RU197365U1

RU197365U1 - FILM COOLED GAS TURBINE ELEMENT

Info

Publication number: RU197365U1
Application number: RU2020105327U
Authority: RU
Inventors: Александр Евгеньевич Ремизов; Олег Владимирович Лебедев; Владимир Владимирович Лебедев
Priority date: 2020-02-04
Filing date: 2020-02-04
Publication date: 2020-04-23

Abstract

Полезная модель относится к элементу газовой турбины с пленочным охлаждением, имеющему подвергаемую воздействию горячего газа поверхность, в которой выполнены отверстия для пленочного охлаждения. Технический результат полезной модели выражается в уменьшении необходимого количества отверстий в трактовой поверхности, что в свою очередь уменьшает трудоемкость их изготовления, и увеличении прочности основной конструкции, что позволит применить отверстия вдува большего диаметра, что благотворно скажется в отсутствии их засорения относительно применяемых сегодня многорядных схем из более мелких отверстий. Технический результат достигается тем, что в элементе газовой турбины с пленочным охлаждением, имеющим подвергаемую воздействию горячего газа поверхность, в котором выполнены отверстия с наклонными цилиндрическими каналами для подачи охлаждающего воздуха, поверх отверстий на поверхности, омываемой горячим газом, выполнены сплошные зигзагообразные выемки, имеющие размеры по ширине равные одному, по длине зигзага от 3 до 5 диаметров отверстий и образующие углы 90 градусов, следом за первым рядом зигзагообразных выемок на расстоянии 5-10 диаметров отверстий вниз по потоку установлен следующий ряд зигзагообразных выемок того же размера, без отверстий; второй ряд параллельно смещен относительно первого ряда зигзагообразных выемок в поперечном направлении на половину шага отверстий в ряду. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.A utility model relates to a film-cooled gas turbine element having a surface exposed to hot gas in which openings for film cooling are formed. The technical result of the utility model is expressed in reducing the required number of holes in the path surface, which in turn reduces the complexity of their manufacture, and increasing the strength of the main structure, which will allow the use of larger injection holes, which will be beneficial in the absence of clogging relative to the multi-row circuits used today smaller holes. The technical result is achieved in that in a film-cooled gas turbine element having a surface exposed to hot gas, in which openings with inclined cylindrical channels for supplying cooling air are made, continuous zigzag recesses having dimensions are made over the holes on the surface washed by hot gas in width equal to one, along the length of the zigzag from 3 to 5 diameters of the holes and forming angles of 90 degrees, after the first row of zigzag recesses at a distance of 5-10 di meters orifices installed downstream following series of zigzag grooves of the same size without holes; the second row is parallel offset from the first row of zigzag recesses in the transverse direction by half the pitch of the holes in the row. 1 s.p. f-ly, 2 ill.

Description

Полезная модель относится к элементу газовой турбины с пленочным охлаждением, имеющему подвергаемую воздействию горячего газа поверхность, в которой выполнены отверстия для пленочного охлаждения.A utility model relates to a film-cooled gas turbine element having a surface exposed to hot gas in which openings for film cooling are formed.

Известны конструктивные методы совершенствования системы пленочного охлаждения рабочих лопаток турбин ВРД. Конструктивно пленочное охлаждение осуществляется вдувом холодного воздуха в пристенную область горячего потока газа через систему дискретных отверстий под разными углами. При вдуве под углом к защищаемой стенке даже относительно слабая струя охладителя уходит от стенки в сносящий ее горячий поток. При этом образующаяся в сечении струи вихревая пара (kidney shaped vortex) подкачивает газ из горячего потока в образующуюся у стенки под струей область разрежения. Это ослабляет изоляцию стенки от горячего потока защитной пеленой и способствует ее неравномерности в поперечном направлении. Борьба с неравномерностью пленочного охлаждения составляет цель конструктивных методов ее совершенствования. В значительной степени эти методы систематизированы в работе «Конструктивные методы совершенствования системы пленочного охлаждения рабочих лопаток турбин ВРД» (В.Г. Нестеренко, А.Л. Матушкин. Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск №39 - С. 1-19).There are known constructive methods for improving the film cooling system of rotor blades of turbojet engines. Structurally, film cooling is carried out by blowing cold air into the wall region of the hot gas flow through a system of discrete openings at different angles. When blowing at an angle to the wall to be protected, even a relatively weak stream of cooler leaves the wall into the hot stream that blows it. In this case, a kidney shaped vortex formed in the cross section of the jet pumps gas from the hot stream into the rarefaction region formed near the wall under the jet. This weakens the insulation of the wall from the hot stream with a protective sheet and contributes to its unevenness in the transverse direction. The fight against the unevenness of film cooling is the goal of constructive methods for improving it. To a large extent, these methods are systematized in the work “Constructive methods of improving the film cooling system of rotor blades for turbofan engines” (V. G. Nesterenko, A. Matushkin. Electronic journal “Transactions of Moscow Aviation Institute. Issue No. 39 - P. 1-19) .

Они сводятся к оптимизации формы канала отверстия и его выхода на стенке (отверстия конические, веерные, консольные, в форме полумесяца, гантели, выдув охладителя в траншею, в кратеры, в полусферические углубления), оптимизации углов наклона каналов, взаимного расположения каналов отверстий (дополнительные боковые отверстия, парные отверстия) и так далее.They come down to optimizing the shape of the channel of the hole and its exit on the wall (conical, fan, cantilever, crescent-shaped, dumbbell-shaped holes, blowing the cooler into the trench, into craters, into hemispherical recesses), optimizing the angles of the channels, the relative position of the channels of the holes (additional side holes, twin holes) and so on.

К недостаткам перечисленных конструктивных методов можно отнести трудоемкость реализации каналов отверстий сложной формы в относительно тонкой стенке (обычно толщина стенки составляет несколько диаметров отверстия). Кроме того, для обеспечения формирования достаточного пленочного охлаждения вниз по потоку приходится использовать многорядный вдув - располагать отверстия в несколько рядов друг за другом, что ослабляет конструкцию.The disadvantages of the above structural methods include the complexity of the implementation of the channels of the holes of complex shape in a relatively thin wall (usually the wall thickness is several diameters of the hole). In addition, to ensure the formation of sufficient film cooling downstream, it is necessary to use multi-row blowing - to arrange the holes in several rows one after another, which weakens the structure.

Прототипом предлагаемой полезной модели является устройство стенки газовой турбины ГТД с пленочным охлаждением, описанное в документе WO 2013/188645 (дата приоритета 12.06.2012 года). Здесь представлены, по крайней мере, одно отверстие или ряд из нескольких отверстий с наклонными цилиндрическими каналами для вдува охлаждающего воздуха для охлаждения стенки, омываемой горячим газом. От выхода отверстия на стенке, в боковых направлениях расходятся два канала. Эти каналы имеют практически одинаковую ширину и разделены гребнем, образующим форму поперечного сечения бумеранга. Полезное действие состоит в следующем: возникающие на расходящихся каналах (выемках) вихри противоположного направления вращения должны противодействовать вихревой паре в сечении струи и тем самым ослабить подкачивание горячего газа к стенке под струю, что способствует повышению эффективности пленочного охлаждения и его равномерности в поперечном направлении.The prototype of the proposed utility model is a wall-mounted gas turbine gas turbine wall device described in document WO 2013/188645 (priority date 06/12/2012). At least one opening or a row of several openings with inclined cylindrical channels for injecting cooling air for cooling a wall washed by hot gas is shown here. From the outlet of the hole on the wall, two channels diverge in the lateral directions. These channels have almost the same width and are separated by a ridge, forming the shape of a cross section of a boomerang. A useful action is as follows: vortices of opposite direction of rotation occurring on diverging channels (recesses) should counteract the vortex pair in the jet section and thereby weaken the pumping of hot gas to the wall under the jet, which increases the efficiency of film cooling and its uniformity in the transverse direction.

Недостатком этого устройства является малая протяженность положительного эффекта вниз по потоку от отверстий, так как ниже по потоку от области воздействия на струи охладителя неравномерность пелены восстанавливается. Кроме того, предлагаемое устройство, даже при расположении отверстий в ряд, не перекрывает область пленочного охлаждения в поперечном направлении по шагу отверстий.The disadvantage of this device is the small extent of the positive effect downstream of the holes, since downstream the area of influence on the jets of the cooler the uniformity of the shroud is restored. In addition, the proposed device, even with the arrangement of the holes in a row, does not overlap the area of film cooling in the transverse direction along the pitch of the holes.

Технический результат предполагаемой полезной модели выражается в уменьшении необходимого количества отверстий в трактовой поверхности, что в свою очередь уменьшает трудоемкость их изготовления и увеличении прочности основной конструкции, что позволит применить отверстия вдува большего диаметра, что благотворно скажется в отсутствии их засорения относительно применяемых сегодня многорядных схем из более мелких отверстий.The technical result of the proposed utility model is expressed in a decrease in the required number of holes in the path surface, which in turn reduces the complexity of their manufacture and an increase in the strength of the main structure, which will make it possible to use larger injection holes, which will be beneficial in the absence of clogging relative to the multi-row circuits used today smaller holes.

Технический результат достигается тем, что в элементе газовой турбины с пленочным охлаждением, имеющим подвергаемую воздействию горячего газа поверхность, в котором выполнены отверстия с наклонными цилиндрическими каналами для подачи охлаждающего воздуха, поверх отверстий на поверхности, омываемой горячим газом, выполнены сплошные зигзагообразные выемки, имеющие размеры по ширине равные одному, по длине зигзага от 3 до 5 диаметров отверстий и образующие углы 90 градусов, следом за первым рядом зигзагообразных выемок на расстоянии 5-10 диаметров отверстий вниз по потоку установлен следующий ряд зигзагообразных выемок того же размера, без отверстий; второй ряд параллельно смещен относительно первого ряда зигзагообразных выемок в поперечном направлении на половину шага отверстий в ряду.The technical result is achieved in that in a film-cooled gas turbine element having a surface exposed to hot gas, in which openings with inclined cylindrical channels for supplying cooling air are made, continuous zigzag recesses having dimensions are made over the holes on the surface washed by hot gas equal in width to one, along the length of the zigzag from 3 to 5 diameters of the holes and forming angles of 90 degrees, after the first row of zigzag recesses at a distance of 5-10 di meters orifices installed downstream following series of zigzag grooves of the same size without holes; the second row is parallel offset from the first row of zigzag recesses in the transverse direction by half the pitch of the holes in the row.

Пленочное охлаждение - чрезвычайно распространенный способ тепловой защиты элементов поверхности, в частности сопловых лопаток современных высокотемпературных газовых турбин. Он позволяет конструктивно просто устранять локальные перегревы на поверхности, обтекаемой горячим газом, создавая на ней защитную пелену из относительно холодного воздуха, обладающую достаточным хладоресурсом.Film cooling is an extremely common method of thermal protection of surface elements, in particular nozzle blades of modern high-temperature gas turbines. It allows constructively simply eliminating local overheating on the surface streamlined by hot gas, creating a protective sheet of relatively cold air on it, which has sufficient cold resource.

Предполагаемая полезная модель поясняется фигурами где:The proposed utility model is illustrated by figures where:

фиг. 1 элемент газовой турбины с пленочным охлаждением с зигзагообразной выемкой с отверстиями;FIG. 1 element of a film-cooled gas turbine with a zigzag recess with holes;

фиг. 2 элемент газовой турбины с пленочным охлаждением с зигзагообразной выемкой без отверстий, в том числе со смещением в поперечном направлении.FIG. 2 element of a film-cooled gas turbine with a zigzag recess without holes, including with a shift in the transverse direction.

Конструкция представляет собой единую выемку зигзагообразной формы 2, примыкающую к выходам отверстий 1 на стене, омываемой горячим газом, как показано на Фиг. 1. На поверхности 1, омываемой горячим газом, выполнены расходящиеся в боковых направлениях каналы, образующие сплошные зигзагообразные выемки 2, имеющие размеры по ширине равные одному, по длине зигзага от 3 до 5 диаметров отверстий и образующие углы 90 градусов, следом за первым рядом зигзагообразных выемок на расстоянии 5-10 диаметров отверстий вниз по потоку установлен следующий ряд зигзагообразных выемок 3 того же размера, без отверстий. Второй ряд параллельно смещен относительно первого ряда зигзагообразных выемок в поперечном направлении на половину шага отверстий в ряду (Фиг. 2).The design is a single notch of a zigzag shape 2 adjacent to the outlets of the openings 1 on a wall washed by hot gas, as shown in FIG. 1. On the surface 1 washed by hot gas, channels diverging in the lateral directions are made, forming continuous zigzag recesses 2, having a width equal to one, along the length of the zigzag from 3 to 5 hole diameters and forming angles of 90 degrees, followed by the first row of zigzag recesses at a distance of 5-10 diameters of the holes downstream installed the next row of zigzag recesses 3 of the same size, without holes. The second row is parallel offset from the first row of zigzag recesses in the transverse direction by half the pitch of the holes in the row (Fig. 2).

На выемке зигзагообразной формы происходит концентрация охладителя, из него формируются вихри, противодействующие парам вихрей в сечениях струй. При этом создается зона пониженного давления у стенки, которая не дает охлаждающему воздуху оторваться от трактовой поверхности, что приводит к более равномерному распределению охлаждающего воздуха по обтекаемой поверхности, создавая защитную пелену от потока горячего газа; для пролонгации полезного эффекта предлагается вторая единая зигзагообразная выемка 3 точно такая же, как и первая, только без отверстий для вдува, располагающаяся ниже по потоку. Это приводит к созданию дополнительной области пониженного давления для последующего привлечения к стенке потока охлаждающего воздуха, который с прохождением вдоль трактовой поверхности повторно пытается оторваться от экранируемой поверхности; далее по тракту при необходимости, возможно, повторять такую же схему (зигзагообразная выемка с отверстиями, зигзагообразная выемка без отверстий), в том числе со смещением в поперечном направлении.The concentration of the cooler takes place on the recess of the zigzag shape, vortices are formed from it, counteracting the vortex pairs in the sections of the jets. This creates a zone of reduced pressure near the wall, which prevents the cooling air from tearing off the path surface, which leads to a more uniform distribution of cooling air over the streamlined surface, creating a protective sheet from the flow of hot gas; To prolong the beneficial effect, a second single zigzag recess 3 is proposed, exactly the same as the first, only without injection holes, located downstream. This leads to the creation of an additional region of reduced pressure for the subsequent attraction of a flow of cooling air to the wall, which, when passing along the path surface, repeatedly tries to break away from the screened surface; further along the path, if necessary, it is possible to repeat the same pattern (zigzag recess with holes, zigzag recess without holes), including with displacement in the transverse direction.

Применение предлагаемой конструкции позволит сэкономить объем охлаждающего воздуха, уменьшит необходимое количество отверстий в трактовой поверхности, что в свою очередь уменьшит трудоемкость их изготовления и увеличит прочность основной конструкции, позволит применить отверстия вдува большего диаметра, что благотворно скажется в отсутствии их засорения относительно применяемых сегодня многорядных схем из более мелких отверстий.Application of the proposed design will allow to save the amount of cooling air, reduce the required number of holes in the path surface, which in turn will reduce the complexity of their manufacture and increase the strength of the main structure, and allow the use of larger injection holes, which will be beneficial in the absence of clogging relative to the multi-row schemes used today from smaller holes.

Claims

1. An element of a film-cooled gas turbine, having a surface exposed to hot gas, in which openings are made with inclined cylindrical channels for supplying cooling air, characterized in that continuous zigzag recesses are made over the openings on the surface washed by hot gas, having dimensions of equal to one width, along the length of the zigzag from 3 to 5 diameters of the holes and forming angles of 90 degrees, after the first row of zigzag recesses at a distance of 5-10 diameters of the holes down the next row of zigzag grooves of the same size, without holes, is installed downstream.

2. The element according to claim 1, characterized in that the second row is parallel offset from the first row of zigzag recesses in the transverse direction by half the pitch of the holes in the row.