Элемент охлаждения лопатки турбомашины

Изобретение относится к газотурбостроению, а конкретно к лопаткам турбомашин, и может быть применено в авиации и энергетическом машиностроении.

Известно, что современные авиационные газовые турбины могут работать при температурах, достигающих 1950 К. Как показано в монографии «Авиационный двигатель ПС-90А» / А.А. Иноземцев, Е.А. Коняев, В.В. Медведев, А.В. Нерадько, А.Е. Ряссов; под ред. А.А. Иноземцева. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. - 320 с., максимальные температурные напряжения возникают на входных кромках и на наружных полках сопловых и бандажных полках рабочих лопаток, что может привести к возникновению прогаров и выходу их из строя. Поэтому совершенствование системы охлаждения наиболее нагретых элементов лопаток турбин является актуальной проблемой.

Современным способом повышения эффективности охлаждения входных кромок лопаток турбин является их циклонное охлаждение.

Известны обобщенные данные по циклонному охлаждению (см. монографию «Теплообмен и гидродинамика при циклонном охлаждении лопаток газовых турбин» / Халатов А.А., Романов В.В., Борисов И.И., Дашевский Ю.Я., Северин С.Д. / Институт технической теплофизики НАН Украины. - Киев. - 2010. - 317 с.), где приведено большое количество схем циклонного охлаждения входных кромок турбинных лопаток, которые однозначно показывают, что циклонный процесс может возникать только в пустотелом цилиндре (см. в указанной монографии рис. 2.1, 2.6, 2.8, 2.13, 2.23, 2.31 и др.), в котором организуется центральный смерчеобразный вихрь при подводе в него охлаждающего воздуха через тангенциальные каналы, выполненные в теле лопатки. Возникновение циклонного процесса способствует существенному увеличению окружной скорости в радиальном цилиндрическом канале, выполненном во входной кромке лопатки, что позволяет повысить эффективность ее охлаждения. Результаты детальных физических исследований в приведенной выше монографии Халатова А.А. и др. однозначно показывают, что циклонное охлаждение может увеличить теплообмен в 3…4,9 раза по сравнению с осевым незакрученным потоком в трубе при сопутствующем увеличении гидравлического сопротивления в 6,2…13 раз.

Однако применение циклонного охлаждения приводит к снижению хладозапаса охлаждающего воздуха, вовлекаемого в смерчеобразный вихрь, неоднократно проходящего во вращательном движении около охлаждаемой стенки. Следствие этого - недостаточное охлаждение входной кромки, а также наружных полок сопловых и бандажных полок рабочих лопаток турбин.

Известен элемент охлаждаемой лопатки турбомашины, наиболее близкий по технической сущности к заявляемому изобретению и принятый за прототип (см. Патент РФ №2479726, МПК F01D 5/18, опубл. 20.04.2013, Бюл. №11), содержащий канал для охлаждающего воздуха, выполненный внутри лопатки в радиальном направлении вдоль входной кромки, соединенный входными каналами через раздаточный коллектор с питающим каналом, а выходными каналами - с внешней поверхностью лопатки, при этом входные и выходные каналы выполнены тангенциально относительно канала для охлаждающего воздуха, который снабжен транзитным трубопроводом, установленным внутри него с зазором относительно его внутренней стенки. В данном изобретении основная новизна состоит в установке транзитного трубопровода в радиальном канале для подвода охлаждающего воздуха к наружной полке сопловой лопатки или бандажной полке рабочей лопатки.

Однако в известном техническом решении авторы принимают кольцевой канал между внутренней стенкой радиального канала для охлаждающего воздуха, выполненного внутри лопатки в радиальном направлении вдоль входной кромки, и наружной стенкой транзитного трубопровода за цилиндрический пустотелый канал, в котором возникает смерчеобразный вихрь, генерирующий циклонное охлаждение входной кромки турбинной лопатки, который позволяет увеличить теплоотдачу в этой зоне в 4 раза.

Имеющиеся публикации однозначно указывают на то, что установка центрального тела (транзитного трубопровода) в цилиндрический пустотелый канал переводит течение из вихревого циклонного в течение по короткому криволинейному каналу со снижением теплоотдачи с 4-кратного увеличения до 1,3…1,35 раза по сравнению с гладким каналом (см. монографию «Теплообмен и гидродинамика около криволинейных поверхностей» / Халатов А.А., Авраменко А.А., Шевчук И.В. / Киев. - Наукова думка, 1992. - 136 с.). Причина - отсутствие в коаксиальном (кольцевом) канале условий для организации центрального смерчеобразного вихря, способствующего существенному увеличению окружной скорости в циклоне.

Отсюда следует, что в прототипе транзитный трубопровод, расположенный в охлаждающем канале входной кромки турбинной лопатки, выполняет только одну функцию: перемещение охлаждающего воздуха к другим участкам лопатки (наружные полки у сопловых лопаток или бандажные полки у рабочих лопаток турбин). Тогда как другую функцию - функцию обеспечения 4-х кратного увеличения теплоотдачи на участке входной кромки, в конструкции прототипа реализовать не удастся. Потому что в режиме циклона такой охлаждающий канал не может работать. Он работает лишь в режиме короткого криволинейного канала с превышением теплоотдачи над прямым гладким каналом не более чем в 1,3…1,35 раза.

Технической проблемой, на реализацию которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности системы охлаждения лопаток турбин.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в снижении температуры стенки лопаток турбин и температурных напряжений на участке их входных кромок, что позволит увеличить температуру газа перед турбиной и получить более высокие ее удельные параметры (окружное усилие на рабочих лопатках, удельную мощность на валу), а также увеличить рабочий ресурс лопаток турбин.

Технический результат достигается тем, что в элементе охлаждаемой лопатки турбомашины, содержащем канал для охлаждающего воздуха, выполненный внутри лопатки в радиальном направлении вдоль входной кромки, соединенный входными каналами через раздаточный коллектор с питающим каналом, а выходными каналами - с внешней поверхностью лопатки, при этом входные и выходные каналы выполнены тангенциально относительно канала для охлаждающего воздуха, который снабжен транзитным трубопроводом, установленным внутри него с зазором относительно его внутренней стенки, новым является то, что транзитный трубопровод установлен эксцентрично относительно канала для охлаждающего воздуха, и между ними по направлению движения охлаждающего воздуха образуется два коротких криволинейных канала, один из них, расположенный вдоль внутренней поверхности входной кромки на участке между входными и выходными каналами, выполнен диффузорным, другой короткий криволинейный канал, расположенный между выходными и входными каналами вдоль стенки раздаточного коллектора, выполнен конфузорным, с отношением суммарных площадей поперечного сечения на входе во входные и выходные каналы в интервале 2,0<Т_{вых.кан.вх.сеч.}/Р_{вх.кан.вх.сеч.}<3,6, а на внутренней стенке короткого криволинейного диффузорного канала в радиальном направлении выполнены полуцилиндрические продольные выступы, кроме того входные каналы выполнены диффузорными по направлению движения охлаждающего воздуха.

Полуцилиндрические выступы выполнены с шагом, равным 8-ми их высотам.

Поперечные сечения на входе во входные диффузорные каналы выполнены прямоугольными со скругленными углами, с отношением 4:1 большей в радиальном направлении стороны к меньшей.

Предложенное изобретение представлено на фиг. 1-3, где:

Фиг. 1 - поперечный разрез элемента лопатки турбомашины;

Фиг. 2 - 3D модель элемента лопатки турбомашины в области входной кромки;

Фиг. 3 - влияние степени диффузорности канала на интенсификацию средней теплоотдачи поперечными полуцилиндрическими выступами.

Где:

1 - элемент охлаждаемой лопатки турбомашины;

2 - выпуклая внешняя поверхность лопатки;

3 - вогнутая внешняя поверхность лопатки;

4 - канал для охлаждающего воздуха;

5 - входная кромка лопатки;

6 - входные каналы;

7 - раздаточный коллектор;

8 - выходные каналы;

9 - транзитный трубопровод;

10 - внутренняя стенка канала для охлаждающего воздуха;

11 - полуцилиндрические продольные выступы;

12 - диффузорный короткий криволинейный канал;

13 - конфузорный короткий криволинейный канал;

14 - стенка раздаточного коллектора в средней части профиля лопатки;

h - высота полуцилиндрического продольного выступа;

t - шаг между полуцилиндрическими продольными выступами;

F_{вх.кан.вх.сеч} - суммарная площадь входных каналов 6 во входном поперечном сечении;

F_{вых.кан.вх.сеч} - суммарная площадь выходных каналов 8 во входном поперечном сечении.

- направление движения основной части потока охлаждающего воздуха;

- направление движения меньшей части потока охлаждающего воздуха;

Элемент лопатки турбомашины 1 с выпуклой 2 и вогнутой 3 внешними поверхностями работает следующим образом. Охлаждающий воздух из раздаточного коллектора 7, выполненного внутри лопатки (см. фиг. 1 и 2) и соединенного с питающим каналом (на чертеже не показан), поступает во входные, диффузорные в тангенциальной плоскости поперечного сечения по направлению движения охлаждающего воздуха, каналы 6 и попадает в цилиндрический кольцевой канал 4 для охлаждающего воздуха, в котором эксцентрично размещен транзитный трубопровод 9, по которому осуществляется подача охлаждающего воздуха к наружным полкам сопловых или бандажным полкам рабочих турбинных лопаток. В результате смещения транзитного трубопровода 9 относительно концентричного положения между внутренней стенкой 10 канала 4 для охлаждающего воздуха и наружной стенкой транзитного трубопровода 9, по ходу движения охлаждающего воздуха образуются два взаимосвязанных коротких криволинейных канала: диффузорный канал 12, расположенный вдоль внутренней поверхности 10 входной кромки 5 между входными каналами 6 и выходными каналами 8, и конфузорный канал 13, расположенный между выходными 6 и входными каналами 8 вдоль стенки 14 раздаточного коллектора 7.

Попадая в диффузорный короткий криволинейный канал 12, охлаждающий воздух двигается вдоль внутренней стенки 10, на которой в зоне входной кромки 5 выполнены полуцилиндрические продольные выступы 11, расположенные поперек направления движения основного потока. Высота этих выступов h и шаг между ними t выбираются из условия t=8h. При обтекании выступов 11 происходит интенсификация теплоотдачи из-за отрыва и присоединения потока воздуха. Выступы 11 разрушают образующийся между ними после присоединения к обтекаемой поверхности вторичный пограничный слой. При этом диффузорный характер обтекания поверхности с выступами дополнительно увеличивает теплоотдачу турбулизацией возвратного течения и более интенсивным образованием вихрей в сдвиговой области. Количественно интенсификация теплообмена характеризуется следующими цифрами.

В безградиентном потоке поперечные выступы увеличивают теплоотдачу, по сравнению с гладким каналом, в 2,4…2,7 раз (см. монографию «Тепломассообмен и теплогидравлическая эффективность вихревых и закрученных потоков» / Халатов А.А., Борисов И.И., Швецов С.В./ Институт технической теплофизики НАН Украины. - Киев. - 2005 г. 500 с.).

Обтекание выступов 11 диффузорным потоком, формируемым в диффузорном коротком криволинейном канале 12, дополнительно увеличивает теплоотдачу на поверхности с поперечными выступами 11 примерно на 30% (см. монографию «Пристенная интенсификация теплообмена при сложных граничных условиях» / Щукин А.В., Ильинков А.В. - Казань: Изд-во Казан, гос.техн. ун-та, 2014.-252 с.).

На фиг. 3 показано изменение относительного среднего числа Стэнтона (St_диф.cp/St_0cp)_Re в зависимости от формпараметра ƒ (см. формулу (1.5) на с. 30 монографии), который характеризует дополнительное к установленным выступам воздействие внешнего положительного градиента давления на теплоотдачу. Как видно, с увеличением степени диффузорности внешнего течения происходит дополнительная интенсификация теплообмена между поперечными выступами. При ⏐ƒ⏐ ≈ 0,2⋅10^-3 этот прирост характеризуется коэффициентом 1,2, а при ƒ ≈1,9-10^-3 величина (St_диф.ср/St_0cp)Re ≈ 1,3.

Таким образом, последовательное движение охлаждающего воздуха через входные диффузорные каналы 6 и диффузорный короткий криволинейный канал 12 с продольными полуцилиндрическими выступами 11 приводит к увеличению суммарной теплоотдачи в области входной кромки со стороны охлаждающего воздуха в 3,1…3,5 раза. При этом общий гладкий канал, образованный входными диффузорными каналами 6 и диффузорным коротким криволинейным каналом 12, расширяется в направлении движения охлаждающего воздуха с отношением суммарных площадей поперечного сечения на входе во входные 6 и выходные 8 каналы В интервале 2,0<F_{вых.кан.вх.сеч}/F_{вх.кан.вх.сеч}<3,6.

Отметим, что диффузорная форма входных каналов 6 обеспечивает перестроение профиля скорости из стандартного в диффузорный в пределах их длины. Только в этом случае диффузорный короткий криволинейный канал 12 с продольными полуцилиндрическими выступами 11 на внутренней стенке 10 входной кромки 5 будет по всей своей длине полноценно обтекаться диффузорным потоком, направление движения которого перпендикулярно полуцилиндрическим выступам 11. Поперечные сечения на входе во входные диффузорные каналы 6 выполнены прямоугольными со скругленными углами, с соотношением 4:1 большей в радиальном направлении стороны к меньшей. Количество входных диффузорных каналов 6 и их основные геометрические параметры определяются теплогидравлическим и прочностным расчетами.

Таким образом, использование изобретения позволяет повысить интенсивность теплоотдачи на участке входной кромки турбинной лопатки с 1,3…1,35 (обтекание вогнутой поверхности короткого криволинейного канала) до 3,1…3,5 раза (обтекание поперечных выступов диффузорным потоком), сохранив транзитный трубопровод для выполнения предусмотренных задач.

После диффузорного короткого криволинейного канала 12 поток охлаждающего воздуха разделяется на две неравные части. Основная часть потока (на фиг. 1 обозначена стрелками из сплошной линии) поступает через выходные каналы 8, выполненные цилиндрической формы тангенциально относительно канала для охлаждающего воздуха 4, на выпуклую внешнюю поверхность 2 лопатки для организации ее пленочного охлаждения. Количество выходных каналов 8 и их основные геометрические параметры определяются теплогидравлическим и прочностным расчетами.

Меньшая, на порядок, часть потока (на фиг. 1 обозначена стрелками из штриховой линии) попадает в конфузорный короткий криволинейный канал 13, где ускоряется и смешивается с охлаждающим воздухом, выходящим из входных диффузорных каналов 6.

В предлагаемом изобретении реализуется экспериментально установленный авторами указанной выше монографии (авторы А.В. Щукин, А.В. Ильинков) факт суперпозиции двух отдельных воздействий на теплоотдачу: установки поперечных направлению движения потока охлаждающего воздуха продольных полуцилиндрических выступов 11 и положительного градиента давления, возникающего в потоке при их обтекании. Поэтому суммарная теплоотдача на внутренней поверхности охлаждающего канала 4 на его внутренней стенке 10 в области входной кромки возрастает в 3,1…3,5 раза. Получаемый суммарный интенсифицирующий эффект примерно на 40% ниже, чем при циклонном охлаждении. Однако, ниже на 50% становится и гидравлическое сопротивление. Но определяющим фактором здесь является то, что предлагаемое изобретение позволяет при сохранении транзитного трубопровода в охлаждающем канале значительно (в 2,3…2,7 раза) повысить теплоотдачу между участком входной кромки и охлаждающим воздухом по сравнению с прототипом.