Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ПОЛАЯ ЛОПАТКА "ВИХРЕПОР"
ПОЛАЯ ЛОПАТКА "ВИХРЕПОР"

ПОЛАЯ ЛОПАТКА "ВИХРЕПОР"

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: в газотурбинной технике для охлаждения лопаток, камер сгорания и жаровых труб. Сущность изобретения: внутри профильной стенки лопатки расположены две системы попарно пересекающихся и попарно параллельных каналов. В точках пересечений осей каналов одной системы с другой расположены отверстия, соединяющие одну систему с внешней стороной лопатки, а другую - с внутренней стороной лопатки. Точки пересечения осей каналов одной системы размещены со смещением относительно точек пересечения осей каналов другой системы. 8 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2078946
Класс(ы) патента: F01D5/18
Номер заявки: 94010180/06
Дата подачи заявки: 22.03.1994
Дата публикации: 10.05.1997
Заявитель(и): Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов; Научно-исследовательский институт энергетического машиностроения МГТУ им.Н.Э.Баумана
Автор(ы): Братухин Г.А.; Шалин Р.Е.; Епифанов В.М.; Качанов Е.Б.; Каблов Е.Н.; Романов С.М.; Светлов И.Л.; Демонис И.М.
Патентообладатель(и): Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов; Научно-исследовательский институт энергетического машиностроения МГТУ им.Н.Э.Баумана
Описание изобретения: Изобретение относится к газотурбинной технике и может быть использовано для охлаждения таких деталей ГТД, как лопатки, камеры сгорания, жаровые трубы.
Известна конструкция полой лопатки, содержащая в профильной стенке каналы для прохода охлаждающей среды со сквозными отверстиями.
Недостатком этого решения является невысокая эффективность охлаждения лопатки, обусловленная малым коэффициентом теплоотдачи между материалом и охлаждающей средой.
Известно наиболее близкое техническое решение в виде полой лопатки, содержащей в стенке две решетчатые системы пересекающихся попарно параллельных каналов со сквозными отверстиями.
Для образования на всей наружной поверхности профильной части лопатки теплозащитной пленки с равномерными в направлении, перпендикулярном омывающему горячему потоку, характеристиками необходимо выдержать определенное отношение между шагом и диаметром выходных отверстий, а именно: 2,2 <h / d <7,5.
> Недостатком данного решения является малый коэффициент теплоотдачи между материалом лопатки и охлаждающей средой ввиду нарастания пограничного слоя в каналах.
Техническим результатом предложенного решения является повышение коэффициента теплоотдачи между материалом лопатки и охлаждающей средой за счет разрушения пограничного слоя на поверхности каналов в стенке лопатки и повышение технологичности изготовления.
Технический результат предложенного решения достигается тем, что в профильной стенке лопатки, внутри, подобно ее профилю, расположены две системы попарно параллельных и попарно пересекающихся каналов, причем в точках пересечений осей каналов одной системы с другой расположены отверстия, соединяющие обе системы, и в точках пересечения осей каналов каждой из систем расположены отверстия, соединяющие одну систему с внешней стороной лопатки, а другую с внутренней, при этом точки пересечения осей каналов одной системы размещены со смещением относительно точек пересечения осей каналов другой системы.
Сопоставительный анализ предложенного технического решения с прототипом выявил в первом наличие новых существенных признаков, а именно: смещение точек пересечения осей каналов одной системы относительно точек пересечения осей каналов другой системы.
Следовательно, заявленное техническое решение соответствует критерию "новизна".
Анализ патентной и научно-технической информации в области газотурбинной техники не позволил обнаружить совокупность признаков, являющуюся отличительной в заявленном изобретении.
Необходимо отметить, что вышеуказанные признаки являются необходимыми и достаточными для получения положительного эффекта, указанного в техническом результате изобретения, а именно: повышения величины коэффициента теплоотдачи между материалом стенки и охлаждающей средой. Наличие смещения точек пересечения осей каналов одной системы относительно точек пересечения осей каналов другой системы обеспечивает эффективное разрушение пограничного слоя в каналах оболочки лопатки за счет турбулизации газового потока.
Следовательно, можно сделать вывод о том, что предложенное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".
Что же касается вопроса о промышленной применяемости заявленного изобретения, то необходимо отметить следующие факторы.
1. Изобретение может быть использовано в газотурбинной технике для охлаждения лопаток, камер сгорания и жаровых труб газотурбинных авиационных и транспортных двигателей и стационарных газотурбинных установок.
2. Описание изобретения в том виде, как оно представлено, раскрывает его с достаточной полнотой для осуществления. Описание составлено так, что экспертизе ясно, какого рода известные знания и опыт должны быть найдены и использованы наряду с тем, что изложено в материалах самой заявки.
3. Доказывая возможность достижимости технического результата, приводим в подтверждение результаты экспериментальных исследований, полученных в процессе отработки заявляемой конструкции.
Для рабочего диапазона удельных расходов охлаждающей среды, встречающегося в конструкциях охлаждаемых лопаток газовых турбин, коэффициент теплоотдачи по сравнению с прототипом возрос в 1,8.2 раза.
Это доказывает соответствие заявленного технического решения критерию "промышленная применимость".
На фиг.1 изображен общий вид поперечного сечения профиля полой лопатки; на фиг.2 часть стенки лопатки в изометрии; на фиг.3 и 4 виды разрезов лопатки в плоскостях Ж-Ж и 3-3 (фиг.8), перпендикулярных стенке лопатки и проходящих через два последовательных горизонтальных ряда сквозных отверстий; на фиг.5 и 6 виды разрезов лопатки в плоскостях И-И и К-К (фиг.8), перпендикулярных стенке лопатки и проходящих через два последовательных вертикальных ряда сквозных отверстий; на фиг.7 и 8 виды разрезов лопатки в плоскостях B-B и E-E (фиг.3).
Стенка 1 лопатки содержит расположенные подобно ее профилю на двух уровнях А и Б (см. фиг.3) две системы попарно параллельных и попарно пересекающихся каналов 2, 3 и 4, 5 (см. фиг. 7 и 8). Каналы 4, 5 нижнего уровня Б смещены (в данном случае на шаг hг/2) относительно каналов 2, 3 верхнего уровня А вдоль горизонтального ряда точек пересечения осей каналов 2, 3 (см. фиг. 7). В точках пересечения осей каналов 2 и 3 верхнего уровня А перпендикулярно плоскости пересечения осей каналов 2 и 3 в чередующихся вертикальных рядах расположены сквозные отверстия 8 (см. фиг.5 и 7), соединенные с одной внешней поверхностью стенки (входные), и сквозные отверстия 9 (см. фиг.6 и 7), соединенные с другой внешней поверхностью слоя (выходные). В точках пересечения осей каналов 4 и 5 нижнего уровня Б перпендикулярно плоскости пересечения осей этих каналов в чередующихся вертикальных рядах также расположены отверстия 6 (см. фиг.5 и 8), соединенные с внешней поверхностью стенки (входные), и сквозные отверстия 7 (см. фиг.6 и 8), соединенные с другой внешней поверхностью стенки (выходные).
Основания Г и Д каналов 2, 3 и 4, 5 на двух уровнях являются плоскими и расположены параллельно плоскости уровня А (Б). В месте прохождения каналов 2, 3 над каналами 4, 5 они сообщаются между собой.
Расположенные на одной внешней поверхности стенки входные отверстия 6, 8 имеют вертикальный шаг, равный hв/2, и горизонтальный шаг hг, где hв вертикальный шаг точек пересечения осей каналов на уровнях А и Б, hг горизонтальный шаг точек пересечения осей каналов на тех же уровнях.
Расположенные на другой внешней поверхности стенки выходные отверстия 7, 9 имеют также вертикальный шаг, равный hв/2, а горизонтальный шаг - hг.
Полая лопатка работает следующим образом.
Охлаждающий газ поступает из внутренней полости через входные отверстия 6 и 8 в каналы 4, 5 и 2, 3. При движении газа, например, по каналам 4 и 5 в направлении выходных отверстий 7 и 9 в месте сообщения указанных каналов (4, 5) с каналами 2, 3 потоки газа соприкасаются, что приводит к их турбулизации и связанной с ней интенсификации теплообмена между горячими стенками каналов 2, 3, 4 и 5 и охлаждающим газом.
Взаимодействие потоков газа, проходящих по каналам 2, 3 и 4, 5, находящимся на верхнем и нижнем уровнях, происходит в области смешения (в месте прохождения каналов 2, 3 над каналами 4, 5), в которой из-за взаимодействия потоков возрастает интенсивность турбулентных пульсаций. Это ведет к увеличению обмена количеством движения между соприкасающимися потоками, что в свою очередь приводит к возрастанию касательных напряжений в сопряженной области и интенсификации теплообмена между потоками, вызванной увеличением глубины проникновения турбулентных молей из области смешения в ядро потока. Увеличение касательных напряжений в сопряженной области каналов приводит к усилению взаимной подкрутки потоков. В результате образуется турбулентный поток кручения с высокими нормальными и тангенциальными переносными свойствами. Энергия турбулентности, вырабатываемая в области смешения потоков, переносится к теплоотдающей поверхности с молями теплоносителя как по нормали, так и тангенциально потоку кручения в результате взаимной подкрутки. Таким образом, вблизи теплоотдающей поверхности происходит непрерывное разрушение пограничного слоя, интенсифицируется массообмен пристенных слоев потока с его ядром, что является причиной значительного увеличения коэффициента теплоотдачи.
На внешней, омываемой горячим газом поверхности стенки лопатки образуется теплозащитный слой за счет поступающего из выходных отверстий 7 и 9 охлаждающего газа.
Использование изобретения обеспечивает повышение коэффициента теплоотдачи материала лопатки к охладителю за счет эффективного разрушения пограничного слоя на поверхности каналов в стенке лопатки и интенсификации теплообмена между потоками, проходящими по каналам, расположенным на разных уровнях.
Формула изобретения: Полая лопатка, содержащая профильную стенку, внутри которой подобно ее профилю расположены две системы с попарно параллельными и попарно пересекающимися каналами, причем в точках пересечения осей каналов одной системы с другой расположены отверстия, соединяющие обе системы, и в точках пересечения осей каналов каждой из систем расположены отверстия, соединяющие одну систему с внешней стороной лопатки, а другую с внутренней стороной лопатки, отличающаяся тем, что точки пересечения осей каналов одной системы размещены со смещением относительно точек пересечения осей каналов другой системы.