|
(21), (22) Заявка: 2004131475/06, 28.10.2004
(24) Дата начала отсчета срока действия патента:
28.10.2004
(43) Дата публикации заявки: 10.04.2006
(46) Опубликовано: 10.10.2006
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске:
GB 1410014 А, 15.10.1975. КОПЕЛЕВ С.З. и др. Тепловые и гидравлические характеристики охлаждаемых лопаток газовых турбин. – М.: Машиностроение, 1993, с.9, рис.1.4. SU 1394763 A1, 10.11.1995. SU 1621619 A1, 10.07.2004. US 5975851 A, 02.11.1999. US 5813836 A, 29.09.1998.
Адрес для переписки:
152903, Ярославская обл., г. Рыбинск, пр-т Ленина, 163, ОАО “Научно-производственное объединение “Сатурн”, ОРИС
|
(72) Автор(ы):
Кузменко Михаил Леонидович (RU), Пиотух Станислав Мечиславович (RU), Нагога Георгий Петрович (RU), Горелов Юрий Генрихович (RU)
(73) Патентообладатель(и):
Открытое акционерное общество “Научно-производственное объединение “Сатурн” (RU)
|
(54) РАБОЧАЯ ЛОПАТКА ТУРБОМАШИНЫ
(57) Реферат:
Рабочая лопатка турбомашины содержит выполненные во внутренней полости на спинных и корытных поверхностях основные ребра, между которыми расположены компланарно пересекающиеся каналы. На дне каналов, расположенных, по крайней мере, на корытной поверхности, выполнены дополнительные ребра, имеющие высоту и ширину меньше, чем у основных ребер. Дополнительные ребра выполнены с переменным шагом t/h, где t – шаг дополнительных ребер, h – высота дополнительного ребра. Изобретение направлено на увеличение интенсификации теплообмена в каналах между основными ребрами за счет разрушения пограничного слоя потока воздуха на дне этих каналов. Кроме того, предполагаемое изобретение направлено на получение распределения интенсивности теплообмена в соответствии с законом распределения интенсивности теплового потока от газа в лопатке по ее периметру и высоте. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 5 ил.
Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в конструкции газотурбинного двигателя (ГТД) для авиационного, судового и наземного (в составе энергоустановки) применения.
Известна конструкция рабочей лопатки турбомашины, содержащая компланарно пересекающиеся каналы корытной и спинной оболочек во внутренней полости лопатки, ограниченные соответственно корытными и спинными ребрами. Корытные и спинные ребра в такой лопатке разделены дефлектором (пластиной). Воздух в лопатке поступает из входной полости в вихревую матрицу по корытным и спинным каналам, разворачивается у входной кромки и поступает в противоположные каналы соответственно корытные либо спинные из каналов между этими ребрами – в выходную кромку лопатки. (Патент №1404757. Англия. НКИ FIT. МКИ F 01 D 5/18. Заявлено 25 августа 1971 г. Опубликовано 3 сентября 1975 г.).
Также известна наиболее близкая по назначению конструкция, разработанная и применяемая в рабочих лопатках турбомашин, включающая вихревую матрицу во внутренней полости лопатки, на корытной и спинной поверхностях которой выполнены основные ребра, между которыми расположены компланарно пересекающиеся каналы. Разделительный дефлектор (пластины) между корытными и спинными ребрами в такой конструкции лопатки отсутствует. (Патент №1410014. Англия. НКИ FIT. МКИ F 01 D 5/18. 14.12.71. Заявлено 15 октября 1975 г).
Общими недостатками для обеих рабочих лопаток является отсутствие дополнительных мер (турбулизаторов) по интенсификации теплообмена в каналах между основными ребрами, т.к. у дна этих каналов не происходит разрушения пограничного слоя воздушного потока, что ведет к снижению коэффициента теплоотдачи.
В этих лопатках отсутствуют меры по распределению интенсивности теплообмена в соответствии с законом распределения теплового потока от газа в лопатке по ее периметру и высоте, что ведет к неравномерности распределения поля температур в поперечных сечениях лопатки (обычно в лопатках коэффициент теплоотдачи газа со стороны корытца больше, чем со стороны спинки примерно в 1,5 раза, а радиальная эпюра температуры газа перед рабочей лопаткой неравномерна по ее высоте).
Предлагаемое изобретение направлено на увеличение интенсификации теплообмена в каналах между основными ребрами за счет разрушения пограничного слоя потока воздуха на дне этих каналов.
Кроме того, предлагаемое изобретение направлено на получение распределения интенсивности теплообмена в соответствии с законом распределения интенсивности теплового потока от газа в лопатке по ее периметру и высоте.
Поставленная техническая задача достигается тем, что во внутренней полости рабочей лопатки турбомашины на спинных и корытных поверхностях выполнены основные ребра, между которыми расположены компланарно пересекающиеся каналы.
Новым в предлагаемом изобретении является то, что на дне каналов, расположенных, по крайней мере, на корытных поверхностях, выполнены дополнительные ребра, имеющие высоту и ширину меньше, чем у основных ребер.
Дополнительные ребра могут быть выполнены с шагом, определяемым соотношением t/h 8 и с шириной, определяемой соотношением а/h=0,3…0,8, высотой, определяемой соотношением hP/h=2…6, где t – шаг дополнительных ребер вдоль оси единичного канала вихревой матрицы (фиг.2), а и h – ширина и высота дополнительного ребра, hP – высота основного ребра.
Для распределения интенсивности теплообмена в соответствии с законом распределения теплоты от газа в лопатке по ее периметру и высоте, дополнительные ребра выполнены с переменным шагом.
На чертежах изображена предлагаемая лопатка.
Фиг.1 – поперечное сечение рабочей лопатки с дополнительными ребрами на дне каналов корытной оболочки.
Фиг.2 – продольный разрез рабочей лопатки.
Фиг.3 – фрагмент вихревой матрицы с дополнительными ребрами, выполненными с переменным шагом как по высоте, так и по периметру лопатки.
Фиг.4 – фрагмент поперечного сечения с указанием геометрических характеристик основных и дополнительных ребер.
На Фиг.5 приведен график зависимости интенсификации теплообмена Nu/NuГЛ. от относительного шага дополнительных ребер (t/h) при различном соотношении h/dГ, где dГ – гидравлический диаметр единичного канала вихревой матрицы, состоящей из компланарно пересекающихся каналов.
Во внутренней полости рабочей лопатки турбомашины на спинных 1 и корытных 2 поверхностях выполнены основные ребра 3, между которыми расположены компланарно пересекающиеся каналы 4 (фиг.2). На дне каналов 4 выполнены дополнительные ребра 5. Дополнительные ребра 5 имеют ширину а и высоту h меньше, чем у основных ребер (фиг.4) и выполняются параллельно друг другу под произвольным углом к оси вихревой матрицы 6.
Дополнительные ребра 5 (фиг.2, 4) выполнены с шагом t, определяемым соотношением t/h 8, где h – высота дополнительных ребер. Ширина а дополнительного ребра 5 определяется соотношением а/h=0,3…0,8; а высота h – соотношением hP/h=2…6, где, hP – высота основного ребра. Дополнительные ребра могут быть выполнены только на корытной оболочке (фиг.1) или на корытной и спинной одновременно.
Шаг дополнительных ребер 5 – t/h может быть выполнен переменным в зависимости от закона подвода теплоты от газа по длине каналов 4 между основными ребрами 3 или по высоте и периметру лопатки, приближаясь к оптимальной величине t/h=10 в местах с наибольшей величиной коэффициентов теплоотдачи от газа и температурой газа (фиг.2). На фиг.3 приведен пример выполнения дополнительных ребер с переменным шагом t/h, дополнительные ребра условно показаны только в одном канале вихревой матрицы на спинке и корытце. На корытной оболочке дополнительные ребра выполнены с изменяющимся по высоте лопатки (по стрелке А) относительным шагом – от корневого к периферийному сечению (в котором температура лопатки обычно принимает наибольшее значение) – в диапазоне от t/h=5 до t/h=10. На спинной оболочке дополнительные ребра выполнены также с изменяющимся по высоте лопатки (по стрелке В) относительным шагом – от корневого к периферийному сечению в диапазоне от t/h=12 до t/h=20. При этом на корытной оболочке шаг дополнительных ребер более близок к оптимальному, чем на спинной, так в периферийном сечении на корытной оболочке (t/h)opt=10 для обеспечения оптимальной интенсификации теплообмена – (Nu/Nuгл)opt, на спинной оболочке – где не требуется столь значительной интенсификации – (t/h=12) (фиг.5).
Рабочая лопатка включает передний канал 7 (Фиг.2) с наклонными к оси потока – 8 в трех петлевых каналах – наклонными полуребрами 9 и винтовыми ребрами 10 на вогнутой поверхности входной кромки, три гладких петлевых канала 7, 11, 12, разделенных перегородками, V-образное ребро – 13, позволяющее “разбить” застойную зону в периферийной части лопатки.
При работе воздух поступает в передний канал 7 (Фиг.2), далее часть воздуха поступает над V-образным ребром – 13 в верхнее сечение вихревой матрицы. Другая часть воздуха поступает во второй петлевой канал 11 и из него – в задний петлевой канал 12. Из петлевого канала 12 воздух раздается по каналам 4 вихревой матрицы, поступая от корневого сечения к периферийному, при этом происходит дополнительная интенсификация теплообмена в каналах 4 вихревой матрицы со стороны корытца и спинки за счет дополнительных ребер 5 на дне каналов 4.
Таким образом, за счет дополнительных ребер на дне каналов вихревой матрицы вблизи теплоотдающих поверхностей происходит непрерывное разрушение пограничного слоя, интенсифицируется массообмен пристенных слоев потока с его ядром, что является причиной увеличения коэффициента теплоотдачи от воздуха.
Для рабочего диапазона расходов охлаждающего воздуха в условиях жидкометаллического термостата в модельных условиях получено, что коэффициент теплоотдачи i в лопатке с дополнительными ребрами возрос по сравнению с коэффициентом теплоотдачи исх в лопатке, не имеющей дополнительных ребер на дне каналов в 1.1…1,7 раза (таблица) во всех четырех исследуемых поперечных сечениях по высоте лопатки , 25%, 50%, 76% как при постоянном перепаде давления воздуха на лопатке ( ), так и при постоянном расходе воздуха (G) через нее:
Значения  |
Вихревая матрица – спинка |
Вихревая матрица – корытце |
10% |
25% |
50% |
76% |
10% |
25% |
50% |
76% |
При – idem |
1,12 |
1,11 |
1,12 |
1.13 |
1,38 |
1,45 |
1,60 |
1.48 |
При G – idem |
1,14 |
1,14 |
1,18 |
1,16 |
1,36 |
1,52 |
1,63 |
1,41 |
Как видно из таблицы, коэффициент теплоотдачи увеличился со стороны корытца в 1,6…1,63 раза по сравнению с вихревой матрицей без дополнительных ребер на дне каналов.
Пропускная способность лопаток при введении дополнительных ребер на дне каналов уменьшилась на незначительную величину – при t/h=10 на 0,02·10-6, при t/h=15 на 0,04·10-6.
Таким образом, наличие дополнительных ребер способствует интенсификации теплообмена в вихревой матрице рабочих лопаток со стороны корытца и со стороны спинки, увеличению равномерности охлаждения лопатки в ее поперечных сечениях, ведет к увеличению ее долговечности.
Формула изобретения
1. Рабочая лопатка турбомашины, во внутренней полости которой на спинных и корытных поверхностях выполнены основные ребра, между которыми расположены компланарно пересекающиеся каналы, отличающаяся тем, что на дне каналов, расположенных, по крайней мере, на корытной поверхности, выполнены дополнительные ребра, имеющие высоту и ширину меньше чем у основных ребер.
2. Рабочая лопатка по п.1, отличающаяся тем, что дополнительные ребра выполнены с переменным шагом t/h,
где t – шаг дополнительных ребер,
h – высота дополнительного ребра.
РИСУНКИ
|
|