Устройство охлаждения лопаток турбины газотурбинной установки

Устройство охлаждения лопаток турбины газотурбинной установки включает рабочие и сопловые лопатки с элементами их подключения к системе охлаждения. Система охлаждения представляет собой электропроводящую схему, соединяющую анод и катод. Катод выполнен в виде рабочих и сопловых лопаток из электропроводящего материала и нанесенного на их поверхность эмиссионного слоя из электропроводящего материала, характеризующегося низкой работой выхода электронов при нагреве. Анод выполнен в виде выполненного из электроновоспринимающего материала элемента, воспринимающего электроны из потока рабочего тела. В электропроводящей схеме между анодом и катодом электрически последовательно располагаются токовывод, электрическая нагрузка. Анод располагается через слой электроизоляции на внутренней стенке корпуса ГТУ. 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. Изобретение обеспечивает снижение температуры рабочих и сопловых лопаток турбины при одновременном повышении температуры рабочего тепла перед турбиной и повышение КПД ГТУ в целом. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение 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 1800 К. Для этого предполагается использовать сплавы и композиционные материалы на основе ниобия. Необходимость поддержания температуры лопаток на уровне 1800 К при 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 контактирующие с пластиной, при этом охлаждающий тракт выполнен высотой, уменьшающейся по ходу движения охлаждающей среды.

Недостатком прототипа является наличие сложной системы каналов в рабочих и сопловых лопатках и в валу, что приводит к увеличению сложности изготовления рабочих и сопловых лопаток и, следовательно, снижению надежности ГТУ.

Технической задачей, вытекающей из современного уровня науки и техники, является повышение надежности рабочих и сопловых лопаток турбины в условиях взаимодействия с высокотемпературным потоком рабочего тела за счет организации отвода тепловой энергии от рабочих и сопловых лопаток турбины, с помощью других типов теплоносителей, например электронов при термоэлектронной эмиссии, и упрощение устройства рабочих и сопловых лопаток турбины с одновременным повышением на этой основе КПД ГТУ посредством увеличения температуры рабочего тела перед турбиной и преобразования части тепловой энергии нагрева рабочих и сопловых 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 рабочие и сопловые лопатки турбины. Рабочие и сопловые лопатки турбины и эмиссионный слой в данном случае образуют катод. В ГТУ с заявляемым устройством охлаждения рабочих и сопловых лопаток турбины между источником тепловой энергии и холодильником (или выходным отверстием незамкнутой ГТУ) располагается элемент - анод из проводящего электроновоспринимающего 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 рабочих и сопловых 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 рабочих и сопловых лопатках турбины. Часть тепловой энергии нагрева рабочих и сопловых 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 рабочих и сопловых 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 заявляемого изобретения состоит в разработке потенциально новой системы электронного охлаждения рабочих и сопловых лопаток широкого класса ГТУ, применяемых в промышленных и оборонных областях.

Единым техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемого изобретения, является снижение температуры рабочих и сопловых лопаток турбины за счет организации отвода тепловой энергии электронами при термоэлектронной эмиссии в высокотемпературный высокоскоростной поток рабочего тела. Вследствие этого не требуется устройства в рабочих и сопловых лопатках турбины каналов и отверстий для прохождения охлаждающих веществ, например воздуха, что приводит к повышению надежности, а также к снижению сложности и стоимости изготовления рабочих и сопловых лопаток турбины. При этом часть тепла нагрева рабочих и сопловых 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 рабочих и сопловых 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 рабочих и сопловых 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 (1600-2100 К), 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 1.5 МВт/м2, что в совокупности с отводом тепла излучением позволит поднять температуру рабочего тела перед турбиной до уровня порядка 2700 К при сохранении температуры лопаток турбины на уровне 1600-2100 К. Для сравнения, одна из самых совершенных ГТУ, произведенная компанией Mitsubishi Heavy Industries, имеет температуру рабочего тела перед турбиной на уровне 1900 К (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 рабочих и сопловых лопаток.

При движении рабочего тела с электронами эмиссии происходит их восприятие анодом 7, выполненным из электроновоспринимающего 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 рабочих и сопловых 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 заявляемого изобретения, 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 1600-2100 К появляется возможность повысить температуру рабочего тела перед турбиной до величины порядка 2700 К. А отсутствие в конструкции рабочих и сопловых 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 рабочих и сопловых 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 заявляемого изобретения могут быть интегрированы в конструкции существующих ГТУ без существенных изменений этих конструкций.

1. Устройство охлаждения лопаток турбины газотурбинной установки, включающее рабочие и сопловые 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 рабочих и сопловых лопаток из электропроводящего материала и нанесенного на их поверхность эмиссионного слоя из электропроводящего материала, характеризующегося низкой работой выхода электронов при нагреве, а анод - в виде выполненного из электроновоспринимающего материала элемента, воспринимающего электроны из потока рабочего тела, при этом в электропроводящей схеме между анодом и катодом электрически последовательно располагаются токовывод, электрическая нагрузка, 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).



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания, содержащему по меньшей мере одну турбину с жидкостным охлаждением, в котором турбина, содержащая кожух, снабжена по меньшей мере одной рубашкой охлаждения, встроенной в кожух для формирования системы жидкостного охлаждения.

Способ охлаждения лопаток турбин газотурбинной установки осуществляют с помощью контура охлаждения. Контур охлаждения выполнен в виде электропроводящей схемы, элементы которой размещают на конструктивных элементах турбины с образованием катода путем нанесения термоэмиссионного слоя на лопатки из электропроводящего материала, эмитирующего электроны в рабочее тело при нагреве, и анода, который укрепляют через слой электроизоляции внутри корпуса, например на внутренней стенке корпуса, и воспринимающего электроны эмиссии из рабочего тела.

Газотурбинный двигатель включает в себя компрессор, осуществляющий сжатие воздуха, поступающего из воздухозаборника, камеру сгорания, в которой осуществляется сжигание топлива с использованием сжатого воздуха, в результате чего вырабатывается горячий газ, и турбину.

Изобретение относится к энергетике. Устройство сегмента горячих газов для камеры сгорания газовой турбины, содержащее один сегмент горячих газов, установленный с возможностью съема на несущем элементе и подвергающийся со своей наружной стороны воздействию горячих газов и охлаждаемый инжекционным образом со своей внутренней стороны, при этом инжекционная пластина с множеством распределенных инжекционных отверстий расположена на расстоянии с внутренней стороны указанной инжекционной пластины, причем средство подачи охлаждающего воздуха предусмотрено для загрузки указанной инжекционной пластины находящимся под давлением охлаждающим воздухом для генерирования через указанные инжекционные отверстия струй охлаждающего воздуха.

Способ эксплуатации газовой турбины включает в себя сжатие рабочей текучей среды с помощью компрессора, перегрев сжатой рабочей текучей среды путем ее подачи в по меньшей мере одну камеру сгорания, последующее расширение перегретой сжатой рабочей текучей среды в по меньшей мере одной расширительной турбине с обеспечением выработки энергии.

Охлаждаемая турбина авиационного газотурбинного двигателя содержит рабочее колесо с установленными на нем рабочими лопатками с двумя контурами охлаждения, последовательно соединенные с воздушными каналами в рабочем колесе, с независимыми кольцевыми диффузорными каналами, сопловые лопатки и теплообменник.

Устройство инжектирования топлива для кольцевой камеры сгорания турбомашины содержит контур управления, постоянно питающий инжектор, выходящий открывающийся в первую трубку Вентури, и многоточечный контур.

Устройство впрыска топлива для кольцевой камеры сгорания турбомашины содержит основную систему, постоянно питающую инжектор, открывающийся в первую трубку Вентури, и многоточечную систему, прерывисто питающую инжекторные отверстия.

Турбореактивный двигатель содержит впускной канал потока воздуха охлаждения диска турбины высокого давления, открывающийся в полость. Полость является по существу изолированной с входной стороны от полости, в которой циркулирует поток воздуха, отбираемый с выхода компрессора высокого давления, первым лабиринтным уплотнением и с выходной стороны от полости, сообщающейся с первичным каналом турбореактивного двигателя, вторым лабиринтным уплотнением.

Структура ударного воздействия в системе ударного охлаждения имеет отверстия для ударного воздействия, выполненные с обеспечением пропускания потока охладителя и направления полученных струй охладителя на целевую поверхность, расположенную напротив указанной структуры, через образованную между ними полость.

Изобретение относится к паровым и газовым турбинам. Турбина с нагревом проточной части, по меньшей мере, включает в себя корпус с каналом для газа или жидкости нагрева проточной части, ротор, рабочие лопатки; входной патрубок для газа или жидкости нагрева проточной части, выходной патрубок для газа или жидкости нагрева проточной части; входной патрубок рабочего тела, выходной патрубок рабочего тела, подшипниковый узел, концевое уплотнение. Все детали проточной части, включая корпус турбины с каналом для газа или жидкости нагрева проточной части, выполняются для увеличения поверхности теплообмена с трубками, ребрами, с целью нагрева рабочего тела в процессе расширения его в турбине, следовательно, получения изотермического процесса расширения в турбине. Изобретения направлено на увеличение КПД паровых и газовых турбоустановок, как следствие, повышение экономической эффективности. 3 ил. .
Наверх