ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2000 года по МПК F01D11/00 

Настоящее изобретение относится к конструкции горячего тракта газотурбинных двигателей, в частности к охлаждению дугообразных элементов, таких как полки лопаток, бандажные полки или лопатки ротора, примыкающие к уплотнительной вставке.

Уровень техники
Рабочая температура горячего тракта газотурбинных двигателей с целью получения максимального КПД доведена до крайне высоких значений. Эти высокие температуры приближаются к пределам жаропрочности применяемых конструкционных материалов. Нормальная работа двигателя в таких условиях достигается путем целенаправленного охлаждения различных элементов конструкции.

С этой целью воздух с высоким давлением отбирается из ступеней компрессора и целенаправленно подается на различные элементы конструкции. Воздух, отбираемый из компрессора, не попадает в камеру сгорания, поэтому отбор воздуха на охлаждение отрицательно влияет на КПД газовой турбины. Поэтому желательно, чтобы эффективное охлаждение элементов горячего тракта двигателя обеспечивалось минимальным расходом охлаждающего воздуха.

На некоторых участках газовоздушного тракта двигателя движение потока газа направляется узлами, составленными из дугообразных сегментов. Примером такого узла является полка лопатки. Для компенсации неравномерности расширения соплового аппарата, полки лопаток должны быть конструктивно оформлены не как сплошное кольцо, а как набор дугообразных сегментов.

Эти сегменты охлаждаются путем воздействия потока холодного воздуха на холодную сторону этих сегментов. В соответствии с общепринятой технологией сочленения этих дугообразных сегментов в торце каждого сегмента вырезается паз. В пазы сочленяемых сегментов устанавливается тонкая металлическая уплотнительная пластина. Паз, в который помещена уплотнительная вставка, препятствует проникновению горячих газов из проточной части, т.е. с внутренней стороны сегмента на его охлаждаемую внешнюю поверхность. При таком способе уплотнения посредством вставки охлаждение сегмента в области сочленения с другими сегментами является недостаточным. Существуют различные технические решения, касающиеся подвода охлаждающего воздуха к подобному уплотнению с целью охлаждения самой уплотняющей вставки, а также материала сегментов в области сочленения.

При этом желательно обеспечить охлаждение при минимальном снижении КПД газовой турбины. В патенте Великобритании GB-A-2 239 679 описана одна такая конструкция, в которой уплотняющий элемент (40) вставлен во взаимодополняющие пазы (30) между смежными сегментами (16), причем эти пазы (30) со стороны, охлаждаемой воздухом, имеют набор продольно-распределенных поперечных канавок (38), проходящих под уплотняющим элементом (40). В такой конструкции охлаждающий воздух с охлаждаемой воздухом стороны пазов (30) перемещается по канавкам перпендикулярно зазору, разделяющему смежные сегменты.

Сущность изобретения
Несколько распределенных по окружности смежных сегментов, таких как полки лопаток, имеют первую поверхность, контактирующую с потоком горячих газов. Противоположная поверхность контактирует с потоком охлаждающего воздуха. Каждый сегмент также имеет две торцевые поверхности, прилегающие к торцевым поверхностям смежных сегментов и отделенные от них зазором.

На каждой торцевой поверхности смежных сегментов выполнены взаимодополняющие пазы, в которые устанавливается уплотнительная вставка. Каждый такой паз имеет горячую боковую поверхность, находящуюся ближе к горячему газовому тракту двигателя, и холодную боковую поверхность, находящуюся на большем удалении от горячего газового тракта двигателя.

На горячих боковых поверхностях выполнено несколько горячих канавок, при этом горячие канавки смежных сегментов выведены в зазор между сегментами, а соответствующие места выхода в зазор горячих канавок смежных сегментов расположены в шахматном порядке. Это обеспечивает более равномерную продувку зазора и дополнительное охлаждение смежного сегмента, обтекаемого выходящим в зазор охлаждающим воздухом.

Осевая составляющая вектора скорости потока, выходящего в зазор через каждую канавку, сонаправлена с вектором скорости потока газов в турбине, что обеспечивает постепенность смешения потоков охлаждающего воздуха и горячих газов, а также снижает потери КПД на охлаждение.

Предпочтительно, на каждой холодной боковой поверхности имеется также несколько канавок, сообщающихся с канавками на горячей боковой поверхности. Благодаря этому радиальное относительное смещение смежных сегментов не может привести к перекрытию потока из-за соприкосновения уплотнительной вставки с кромкой паза.

Кроме того, угол наклона каждой горячей канавки к оси зазора предпочтительно не превышает 45^o, благодаря чему обеспечивается относительно большая длина или большое удлинение (отношение длины к диаметру) канавки, что способствует более эффективному конвективному охлаждению материала, через который по канавке проходит охлаждающий воздух.

Объектом настоящего изобретения является устройство для применения в газотурбинном двигателе с осевым движением потока газов, имеющее несколько распределенных по окружности смежных сегментов, при этом каждый сегмент имеет первую поверхность, контактирующую с потоком горячих газов, и противоположную поверхность, контактирующую с потоком охлаждающего воздуха, при этом каждый сегмент имеет две торцевые поверхности, причем каждая такая торцевая поверхность прилегает к торцевой поверхности смежного сегмента с зазором между этими соседними сегментами, при этом на каждой торцевой поверхности выполнен паз, дополняющий паз, выполненный на торцевой поверхности смежного сегмента, при этом каждый упомянутый паз имеет горячую боковую поверхность и холодную боковую поверхность; уплотнительную вставку, устанавливаемую в упомянутые пазы между соседними сегментами, упомянутое устройство отличается тем, что на каждой горячей боковой поверхности упомянутых пазов выполнено несколько горячих канавок, при этом каждая горячая канавка сообщается с линией подвода охлаждающего воздуха и выведена в упомянутый зазор, горячие канавки смежных сегментов расположены в шахматном порядке так, что соответствующие места выхода воздуха в зазор из горячих канавок смежных сегментов расположены в шахматном порядке.

В другом аспекте настоящего изобретения описанное выше устройство отличается также тем, что каждая горячая канавка имеет геометрическую составляющую, параллельную упомянутому осевому потоку газов.

В еще одном аспекте настоящего изобретения описанное выше устройство отличается также тем, что оно содержит также несколько канавок, выполненных на каждой холодной боковой поверхности, причем каждая из этих канавок сообщается с горячей канавкой в упомянутой горячей боковой поверхности.

В еще одном аспекте настоящего изобретения описанное выше устройство отличается также тем, что каждая горячая канавка имеет геометрическую составляющую, параллельную упомянутому осевому потоку газов, и тем, что оно содержит также несколько канавок, выполненных на каждой холодной боковой поверхности, причем каждая из этих канавок сообщается с горячей канавкой в упомянутой горячей боковой поверхности.

В еще одном аспекте настоящего изобретения любой из вариантов описанного выше устройства отличается также тем, что угол наклона каждой горячей канавки к оси упомянутого зазора не превышает 45^o.

Перечень фигур чертежей
Фиг. 1 - фронтальный вид нескольких смежных лопаточных сегментов.

Фиг. 2 - вид изнутри кольца соплового аппарата на сочленение двух смежных лопаточных сегментов.

Фиг. 3 - разрез 3 - 3, обозначенный на фиг. 2.

Фиг. 4 - разрез 4 - 4, обозначенный на фиг. 2.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
На фиг. 1 представлен фрагмент газотурбинного двигателя 10, через который проходит осевой поток газа 12. Этот газ проходит через множество лопаток 14. Лопатки крепятся к внутреннему сегменту или полке 16 лопатки и к внешнему сегменту 18. Для обеспечения свободы расширения эти полки лопаток выполнены в виде сегментов.

Эти сегменты примыкают друг к другу торцами, между которыми остается зазор 20. В торце каждого сегмента имеется паз 22, в который устанавливается уплотнительная вставка, представляющая собой тонкую гибкую металлическую пластину (на фиг. 1 не показана). Каждый сегмент имеет первую поверхность 24, контактирующую с потоком горячих газов 12. Противоположная поверхность 26 сегмента контактирует с потоком охлаждающего воздуха 28. Кроме того, каждый сегмент имеет две торцевые поверхности 30, обращенные к аналогичным поверхностям соседних сегментов и отделенные от них зазорами 20.

Как показано на фиг. 2, в каждой торцевой поверхности 30 выполнен паз 22, в который установлена уплотнительная вставка 34. На фиг. 3 видно, что каждый паз имеет горячую боковую поверхность 36 и холодную боковую поверхность 38. В горячей боковой поверхности выполнены канавки 40, причем ориентация этих канавок такова, что осевая составляющая вектора скорости выходящего через них потока охлаждающего воздуха сонаправлена с вектором скорости проходящего через турбину потока 12 горячих газов. Поток охлаждающего воздуха выходит через канавки в зазор 20, продувая его и плавно смешиваясь с потоком горячих газов. Кроме того, угол наклона этих канавок 40 к оси 42 зазора не превышает 45^o, благодаря чему обеспечивается относительно большая длина или большое удлинение (отношение длины к диаметру) канавки 40. Это способствует более эффективному конвективному охлаждению материала, через который по канавкам проходит охлаждающий воздух.

В холодной боковой поверхности выполнены канавки 46, которые сообщаются с канавками горячей боковой поверхности через перегиб 48. Если бы не было канавок 46, то при радиальном смещении полок относительно друг друга уплотнительная вставка 34 уперлась бы в углы, перекрыв тем самым поток охлаждающего воздуха (фиг. 3). Канавки 46 предотвращают запирание этого потока.

Охлаждение материала между уплотнительной вставкой и потоком горячих газов становится более экономичным. Обтекание выходящим потоком полки изнутри выполненного в ней паза повышает эффективность охлаждения. Выход охлаждающего воздуха из зазора по потоку горячих газов уменьшает потери мощности на турбине.

Газотурбинный двигатель, в частности устройство его соплового аппарата с осевым движением потока газов содержит ряд распределенных по окружности смежных сегментов. Каждый сегмент имеет первую поверхность, находящуюся в контакте с потоком горячих газов, и противоположную поверхность, находящуюся в контакте с потоком охлаждающего воздуха. Каждая торцевая поверхность сегмента выполнена смежной с торцевой поверхностью смежного сегмента. Соседние сегменты расположены с зазором. Каждая торцевая поверхность имеет паз, дополняющий паз, выполненный на торцевой поверхности смежного сегмента. Каждый паз имеет горячую и холодную боковые поверхности и уплотнительную вставку, выполненную с возможностью установки в пазы между соседними сегментами. На каждой горячей боковой поверхности пазов выполнено несколько горячих канавок. Каждая горячая канавка сообщается с линией подвода охлаждающего воздуха и имеет выход в зазор, расположенный в шахматном порядке по отношению к выходу горячей канавки в соседнем сегменте. Место выхода охлаждающего воздуха, подающегося через горячую канавку в зазор, расположено в шахматном порядке по отношению к месту выхода воздуха из горячей канавки соседнего сегмента. Изобретение позволяет улучшить охлаждение при минимальном снижении КПД. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Газотурбинный двигатель, в частности устройство соплового аппарата с осевым движением потока газов (12), имеющее ряд распределенных по окружности смежных сегментов (18), причем каждый сегмент (18) имеет первую поверхность (24), находящуюся в контакте с потоком горячих газов (12), и противоположную поверхность (26), находящуюся в контакте с потоком охлаждающего воздуха (28), две торцевые поверхности (30), причем каждая торцевая поверхность (30) выполнена смежной с торцевой поверхностью (30) соседнего сегмента (18) с зазором (20) между этими соседними сегментами (18) и имеет паз (22), дополняющий паз (22), выполненный на торцевой поверхности (30) смежного сегмента (18), при этом каждый паз (22) имеет горячую боковую поверхность (36) и холодную боковую поверхность (38), уплотнительную вставку (34), выполненную с возможностью установки в пазы (22) между соседними сегментами (18), отличающийся тем, что на каждой горячей боковой поверхности (36) упомянутых пазов (22) выполнено несколько горячих канавок (40), причем каждая горячая канавка (40) сообщается с линией подвода охлаждающего воздуха (28) и имеет выход в зазор (20), расположенный в шахматном порядке по отношению к выходу горячей канавки в соседнем сегменте (18), при этом место выхода охлаждающего воздуха, подающегося через горячую канавку (40) в зазор 20, расположено в шахматном порядке по отношению к месту выхода воздуха из горячей канавки (40) соседнего сегмента (18). 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что каждая горячая канавка (40) имеет геометрическую составляющую, параллельную упомянутому осевому потоку газов (12). 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что содержит на каждой холодной боковой поверхности (38) ряд канавок (46), причем каждая из этих канавок имеет связь с горячей канавкой (40) в горячей боковой поверхности (36). 4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что угол наклона каждой горячей канавки (40) к оси (42) зазора (20) равен, по большей мере, 45^o. 5. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что содержит на каждой холодной боковой поверхности (38) ряд канавок (40), причем каждая из этих канавок имеет связь с горячей канавкой (40) в горячей боковой поверхности (36). 6. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что угол наклона каждой горячей канавки (40) к оси (42) зазора (20) равен, по большей мере, 45^o. 7. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что угол наклона каждой горячей канавки (40) к оси (42) зазора (20) равен, по большей мере, 45^o. 8. Двигатель по п.5, отличающийся тем, что угол наклона каждой горячей канавки (40) к оси (42) зазора (20) равен, по большей мере, 45^o.