ТЕПЛОТРУБНЫЙ КОНТУР ОХЛАЖДЕНИЯ ЛОПАТКИ ТУРБИНЫ
HEAT-TUBE COOLING CIRCUIT OF TURBINE BLADE

Предлагаемое изобретение относится к турбостроению и может быть использовано в высокотемпературных турбинах для создания контуров охлаждения лопаток турбин.
Известна лопатка газовой турбины турбомашины, имеющая контур охлаждения, содержащий по меньшей мере одну полость охлаждения вытянутой формы, расположенную в радиальном направлении между хвостовиком лопатки и ее торцом, и по меньшей мере одно впускное отверстие, расположенное в нижнем радиальном конце полости и предназначенное для подачи в нее охлаждающего воздуха. На боковых стенках полости охлаждения по всей ее высоте выполнены турбулизаторы в виде сферических углублений с тангенциальными канавками, расположенными вдоль направления охлаждающего потока, со стороны натекания потока охлаждающего воздуха [Патент РФ №2062886, МПК F01D 5/18, 1996].
Недостатком известного контура охлаждения лопатки является необходимость формирования углублений, снабженных тангенциальными канавками, имеющими специальную ориентацию, и распределенных по всей длине обеих боковых стенок полости лопатки, что существенно усложняет конструкцию и изготовление известной лопатки.
Более близким к предлагаемому изобретению является контур охлаждения лопатки газовой турбины, содержащий по меньшей мере одну полость охлаждения вытянутой формы, расположенную в радиальном направлении между хвостовиком лопатки и ее торцом, и по меньшей мере одно впускное отверстие, расположенное в нижнем радиальном конце полости и предназначенное для подачи в нее охлаждающего воздуха. При этом по меньшей мере одна из стенок полости охлаждения в своей нижней части (примыкающей к хвостовику) снабжена углублениями, обеспечивающими возмущение потока охлаждающего воздуха в указанной полости и увеличение теплообмена. Углубления в полости охлаждения могут иметь максимально простую сферическую или коническую форму без каких-либо дополнительных элементов и могут быть расположены до радиальной высоты, составляющей приблизительно 30% полной радиальной высоты пера лопатки от ее хвостовика до торца [Патент РФ №2062886, МПК F01D 5/18, 1996].
Основным недостатком известного контура охлаждения газовой турбины является невозможность интенсивного охлаждения лопаток турбин высокого давления, в которых температура газов, поступающих из камеры сгорания, значительно превышает уровень, который рабочие лопатки турбины могут выдерживать без повреждения, что приводит к сокращению срока их службы. Этот недостаток обусловлен невозможностью создания достаточного расхода охлаждающего воздуха или достаточно высокой скорости отвода тепла от тела лопатки турбин этим воздухом путем обычного конвективного теплообмена, что снижает эффективность известного контура охлаждения.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности теплотрубного контура охлаждения лопатки турбины.
Технический результат достигается теплотрубным контуром охлаждения турбины, содержащим расположенную в радиальном направлении между хвостовиком и торцом лопатки по крайней мере одну полость охлаждения, стенки которой снабжены размещенными в шахматном порядке, друг против друга, полусферическими углублениями, в которых расположены верхние и нижние полусферы бисферических тепловых трубок, каждая из которых состоит из верхней и нижней сфер, выполненных из термостойкого материала с высокой теплопроводностью, соединенных между собой через отверстие, в котором пропущен транспортный фитиль, выполненный из пористого материала, примыкающий к противоположным участкам внутренних поверхностей верхней и нижней сфер бисферической тепловой трубки, покрытых решеткой, выполненной из полос пористого материала, причем нижняя и верхняя полусферы верхней и нижней сфер бисферических тепловых трубок расположены в полости охлаждения, а поры пористого материала фитиля и решетки заполнены рабочей жидкостью.
Предлагаемый теплотрубный контур охлаждения лопатки турбины (ТТКОЛТ) представлен на фиг 1-4 (на фиг 1, 2 показаны поперечный и продольный разрезы ТТКОЛТ, на фиг.3, 4 - узел бисферической тепловой трубки и его разрез).
ТТКОЛТ содержит расположенные в радиальном направлении между хвостовиком и торцом (на фиг.1-4 не показаны) лопатки 1, по крайней мере одну полость охлаждения 2, соединенную с полостью подвода воздуха и выпускными отверстиями (на фиг.1-4 не показаны), стенки полости охлаждения 2 снабжены размещенными в шахматном порядке, друг против друга, полусферическими углублениями 4 и 5, в которых расположены верхние и нижние полусферы бисферических тепловых трубок 6, каждая из которых состоит из верхней 7 и нижней 8 сфер, выполненных из термостойкого материала с высокой теплопроводностью, соединенных между собой через отверстие 9, через которое пропущен транспортный фитиль 10, выполненный из пористого материала, проходящий по центральной оси бисферической тепловой трубки 6 и примыкающий к противоположным участкам внутренних поверхностей верхней и нижней сфер 7 и 8, покрытых решеткой 11, выполненной из полос пористого материала, причем нижняя и верхняя полусферы верхней 7 и нижней 8 сфер бисферических тепловых трубок 6 расположены в полости охлаждения 2, а поры пористого материала фитиля 10 и решетки 11 заполнены рабочей жидкостью (на фиг.1-4 не показана).
В основе работы предлагаемого ТТКОЛТ лежит высокая эффективность передачи теплоты в тепловых трубах, частично заполненных рабочей жидкостью-переносчиком теплоты, в качестве которой используются вода, спирты, хладоны, металлы и т.д. (по сравнению с обычной передачей тепла конвекцией скорость передачи тепла тепловыми трубками выше на порядки) [В.В. Харитонов и др. Вторичные теплоэнергоресурсы и охрана окружающей среды. - Минск: Выш. школа, 1988, с.106].
Охлаждение лопатки турбины осуществляется следующим образом. Предварительно перед пуском турбины поры пористого материала фитиля 10 и решетки 11 бисферических тепловых трубок 6 и 7 заполняют рабочей жидкостью через питательные капиллярные трубки (на фиг.1-4 не показаны), расположенные в полости охлаждения 2.
При работе турбины тело лопатки 1 в результате контакта с горячими газами нагревается, в связи с чем нагреваются верхняя и нижняя полусферы верхней и нижней сфер 7 и 8 бисферических тепловых трубок 6, расположенных в полусферических углублениях 4 и 5 и примыкающих к телу лопатки 1, которые образуют верхнюю и нижнюю зоны испарения тепловой трубки 6. На внутренней поверхности верхней и нижней полусфер верхней и нижней сфер 7 и 8 бисферических тепловых трубок 6 происходит испарение рабочей жидкости, находящейся в пористом материале решетки 11, которая предотвращает образование паровой пленки на внутренней поверхности стенки сфер 7, 8 и таким образом интенсифицирует процесс испарения [Тепловые трубы и теплообменники: от науки к практике. Сборник научн. тр. - М.: 1990, с.22]. Образовавшийся пар перемещается из верхней и нижней зон испарения (верхняя и нижняя полусферы верхней и нижней сфер 7 и 8) в нижнюю и верхнюю полусферы верхней и нижней сфер 7 и 8, которые образуют верхнюю и нижнюю зоны конденсации, расположенные в полости охлажения 2. В это же время охлаждающий сжатый воздух поступает из полости подвода воздуха (на фиг.1-4 не показана) в полость охлаждения 2 лопатки 1, охлаждает при этом наружную поверхность нижней и верхней полусфер верхней и нижней сфер 7 и 8 (верхнюю и нижнюю зоны конденсации) и воспринимает тепло конденсации поступающего пара, который конденсируется на внутренней поверхности стенок верхней и нижней зон конденсации сфер 7, 8 тепловых трубок 6, после чего нагретый воздух выводится из полости 2 (выпускные отверстия на фиг.1-4 не показаны). Образовавшийся конденсат всасывается пористым материалом решетки 11 верхней и нижней зон конденсации, откуда он транспортным фитилем 10 за счет капиллярных сил транспортируется снова в пористый материал решетки 11 верхней и нижней зон испарения, после чего вышеописанный цикл переноса тепла от материала лопатки 1 к охлаждающему воздуху повторяется. При этом один транспортный фитиль 10 в бисферической тепловой трубке 6 обслуживает две зоны испарения, расположенные в теле лопатки 1, и две зоны конденсации, расположенные в верхней и нижней сторонах полости охлаждения 2. Бисферическая конструкция тепловой трубки 6 позволяет перераспределять расход рабочей жидкости в зависимости от изменения температур на лобовой и тыльной сторонах лопатки 1 и таким образом автоматически регулировать скорость их охлаждения, предотвращая возникновение местных перегревов лопатки 1, ведущих к ее разрушению. Кроме того, конструкция корпуса тепловой трубки в виде двух сфер 7 и 8, сообщающихся между собой, значительно увеличивает поверхность зон испарения и конденсации, что увеличивает площадь и скорость теплопередачи процессов испарения и конденсации и в конечном итоге также повышает эффективность охлаждения лопатки.
Таким образом, конструкция предлагаемого ТТКОЛТ по сравнению с известными контурами охлаждения обеспечивает значительное повышение эффективности охлаждения лопаток турбин высокого давления, работающих в высокотемпературной газовой среде.