ТУРБИННАЯ ЛОПАТКА Российский патент 1997 года по МПК F01D5/18 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в газотурбинных установках.

Известен способ охлаждения турбинной лопатки, включающий использование одного теплоносителя воздуха, пропускаемого через лабиринт из продольных каналов и затем впускаемого через поры в проточную часть турбины с образованием защитной пленки над поверхностью пера лопатки (патент Англии N 2250548, кл. F 01 D 5/18, 1992 ).

Известен также способ охлаждения турбинной лопатки, включающий отвод тепла к первичному теплоносителю воздуху от вторичного теплоносителя - жидкого натрия, размещенного в области пера лопатки (патент Англии N 2254380, кл. F 01 D 5/18, 1992 ).

Турбинная лопатка, охлаждаемая этим способом, включает основание с каналами открытого контура охлаждения и перо с продольными каналами закрытого контура охлаждения, последовательно расположенными в виде нескольких рядов от входной кромки пера до выходной и соединенными с двумя коллекторами, один из которых находится в верхней части пера, а другой в основании лопатки, где выполнен радиатор для теплообмена между первичным и вторичным теплоносителями.

Выполнение радиатора в основании лопатки увеличивает ее габариты и снижает прочность ротора турбины.

Подобно известному способу, предлагаемый способ охлаждения турбинной лопатки включает отвод тепла к первичному теплоносителю от вторичного теплоносителя, размещенного в области пера лопатки. Новым является то, что в области пера лопатки на большей части его длины располагают одновременно оба теплоносителя. При этом область пера, занятая первичным теплоносителем, меньше по протяженности в поперечном сечении пера, чем область пера, занятая вторичным теплоносителем.

Совмещение обоих теплоносителей в области пера лопатки упрощает ее конструкцию, так как позволяет обойтись без специального радиатора и, кроме того, снижает перепад температуры вдоль закрытого контура с вторичным теплоносителем, что замедляет коррозию, обусловленную переносом массы при взаимодействии теплоносителя со стенкой канала. Различие в размерах областей пера, занятых теплоносителями, обеспечивает устойчивую конвекцию вторичного теплоносителя и выравнивание температуры между кромками пера и остальной его частью. При этом более высокая способность жидкого теплоносителя к локальному теплоотводу, чем у теплоносителя типа воздуха, предохраняет лопатку от разрушения при местном повреждении слоя теплоизоляции, роль которой возрастает с повышением температуры газа перед турбиной.

Предлагаемая турбинная лопатка, подобно известной, включает основание с каналами открытого контура охлаждения и перо с продольными каналами закрытого контура охлаждения, последовательно расположенными в виде ряда от входной кромки пера до выходной и соединенными с двумя коллекторами, один из которых находится в верхней части пера, а другой в основании лопатки.

Новым является то, что в области пера ряд продольных каналов закрытого контура расположен между двумя рядами продольных каналов открытого контура. В поперечном сечении пера максимальное расстояние между каналами открытого контура меньше максимального расстояния между каналами закрытого контура. Ряды каналов открытого контура составлены из каналов, сообщающихся в верхней части пера. Оба ряда каналов открытого контура имеют одинаковое число каналов, а каждый из каналов одного ряда сообщается в одним из каналов другого ряда.

Расположенные в основании лопатки концы каждой пары сообщающихся каналов подключены, соответственно, к двум коллекторам открытого контура, один из которых является для первичного теплоносителя впускным, а другой выпускным. В каждом из рядов открытого контура каналы, соединенные с впускным и выпускным коллекторами, чередуются. Поперечные сечения коллекторов открытого и закрытого контуров имеют общую ось симметрии.

Выполнение каналов открытого контура сообщающимися удлиняет путь первичного теплоносителя в контакте со вторичным. Поочередное подключение каналов каждого ряда к впускному либо выпускному коллектору сближает средние температуры теплоносителя в обоих рядах и вместе с ними температуры на противоположных сторонах лопатки спинке и корыте.

На фиг.1 показана турбинная лопатка, охлаждаемая предложенным способом, с поперечным разрезом пера; фиг.2 узел 1 на фиг.1; на фиг.3 разрез А-А на фиг.1; на фиг.4 вид Б на фиг.1 со схемой каналов закрытого контура. Направления потоков теплоносителей в каналах показаны стрелками.

Турбинная лопатка включает основание 1 и перо 2. Профиль пера образован вогнутым корытом 3, выпуклой спинкой 4, входной кромкой 5, выходной кромкой 6. Кромки расположены на средней поверхности 7 пера. В поперечном сечении пера четыре указанных участка профиля разделены точками сопряжения, в которых кривизна достигает минимуму.

Открытый контур 8 охлаждения включает каналы 9, проходящие через основание лопатки и заполненные продуваемым через лопатку водяным паром. Закрытый контур 10 охлаждения имеет вид ряда 11 продольных относительно пера каналов 12, 13, 14, 15, 16, 17, заполненных жидким натрием 18. Продольные каналы закрытого контура соединены с двумя коллекторами 19, 20, первый из которых расположен в верхней части пера, а второй в основании лопатки. Крайние каналы 12 и 17 проходят, соответственно, вдоль входной и выходной кромок пера.

В области пера ряд 11 продольных каналов закрытого контура расположен между двумя рядами 21, 22 продольных каналов открытого контура. Ряд 21 проходит вдоль корыта, ряд 22 вдоль спинки. Оба ряда содержат одинаковое число каналов (по 9). Отсчитываемые от входной кромки каналы противоположных рядов соответствуют друг другу: первый 23, второй 24, последний 25 каналы ряда 21 расположены в тангенциальном направлении против первого 26, второго 27, последнего 28 каналов ряда 22.

В поперечном сечении пера максимальное расстояние a между каналами открытого контура меньше максимального расстояния b между каналами закрытого контура (см. фиг.1). У открытого контура величина a представляет собой расстояние между максимально удаленными точками крайних каналов 25 и 26. Аналогично, величину b у закрытого контура определяет расположение крайних каналов 12 и 17.

Ряды 21, 22 открытого контура составлены из каналов, сообщающихся в верхней части пера, прилегающей к его торцу 29. Каждый из каналов ряда 21 соединен с одним из каналов ряда 22. Каналы соединены перемычками 30. В частности, канал 23 сообщается с каналом 26, канал 24 с каналом 27. Два конца 31, 32 каждой пары сообщающихся каналов расположены в основании лопатки. Один из концов соединен с впускным коллектором 33 открытого контура, другой конец с выпускным коллектором 34.

В каждом из рядов открытого контура каналы, соединенные с впускным и выпускным коллекторами, чередуются. Так, в ряду 21 первый канал 23 подключен к выпускному коллектору 34, а второй канал 24 к выпускному коллектору 33. В ряду 22 первый канал 26 подключен к впускному коллектору 33, а второй канал 27 к выпускному коллектору 34.

Коллекторы 19, 20 закрытого контура и коллекторы 33, 34 открытого контура выполнены изогнутыми вдоль средней поверхности 7 пера. При этом в каждом сечении поперек оси турбины (типа А-А на фиг.1) все четыре коллектора имеют общую ось 35 симметрии. Коллекторы открытого контура имеют торцевые выходы 36, 37 для подключения к паропроводам ротора.

Закрытый контур выполнен в виде сосуда 38 со стенкой 39 из титана либо железа. Сосуд заделан в матрицу 40 лопатки, отлитую из никелевого сплава. Сосуд имеет горловину 41, герметично заглушенную пробкой 42. В коллекторах закрытого контура выполнены верхнее расширение 43 и нижнее расширение 44. При вращении ротора турбины в нижнем расширении образуется полость 45, занятая оставшимся в полости газом и расположенная под свободной поверхностью 46 жидкого натрия.

Основание лопатки выполнено в виде елочного хвостовика 47 с ребрами 48 и полкой 49. В области основания каналы открытого контура образованы отверстиями 50, а в области пера полукруглыми пазами 51 в матрице. Пазы закрыты оболочкой 52 из никелевого сплава, которая приварена к ребрам 53, расположенным между пазами. Оболочкой покрыты поверхности пера 2 и полки 49. На оболочку нанесено теплоизолирующее покрытие 54, включающее керамические волокна.

Предложенный способ охлаждения может быть осуществлен также в других вариантах турбинной лопатки. В частности, канал открытого контура может быть выполнен в виде трубы 55, размещенной внутри канала 14 закрытого контура и содержащей пористый наполнитель, который улучшает теплообмен и препятствует смятию трубы гидростатическим давлением натрия (см. фиг.2).

Возможно также выполнение открытого контура с каналами 56, 57, расположенными между каналами закрытого контура. Дно 58 хвостовика может быть с коллекторами открытого контура дополнительными каналами 59, 60 (см. фиг.4). Пары сообщающихся каналов могут быть соединены шунтирующим отверстием 61 в месте сопряжения каналов на средней поверхности пера.

В зависимости от отношения среднего диаметра турбинной ступени к длине лопатки перо может быть выполнено прямым (отношение больше 10) либо с закруткой, что деформирует каналы обоих контуров, но не меняет взаимного расположения рядов 11, 21, 22. Закрытый контур может содержать дополнительные каналы за пределами основного ряда, а также может содержать несколько рядов продольных каналов. Открытый контур может быть выполнен в виде одного ряда продольных каналов, расположенных, например, внутри каналов закрытого контура, как в случае трубы 55 и канала 14 (см. фиг.2).

Турбинная лопатка может быть выполнена как одно целое с диском, который в данном случае является ее основанием. В качестве теплоносителя могут быть использованы сплавы натрия с калием и некоторые другие жидкости, в том числе вода.

Для газотурбинной установки мощностью 200 МВт со средним диаметром первой ступени 2 м рабочая лопатка имеет длину пера и хорду по 150 мм, диаметр пазов 51 1.2 мм, толщину оболочки 52 1.3 мм, толщину теплоизолирующего покрытия 54 1.3 мм. Максимальная допустимая температура на поверхности металлической оболочки 52 850.900^oC. Допустимая температура газа перед входом в турбину зависит от толщины теплоизолирующего покрытия 54 и при использовании волокон из оксида алюминия либо оксида циркония может превышать 1500^oC.

Турбинная лопатка работает следующим образом. Нагретый газ, направляемый сопловым аппаратом, обтекает перо лопатки и создает избыточное давление на поверхность корыта, поддерживая вращение ротора турбины. Охлаждающий пар под давлением подается в ротор турбины, откуда по паропроводам, подключенным к основанию лопатки, поступает во входной коллектор 33.

Из коллектора пар распределяется по каналам рядов 21, 22. Например, по каналу 26 пар подымается со стороны спинки к торцу пера, огибает торец и по каналу 23 опускается со стороны корыта в выпускной коллектор 34. В процессе движения пара его температура остается ниже температуры жидкого натрия в закрытом контуре, что обусловливает теплоотвод от натрия к пару, сочетающийся с паром непосредственно и нагреваемой извне. В нагретом виде пар удаляется из лопатки в ротор и может быть использован в паровой турбине.

Теплоотвод от жидкого натрия происходит в каналах 14, 15 той части закрытого контура, которая расположена между рядами 21, 22 каналов открытого контура. Прибавляя в удельном весе, охлажденный жидкий натрий вытесняет более легкий натрий из каналов 12, 13, 16, 17, расположенных на периферии ряда 11, что обеспечивает теплоотвод от труднодоступных областей пера, примыкающих к кромкам. По каналам 14, 15 охлажденный натрий под действием центробежной силы подымается к торцу пера. По каналам 12, 17 нагретый натрий опускается к основанию лопатки.

При охлаждении лопатки паром или воздухом целесообразно снижение расхода теплоносителя. Если теплосъем с лопатки не может быть уменьшен, снижение расхода теплоносителя может быть достигнуто за счет нагрева его в лопатке до более высокой температуры, что в случае пара облегчает дальнейшее его использование. Однако увеличение перепада температуры пара вдоль пути его следования усиливает неравномерность отвода тепла от частей лопатки, расположенных на этом пути. Жидкий натрий аккумулирует отвод тепла паром и равномерно распределяет его по перу лопатки.

Использование: в газотурбинных установках. Сущность изобретения: турбинная лопатка содержит основание с каналами открытого контура охлаждения и перо с продольными каналами закрытого контура охлаждения, последовательно расположенными в виде ряда от входной кромки пера до выходной и соединены с двумя коллекторами. Один из коллекторов находится в верхней части пера, а другой - в основании лопатки. В области пера ряд продольных каналов закрытого контура расположен между двумя рядами продольных каналов открытого контура. При этом максимальное расстояние между каналами открытого контура в поперечном сечении пера меньше максимального расстояния между каналами закрытого контура. Ряда каналов открытого контура составлены из каналов, сообщающихся в верхней части пера, причем в каждом из рядов открытого контура каналы, соединенные с впускным либо выпускным коллектором, чередуются. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Турбинная лопатка, содержащая хвостовик с каналами открытого контура охлаждения и перо с выполненными в нем коллектором закрытого контура охлаждения, расположенным в его верхней части, и продольными каналами, последовательно расположенными в виде ряда по направлению от входной к выходной кромке и соединенными с двумя коллекторами закрытого контура, отличающаяся тем, что в теле пера в области его спинки и корыта выполнены два ряда продольных каналов открытого контура, сообщенных с каналами открытого контура хвостовика, причем продольные каналы закрытого контура расположены между рядами продольных каналов открытого контура. 2. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что в поперечном сечении пера максимальное расстояние между каналами открытого контура меньше максимального расстояния между каналами закрытого контура. 3. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что каналы открытого контура выполнены сообщающимися в верхней части пера. 4. Лопатка по п. 3, отличающаяся тем, что ряды открытого контура выполнены с одинаковым числом каналов, причем каждый канал одного ряда сообщен с одним из каналов второго ряда. 5. Лопатка по п. 4, отличающаяся тем, что в хвостовике выполнены впускной и выпускной коллекторы, сообщенные с соответствующими каналами открытого контура. 6. Лопатка по п. 5, отличающаяся тем, что каналы открытого контура каждого ряда, подключенные к впускному или выпускному коллекторам, расположены поочередно. 7. Лопатка по п. 6, отличающаяся тем, что коллекторы открытых и закрытых контуров расположены в поперечном сечении на оси симметрии лопатки.