СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ НЕСУЩЕГО МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СТЕРЖНЯ КЕРАМИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ РАБОЧЕЙ ЛОПАТКИ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ

Полезная модель относится к энергомашиностроению, в частности, к устройствам охлаждения несущего стержня керамической оболочки рабочей лопатки газовой турбины. Полезная модель может быть использована во всем мощностном спектре газотурбинных двигателей (ГТД) - при экстремально малых и больших значениях мощностей ГТД, в том числе при экстремально высоких температурах газа перед газовой турбиной.
Известна охлаждаемая металлокерамическая рабочая лопатка газовой турбины (Ceramic Gas Turbine Design and Test Experience, Progress in Ceramic Gas Turbine Development / edited by Mark van Roode, Matisson K. Ferber, and David W. Richerson, New York, ASME PRESS, 2002, Volume 1, Chapter 19, pp.430, Figure 19.5), состоящая из металлического несущего стержня, выполненного заодно с хвостовиком лопатки, керамической цилиндрической оболочки, опирающейся своим периферийным сечением в металлическую периферийную полку стержня, при этом в теле стержня и хвостовика выполнены сквозные радиальные сверления, предназначенные для подачи через втулочные сечения сверлений охлаждающего стержень относительно холодного воздуха из нагнетания компрессора, и сбрасываемого подогретым теплопередачей тепла от стержня через периферийные сечения сверлений в проточную часть турбины [1].
В конструкции реализован способ охлаждения стержня путем прокачки части циклового расхода воздуха через радиальные сверления.
Недостатком этого технического решения является то, что подогретый в теле лопатки воздух априори имеет температуру ниже температуры газа перед рабочей лопаткой, что при 1,0-1,5% циклового расхода воздуха, необходимых для приемлемого уровня охлаждения, уменьшает КПД ГТД при прочих равных условиях.
Техническим результатом полезной модели является повышение экономичности газотурбинных двигателей.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в системе охлаждения несущего стержня металлокерамической лопатки газовой турбины, состоящей из профилированной керамической оболочки и выполненного с, по крайней мере, одним радиальным каналом металлического стержня, закрепленного в теле диска газовой турбины в соответствии с предлагаемым исполнением радиальный канал в несущем металлическом стержне выполнен глухим в периферийной части и герметично сообщен с глухим во втулочной части радиальным каналом, выполненным в теле диска с образованием составного радиального канала, заполненного рабочим телом.
Отбор тепла от металлического несущего стержня производится путем теплопередачи от стержня к рабочему телу периферийной части горячей стороны «тепловой трубы», расположенной в теле металлического несущего стержня профилированной керамической оболочки рабочей лопатки газовой турбины, за счет подогрева и испарения до паровой фазы жидкой составляющей рабочего тела периферийной части горячей стороны «тепловой трубы». В полости холодной стороны «тепловой трубы», расположенной в металлическом диске рабочего колеса турбины, осуществляется отбор тепла паровой составляющей рабочего тела с сопутствующими процессами охлаждения и конденсации рабочего тела «тепловой трубы», при этом циркуляция - перемещение жидкой фазы из полости холодной стороны в полость горячей стороны и, соответственно, вытеснение паровой фазы из полости горячей стороны в полость холодной стороны - происходит вследствие перемещения в поле центробежных сил от оси вращения к периферии «тепловой трубы» жидкой фазы рабочего тела вследствие действия на рабочее тело «тепловой трубы» центробежных сил, инициированных вращением ротора газовой турбины.
На фиг.1 изображена система охлаждения металлического несущего стержня 1 с хвостовиком 2 произвольной конструкции для установки несущего стержня в диске 3 газовой турбины. Профильную часть стержня 1 охватывает керамическая оболочка 4, формируя металлокерамическую рабочую лопатку 5.
На периферии несущего стержня 1 выполнена несущая полка 6, на которую в поле центробежных сил упирается периферийными сечениями керамическая оболочка 4.
В несущем металлическом стержне 1 выполнен, по крайней мере, один глухой в периферийной его части радиальный канал 7, герметично сообщенный с глухим во втулочной части радиальным каналом 8, выполненным в теле диска 3. Радиальные каналы 7 и 8 образуют составной радиальный канал - «тепловую трубу», заполненную рабочим телом, термодинамические свойства которого отвечают условию, в основном, парообразного состояния в периферийной части составного канала и, в основном, жидкого состояния во втулочной части составного канала при конкретном поле температур.
Система охлаждения металлического несущего стержня керамической оболочки рабочей лопатки газовой турбины работает следующим образом:
Горячий поток газа, например, из камеры сгорания ГТД, натекает на входную кромку 9 керамической оболочки 4 металлокерамической лопатки 5. При обтекании потоком газа керамической оболочки 4 срабатывается исходная тепловая составляющая - стрелка 10 - потока газа, вследствие чего температура газа в зоне выходной кромки 11 оболочки 4 уменьшается пропорционально теплоперепаду, сработанному в рабочих лопатках 5 турбины. Часть тепла потока газа путем теплоотдачи оболочке 4 и далее от оболочки путем теплоотдачи и передачи тепла излучением передается несущему металлическому стержню 1, откуда частично - стрелка 12 - снимается через контактные поверхности диска 3. Часть тепла от оболочки 4 к стержню 1 передается теплопередачей в месте контакта оболочки с несущей полкой 6 стержня 1.
Для обеспечения длительной прочности стержня 1 температура его понижается путем циркуляции рабочего тела, например натрия, в составном канале. Циркуляция - перенос масс рабочего тела в радиальном направлении двумя встречными потоками - от и к оси 13 вращения диска 3 ГТД обусловлен разностью температур в периферийных зонах составного канала с максимальными температурами, и во втулочных зонах составного канала с минимальными температурами.
Распределение температур по радиусу - рост их от втулки к периферии обусловлен естественным направлением теплопотоков в узле «лопатка - диск». При достаточном соотношении величин и градиентов температур в периферийном сечении составного канала рабочее тело нагревается и полностью или частично испаряется, отбирая тепло от стержня, охлаждая его, а во втулочном сечении составного канала, рабочее тело охлаждается и полностью или частично конденсируется, сбрасывая тепло в сопряженные массы диска. В поле центробежных сил плотная охлажденная жидкая фаза рабочего тела перемещается к периферийной области составного канала, вытесняя менее плотную подогретую газообразную фазу во втулочную область составного канала.
Источники информации:
1. Ceramic Gas Turbine Design and Test Experience, Progress in Ceramic Gas Turbine Development / edited by Mark van Roode, Matisson K. Ferber, and David W. Richerson, New York, ASME PRESS, 2002, Volume 1, Chapter 19, pp.430, Figure 19.5