ПЕРО ОБОЛОЧКОВОЙ ТУРБИННОЙ ЛОПАТКИ "ФЛОКС 2" Российский патент 2000 года по МПК F01D5/18 

Изобретение относится к области теплотехники, в частности к газотурбостроению.

Известно перо оболочковой турбинной лопатки [1], состоящее из несущего металлического стержня, керамической профилированной оболочки, охватывающей указанный стержень с образованием пространства между стержнем и оболочкой, и по крайней мере одного металлического теплового экрана, расположенного в этом пространстве и охватывающего весь периметр канала охлаждающего воздуха, окружающего снаружи несущий стержень. Тепловой экран содержит на своих обеих поверхностях "кнопочные" выступы, которые находятся в контакте со стержнем и оболочкой и служат скользящими опорами.

Недостатком такой конструкции является ненадежность дополнительных неохлаждаемых металлических тепловых экранов, установленных, согласно формуле изобретения [1] , между керамической оболочкой и охлаждаемым металлическим тепловым экраном, охватывающим весь периметр канала охлаждающего воздуха. Ненадежность дополнительных неохлаждаемых металлических тепловых экранов обусловлена их перегревом, который неизбежно возникает при высокой температуре газа [2, с. 366].

Конструкция [1] принята в качестве ближайшего аналога настоящего изобретения. Двуединая цель изобретения - обеспечить надежность пера оболочковой турбинной лопатки "Флокс 2" и снизить расход охладителя. Эта цель достигается тем, что
во-первых, в пере оболочковой турбинной лопатки, состоящей из несущего металлического стержня, керамической профилированной оболочки, охватывающей указанный стержень с образованием пространства между стержнем и оболочкой, металлический тепловой экран, расположен в этом пространстве и охватывает весь периметр канала охлаждающего воздуха, окружающего снаружи несущий стержень, по меньшей мере один дополнительный металлический неохлаждаемый тепловой экран расположен в пространстве между оболочкой и охлаждаемым тепловым экраном, и по меньшей мере один дополнительный неохлаждаемый тепловой экран расположен в пространстве между оболочкой и охлаждаемым тепловым экраном, и по меньшей мере один дополнительный неохлаждаемый тепловой экран выполнен в виде упорядоченной совокупности соприкасающихся опорных высокотемпературных теплоизолирующих силовых элементов - "катков", плотно заполняющих по меньшей мере одним слоем пространство между керамической оболочкой и металлическим охлаждаемым тепловым экраном вдоль всей длины лопатки;
во-вторых, "катки" выполнены в виде цилиндрических или конических роликов, образующие которых ориентированы вдоль образующей оболочки, или шариков, предназначенных для использования соответственно в цилиндрических или конических, или закрученных (винтовых) турбинных лопатках;
в-третьих, "катки "выполнены полыми - с двойными стенками;
в-четвертых, " катки" выполнены в виде автономных сосудов Дьюара;
в-пятых, "катки" изготовлены по меньшей мере из одного из следующих материалов: термопрочных конструкционной керамики и композитов (ККМ), огнеупоров, фарфора, кварцевого стекла, тугоплавких металлов, жаропрочных сплавов, углеграфитов, углекомпозитов, а также других жаропрочных, жаростойких материалов;
в-шестых, по меньшей мере один "каток" изготовлен из материала, отличного от материала остальных "катков";
в-седьмых, по меньшей мере один "каток" выполнен с большим наружным диаметром (или другими размерами: длина, толщина и т.д.) по сравнению с наружными диаметрами остальных "катков";
в-восьмых, по крайней мере одна поверхность "катка" покрыта "зеркальным" слоем, материал которого при рабочей температуре имеет малый коэффициент поглощения полного излучения (степень черноты).

Изобретение поясняется соответствующими чертежами, где на фиг. 1, 2 и 3 представлены продольные и поперечные разрезы пера оболочковой турбинной лопатки "Флокс 2".

Перо оболочковой турбинной лопатки "Флокс 2" состоит из несущего металлического стержня 1, охлаждаемого металлического теплового экрана 2 с "кнопочными" выступами, дополнительного высокотемпературного неохлаждаемого теплового экрана 3, керамической профилированной оболочки 4 и канала 5 охладителя, например, охлаждающего воздуха.

Перо оболочковой турбинной лопатки "Флокс 2" работает следующим образом.

Высокотемпературный поток рабочего тела турбины (газ) обтекает и нагревает керамическую профилированную оболочку 4. Охладитель, например, охлаждающий воздух, протекает через канал 5 и охлаждает (принудительно) металлический тепловой экран 2 и несущий металлический стержень 1. В результате между газом и охладителем спонтанно устанавливается тепловой поток Q, мощность которого обратно пропорциональна термическому сопротивлению многослойной стенки, состоящей из элементов 2-4, показанных на фиг. 1-3. При этом расход охладителя Q_охл. прямо пропорционален мощности теплового потока Q.

В оболочковой турбинной лопатке "Флокс 2" тепловая энергия передается через многослойную стенку спонтанно теплопроводностью, излучением и конвекцией.

Важнейшим составным элементом многослойной стенки является предлагаемый дополнительный высокотемпературный неохлаждаемый тепловой экран 3, под которым следует понимать не только упорядоченную совокупность "катков", но и газ, заполняющий полости между "катками" и полости внутри полых "катков".

Дополнительный высокотемпературный неохлаждаемый тепловой экран 3 при работе пера оболочковой турбинной лопатки "Флокс 2" выполняет по меньшей мере три основные функции:
во-первых, благодаря жаростойкости и жаропрочности "катков" -несущих силовых элементов многослойной стенки, обеспечивает надежность пера оболочковой турбинной лопатки;
во-вторых, обеспечивает надежную передачу сил от керамической профилированной оболочки 4 охлаждаемому металлическому экрану 2 и далее через "кнопочные" выступы экрана 2 - несущему металлическому стержню 1. При этом "катки" обеспечивают необходимые "шарнирность" опор, эластичность формы совокупности опор и свободу тепловых расширений высокотемпературных элементов многослойной стенки пера оболочковой турбинной лопатки;
в-третьих, обеспечивает высокое термическое сопротивление многослойной стенки, благодаря чему в максимальной степени снижены мощность теплового потока Q и расход охладителя Q_охл.
Предлагаемое устройство дополнительного высокотемпературного неохлаждаемого теплового экрана 3 может быть эффективно использовано не только в лопатках высокотемпературных газовых турбин, но и в других высокотемпературных элементах газотурбинного двигателя - в газовых трактах (входной газовый коллектор, выхлопной диффузор и др.), в корпусах турбины и в некоторых элементах камеры сгорания.

Источники информации
1. Патент США (US) N 4396349, МКИ F 01 D 11/02, "Лопатка соплового аппарата газотурбинного двигателя".

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

В пространстве между металлическим стержнем и керамической профилированной оболочкой, охватывающей стержень, расположен охлаждаемый воздухом металлический экран. В зазоре между оболочкой и охлаждаемым экраном размещен по меньшей мере один неохлаждаемый экран, выполненный в виде "катков", плотно заполняющих зазор по меньшей мере одним слоем. "Катки" могут быть выполнены в виде цилиндрических роликов, или конических роликов, или шариков, или полыми, или сосудов Дьюара. "Катки" могут быть выполнены из термопрочных конструкционной керамики и композитов, огнеупоров, фарфора, кварцевого стекла, тугоплавких металлов, жаропрочных сплавов, углеграфитов и углекомпозитов. По меньшей мере один из "катков" может быть выполнен с большим наружным диаметром, чем остальные, и по меньшей мере один из катков может быть выполнен из другого материала, чем остальные, и по меньшей мере одна поверхность катка может быть покрыта "зеркальным" слоем. Использование изобретения позволит повысить надежность турбинной лопатки. 9 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Перо оболочковой турбинной лопатки "Флокс 2", состоящее из несущего металлического стержня, керамической профилированной оболочки, охватывающей указанный стержень с образованием пространства между стержнем и оболочкой, металлического теплового экрана, расположенного в этом пространстве и охватывающего весь периметр канала охлаждающего воздуха, окружающего снаружи несущий стержень, по меньшей мере, одного дополнительного металлического неохлаждаемого теплового экрана, расположенного в пространстве между оболочкой и охлаждаемым тепловым экраном, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один дополнительный неохлаждаемый тепловой экран выполнен в виде упорядоченной совокупности соприкасающихся опорных высокотемпературных теплоизолирующих силовых элементов - "катков", плотно заполняющих, по меньшей мере, одним слоем пространство между керамической оболочкой и металлическим охлаждаемым тепловым экраном вдоль всей длины лопатки. 2. Перо по п.1, отличающееся тем, что "катки" выполнены в виде цилиндрических роликов, образующие которых ориентированы вдоль образующей цилиндрической оболочки. 3. Перо по п. 1, отличающееся тем, что "катки" выполнены в виде конических роликов, образующие которых ориентированы вдоль образующей конической оболочки. 4. Перо по п.1, отличающееся тем, что "катки" выполнены в виде шариков, совокупность которых ориентирована вдоль образующей закрученной поверхности оболочки. 5. Перо по п.1, отличающееся тем, что "катки" выполнены полыми - с двойными стенками. 6. Перо по п. 1, отличающееся тем, что "катки" выполнены в виде автономных сосудов Дьюара. 7. Перо по п.1, отличающееся тем, что "катки" изготовлены по меньшей мере из одного из следующих материалов термопрочных конструкционной керамики и композитов (ККМ), огнеупоров, фарфора, кварцевого стекла, тугоплавких металлов, жаропрочных сплавов, углеграфитов и углекомпозитов. 8. Перо по п.1, отличающееся тем, что по меньшей мере один "каток" изготовлен из материала, отличного от материала остальных "катков". 9. Перо по п.1, отличающееся тем, что по меньшей мере один "каток" выполнен с большим наружным диаметром по сравнению с наружными диаметрами остальных "катков". 10. Перо по п.1, отличающееся тем, что по крайней мере одна поверхность "катка" покрыта "зеркальным" слоем, материал которого при рабочей температуре имеет малый коэффициент поглощения полного излучения (степень черноты).