СТАТОР МНОГОСТУПЕНЧАТОЙ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2000 года по МПК F01D11/24 F01D25/14 

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано в конструкциях турбин ГТУ наземного применения.

Наряду с обычными требованиями, предъявляемыми к корпусам всех турбомашин (прочность, жесткость, сохранение формы) для обеспечения высоких КПД, корпуса газовых турбин должны обеспечивать минимальные радиальные зазоры в работе над вершинами рабочих лопаток.

Известна конструкция газовой турбины, которая имеет специфический режим работы, связанный с резким повышением температуры при пуске и внезапным охлаждением при срыве факела в камерах сгорания [1].

Недостатком известной конструкции является то, что сопловые лопатки крепятся непосредственно к корпусу, рабочие лопатки работают также непосредственно по корпусу. Вследствие этого корпус получается достаточно горячим и монтажные радиальные зазоры с учетом обеспечения неприхватывания лопаток ротора за статор при внезапном останове двигателя приходится делать достаточно большими. КПД такой турбины низкий. Кроме того, такой корпус излучает большое количество тепла в окружающую среду и повышает температуру в помещении.

Наиболее близкой к заявляемой является конструкция турбины, корпус которой имеет более сложную конструкцию. Сопловые лопатки и вставки разрезных колец крепятся к корпусу высокими ребрами, а между корпусом и последними размещена теплоизоляция, что уменьшает приток тепла в корпус. Над корпусом размещен кожух, а между ним и корпусом продувается охлаждающий воздух [2].

Преимуществом известной конструкции является то, что при включении охлаждения на установившемся режиме температура корпуса снижается, радиальные зазоры уменьшаются и КПД турбины растет, однако, если ребра корпуса, на которых крепятся сопловые лопатки и сектора разрезных колец, достаточно высоки, данная система охлаждения может быть недостаточно эффективной, охлаждающий воздух охлаждает только внешнюю оболочку наружного корпуса, а ребра, которые определяют его жесткость, остаются горячими, а следовательно, и радиальные зазоры остаются достаточно большими. Недостатком конструкции является и то, что отработанный охлаждающий воздух сбрасывается в помещение, в котором расположена установка, и повышает температуру окружающей среды, что в ряде случаев недопустимо.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении КПД за счет уменьшения радиальных зазоров путем улучшения эффективности охлаждения внутренних элементов статора, а также в уменьшении подогрева воздуха в помещении, в котором расположена установка.

Сущность технического решения заключается в том, что в статоре многоступенчатой газовой турбины, содержащем наружный корпус - цельный или имеющий горизонтальные или вертикальные разъемы и снабженный радиальными ребрами, направленными к центру, на последних размещены наружные полки венцов ступеней сопловых лопаток и сектора разрезных колец, а в полостях, образованных наружной обечайкой корпуса, его радиальными ребрами и наружными поверхностями полок сопловых лопаток и секторов разрезных колец над каждой ступенью сопловых лопаток и разрезных колец размещена теплоизоляция, согласно изобретению, между наружными полками венцов ступеней сопловых лопаток, секторами разрезных колец и посадочными поверхностями радиальных ребер корпуса установлены дополнительные детали в виде кольцевых оболочек или свернутых в кольцо лент, которыми разделены полости, образованные наружной обечайкой корпуса, его радиальными ребрами и наружными поверхностями полок сопловых лопаток и секторов разрезных колец на внутренние (расположенные ближе к оси) и наружные (примыкающие к наружной обечайке статора) полости, при этом внутренние полости, образованные поверхностями полок сопловых лопаток и секторов разрезных колец и расположенными над ними дополнительными деталями в виде кольцевых оболочек, заполнены теплоизоляцией, а в наружных полостях, образованных наружной обечайкой корпуса, его радиальными ребрами над каждой ступенью сопловых лопаток и секторов разрезных колец и поверхностями деталей в виде кольцевых оболочек теплоизоляция отсутствует, при этом наружные полости всех ступеней сопловых лопаток и разрезных колец соединены между собой осенаправленными каналами, выполненными в радиальных ребрах наружного корпуса, в единую систему, или разбиты на несколько систем.

Наличие теплоизоляции во внутренних (расположенных ближе к оси) полостях уменьшает тепловой поток из проточной части турбины к корпусу, что улучшает эффективность охлаждения.

Отсутствие теплоизоляции в наружных (примыкающих к наружной обечайке статора) полостях, а также соединение последних между собой осевыми каналами позволяет улучшить эффективность охлаждения внутренних элементов статора и корпуса в целом за счет продувки воздухом и охлаждения не только наружной обечайки корпуса, но и наиболее жестких элементов конструкции - ребер корпуса, определяющих радиальные зазоры, за счет чего уменьшаются радиальные зазоры и повышается КПД турбины в целом.

На чертеже изображен статор трехступенчатой турбины в разрезе.

Статор трехступенчатой турбины состоит из наружного корпуса 1 I-й ступени и наружного корпуса 2 II-й и III-й ступеней, сопловых лопаток 3, 4, 5 I-й, II-й и III-й ступеней 5 соответственно, секторов разрезных колец 6, 7, 8 I-й, II-й и III-й ступеней соответственно. Наружные корпуса 1 и 2 состоят из силовых обечаек 9 и радиальных ребер 10. В силовой обечайке 9 корпуса 1 выполнены отверстия 11. В радиальных ребрах корпусов 1 и 2 выполнены осевые каналы 12. Сопловые лопатки 3, 4, 5, сектора разрезных колец 6, 7, 8 на радиальные ребра 10 корпусов 1 и 2 установлены через кольцевые оболочки 13. Между оболочками 13 и поверхностями полок сопловых лопаток 3, 4, 5 и секторов разрезных колец 6, 7, 8 образованы полости 14, заполненные теплоизоляцией. Между оболочками 13, ребрами 10 и обечайками 9 корпусов 1 и 2 образованы кольцевые полости 15.

Работает устройство следующим образом.

После выхода турбины на установившийся режим включается система охлаждения статора. При этом охлаждающий воздух по трубам через отверстия 11 в обечайке 9 корпуса 1 подается в первую кольцевую полость 15. Через осевые каналы 12 в ребрах 10 корпусов 1, 2 воздух растекается в остальные кольцевые полости 15, эффективно охлаждая не только наружную обечайку корпуса, но и наиболее жесткие элементы конструкции, определяющие радиальные зазоры. Пройдя все кольцевые полости 15, из последней охлаждающий воздух сбрасывается в проточную часть турбины и не подогревает воздух помещения, в котором расположена установка.

При охлаждении статора температура корпуса уменьшается, за счет чего уменьшаются радиальные зазоры, а КПД турбины и установки в целом увеличивается. Использование предлагаемой конструкции статора позволяет использовать менее жаропрочные и более дешевые материалы корпуса, например сталь ЭП 609, вместо жаропрочного сплава ЭП 718.

Источники информации
1. В. А. Шварц "Конструкции газотурбинных установок", -М.: Машиностроение, 1970 г., стр. 216, рис. 137.

2. В. А. Шварц "Конструкции газотурбинных установок", стр. 225, рис. 150a.- прототип.

Статор многоступенчатой газовой турбины содержит наружный корпус, снабженный радиальными ребрами, направленными к центру. На ребрах размещены наружные полки венцов ступеней сопловых лопаток и сектора разрезных колец. Между наружными полками венцов ступеней сопловых лопаток, секторами разрезных колец и посадочными поверхностями радиальных ребер корпуса установлены дополнительные детали в виде кольцевых оболочек или свернутых в кольцо лент, которыми разделены полости, образованные наружной обечайкой корпуса, его радиальными ребрами и наружными поверхностями полок сопловых лопаток и секторов разрезных колец на внутренние (расположенные ближе к оси) и наружные (примыкающие к наружной обечайке статора) полости. Внутренние полости заполнены теплоизоляцией, при этом наружные полости всех ступеней сопловых лопаток и разрезных колец соединены между собой осенаправленными каналами, выполненными в радиальных ребрах наружного корпуса, в единую систему или разбиты на несколько систем. Изобретение позволяет повысить КПД турбины за счет уменьшения радиальных зазоров путем улучшения эффективности охлаждения внутренних элементов статора. 1 ил.

Статор многоступенчатой газовой турбины, содержащий наружный корпус - цельный или имеющий горизонтальные или вертикальные разъемы и снабженный радиальными ребрами, направленными к центру, на последних размещены наружные полки венцов ступеней сопловых лопаток и сектора разрезных колец, а в полостях, образованных наружной обечайкой корпуса, его радиальными ребрами и наружными поверхностями полок сопловых лопаток и секторов разрезных колец, над каждой ступенью сопловых лопаток и разрезных колец размещена теплоизоляция, отличающийся тем, что между наружными полками венцов ступеней сопловых лопаток, секторами разрезных колец и посадочными поверхностями радиальных ребер корпуса установлены дополнительные детали в виде кольцевых оболочек или свернутых в кольцо лент, которыми разделены полости, образованные наружной обечайкой корпуса, его радиальными ребрами и наружными поверхностями полок сопловых лопаток и секторов разрезных колец на внутренние (расположенные ближе к оси) и наружные (примыкающие к наружной обечайке статора) полости, при этом внутренние полости, образованные поверхностями полок сопловых лопаток и секторов разрезных колец и расположенными над ними дополнительными деталями в виде кольцевых оболочек, заполнены теплоизоляцией, а в наружных полостях, образованных наружной обечайкой корпуса, его радиальными ребрами, над каждой ступенью сопловых лопаток и секторов разрезных колец и поверхностями деталей в виде кольцевых оболочек теплоизоляция отсутствует, при этом наружные полости всех ступеней сопловых лопаток и разрезных колец соединены между собой осенаправленными каналами, выполненными а радиальных ребрах наружного корпуса, в единую систему или разбиты на несколько систем.