СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ТУРБИННОЙ ЛОПАТКИ, ТУРБИННАЯ ЛОПАТКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАПРАВКИ ЗАМКНУТОГО КОНТУРА ТУРБИННОЙ ЛОПАТКИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ Российский патент 1997 года по МПК F01D5/18 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в конструкциях роторов газовых турбин.

Известен способ охлаждения турбинной лопатки, включающий пропускание воздуха через полость лопатки и отверстия в стенке пера (патент США N 5152667, кл. F 01 D 5/18, 1992). Известен также способ охлаждения турбинной лопатки, включающий теплообмен между хладагентами в каналах замкнутого и открытого контуров в области пера лопатки под действием термосифонных перепадов давления в замкнутом контуре (патент США N 3376918, кл. F 01 D 5/18, 1968). Известная турбинная лопатка, реализующая этот способ, содержит основание и перо с входной и выходной кромками, внутри которого расположены продольные каналы, образующие замкнутый и открытый контуры охлаждения, находящиеся в тепловом контакте друг с другом в области пера, причем каждый канал замкнутого контура выполнен прямым и закрытым с одного конца, а на другом конце сообщается с резервуаром в основании лопатки (патент США N 3376918, кл. F 01 D 5/18, 1968).

Известное устройство для заправки замкнутого контура турбинной лопатки теплоносителя включает указанный резервуар, сообщающийся с каналом.

Конвекция хладагента в канале с закрытым концом неизбежно приводит к образованию встречных течений, на стыке которых возникают теплоизолирующие зоны, что ограничивает возможность использования известного способа.

Подобно известному способу предлагаемый способ включает теплообмен между хладагентами замкнутого и открытого контуров охлаждения в области пера лопатки под действием термосифонного перепада давления в канале замкнутого контура. Новым является то, что теплообмен производят путем циркуляции хладагента по виткам канала замкнутого контура с обеспечением суммирования местных термосифонных перепадов давления, одинаково направленных вдоль канала в смежных витках, при последовательном движении хладагента от одного витка к другому.

Местный термосифонный перепад давления создают в витке канала замкнутого контура за счет асимметричного расположения этого витка относительно канала открытого контура. Совпадения направлений местных термосифонных перепадов давления достигают одинаковой ориентации смежных витков относительно соответствующих каналов открытого контура. Это позволяет использовать перо лопатки в качестве радиатора и, одновременно, насоса, прокачивающего жидкий хладагент по всей длине замкнутого контура.

Однонаправленная циркуляция препятствует образованию встречных течений и теплоизолирующих зон. Охват лопатки одним потоком хладагента способствует выравниванию температуры на всех участках пера и создает этим условия для более экономного расхода охлаждающего газа в открытом контуре при заданном уровне максимальной температуры материала лопатки. В качестве хладагента замкнутого контура используют щелочной металл.

Предлагаемая турбинная лопатка содержит основание и перо с входной и выходной кромками, внутри которого расположены продольные каналы, образующие замкнутый и открытый контуры охлаждения, находящиеся в тепловом контакте друг с другом в области пера. Новым является то, что замкнутый контур выполнен в виде винтообразного канала с овальными витками, ориентированными вдоль пера и последовательно расположенными между входной и выходной кромками.

Каждый овальный виток винтообразного канала содержит два радиальных участка и два поперечных, один из последних расположен в области пера, а другой в области основания. Каждый поперечный участок канала, расположенный в области основания, выполнен с расширением канала по сравнению с радиальными участками витка.

Смежные витки винтообразного канала имеют одинаковое направление, а каналы открытого контура расположены вдоль одной из поверхностей пера, между этой боковой поверхностью и винтообразным каналом.

Предложенная конструкция турбинной лопатки допускает следующие варианты. Винтообразный канал выполнен с чередованием витков левого и правого направления. Витки винтообразного канала противоположных направлений сдвинуты друг относительно друга соответственно к противоположным боковым поверхностям пера. Винтообразный канал изогнут в виде петли с образованием двух винтоообразных частей, между которыми расположены каналы открытого контура. Винтообразный канал развернут вдоль средней поверхности пера, а каналы открытого контура расположены по одному на виток.

Винтообразный канал выполнен из трубки, заделанной в матрицу лопатки. Трубка выполнена из титана. Лопатка снабжена входным и выходным коллекторами, расположенными в основании лопатки и соединенными с каналами открытого контура.

Предлагаемое устройство для заправки замкнутого контура турбинной лопатки теплоносителя содержит резервуар, сообщающийся с каналом. Новым является то, что резервуар выполнен в виде круглого цилиндра с дном и крышкой, причем в дне выполнены два отверстия, в которые вставлены сообщающиеся с каналом цилиндрические трубки, заглубленные в полость цилиндра с образованием штырей, отделенных друг от друга и от стенки резервуара зазорами.

В предлагаемой конструкции турбинной лопатки каналы открытого контура сгруппированы ближе к одному из двух радиальных участков каждого витка, что обеспечивает преимущественный теплоотвод от этого участка. Разность температур, возникающая при этом между двумя радиальными участками одного витка, незначительна по абсолютной величине, но достаточна для циркуляции хладагента в условиях многократной перегрузки при вращении ротора турбины.

Выполнение замкнутого контура в виде винтообразного канала, обеспечивающего вынужденную циркуляцию хладагента последовательно вдоль всех участков контура, позволяет обойтись в замкнутом контуре без коллектора хладагента, который в известной турбинной лопатке имеет вид резервуара, сообщающегося через ряд отверстий с отдельными прямыми каналами закрытого контура. Это упрощает конструкцию лопатки и повышает прочность ротора турбины за счет уменьшения габаритов гнезда под крепление лопатки.

Кроме того, при фиксированном общем теплосъеме с поверхности лопатки такое выполнение уменьшает отвод тепла из пера жидким хладагентом, который, в основном, используется для выравнивания температуры вдоль лопатки. С другой стороны, газообразный хладагент, пропускаемый через открытый контур лопатки, освобождается от необходимости обеспечить равномерность охлаждения. Это позволяет увеличить перепад температуры вдоль открытого контура, выпускать газообразный хладагент с более высокой температурой и, следовательно, сократить его расход. Это, в частности, имеет значение при выпуске охлаждающего воздуха из лопатки в проточную часть турбины, что сопровождается охлаждением продуктов сгорания и снижением коэффициента полезного действия газотурбинного двигателя.

Если хладагентом открытого контура является водяной пар, выпуск его с более высокой температурой в специальный коллектор также целесообразен ввиду возможности направления его на паровую турбину парогазовой установки.

Расширение поперечных участков винтообразного канала, расположенных в области основания, выполняет роль отстойника газа при попадании его в канал и предотвращает этим образование пробок при вращении ротора турбины. Непрерывность винтообразного канала и отсутствие разветвлений упрощает технологию изготовления лопатки, позволяет использовать трубку из титана, заделанную в более легкоплавкую матрицу лопатки из литейного никелевого сплава. Может быть использована также трубка из хрома, осажденного электрически на вспомогательную подложку, например медная проволока, которая затем выплавляется, либо трубка из железа.

Относительно большие атомные радиусы щелочных металлов, возрастающие от лития к цезию, неблагоприятны для растворения в них титана и железа в виде элементов. Растворение идет, в основном, по пути образования окислов и сопровождается переносом материала стенки канала замкнутого контура из горячей зоны в холодную. Рафинирование натрия (99,95%) затормаживает этот процесс за счет удаления кислорода. Однако в условиях длительной работы турбинной лопатки (тысячи часов) необходимы дополнительные меры для замедления переноса. В предлагаемой турбинной лопатке этому содействует конструкция: перенос тем меньше, чем меньше перепад температуры вдоль замкнутого контура охлаждения, что достигнуто путем отказа от сосредоточенного коллектора и распространением зоны теплообмена между замкнутым и открытым контурами на всю лопатку.

На фиг. 1 показана турбинная лопатка со спиральным каналом, поперечный разрез; на фиг. 2 расположение винтообразного канала в турбинной лопатке с закруткой, вид сверху; на фиг.3 турбинная лопатка с чередованием направления витков, поперечный разрез; на фиг.4 турбинная лопатка с двойным каналом, поперечный разрез; на фиг.5 ступенчатый разрез А-А на фиг.1; на фиг.6 вид Б на фиг.1 со схемой замкнутого контура охлаждения; на фиг.7 узел I на фиг.1; на фиг.8 ступенчатый разрез В-В на фиг.7; на фиг.9 вариант узла I на фиг.1, 7; на фиг. 10 узел II на фиг.1; на фиг.11 разрез Г-Г на фиг.10; на фиг.12 схема охлаждения турбинной лопатки с винтообразным каналом; на фиг.13 вид Д на фиг.12; на фиг.14 схема охлаждения турбинной лопатки, второй вариант; на фиг.15 вид Е на фиг.14; на фиг.16 схема охлаждения турбинной лопатки, третий вариант; на фиг.17 вид Ж на фиг.16.

Стрелки, проставленные вдоль каналов, указывают направления потоков хладагента.

Номера позиций без выносных линий относятся к деталям, на поле которых они проставлены.

Турбинная лопатка включает основание 1 и установленное на нем перо 2. Противоположные боковые поверхности пера вогнутое корыто 3 и выпуклая спинка 4 смыкаются с образованием входной кромки 5 и выходной кромки 6, расположенных на средней поверхности 7 пера. Система охлаждения лопатки содержит два контура: открытый контур 8, продуваемый извне воздухом либо паром, и замкнутый контур 9, заполненный жидким натрием, циркулирующим внутри лопатки. Взаимное расположение каналов 10 открытого контура и каналов 11 замкнутого контура обеспечивает возможность теплообмена между обоими контурами. Каналы замкнутого контура выполнены петлевыми, проходят через перо лопатки.

Замкнутый контур выполнен в виде винтообразного канала 12 с овальными витками 13, 14, 15, ориентированными вдоль пера и последовательно расположенными между входной и выходной кромками. В частности, виток 15 расположен от входной кромки дальше, чем виток 14. Концы 16, 17 спирального канала соединены между собой шлейфом 18, который состоит из замыкающих каналов 19, 20, сообщающихся с резервуаром 21. Замыкающие каналы и резервуар расположены в основании лопатки. На поверхность пера нанесено теплоизолирующее покрытие 22.

Овальный виток спирального канала включает два радиальных участка 23, 24 и две перемычки, одна из которых 25 расположена в области пера, а другая 26
в области основания. Витки винтообразного канала замкнутого контура совмещены в области пера с каналами открытого контура. Для этого каналы 10 открытого контура расположены внутри лопатки вдоль ближайших к ним радиальных участков 23 овальных витков. Ряд 27 радиальных каналов открытого контура расположен вдоль спинки 4 пера, между спинкой и винтообразным каналом 12 замкнутого контура.

Ориентация перемычек 25, 26 относительно средней поверхности 7 пера меняется от витка к витку и по мере приближения витка к выходной кромке стремится к ориентации средней поверхности 7. Перемычка 28 последнего витка направлена вдоль поверхности 7, а крайние радиальные участки 29 и 30 вдоль выходной и входной кромок пера соответственно (см. фиг.1).

Турбинная лопатка может быть выполнена прямой либо с закруткой (см. фиг. 2), которая целесообразна при отношении среднего диаметра турбинной ступени к длине пера лопатки, меньшем десяти. Лопатка с основанием 31 и пером 32 включает замкнутый винтообразный канал 33 закрытого контура. Витки 34 винтообразного канала деформированы в соответствии с формой загрузки. Вдоль витков расположены каналы 35, 36 открытого контура, которые в данном случае выходят в проточную часть турбины через торец 37 верхней части пера, смещенный относительно корневого сечения 38.

В другом варианте (см. фиг.3) турбинной лопатки, содержащей основание 39 и перо 40, замкнутый винтообразный канал 41 замкнутого контура выполнен с чередованием витков левого и правого направлений. В частности, по ходу контура от входной кромки 42 к выходной кромке 43 витки соединены в следующей последовательности: левый виток 44, правый виток 45, левый виток 46, правый виток 47 и т. д. При этом витки противоположных направлений сдвинуты друг относительно друга к противоположным боковым поверхностям пера: левые витки 44 и 46 примыкают к корыту 48, правые витки 45 и 47 к спинке 49. Радиальные каналы 50, 51 открытого контура расположены внутри пера в средней части его сечения вдоль средней поверхности 52 пера. Концы винтообразного канала замкнуты на резервуар 53 шлейфом 54.

В третьем варианте (см. фиг.4) турбинной лопатки, содержащей основание 55 и перо 56, замкнутый винтообразный канал 57 замкнутого контура охлаждения изогнут в виде петли с образованием двух ветвей 58 и 59, между которыми вдоль средней поверхности 60 расположены радиальные каналы 61, 62 открытого контура. Ветви выполненного таким путем двойного канала состоят из правых витков 63, 64. Ветви соединены перемычкой 65, расположенной в основании со стороны входной кромки 66, и шлейфом 67, расположенным в основании со стороны выходной кромки 68. Концевые радиальные участки 69, 70 витков винтообразного канала расположены на разном удалении от выходной кромки и замкнуты на резервуар 71.

Варианты турбинной лопатки имеют общи элементы, которые описаны ниже на примере первого варианта (см. фиг.1, 5, 6). Основанием лопатки служит елочный хвостовик 72 для торцевой заводки в диск ротора. В хвостовике выполнены два коллектора для пропускания пара входной коллектор 73 и выходной коллектор 74. Коллекторы имеют торцевые выходы, которые заглушены пробками 75, 76, и каналы 77, 78, соединяющие их с дном 79 хвостовика для подключения к паропроводам ротора. Торцевые выходы могут быть использованы при распределении пара в диске ротора с помощью дефлекторов, прижимаемых к торцам 80, 81 хвостовика.

В верхней части пера выполнен промежуточный коллектор 82, соединенный каналами 10, 83, 84 с входным и выходным коллекторами. Резервуар 21, замыкающий концы винтообразного канала 12, заделан в хвостовик лопатки между коллекторами 73, 74. Резервуар заглушен пробкой 85, на которую изнутри насажен колпачковый сильфон 86, заполненный инертным газом.

Сильфон расположен в резервуаре 21 с зазором. Деформация сильфона обеспечивает возможность теплового расширения жидкого натрия в замкнутом контуре. Заключение деформируемого инертного газа в сильфонную оболочку предотвращает попадание этого газа в витки винтообразного канала, где он мог бы создать пробку, препятствующую циркуляции натрия.

Дополнительным средством для локализации газа, попавшего в спиральный канал случайно или оставленного там по необходимости, служат расширения 87, выполненные на нижних перемычках 88, 89 витков. В местах расширений канал имеет большее поперечное сечение, чем на радиальных участках 90, 91 и верхних перемычках 92, 93 витков спирального канала. При вращении ротора газ вытесняется в нижнюю часть 94 расширения и находится под свободной поверхностью 95 жидкого натрия без разрыва потока. В этих условиях расширения дублируют демпфирующую роль сильфона и при достаточных размерах могут его заменить.

Упрощенная схема замкнутого контура охлаждения (см. фиг.6) служит также иллюстрацией четвертого варианта турбинной лопатки с развернутым каналом, каждый виток которого содержит два радиальных участка 90, 91 и две перемычки 88, 92, причем обе перемычки ориентированы одинаково, вдоль средней поверхности пера.

Устройство для заправки турбинной лопатки теплоносителем (см. фиг.7, 8) включает резервуар 21, сообщающийся с каналом закрытого контура 9. Канал образован трубопроводом 96. Резервуар выполнен в виде круглого цилиндра 97. Дно цилиндра имеет форму пробки 98 с двумя круглыми отверстиями 99, 100, в которые вставлены цилиндрические трубки 101, 102, являющиеся концами трубопровода.

Трубки выступают в полость 103 цилиндра с образованием штырей 104, 105, отделенных друг от друга и от боковой стенки 106 резервуара зазорами 107, 108. Съемный штекер, используемый в процессе заправки, включает пробку 109 с фланцем 110, упирающимся в торец цилиндра, и две трубки 111, 112, закрепленные в отверстиях пробки. Трубка 111 штекера входит в полость трубки 101 дна цилиндра и служит для заливки жидкого натрия в трубопровод замкнутого контура. Трубка 112 имеет свободный конец и служит для создания вакуума в трубопроводе перед заливкой и во время нее.

Трубопровод 96 замкнутого контура, заполненный жидким натрием 113, заделан в металлическую матрицу 114 турбинной лопатки (см. фиг.9, 10). Каналы 10 открытого контура выполнены непосредственно в материале матрицы. На поверхности матрицы выполнено антикоррозионное металлическое покрытие 115, которое служит подложкой для теплоизолирующего покрытия 116 из керамики.

В качестве каналов открытого контура могут быть использованы также пазы 117, выполненные на поверхности матрицы вдоль пера и закрытые металлической оболочкой 118, приваренной к ребрам 119 между пазами. Теплоизолирующее покрытие 120 закреплено на поверхности оболочки. Под пазами расположены каналы 121 замкнутого контура охлаждения с жидким натрием.

Промежуточный коллектор 82 может быть соединен каналами 122 с дополнительным коллектором 123, который служит для выпуска пара при впуске его через коллекторы 73, 74. Турбинная лопатка может быть выполнена в составе монолитного ротора, осевая часть которого при этом служит основанием лопатки.

В турбинной лопатке могут быть применены материалы: матрица литейный никелевый сплав с содержанием хрома более 10% по массе, антикоррозионное покрытие сплав CoCrAlY на основе кобальта с содержанием хрома более 20% по массе либо хром с добавками железа или марганца; металлический хладагент - натрий или его сплавы с калием, а именно соединение KNa₂, эвтектика K + KNa₂ (температуры плавления 98^oC, 7^oC, -12,5^oC, соответственно); теплоизолирующее покрытие керамический материал, включающий волокна из оксида алюминия либо оксида циркония. В качестве жидкого хладагента может быть использована также вода.

Лопатка может быть использована, например, в роторе первой ступени газовой турбины. При среднем диаметре ступени 2 м длина пера лопатки составляет 150 мм, внутренний диаметр винтообразного канала 4 мм, диаметр каналов открытого контура 2 мм, толщина антикоррозионного покрытия 200 мкм, толщина теплоизолирующего покрытия 1 мм.

При работе турбины первичный хладагент отводит тепло от пера лопатки, вторичный хладагент выравнивает температуру пера. В фиксированном объеме замкнутого контура повышение температуры натрия влечет за собой повышение давления его пара, что исключает кипение. Процессы испарения и конденсации ограничены относительно небольшим объемом газа, оставленного в качестве демпфера в спиральном канале, и не препятствуют конвекции жидкого натрия.

Заправку турбинной лопатки производят через трубки 111 и 112 съемного штекера. После заправки цилиндр 97 герметично закрывают пробкой 85, которую при необходимости приваривают.

Зазоры 107, 108, окружающие штыри 104, 105 в полости цилиндра 97, препятствуют попаданию остаточного газа из цилиндра в витки винтообразного канала при опрокидывании лопатки во время монтажа ротора.

При работе турбины на очищенном топливе, в отсутствие интенсивной сульфидно-оксидной коррозии допустима максимальная температура матрицы лопатки 850.900^oC. Охлаждение пера лопатки двумя хладагентами в сочетании с теплоизоляцией обеспечивает возможность работы турбины с температурой газа на входе выше 1500^oC. При одной и той же интенсивности охлаждения повышение температуры газов требует утолщения теплоизолирующего покрытия, что уменьшает его прочность в потоке газа и увеличивает вероятность местных повреждений.

Обладая относительно малой площадью, поврежденное место не увеличивает существенно суммарного теплоотвода от лопатки и температуру жидкого хладагента, который благодаря высокой теплопроводности в состоянии при этом поддерживать температуру поврежденного места на уровне ниже аварийного. Это было бы невозможно в случае применения одного только газообразного хладагента, обеспечивающего равномерное распределение температуры до повреждения.

Использование: в энергетике. Сущность изобретения: первичный теплоноситель пропускают через выполненные в лопатке каналы открытого контура, а вторичный теплоноситель движется под влиянием термосифонных перепадов давления по петлевым каналам закрытого контура, проходящим через перо лопатки. Отвод тепла от вторичного теплоносителя к первичному осуществляют в области пера лопатки, а термосифонные перепады давления суммируют путем последовательного соединения петлевых каналов закрытого контура. Закрытый контур охлаждения выполнен в виде винтообразного канала с овальными витками. Витки могут быть выполнены с чередованием левого и правого направлений. Устройство для заправки турбинной лопатки теплоносителем содержит резервуар, сообщающийся с каналом закрытого контура. Резервуар выполнен в виде круглого цилиндра с дном и крышкой. В дне выполнены два отверстия, в которые вставлены сообщающиеся с каналом цилиндрические трубки. 2 с. и 12 з.п. ф-лы, 17 ил.

1. Способ охлаждения турбинной лопатки, включающий теплообмен между хладагентами замкнутого и открытого контуров охлаждения в области пера лопатки под действием термосифонного перепада давления в канале замкнутого контура, отличающийся тем, что теплообмен производят путем циркуляции хладагента по виткам канала замкнутого контура с обеспечением суммирования местных термосифонных перепадов давления, одинаково направленных вдоль канала в смежных витках, при последовательном движении хладагента от одного витка к другому. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве хладагента используют щелочной металл. 3. Турбинная лопатка, содержащая основание и перо с входной и выходной кромками, внутри которого расположены продольные каналы, образующие замкнутый и открытый контуры охлаждения, находящиеся в тепловом контакте друг с другом в области пера, отличающаяся тем, что замкнутый контур выполнен в виде винтообразного канала с овальными витками, ориентированными вдоль пера и последовательно расположенными между входной и выходной кромками. 4. Лопатка по п.3, отличающаяся тем, что каждый овальный виток винтообразного канала содержит два радиальных участка и два поперечных, один из последних расположен в области пера, а другой в области основания. 5. Лопатка по п.4, отличающаяся тем, что каждый поперечный участок канала, расположенный в области основания, выполнен с расширением канала по сравнению с радиальными участками витка. 6. Лопатка по п.3, отличающаяся тем, что смежные витки винтообразного канала имеют одинаковое направление, а каналы открытого контура расположены вдоль одной из поверхностей пера, между этой боковой поверхностью и винтообразным каналом. 7. Лопатка по п.3, отличающаяся тем, что винтообразный канал выполнен с чередованием витков левого и правого направлений. 8. Лопатка по п. 7, отличающаяся тем, что витки винтообразного канала противоположных направлений сдвинуты друг относительно друга соответственно к противоположным боковым поверхностям пера. 9. Лопатка по п.3, отличающаяся тем, что винтообразный канал изогнут в виде петли с образованием двух винтообразных частей, между которыми расположены каналы открытого контура. 10. Лопатка по п.3, отличающаяся тем, что винтообразный канал развернут вдоль средней поверхности пера, а каналы открытого контура расположены по одному на виток. 11. Лопатка по п.3, отличающаяся тем, что винтообразный канал выполнен из трубки, заделанной в матрицу лопатки. 12. Лопатка по п.11, отличающаяся тем, что трубка выполнена из титана. 13. Лопатка по п.3, отличающаяся тем, что снабжена входным и выходным коллекторами, расположенными в основании лопатки и соединенными с каналами открытого контура. 14. Устройство для заправки замкнутого контура турбинной лопатки теплоносителем, содержащее резервуар, сообщающийся с каналом, отличающееся тем, что резервуар выполнен в виде круглого цилиндра с дном и крышкой, причем в дне выполнены два отверстия, в которые вставлены сообщающиеся с каналом цилиндрические трубки, заглубленные в полость резервуара и отделенные друг от друга и боковой стенки резервуара зазорами.