×
27.04.2019
219.017.3cfb

Результат интеллектуальной деятельности: Охлаждаемая лопатка газовой турбины

Вид РИД

Изобретение

Аннотация: Охлаждаемая лопатка газовой турбины содержит полое перо, выполненное в виде передней и задней полости, разделенных радиальной перегородкой. В передней полости установлен передний дефлектор, в задней полости - задний дефлектор. В переднем дефлекторе выполнены отверстия струйного охлаждения входной кромки и стенок передней полости. В заднем дефлекторе выполнены отверстия струйного охлаждения стенок задней полости . В передней полости 2 в стенках полого пера 1 выполнены отверстия пленочного охлаждения 11. В щелевом канале выходной кромки по высоте стенок полого пера со стороны спинки и корыта выполнены продольные канавки постоянного поперечного сечения, имеющего форму кругового сегмента, глубиной Н и шириной В. В противолежащие со стороны спинки и корыта продольные канавки установлены в шахматном порядке ряды штырьков диаметром D. Отношение поперечного S и продольного S шага их установки к диаметру D штырьков составляет 2,5. Отношение глубины Н продольных канавок к диаметру D штырьков находится в диапазоне от 0,25 до 0,75, а отношение ширины В продольной канавки к диаметру D штырьков находится в диапазоне от 1,5 до 2. При этом поперечные сечения продольных канавок со стороны спинки, образованы окружностями, центры O которых лежат на осях штырьков. Поперечные сечения продольных канавок со стороны корыта, образованы окружностями, центры O которых лежат на нормали ко внутренней поверхности корыта. Изобретение направлено на снижение температуры стенки лопатки путем интенсификации теплоотдачи в щелевом канале выходной кромки. 7 ил.

Изобретение относится к турбостроению, а именно к охлаждаемой лопатке газовой турбины, предназначенной преимущественно для работы в области высоких температур.

Известна лопатка газовой турбины (публ. US №2015016973, публ. 15.01.2015, МПК F01D 5/18), содержащая полое перо с входной и выходной кромками, переднюю и заднюю полости пера, в которых установлены дефлекторы с отверстиями для подачи охлаждающего воздуха. Дефлекторами сформированы каналы для поперечного относительно пера течения охлаждающего воздуха от входной кромки в сторону выходной кромки. В выходной кромке выполнен щелевой канал со штырьками для выпуска воздуха в проточную часть турбины.

Недостатком данного технического решения является низкая эффективность охлаждения щелевого канала выходной кромки лопатки из-за образования застойных зон за штырьками и значительная толщина пограничного слоя со стороны спинки и корыта при их воздушном обтекании.

Известна другая лопатка с каналами охлаждения (патент US №6742991, публ. 15.01.2004, МПК F01D 5/18), содержащая входную и выходную кромки, радиальную перегородку, формирующую переднюю и заднюю полости, в которые установлены дефлекторы с отверстиями для струйного охлаждения стенок. В выходной кромке выполнен щелевой канал со штырьками для выпуска воздуха в проточную часть турбины.

Недостатком данного технического решения является низкая эффективность охлаждения щелевого канала выходной кромки лопатки из-за образования застойных зон за штырьками и значительная толщина пограничного слоя со стороны спинки и корыта при их воздушном обтекании.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является охлаждаемая лопатка соплового аппарата газовой турбины (патент РФ №2663966, публ. 13.08.2018, МПК F01D 5/18, F01D 9/02), содержащая полое перо, выполненное в виде передней полости и задней полости, разделенных радиальной перегородкой, передний дефлектор, установленный в передней полости и закрепленный первыми поперечными ребрами на стенках полого пера со стороны спинки и корыта, задний дефлектор, установленный в задней полости и закрепленный вторыми поперечными ребрами на стенках полого пера со стороны спинки и корыта, щелевой канал выходной кромки с установленными в нем штырьками, при этом в переднем дефлекторе выполнены отверстия струйного охлаждения входной кромки и стенок передней полости, в заднем дефлекторе выполнены отверстия струйного охлаждения стенок задней полости, в передней полости в стенках полого пера выполнены отверстия пленочного охлаждения.

Недостатком данного технического решения является низкая эффективность охлаждения щелевого канала выходной кромки лопатки из-за образования застойных зон за штырьками и значительной толщины пограничного слоя со стороны спинки и корыта при их воздушном обтекании.

Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение температуры стенки лопатки путем интенсификации теплоотдачи в щелевом канале выходной кромки.

Технический результат заключается в повышении эффективности охлаждения лопаток, что ведет к повышению их ресурса и, соответственно, ресурса газовой турбины в целом.

Это достигается тем, что в известной охлаждаемой лопатке газовой турбины, содержащей полое перо, выполненное в виде передней полости и задней полости, разделенных радиальной перегородкой, передний дефлектор, установленный в передней полости и закрепленный первыми поперечными ребрами на стенках полого пера со стороны спинки и корыта, задний дефлектор, установленный в задней полости и закрепленный вторыми поперечными ребрами на стенках полого пера со стороны спинки и корыта, щелевой канал выходной кромки, при этом в переднем дефлекторе выполнены отверстия струйного охлаждения входной кромки и стенок передней полости, в заднем дефлекторе выполнены отверстия струйного охлаждения стенок задней полости, в передней полости в стенках полого пера выполнены отверстия пленочного охлаждения, в щелевом канале выходной кромки по высоте стенок полого пера со стороны спинки и корыта выполнены продольные канавки постоянного поперечного сечения, имеющего форму кругового сегмента, глубиной Нк и шириной Вк, при этом в противолежащие со стороны спинки и корыта продольные канавки установлены ряды штырьков диаметром Dшт, причем штырьки размещены в шахматном порядке, отношение поперечного S1 и продольного S2 шага их установки к диаметру Dшт штырьков составляет 2,5, отношение глубины Нк продольных канавок к диаметру Dшт штырьков находится в диапазоне от 0,25 до 0,75, а отношение ширины Вк продольной канавки к диаметру Dшт штырьков находится в диапазоне от 1,5 до 2, при этом поперечные сечения продольных канавок, выполненных со стороны спинки, образованы окружностями, центры O1 которых лежат на осях штырьков, поперечные сечения продольных канавок, выполненных со стороны корыта, образованы окружностями, центры O2 которых лежат на нормали ко внутренней поверхности корыта.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена охлаждаемая лопатка газовой турбины (продольный разрез), на фиг. 2 представлено поперечное сечение А-А пера охлаждаемой лопатки, на фиг. 3 показан щелевой канал лопатки газовой турбины, на фиг. 4 изображены продольный и поперечный разрезы экспериментальной модели канала прямоугольного поперечного сечения со штырьками в канавках, на фиг. 5 представлена численная эпюра плотности теплового потока q на внутренней поверхности экспериментальной модели канала прямоугольного поперечного сечения по прототипу, на фиг. 6 представлена эпюра плотности теплового потока q на внутренней поверхности экспериментальной модели канала прямоугольного поперечного сечения по предлагаемому изобретению, на фиг. 7 приведены графики зависимости среднего числа Нуссельта от числа Рейнольдса для экспериментальных моделей каналов по прототипу и согласно предлагаемому изобретению.

Охлаждаемая лопатка газовой турбины содержит полое перо 1, выполненное в виде передней полости 2 и задней полости 3, разделенных радиальной перегородкой 4. В передней полости 2 установлен передний дефлектор 5, закрепленный первыми поперечными ребрами 6 на стенках полого пера 1 со стороны спинки и корыта. В задней полости 3 установлен задний дефлектор 7, закрепленный вторыми поперечными ребрами 8 на стенках полого пера 1 со стороны спинки и корыта. В переднем дефлекторе 5 выполнены отверстия струйного охлаждения входной кромки и стенок передней полости 9. В заднем дефлекторе 7 выполнены отверстия струйного охлаждения стенок задней полости 10. В передней полости 2 в стенках полого пера 1 выполнены отверстия пленочного охлаждения 11.

В щелевом канале выходной кромки 12 по высоте стенок полого пера 1 со стороны спинки и корыта выполнены продольные канавки 13 постоянного поперечного сечения, имеющего форму кругового сегмента, глубиной Нк и шириной Вк. В противолежащие со стороны спинки и корыта продольные канавки 13 установлены ряды штырьков 14 диаметром Dшт. Штырьки 14 размещены в шахматном порядке, при этом отношение поперечного S1 и продольного S2 шага их установки к диаметру Dшт штырьков 14 составляет 2,5. Отношение глубины Нк продольных канавок 13 к диаметру Dшт штырьков 14 находится в диапазоне от 0,25 до 0,75, а отношение ширины Вк продольной канавки 13 к диаметру Dшт штырьков 14 находится в диапазоне от 1,5 до 2.

При этом поперечные сечения продольных канавок 13, выполненных со стороны спинки, образованы окружностями, центры О1 которых лежат на осях штырьков 14. Поперечные сечения продольных канавок 13, выполненных со стороны корыта, образованы окружностями, центры O2 которых лежат на нормали ко внутренней поверхности корыта.

Охлаждаемая лопатка газовой турбины работает следующим образом.

Воздух поступает в передний 5 и задний 7 дефлекторы. Через отверстия струйного охлаждения входной кромки и стенок передней полости 9 воздух струями натекает на внутреннюю поверхность стенок полого пера 1, охлаждает их, движется между стенками переднего дефлектора 5 и полого пера 1, и вытекает в проточную часть турбины через отверстия пленочного охлаждения 11.

В задней полости 3 воздух через отверстия струйного охлаждения стенок задней полости 10 поступает в каналы между задним дефлектором 7 и стенками полого пера 1. После чего воздух попадет в щелевой канал выходной кромки 12, где при натекании на штырьки 14, размещенные в продольных канавках 13, реализуется сложное трехмерное течение с перемешиванием пристеночных слоев в объеме продольных канавок 13, что значительно повышает теплоотдачу в щелевом канале выходной кромки 12. Геометрические параметры продольных канавок 13, выбранные экспериментально, обеспечивают гарантированную интенсификацию теплообмена в щелевом канале выходной кромки 12.

Проведенное численное моделирование течения воздуха в щелевых каналах выходной кромки 12 показало, что установка продольных канавок 13 предотвращает образование застойных зон за штырьками 14 и способствует интенсивному перемешиванию пристеночных слоев потока (фиг. 6). На данном рисунке видно, что установка продольных канавок 13 в канал со штырьками 14 привела к ликвидации участков с низкой плотностью теплового потока за штырьками 14 (фиг. 5) и способствовала повышению интенсивности теплообмена в канале. Это обусловило уменьшение температуры стенки полого пера 1 на участке установки продольных канавок 13 при обтекании потоком горячего газа и уменьшение разности температуры полого пера 1 в поперечном сечении. Снижение неравномерности температурного ноля полого пера 1 лопатки уменьшает величину термических напряжений и, как следствие, суммарных напряжений в стенках полого пера 1 лопатки. Это обеспечивает, без изменения суммарного расхода воздуха через лопатку, увеличение запасов прочности и повышения ресурса работы лопатки.

Для подтверждения решения поставленной задачи с использованием технологии селективного лазерного плавления были изготовлены две модели M1 и М2 щелевых каналов выходной кромки 12 с установленными в них в шахматном порядке штырьками 14 диаметром 2 мм. При этом поперечный и продольный шаг установки штырьков 14 равнялся 5 мм. Модель М2 отличалась от модели M1 наличием трех продольных канавок глубиной 1 мм, шириной 4 мм, в которых расположены штырьки 14.

Испытания проводились методом калориметрирования в жидкометаллическом термостате, позволяющим определять распределение плотности теплового потока по наружной поверхности пера лопатки (Копелев, С.З. Тепловые и гидравлические характеристики охлаждаемых лопаток газовых турбин [Текст] / С.З. Копелев, М.Н. Галкин, А.А. Харин, И.В. Шевченко. -М.: Машиностроение, 1993. - 176 с.).

На фиг. 7 приведен график распределения осредненного в канале числа Нуссельта Nucp модели M1, соответствующей конструкции каналов лопатки - прототипа, и модели М2, соответствующей каналам лопатки, согласно предлагаемому изобретению.

Испытания проводились для рабочего перепада давления Р/Po=1,8, где Р - давление воздуха на входе в модель, Po - давление на срезе щелевого канала выходной кромки 12.

Как видно, коэффициент теплоотдачи а на участке установки продольных канавок 13 в модели М2 увеличился на 36% по сравнению с моделью M1. Таким образом, достигнуто значительное увеличение интенсивности теплоотдачи и, соответственно, эффективности охлаждения на участке выходной кромки лопатки.

Использование изобретения позволяет повысить ресурс лопаток и, соответственно, газовой турбины в целом за счет повышения эффективности охлаждения выходной кромки.

Охлаждаемая лопатка газовой турбины, содержащая полое перо, выполненное в виде передней полости и задней полости, разделенных радиальной перегородкой, передний дефлектор, установленный в передней полости и закрепленный первыми поперечными ребрами на стенках полого пера со стороны спинки и корыта, задний дефлектор, установленный в задней полости и закрепленный вторыми поперечными ребрами на стенках полого пера со стороны спинки и корыта, щелевой канал выходной кромки, при этом в переднем дефлекторе выполнены отверстия струйного охлаждения входной кромки и стенок передней полости, в заднем дефлекторе выполнены отверстия струйного охлаждения стенок задней полости, в передней полости в стенках полого пера выполнены отверстия пленочного охлаждения, отличающаяся тем, что в щелевом канале выходной кромки по высоте стенок полого пера со стороны спинки и корыта выполнены продольные канавки постоянного поперечного сечения, имеющего форму кругового сегмента, глубиной Н и шириной В, при этом в противолежащие со стороны спинки и корыта продольные канавки установлены ряды штырьков диаметром D, причем штырьки размещены в шахматном порядке, отношение поперечного S и продольного S шага их установки к диаметру D штырьков составляет 2,5, отношение глубины Н продольных канавок к диаметру D штырьков находится в диапазоне от 0,25 до 0,75, а отношение ширины В продольной канавки к диаметру D штырьков находится в диапазоне от 1,5 до 2, при этом поперечные сечения продольных канавок, выполненных со стороны спинки, образованы окружностями, центры O которых лежат на осях штырьков, поперечные сечения продольных канавок, выполненных со стороны корыта, образованы окружностями, центры O которых лежат на нормали ко внутренней поверхности корыта.
Охлаждаемая лопатка газовой турбины
Охлаждаемая лопатка газовой турбины
Охлаждаемая лопатка газовой турбины
Охлаждаемая лопатка газовой турбины
Источник поступления информации: Роспатент

Showing 71-80 of 208 items.
10.05.2018
№218.016.41c7

Эквидистантная решетка остронаправленных антенн

Эквидистантная решетка остронаправленных антенн содержит антенны, которые расположены вдоль прямой лини на равном расстоянии друг от друга, каждая из которых содержит параболическое зеркало, опорный кронштейн, на котором закреплен рупорный облучатель, расположенный в фокусе зеркала. При этом...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002649043
Дата охранного документа: 29.03.2018
10.05.2018
№218.016.43bc

Цифровой некогерентный демодулятор четырехпозиционных сигналов с относительной фазовой манипуляцией

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в устройствах приема цифровых информационных сигналов для цифровой некогерентной демодуляции четырехпозиционных сигналов с относительной фазовой манипуляцией (ОФМ4 или QPSK). Технический результат - обеспечение...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002649782
Дата охранного документа: 04.04.2018
10.05.2018
№218.016.469a

Установка для компримирования пара низкого потенциала

Изобретение относится к промышленности, связанной с выработкой пара низкого потенциала. Установка для компримирования пара низкого потенциала содержит паропровод низкого давления, соединенный со входом турбокомпрессора, кинематически соединенного с электродвигателем. Выход турбокомпрессора...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002650446
Дата охранного документа: 13.04.2018
18.05.2018
№218.016.5239

Исполнительный агрегат электропривода

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в следящих электроприводах. Технический результат заключается в улучшении технических характеристик исполнительного агрегата и привода в целом, а именно в повышении момента двигателя и крутизны генератора; компенсации...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002653065
Дата охранного документа: 07.05.2018
29.05.2018
№218.016.5897

Устройство для обогрева криогенного аппарата

Устройство предназначено для обогрева криогенного регулирующего аппарата и содержит размещенный вблизи обогреваемого элемента аппарата электрический нагреватель (1), подключенный к выходу регулятора напряжения (2), снабженного источником питания (3), силовой выход регулятора напряжения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002653529
Дата охранного документа: 11.05.2018
09.06.2018
№218.016.5b81

Способ защиты от эксцентриситета ротора электрической машины переменного тока

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано для защиты электрических машин от эксцентриситета ротора. Техническим результатом является повышение надежности и расширение области применения способа защиты от эксцентриситета ротора электрической машины переменного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002655913
Дата охранного документа: 30.05.2018
09.06.2018
№218.016.5bf3

Способ регулирования координат взаимосвязанных электроприводов

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в опорно-поворотных устройствах, металлообрабатывающих станках, механизмах металлургического производства и других системах управления движением. Техническим результатом является повышение быстродействия и точности при...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002655723
Дата охранного документа: 30.05.2018
09.06.2018
№218.016.5c1d

Способ защиты от эксцентриситета ротора электрической машины переменного тока

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электрических машинах. Техническим результатом является повышение точности защиты от эксцентриситета ротора электрической машины переменного тока. В способе защиты от эксцентриситета ротора электрической машины...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002655718
Дата охранного документа: 30.05.2018
09.06.2018
№218.016.5dbf

Устройство для выращивания монокристаллов

Изобретение относится к устройствам для выращивания монокристаллов методом зонной плавки со световым (радиационным) нагревом и может быть использовано в области технической оптики. Устройство содержит источник излучения 1, расположенный в фокусе F1 основного эллипсоидного отражателя 2,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002656331
Дата охранного документа: 04.06.2018
09.06.2018
№218.016.5fd0

Исполнительный агрегат электропривода

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводах. Техническим результатом является повышение плавности вращения нагрузки и расширение полосы пропускания электропривода. Исполнительный агрегат содержит синхронный двигатель с возбуждением от постоянных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002656882
Дата охранного документа: 07.06.2018
Showing 11-19 of 19 items.
10.05.2018
№218.016.3baa

Охлаждаемая лопатка газовой турбины

Охлаждаемая лопатка газовой турбины содержит полое перо с входной и выходной кромками, замковую часть и торцевую стенку. В полом пере установлена перегородка. Между стенкой входной кромки и перегородкой расположен канал охлаждения входной кромки, а между торцевой стенкой и перегородкой...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002647351
Дата охранного документа: 15.03.2018
20.06.2018
№218.016.64e7

Регулируемый сопловой аппарат турбины, турбина и способ работы турбины

Группа изобретений относится к машиностроению, в частности к турбостроению, и может быть использована в паротурбинных приводах, транспортных газотурбинных двигателях, а также в турбокомпрессорах двигателей внутреннего сгорания. Регулируемый сопловой аппарат турбины содержит внутренний корпус,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002658168
Дата охранного документа: 19.06.2018
17.08.2018
№218.016.7c7b

Охлаждаемая лопатка соплового аппарата газовой турбины

Охлаждаемая лопатка соплового аппарата газовой турбины содержит полое перо 1, выполненное в виде передней полости 2 и задней полости 3, разделенных радиальной перегородкой 4. В передней полости 2 установлен передний дефлектор 5, закрепленный первыми поперечными ребрами 6 на стенках полого пера...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002663966
Дата охранного документа: 13.08.2018
24.01.2019
№219.016.b320

Способ определения коэффициента теплопередачи через стенку конвективно охлаждаемой детали

Изобретение относится к теплофизическим измерениям и направлено на определение коэффициента теплопередачи в конвективно охлаждаемых деталях, например в лопатках газовых турбин. Предложен способ определения коэффициента теплопередачи через стенку конвективно охлаждаемой детали, включающий...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002677973
Дата охранного документа: 22.01.2019
27.04.2019
№219.017.3c81

Система торговли на транспортном средстве

Изобретение относится к системе торговли на транспортном средстве общественного пользования (ТСОП) с использованием инфраструктуры транспортных вокзалов, станций. Техническим результатом является расширение арсенала средств и сокращение времени на приобретение товара/услуги. Система содержит:...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002686021
Дата охранного документа: 23.04.2019
27.04.2019
№219.017.3d25

Охлаждаемая лопатка газовой турбины

Охлаждаемая лопатка газовой турбины содержит полое перо с входной и выходной кромками, замковую часть и торцевую стенку. В полом пере установлена перегородка. Между стенкой входной кромки и перегородкой расположен канал охлаждения входной кромки, а между торцевой стенкой и перегородкой...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002686245
Дата охранного документа: 24.04.2019
20.02.2020
№220.018.03f2

Аэродинамический фильтр

Аэродинамический фильтр предназначен для использования в трубопроводах с круглым поперечным сечением. Фильтр содержит несущую крестовину, на которой параллельно друг другу расположены продольные перфорированные пластины, при этом несущая крестовина вместе с продольными перфорированными...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002714590
Дата охранного документа: 18.02.2020
24.07.2020
№220.018.35d8

Когенерационная газотурбинная энергетическая установка

Изобретение относится к области теплоэнергетики, может быть использовано при разработке отопительных газотурбинных энергетических установок для теплоцентрали (ГТУ-ТЭЦ) и направлено на повышение тепловой экономичности при совместном прохождении графиков тепловой и электрической нагрузок....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002727274
Дата охранного документа: 21.07.2020
23.05.2023
№223.018.6eff

Охлаждаемая лопатка газовой турбины

Изобретение относится к турбостроению, а именно к охлаждаемой лопатке газовой турбины, предназначенной преимущественно для работы в области высоких температур. Охлаждаемая лопатка газовой турбины содержит полое перо (1), выполненное в виде передней полости (2) и задней полости (3), разделенных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002740627
Дата охранного документа: 18.01.2021
+ добавить свой РИД