются гидравлические потери и потери от скачков уплотнения; 3) повышается эффективность охлаждения за счет использования сужающихся каналов и гофров с постоянным и переменным шагом; 4) повышается КПД турбины; 5) значительно упрощается и удешевляется процесс изготовления оболочки лопатки.