Способ охлаждения лопаток и направляющих каналов газотурбинной установки

 

Использование: в энергетике, а именно в турбостроении для охлаждения теплонапряженных поверхностей газотурбинного двигателя. Сущность изобретения: осуществляется эффективное охлаждение теплонапряженных участков газотурбинной установки за счет проведения каталитических эндотермических реакций паровой или углекислотной конверсии метана и других углеводородных соединений на металлических поверхностях, тесно сопряженных с внутренней стенкой лопатки или другого температуронагруженного участка двигателя. 2 з. п. ф-лы.

Изобретение относится к энергетике, а именно к турбостроению, и может применяться для охлаждения теплонапряженных поверхностей газотурбинной установки (ГТУ).

Известны различные способы охлаждения элементов поверхности, в частности лопаток, путем подачи охлаждающей среды (воды, газа, воздуха) на омывание высокотемпературным рабочим телом поверхности.

Известен способ охлаждения теплонапряженных поверхностей, выбранный за прототип, когда в качестве хладагента используются углеводородные соединения, например метан, который подается в полую лопатку, выходит из нее через многочисленные отверстия малого диаметра в объем проточной части ГТУ, где и вступает в эндотермическую реакцию с продуктами горения основного топлива.

К недостаткам прототипа можно отнести следующее.

При прохождении углеводородных соединений (метана), не содержащих паров воды и диоксида углерода, внутри полых лопаток и направляющих каналов, температура которых достигает 800-900^оС, на нагретых поверхностях и в объеме происходят процессы пиролиза (К_р 5,53 при 900^оС), приводящие, во-первых, к зауглероживанию внутренних стенок лопаток и выходных отверстий из нее, что приводит к невозможности дальнейшей подачи хладагента. Во-вторых, из отверстий лопаток будут выходить не только метан, но и продукты его разложения, т.е. смесь водорода и метана. Кроме того, выходящий из отверстий лопатки углеводородный газ (при условии, что он будет выходить) реагирует с продуктами горения основного топлива не только в объеме, прилегающем к поверхности лопатки, но и во всем оставшемся объеме проточной части установки. Тем самым не будут создаваться условия тепловой завесы или "защитного" низкотемпературного приграничного слоя, предохраняющие поверхность лопатки от температурных перегрузок. Учитывая, что в продуктах горения основного топлива (рабочего тела) присутствуют значительные концентрации окислителей (кислорода, закиси и окиси азота), одновременно с реакцией конверсии метана будут иметь место экзотермические реакции окисления метана и его продуктов. И поскольку при температурах более 1200^оС основное тепло подводится излучением от пламени, тепловая завеса в данном случае не эффективна.

Целью изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков и осуществление эффективного охлаждения теплонапряженных поверхностей ГТУ за счет проведения каталитических эндотермических реакций паровой или углекислотной конверсии метана или других углеводородных соединений на каталитических поверхностях, сопряженных с внутренней стенкой лопатки и направляющих каналов. В качестве химических реагентов используются либо метан с парами воды, либо метан и двуокись углерода, и охлаждение поверхностей происходит непосредственно в результате съема тепла при проведении указанных реакций. В полость газотурбинной лопатки (рис. 1), внутренняя часть которой сопряжена с каталитической поверхностью, поступает одна из представленных пар реагентов. На разогретой за счет высокотемпературного рабочего тела каталитической поверхности осуществляется эндотермические каталитические реакции. И поскольку предложенные реакции имеет значительный эндотермический эффект (для первой реакции 206 кДж/моль, второй 247 кДж/моль, третьей 49,8 кДж/моль), происходит охлаждение теплонапряженных поверхностей элементов энергоустановки. Далее, через многочисленные отверстия в объем проточной части ГТУ выходят продукты каталитических реакций.

Созданы образцы катализаторов Pd/C, Pt/Al₂O₃ и оригинальные интерметаллические катализаторы Ni₃Sn/C и Ni₃Ge/C. Способ приготовления первого из них позволяет наносить его на любую металлическую поверхность. Катализаторы обладают необходимой прочностью, термостойкостью и ресурсом работы, подтверждением чего являются эксперименты в трубчатом реакторе. Предварительные теоретические расчеты показали принципиальную возможность снятия тепловых потоков порядка 2-3 МВт/м² с помощью данных реакций.

Таким образом, отличительными признаками предлагаемого способа охлаждения является то, что, во-первых, тепло снимается непосредственно с теплонапряженной поверхности за счет эндотермических каталитических реакций и, во-вторых, классом таких реакций могут быть паровая или углекислотная конверсия метана или паровая конверсия метанола.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ЛОПАТОК И НАПРАВЛЯЮЩИХ КАНАЛОВ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ путем подачи углеводородных соединений в полости направляющих каналов и лопаток, отличающийся тем, что на внутреннюю поверхность лопаток и направляющих каналов наносят каталитический слой с последующим осуществлением на нем каталитической эндотермической реакции углеводородных соединений.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве углеводородных соединений используют метан с парами воды, метан с двуокисью углерода.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве углеводородных соединений используют метиловый спирт с парами воды.