Охлаждаемая лопатка газовой турбины

Охлаждаемая лопатка газовой турбины содержит корпус лопатки с входным отверстием, корытом, спинкой, входной и выходной кромками, охлаждающим каналом с перегородками и дефлекторами. На поверхности лопатки выполнены отверстия для подачи охлаждающего воздуха. В охлаждающем канале установлена вставка в виде цилиндрического поворотного клапана. Во входном отверстии установлен лепестковый клапан из материала, обладающего эффектом памяти формы. Цилиндрический поворотный клапан снабжен поворотной составной осью, закрепленной одним концом в корпусе лопатки, а другим концом соединенной с цилиндрическим поворотным клапаном. Поворотная составная ось состоит из секций и выполнена из материала, обладающего эффектом памяти формы. В качестве материала, обладающего эффектом памяти формы, могут быть использованы сплавы на основе железа и никеля. Изобретение направлено на повышение эффективности работы турбины на переменных режимах. 1 з.п ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к турбиностроению, в частности к охлаждаемым лопаткам газовой турбины, предназначенным преимущественно для работы в области высоких температур.

В газовых турбинах газ проходит через сопловые и рабочие решетки, при этом газ может иметь температуру, близкую или даже превышающую точку плавления материала лопатки. Внутреннее охлаждение лопаток турбин реализуется в виде системы открытого и закрытого типов [1]. Первые системы охлаждения лопаток открытого типа обеспечивали при начальной температуре рабочего газа 1079°С и расходе охлаждающего воздуха около 2% от общего расхода воздуха через компрессор снижение температуры лопатки на 220°С. Наряду с использованием продольного и поперечного движения охладителя в лопатках открытого типа нашли применение способы пленочного и пористого охлаждения. Применение лопаток с конвективным пленочным воздушным охлаждением позволяет существенно снизить температуру на поверхности лопаток при относительном расходе воздуха на охлаждение 1,5-2% [2]. При этом следует учитывать, что отбор даже 1% воздуха из компрессора на охлаждение проточной части турбины с температурой газа 1300…1500 К приводит к повышению расхода топлива агрегатом приблизительно 0,6% [3], что снижает эффективность работы турбины.

Известна охлаждаемая лопатка газовой турбины, содержащая полое перо, входная часть которого имеет в зоне кромки, на спинке и корыте отверстия и размещенные в полости пера поперечные перегородки, разделяющие лопатку на ряд отдельных полостей, подключенных к источнику охлаждающей среды [4]. При этом в полости входной части дополнительно установлены продольные перегородки, образующие со спинкой и корытом каналы, изолированные от упомянутой полости, и соединительные отверстия на спинке и корыте с одной из последующих полостей ряда.

Недостатком данной охлаждаемой лопатки газовой турбины является невозможность регулирования подачи охлаждающего воздуха, что снижает эффективность работы турбины на переходных режимах.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является компонент газовой турбины, содержащий лопатку с корытом, спинкой, входной и выходной кромками и охлаждающим каналом [5]. Лопатка имеет перегородки с дефлекторами, на поверхности лопатки выполнены отверстия для подачи охлаждающего воздуха. В охлаждающем канале установлена вставка в виде цилиндрического поворотного клапана, позволяющего обеспечивать работу лопатки в режиме пленочного (при высокой температуре лопатки) и беспленочного охлаждения (переменные режимы работы турбин).

Недостатком этого устройства является невозможность автоматического регулирования подачи охлаждающего воздуха к лопатке и перехода с пленочного на беспленочное охлаждение кромок лопатки, что снижает эффективность работы турбины на переходных режимах ее работы.

В прототипе [5] предлагается приводить в действие поворотный клапан вручную или посредством внешних гидравлических, пневматических или электрических устройств.

Целью изобретения является повышение эффективности турбины при ее работе на переменных режимах за счет автоматического регулирования типа и интенсивности охлаждения.

Поставленная цель достигается в охлаждаемой лопатке газовой турбины, содержащей корпус лопатки с входным отверстием, корытом, спинкой, входной и выходной кромками, охлаждающим каналом с перегородками, при этом на поверхности лопатки выполнены отверстия для подачи охлаждающего воздуха, а в охлаждающем канале установлена вставка в виде цилиндрического поворотного клапана.

Новым в охлаждаемой лопатке газовой турбины является установка во входном отверстии лепесткового клапана из материала, обладающего эффектом памяти формы, а также снабжение цилиндрического поворотного клапана поворотной составной осью, закрепленной одним концом в корпусе лопатки, а другим концом соединенным с цилиндрическим поворотным клапаном. При этом поворотная составная ось состоит из секций и выполнена из материала, обладающего эффектом памяти формы. В качестве материала, обладающего эффектом памяти формы, могут быть использованы сплавы на основе железа и никеля.

На фиг. 1 представлен продольный разрез предлагаемой охлаждаемой лопатки газовой турбины, на фиг. 2 - поперечный разрез А-А на фиг. 1, на фиг. 3, 4, 5 - сечения В-В на фиг. 1 цилиндрического поворотного клапана в трех его положениях, а на фиг. 6 (выноска I) - положение лепесткового клапана при высокой температуре лопатки.

Охлаждаемая лопатка газовой турбины содержит корпус 1 с входным отверстием 2, корытом 3, спинкой 4, входной 5 и выходной 6 кромками, охлаждающим каналом 7, перегородками 8 и дефлекторами 9. На поверхности лопатки выполнены отверстия 10 для подачи охлаждающего воздуха, а во входном отверстии 2 установлено основание 11 с лепестковым клапаном 12, выполненным из материала, обладающего эффектом памяти формы. В охлаждающем канале 7 установлен цилиндрический поворотный клапан 13. При этом цилиндрический поворотный клапан 13 снабжен поворотной составной осью 14, закрепленной одним концом в корпусе 1 лопатки, а другим концом соединенной со цилиндрический поворотный клапан 13, причем поворотная составная ось 14 состоит из секций 15, 16 и выполнена из материала, обладающего эффектом памяти формы. Детали, изготовленной из такого материала, при температуре выше температуры мартенситного превращения придают определенную форму, а затем охлаждают до температуры ниже температуры мартенситного превращения и деформируют при этой температуре с целью получения какой-либо другой формы [6]. При последующем нагреве до температуры выше температуры обратного превращения деталь принимает исходную форму. При циклических изменениях температуры происходит многократное изменение формы.

Охлаждаемая лопатка газовой турбины работает следующим образом.

При запуске газовой турбины и ее работе на переходных режимах температура лопатки невелика, лепестковый клапан 12 находится в закрытом состоянии (фиг. 1) частично перекрывая входное отверстие 2, ограничивая этим количество подаваемого охлаждаемого воздуха из компрессора турбины. В процессе прогрева корпуса 1 лопатки нагревается основание 11 лепесткового клапана и сам лепестковый клапан 12, в его материале происходит обратное мартенситное превращение, и лепестковый клапан 12 открывается занимает положение, показанное на фиг. 6, и открывает входное отверстие 2, увеличивая расход охлаждающего воздуха. При этом цилиндрический поворотный клапан 13 занимает положение в соответствии с фиг. 3 и перекрывает подачу охлаждающего воздуха в отверстия 10. В процессе дальнейшего прогрева корпуса 1 лопатки происходит нагрев поворотной составной оси 14 и секций 15, 16 поворотной составной оси. Каждая секция изготавливается из своего материала, обратное мартенситное превращение в котором происходит при определенной последовательно возрастающей температуре. В секциях 15, 16, выполненных из материала, обладающего эффектом памяти формы, обратное мартенситное превращение происходит последовательно по мере роста температуры. На фиг. 4 показано положение цилиндрического поворотного клапана 13 после поворота секции 15 поворотной составной оси 14, обеспечивающие частичную подачу охлаждающего воздуха через отверстия 10. Дальнейшее повышение температуры корпуса 1 приведет к обратному мартенсит-ному превращению уже в обоих секциях 15, 16, что обеспечит дальнейший поворот цилиндрического поворотного клапана 13 и максимальную подачу охлаждающего воздуха через отверстия 10 (фиг. 5).

При снижении нагрузки турбины и ее работе на частичных нагрузках вследствие снижения температуры рабочей среды и температуры корпуса 1 лопатки поворотная составная ось 14 поворачивается в обратном направлении вследствие прямого мартенситного превращения в материалах секций 15, 16 поворотной составной оси 14.

При дальнейшем снижении нагрузки турбины на частичных нагрузках или ее остановке в материале лепесткового клапана 12 происходит прямое мартенситное превращение и лепестковый клапан 12 закрывается (фиг. 1), уменьшая расход охлаждающего воздуха через входное отверстие 2.

В дальнейшем цикл работы охлаждаемой лопатки газовой турбины повторяется.

В качестве материала, обладающего эффектом памяти формы, могут быть использованы сплавы на основе железа и никеля [6], у которых наблюдается высокое значение температуры мартенситного превращения. Кроме того, сплавы, обладающие свойствами мартенситного превращения, имеют высокие демпфирующие свойства. Поэтому использование в охлаждаемой лопатке газовой турбины элементов из материалов с эффектом памяти формы обеспечит снижение вибрации лопаток при эксплуатации турбины.

Использование предлагаемого технического решения повышает эффективность работы турбины при ее работе на переменных режимах благодаря снижению расхода подаваемого компрессором охлаждающего воздуха.

При этом охлаждение каждой из лопаток зависит от температурных условий ее работы и регулируется автоматически без внешнего воздействия.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Газотурбинные установки. Конструкция и расчет: Справочное пособие / Под общ. ред. Л.В. Арсеньева и В.Г. Тырышкина. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние 1978 - 232 с.

2. Стационарные газотурбинные установки / Л.В. Арсеньев, В.Г. Тырышкин, И.А. Богов и др.: Под ред. Л.В. Арсеньева и В.Г. Тырышкина. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние 1989 - 543 с.

3. A.M. Дроконов. Оптимизация расхода охлаждающего воздуха в ГТД. // Совершенствование транспортных машин [Текст] + [Электронный ресурс]: сб. науч. тр. / под ред. В.В. Рогалева. - Брянск: БГТУ, 2018 - с. 147…151.

4. А.с. 1152289 ССР, МПК F01D 5/18. Охлаждаемая лопатка газовой турбины / В.М. Брегман, В.А. Мальков (СССР) - заявка 833532826/06, 07.01.1983.

5. Патент 2268763, МПК F01D 5/18. Компонент газовой турбины / Й. Фербер, П.В. Лалетин; патентообладатель «Альстом Технолоджи ЛТД (СН)» - №2014103219/06; заявл. 30.01.2014; опубл. 10.08.2015, бюл №22.

6. Применение эффекта памяти формы в современном машиностроении.

С. Тихонов, А.П. Герасимов, И.И. Прохорова. - М.: Машиностроение, 1981. - 80 с.

1. Охлаждаемая лопатка газовой турбины, содержащая корпус лопатки с входным отверстием, корытом, спинкой, входной и выходной кромками, охлаждающим каналом с перегородками и дефлекторами, при этом на поверхности лопатки выполнены отверстия для подачи охлаждающего воздуха, а в охлаждающем канале установлена вставка в виде цилиндрического поворотного клапана, отличающаяся тем, что во входном отверстии установлен лепестковый клапан из материала, обладающего эффектом памяти формы, цилиндрический поворотный клапан снабжен поворотной составной осью, закрепленной одним концом в корпусе лопатки, а другим концом соединенной с цилиндрическим поворотным клапаном, причем поворотная составная ось состоит из секций и выполнена из материала, обладающего эффектом памяти формы.

2. Охлаждаемая лопатка газовой турбины по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве материала, обладающего эффектом памяти формы, могут быть использованы сплавы на основе железа и никеля.



 

Похожие патенты:

Рабочая лопатка газотурбинного двигателя имеет полый профиль с выпуклой и вогнутой тонкими стенками, между которыми расположен силовой стержень, интенсификаторы охлаждения, на которые подается охлаждающая среда, и хвостовик.

Лопатка направляющего соплового аппарата газотурбинного двигателя оснащена системой охлаждения, содержащей вставку, устройство отбора. Вставка расположена внутри внутренней полости лопатки, соединена с входом охлаждающего воздуха лопатки и выполнена с возможностью охлаждения поверхности внутренней полости лопатки.

Изобретение относится к сектору (22) сопла для турбинного двигателя. Сектор (22) сопла для турбины (2) турбомашины (1) содержит радиально-наружную опорную полку (24) для лопаток, радиально-внутреннюю опорную полку (26) для лопаток, первую концевую лопатку (81), вторую концевую лопатку (84) и по меньшей мере одну первую центральную лопатку (82, 83) между концевыми лопатками (81, 84) вдоль окружного направления (Z-Z) полок и средства (37, 50, 44, 46, 54, 56) охлаждения для охлаждения лопаток.

Охлаждаемая стенка компонента турбины содержит первый слой каналов для хладагента, расположенный вдоль стороны стенки, обращенной к потоку горячего газа, причем первый слой имеет змеевидную форму, а каждый канал имеет впуск и выпуск.

Лопатка (10) соплового аппарата (8) газотурбинного двигателя (1) содержит перо (12), содержащее стенку (16) корытца и стенку (14) спинки, и вставку (20), расположенную между стенкой (16) корытца и стенкой (14) спинки.

Элемент охлаждаемой лопатки турбины (1) содержит канал для охлаждающего воздуха (4), выполненный внутри лопатки в радиальном направлении вдоль входной кромки (5), соединенный входными конфузорными по направлению движения охлаждающего воздуха каналами (6) через раздаточный коллектор (7) с питающим каналом, а выходными каналами (8) с внешней поверхностью лопатки (3).

Лопатка турбины турбинного двигателя, такого как турбовинтовой или турбореактивный двигатель включает в себя хвостовик, перо, поддерживаемое хвостовиком, проходящее по направлению размаха, заканчиваясь концом, и содержит переднюю кромку и заднюю кромку, расположенную ниже по потоку от передней кромки, стенку стороны нагнетания и стенку стороны всасывания, расположенные на расстоянии друг от друга и соединяющие, каждая, переднюю кромку с задней кромкой.

Устройство для инжекционного охлаждения стенки включает в себя инжекционный рукав и стенку, подвергающуюся воздействию горячего газа во время работы. Инжекционный рукав по меньшей мере частично расположен в нагнетательной камере и расположен на расстоянии от стенки для образования пути охлаждающего потока между стенкой и инжекционным рукавом таким образом, что сжатый газ, инжектируемый из нагнетательной камеры через первое отверстие в охлаждающем рукаве, во время работы обдувает стенку и протекает как поперечный поток в направлении к выходу у выходного конца пути охлаждающего потока.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при контроле системы охлаждения турбинных лопаток газотурбинных двигателей. Заявлен способ контроля системы охлаждения лопаток турбины газотурбинного двигателя, характеризующийся тем, что устанавливают лопатку турбины в приспособлении, осуществляют продувку каналов охлаждения лопатки турбины рабочей средой, применяют в качестве рабочей среды воздух, оценивают бесконтактным методом систему охлаждения лопатки турбины и контролируют скорость выхода воздуха из каналов охлаждения лопаток турбины.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при контроле системы охлаждения турбинных лопаток газотурбинных двигателей. Заявлен способ контроля системы охлаждения лопаток турбины газотурбинного двигателя, характеризующийся тем, что устанавливают лопатку турбины в приспособлении, осуществляют продувку каналов охлаждения лопатки турбины рабочей средой, применяют в качестве рабочей среды воздух, оценивают бесконтактным методом систему охлаждения лопатки турбины и контролируют скорость выхода воздуха из каналов охлаждения лопаток турбины.

Тепловой экран статора для газовой турбины содержит проточный канал горячих газов, первую поверхность, выполненную с возможностью расположения обращенной к проточному каналу горячих газов газовой турбины, вторую поверхность, противоположную первой поверхности, каналы охлаждения, предназначенные для направления охлаждающей текучей среды от второй поверхности к первой поверхности, полости, расположенные на первой поверхности, для приема охлаждающей текучей среды по меньшей мере из части каналов охлаждения.

Группа изобретений относится к авиационным газотурбинным двигателям и газотурбинным установкам, а именно к механическим устройствам с тепловым регулированием радиального зазора между концами рабочих лопаток ступени ротора компрессора или турбины и корпусом газотурбинного двигателя.

Турбомашина (1) содержит неподвижный элемент (7), вращающийся элемент (11), с возможностью вращения установленный в неподвижном элементе (7), и уплотнительное устройство (21) между вращающимся элементом и неподвижным элементом.

Изобретение относится к устройству охлаждения корпуса турбины газотурбинного двигателя, содержащему множество коллекторов (16’), выполненных с возможностью нагнетания воздуха на корпус турбины.

Группа изобретений относится к авиационным газотурбинным двигателям и газотурбинным установкам, а именно к устройствам регулирования радиального зазора между концами рабочих лопаток ступени ротора компрессора или турбины и статором первого контура двухконтурного газотурбинного двигателя.

Изобретение относится к статорам газовых турбин газотурбинных двигателей авиационного и наземного применения. Статор газовой турбины, внешний корпус которого содержит радиальные кольцевые ребра, образующие кольцевые воздушные полости, соединенные между собой воздушными каналами.

Изобретение относится к области турбостроения, а именно к системе регулирования радиального зазора в газотурбинных двигателях. Система активного управления радиальным зазором в турбине содержит, подвижное кольцо, расположенное между надроторными вставками статора, корпусом статора турбины и наружным кольцом турбины, и пневматические клапаны для подачи охлаждающего воздуха к подвижному кольцу и надроторным вставкам через выполненные в подвижном кольце каналы охлаждения.

Турбинная система (102) и способ регулирования зазоров (108) в турбине (102). Система может содержать по меньшей мере одну лопатку (104) турбины, корпус (106), окружающий указанную по меньшей мере одну лопатку (104), термоэлемент (110), расположенный по меньшей мере частично около корпуса (106) турбины, охлаждающую систему (307), находящуюся в сообщении с термоэлементом (110), и контроллер (112), находящийся в сообщении с охлаждающей системой (307) и термоэлементом (110).

Изобретение относится к газотурбинным двигателям с биротативным вентилятором авиационного применения. Газотурбинный двигатель с биротативным вентилятором содержит подпорные ступени, размещенные между рабочими колесами биротативного вентилятора, а также биротативную турбину, соединенную валами с рабочими колесами биротативного вентилятора.

Настоящее изобретение относится к картеру (30) турбины летательного аппарата, предназначенному для установки на нем блока секций кольца (28), которое частично ограничивает канал прохождения потока газа через турбину, содержащему средства динамического регулирования радиального положения секций кольца (28), радиальную входную лапку (38), которая соединяет входной концевой участок каждой секции кольца (28) с картером (30) и выходную радиальную лапку (40), которая связывает выходной концевой участок каждой секции кольца (28) с картером (30), при этом по меньшей мере входная радиальная лапка (38) выполнена как одно целое с картером (30) и связана непосредственно с входным концевым участком каждой секции кольца (28).

Деталь статора турбомашины, по существу, состоит по меньшей мере из одного аксиально проходящего внешнего кольца (10), служащего оправой для внутреннего кольца, состоящего из сегментов (20).

Охлаждаемая лопатка газовой турбины содержит корпус лопатки с входным отверстием, корытом, спинкой, входной и выходной кромками, охлаждающим каналом с перегородками и дефлекторами. На поверхности лопатки выполнены отверстия для подачи охлаждающего воздуха. В охлаждающем канале установлена вставка в виде цилиндрического поворотного клапана. Во входном отверстии установлен лепестковый клапан из материала, обладающего эффектом памяти формы. Цилиндрический поворотный клапан снабжен поворотной составной осью, закрепленной одним концом в корпусе лопатки, а другим концом соединенной с цилиндрическим поворотным клапаном. Поворотная составная ось состоит из секций и выполнена из материала, обладающего эффектом памяти формы. В качестве материала, обладающего эффектом памяти формы, могут быть использованы сплавы на основе железа и никеля. Изобретение направлено на повышение эффективности работы турбины на переменных режимах. 1 з.п ф-лы, 6 ил.

Наверх