RU2076927C1

RU2076927C1 - Turbine blade and its cooling process, device for filling turbine blade closed circuit with coolant

Info

Publication number: RU2076927C1
Application number: RU93046919A
Authority: RU
Inventors: Я.П. Гохштейн; А.Я. Гохштейн
Original assignee: Гохштейн Яков Петрович
Priority date: 1993-09-24
Filing date: 1993-09-24
Publication date: 1997-04-10

Abstract

FIELD: power engineering. SUBSTANCE: primary coolant is passed through open-circuit channels made in blade and secondary coolant moves under thermosiphon pressure over closed-circuit loop channels passing through blade feather. Heat transfer from secondary coolant to primary one is effected near blade feather and thermosiphon differential pressures are summed up by sequential connection of closed-circuit loop channels. Closed coolant circuit is helical channel with oval turns. The latter may alternate from left to right direction. Device for filling turbine blade with coolant has tank communicating with closed-circuit channel. it is round cylinder with bottom and cover. Two holes are made in bottom to receive cylindrical tubes communicating with channel. EFFECT: improved cooling conditions. 14 cl, 17 dwg

Description

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в конструкциях роторов газовых турбин. The invention relates to energy and can be used in the construction of rotors of gas turbines.

Известен способ охлаждения турбинной лопатки, включающий пропускание воздуха через полость лопатки и отверстия в стенке пера (патент США N 5152667, кл. F 01 D 5/18, 1992). Известен также способ охлаждения турбинной лопатки, включающий теплообмен между хладагентами в каналах замкнутого и открытого контуров в области пера лопатки под действием термосифонных перепадов давления в замкнутом контуре (патент США N 3376918, кл. F 01 D 5/18, 1968). Известная турбинная лопатка, реализующая этот способ, содержит основание и перо с входной и выходной кромками, внутри которого расположены продольные каналы, образующие замкнутый и открытый контуры охлаждения, находящиеся в тепловом контакте друг с другом в области пера, причем каждый канал замкнутого контура выполнен прямым и закрытым с одного конца, а на другом конце сообщается с резервуаром в основании лопатки (патент США N 3376918, кл. F 01 D 5/18, 1968). A known method of cooling a turbine blade, including passing air through the cavity of the blade and the holes in the wall of the pen (US patent N 5152667, CL F 01 D 5/18, 1992). There is also known a method of cooling a turbine blade, comprising heat exchange between the refrigerants in the channels of the closed and open circuits in the area of the pen blade under the influence of thermosiphon pressure differences in a closed circuit (US patent N 3376918, CL F 01 D 5/18, 1968). A well-known turbine blade implementing this method contains a base and a feather with inlet and outlet edges, inside of which there are longitudinal channels forming closed and open cooling circuits that are in thermal contact with each other in the pen area, each channel of the closed circuit being made direct and closed at one end, and at the other end communicates with the reservoir at the base of the scapula (US patent N 3376918, CL F 01 D 5/18, 1968).

Известное устройство для заправки замкнутого контура турбинной лопатки теплоносителя включает указанный резервуар, сообщающийся с каналом. A known device for refueling a closed loop of a turbine coolant blade includes a specified reservoir in communication with the channel.

Конвекция хладагента в канале с закрытым концом неизбежно приводит к образованию встречных течений, на стыке которых возникают теплоизолирующие зоны, что ограничивает возможность использования известного способа. Convection of refrigerant in a channel with a closed end inevitably leads to the formation of oncoming flows, at the junction of which heat-insulating zones arise, which limits the possibility of using the known method.

Подобно известному способу предлагаемый способ включает теплообмен между хладагентами замкнутого и открытого контуров охлаждения в области пера лопатки под действием термосифонного перепада давления в канале замкнутого контура. Новым является то, что теплообмен производят путем циркуляции хладагента по виткам канала замкнутого контура с обеспечением суммирования местных термосифонных перепадов давления, одинаково направленных вдоль канала в смежных витках, при последовательном движении хладагента от одного витка к другому. Like the known method, the proposed method includes heat exchange between the refrigerants of the closed and open cooling circuits in the area of the pen blade under the influence of a thermosiphon differential pressure in the channel of the closed circuit. What is new is that heat exchange is carried out by circulating the refrigerant along the turns of a closed-circuit channel with the addition of local thermosiphon pressure drops that are equally directed along the channel in adjacent turns, with the refrigerant moving sequentially from one turn to another.

Местный термосифонный перепад давления создают в витке канала замкнутого контура за счет асимметричного расположения этого витка относительно канала открытого контура. Совпадения направлений местных термосифонных перепадов давления достигают одинаковой ориентации смежных витков относительно соответствующих каналов открытого контура. Это позволяет использовать перо лопатки в качестве радиатора и, одновременно, насоса, прокачивающего жидкий хладагент по всей длине замкнутого контура. A local thermosiphon differential pressure is created in the loop of the closed loop channel due to the asymmetric location of this loop relative to the open loop channel. The coincidence of the directions of the local thermosiphon pressure drops reaches the same orientation of adjacent turns relative to the corresponding channels of the open circuit. This allows you to use the feather of the blade as a radiator and, at the same time, a pump pumping liquid refrigerant along the entire length of the closed loop.

Однонаправленная циркуляция препятствует образованию встречных течений и теплоизолирующих зон. Охват лопатки одним потоком хладагента способствует выравниванию температуры на всех участках пера и создает этим условия для более экономного расхода охлаждающего газа в открытом контуре при заданном уровне максимальной температуры материала лопатки. В качестве хладагента замкнутого контура используют щелочной металл. Unidirectional circulation prevents the formation of oncoming currents and heat-insulating zones. Coverage of the blade with a single stream of refrigerant helps to equalize the temperature in all areas of the pen and creates the conditions for a more economical flow of cooling gas in an open circuit at a given level of maximum temperature of the material of the blade. As a closed loop refrigerant, an alkali metal is used.

Предлагаемая турбинная лопатка содержит основание и перо с входной и выходной кромками, внутри которого расположены продольные каналы, образующие замкнутый и открытый контуры охлаждения, находящиеся в тепловом контакте друг с другом в области пера. Новым является то, что замкнутый контур выполнен в виде винтообразного канала с овальными витками, ориентированными вдоль пера и последовательно расположенными между входной и выходной кромками. The proposed turbine blade contains a base and a feather with inlet and outlet edges, inside of which there are longitudinal channels forming closed and open cooling circuits that are in thermal contact with each other in the area of the pen. What is new is that the closed loop is made in the form of a helical channel with oval turns oriented along the feather and sequentially located between the input and output edges.

Каждый овальный виток винтообразного канала содержит два радиальных участка и два поперечных, один из последних расположен в области пера, а другой в области основания. Каждый поперечный участок канала, расположенный в области основания, выполнен с расширением канала по сравнению с радиальными участками витка. Each oval winding of a helical channel contains two radial sections and two transverse ones, one of the latter is located in the pen area and the other in the base area. Each transverse section of the channel located in the base area is made with the expansion of the channel compared to the radial sections of the coil.

Смежные витки винтообразного канала имеют одинаковое направление, а каналы открытого контура расположены вдоль одной из поверхностей пера, между этой боковой поверхностью и винтообразным каналом. Adjacent coils of the helical channel have the same direction, and the channels of the open circuit are located along one of the surfaces of the pen, between this side surface and the helical channel.

Предложенная конструкция турбинной лопатки допускает следующие варианты. Винтообразный канал выполнен с чередованием витков левого и правого направления. Витки винтообразного канала противоположных направлений сдвинуты друг относительно друга соответственно к противоположным боковым поверхностям пера. Винтообразный канал изогнут в виде петли с образованием двух винтоообразных частей, между которыми расположены каналы открытого контура. Винтообразный канал развернут вдоль средней поверхности пера, а каналы открытого контура расположены по одному на виток. The proposed design of the turbine blades allows the following options. The helical channel is made with alternating turns of the left and right directions. The turns of a spiral channel of opposite directions are shifted relative to each other, respectively, to opposite lateral surfaces of the pen. The helical channel is bent in the form of a loop with the formation of two helical parts, between which the channels of the open circuit are located. The helical channel is deployed along the middle surface of the pen, and the channels of the open circuit are located one per revolution.

Винтообразный канал выполнен из трубки, заделанной в матрицу лопатки. Трубка выполнена из титана. Лопатка снабжена входным и выходным коллекторами, расположенными в основании лопатки и соединенными с каналами открытого контура. The helical channel is made of a tube embedded in a blade matrix. The tube is made of titanium. The blade is equipped with inlet and outlet manifolds located at the base of the blade and connected to the channels of the open circuit.

Предлагаемое устройство для заправки замкнутого контура турбинной лопатки теплоносителя содержит резервуар, сообщающийся с каналом. Новым является то, что резервуар выполнен в виде круглого цилиндра с дном и крышкой, причем в дне выполнены два отверстия, в которые вставлены сообщающиеся с каналом цилиндрические трубки, заглубленные в полость цилиндра с образованием штырей, отделенных друг от друга и от стенки резервуара зазорами. The proposed device for refueling a closed loop of a turbine coolant blade contains a reservoir in communication with the channel. What is new is that the tank is made in the form of a round cylinder with a bottom and a lid, and two holes are made in the bottom, into which cylindrical tubes communicating with the channel are inserted, buried in the cylinder cavity with the formation of pins, separated from each other and from the tank wall by gaps.

В предлагаемой конструкции турбинной лопатки каналы открытого контура сгруппированы ближе к одному из двух радиальных участков каждого витка, что обеспечивает преимущественный теплоотвод от этого участка. Разность температур, возникающая при этом между двумя радиальными участками одного витка, незначительна по абсолютной величине, но достаточна для циркуляции хладагента в условиях многократной перегрузки при вращении ротора турбины. In the proposed design of the turbine blade, the channels of the open circuit are grouped closer to one of the two radial sections of each turn, which ensures predominant heat removal from this section. The temperature difference that arises in this case between the two radial sections of one turn is insignificant in absolute value, but sufficient for circulation of the refrigerant under conditions of multiple overload during rotation of the turbine rotor.

Выполнение замкнутого контура в виде винтообразного канала, обеспечивающего вынужденную циркуляцию хладагента последовательно вдоль всех участков контура, позволяет обойтись в замкнутом контуре без коллектора хладагента, который в известной турбинной лопатке имеет вид резервуара, сообщающегося через ряд отверстий с отдельными прямыми каналами закрытого контура. Это упрощает конструкцию лопатки и повышает прочность ротора турбины за счет уменьшения габаритов гнезда под крепление лопатки. The execution of a closed circuit in the form of a helical channel, providing forced circulation of the refrigerant sequentially along all sections of the circuit, eliminates the need for a refrigerant manifold, which in a known turbine blade has the form of a tank communicating through a series of openings with individual direct channels of a closed circuit. This simplifies the design of the blades and increases the strength of the turbine rotor by reducing the dimensions of the socket for mounting the blades.

Кроме того, при фиксированном общем теплосъеме с поверхности лопатки такое выполнение уменьшает отвод тепла из пера жидким хладагентом, который, в основном, используется для выравнивания температуры вдоль лопатки. С другой стороны, газообразный хладагент, пропускаемый через открытый контур лопатки, освобождается от необходимости обеспечить равномерность охлаждения. Это позволяет увеличить перепад температуры вдоль открытого контура, выпускать газообразный хладагент с более высокой температурой и, следовательно, сократить его расход. Это, в частности, имеет значение при выпуске охлаждающего воздуха из лопатки в проточную часть турбины, что сопровождается охлаждением продуктов сгорания и снижением коэффициента полезного действия газотурбинного двигателя. In addition, with a fixed total heat removal from the surface of the blade, this embodiment reduces heat removal from the pen with liquid refrigerant, which is mainly used to equalize the temperature along the blade. On the other hand, gaseous refrigerant passing through the open circuit of the blade eliminates the need to ensure uniform cooling. This allows you to increase the temperature drop along the open circuit, to release gaseous refrigerant with a higher temperature and, therefore, to reduce its consumption. This, in particular, is important when the cooling air is discharged from the blade into the turbine flow path, which is accompanied by cooling of the combustion products and a decrease in the efficiency of the gas turbine engine.

Если хладагентом открытого контура является водяной пар, выпуск его с более высокой температурой в специальный коллектор также целесообразен ввиду возможности направления его на паровую турбину парогазовой установки. If the open circuit refrigerant is water vapor, discharging it with a higher temperature into a special collector is also advisable in view of the possibility of directing it to a steam turbine of a combined cycle plant.

Расширение поперечных участков винтообразного канала, расположенных в области основания, выполняет роль отстойника газа при попадании его в канал и предотвращает этим образование пробок при вращении ротора турбины. Непрерывность винтообразного канала и отсутствие разветвлений упрощает технологию изготовления лопатки, позволяет использовать трубку из титана, заделанную в более легкоплавкую матрицу лопатки из литейного никелевого сплава. Может быть использована также трубка из хрома, осажденного электрически на вспомогательную подложку, например медная проволока, которая затем выплавляется, либо трубка из железа. The expansion of the transverse sections of the helical channel located in the base region acts as a gas sump when it enters the channel and thereby prevents the formation of plugs during rotation of the turbine rotor. The continuity of the helical channel and the absence of branching simplifies the manufacturing technology of the blade, allows the use of a titanium tube embedded in a more fusible matrix of the blade of a cast nickel alloy. A chromium tube electrically deposited on an auxiliary substrate, for example a copper wire, which is then melted, or an iron tube, can also be used.

Относительно большие атомные радиусы щелочных металлов, возрастающие от лития к цезию, неблагоприятны для растворения в них титана и железа в виде элементов. Растворение идет, в основном, по пути образования окислов и сопровождается переносом материала стенки канала замкнутого контура из горячей зоны в холодную. Рафинирование натрия (99,95%) затормаживает этот процесс за счет удаления кислорода. Однако в условиях длительной работы турбинной лопатки (тысячи часов) необходимы дополнительные меры для замедления переноса. В предлагаемой турбинной лопатке этому содействует конструкция: перенос тем меньше, чем меньше перепад температуры вдоль замкнутого контура охлаждения, что достигнуто путем отказа от сосредоточенного коллектора и распространением зоны теплообмена между замкнутым и открытым контурами на всю лопатку. The relatively large atomic radii of alkali metals, increasing from lithium to cesium, are unfavorable for the dissolution of titanium and iron in them in the form of elements. The dissolution proceeds mainly along the path of the formation of oxides and is accompanied by the transfer of the material of the channel wall of the closed loop from the hot zone to the cold. Refining sodium (99.95%) inhibits this process by removing oxygen. However, in conditions of prolonged operation of the turbine blade (thousands of hours), additional measures are necessary to slow down the transfer. In the proposed turbine blade, this is facilitated by the design: the transfer is less, the smaller the temperature difference along the closed cooling circuit, which is achieved by abandoning the concentrated collector and spreading the heat exchange zone between the closed and open circuits throughout the blade.

На фиг. 1 показана турбинная лопатка со спиральным каналом, поперечный разрез; на фиг. 2 расположение винтообразного канала в турбинной лопатке с закруткой, вид сверху; на фиг.3 турбинная лопатка с чередованием направления витков, поперечный разрез; на фиг.4 турбинная лопатка с двойным каналом, поперечный разрез; на фиг.5 ступенчатый разрез А-А на фиг.1; на фиг.6 вид Б на фиг.1 со схемой замкнутого контура охлаждения; на фиг.7 узел I на фиг.1; на фиг.8 ступенчатый разрез В-В на фиг.7; на фиг.9 вариант узла I на фиг.1, 7; на фиг. 10 узел II на фиг.1; на фиг.11 разрез Г-Г на фиг.10; на фиг.12 схема охлаждения турбинной лопатки с винтообразным каналом; на фиг.13 вид Д на фиг.12; на фиг.14 схема охлаждения турбинной лопатки, второй вариант; на фиг.15 вид Е на фиг.14; на фиг.16 схема охлаждения турбинной лопатки, третий вариант; на фиг.17 вид Ж на фиг.16. In FIG. 1 shows a turbine blade with a spiral channel, a transverse section; in FIG. 2 arrangement of a helical channel in a turbine blade with a twist, top view; figure 3 turbine blade with alternating direction of turns, cross section; figure 4 turbine blade with a double channel, a cross section; in Fig.5 step section aa in Fig.1; in Fig.6 view B in Fig.1 with a diagram of a closed cooling circuit; in Fig.7 node I in Fig.1; in Fig.8 step section bb in Fig.7; in Fig.9 option node I in Fig.1, 7; in FIG. 10 node II in figure 1; in Fig.11 section GG in Fig.10; on Fig cooling circuit of a turbine blade with a helical channel; on Fig view D in Fig; on Fig cooling circuit of a turbine blade, the second option; on Fig view E in Fig; on Fig cooling circuit of a turbine blade, the third option; in Fig.17 view G in Fig.16.

Стрелки, проставленные вдоль каналов, указывают направления потоков хладагента. The arrows along the channels indicate the directions of the refrigerant flows.

Номера позиций без выносных линий относятся к деталям, на поле которых они проставлены. Part numbers without extension lines relate to the parts on the field of which they are affixed.

Турбинная лопатка включает основание 1 и установленное на нем перо 2. Противоположные боковые поверхности пера вогнутое корыто 3 и выпуклая спинка 4 смыкаются с образованием входной кромки 5 и выходной кромки 6, расположенных на средней поверхности 7 пера. Система охлаждения лопатки содержит два контура: открытый контур 8, продуваемый извне воздухом либо паром, и замкнутый контур 9, заполненный жидким натрием, циркулирующим внутри лопатки. Взаимное расположение каналов 10 открытого контура и каналов 11 замкнутого контура обеспечивает возможность теплообмена между обоими контурами. Каналы замкнутого контура выполнены петлевыми, проходят через перо лопатки. The turbine blade includes a base 1 and a feather 2 mounted on it. Opposite lateral surfaces of the pen, the concave trough 3 and the convex back 4 are closed to form an input edge 5 and an output edge 6 located on the middle surface 7 of the pen. The blade cooling system contains two circuits: an open circuit 8, purged from the outside with air or steam, and a closed circuit 9, filled with liquid sodium circulating inside the blade. The mutual arrangement of the channels 10 of the open circuit and the channels 11 of the closed circuit provides the possibility of heat exchange between both circuits. Closed loop channels are looped through a feather blade.

Замкнутый контур выполнен в виде винтообразного канала 12 с овальными витками 13, 14, 15, ориентированными вдоль пера и последовательно расположенными между входной и выходной кромками. В частности, виток 15 расположен от входной кромки дальше, чем виток 14. Концы 16, 17 спирального канала соединены между собой шлейфом 18, который состоит из замыкающих каналов 19, 20, сообщающихся с резервуаром 21. Замыкающие каналы и резервуар расположены в основании лопатки. На поверхность пера нанесено теплоизолирующее покрытие 22. The closed loop is made in the form of a helical channel 12 with oval turns 13, 14, 15, oriented along the pen and sequentially located between the input and output edges. In particular, the turn 15 is located from the input edge farther than the turn 14. The ends 16, 17 of the spiral channel are interconnected by a loop 18, which consists of closing channels 19, 20 in communication with the reservoir 21. The closing channels and the reservoir are located at the base of the blade. A heat-insulating coating 22 is applied to the surface of the pen.

Овальный виток спирального канала включает два радиальных участка 23, 24 и две перемычки, одна из которых 25 расположена в области пера, а другая 26
в области основания. Витки винтообразного канала замкнутого контура совмещены в области пера с каналами открытого контура. Для этого каналы 10 открытого контура расположены внутри лопатки вдоль ближайших к ним радиальных участков 23 овальных витков. Ряд 27 радиальных каналов открытого контура расположен вдоль спинки 4 пера, между спинкой и винтообразным каналом 12 замкнутого контура.The oval coil of the spiral channel includes two radial sections 23, 24 and two jumpers, one of which 25 is located in the pen and the other 26
in the base area. The turns of a helical channel of a closed loop are aligned in the pen area with the channels of the open loop. For this, the channels 10 of the open circuit are located inside the scapula along the radial sections 23 of the oval turns nearest to them. A row of 27 open-loop radial channels is located along the back of the pen 4, between the back and the helical channel 12 of the closed loop.

Ориентация перемычек 25, 26 относительно средней поверхности 7 пера меняется от витка к витку и по мере приближения витка к выходной кромке стремится к ориентации средней поверхности 7. Перемычка 28 последнего витка направлена вдоль поверхности 7, а крайние радиальные участки 29 и 30 вдоль выходной и входной кромок пера соответственно (см. фиг.1). The orientation of the jumpers 25, 26 relative to the middle surface 7 of the pen changes from turn to turn and, as the turn approaches the output edge, tends to the orientation of the middle surface 7. The jumper 28 of the last turn is directed along surface 7, and the extreme radial sections 29 and 30 along the output and input the edges of the pen, respectively (see figure 1).

Турбинная лопатка может быть выполнена прямой либо с закруткой (см. фиг. 2), которая целесообразна при отношении среднего диаметра турбинной ступени к длине пера лопатки, меньшем десяти. Лопатка с основанием 31 и пером 32 включает замкнутый винтообразный канал 33 закрытого контура. Витки 34 винтообразного канала деформированы в соответствии с формой загрузки. Вдоль витков расположены каналы 35, 36 открытого контура, которые в данном случае выходят в проточную часть турбины через торец 37 верхней части пера, смещенный относительно корневого сечения 38. The turbine blade can be made straight or with a twist (see Fig. 2), which is appropriate when the ratio of the average diameter of the turbine stage to the length of the blade blade is less than ten. The blade with a base 31 and a feather 32 includes a closed helical channel 33 of a closed circuit. The turns 34 of the helical channel are deformed in accordance with the shape of the load. Channels 35, 36 of the open circuit are located along the turns, which in this case exit into the turbine flow section through the end face 37 of the upper part of the feather, offset from the root section 38.

В другом варианте (см. фиг.3) турбинной лопатки, содержащей основание 39 и перо 40, замкнутый винтообразный канал 41 замкнутого контура выполнен с чередованием витков левого и правого направлений. В частности, по ходу контура от входной кромки 42 к выходной кромке 43 витки соединены в следующей последовательности: левый виток 44, правый виток 45, левый виток 46, правый виток 47 и т. д. При этом витки противоположных направлений сдвинуты друг относительно друга к противоположным боковым поверхностям пера: левые витки 44 и 46 примыкают к корыту 48, правые витки 45 и 47 к спинке 49. Радиальные каналы 50, 51 открытого контура расположены внутри пера в средней части его сечения вдоль средней поверхности 52 пера. Концы винтообразного канала замкнуты на резервуар 53 шлейфом 54. In another embodiment (see Fig. 3), a turbine blade comprising a base 39 and a feather 40, a closed helical channel 41 of a closed circuit is made with alternating turns of the left and right directions. In particular, along the contour from the input edge 42 to the output edge 43, the turns are connected in the following sequence: the left turn 44, the right turn 45, the left turn 46, the right turn 47, and so on. The turns of opposite directions are shifted relative to each other to opposite side surfaces of the pen: the left turns 44 and 46 are adjacent to the trough 48, the right turns 45 and 47 to the back 49. Radial channels 50, 51 of the open contour are located inside the pen in the middle of its cross section along the middle surface 52 of the pen. The ends of the helical channel are closed to the reservoir 53 by a loop 54.

В третьем варианте (см. фиг.4) турбинной лопатки, содержащей основание 55 и перо 56, замкнутый винтообразный канал 57 замкнутого контура охлаждения изогнут в виде петли с образованием двух ветвей 58 и 59, между которыми вдоль средней поверхности 60 расположены радиальные каналы 61, 62 открытого контура. Ветви выполненного таким путем двойного канала состоят из правых витков 63, 64. Ветви соединены перемычкой 65, расположенной в основании со стороны входной кромки 66, и шлейфом 67, расположенным в основании со стороны выходной кромки 68. Концевые радиальные участки 69, 70 витков винтообразного канала расположены на разном удалении от выходной кромки и замкнуты на резервуар 71. In the third embodiment (see Fig. 4) of a turbine blade containing a base 55 and a feather 56, the closed helical channel 57 of the closed cooling circuit is bent in the form of a loop with the formation of two branches 58 and 59, between which along the middle surface 60 there are radial channels 61, 62 open circuit. The branches of the double channel made in this way consist of right turns 63, 64. The branches are connected by a jumper 65 located in the base on the side of the input edge 66 and a loop 67 located in the base on the side of the output edge 68. The radial end sections 69, 70 of the turns of the helical channel located at different distances from the output edge and closed to the reservoir 71.

Варианты турбинной лопатки имеют общи элементы, которые описаны ниже на примере первого варианта (см. фиг.1, 5, 6). Основанием лопатки служит елочный хвостовик 72 для торцевой заводки в диск ротора. В хвостовике выполнены два коллектора для пропускания пара входной коллектор 73 и выходной коллектор 74. Коллекторы имеют торцевые выходы, которые заглушены пробками 75, 76, и каналы 77, 78, соединяющие их с дном 79 хвостовика для подключения к паропроводам ротора. Торцевые выходы могут быть использованы при распределении пара в диске ротора с помощью дефлекторов, прижимаемых к торцам 80, 81 хвостовика. Variants of a turbine blade have common elements, which are described below on the example of the first variant (see Figs. 1, 5, 6). The base of the blade is the Christmas tree shank 72 for end winding into the rotor disk. Two shafts are made in the shank for transmitting steam, the input manifold 73 and the output manifold 74. The collectors have end outputs that are plugged with plugs 75, 76, and channels 77, 78 connecting them to the bottom 79 of the shank for connection to the rotor steam lines. End outputs can be used to distribute steam in the rotor disk using deflectors pressed against the ends of the shank 80, 81.

В верхней части пера выполнен промежуточный коллектор 82, соединенный каналами 10, 83, 84 с входным и выходным коллекторами. Резервуар 21, замыкающий концы винтообразного канала 12, заделан в хвостовик лопатки между коллекторами 73, 74. Резервуар заглушен пробкой 85, на которую изнутри насажен колпачковый сильфон 86, заполненный инертным газом. In the upper part of the pen, an intermediate collector 82 is made, connected by channels 10, 83, 84 to the input and output collectors. The reservoir 21, which closes the ends of the helical channel 12, is sealed in the shank of the blade between the collectors 73, 74. The reservoir is sealed with a plug 85, on which a cap bellows 86 filled with inert gas is fitted from the inside.

Сильфон расположен в резервуаре 21 с зазором. Деформация сильфона обеспечивает возможность теплового расширения жидкого натрия в замкнутом контуре. Заключение деформируемого инертного газа в сильфонную оболочку предотвращает попадание этого газа в витки винтообразного канала, где он мог бы создать пробку, препятствующую циркуляции натрия. The bellows is located in the tank 21 with a gap. The deformation of the bellows provides the possibility of thermal expansion of liquid sodium in a closed loop. The inclusion of a deformable inert gas in the bellows shell prevents this gas from entering the turns of the screw channel, where it could create a plug that impedes the circulation of sodium.

Дополнительным средством для локализации газа, попавшего в спиральный канал случайно или оставленного там по необходимости, служат расширения 87, выполненные на нижних перемычках 88, 89 витков. В местах расширений канал имеет большее поперечное сечение, чем на радиальных участках 90, 91 и верхних перемычках 92, 93 витков спирального канала. При вращении ротора газ вытесняется в нижнюю часть 94 расширения и находится под свободной поверхностью 95 жидкого натрия без разрыва потока. В этих условиях расширения дублируют демпфирующую роль сильфона и при достаточных размерах могут его заменить. An additional tool for the localization of gas that fell into the spiral channel accidentally or left there as needed, are extensions 87 made on the lower jumpers 88, 89 turns. In the places of expansion, the channel has a larger cross section than in the radial sections 90, 91 and the upper bridges 92, 93 of the turns of the spiral channel. When the rotor rotates, the gas is forced into the lower part of the expansion 94 and is located under the free surface 95 of liquid sodium without breaking the flow. Under these conditions, the extensions duplicate the damping role of the bellows and, if they are of sufficient size, can replace it.

Упрощенная схема замкнутого контура охлаждения (см. фиг.6) служит также иллюстрацией четвертого варианта турбинной лопатки с развернутым каналом, каждый виток которого содержит два радиальных участка 90, 91 и две перемычки 88, 92, причем обе перемычки ориентированы одинаково, вдоль средней поверхности пера. A simplified diagram of a closed cooling circuit (see Fig. 6) also serves as an illustration of a fourth variant of a turbine blade with an expanded channel, each turn of which contains two radial sections 90, 91 and two jumpers 88, 92, both jumpers oriented identically along the middle surface of the pen .

Устройство для заправки турбинной лопатки теплоносителем (см. фиг.7, 8) включает резервуар 21, сообщающийся с каналом закрытого контура 9. Канал образован трубопроводом 96. Резервуар выполнен в виде круглого цилиндра 97. Дно цилиндра имеет форму пробки 98 с двумя круглыми отверстиями 99, 100, в которые вставлены цилиндрические трубки 101, 102, являющиеся концами трубопровода. A device for filling a turbine blade with a coolant (see Figs. 7, 8) includes a reservoir 21 in communication with the channel of the closed circuit 9. The channel is formed by a pipe 96. The tank is made in the form of a round cylinder 97. The bottom of the cylinder has the shape of a plug 98 with two round openings 99 , 100 into which cylindrical tubes 101, 102 are inserted, which are the ends of the pipeline.

Трубки выступают в полость 103 цилиндра с образованием штырей 104, 105, отделенных друг от друга и от боковой стенки 106 резервуара зазорами 107, 108. Съемный штекер, используемый в процессе заправки, включает пробку 109 с фланцем 110, упирающимся в торец цилиндра, и две трубки 111, 112, закрепленные в отверстиях пробки. Трубка 111 штекера входит в полость трубки 101 дна цилиндра и служит для заливки жидкого натрия в трубопровод замкнутого контура. Трубка 112 имеет свободный конец и служит для создания вакуума в трубопроводе перед заливкой и во время нее. The tubes protrude into the cylinder cavity 103 to form pins 104, 105, separated from each other and from the side wall of the tank by clearances 107, 108. The removable plug used in the filling process includes a stopper 109 with a flange 110 abutting against the cylinder end face and two tubes 111, 112, fixed in the holes of the tube. The tube 111 of the plug enters the cavity of the tube 101 of the bottom of the cylinder and serves to fill liquid sodium into the closed loop pipeline. The tube 112 has a free end and serves to create a vacuum in the pipeline before and during pouring.

Трубопровод 96 замкнутого контура, заполненный жидким натрием 113, заделан в металлическую матрицу 114 турбинной лопатки (см. фиг.9, 10). Каналы 10 открытого контура выполнены непосредственно в материале матрицы. На поверхности матрицы выполнено антикоррозионное металлическое покрытие 115, которое служит подложкой для теплоизолирующего покрытия 116 из керамики. The closed-circuit pipeline 96 filled with liquid sodium 113 is embedded in a metal matrix 114 of a turbine blade (see Figs. 9, 10). The channels 10 of the open circuit are made directly in the matrix material. An anticorrosive metal coating 115 is made on the surface of the matrix, which serves as a substrate for the ceramic insulating coating 116.

В качестве каналов открытого контура могут быть использованы также пазы 117, выполненные на поверхности матрицы вдоль пера и закрытые металлической оболочкой 118, приваренной к ребрам 119 между пазами. Теплоизолирующее покрытие 120 закреплено на поверхности оболочки. Под пазами расположены каналы 121 замкнутого контура охлаждения с жидким натрием. As channels of the open circuit can also be used grooves 117 made on the surface of the matrix along the pen and closed with a metal sheath 118 welded to the ribs 119 between the grooves. The heat-insulating coating 120 is fixed to the surface of the shell. Under the grooves are channels 121 of a closed cooling circuit with liquid sodium.

Промежуточный коллектор 82 может быть соединен каналами 122 с дополнительным коллектором 123, который служит для выпуска пара при впуске его через коллекторы 73, 74. Турбинная лопатка может быть выполнена в составе монолитного ротора, осевая часть которого при этом служит основанием лопатки. The intermediate manifold 82 can be connected by channels 122 to an additional manifold 123, which serves to release steam when it is introduced through the collectors 73, 74. The turbine blade can be made as part of a monolithic rotor, the axial part of which serves as the base of the blade.

В турбинной лопатке могут быть применены материалы: матрица литейный никелевый сплав с содержанием хрома более 10% по массе, антикоррозионное покрытие сплав CoCrAlY на основе кобальта с содержанием хрома более 20% по массе либо хром с добавками железа или марганца; металлический хладагент - натрий или его сплавы с калием, а именно соединение KNa₂, эвтектика K + KNa₂ (температуры плавления 98^oC, 7^oC, -12,5^oC, соответственно); теплоизолирующее покрытие керамический материал, включающий волокна из оксида алюминия либо оксида циркония. В качестве жидкого хладагента может быть использована также вода.The following materials can be used in the turbine blade: matrix cast nickel alloy with a chromium content of more than 10% by mass, a corrosion-resistant coating CoCrAlY alloy based on cobalt with a chromium content of more than 20% by mass or chromium with iron or manganese additives; metal refrigerant - sodium or its alloys with potassium, namely the compound KNa ₂ , eutectic K + KNa ₂ (melting points 98 ^o C, 7 ^o C, -12.5 ^o C, respectively); heat-insulating coating is a ceramic material including fibers of aluminum oxide or zirconium oxide. Water can also be used as a liquid refrigerant.

Лопатка может быть использована, например, в роторе первой ступени газовой турбины. При среднем диаметре ступени 2 м длина пера лопатки составляет 150 мм, внутренний диаметр винтообразного канала 4 мм, диаметр каналов открытого контура 2 мм, толщина антикоррозионного покрытия 200 мкм, толщина теплоизолирующего покрытия 1 мм. The blade can be used, for example, in the rotor of the first stage of a gas turbine. With an average step diameter of 2 m, the length of the blade feather is 150 mm, the inner diameter of the spiral channel is 4 mm, the diameter of the channels of the open circuit is 2 mm, the thickness of the anticorrosion coating is 200 μm, and the thickness of the heat-insulating coating is 1 mm.

При работе турбины первичный хладагент отводит тепло от пера лопатки, вторичный хладагент выравнивает температуру пера. В фиксированном объеме замкнутого контура повышение температуры натрия влечет за собой повышение давления его пара, что исключает кипение. Процессы испарения и конденсации ограничены относительно небольшим объемом газа, оставленного в качестве демпфера в спиральном канале, и не препятствуют конвекции жидкого натрия. During the operation of the turbine, the primary refrigerant removes heat from the feather of the blade, the secondary refrigerant equalizes the temperature of the feather. In a fixed volume of a closed loop, an increase in the temperature of sodium entails an increase in the pressure of its vapor, which eliminates boiling. Evaporation and condensation are limited by the relatively small volume of gas left as a damper in the spiral channel and do not interfere with convection of liquid sodium.

Заправку турбинной лопатки производят через трубки 111 и 112 съемного штекера. После заправки цилиндр 97 герметично закрывают пробкой 85, которую при необходимости приваривают. The turbine blades are charged through the tubes 111 and 112 of the removable plug. After refueling, the cylinder 97 is hermetically sealed with a plug 85, which is welded if necessary.

Зазоры 107, 108, окружающие штыри 104, 105 в полости цилиндра 97, препятствуют попаданию остаточного газа из цилиндра в витки винтообразного канала при опрокидывании лопатки во время монтажа ротора. The gaps 107, 108 surrounding the pins 104, 105 in the cavity of the cylinder 97, prevent residual gas from the cylinder from entering the coils of the helical channel when the vanes tip over during the installation of the rotor.

При работе турбины на очищенном топливе, в отсутствие интенсивной сульфидно-оксидной коррозии допустима максимальная температура матрицы лопатки 850.900^oC. Охлаждение пера лопатки двумя хладагентами в сочетании с теплоизоляцией обеспечивает возможность работы турбины с температурой газа на входе выше 1500^oC. При одной и той же интенсивности охлаждения повышение температуры газов требует утолщения теплоизолирующего покрытия, что уменьшает его прочность в потоке газа и увеличивает вероятность местных повреждений.When the turbine is running on purified fuel, in the absence of intense sulfide-oxide corrosion, a maximum blade matrix temperature of 850.900 ^° C is permissible. Cooling the blade feather with two refrigerants in combination with thermal insulation makes it possible to operate the turbine with an inlet gas temperature above 1500 ^° C. the same cooling intensity, an increase in the temperature of the gases requires a thickening of the insulating coating, which reduces its strength in the gas flow and increases the likelihood of local damage.

Обладая относительно малой площадью, поврежденное место не увеличивает существенно суммарного теплоотвода от лопатки и температуру жидкого хладагента, который благодаря высокой теплопроводности в состоянии при этом поддерживать температуру поврежденного места на уровне ниже аварийного. Это было бы невозможно в случае применения одного только газообразного хладагента, обеспечивающего равномерное распределение температуры до повреждения. Having a relatively small area, the damaged area does not significantly increase the total heat removal from the blade and the temperature of the liquid refrigerant, which, due to its high thermal conductivity, is able to maintain the temperature of the damaged area below the emergency level. This would not have been possible if only a gaseous refrigerant had been used, ensuring a uniform temperature distribution before damage.

Claims

1. A method of cooling a turbine blade, comprising heat exchange between the refrigerants of the closed and open cooling circuits in the area of the feather of the blade under the influence of a thermosiphon differential pressure in the closed circuit channel, characterized in that the heat exchange is carried out by circulating the refrigerant along the turns of the closed circuit channel to ensure local thermosiphon differences pressure, equally directed along the channel in adjacent turns, with the successive movement of the refrigerant from one turn to another.

2. The method according to claim 1, characterized in that the alkaline metal is used as the refrigerant.

3. A turbine blade containing a base and a feather with inlet and outlet edges, inside of which are longitudinal channels that form closed and open cooling circuits that are in thermal contact with each other in the pen area, characterized in that the closed circuit is made in the form of a helical channel with oval turns oriented along the pen and sequentially located between the input and output edges.

4. The blade according to claim 3, characterized in that each oval turn of the helical channel contains two radial sections and two transverse ones, one of the latter is located in the pen area and the other in the base area.

5. The blade according to claim 4, characterized in that each transverse section of the channel located in the base region is made with the expansion of the channel compared to the radial sections of the coil.

6. The blade according to claim 3, characterized in that the adjacent turns of the helical channel have the same direction, and the channels of the open circuit are located along one of the surfaces of the pen, between this side surface and the helical channel.

7. The blade according to claim 3, characterized in that the helical channel is made with alternating turns of the left and right directions.

8. The blade according to claim 7, characterized in that the turns of the helical channel of opposite directions are shifted relative to each other respectively to opposite side surfaces of the pen.

9. The blade according to claim 3, characterized in that the helical channel is bent in the form of a loop with the formation of two screw-shaped parts, between which the channels of the open circuit are located.

10. The blade according to claim 3, characterized in that the helical channel is deployed along the middle surface of the pen, and the channels of the open circuit are located one per revolution.

11. The blade according to claim 3, characterized in that the helical channel is made of a tube embedded in the matrix of the blade.

12. The blade according to claim 11, characterized in that the tube is made of titanium.

13. The blade according to claim 3, characterized in that it is equipped with inlet and outlet manifolds located at the base of the blade and connected to the channels of the open circuit.

14. A device for refueling a closed circuit of a turbine blade with a coolant containing a reservoir in communication with the channel, characterized in that the reservoir is made in the form of a round cylinder with a bottom and a lid, two holes being made in the bottom, into which cylindrical tubes communicating with the channel are inserted, recessed into the cavity of the tank and gaps separated from each other and the side wall of the tank.