ОБОЛОЧКОВАЯ ЛОПАТКА "ФЛОКС" ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 1999 года по МПК F01D5/18 

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к газотурбостроению.

Известна (1) сопловая лопатка турбомашины, состоящая из охлаждаемого изнутри полого профильного несущего пера-стержня, неохлаждаемой профильной оболочки, обтекаемой рабочим телом и установленной с образованием зазора между оболочкой и стержнем, по меньшей мере одного экрана, выполненного с размещенными на его поверхности выступами.

Недостатком такой конструкции является наличие воздуха в герметичном (непроницаемом) зазоре. Воздух попадает в зазор естественным путем из атмосферы при технологической сборке лопатки.

Воздух в зазоре, являясь теплоносителем, обусловливает спонтанную (самопроизвольную) передачу теплоты теплопроводностью и конвекцией через пристеночные воздушные слои (2). Исследования показали, что дополнительное количество теплоты, передаваемое теплопроводностью и конвекцией, соизмеримо с количеством теплоты, спонтанно передаваемой через зазор излучением.

Наличие дополнительных потоков теплоты через зазор приводит к повышенному расходу охладителя и соответственно к снижению КПД и удельной мощности газотурбинного двигателя ГТД (3).

Конструкция (1) принята за прототип.

Цель изобретения - устранить дополнительные тепловые потоки через зазор, уменьшить расход охладителя на лопаточный аппарат турбины и таким путем повысить КПД и удельную мощность ГТД.

Указанная цель достигается тем, что:
во-первых, один из двух элементов оболочковой лопатки турбомашины Флокс - неохлаждаемая оболочка или экран, установленный в зазоре, выполнен полым в виде профилированной колбы с двойными стенками, из пространства между которыми выкачан воздух, а в вакуумированном пространстве свободно установлен по меньшей мере один дополнительный экран, профилированный адекватно двойным стенкам колбы;
во-вторых, каждый из двух элементов оболочковой лопатки турбомишаны Флокс - неохлаждаемая оболочка и экран, установленный в зазоре, выполнен по меньшей мере из одного, указанного ниже, материала: конструкционная керамика и композиты, кварцевое стекло, тугоплавкие термостойкие металлические сплавы, углеграфиты и углекомпозиты;
в-третьих, по меньшей мере на одну поверхность оболочковой лопатки турбомашины Флокс нанесено термостойкое зеркальное покрытие с малой поглощательной и большой отражательной способностями;
в-четвертых, оболочковая лопатка турбомашины Флокс содержит по меньшей мере один компенсатор тепловых расширений;
в-пятых, на периферии пера-стержня оболочковой лопатки турбомашины Флокс установлен и закреплен по его периметру охлаждаемый несущий бурт-упор, воспринимающий центробежные силы от собственных масс неохлаждаемой оболочки и экрана, установленного в зазоре, возникающие при вращении оболочковой лопатки.

Изобретение поясняется соответствующими конструктивными схемами и графиками, которые представлены в следующем виде:
фиг. 1 - оболочковая лопатка турбомашины Флокс, в которой экран, установленный в зазоре, выполнен полым в виде профилированной колбы с двойными стенками;
фиг. 2 - оболочковая лопатка турбомашины Флокс, в которой неохлаждаемая оболочка выполнена полой в виде профилированной колбы с двойными стенками;
фиг. 3 - поперечный разрез оболочковой лопатки турбомашины Флокс, фиг. 4, соединение А-А фиг. 1, фиг. 5 - сечение Б-Б фиг. 2;
фиг. 6 - узел С фиг. 1.

фиг. 7 - графики зависимого КПД ГТД от начальной температуры газа T_г, где:
1' - график получен авторами применительно к предлагаемым оболочковым лопаткам турбомашины Флокс, фиг. 1 -6,
2' - график получен в (2, С.125, рис. 76 и 77) применительно к обычным охлаждаемым лопаткам турбины;
3' - точка экстремума на графике 2, определяющая предельную начальную температуру газа T_гз и максимально возможный КПД ГТД η_3′;
4' - текущая точка на графике 1, определяющая при начальной температуре газа T_г4 КПД ГТД η_4′, который непрерывно и монотонно возрастает при увеличении начальной температуры газа.

На фиг. 1 - 6 в обозначено:
1 - неохлаждаемая профильная оболочка;
2 - герметичный зазор между оболочкой 1 и стержнем 6;
3 - профилированная колба с двойными стенками;
4 - поток рабочего тела турбомашины;
5 - вакуумированное пространство внутри колбы 3;
6 - полое профилированное несущее перо-стержень;
7 - поток охладителя - охлаждающего воздуха, водяного пара и др.;
8 - компенсатор тепловых расширений;
9 - охлаждаемый несущий бурт-упор;
10 - дополнительный экран, установленный внутри профилированной колбы 3;
11 - экран, установленный в зазоре 2;
12 - термостойкое зеркальное покрытие с малой поглощательной и большой отражательной способностями.

На фиг. 1 - 6 видно, что в зазоре 2, между оболочкой 1 и стержнем 6, свободно установлен экран 11, который в данном случае выполнен полым в виде профилированной колбы с двойными стенками 3, из пространства 5 между которыми выкачан воздух. Оболочка 1 и экран 11 в виде колбы с двойными стенками 3 могут быть выполнены по меньшей мере из одного указанного ниже материала: конструкционной керамики и композитов, кварцевого стекла, тугоплавких и жаропрочных металлов, углеграфитов и углекомпозитов. На разрезе А-А видно, что на поверхности двойных стенок 3 нанесены термостойкие зеркальные покрытия 11, 12 с малой поглощательной и большой отражательной способностями. Одна из двойных стенок 3 содержит компенсаторы тепловых расширений 8. Оболочковая лопатка турбомашины Флокс содержит охлаждаемый несущий бурт-упор 9, скрепленный с несущим пером-стержнем 6.

На фиг. 7 представлены графики зависимости КПД ГТД от начальной температуры газа Т_г. График 1' с текущей точкой 4' получен авторами путем расчетного эксперимента, выполненного применительно к оболочковой лопатке турбомашины Флокс, фиг. 1 - 6. График 2' с точкой экстремума 3' заимствован из источника (2) и относится к обычным охлаждаемым турбинным лопаткам.

Оболочковая лопатка турбомашины Флокс, конструктивная схема которой представлена на фиг. 1,3,4, работает следующим образом.

От потока рабочего тела 4 в единицу времени отводится количество теплоты Q_г, которое передается теплопроводностью, конвекцией и излучением потоку охладителя 7 через оболочку 1, зазор 2, двойные стенки 3, вакуумированное пространство 5 и перо-стержень 6. Система экранов 3 с зеркальными покрытиями 12 и вакуумированное пространство 5 в совокупности являются весьма эффективной и надежной тепловой защитой (изоляцией) (3.С.366). Эта защита обусловливает резкое и весьма значительное уменьшение мощности теплового потока Q_г, что приводит к такому же резкому и весьма значительному уменьшению расхода Q_охл охладителя 7.

Уменьшение теплового потока Q_г и расхода охладителя Q_охл обусловливает кардинальное качественное и количественное изменение свойств газотурбинного двигателя, что иллюстрируют графики на фиг. 1, 7, в результате получена благоприятная монотонно-возрастающая зависимость 1', характерная для адиабатных (неохлаждаемых) ГТД, вместо весьма неблагоприятной зависимости 2', имеющей пределы по КПД ГТД η_3′ и по начальной температуре газа Т_гз (2, С. 125).

Тепловые расширения, возникающие при работе оболочковой лопатки в турбомашине, уравновешиваются без поломок конструкции компенсаторами тепловых расширений 8.

При вращении рабочих лопаток турбомашины возникают центробежные силы собственных масс. Эти силы от масс оболочки 1 и экрана 11, выполненного в виде колбы с двойными стенками 3, уравновешиваются буртом-упором 9, который скреплен с несущим пером-стержнем 6 и который обуславливает возникновение в элементах 1 и 3 напряжений сжатия. Напряжениям сжатия указанные выше материалы хорошо противостоят (4, с. 59-62).

На фиг. 2,3,5 видно, что оболочка 1 выполнена полой в виде профилированной колбы с двойными стенками 3, из пространства 5 между которыми выкачан воздух, а в вакуумированном пространстве 5 свободно установлен дополнительный экран 10. На поверхности двойных стенок 3 и дополнительного экрана 10 нанесены термостойкие зеркальные покрытия 12 с малой поглощательной и большой отражательной способности. Одна из двойных стенок 3 содержит компенсаторы тепловых расширений 8, которые на фиг. 2 не показаны. Оболочковая лопатка турбомашины содержит экран 11, установленный в зазоре 2, и охлаждаемый несущий бурт-упор 9, скрепленный с несущим пером-стержнем 6.

Оболочка 1, выполненная полой в виде профилированной колбы с двойными стенками 3, из пространства 5 между которыми выкачан воздух, а в вакуумированном пространстве 5 свободно установлен дополнительный экран 10, является такой же весьма эффективной и надежной тепловой защитой (изоляцией), как и защита (изоляция), рассмотренная выше и представленная на фиг. 1, а и фиг. 3 в с разрезом А-А.

Источники информации.

1. Заявка N 95118242/06 (031978) от 26.10.95. Сопловая лопатка турбомашины. Авторы: Тихоплав В.Ю. и др.

2. Г. Г. Жаров, Л.С.Венцюлис. Судовые высокотемпературные газотурбинные установки, - Л.: Судостроение, 1973, с. 359.

3. В.П.Исаченко, В.А.Осипова, А.С.Сукомел, Теплопередача, Изд. 2-е. -М.: Энергия, 1969, с. 440.

4. П.Б.Михайлов-Михеев. Справочник по металлическим материалам турбино- и моторостроения. М.-Л.: Машгиз, 1961, с. 838.

Оболочковая лопатка турбомашины состоит из охлаждаемого изнутри полого несущего пера-стержня, неохлаждаемой профильной оболочки, обтекаемой рабочим телом и установленной с образованием зазора между оболочкой и стержнем, по меньшей мере одного экрана, выполненного с размещенными на его поверхности выступами. Один из двух элементов - неохлаждаемая оболочка или экран, установленный в зазоре, выполнен полым в виде профилированной колбы с двойными стенками, из пространства между стенками выкачан воздух. В вакуумированном пространстве свободно установлен по меньшей мере один дополнительный экран, профилированный адекватно двойным стенкам колбы. Зазор между оболочкой и стержнем выполнен герметичным, а на поверхности оболочки, экрана и несущего стержня нанесены защитное и термобарьерное покрытие. Такое выполнение лопатки приводит к повышению КПД и мощности турбомашины. 4 з.п ф-лы, 7 ил.

1. Оболочковая лопатка турбомашины, состоящая из охлаждаемого изнутри полого несущего пера-стержня, неохлаждаемой профильной оболочки, обтекаемой рабочим телом и установленной с образованием зазора между оболочкой и стержнем, по меньшей мере одного экрана, выполненного с размещенными на его поверхности выступами, отличающаяся тем, что один из двух элементов - неохлаждаемая оболочка или экран, установленный в зазоре, выполнен полым в виде профилированной колбы с двойными стенками, из пространства между которыми выкачан воздух, а в вакуумированном пространстве свободно установлен по меньшей мере один дополнительный экран, профилированный адекватно двойным стенкам колбы, при этом зазор между оболочкой и стержнем выполнен герметичным, а на поверхности оболочки экрана и несущего стержня нанесены защитное и термобарьерное покрытие. 2. Оболочковая лопатка по п.1, отличающаяся тем, что каждый из двух ее элементов - неохлаждаемая оболочка и экран, установленный в зазоре, выполнен по меньшей мере из одного, указанного ниже материала: конструкционная керамика и композиты, кварцевое стекло, тугоплавкие термостойкие металлы и жаропрочные термостойкие металлические сплавы, углеграфиты и углекомпозиты. 3. Оболочковая лопатка по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере на одну ее поверхность нанесено термостойкое зеркальное покрытие с малой поглощательной и большой отражательной способностями. 4. Оболочковая лопатка по п.1, отличающаяся тем, что она содержит по меньшей мере один компенсатор тепловых расширений. 5. Оболочковая лопатка по п.1, отличающаяся тем, что на периферии пера-стержня установлен и закреплен по его периметру охлаждаемый несущий бурт-упор, воспринимающий центробежные силы от собственных масс неохлаждаемой оболочки и экрана, установленного в зазоре, возникающие при вращении оболочковой лопатки.