Охолоджувана робоча чи соплова лопатка газової турбіни (варіанти)

1. Лопатка газової турбіни, яка містить пустотіле перо з розташованою уздовж внутрішньої по C2 2 (19) 1 3 85432 соті лопатки також істотно нерівномірні: як правило, максимальні температури газу мають місце в зоні, що відповідає середині висоти пера лопатки. Також перемінними по висоті є припустимі значення температур лопатки, визначені з умови забезпечення міцності. Найбільш близьким технічним рішенням є прийнята за прототип лопатка [3]. У цій лопатці для підвищення інтенсивності теплообміну в районі вхідної кромки застосовуються ребра, що турбулізують потік охолодного середовища, чи їхня комбінація зі штирками, розташованими напроти хвилеподібної перегородки. Недоліки такого рішення полягають у тім, що плин повітря уздовж хвилеподібної перегородки супроводжується різким збільшенням гідравлічного опору каналу охолодження, що не завжди допустимо. При цьому також відбувається збільшення інтенсивності теплообміну у вершин перегородки, звернених до вхідної кромки, тобто на поверхнях, що не мають безпосереднього контакту з газовим середовищем. У той же час, у поглибленнях утворюються зони зі зниженою інтенсивністю теплообміну. Усе це, у свою чергу, може приводити до збільшення температурних напруг у перегородці. Застосовані у варіанті даної лопатки штирки є недобреобтічними тілами, що додатково збільшує гідравлічні втрати, і мають при цьому малу площу теплообмінної поверхні. Задача винаходу полягає в підвищенні інтенсивності охолодження вхідної кромки лопатки і, насамперед, у точці набігання потоку без істотного збільшення гідравлічного опору каналу охолодження. Це дозволить підвищити ресурс і надійність лопатки. Для вирішення задачі в охолоджуваній лопатці газової турбіни, яка містить пустотіле перо з розташованою уздовж внутрішньої поверхні вхідної кромки подовжньою перегородкою, що є частиною стінки каналу охолодження, і має ребра, що турбулізують потік, згідно до винаходу, на внутрішній поверхні вхідної кромки додатково виконане подовжнє ребро. Як варіант виконання, в охолоджуваній лопатці газової турбіни, яка містить пустотіле перо з розташованою уздовж внутрішньої поверхні вхідної кромки подовжньою перегородкою, що є частиною стінки каналу охолодження, і має ребра, що турбулізують потік, на внутрішній поверхні вхідної кромки додатково виконане подовжнє ребро з різами, крок яких t=(2-10)h, де h - значення висоти подовжнього ребра. При цьому, ребра, які турбуліз ують потік охолодного середовища, виконані по обидві сторони від подовжнього ребра на внутрішніх поверхнях лопатки та спрямовані від вхідної кромки до перегородки під кутом 20-85° до напрямку плину о холодного середовища. Такий напрямок ребер, які турбулізують потік, на бічних стінках дозволяє одержати максимальні значення локальних (місцевих) коефіцієнтів тепловіддачі від охолодного середовища безпосередньо поблизу вхідної кромки. Подовжнє ребро уздовж вхідної кромки забезпечує при цьому істотне збільшення площі тепло 4 обміну з боку охолодного середовища, що у свою чергу забезпечує додаткове зниження температури вхідної кромки лопатки. Для зниження теплових напруг, що виникають у подовжнім ребрі через істотну різницю температури вхідної кромки, омиваної потоком гарячого газу з боку проточної частини, і температури ребра, омиваного охолодним середовищем, подовжнє ребро може бути переривчастим, тобто мати по свої довжині різи. Нижче винахід більш докладно описаний за допомогою приклада виконання і за допомогою креслень, на яких зображено: Фіг.1 - поздовжній розріз першого варіанта виконання лопатки; Фіг.2 - поперечний переріз лопатки по лінії Б-Б по Фіг.1; Фіг.3 - елемент Г по Фіг.2; Фіг.4 - перетин лопатки по лінії Д-Д по Фіг.3; Фіг.5 - перетин лопатки по лінії Е-Е по Фіг.3; Фіг.6 - вид на вхідну кромку по стрілці Ж по Фіг.3; Фіг.7 - перетин по лінії З-З по Фіг.4 і 5; Фіг.8 - поздовжній розріз другого варіанта виконання лопатки. На Фіг.1 зображена робоча лопатка 1, прикріплена торцем 2 своєї кореневої частини 3 до ротора 4 газової турбіни й оточена кожухом 5, що обмежує проточний канал, у який у напрямку стрілки А входить потік гарячого газу. Робоча лопатка 1 містить внутрішню порожнину 6, що у зоні 7 кромки відтоку лопатки 1 має вихідну щілину 8 (Фіг.2). У зоні кореневої частини З (Фіг.1) внутрішня порожнина 6 з'єднана з джерелом 9 охолодного середовища. Внутрішня порожнина 6 з боку лопатки 1, на яку натікає потік гарячого газу, обмежена вхідною кромкою 10, що проходить, в основному, радіально. У внутрішній порожнині 6 розміщена перегородка 11, що примикає до внутрішніх поверхонь увігнутої стінки 12 (Фіг.2) і опуклої стінки 13 лопатки 1. Перегородка 11 у зоні кореневої частини 3 має вхідн у ділянку 14 (Фіг.1) для направлення охолодного середовища, що підводиться від джерела 9, наприклад, повітря в канал 15 охолодження, утвореного стінкою вхідної кромки 10, перегородкою 11, частиною увігнутої стінки .12 і частиною опуклої стінки 13 лопатки 1. На внутрішній поверхні вхідної кромки 10 (Фіг.4) виконане подовжнє ребро 16 з висотою h. Ребра 17, що турбулізують потік охолодного середовища (Фіг.3, 4, 5) виконані по обидві сторони подовжнього ребра 16 на частині внутрішньої поверхні увігн утої стінки 12 і частини внутрішньої поверхні опуклої стінки 13 лопатки 1 та спрямовані від вхідної кромки до перегородки під кутом a=20...85° до напрямку плину охолодного середовища. При цьому, в залежності від застосовуваної технології виго товлення і вимог до температурного стану вхідної кромки і бічних стінок ребра 17 можуть закінчуватися на деякій відстані L1 і L2 (Фіг.3) від подовжнього ребра і на деякій відстані L3 і L4 (Фіг.2) від перегородки, а можуть доходити безпосередньо до подовжнього ребра і перегородки. Крок р ребер 17 (Фіг.6) у напрямку плину охолод 5 85432 ного середовища, а також їхня висота е (Фіг.7) і ширина d у зале5 жності від розподілу припустимих значень температур знаходяться у співвідношенні: р=(5...50)·е, d=(0,5...2)·е. Таке рішення дозволяє забезпечити достатній рівень інтенсивності теплообміну з боку охолодного середовища на кожній ділянці стінки як у поперечному перерізі, так і по висоті, і не допустити істотного переохолодження стінки лопатки в деяких зонах, що приводить до додаткового підігріву охолодного середовища в каналі. Зображений на Фіг. 8 варіант виконання робочої лопатки 1 відрізняється від варіанта, зображеного на Фіг.1...7 тим, що подовжнє ребро 16 має різи 18 із кроком t=(2...10)·h. Хоча винахід пояснений на прикладі робочої лопатки 1, він в однаковій мірі застосований і до соплової лопатки газової турбіни. При роботі газової турбіни гарячий газ натікає на робочі лопатки 1 у напрямку стрілки А (Фіг.1, 2) і проходить по міжлопаточному каналу, створюючи на лопатках аеродинамічну силу. Окружна складова цієї сили, що діє в напрямку стрілки В (Фіг.2), приводить в обертання робочі лопатки 1 і зв'язаний з ними через торець 2 кореневої частини 3 ротор турбіни 4. Охолодне середовище, що надходить із джерела 9 у внутрішню порожнину 6, і, зокрема, у канал 15 охолодження, охолоджує всі зони робочої лопатки 1, у тому числі і вхідної кромки 10. Вхідна ділянка 14 направляє охолодне середовище від джерела 9 у канал 15 охолодження. Після проходження каналу 15 охолодження і іншої частини внутрішньої порожнини 6 охолодне середовище виходить у газовий канал турбіни через вихідну щілину 8. При проходженні через канал 15 охолодне середовище охолоджує стінки лопатки, при цьому 6 ребра 17 забезпечують підвищення інтенсивності теплообміну на бічних стінках, а їхній напрямок від вхідної кромки до перегородки під кутом до напрямку плину охолодного середовища забезпечує максимальні значення місцевої інтенсивності теплообміну з боку охолодного середовища саме в районі вхідної кромки 10, де інтенсивність теплообміну з боку гарячого газу має максимальний рівень. Подовжнє ребро 16 за рахунок значного збільшення площі теплообміну з боку охолодного середовища також приводить до зниження температури лопатки в районі вхідної кромки. Виконання в подовжнім ребрі 16 різів 18 (Фіг.8) дозволяє знизити теплові напруги, що виникають у подовжнім ребрі через істотну різницю температури вхідної кромки, омиваної гарячим газом з боку проточної частини, і температури подовжнього ребра, омиваного охолодним середовищем. Таким чином, дане виконання лопатки забезпечує підвищення інтенсивності охолодження вхідної кромки лопатки і, насамперед, у точці набігання потоку, без істотного збільшення гідравлічного опору каналу охолодження і зниження нерівномірності температур лопатки в районі вхідної кромки. Це, у свою чергу, приводить до підвищення ресурсу і надійності лопаток. Джерела інформації: 1. Matsuzaki Η., et al., "De velopment of advanced gas turbine", ASME Paper №96-GT-294, fig.4. 2. Патент США US 94332309 F01D5/18, Направляющая газотурбинная лопатка с устройством охлаждения. 3. Патент RU 2151303 С1 F01D5/18, Охлаждаемая рабочая или сопловая лопатка газовой турбины. 7 85432 8 9 Комп’ютерна в ерстка А. Рябко 85432 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601