Устройство охлаждения лопаток турбины газотурбинной установки
Устройство охлаждения лопаток турбины газотурбинной установки
Полезная модель относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано при создании авиационной и ракетно-космической техники, а объектах атомной энергетики и судостроения, а также в областях, где требуется турбомашиное преобразование энергии.
Устройство охлаждения лопаток турбины газотурбинной установки (ГТУ) включающее сопловые и рабочие лопатки с элементами их подключения к системе охлаждения, которая представляет собой электропроводящую схему соединяющую анод и катод, причем катод выполнен в виде нанесенного на поверхность лопаток эмиссионного слоя из электропроводящего материала, характеризующегося низкой работой выхода электронов при нагреве, а анод - в виде выполненного из электропроводящего материала элемента воспринимающего электроны из потока рабочего тела, при этом в электропроводящей схеме между анодом и катодом электрически последовательно располагаются токовывод, электрическая нагрузка, рабочие или сопловые лопатки также выполненные из электропроводящего материала, причем анод, располагается через слой электроизоляции на внутренней стенке корпуса ГТУ, а снаружи стенки корпуса ГТУ, напротив места установки анода в тепловом контакте с ним через стенку корпуса ГТУ установлен охлаждающий элемент с каналами циркуляции охлаждающего вещества, подключенный к компрессору ГТУ. Эмиссионный слой и анод выполнены из диоксида тория (Tr2O) или гексаборида лантала (LaB 6).
Технический эффект, достигаемый в результате применения заявляемой полезной модели, состоит в том, что за счет отвода тепловой энергии электронами при термоэлектронной эмиссии обеспечивается снижение температуры рабочих и сопловых лопаток турбины при одновременном повышении температуры рабочего тепла перед турбиной. При этом происходит преобразование части этой тепловой энергии в электрическую энергию. В результате повышается КПД ГТУ в целом.
Например, расчеты показывают, что при рабочей температуре лопаток на уровне 1600-2100К появляется возможность повысить температуру рабочего тела перед турбиной до величины порядка 2700К. А отсутствие в конструкции сопловых и рабочих лопаток заявляемой ГТУ каналов для циркуляции охлаждающих веществ и отверстий для вывода этих веществ в поток рабочего тела, приводит к повышению надежности этих лопаток, снижению сложности и стоимости их изготовления, что повышает надежность и снижает стоимость ГТУ в целом. 1 н.п., ф-лы
Полезная модель относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано при создании авиационной и ракетно-космической техники, в объектах атомной энергетики и судостроения, а также в областях, где требуется турбомашиное преобразование энергии.
В настоящее время при создании газотурбинных установок (ГТУ) предполагается существенное увеличение температуры рабочего тела перед турбиной, что приведет к повышению КПД ГТУ, а значит и к экономии топлива. Поэтому необходимо разработка лопаток турбины, способных сохранять работоспособность при температурах порядка 1800К. Для этого предполагается использовать сплавы и композиционные материалы на основе ниобия. Необходимость поддержания температуры лопаток на уровне 1800К и одновременном увеличении температуры рабочего тела перед турбиной приводит к необходимости отвода от лопаток большого количества тепловой энергии. Однако, существующие способы отвода тепловой энергии нагрева лопаток предполагают наличие в них специальных каналов для циркуляции теплоносителя и отверстий для вывода этого теплоносителя в газовый высокотемпературный поток рабочего тела, что приводит к усложнению конструкции лопаток и вала турбины, и, как следствие к снижению надежности и увеличению стоимости и сложности изготовления лопаток и ГТУ в целом. Поэтому необходим поиск новых методов отвода тепла от высокотемпературных лопаток турбины, обеспечивающих высокий уровень надежности, а также невысокую сложность и стоимость изготовления этих лопаток.
Известно «УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНВЕКТИВНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ТУРБИНЫ» по патенту RU 
2009331, которое включает перфорированный элемент, выполненный в виде пластины, ребра и штыри, кромками контактирующих с пластиной, при этом охлаждающий тракт выполнен высотой, уменьшающейся по ходу движения охлаждающей среды.
Известно «УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ» по патенту SU 1453987, которое содержит выполненные в ободе диска отверстия для прохода охлаждающей среды, сообщенные с каналами лопаток, и направляющий аппарат предварительной закрутки по меньшей мере с двумя группами лопаток, межлопаточные каналы каждой из которых подключены индивидуально трубопроводом с регулятором к источнику охлаждающей среды, отличающееся тем, что, с целью повышения экономичности, лопатки одной группы имеют угол выхода в 4-5 раз больший, чем у лопаток другой группы, а входные участки отверстий наклонены в сторону направляющего аппарата.
Известно «УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ РОТОРА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ» по патенту RU 2443869, которое содержит пневмопроводы, холодильник, охлаждаемые рабочие лопатки с автономными охлаждающими системами входной кромки и пера лопатки, соединенными с каналами в хвостовике, кольцевое закручивающее пневматическое устройство, лабиринтные уплотнения и кольцевые полости. Одна из кольцевых полостей образована статором и роторной частью между компрессором и турбиной, а другая - покрывным диском и диском рабочего колеса. Проточная часть за компрессором пневмопроводом соединена с пневматическим входом холодильника. Пневматический выход холодильника соединен с кольцевой надроторной полостью между компрессором и турбиной, которая в районе турбины имеет лабиринтное уплотнение с увеличенным зазором, за которым в покрывном диске расположен ряд отверстий. Отверстия соединены с входом в телескопические трубчатые пневмопроводы, выход каждого из которых соединен с входным патрубком канала системы охлаждения входной кромки охлаждаемой рабочей лопатки турбины. Пневматический выход холодильника соединен с кольцевым закручивающим пневматическим устройством, напротив выхода из которого в покрывном диске расположен ряд отверстий с выходом в кольцевую полость, которая соединена с располагаемыми в хвостовиках лопаток продольными каналами системы охлаждения пера рабочей лопатки турбины.
Недостатком аналогов является наличие сложной системы охлаждения лопаток турбины, которая заключается в том, что в лопатках и других элементах турбины (вал, ротор) выполнены каналы, по которым циркулируют охлаждающие вещества, например, воздух. Это приводит к увеличению сложности изготовления лопаток турбины, к снижению их надежности и надежности ГТУ в целом.
Ближайшим по технической сущности к заявляемой полезной модели, принимаемому за прототип, является устройство системы охлаждения лопаток ГТУ, описанное в патенте RU 2387845 «Газотурбинная установка», которое включает систему отбора от компрессора и подачи охлаждающего газа, каналы охлаждения и отверстия для выпуска газа в межлопаточное пространство турбины, которыми снабжаются сопловые и рабочие лопатки турбины ГТУ. Часть отверстий для выпуска газа через поверхность рабочей лопатки в межлопаточное пространство, расположенных на вогнутой поверхности лопатки, выполнена в виде проницаемых вставок с совокупностью отверстий.
Устройство системы охлаждения по прототипу работает следующим образом.
В момент, когда компрессор ГТУ начинает нагнетать рабочее тело к источнику тепловой энергии (камере сгорания) в компрессоре отбирается часть поступающего воздуха и через отверстия во вращающемся валу поступает в его внутреннюю полость, подходит к сопловым и рабочим лопаткам. Проходя через рабочие лопатки, воздух охлаждает их, после чего направляется к проницаемым вставкам и через них выдувается в виде плоской дозвуковой струи в основной высокотемпературный высокоскоростной газовый поток рабочего тела, протекающий в межлопаточном пространстве.
Недостатком прототипа является наличие сложной системы каналов в лопатках и в валу, что приводит к увеличению сложности изготовления лопаток и, следовательно, снижению надежности ГТУ.
Технической задачей, вытекающей из современного уровня науки и техники является повышение надежности лопаток турбины в условиях взаимодействия с высокотемпературным потоком рабочего тела за счет организации отвода тепловой энергии от лопаток турбины, с помощью других типов теплоносителей, например, электронов при термоэлектронной эмиссии, и упрощение устройства лопаток турбины с одновременным повышением на этой основе КПД ГТУ посредством увеличения температуры рабочего тела перед турбиной и преобразования части тепловой энергии нагрева лопаток турбины в электрическую энергию.
Указанная техническая задача решается тем, что рабочие и сопловые лопатки турбины выполняются из электропроводящего материала с высокой температурой плавления, например, сплавов на основе ниобия, и на их поверхность нанесен слой из электропроводящего материала, характеризующийся низкой работой выхода электронов при нагреве, например, диоксид тория (TrO2) или гексаборид лантала (LaB6). Эмиссионный слой обеспечивает эмиссию "горячих" электронов в рабочее тело, движущееся от источника тепловой энергии и обтекающее лопатки турбины. Лопатки турбины и эмиссионный слой в данном случае образуют катод. В ГТУ с заявляемым устройством охлаждения лопаток турбины между источником тепловой энергии и холодильником (или выходным отверстием незамкнутой ГТУ) располагается элемент - анод из электропроводящего материала, например, диоксида тория (TrO2) или гексаборида лантала (LaB6). Анод предназначен для восприятия всех электронов эмиссии из рабочего тела, эмитированных в рабочее тело с эмиссионного слоя лопаток турбины. Анод располагается на внутренней стенке корпуса ГТУ между источником тепловой энергии и холодильником. Форма и место расположения анода подбираются так, чтобы обеспечить
попадание на анод всех электронов эмиссии из обтекающего его высокотемпературного потока рабочего тела. Анод в данном случае может быть выполнен в виде сетки или группы сеток. Анод электрически связан с катодом, образуя электрическую цепь. Для вывода электронов с анода используется токовывод. Между анодом и катодом в указанной электрической цепи последовательно располагается токовывод и электрическая нагрузка, где «горячие» электроны эмиссии совершают полезную работу. При этом электроны «охлаждаются», поскольку, совершая полезную работу в электрической нагрузке, электроны затрачивают ту энергию, которую они получили в нагреваемых лопатках турбины. Часть тепловой энергии нагрева лопаток турбины, унесенной электронами при термоэлектронной эмиссии с эмиссионного слоя, тратится на совершение полезной электрической работы в электрической нагрузке. То есть часть тепловой энергии нагрева лопаток турбины преобразуется в электрическую энергию. Это в целом приводит к повышению КПД ГТУ.
Для поддержания направленного движения электронов от анода к катоду в электрической цепи температуру анода необходимо поддерживать на уровне ниже температуры катода. Для этого анод располагается в тепловом контакте через слой электроизоляции, с системой охлаждения анода, подключенной к компрессору ГТУ, через каналы которой пропускают охлаждающее вещество, например, воздух.
В целом сущность заявляемой полезной модели состоит в разработке потенциально новой системы электронного охлаждения лопаток широкого класса ГТУ, применяемых в промышленных и оборонных областях.
Единым техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемой полезной модели является снижение температуры лопаток турбины за счет организации отвода тепловой энергии электронами при термоэлектронной эмиссии в высокотемпературный высокоскоростной поток рабочего тела. Вследствие этого не требуется устройства в лопатках турбины каналов и отверстий для прохождения охлаждающих веществ, например, воздуха, что приводит к повышению надежности, а также к снижению сложности и стоимости изготовления лопаток турбины. При этом часть тепла нагрева лопаток преобразуется в электрическую энергию, вследствие чего появляется возможность увеличить температуру рабочего тела перед турбиной, что означает повышение КПД заявляемым ГТУ по сравнению с аналогами и прототипом.
На фиг. 1 в разрезе представлена ГТУ, оснащенная заявляемым устройством охлаждения лопаток турбины.
Представленная на фиг. 1 ГТУ имеет в своем составе следующие элементы: 1 - стартер, 2 - компрессор, 3 - источник тепловой энергии, 4 - сопловые лопатки турбины, 5 - рабочие лопатки турбины,, 6 - эмиссионный слой, 7 - анод, 8 - токовывод, 9 - электроизоляция анода, 10 - проточная система охлаждения, 11 - каналы системы охлаждения анода, 12 - корпус ГТУ, 13 - полезная электрическая нагрузка, 14 - токосъем, 15 - вал турбины, 16 - ротор турбины, 17 - холодильник, 18 - электроизоляция сопловых лопаток, 19 - электропроводящая подложка статора.
Устройство охлаждения лопаток турбины ГТУ работает следующим образом.
Запуск стартера 1 приводит к вращению компрессора 2, на который начинает подаваться рабочее тело, например, воздух. После компрессора рабочее тело поступает в источник тепловой энергии 3, например, в камеру сгорания или в ядерный реактор. Нагретое до высоких температур в источнике тепловой энергии 3 рабочее тело поступает на сопловые лопатки 4 и рабочие лопатки 5 турбины. При взаимодействии нагретого рабочего тела с рабочими лопатками 4 турбины создается крутящий момент, приложенный к турбине. Часть энергии рабочего тела тратится на раскрутку компрессора 2, а часть - на совершение полезной механической работы, например, на раскрутку ротора электрогенератора. При этом сопловые 4 и рабочие 5 лопатки турбины нагреваются до температур (1600-2100К), при которых с эмиссионного слоя 6 начинают выходить «горячие» электроны. Происходит термоэлектронная эмиссия электронов в высокотемпературный поток рабочего тела. В этом случае электроны эмиссии забирают с собой часть тепловой энергии нагрева рабочих 5 и сопловых 4 лопаток турбины, что приводит к охлаждению этих лопаток. Причем отвод тепла электронами может превышать величину в 1.5МВт/м2, что в совокупности с отводом тепла излучением позволит поднять температуру рабочего тела перед турбиной до уровня порядка 2700К при сохранении температуры лопаток турбины на уровне 1600-2100К. Для сравнения, одна из самых совершенных ГТУ, произведенная компанией Mitsubishi Heavy Industries, имеет температуру рабочего тела перед турбиной на уровне 1900К (см., например,http://www.mhi.co.jp/en/news/story/1105261435.html).
Далее электроны захватываются потоком рабочего тела и начинают перемещаться вместе с ним. Таким образом, вблизи эмиссионного слоя 6 ликвидируется пространственный отрицательный заряд, наличие которого препятствовало бы дальнейшей термоэлектронной эмиссии с эмиссионного слоя 6. Это позволяет иметь высокую плотность тока эмиссии с эмиссионного слоя рабочих 5 и сопловых 4 лопаток турбины, а, следовательно, и более интенсивное охлаждение указанных лопаток.
При движении рабочего тела с электронами эмиссии происходит их восприятие анодом 7, выполненного из электропроводящего материала. Анод 7 (фиг.1) располагается на стенках корпуса ГТУ. Анод 7 в общем случае имеет форму и расположение, обеспечивающее восприятие всех электронов эмиссии из потока рабочего тела ГТУ.
От анода электроны направляются к токовыводу 8, от которого электроны попадают в электрическую нагрузку 13. В электрической нагрузке 13 электроны совершают полезную работу, затрачивая энергию, которая является частью тепловой энергии нагрева лопаток турбины, полученную электронами в сопловых 4 и рабочих 5 лопатках турбины и которую они забрали при термоэлектронной эмиссии с эмиссионного слоя 6. Совершение полезной работы в электрической нагрузке приводит к "охлаждению"
электронов. Таким образом, часть тепловой энергии нагрева сопловых 4 и рабочих 5 лопаток турбины преобразуется в полезную электрическую энергию, что повышает КПД заявляемой ГТУ по сравнению с аналогами и прототипом.
Для поддержания направленного движения от анода 7 к рабочим 4 и сопловым 5 лопаткам турбины и эмиссионному слою 6 (катоду) по электрической цепи температуру анода поддерживают на уровне ниже температуры катода, для чего анод через Слой электроизоляции анода 9 располагается в термическом контакте с проточной системой охлаждения анода 10 с каналами 11 в которых циркулирует охлаждающее вещество, поступающее от компрессора, например, воздух.
После электрической нагрузки 13 «остывшие» электроны через токосъем 14, поступают на вал 15 и далее к ротору 16, рабочим лопаткам 5 и вновь к эмиссионному слою 6. Вал 15 и ротор 16 выполнены из электропроводящего материала. Токосъем 14 может быть механическим, жидкометаллическим или плазменным. Токосъем 14 обеспечивает переход электронов с участка цепи, ведущего от полезной нагрузки 13 на быстровращающийся вал 15.
В случае с сопловыми лопатками 4 после полезной электрической нагрузки 13 электроны поступают в электрическую подложку статора 18 турбины, на сопловые лопатки 4 и эмиссионный слой 6, и цикл охлаждения сопловых лопаток повторяется заново. При этом сопловые лопатки 4 и электрическая подложка статора 18 электроизолируются от корпуса 12 ГТУ посредством электроизоляции 19.
При возвращении «остывших» электронов в эмиссионный слой 6 цикл охлаждения повторяется заново.
Одновременно, рабочее тело после прохождения анода 7 поступает в холодильник 17, от которого направляется на компрессор и цикл работы ГТУ повторяется заново.
Технический эффект, достигаемый в результате применения заявляемой полезной модели состоит в том, что за счет отвода тепловой энергии электронами при термоэлектронной эмиссии обеспечивается снижение температуры рабочих и сопловых лопаток турбины, при одновременном повышении температуры рабочего тепла перед турбиной. Одновременно часть этой тепловой энергии преобразуется в электрическую энергию. В результате повышается КПД ГТУ в целом. Например, расчеты показывают, что при рабочей температуре лопаток на уровне 1600-2100К появляется возможность повысить температуру рабочего тела перед турбиной до величины порядка 2700К. А отсутствие в конструкции сопловых и рабочих лопаток турбины каналов для циркуляции охлаждающих веществ и отверстий для вывода этих веществ в поток рабочего тела, приводит к повышению надежности этих лопаток, снижению сложности и стоимости их изготовления, что повышает надежность и стоимость ГТУ в целом.
Таким образом, благодаря новой совокупности отличительных признаков решаются поставленные задачи и достигается указанный выше технический результат.
Заявляемая система охлаждения лопаток турбины ГТУ, отражает более высокий уровень науки и техники, обладает повышенной надежностью и КПД. Заявляемую ГТУ можно использовать при создании авиационной и ракетно-космической техники, в том числе в двигателестроении, а также на объектах атомной энергетики и судостроении.
Реализация заявляемой ГТУ может быть получена при модернизации существующих ГТУ, причем трудоемкость данной модернизации относительно невелика, поскольку отличительные признаки заявляемой полезной модели могут быть интегрированы в конструкции существующих ГТУ без существенных изменений этих конструкций.
1. Устройство охлаждения лопаток турбины газотурбинной установки (ГТУ), включающее сопловые и рабочие лопатки с элементами их подключения к системе охлаждения, отличающееся тем, что система охлаждения представляет собой электропроводящую схему, соединяющую анод и катод, причем катод выполнен в виде нанесенного на поверхность лопаток эмиссионного слоя из электропроводящего материала, характеризующегося низкой работой выхода электронов при нагреве, а анод - в виде выполненного из электропроводящего материала элемента, воспринимающего электроны из потока рабочего тела, при этом в электропроводящей схеме между анодом и катодом электрически последовательно располагаются токовывод, электрическая нагрузка, рабочие или сопловые лопатки, также выполненные из электропроводящего материала, причем анод располагается через слой электроизоляции на внутренней стенке корпуса ГТУ, а снаружи стенки корпуса ГТУ, напротив места установки анода в тепловом контакте с ним через стенку корпуса ГТУ, установлен охлаждающий элемент с каналами циркуляции охлаждающего вещества, подключенный к компрессору ГТУ.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что эмиссионный слой и анод выполнены из диоксида тория (Tr2O) или гексаборида лантала (LaB6 ).
РИСУНКИ
