Охлаждаемая лопатка газовой турбины
COOLABLE GAS TURBINE BLADE

Изобретение относится к области турбостроения, а именно к охлаждаемой лопатке газовой турбины. Предназначено преимущественно для работы в областях высоких температур.
Известна охлаждаемая лопатка соплового аппарата газотурбинного двигателя по авторскому свидетельству №886535 (SU), содержащая полое перо, снабженное по крайней мере одной полкой, стенки пера выполнены с утолщением на участке, примыкающем к полке и имеют длину составляющую 0.25-0.3 от хорды лопатки и максимальную толщину стенки не менее 0.2 от максимальной толщины профиля.
Известна охлаждаемая лопатка турбины по патенту на полезную модель №103571 (RU) содержащая перо, включающее входную кромку второго ряда охлаждающих каналов, выходы на которых расположены на входной кромке в шахматном порядке, при этом оси каналов наклонены относительно оси пера, а выходы каналов каждого ряда направлены в сторону каналов другого ряда.
Недостатками указанных аналогов является низкая рабочая температура лопатки, что приводит к ограничению температуры газа перед турбиной.
Ближайшим аналогом заявляемого изобретения является охлаждаемая лопатка газовой турбины, описанная в пособии «Особенности конструкции узлов и систем авиационных двигателей и энергетических установок» (Трянов А.Е., учеб. пособие / А.Е. Трянов. - Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2011. - 202 с.). включающая в свой состав перо лопатки, полку, внутри которой проделаны сквозные охлаждающие каналы, расположенные вдоль оси лопатки.
Ближайший аналог работает следующим образом. При работе газовой турбины происходит нагрев лопатки. Одновременно, от компрессора в каналы охлаждения лопатки подводится воздух, который проходит сквозь каналы, забирая с собой тепло нагрева и далее выбрасывается через отверстие в поток рабочего тела. Недостатком ближайшего аналога является низкий уровень воспринимаемого теплового потока нагрева лопатки, что является следствием низкой рабочей температуры лопатки и недостаточной эффективности воздушной системы охлаждения с указанными каналами.
Техническая задача, вытекающая из критики аналогов и прототипа, является увеличение воспринимаемого теплового потока нагрева лопатки.
-3
3
Указанная техническая задача решается тем, что охлаждаемая лопатка газовой турбины включает в своем составе перо лопатки с проделанным в лопатке газовой турбины сквозным охлаждающим каналом, при этом на внутренней поверхности пера лопатки нанесен эмиссионный слой, на расстоянии от эмиссионного слоя располагается элемент - анод, анод при этом состоит из обращенного к эмиссионному слою слоя восприятия электронов и жаропрочной подложки анода, причем расстояние между любой точкой эмиссионного слоя и любой точкой слоя восприятия электронов больше нуля при любом сочетании механических и тепловых нагрузок, действующих на перо лопатки при работе, внутри жаропрочной подложки анода сформирован канал охлаждения, а полость, образованная эмиссионным слоем и слоем восприятия электронов, вакуумирована и герметизирована, в этой полости располагаются дистанцирующие элементы, выполненные из жаропрочного электронепроводящего материала, жаропрочная подложка анода находится в электрическом контакте с пером лопатки, при этом внутри полости, образованной эмиссионным слоем и слоем восприятия электронов, располагается легкоионизируемый химический элемент, причем количество легкоионизируемого химического элемента определяется величиной давления паров в полости, образованной эмиссионным слоем и слоем восприятия электронов, обеспечивающим заданную плотность тока эмиссии и термоэмиссионного охлаждения при заданных рабочих температурах эмиссионного слоя. Количество цезия или бария в полости, образованной эмиссионным слоем и слоем восприятия электронов, такое, какое обеспечивает давление паров цезия и (или) бария в диапазоне 10-10 Па. В этой полости располагаются дистанцирующие элементы, выполненные из жаропрочного электронепроводящего материала. Дистанцирующие элементы предназначены для поддержания заданной величины межэлектродного зазора.
Технический эффект, достигаемый в результате реализации заявляемого изобретения, заключается в увеличении воспринимаемого теплового потока нагрева лопатки за счет обеспечения термоэмиссионного охлаждения пера лопатки и эмиссионного слоя. Кроме того, за счет интенсивного теплоотвода (экспоненциально зависимого от температуры) с эмиссионного слоя при термоэлектронной эмиссии происходит снижение температурных градиентов по конструкции лопатки, снижение температурных напряжений и деформаций, что также позволяет увеличить воспринимаемый тепловой поток нагрева лопатки. Работу выхода электронов эмиссионного слоя и слоя восприятия электронов анода можно подобрать таким образом, чтобы обеспечить непрерывную термоэлектронную эмиссию и электронное охлаждение.
В этом случае, происходит перенос тепла с более механически и термически нагруженной пера лопатки (обращенной к потоку рабочего газа) на оболочку, существенно менее нагруженную (не взаимодействующую с потоком рабочего газа), отвод тепла от которой менее проблематичен. Например, в данном случае появляется возможность изготавливать анод со сложной системой каналов охлаждения воздухом методами аддитивных технологий.
На данной основе появляется возможность повысить КПД ГТУ путем увеличения температуры газа перед турбиной.
Уменьшается негативное воздействие нештатных ситуаций, например, связанных с забросом давления или температуры газа перед турбиной за счет того, что при относительно небольшом изменении температуры лопатки происходит существенное увеличение термоэмиссионного охлаждения, причем без задержек и с нулевой инерцией. Так, при местном увеличении температуры лопатки с термоэмиссионным охлаждением на 100°С, термоэмиссионное охлаждение может этой области быть увеличено на 100-200%.
Заявляемое устройство представлено на фиг. 1 и включает в своем составе:
1 - перо лопатки;
2 - эмиссионный слой;
3 - слой восприятия электронов;
4 - жаропрочная подложка анода;
5 - легкоионизируемый элемент;
6 - канал движения воздуха;
7 - дистанцирующие элементы.
Перо лопатки 1 предназначено для преобразования тепловой энергии сгорания горючего в механическую работу. Эмиссионный слой 2 предназначен для обеспечения высокой эмиссии электронов при нагреве. Слой восприятия электронов 3 предназначен для восприятия электронов, вышедших с эмиссионного слоя. Жаропрочная подложка анода 4 предназначена для прохождения электронов от анода к катоду. Жаропрочная подложка 4 находится в электрическом контакте с пером лопатки 1 и эмиссионным слоем 2, представляющих собой катод. Легкоионизируемый химический элемент 5, например, цезий предназначен для того, чтобы при нагреве обеспечить присутствие паров легкоионизируемого химического элемента в межэлектронном промежутке, который, адсорбируясь на внутренней поверхности охлаждаемой лопатки, снижает работу выхода этой поверхности. Кроме того, при частичной ионизации компенсирует пространственный заряд электронов. Канал движения воздуха 6 предназначен для циркуляции охлаждающего воздуха и охлаждения анода. Дистанцирующие элементы 7 предназначены для поддержания заданной величины межэлектродного зазора.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
-3
3
При работе газовой турбины происходит нагревание пера лопатки 1 и эмиссионного слоя 2. При этом происходит испарение легкоионизируемого химического элемента 5, например, цезия. Количество легкоионизируемого химического элемента 5 определяется величиной давления паров в полости, образованной эмиссионным слоем и слоем восприятия электронов, обеспечивающей заданную плотность тока эмиссии и термоэмиссионное охлаждение при заданных рабочих температурах эмиссионного слоя 2 и слоя восприятия электронов 3, размере полости, образованной эмиссионным слоем и слоем восприятия электронов (что определяется рабочими процессами заданной газовой турбины). Количество цезия или бария в полости, образованной эмиссионным слоем и слоем восприятия электронов, такое, какое обеспечивает давление паров цезия и (или) бария в диапазоне 10-10 Па. Дистанцирующие элементы 7 препятствуют температурному расширению материалов эмиссионного слоя 2 и слоя восприятия электронов 3 и их замыканию. Одновременно, из эмиссионного слоя 2 начинают выходить электроны и забирать с собой тепло. В результате перо лопатки 1 охлаждается. Кроме того, за счет почти экспоненциальной зависимости термоэлектронной эмиссии и термоэмиссионного охлаждения от температуры происходит уменьшение температурных градиентов и температурных напряжений в пере лопатки 1, что повышает надежность и долговечность лопатки.
При термоэмиссии электронов пары легкоионизируемого химического элемента 5, например, цезия, частично ионизируются, компенсируя тем самым пространственный заряд электронов, что обеспечивает высокую интенсивность термоэлектронной эмиссии и термоэмиссионного охлаждения с внутренней поверхности.
Далее электроны попадают на слой восприятия электронов 3, в результате происходит нагрев слоя восприятия электронов 3 и жаропрочной подложки анода 4. Воздух, циркулирующий в канале охлаждения 6, снимает тепло с анода, обеспечивая тем самым поддержание разности температур между эмиссионным слоем 2 и слоем восприятия электронов 3. Это приводит к релаксации (охлаждению) «горячих» электронов на кристаллической решетке слоя восприятия электронов 3. За счет контактной разницы потенциалов между эмиссионным слоем 2 и слоем восприятия электронов 3 обеспечивается направленное движение электронов от слоя восприятия электронов 3 к эмиссионному слою 2.
После слоя восприятия электронов 3, «остывшие» электроны эмиссии попадают в жаропрочную подложку анода 4, в перо лопатки 1 и далее в эмиссионный слой 2 и цикл охлаждения (и выравнивания поля температур) повторяется заново.
Таким образом, решается указанная техническая задача и достигается технический результат, который заключается в увеличение воспринимаемого теплового потока нагрева лопатки за счет обеспечения термоэмиссионного охлаждения лопатки. Кроме того, за счет интенсивного теплоотвода (экспоненциально зависимого от температуры) с эмиссионного слоя при термоэлектронной эмиссии происходит снижение температурных градиентов по конструкции лопатки, снижение температурных напряжений и деформаций, что также позволяет увеличить воспринимаемый тепловой поток нагрева лопатки. В этом случае происходит разгрузка пера лопатки от температурных напряжений за счет переноса тепла на анод, который не подвержен механическому воздействию набегающего потока продуктов горения. При этом, появляется возможность изготавливать анод со сложной ажурной системой каналов охлаждения методами аддитивных технологий, повышая тем самым эффективность теплосъема.
Кроме того, уменьшается чувствительность лопатки турбины к тепловым ударам, нештатному изменению теплового нагрева за счет близкой к экспоненциальной зависимости термоэлектронной эмиссии и термоэмиссионного охлаждения от температуры. В этом случае, при относительно небольшом изменении температуры происходит существенное изменение величины, отводимой электронами эмиссии тепловой энергии (примерно на 100-200%), причем практически безынерционно (характерное время электронных процессов на порядки меньше характерного времени газодинамических процессов).
Таким образом, происходит увеличение воспринимаемого теплового потока нагрева лопатки за счет обеспечения термоэмиссионного охлаждения лопатки. С другой стороны, появляется возможность создавать сложную систему каналов воздушного охлаждения в ненагруженном набегающим потоком элементе - аноде за счет применения аддитивных технологий, обеспечивая тем самым большую эффективность теплосъема с лопатки в целом. Все это в комплексе позволяет увеличить воспринимаемый тепловой потока нагрева лопатки и на данной основе повысить КПД ГТУ в целом.