ОХЛАЖДАЕМАЯ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКАЯ РАБОЧАЯ ЛОПАТКА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 1997 года по МПК F01D5/28 

Изобретение относится к энергетическому и транспортному машиностроению, в частности к охлаждаемым лопаткам высокотемпературных газовых турбин.

Целью изобретения является снижение расхода охлаждающего воздуха.

Известны охлаждаемые рабочие лопатки, состоящие из металлического стержня с периферийной полкой и керамической оболочкой, закрепленной на ребрах стержня и формирующей продольные каналы между стержнем и оболочкой, соединенные с источником охлаждающей среды [1] [2] [3] [4] [5]
При работе турбины в этих конструкциях лопатки керамическая оболочка центробежными силами прижимается к поверхности периферийной полки стержня и находится под воздействием сжимающих напряжений, предел прочности которых для керамики многократно превышает пределы прочности при растяжении и изгибе (Кириллов Н. Н. Сударев А.В. Резников А.Г. Керамика в высокотемпературных ГТУ, Промышленная энергетика, 1988, т.10, N6, стр.67-87). Керамическая оболочка воспринимает теплоту от высокоскоростного и высокотемпературного потоков газа, защищая несущий металлический стержень от высоких тепловых нагрузок.

Вместе с тем в рассмотренных конструкциях значительные тепловые потоки поступают в стержень со стороны, незащищенной от воздействия высокотемпературных газов периферийной полки. Поэтому в таких технических решениях использовано воздушное охлаждение стержня. Воздух направляется в продольные каналы между стержнем и оболочкой и удаляется из лопатки через щели между полкой и торцевой поверхностью оболочки.

В рассмотренных технических решениях велики затраты охлаждающего воздуха, так как последний при движении вдоль стержня охлаждает не только стержень, но и керамическую оболочку. Резко возрастает его температура и соответственно падает температурный напор. Поэтому для обеспечения требуемой температура стержня, воспринимающего высокие механические нагрузки, необходим большой расход охладителя.

Кроме того, известно, что керамика весьма чувствительна к возникающим во время работы двигателя термическим напряжениям, поэтому необходимо, чтобы температурное поле оболочки было равномерно, без значительных температурных градиентов. Локальное охлаждение керамики в зоне продольных каналов приводит к температурной неравномерности по периметру и длине оболочки, что неизбежно вызывает термические напряжения и как следствие снижает надежность и ресурс рабочей лопатки.

Известны также рабочие лопатки газовых турбин, в которых использованы неохлаждаемые воздухом керамические оболочки, защищающие несущий металлический стержень от высокотемпературного газового потока. В этих технических решениях предусмотрено размещение между оболочкой и металлическим стержнем волокнистого материала, например металлического войлока [6] [7] или, как это выполнено в металлокерамической рабочей лопатке турбины высокого давления, между несущим стержнем и оболочкой сохраняется изолированный воздушный зазор [8]
В этих случаях перенос теплоты от горячей оболочки к телу стержня осуществляется путем теплопроводности и теплового излучения, если предположить, что зазор герметизирован и скорость перемещения воздуха в нем мала, и поэтому влиянием тепловой конвекции можно пренебречь. С ростом толщины зазора относительная доля теплоты, переносимой теплопроводностью (в связи с ростом теплового сопротивления), будет падать, а теплота от оболочки к стержню будет передаваться в основном за счет мощного теплового излучения оболочки через прозрачную среду (воздух).

При наличии заполнителя в зазоре между оболочкой и стержнем увеличивается эквивалентный коэффициент теплопроводности, учитывающий теплопроводность газа и наполнителя, поэтому повышается и тепловой поток, поступающий к стержню, что требует увеличения расхода охладителя.

Кроме того, стремление увеличить термическое сопротивление зазора между стержнем и оболочкой за счет роста его толщины приводит к росту размеров и массы керамической оболочки, а значит, увеличению механических напряжений в стержне от действия центробежных сил. Последнее способствует снижению надежности и ресурса облопачивания газовой турбины.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является охлаждаемая воздухом рабочая лопатка газовой турбины [9] Лопатка содержит профилированный металлический стержень с укрепленной на нем периферийной полкой, с продольными пазами на боковых поверхностях, закрепленный в замковом соединении, имеющем каналы, соединенные с источником охлаждающей среды и пазами стержня, керамическую оболочку, упирающуюся в заплечики периферийной полки, и гофрированный экран, выполненный из листового материала, установленный между оболочкой и стержнем с формированием продольных каналов между экраном и стержнем.

При работе турбины высокотемпературный газ омывает профильную поверхность керамической оболочки, которая защищает тело стержня от интенсивного конвективного теплового потока, движется вдоль торцевой поверхности металлической полки, направляя тепловой поток к телу стержня.

Воздух от источника охлаждающей среды через каналы в замковом соединении направляется к каналам, формируемым пазами в стержне и гофрами дефлектора, движется вдоль стержня и через каналы между торцевой стенкой оболочки и периферийной полкой удаляется в проточную часть турбины.

Стержень воспринимает всю нагрузку от действия центробежных сил. Оболочка опирается на укрепленную на стержне периферийную полку и испытывает напряжения сжатия. Экран служит тепловой защитой стержня, а также упругодемпфирующим элементом, снижающим напряжения в оболочке.

Однако при такой конструкции лопатки велика площадь контакта между экраном и оболочкой, поэтому существенная доля теплоты передается экрану, а от него стержню за счет контактной теплопроводности (Мальков В.А. и др. Контактный теплообмен в газотурбинных двигателях и энергоустановках. Ь. Машиностроение, 1978, с.67).

Кроме того, в образуемых между экраном и стержнем гладких продольных каналах невелика интенсивность теплообмена, относительно низок теплоотвод к охлаждающему воздуху.

Поэтому при такой конструкции лопатки необходим сравнительно высокий расход охлаждающего воздуха.

Целью предлагаемого изобретения является снижение расхода охлаждающего воздуха.

Цель достигается тем, что охлаждаемая металлокерамическая рабочая лопатка газовой турбины, с одержащая несущий металлический стержень, выполненный совместно с периферийной полкой и имеющий продольные прямоугольные пазы на боковой поверхности, соединенные с источником охлаждающей среды, и керамическую оболочку, упирающуюся в заплечики периферийной полки, отделенную от стержня воздушным зазором и экраном из тонкостенного жаростойкого материала, свободно установленным на стержне и имеющим в воздушном зазоре со стороны оболочки отогнутый под прямым углом буртик, опирающийся на нижнюю торцевую поверхность оболочки, и дистанционирующие полусферические выступы, а со стороны стержня полусферические лунки, размещенные вдоль пазов стержня.

Вблизи периферийной полки участок экрана отогнут на 180^o с образованием уплотнительного валика, расположенного по периметру экрана в зазоре между ним и оболочкой.

При таком выполнении рабочей лопатки почти вдвое сокращается тепловой поток, передаваемый излучением от нагретой до температуры, близкой к температуре газа, оболочки (Исаченко В.П. и др. Теплопередача. М. Энергоатомиздат, 1981, с. 330). Герметизация воздушного зазора, обеспечиваемая экраном, имеющим описанные выше концевые участки, исключает проточное движение среды в зазоре, что, учитывая его малую толщину, позволяет считать коэффициент интенсификации теплообмена в этой прослойке близким к единице (Там же, с.209). Наличие полусферических выступов создает условия лишь для точечного контакта экрана с оболочкой. Малая площадь поверхности контакта и низкая теплопроводность газовой среды в зазоре существенно снижают передаваемый тепловой поток к экрану (Мальков В.А. и др. с.67) и, следовательно, к стержню.

Выступы в экране со стороны оболочки образованы лунками (выемками) со стороны стержня. Размещение полусферических лунок вдоль пазов стержня приводит к существенной интенсификации теплообмена в щелевых каналах, предназначенных для движения охлаждающего воздуха как со стороны экрана, так и стержня вследствие формирования вихревых структур при омывании лунок (Беленький М. Я. и др. Экспериментальное исследование тепловых и гидравлических характеристик теплообменных поверхностей, формированных сферическими лунками. Теплофизика высоких температур. Т.29, N6, 1991, с.141-1147).

Таким образом, наличие экрана приводит к снижению теплоподвода к несущему стержню и росту теплоотдачи от него к охлаждающему воздуху.

Снижению расхода охлаждающего воздуха способствует конструкция рабочей лопатки, содержащая экран со специальными концевыми участками и поверхностью, формованной полусферическими лунками и выступами, размещение которых обеспечивает как снижение теплоподвода к стрежню, так и интенсификацию теплоотвода от стержня к воздуху. Это новое свойство, присущее предлагаемому техническому решению, потому оно соответствует признаку "существенные отличия".

На фиг. 1, 2 приведен продольный разрез и поперечное сечение рабочей лопатки; на фиг. 3 участок продольного сечения лопатки по оси канала экрана; на фиг. 4 развертка участка экрана с условным изображением продольных пазов стержня.

Охлаждаемая металлокерамическая рабочая лопатка газовой турбины содержит несущий металлический стержень 1, выполненный совместно с периферийной полкой 2 и имеющий продольные прямоугольные пазы 3 на боковой поверхности 4, соединенные с источником охлаждающей среды стрелка 5, и керамическую оболочку 6, упирающуюся в заплечики 7 периферийный полки 2, отделенную от стержня воздушным зазором 8, и экраном 9 из тонкостенного жаростойкого материала, свободно установленным на стержне и имеющим в воздушном зазоре 8 со стороны оболочки отогнутый под прямым углом буртик 10, опирающийся на нижнюю торцевую поверхность 11 оболочки, и дистанционирующие полусферические лунки 12, а со стороны стержня полусферические лунки 13, размещенные вдоль пазов 3 стержня 1.

Вблизи периферийной полки 2 участок экрана 9 отогнут на 180^o с образованием уплотнительного валика 14, расположенного по периметру экрана 9 в зазоре 8 между ним и оболочкой 6.

При работе турбины под действием центробежных сил керамическая оболочка 6 упирается в заплечики 7 периферийной полки 2 и находится в сжатом состоянии, при котором прочность конструкционной керамики значительно выше, чем при растяжении или изгибе (Кириллов И.И. и др. с.82). Вместе с оболочкой вдоль стержня перемещается экран 9, опирающийся буртиком 10 на нижнюю торцевую 11, а дистанционирующими полусферическими выступами 12 на боковую поверхность оболочки 2 и герметизирующий концевыми элементами 10 14 воздушный зазор 8.

Высокотемпературные газы стрелка 15 омывают внешнюю поверхность оболочки 6 и периферийной полки 2 и сообщают им теплоту конвекций. Тепловой поток от периферийной полки поступает непосредственно к стержню теплопроводностью, от оболочки через воздушный зазор 8 к экрану 9 за счет излучения и теплопроводности, и от экрана к стержню. При этом наличие экрана способствует росту термического сопротивления потоку теплоты на пути к стержню как за счет отражения части потока излучения экраном, так и вследствие герметизации воздушного зазора 8 и исключения конвективного движения среды в этом зазоре.

Охлаждающий воздух от источника охлаждающей среды стрелка 5 поступает в продольные каналы 16, образованные экраном 9 и пазами 3 стержня. Наличие полусферических лунок 13, расположенных вдоль пазов 3, способствует при их омывании воздухом формированию вихревых структур, интенсифицирующих теплообмен, повышающих теплоотвод к воздуху. Через пазы 17 на заплечиках 7 между периферийной полкой и верхней торцевой поверхностью 18 оболочки воздух поступает в проточную часть турбины и центробежными силами отбрасывается к статору 19, обеспечивая пленочное заградительное охлаждение боковой поверхности 20 периферийной полки и подмешиваясь к газу в радиальном зазоре 21.

Таким образом, реализация предлагаемого изобретения позволяет:
умeньшить теплоподвод к несущему стержню за счет роста теплового сопротивления на участке оболочка стержень.

увеличить теплоотвод от стержня к охлаждающему воздуху за счет интенсификации теплообмена в каналах рабочей лопатки;
уменьшить расход охлаждающего воздуха, обеспечив допустимую температуру, надежность и ресурс лопатки, или снизить температуру стержня и тем самым повысить надежность и ресурс лопатки при неизменном расходе воздуха.

Использование: в энергетическом и транспортном машиностроении. Сущность изобретения: для снижения расхода охлаждающего воздуха меду керамической оболочкой и несущим металлическим стержнем лопатки размещен тонкостенный жаростойкий экран, имеющий дистанционирующие полусферические выступы, формирующие на стенке охлаждающих стержень каналов лунки, расположенные вдоль этих каналов и интенсифицирующие теплообмен в них 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Охлаждаемая металлокерамическая рабочая лопатка газовой турбины, содержащая несущий металлический стержень, выполненный совместно с периферийной полкой, и керамическую оболочку, упирающуюся в заплечики периферийной полки, отделенную от стержня воздушным зазором и экраном из тонкостенного жаростойкого материала, свободно установленным на стержне и имеющим в воздушном зазоре со стороны оболочки отогнутый под прямым углом буртик, опирающийся на нижнюю торцевую поверхность оболочки, и дистанционирующие полусферические выступы, а со стороны стержня - полусферические лунки, отличающаяся тем, что на боковой поверхности несущего металлического стержня выполнены продольные пазы, а полусферические лунки размещены вдоль пазов стержня. 2. Рабочая лопатка по п.1, отличающаяся тем, что вблизи периферийной полки участок экрана отогнут на 180^o с образованием уплотнительного валика, расположенного по периметру экрана в зазоре между ним и оболочкой.