Оболочковая лопатка "флокс" турбомашины
Оболочковая лопатка турбомашины состоит из охлаждаемого изнутри полого несущего пера-стержня, неохлаждаемой профильной оболочки, обтекаемой рабочим телом и установленной с образованием зазора между оболочкой и стержнем, по меньшей мере одного экрана, выполненного с размещенными на его поверхности выступами. Один из двух элементов - неохлаждаемая оболочка или экран, установленный в зазоре, выполнен полым в виде профилированной колбы с двойными стенками, из пространства между стенками выкачан воздух. В вакуумированном пространстве свободно установлен по меньшей мере один дополнительный экран, профилированный адекватно двойным стенкам колбы. Зазор между оболочкой и стержнем выполнен герметичным, а на поверхности оболочки, экрана и несущего стержня нанесены защитное и термобарьерное покрытие. Такое выполнение лопатки приводит к повышению КПД и мощности турбомашины. 4 з.п ф-лы, 7 ил.
Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к газотурбостроению.
Известна (1) сопловая лопатка турбомашины, состоящая из охлаждаемого изнутри полого профильного несущего пера-стержня, неохлаждаемой профильной оболочки, обтекаемой рабочим телом и установленной с образованием зазора между оболочкой и стержнем, по меньшей мере одного экрана, выполненного с размещенными на его поверхности выступами. Недостатком такой конструкции является наличие воздуха в герметичном (непроницаемом) зазоре. Воздух попадает в зазор естественным путем из атмосферы при технологической сборке лопатки. Воздух в зазоре, являясь теплоносителем, обусловливает спонтанную (самопроизвольную) передачу теплоты теплопроводностью и конвекцией через пристеночные воздушные слои (2). Исследования показали, что дополнительное количество теплоты, передаваемое теплопроводностью и конвекцией, соизмеримо с количеством теплоты, спонтанно передаваемой через зазор излучением. Наличие дополнительных потоков теплоты через зазор приводит к повышенному расходу охладителя и соответственно к снижению КПД и удельной мощности газотурбинного двигателя ГТД (3). Конструкция (1) принята за прототип. Цель изобретения - устранить дополнительные тепловые потоки через зазор, уменьшить расход охладителя на лопаточный аппарат турбины и таким путем повысить КПД и удельную мощность ГТД. Указанная цель достигается тем, что: во-первых, один из двух элементов оболочковой лопатки турбомашины Флокс - неохлаждаемая оболочка или экран, установленный в зазоре, выполнен полым в виде профилированной колбы с двойными стенками, из пространства между которыми выкачан воздух, а в вакуумированном пространстве свободно установлен по меньшей мере один дополнительный экран, профилированный адекватно двойным стенкам колбы; во-вторых, каждый из двух элементов оболочковой лопатки турбомишаны Флокс - неохлаждаемая оболочка и экран, установленный в зазоре, выполнен по меньшей мере из одного, указанного ниже, материала: конструкционная керамика и композиты, кварцевое стекло, тугоплавкие термостойкие металлические сплавы, углеграфиты и углекомпозиты; в-третьих, по меньшей мере на одну поверхность оболочковой лопатки турбомашины Флокс нанесено термостойкое зеркальное покрытие с малой поглощательной и большой отражательной способностями; в-четвертых, оболочковая лопатка турбомашины Флокс содержит по меньшей мере один компенсатор тепловых расширений; в-пятых, на периферии пера-стержня оболочковой лопатки турбомашины Флокс установлен и закреплен по его периметру охлаждаемый несущий бурт-упор, воспринимающий центробежные силы от собственных масс неохлаждаемой оболочки и экрана, установленного в зазоре, возникающие при вращении оболочковой лопатки. Изобретение поясняется соответствующими конструктивными схемами и графиками, которые представлены в следующем виде: фиг. 1 - оболочковая лопатка турбомашины Флокс, в которой экран, установленный в зазоре, выполнен полым в виде профилированной колбы с двойными стенками; фиг. 2 - оболочковая лопатка турбомашины Флокс, в которой неохлаждаемая оболочка выполнена полой в виде профилированной колбы с двойными стенками; фиг. 3 - поперечный разрез оболочковой лопатки турбомашины Флокс, фиг. 4, соединение А-А фиг. 1, фиг. 5 - сечение Б-Б фиг. 2; фиг. 6 - узел С фиг. 1. фиг. 7 - графики зависимого КПД ГТД от начальной температуры газа Tг, где:1' - график получен авторами применительно к предлагаемым оболочковым лопаткам турбомашины Флокс, фиг. 1 -6,
2' - график получен в (2, С.125, рис. 76 и 77) применительно к обычным охлаждаемым лопаткам турбины;
3' - точка экстремума на графике 2, определяющая предельную начальную температуру газа Tгз и максимально возможный КПД ГТД 3;
4' - текущая точка на графике 1, определяющая при начальной температуре газа Tг4 КПД ГТД 4, который непрерывно и монотонно возрастает при увеличении начальной температуры газа. На фиг. 1 - 6 в обозначено:
1 - неохлаждаемая профильная оболочка;
2 - герметичный зазор между оболочкой 1 и стержнем 6;
3 - профилированная колба с двойными стенками;
4 - поток рабочего тела турбомашины;
5 - вакуумированное пространство внутри колбы 3;
6 - полое профилированное несущее перо-стержень;
7 - поток охладителя - охлаждающего воздуха, водяного пара и др.;
8 - компенсатор тепловых расширений;
9 - охлаждаемый несущий бурт-упор;
10 - дополнительный экран, установленный внутри профилированной колбы 3;
11 - экран, установленный в зазоре 2;
12 - термостойкое зеркальное покрытие с малой поглощательной и большой отражательной способностями. На фиг. 1 - 6 видно, что в зазоре 2, между оболочкой 1 и стержнем 6, свободно установлен экран 11, который в данном случае выполнен полым в виде профилированной колбы с двойными стенками 3, из пространства 5 между которыми выкачан воздух. Оболочка 1 и экран 11 в виде колбы с двойными стенками 3 могут быть выполнены по меньшей мере из одного указанного ниже материала: конструкционной керамики и композитов, кварцевого стекла, тугоплавких и жаропрочных металлов, углеграфитов и углекомпозитов. На разрезе А-А видно, что на поверхности двойных стенок 3 нанесены термостойкие зеркальные покрытия 11, 12 с малой поглощательной и большой отражательной способностями. Одна из двойных стенок 3 содержит компенсаторы тепловых расширений 8. Оболочковая лопатка турбомашины Флокс содержит охлаждаемый несущий бурт-упор 9, скрепленный с несущим пером-стержнем 6. На фиг. 7 представлены графики зависимости КПД ГТД от начальной температуры газа Тг. График 1' с текущей точкой 4' получен авторами путем расчетного эксперимента, выполненного применительно к оболочковой лопатке турбомашины Флокс, фиг. 1 - 6. График 2' с точкой экстремума 3' заимствован из источника (2) и относится к обычным охлаждаемым турбинным лопаткам. Оболочковая лопатка турбомашины Флокс, конструктивная схема которой представлена на фиг. 1,3,4, работает следующим образом. От потока рабочего тела 4 в единицу времени отводится количество теплоты Qг, которое передается теплопроводностью, конвекцией и излучением потоку охладителя 7 через оболочку 1, зазор 2, двойные стенки 3, вакуумированное пространство 5 и перо-стержень 6. Система экранов 3 с зеркальными покрытиями 12 и вакуумированное пространство 5 в совокупности являются весьма эффективной и надежной тепловой защитой (изоляцией) (3.С.366). Эта защита обусловливает резкое и весьма значительное уменьшение мощности теплового потока Qг, что приводит к такому же резкому и весьма значительному уменьшению расхода Qохл охладителя 7. Уменьшение теплового потока Qг и расхода охладителя Qохл обусловливает кардинальное качественное и количественное изменение свойств газотурбинного двигателя, что иллюстрируют графики на фиг. 1, 7, в результате получена благоприятная монотонно-возрастающая зависимость 1', характерная для адиабатных (неохлаждаемых) ГТД, вместо весьма неблагоприятной зависимости 2', имеющей пределы по КПД ГТД 3 и по начальной температуре газа Тгз (2, С. 125). Тепловые расширения, возникающие при работе оболочковой лопатки в турбомашине, уравновешиваются без поломок конструкции компенсаторами тепловых расширений 8. При вращении рабочих лопаток турбомашины возникают центробежные силы собственных масс. Эти силы от масс оболочки 1 и экрана 11, выполненного в виде колбы с двойными стенками 3, уравновешиваются буртом-упором 9, который скреплен с несущим пером-стержнем 6 и который обуславливает возникновение в элементах 1 и 3 напряжений сжатия. Напряжениям сжатия указанные выше материалы хорошо противостоят (4, с. 59-62). На фиг. 2,3,5 видно, что оболочка 1 выполнена полой в виде профилированной колбы с двойными стенками 3, из пространства 5 между которыми выкачан воздух, а в вакуумированном пространстве 5 свободно установлен дополнительный экран 10. На поверхности двойных стенок 3 и дополнительного экрана 10 нанесены термостойкие зеркальные покрытия 12 с малой поглощательной и большой отражательной способности. Одна из двойных стенок 3 содержит компенсаторы тепловых расширений 8, которые на фиг. 2 не показаны. Оболочковая лопатка турбомашины содержит экран 11, установленный в зазоре 2, и охлаждаемый несущий бурт-упор 9, скрепленный с несущим пером-стержнем 6. Оболочка 1, выполненная полой в виде профилированной колбы с двойными стенками 3, из пространства 5 между которыми выкачан воздух, а в вакуумированном пространстве 5 свободно установлен дополнительный экран 10, является такой же весьма эффективной и надежной тепловой защитой (изоляцией), как и защита (изоляция), рассмотренная выше и представленная на фиг. 1, а и фиг. 3 в с разрезом А-А. Источники информации. 1. Заявка N 95118242/06 (031978) от 26.10.95. Сопловая лопатка турбомашины. Авторы: Тихоплав В.Ю. и др. 2. Г. Г. Жаров, Л.С.Венцюлис. Судовые высокотемпературные газотурбинные установки, - Л.: Судостроение, 1973, с. 359. 3. В.П.Исаченко, В.А.Осипова, А.С.Сукомел, Теплопередача, Изд. 2-е. -М.: Энергия, 1969, с. 440. 4. П.Б.Михайлов-Михеев. Справочник по металлическим материалам турбино- и моторостроения. М.-Л.: Машгиз, 1961, с. 838.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7