CZ267997A3 - Chladitelná lopatka - Google Patents

Description

Chladitelná lopatka

Oblast techniky £6 IU 7 Ζ

Vynález se týká chladitelná lopatkypodle předvýznaková části prvního patentového nároku.

Dosavadní stav_techniky

Takové chladitelné lopatky jsou známé z GB 2 165 315.

U tohoto provedeni je chladicí fluidum vedeno přes dělicími stěnami vytvořené závity od oblasti zadní hrany lopatky do oblasti přední hrany a potom je vyfukováno skrz otvory do hlavy lopatky. Aby byla oblast zadní hrany lopatky dostatečně chlazena, je vzduch ze zadní hrany lopatky vyfukován. Tuto metodu však nelze u zadních hran s malými poloměry z výrobních důvodů použít. Aby se dosáhlo chlazení zadní hrany, je navíc potřebný velký* počet filmových chladicích otvorův***“ což značně prodražuje výrobu lopatky. Dále může vést vyfukování v zadní hraně ke snížení aerodynamického účinku lopat-., ky, protože je potřebný větší zadní poloměr.

Z DE 1 601 627 je také známá chlazená lopatka, která má ve své zadní oblasti hrany radiálně upravený, ke špičce lopatky divergující chladicí kanál. Prostřednictvím většího vstupního otvoru je chladicí kanál napájen chladicím vzduchem. Průřezová plocha tohoto chladicího kanálu je přitom uprostřed lopatky zhruba stejně velká jako hlavního kanálu, v oblasti špičky lopatky je dokonce větší než průřezová plocha hlavního kanálu. Množství přenášeného tepla v oblasti zadní hrany lopatky neníprotolepší nežvestřední části

- 2 lopatky a není proto možné zabezpečit dostatečné chlazení oblasti zadní hrany lopatky při tepelně značně zatížené lopatce.

—-------~----------------

Vynález si klade za úkol zdokonalit u chladitelné lopatky v úvodu uvedeného typu chlazení oblasti zadní hrany lopatky a dosáhnout vysoké aerodynamické účinnosti lopatky.

Podle vynálezu se toho dosahuje znaky význakové části prvního patentového nároku.

Jádro vynálezu tedy spočívá .v tom, že v oblasti zadní, hrany je uspořádány podstatě radiálně upravený, s narůstajícím poloměrem v ploše se zvětšující chladicí kanál, který je prostřednictvím vstupního otvoru spojen s dutinou., a že

- chladicí kanál je s dutinou- spo jen prostřednictvím nejméně-— jednoho spojovacího kanálu.

Výhody vynálezu spočívají mimo jiné v tom, že skrz chladicí kanál vedené chladicí fluidum je vyfukováno z lopatky v oblasti hlavy lopatky a tak nemá žádný vliv na aerodynamiku lopatky. Dále je možné uskutečnit malé poloměry zadních hran, protože ria zadní hraně lopatky není nutné chladicí fluidum vyfukovat. Prostřednictvím divergentního uspořádání chladicího kanálu se dosáhne efektivního chlazeni oblasti zadní hrany lopatky. Prostřednictvím uspořádání divergentního kanálu je možné dobře nastavit chlazení lokálních oblastí. Navíc může být u oběžných lopatek s krycími deskami —značně průtokem ohrožená horní oblast k hlavě lopatky zviáš— tě dobře chlazena.

Při použití divergentního chladicího kanálu je třeba značně méně chladicího vzduchu než například u filmového chlazení zadní hrany. Lopatky s divergentním chladicím kanálem lze mimoto vyrábět Odléváním.

Výhodné je spojit chladicí kanál s dutinou prostřednictvím nejméně jednoho spojovacího kanálu. Spojovací kaná_ ly mezi dutinou a mezi chladicím kanálem působí jako místa odsávání chladicího vzduchu z dutiny a zintenzivňují přenos, tepla v oblasti zadní hrany dutiny. Prostřednictvím spojovacích kanálů vstupuje chladicí fluidum do chladicího kanálu ve tvaru paprsků a vytváří extrémně vysoké přechody tepla.

Další výhodná uspořádáni chladitelné lopatky podlevynálezu vyplývají z dalších závislých patentových nároků.?:......

Přehl ěVe výkresové části je znázorněn příklad provedení podle vynálezu na podkladě schematického vyobrazení lopatky v proudovém stroji.

Na obr. 1 je znázorněn dílčí podélný řez lopatkou. Na obr. 2 je znázorněn dílčí příčný řez lopatkou v rovině podle čáry II - II na obr, 1. Na obr. 3 je znázorněn dílčí příčný řež lopátkou v rovině podle čáry III - III naobr. 1,

Na obr. 4 je znázorněn dílčí podélný řez dalším provedením lopatky podle vynálezu.

-------Na obr^—5—je znázorněn dílčí podélný řez-dalším prove^--děním lopatky podle vynálezu.

Na výkresech jsou znázorněny jen ty elementy, které jsou podstatné pro porozumění vynálezu.

Pří

Na obr. 1 a obr. 2 je znázorněna lopatka 10 proudového stroje, která sestává ž listu 1, lopatky 10 a z patky 11 lopatky 10. se kterou je lopatka 10 namontována. Mezi listem X lopatky 10 a mezi patkou 11 lopatky 10 je obvykle uspořádána plošina 12, která stíní patku 11 lopatky 10 před fluidem obtékajícím list 1 lopatky 31). List 1 lopatky 10 má oblast 3 přední hrany, oblast 4 zadní hrany, stěnu 5 na nasávacífstraně a stěnu 6 na výtlačné straně, přičemž stěna 5 na nasávací straně a stěna 6 na výtlačné straně jsou v oblasti 3 před-, ní hrany a oblasti 4 zadní hrany navzájem spojeny, čímž.se vytváří dutina 2 s průřezovou plochou A2 dutiny 2. Oblast 3 přední hrany je vždy nejprve ovlivňována fluidem proudícím kolem listu 2 lopatky 10. Dutina 2 je upravena y podstatě . .......

v radiálním směru skrz lopatku 10 a slouží jako průtok přo chladicí fluidum 20.

V oblasti 4 zadní hrany je uspořádán radiálně upravený chladicí kanál 2 s průřezovou plochou A7 chladicího kanálu 7, který ve směru proudění diverguje ke'hlavě 13 lopatky 10, který však zejména v oblasti hlavy 13 lopatky 10 může být upraven také paralelně. Chladicí kanál 7 je přitom uspořádán zejména jako difuzor; Chladicí kanál 2 J^e prostřednictvím spojovacích kanálů 8 s průřezovou plochou A8 spojovacího kanálu 8 a prostřednictvím vstupního otvoru 9 vé střední oblasti 14 listu 2 lopatky 10 spojen s dutinou 2. Není znázor_ néno, žé vstupni otvor 9 chlad icího kan á 1 u JL můžebýt uspo-________ řádán v libovolných místech, například poblíž patky 11 lo- 5 patky 10 nebo v patce 11 lopatky 10. Obvykle je však chladicí kanál 7 uspořádán zhruba od střední oblasti 14 listu χ lopatky 10 ve směru proudění, protože tam je zatížení a nebezpečí výtoku největší.

Chladicí fluidum 20 protéká skrz dutinu 2' a skrz vstupní otvor 9 a spojovací kanály 8 do chladicího kanálu 7. Tak se vytváří cirkulace proudění v oblasti zadní hrany v dutině

2. Ohřáté chladicí fluidum 20, které má tendenci zůstat viset v oblasti zadní hrany v důsledku místně zvýšeného tření, je tak smícháno s chladnějším chladicím fluidem 20, specielně také s chladicím fluidem 20 vstupujícím do chladicího kanálu 7.

Oblast 4 zadní hrany je chlazena chladicím fluidem 20 vedeným skrz chladicí kanál 7, přičemž koeficient přestupu tepla v chladicím kanálu 7 narůstá od středu listu 1_ lopatky 10 ve směru ke hlavě 13 lopatky 10. To je podmíněno na-------růst a j ícím hmotnost ním tokem chladicího fluida 20 v chladí-----------cím kanálu 7, který je vytvářen dalším vstupem chladicího fluida 20 prostřednictvím spojovacích kanálů 8. To zdokonaluje chlazení hlavy 13 lopatky 10.

Daným vytvořením chladicího kanálu 7, vstupního otvoru 9 a spojovacích kanálů 8 lze nastavit'cirkulaci proudění v oblasti 4 zadní hrany dutiny 2, jakož i chladicí výkon oblasti 4 zadní hrany. Navíc je divergentní úhel chladicího kanálu 7 přizpůsoben počtu spojovacích kanálů 8 z dutiny 2,tak, že je chlazení lopatky 10 optimální.

______Pr ůř e z o v á_p 1 o cha A8 spo .j ovacích kanálů 8 je přitom________ menší než průřezová plocha A7 chladicího kanálu 7 a ta je

- 6 opět mnohem menší než průřezová plochá A2 dutiny 2, to znamená, že platí vztah λ8<ζλ7·ζ/ A2. Průřezová plocha A8 spojovacího kanálu 8 má k průřezové'ploše A2 dutiny 2 hodnotu s výhodou několika procent, zejména 1 - 5 %, průřezová plocha -A8~spo-jovacího-kanálu~8 - má-k -průřezové-ploše -A7- chladicího kanálu 7 s výhodou hodnotu více desetin, zejména 30 100 %, a průřezová plocha A7 chladicího kanálu 7 má k průřezové ploše A2 dutiny .2 hodnotu například s výhodou několika procent, zejména 1 - 10 %.

Rychlost proudění fluida skrz spojovací kanály 8 a v chladicím kanálu 2 je vzhledem ke zvolené geometrii mnohem větší než v průřezové ploše A2 dutiny 2,

Prostřednictvím odpovídajícího vytvoření průřezpvé plochy A8 spojovacího kanálu 8, průřezové plochy A7 chladicího kanálu 7 a průřezové plochy A2 dutiny 2 se dosáhne toho, že rychlost proudění fluida v chladicím kanálu 2 zůstává zhruba.stejně rychlá nebo s narůstajícím poloměrem mírně stoupá.

Na obr. 3 je znázorněn nárůst průřezové plochy chladicího kanálu ]_ ke hlavě 13 lopatky 10, jakož i spojovací kanál 8, Nusseltovo číslo Nu je definováno jako poměr konvekčně odváděného množství tepla k vedenému množství tepla. Nussel tovo číslo chladicího kanálu 2 Nu -chladicího kanálu 2 'je ••přitom mnokrát vyšší než Nusseltovo číslo v hladké dutině 2 Nu-dutiny 2. Tak například experimentálně bylo zjištěno, že poměr Nu-chladicího kanálu 2 Nu-dutiny 2 má hodnotu 10 -15.

Na obr. 4 jsou v dutině 2 na stěně 5 na nasávací straně uspořádána žebra 30 ve tvaru písmene V, která mají jednu špičku 31 a ramena 32, 33. Ramena 32,-33 žeber 30 jsou přitom uspořádána v úhlu 34 náběhu ké směru hlavního proudění chladicího .fluida 20. Úhel 34 náběhu přitom má hodnotu 30 —až—60®—s-výhOďou-40-až 50° á-ze jména 45°.—Poměr výšky~že-----ber 30 k výšce dutiny 2 je v každém místě žebra 30 v podstatě shodný a má hodnotu mezi 5 až 50 %. Špička 31 žebra 30 je uspořádána v tom místě, kde je výška žebra 30 maximální. V těch oblastech, kde dutina 2 přechází do oblasti 3 přední hrany a oblasti 4 zadní hrany, se žebro 30 zužuje, aby neomezovalo průchod chladicího fluida 20 v těchto oblastech.

Neznázorněná, na vnitřní straně stěny 6 na výtlačné straně uspořádaná žebra mají také tvar písmene V. Jejich špička je také upravena v místě, kde je výška žebra maximální. Žebra jsou na stěně 5 na nasávací straně a na stěně 6 na výtlačné straně uspořádána ve směru proudění navzájem přesazené, - takže pr oudění na r áží postupné na žeb r o 30 stě ny 5 na - nasávací straně a na žebro stěny 6 na výtlačné straně. S vý-, hodou jsou žebra uspořádána vždy uprostřed mezi žebry na protilehlé straně. Prostřednictvím žeber ve spolupráci s chladicím kanálem 7 se zabezpečí chlazení lópatek 10, které vede k rovnoměrnému rozdělení teploty stěn.

Na obr. 5 je znázorněno další možné uspořádání dutiny 2, které je známé například z uvedeného spisu GB 2 165 315. Chladicí fluidum 20 je zde vedeno přes závity vytvořené dělicími stěnami £0, 41 od oblasti 4 zadní hrany lopatky 10 k oblasti 3 přední hrany a potom je vyfukováno přes otvor __42 v hlavě 13 lopatky 10. Také zde je v oblasti 4 zadní hra- __ ňy uspořádán divergentní chladicí kanál 2 pro chlazení oblasti 4 zadní hrany.

Vynález se samozřejmě neomezuje na znázorněné a popsané příklady provedení. Uspořádání dutiny 2 a tím i průtoku chladicího f luida 20-může-být-provedeno také jinak než je to znázorněno, například jako více jednotlivých chladicích kanálů 7. Podstatné je vytvoření divergentního chladicího kanálu 7 ve spojení se spojovacími kanály 8 mezi difuzórem a hlavním kanálem. Průřezová plocha A2 dutiny 2, průřezová plocha A7 chladicího kanálu a průřezová plocha A8 spojovacího kanálu 8 je měřena vždy kolmo ke směru proudění fluida protékajícího Skrz dutiny.

Claims (4)

1. JAiOiNiSVIA

   - 9 - ΟΗ3ΛΟΊ3 AWQiJd ovaci Z 6 ΙΙ1Λ ?? 01§0Q PATENTOVÉ NÁROKY j λ ' ' Z 0 b T 9 ^f Chladitelná lopatka, sestávající v podstatě z patky lopatky

   a listu lopatky, který je vytvořen ze stěny na výtl'áenT“stra^~ > ně a ze stěny na nasávací straně, které jsou v podstatě prostřednictvím oblasti zadní hrany a oblasti přední hřány navzájem spojeny tak, že je vytvořena nejméně jedna průtok chladicího fluida vytvářející dutina, vyznačující se tím, že v oblasti (4) zadní hrany je uspořádán v podstatě radiálně upravený, divergentní chladicí kanál (7), který je prostřednictvím vstupního otvoru (9) spojen š dutinou (2) a chladicí kanál (7) je s dutinou'(2)1 spojen prostřednictvím nejméně jednoho spojovacího kanálu (8).
2. 2. Chladitelná lopatka podle nároku 1, vyznačující se tím, že divergentní chladicí kanál (7) je difuzor.
3. 3. Chladitelná lopatka podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že chladicí kanál (7) je upraven nejméně od střední oblasti (14) listu (1) lopatky (10) ke

   .... hlavě (13) lopatky (10), '
4. 4. Chladitelná lopatka podle nároku 1, v y z n ač u j í c í setím, že v dutině (2) je upraveno nejméně jedno žebro (30), které má jednu špičku (31) a dvě ramena (32, 33), přičemž;ramena (32, 33) žebra (30) svírají s hlavním směrem proudění chladicího fluida (20) ostrý úhel (34) náběhu.