Охолоджувана лопатка соплового апарату

УКРАЇНА (19) UAo,, 10515 (13) А (5П5 F01 D5/18 ОПИС ДО ПАТЕНТУ ДЕРЖАВНЕ ПАТЕНТНЕ ВІДОМСТВО НА ВИНАХІД без проведення експертизи по суті на підставі Постанови Верховної Ради України f* 3769-ХII від 23.ХІІ. 1993 р. Публікується в редакції заявника (54) ОХОЛОДЖУВАНА ЛОПАТКА СОПЛОВОГО АПАРАТУ 1 (21)93060640 (22) 30.12.92 (24)25.12.96 (46)25.12.96. Бюл. Г* 4 (56) 1. Патент США Ьк 4752186, кл. F 01 D 5/08. 2. Заявка Великобритании N; 2202907, кл F01 D5/18. (72) Варганов Іван Степанович, Халатов Артем Артемович, Митрахович Михайло Михайлович (73) Інститут технічної теплофізики Академії наук України (UA) (57) Охлаждаемая лопаїха соплового аппарата, содержащая носовую часть, спинку, корыто, хвостовую часть, циклонную камеру, коллектор подвода, подводящие и отводящие каналы охлаждающей среды, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что циклонная камера рас положена в носовой части лопатки, снабженной разделяющей вставкой с ребрами, коллектор подвода охлаждающей среды установлен со стороны спинки лопатки, при этом охлаждающая лопатка дополнительно снабжена вторым коллектором отвода охлаждающей среды, расположенным со стороны корыта лопатки, причем отношение длины камеры к диаметру камеры составляет l/d = 1,0-2,0, диаметр отводящего канала К диаметру подводящего канала-(1вых/с1вх™ в 0,7-1,4, а диаметр шейки вставки к диаметру циклонной камеры - сіц/d » 0,2-0,7, где d - диаметр циклонной камеры; I - длина циклонной камеры; dBx - диаметр подводящего канала охлаждающей среды; deux - диаметр отдводящего канала охлаждающей среды; d y - д и а м е т р шейки вставки. Изобретение относится к области двигателестроения и может найти применение при конструировании высокотемпературных газовых турбин в авиационной и машиностроительной промышленности. Известна конструкция охлаждаемой стенки профилируемой лопатки, содержащая выпуклую и вогнутую спинку, образующие переднюю часть лопатки и область задней кромки лопатки. Выпуклая и вогнутая стенки находятся на некотором расстоянии друг от друга и образуют полость охлаждающего воздуха в передней части и простирающуюся по размаху щель в зоне задней кромки. Щель сообщается с полостью для подвода охлаждающего воздуха из полости. .В задней кромке лопатки образованы выходные каналы, соединенные с щелью. Поперек щели между выпуклой и вогнутыми стенками простираются по размаху несколько перегородок, между которыми образовано несколько простирающихся по размаху каналов, имеющих в полости, перпендикулярной размаху, площадь поперечного сечения. В каждой перегородке выполнены на расстоянии друг от друга отверстия, соединяющие каналы. Отверстия в соседних перег о р о д к а х р а с п о л о ж е н ы по размаху С > о ел ел 10515 ступенчато и не совпадают друг с другом. Отверстия имеют высоту и площадь поперечного сечения. При этом весь охлаждающий воздух, проходящий через каждое отверстие, натекает на соседнюю расположенную ниже по потоку перегородку и поворачивает на 90° [1] Существенные недостатки известного устройства состоят в том, что: 1) сложность конструкции лопатки; 2) конструкция каналов с системой перегородок не позволяет надежно охлаждать лобовую часть лопатки, так как в нее воздух по высоте подводится неодновременно, 3) ввиду того, что по высоте топатки площадь поперечного сечения каналов постоянная, а это не обеспечивает одинаковые условия охлаждения при переменной температуре газов по высоте лопатки (в реальной конструкции температура газов на входе в полость каналов лопатки по вьісоіе изменяется). Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению являются охлаждаемые составные части аэродинамического профиля, выбранные в качестве прототипа, содержащие аэродинамический профиль с пленочным охлаждением например, лопатка соплового аппарата, оллзждается изнутри текучей средой, выходящей из коллектора в вихревые камеры, проходящие по размаху профиля. Вихри возникают при поступлении^ охлаждающей текучей среды в вихревые камеры. Высокое число Нуссельта на перифериях вихревых камер обеспечивает хорошую теплопередачу к охлаждающей текучей среде, вытекающую вблизи задней кромки профиля через направленные назад щели. В результате происходит пленочное охлаждение на поверхности профиля и устраняются застойные зоны, которые могли бы возникнуть из-за задержки вблизи передней кромки. В одном предпочтительном исполнении текучая среда из коллектора также проходит через каналы в коллектор, из которого она по каналам поступает в вихревые камеры и пополняет протекающие через эти камеры потоки Каналы могут быть расположены рядами по размаху профиля, а щели могут быть непрерывными или прерывистыми [2]. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 высоте лопатки, при ее нагревании газами основного потока, будет приводить к изменению геометрии профиля лопатки, что также приводит к снижению КПД газовой турбины; 4) при неравномерной температуре газов на входе в сопловой аппарат по высоте лопатки, что присуще реальным конструкциям камер сгорания, равномерный подвод охлаждающей среды по высоте лопатки, как это делается в прототипе, не обеспечивает надежного охлаждения; 5) подача дополнительной охлаждающей среды по каналам в вихревые камеры будут разрушать образовавшийся вихрь от ранее вошедшего D них воздуха из коллектора, что значительно снижает эффективность охлаждения лопатки. Задачей изобретения является охлаждение носовой части лопатки турбины путем введения в конструкцию разделяющей вставки, что позволит повысить КПД турбины. Ожидаемый технический результат состоит в снижении температуры стенки в носовой части лопатки и снятии термических напряже.іий по ее высоте. Поставленная задача решается тем, что в охлаждаемой лопатке соплового аппарата, содержащей носовую часть, спинку, корыто, хвостовую часть, циклонную камеру, коллектор подвода, подводящие и отводящие каналы охлаждающей среды, с о г л а с н о изобретению. Циклонная (вихревая) камера расположена в носовой части лопатки, в которую введена вставка с ребрами, разделяющая циклонную камеру не менее, чем на две камеры, коллектор подвода охлаждающей среды находится со стороны спинки лопатки, кроме этого введен второй коллектор отвода охлаждающей среды со стороны корыта, причем отношение длины I камеры к диаметру d камеры составляет l/d = 1,0-2,0, диаметр deux отводящего канала из циклонной камеры к диаметру dBx подводящего канала в циклонную камеру определяется отношением сівих/dBx ы 0,7-1,4, при этом это отношение по высоте л о п а т к и м о ж е т быть переменным, а диаметр 6ц шейки вставки к диаметру d циклонной камеры находится из соотношения du/d = 0.2-0,7. Существенные недостатки известного устройства состоят в том, что: 1) вихревые Сущность предлагаемого устройства закамеры расположены у спинки и корыта, что ключается в следующем. не обеспечивает надежное охлаждение ноВведение аставки с ребрами в циклонсовой части лопатки, как наиболее нагру- 55 ную камеру позволяет: 1) разделить циклонженной в тепловом отношении; 2) поток ную камеру не менее, чем на две камеры; охлаждающей среды, который выходит че2) разделение циклонной камеры на нерез щели, нарушает характер обтекания лосколько камер по высоте при переменном патки, что снижает КПД газовой турбины; 3) отношении йвых/йвх п о высоте лопатки повыполнение выходных щелей, непрерывных по зволяет надежно ее охладить при наличии 10515 температурной неравномерности іазов на входе в сопловой аппарат; 3) расположение коллектора подоода охлаждающей среды со стороны спинки обеспечивает надежное охлаждение этой поверхности конвективным способом; 4) расположение коллектора от•ода охлаждающей среды со стороны корыта позволяет конвективным способом охладить эту поверхность, которая менее нагружена о тепловом отношении, чем спинка; 5) расположение щелей для выхода охлаждающей среды в основной поток газа, в хвостовой части лопатки, позволяет использовать ее с меньшим полным давлением, что дает возможность применять для охлаждения более дешевую среду, а это дает возможность повысить КПД турбины; 6) выбор отношения l/cJ = 1,0-2,0 производится из условия время нахождения охлаждающей среды в циклонной камере При l/d 2,0 оремя нахождения охлаждающей среды в циклонной камере велико, что может привести к перегреву лопаток; 7) выбор отношения dBbix/cJox = 0.7-1,4 производится из условия количества расходуемой среды. При douy/dax 1,4 расход охлаждающей среды становится большим, следовательно, она не эффективно используется; 8) выбор соотношения вц/(і - 0,2-0,7 производится из условий увеличения скорости в циклонной каморе. При d u /d 0,7 скорость в циклонной камере сильно растет, что приводит к большим потерям пол ного давления, а это в свою очередь ведет к падению эффективности охлаждения 5 10 15 20 25 30 35 40 подвода охлаждающей среды в циклонные камеры 6, коллектор 9 для отвода охлаждающей среды. На фиг.1,2,3,5 введены обозначения: I длина циклонной камеры; d - диаметр циклонной камеры; dux - диаметр подводящего канала охлаждающей среды в циклонную камеру; dBux - диаметр отводящего канала охлаждающей среды из циклонной камеры; бц - диаметр шейки вставки с ребрами. Стрелками на фиг.1,2,3 показано движение охлаждающей среды из-за компрессора (на фиг.1,2,3,4,5 не показан) она поступает через отверстие в боковой стенке 3 в коллектор 4, из него по каналам 8 в циклонные камеры 6 и далее через каналы 7 в коллектор 9. и выходит через щели 2 за пределы лопатки 1. Устройство работает следующим образом. Охлаждзющая среда из-за компрессора (на фиг.1,2,3,4,5 не показан)через отверстие в боковой стенке 3 поступает в коллектор 4, где при своем движении охлаждает спинку лопатки 1 с помощью конвективного теплообмена. Из коллектора 4 через каналы 8 она поступает в циклонные камеры 6, где за счет закрутки потока образуется интенсивный вихрь между стенкой циклонной камеры 6 и шейкой вставки 5 с разделением охлаждающей среды на две зоны более холодную и более горячую. Более холодная зона располагается у стенки циклонной камеры 6, что обеспечивает эффективное охлаждение носовой части лопатки 1, а более горячая зона располагается у шейки вставки 5. После эффективного охлаждения носика лопатки 1 охлаждающая среда по каналам 7 попадает в коллектор 9 и далее через щели 2 покидает пределы лопатки 1. Таким образом, заявляемая охлаждаеНа фиг, 1 изображен общий вид охлажмая лопатка соплового аппарата позволяет: даемой лопатки соплового аппарата с цик1) упростить конструкцию лопаток; лонной камерой; на фиг.2 вид по Б-Б на 45 2) обеспечить надежное охлаждение нофиг 1; на фиг.З вид по А-А на фиг.1; на фиг.4 совой части лопатки при наличии темперадеталь tsfc 3 на фиг.1; на фиг.5 деталь N* 5 на турной неравномерности газов на входе в фиг.1. сопловой аппарат; Охлаждаемая лопатка соплового аппа3) позволяет повысить КПД турбины; рата включает в себя; лопатку 1, щели 2 для 50 4) более эффективно использовать охвыхода охлаждающей среды в основной полаждающую среду при постановке циклонток, боковую стенку 3 с отверстием, За ной камеры и введением в нее вставки с боковую стенку без отверстия, коллектор 4 ребрами; для подвода охлаждающей среды, разделя5) использовать охлаждающую среду с ющую вставку 5 с ребрами, циклонные каме- 55 меньшим полным давлением и температуры 6, каналы 7 для отвода охлаждающей рой, чем полное давление основного потока среды из циклонных камер, каналы 8 для газов, что позволяет повысить КПД турбины. 10515 ВИД ПО Б-В ВИД ПО А-А? ФИГ. 2 ФИГ. 3 10515 Фиг, 4 . кур Фиг. 5, Упорядник А.Долинський Замовлення 4018 Техред ММоргенуал Коректор М.Самборська Тираж Підписне Державне патентне відомство УкраТни, 254655, ГСП. КиТо~53, Львівська пл., 8 Відкрите акціонерне товариство "Патент", м. Ужгород, вул.Гагаріна, 101