RU151082U1

RU151082U1 - GAS-TURBINE UNIT TURBINE COOLING COOLING DEVICE

Info

Publication number: RU151082U1
Application number: RU2014122224/06U
Authority: RU
Inventors: Владимир Андреевич Керножицкий; Алексей Васильевич Колычев; Михаил Никитич Охочинский
Original assignee: Владимир Андреевич Керножицкий; Алексей Васильевич Колычев; Михаил Никитич Охочинский
Priority date: 2014-05-30
Filing date: 2014-05-30
Publication date: 2015-03-20

Abstract

1. Устройство охлаждения лопаток турбины газотурбинной установки (ГТУ), включающее сопловые и рабочие 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 нанесенного на поверхность лопаток эмиссионного слоя из электропроводящего материала, характеризующегося низкой работой выхода электронов при нагреве, а анод - в виде выполненного из электропроводящего материала элемента, воспринимающего электроны из потока рабочего тела, при этом в электропроводящей схеме между анодом и катодом электрически последовательно располагаются токовывод, электрическая нагрузка, рабочие или сопловые лопатки, также выполненные из электропроводящего материала, 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 (TrO) или гексаборида лантала (LaB).1. The cooling device of the turbine blades of a gas turbine installation (GTU), including nozzle and working blades with elements for their connection to the cooling system, characterized in that the cooling system is an electrically conductive circuit connecting the anode and cathode, the cathode being made on the blades surface an emission layer of an electrically conductive material, characterized by a low electron work function when heated, and the anode is in the form of an element perceiving electrons from the flow of the working fluid, while in the electrically conductive circuit between the anode and the cathode there are electrically sequentially current output, electric load, working or nozzle blades, also made of electrically conductive material, the anode being located through the layer of electrical insulation on the inner wall of the gas turbine housing, and outside the housing GTU, opposite the installation site of the anode in thermal contact with it through the wall of the GTU housing, a cooling element with cooling medium circulation channels is installed, connected th compressor GTU.2. The device according to claim 1, characterized in that the emission layer and the anode are made of thorium dioxide (TrO) or lantalum hexaboride (LaB).

Description

Полезная модель 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.The utility model relates to power engineering and can be used to create aviation and rocket and space technology, in nuclear energy and shipbuilding facilities, as well as in areas where turbomachine energy conversion is required.

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 1800К. Для этого предполагается использовать сплавы и композиционные материалы на основе ниобия. Необходимость поддержания температуры лопаток на уровне 1800К и 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.At present, when creating gas turbine units (GTU), it is expected that the temperature of the working fluid in front of the turbine will increase significantly, which will lead to an increase in the efficiency of the GTU, and therefore to fuel economy. Therefore, it is necessary to develop turbine blades capable of maintaining operability at temperatures of the order of 1800K. For this, it is proposed to use alloys and composite materials based on niobium. The need to maintain the temperature of the blades at the level of 1800K and at the same time increase the temperature of the working fluid in front of the turbine makes it necessary to remove a large amount of thermal energy from the blades. However, the existing methods of removing the heat energy of heating the blades suggest the presence of special channels for circulation of the coolant and holes for the output of this coolant into the gas high-temperature flow of the working fluid, which leads to a complication of the design of the blades and turbine shaft, and, as a result, to a decrease in reliability and increase the cost and complexity of manufacturing vanes and gas turbines in general. Therefore, it is necessary to search for new methods of heat removal from high-temperature turbine blades, providing a high level of reliability, as well as low complexity and cost of manufacturing these blades.

Известно «УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНВЕКТИВНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ТУРБИНЫ» по патенту RU №2009331, которое включает перфорированный элемент, выполненный в виде пластины, ребра и штыри, кромками контактирующих с пластиной, при этом охлаждающий тракт выполнен высотой, уменьшающейся по ходу движения охлаждающей среды.It is known "DEVICE FOR CONVECTIVE COOLING OF TURBINE DETAILS" according to patent RU No. 2009331, which includes a perforated element made in the form of a plate, ribs and pins, edges contacting with the plate, while the cooling path is made in height, decreasing in the direction of movement of the cooling medium.

Известно «УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ» по патенту SU №1453987, которое содержит выполненные в ободе диска отверстия для прохода охлаждающей среды, сообщенные с каналами лопаток, и направляющий аппарат предварительной закрутки по меньшей мере с двумя группами лопаток, межлопаточные каналы каждой из которых подключены индивидуально трубопроводом с регулятором к источнику охлаждающей среды, отличающееся тем, что, с целью повышения экономичности, лопатки одной группы имеют угол выхода в 4-5 раз больший, чем у лопаток другой группы, а входные участки отверстий наклонены в сторону направляющего аппарата.It is known "DEVICE FOR COOLING WORKING BLADES OF A GAS TURBINE" according to patent SU No. 1453987, which contains openings for passage of a cooling medium made in the rim of the disk communicated with the channels of the blades, and a guiding apparatus for pre-twisting with at least two groups of blades, interscapular channels of each which are individually connected by a pipeline with a regulator to a source of cooling medium, characterized in that, in order to increase efficiency, the blades of one group have an exit angle 4-5 times larger than that of the shovels ok of the other group, and the inlet sections of the holes are inclined towards the guide apparatus.

Известно «УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ РОТОРА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ» по патенту RU №2443869, которое содержит пневмопроводы, холодильник, охлаждаемые рабочие лопатки с автономными охлаждающими системами входной кромки и пера лопатки, соединенными с каналами в хвостовике, кольцевое закручивающее пневматическое устройство, лабиринтные уплотнения и кольцевые полости. Одна из кольцевых полостей образована статором и роторной частью между компрессором и турбиной, а другая - покрывным диском и диском рабочего колеса. Проточная часть за компрессором пневмопроводом соединена с пневматическим входом холодильника. Пневматический выход холодильника соединен с кольцевой надроторной полостью между компрессором и турбиной, которая в районе турбины имеет лабиринтное уплотнение с увеличенным зазором, за которым в покрывном диске расположен ряд отверстий. Отверстия соединены с входом в телескопические трубчатые пневмопроводы, выход каждого из которых соединен с входным патрубком канала системы охлаждения входной кромки охлаждаемой рабочей лопатки турбины. Пневматический выход холодильника соединен с кольцевым закручивающим пневматическим устройством, напротив выхода из которого в покрывном диске расположен ряд отверстий с выходом в кольцевую полость, которая соединена с располагаемыми в хвостовиках лопаток продольными каналами системы охлаждения пера рабочей лопатки турбины.It is known "DEVICE FOR COOLING A GAS TURBINE ROTOR" according to patent RU No. 2443869, which contains pneumatic piping, a refrigerator, cooled working blades with autonomous cooling systems of the input edge and the blade feather connected to channels in the shank, an annular screw pneumatic device, labyrinth seals and ring cavities . One of the annular cavities is formed by the stator and the rotor part between the compressor and the turbine, and the other is the cover disk and the impeller disk. The flow part behind the compressor is connected by a pneumatic line to the pneumatic inlet of the refrigerator. The pneumatic outlet of the refrigerator is connected to the annular nadrotorny cavity between the compressor and the turbine, which in the area of the turbine has a labyrinth seal with an increased gap, behind which a series of holes are located in the cover disk. The holes are connected to the entrance to the telescopic tubular pneumatic pipelines, the output of each of which is connected to the inlet pipe of the cooling system channel of the inlet edge of the cooled working turbine blade. The pneumatic outlet of the refrigerator is connected to an annular swirling pneumatic device, opposite the outlet from which a series of holes are located in the casing disk with an outlet into the annular cavity, which is connected to the longitudinal channels of the cooling system of the turbine rotor blade feather located in the shanks of the blades.

Недостатком аналогов является наличие сложной системы охлаждения лопаток турбины, которая заключается в том, что в лопатках и других элементах турбины (вал, ротор) выполнены каналы, по которым циркулируют охлаждающие вещества, например, воздух. Это приводит к увеличению сложности изготовления лопаток турбины, к снижению их надежности и надежности ГТУ в целом.The disadvantage of analogues is the presence of a complex cooling system for turbine blades, which consists in the fact that in the blades and other elements of the turbine (shaft, rotor) channels are made through which coolants, for example, air, circulate. This leads to an increase in the complexity of manufacturing turbine blades, to a decrease in their reliability and the reliability of gas turbines in general.

Ближайшим по технической сущности к заявляемой полезной модели, принимаемому за прототип, является устройство системы охлаждения лопаток ГТУ, описанное в патенте RU №2387845 «Газотурбинная установка», которое включает систему отбора от компрессора и подачи охлаждающего газа, каналы охлаждения и отверстия для выпуска газа в межлопаточное пространство турбины, которыми снабжаются сопловые и рабочие лопатки турбины ГТУ. Часть отверстий для выпуска газа через поверхность рабочей лопатки в межлопаточное пространство, расположенных на вогнутой поверхности лопатки, выполнена в виде проницаемых вставок с совокупностью отверстий.The closest in technical essence to the claimed utility model adopted for the prototype is the device of the GTU blade cooling system described in patent RU No. 2387845 "Gas turbine installation", which includes a sampling system from the compressor and the supply of cooling gas, cooling channels and openings for gas discharge into the interscapular space of the turbine, which are supplied with nozzle and working blades of the turbine GTU. Part of the holes for the release of gas through the surface of the working blade into the interscapular space located on the concave surface of the blade is made in the form of permeable inserts with a set of holes.

Устройство системы охлаждения по прототипу работает следующим образом.The device of the cooling system of the prototype works as follows.

В момент, когда компрессор ГТУ начинает нагнетать рабочее тело к источнику тепловой энергии (камере сгорания) в компрессоре отбирается часть поступающего воздуха и через отверстия во вращающемся валу поступает в его внутреннюю полость, подходит к сопловым и рабочим лопаткам. Проходя через рабочие лопатки, воздух охлаждает их, после чего направляется к проницаемым вставкам и через них выдувается в виде плоской дозвуковой струи в основной высокотемпературный высокоскоростной газовый поток рабочего тела, протекающий в межлопаточном пространстве.At the moment when the GTU compressor starts to pump the working fluid to the heat source (combustion chamber), a part of the incoming air is taken in the compressor and through the holes in the rotating shaft enters its internal cavity, approaches the nozzle and working blades. Passing through the working blades, the air cools them, after which it is directed to the permeable inserts and blown through them in the form of a flat subsonic jet into the main high-temperature high-speed gas flow of the working fluid flowing in the interscapular space.

Недостатком прототипа является наличие сложной системы каналов в лопатках и в валу, что приводит к увеличению сложности изготовления лопаток и, следовательно, снижению надежности ГТУ.The disadvantage of the prototype is the presence of a complex system of channels in the blades and in the shaft, which leads to an increase in the complexity of the manufacture of the blades and, therefore, a decrease in the reliability of the gas turbine.

Технической задачей, вытекающей из современного уровня науки и техники является повышение надежности лопаток турбины в условиях взаимодействия с высокотемпературным потоком рабочего тела за счет организации отвода тепловой энергии от лопаток турбины, с помощью других типов теплоносителей, например, электронов при термоэлектронной эмиссии, и упрощение устройства лопаток турбины с одновременным повышением на этой основе КПД ГТУ посредством увеличения температуры рабочего тела перед турбиной и преобразования части тепловой энергии нагрева лопаток турбины в электрическую энергию.The technical problem arising from the modern level of science and technology is to increase the reliability of turbine blades in conditions of interaction with a high-temperature flow of the working fluid by organizing the removal of thermal energy from the turbine blades using other types of coolants, for example, electrons during thermionic emission, and simplifying the design of the blades turbines with a simultaneous increase on this basis of GTU efficiency by increasing the temperature of the working fluid in front of the turbine and converting part of the thermal energy to overheating of the turbine blades into electrical energy.

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 лопатки турбины. Лопатки турбины и эмиссионный слой в данном случае образуют катод. В ГТУ с заявляемым устройством охлаждения лопаток турбины между источником тепловой энергии и холодильником (или выходным отверстием незамкнутой ГТУ) располагается элемент - анод из электропроводящего 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 лопаток турбины. Анод располагается на внутренней стенке корпуса ГТУ между источником тепловой энергии и холодильником. Форма и место расположения анода подбираются так, чтобы обеспечитьThe indicated technical problem is solved in that the turbine blades and nozzles are made of an electrically conductive material with a high melting point, for example, niobium-based alloys, and a layer of an electrically conductive material is deposited on their surface, characterized by a low electron work function when heated, for example, thorium dioxide (TrO ₂ ) or lantalum hexaboride (LaB ₆ ). The emission layer provides the emission of "hot" electrons into the working fluid moving from the source of thermal energy and flowing around the turbine blades. The turbine blades and the emission layer in this case form a cathode. In a gas turbine with the inventive device for cooling turbine blades between a heat source and a refrigerator (or an outlet of an open gas turbine) there is an anode element made of an electrically conductive material, for example, thorium dioxide (TrO ₂ ) or lantalum hexaboride (LaB ₆ ). The anode is designed to perceive all emission electrons from the working fluid emitted into the working fluid from the emission layer of the turbine blades. The anode is located on the inner wall of the gas turbine unit between a heat source and a refrigerator. The shape and location of the anode are selected so as to provide

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 лопатках турбины. Часть тепловой энергии нагрева 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 лопаток турбины преобразуется в электрическую энергию. Это в целом приводит к повышению КПД ГТУ.hit on the anode of all emission electrons from the high-temperature flow of the working fluid flowing around it. The anode in this case can be made in the form of a grid or a group of grids. The anode is electrically connected to the cathode, forming an electrical circuit. To output electrons from the anode, a current output is used. Between the anode and cathode in the indicated electrical circuit, a current output and an electrical load are arranged in series, where the “hot” emission electrons do useful work. In this case, the electrons are “cooled”, because, doing useful work in an electric load, the electrons spend the energy that they received in the heated turbine blades. Part of the thermal energy of heating the turbine blades, carried away by the electrons during thermionic emission from the emission layer, is spent on useful electrical work in electrical load. That is, part of the thermal energy of heating the turbine blades is converted into electrical energy. This as a whole leads to an increase in the efficiency of gas turbines.

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.To maintain the directional movement of electrons from the anode to the cathode in the electrical circuit, the temperature of the anode must be kept below the cathode temperature. For this, the anode is placed in thermal contact through an electrical insulation layer, with the anode cooling system connected to the gas turbine compressor, through whose channels a cooling medium, for example, air, is passed.

В целом сущность заявляемой полезной модели состоит в разработке потенциально новой системы электронного охлаждения лопаток широкого класса ГТУ, применяемых в промышленных и оборонных областях.In general, the essence of the claimed utility model consists in the development of a potentially new electronic cooling system for a wide class of gas turbine blades used in industrial and defense fields.

Единым техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемой полезной модели является снижение температуры лопаток турбины за счет организации отвода тепловой энергии электронами при термоэлектронной эмиссии в высокотемпературный высокоскоростной поток рабочего тела. Вследствие этого не требуется устройства в лопатках турбины каналов и отверстий для прохождения охлаждающих веществ, например, воздуха, что приводит к повышению надежности, а также к снижению сложности и стоимости изготовления лопаток турбины. При этом часть тепла нагрева 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.A single technical result achieved by the implementation of the claimed utility model is to reduce the temperature of the turbine blades by organizing the removal of thermal energy by electrons during thermionic emission into a high-temperature high-speed flow of a working fluid. As a result, channels and holes are not required in the turbine blades for the passage of cooling substances, for example, air, which leads to increased reliability, as well as to reduced complexity and cost of manufacturing turbine blades. At the same time, part of the heat of heating of the blades is converted into electrical energy, as a result of which it becomes possible to increase the temperature of the working fluid in front of the turbine, which means an increase in the efficiency of the claimed gas turbine compared to analogues and prototype.

На фиг. 1 в разрезе представлена ГТУ, оснащенная заявляемым устройством охлаждения лопаток турбины.In FIG. 1 is a sectional view of a gas turbine equipped with the inventive turbine blade cooling device.

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.Presented in FIG. 1 GTU includes the following elements: 1 - starter, 2 - compressor, 3 - heat source, 4 - turbine nozzle blades, 5 - turbine working blades, 6 - emission layer, 7 - anode, 8 - current output, 9 - anode electrical insulation, 10 - flow cooling system, 11 - anode cooling system channels, 12 - GTU casing, 13 - payload, 14 - current collector, 15 - turbine shaft, 16 - turbine rotor, 17 - refrigerator, 18 - nozzle insulation blades, 19 - conductive stator substrate.

Устройство охлаждения лопаток турбины ГТУ работает следующим образом.The cooling device of the turbine blades of the turbine is as follows.

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 (1600-2100К), 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 1.5МВт/м², что в совокупности с отводом тепла излучением позволит поднять температуру рабочего тела перед турбиной до уровня порядка 2700К при сохранении температуры лопаток турбины на уровне 1600-2100К. Для сравнения, одна из самых совершенных ГТУ, произведенная компанией Mitsubishi Heavy Industries, имеет температуру рабочего тела перед турбиной на уровне 1900К (см., например,http://www.mhi.co.jp/en/news/story/1105261435.html).Starting the starter 1 leads to the rotation of the compressor 2, which begins to be supplied with a working fluid, for example, air. After the compressor, the working fluid enters the source of thermal energy 3, for example, in the combustion chamber or in a nuclear reactor. Heated to high temperatures in the source of thermal energy 3, the working fluid enters the nozzle blades 4 and the working blades 5 of the turbine. In the interaction of the heated working fluid with the working blades 4 of the turbine creates a torque applied to the turbine. Part of the energy of the working fluid is spent on the promotion of compressor 2, and part - on the completion of useful mechanical work, for example, on the promotion of the rotor of an electric generator. In this case, the nozzle 4 and the working 5 turbine blades are heated to temperatures (1600-2100K), at which "hot" electrons begin to come out from the emission layer 6. Thermionic emission of electrons into the high-temperature flow of the working fluid occurs. In this case, the emission electrons take with them part of the thermal energy of heating the working 5 and nozzle 4 turbine blades, which leads to cooling of these blades. Moreover, the heat removal by electrons can exceed a value of 1.5 MW / m ² , which, together with the heat removal by radiation, will allow to raise the temperature of the working fluid in front of the turbine to a level of about 2700K while maintaining the temperature of the turbine blades at a level of 1600-2100K. For comparison, one of the most advanced gas turbines manufactured by Mitsubishi Heavy Industries has a working fluid temperature in front of the turbine at 1900K (see, for example, 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 лопаток.Further, the electrons are captured by the flow of the working fluid and begin to move with it. Thus, a spatial negative charge is eliminated near the emission layer 6, the presence of which would prevent further thermionic emission from the emission layer 6. This allows a high emission current density from the emission layer of the working 5 and nozzle 4 turbine blades, and, consequently, more intensive cooling specified blades.

При движении рабочего тела с электронами эмиссии происходит их восприятие анодом 7, выполненного из электропроводящего 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.When the working fluid moves with emission electrons, they are perceived by the anode 7, made of an electrically conductive material. Anode 7 (figure 1) is located on the walls of the casing of the gas turbine. The anode 7 in the general case has a shape and arrangement that ensures the perception of all emission electrons from the flow of the gas turbine working fluid.

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 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"From the anode, the electrons are directed to the current output 8, from which the electrons enter the electric load 13. In the electric load 13, the electrons do useful work, spending energy, which is part of the thermal energy of heating the turbine blades, received by the electrons in the nozzle 4 and working 5 turbine blades and which they took away during thermionic emission from the emission layer 6. The performance of useful work in an electrical load leads to "cooling"

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.electrons. Thus, part of the thermal energy of heating the nozzle 4 and the working 5 of the turbine blades is converted into useful electrical energy, which increases the efficiency of the claimed gas turbine compared to analogues and prototype.

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.To maintain directional movement from the anode 7 to the working 4 and nozzle 5 of the turbine blades and the emission layer 6 (cathode) along the electric circuit, the temperature of the anode is kept below the cathode temperature, for which the anode through the insulation layer of the anode 9 is in thermal contact with the flow cooling system anode 10 with channels 11 in which the coolant coming from the compressor, for example, air, circulates.

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.After the electric load 13, the "cooled" electrons through the current collector 14, enter the shaft 15 and then to the rotor 16, the working blades 5 and again to the emission layer 6. The shaft 15 and the rotor 16 are made of electrically conductive material. The current collector 14 may be mechanical, liquid metal or plasma. The current collector 14 provides the transition of electrons from the portion of the circuit leading from the payload 13 to the rapidly rotating shaft 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.In the case of nozzle blades 4, after a useful electrical load 13, the electrons enter the electrical substrate of the turbine stator 18, to the nozzle blades 4 and the emission layer 6, and the cooling cycle of the nozzle blades is repeated again. At the same time, the nozzle vanes 4 and the electric substrate of the stator 18 are electrically insulated from the gas turbine housing 12 by means of electrical insulation 19.

При возвращении «остывших» электронов в эмиссионный слой 6 цикл охлаждения повторяется заново.When the "cooled" electrons return to the emission layer 6, the cooling cycle is repeated again.

Одновременно, рабочее тело после прохождения анода 7 поступает в холодильник 17, от которого направляется на компрессор и цикл работы ГТУ повторяется заново.At the same time, after the passage of the anode 7, the working fluid enters the refrigerator 17, from which it is sent to the compressor and the gas turbine operation cycle is repeated again.

Технический эффект, достигаемый в результате применения заявляемой полезной модели 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 1600-2100К появляется возможность повысить температуру рабочего тела перед турбиной до величины порядка 2700К. А отсутствие в конструкции сопловых и рабочих 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.The technical effect achieved as a result of the application of the claimed utility model consists in the fact that due to the removal of thermal energy by electrons during thermionic emission, the temperature of the working and nozzle blades of the turbine is reduced, while the temperature of the working heat in front of the turbine is increased. At the same time, part of this thermal energy is converted into electrical energy. As a result, the efficiency of gas turbines in general increases. For example, calculations show that at the working temperature of the blades at the level of 1600-2100K, it becomes possible to increase the temperature of the working fluid in front of the turbine to a value of about 2700K. And the absence in the design of nozzle and rotor blades of the turbine of the channels for the circulation of cooling substances and openings for the withdrawal of these substances into the flow of the working fluid leads to an increase in the reliability of these blades, reduce the complexity and cost of their manufacture, which increases the reliability and cost of gas turbines in general.

Таким образом, благодаря новой совокупности отличительных признаков решаются поставленные задачи и достигается указанный выше технический результат.Thus, thanks to a new set of distinctive features, the tasks are solved and the above technical result is achieved.

Заявляемая система охлаждения 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.The inventive cooling system of turbine turbine blades, reflects a higher level of science and technology, has increased reliability and efficiency. The inventive gas turbine can be used in the creation of aviation and rocket and space technology, including in engine building, as well as in nuclear facilities and shipbuilding.

Реализация заявляемой ГТУ может быть получена при модернизации существующих ГТУ, причем трудоемкость данной модернизации относительно невелика, поскольку отличительные признаки заявляемой полезной модели могут быть интегрированы в конструкции существующих ГТУ без существенных изменений этих конструкций.The implementation of the claimed gas turbine can be obtained by modernizing existing gas turbines, and the complexity of this modernization is relatively small, since the distinguishing features of the claimed utility model can be integrated into the design of existing gas turbines without significant changes to these structures.

Claims

1. The cooling device of the turbine blades of a gas turbine installation (GTU), including nozzle and working blades with elements for their connection to the cooling system, characterized in that the cooling system is an electrically conductive circuit connecting the anode and cathode, the cathode being made on the blades surface an emission layer of an electrically conductive material, characterized by a low electron work function when heated, and the anode is in the form of an element perceiving electrons from the flow of the working fluid, while in the electrically conductive circuit between the anode and the cathode there are electrically sequentially current output, electric load, working or nozzle blades, also made of electrically conductive material, the anode being located through the layer of electrical insulation on the inner wall of the gas turbine housing, and outside the housing GTU, opposite the installation site of the anode in thermal contact with it through the wall of the GTU housing, a cooling element with cooling medium circulation channels is installed, connected th to the compressor gas turbine.

2. The device according to claim 1, characterized in that the emission layer and the anode are made of thorium dioxide (Tr ₂ O) or lantalum hexaboride (LaB ₆ ).