Охлаждаемая лопатка газовой турбины
COOLED BLADE OF GAS TURBINE

Изобретение относится к турбиностроению, в частности к охлаждаемым лопаткам газовой турбины, предназначенным преимущественно для работы в области высоких температур.
В газовых турбинах газ проходит через сопловые и рабочие решетки, при этом газ может иметь температуру, близкую или даже превышающую точку плавления материала лопатки. Внутреннее охлаждение лопаток турбин реализуется в виде системы открытого и закрытого типов [1]. Первые системы охлаждения лопаток открытого типа обеспечивали при начальной температуре рабочего газа 1079°С и расходе охлаждающего воздуха около 2% от общего расхода воздуха через компрессор снижение температуры лопатки на 220°С. Наряду с использованием продольного и поперечного движения охладителя в лопатках открытого типа нашли применение способы пленочного и пористого охлаждения. Применение лопаток с конвективным пленочным воздушным охлаждением позволяет существенно снизить температуру на поверхности лопаток при относительном расходе воздуха на охлаждение 1,5-2% [2]. При этом следует учитывать, что отбор даже 1% воздуха из компрессора на охлаждение проточной части турбины с температурой газа 1300…1500 К приводит к повышению расхода топлива агрегатом приблизительно 0,6% [3], что снижает эффективность работы турбины.
Известна охлаждаемая лопатка газовой турбины, содержащая полое перо, входная часть которого имеет в зоне кромки, на спинке и корыте отверстия и размещенные в полости пера поперечные перегородки, разделяющие лопатку на ряд отдельных полостей, подключенных к источнику охлаждающей среды [4]. При этом в полости входной части дополнительно установлены продольные перегородки, образующие со спинкой и корытом каналы, изолированные от упомянутой полости, и соединительные отверстия на спинке и корыте с одной из последующих полостей ряда.
Недостатком данной охлаждаемой лопатки газовой турбины является невозможность регулирования подачи охлаждающего воздуха, что снижает эффективность работы турбины на переходных режимах.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является компонент газовой турбины, содержащий лопатку с корытом, спинкой, входной и выходной кромками и охлаждающим каналом [5]. Лопатка имеет перегородки с дефлекторами, на поверхности лопатки выполнены отверстия для подачи охлаждающего воздуха. В охлаждающем канале установлена вставка в виде цилиндрического поворотного клапана, позволяющего обеспечивать работу лопатки в режиме пленочного (при высокой температуре лопатки) и беспленочного охлаждения (переменные режимы работы турбин).
Недостатком этого устройства является невозможность автоматического регулирования подачи охлаждающего воздуха к лопатке и перехода с пленочного на беспленочное охлаждение кромок лопатки, что снижает эффективность работы турбины на переходных режимах ее работы.
В прототипе [5] предлагается приводить в действие поворотный клапан вручную или посредством внешних гидравлических, пневматических или электрических устройств.
Целью изобретения является повышение эффективности турбины при ее работе на переменных режимах за счет автоматического регулирования типа и интенсивности охлаждения.
Поставленная цель достигается в охлаждаемой лопатке газовой турбины, содержащей корпус лопатки с входным отверстием, корытом, спинкой, входной и выходной кромками, охлаждающим каналом с перегородками, при этом на поверхности лопатки выполнены отверстия для подачи охлаждающего воздуха, а в охлаждающем канале установлена вставка в виде цилиндрического поворотного клапана.
Новым в охлаждаемой лопатке газовой турбины является установка во входном отверстии лепесткового клапана из материала, обладающего эффектом памяти формы, а также снабжение цилиндрического поворотного клапана поворотной составной осью, закрепленной одним концом в корпусе лопатки, а другим концом соединенным с цилиндрическим поворотным клапаном. При этом поворотная составная ось состоит из секций и выполнена из материала, обладающего эффектом памяти формы. В качестве материала, обладающего эффектом памяти формы, могут быть использованы сплавы на основе железа и никеля.
На фиг. 1 представлен продольный разрез предлагаемой охлаждаемой лопатки газовой турбины, на фиг. 2 - поперечный разрез А-А на фиг. 1, на фиг. 3, 4, 5 - сечения В-В на фиг. 1 цилиндрического поворотного клапана в трех его положениях, а на фиг. 6 (выноска I) - положение лепесткового клапана при высокой температуре лопатки.
Охлаждаемая лопатка газовой турбины содержит корпус 1 с входным отверстием 2, корытом 3, спинкой 4, входной 5 и выходной 6 кромками, охлаждающим каналом 7, перегородками 8 и дефлекторами 9. На поверхности лопатки выполнены отверстия 10 для подачи охлаждающего воздуха, а во входном отверстии 2 установлено основание 11 с лепестковым клапаном 12, выполненным из материала, обладающего эффектом памяти формы. В охлаждающем канале 7 установлен цилиндрический поворотный клапан 13. При этом цилиндрический поворотный клапан 13 снабжен поворотной составной осью 14, закрепленной одним концом в корпусе 1 лопатки, а другим концом соединенной со цилиндрический поворотный клапан 13, причем поворотная составная ось 14 состоит из секций 15, 16 и выполнена из материала, обладающего эффектом памяти формы. Детали, изготовленной из такого материала, при температуре выше температуры мартенситного превращения придают определенную форму, а затем охлаждают до температуры ниже температуры мартенситного превращения и деформируют при этой температуре с целью получения какой-либо другой формы [6]. При последующем нагреве до температуры выше температуры обратного превращения деталь принимает исходную форму. При циклических изменениях температуры происходит многократное изменение формы.
Охлаждаемая лопатка газовой турбины работает следующим образом.
При запуске газовой турбины и ее работе на переходных режимах температура лопатки невелика, лепестковый клапан 12 находится в закрытом состоянии (фиг. 1) частично перекрывая входное отверстие 2, ограничивая этим количество подаваемого охлаждаемого воздуха из компрессора турбины. В процессе прогрева корпуса 1 лопатки нагревается основание 11 лепесткового клапана и сам лепестковый клапан 12, в его материале происходит обратное мартенситное превращение, и лепестковый клапан 12 открывается занимает положение, показанное на фиг. 6, и открывает входное отверстие 2, увеличивая расход охлаждающего воздуха. При этом цилиндрический поворотный клапан 13 занимает положение в соответствии с фиг. 3 и перекрывает подачу охлаждающего воздуха в отверстия 10. В процессе дальнейшего прогрева корпуса 1 лопатки происходит нагрев поворотной составной оси 14 и секций 15, 16 поворотной составной оси. Каждая секция изготавливается из своего материала, обратное мартенситное превращение в котором происходит при определенной последовательно возрастающей температуре. В секциях 15, 16, выполненных из материала, обладающего эффектом памяти формы, обратное мартенситное превращение происходит последовательно по мере роста температуры. На фиг. 4 показано положение цилиндрического поворотного клапана 13 после поворота секции 15 поворотной составной оси 14, обеспечивающие частичную подачу охлаждающего воздуха через отверстия 10. Дальнейшее повышение температуры корпуса 1 приведет к обратному мартенсит-ному превращению уже в обоих секциях 15, 16, что обеспечит дальнейший поворот цилиндрического поворотного клапана 13 и максимальную подачу охлаждающего воздуха через отверстия 10 (фиг. 5).
При снижении нагрузки турбины и ее работе на частичных нагрузках вследствие снижения температуры рабочей среды и температуры корпуса 1 лопатки поворотная составная ось 14 поворачивается в обратном направлении вследствие прямого мартенситного превращения в материалах секций 15, 16 поворотной составной оси 14.
При дальнейшем снижении нагрузки турбины на частичных нагрузках или ее остановке в материале лепесткового клапана 12 происходит прямое мартенситное превращение и лепестковый клапан 12 закрывается (фиг. 1), уменьшая расход охлаждающего воздуха через входное отверстие 2.
В дальнейшем цикл работы охлаждаемой лопатки газовой турбины повторяется.
В качестве материала, обладающего эффектом памяти формы, могут быть использованы сплавы на основе железа и никеля [6], у которых наблюдается высокое значение температуры мартенситного превращения. Кроме того, сплавы, обладающие свойствами мартенситного превращения, имеют высокие демпфирующие свойства. Поэтому использование в охлаждаемой лопатке газовой турбины элементов из материалов с эффектом памяти формы обеспечит снижение вибрации лопаток при эксплуатации турбины.
Использование предлагаемого технического решения повышает эффективность работы турбины при ее работе на переменных режимах благодаря снижению расхода подаваемого компрессором охлаждающего воздуха.
При этом охлаждение каждой из лопаток зависит от температурных условий ее работы и регулируется автоматически без внешнего воздействия.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Газотурбинные установки. Конструкция и расчет: Справочное пособие / Под общ. ред. Л.В. Арсеньева и В.Г. Тырышкина. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние 1978 - 232 с.
2. Стационарные газотурбинные установки / Л.В. Арсеньев, В.Г. Тырышкин, И.А. Богов и др.: Под ред. Л.В. Арсеньева и В.Г. Тырышкина. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние 1989 - 543 с.
3. A.M. Дроконов. Оптимизация расхода охлаждающего воздуха в ГТД. // Совершенствование транспортных машин [Текст] + [Электронный ресурс]: сб. науч. тр. / под ред. В.В. Рогалева. - Брянск: БГТУ, 2018 - с. 147…151.
4. А.с. 1152289 ССР, МПК F01D 5/18. Охлаждаемая лопатка газовой турбины / В.М. Брегман, В.А. Мальков (СССР) - заявка 833532826/06, 07.01.1983.
5. Патент 2268763, МПК F01D 5/18. Компонент газовой турбины / Й. Фербер, П.В. Лалетин; патентообладатель «Альстом Технолоджи ЛТД (СН)» - №2014103219/06; заявл. 30.01.2014; опубл. 10.08.2015, бюл №22.
6. Применение эффекта памяти формы в современном машиностроении.
С. Тихонов, А.П. Герасимов, И.И. Прохорова. - М.: Машиностроение, 1981. - 80 с.