СРЕДСТВО ДЛЯ УСТАНОВКИ СОПЕЛ СТУПЕНИ СТАТОРА И ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ДИСКОВ РОТОРА В ГАЗОВОЙ ТУРБИНЕ Российский патент 2004 года по МПК F01D9/02 

Изобретение относится к средству для установки сопел ступени статора и для охлаждения дисков ротора в газовых турбинах.

Как известно, газовые турбины являются машинами, которые состоят из компрессора и турбины с одной или более ступенями, в которой эти компоненты соединены друг с другом вращающимся валом и в которой камера сгорания расположена между компрессором и турбиной.

Для создания давления в компрессоре он питается воздухом, поступающим из окружающей среды.

В камеру сгорания впускается топливо, которое воспламеняется соответствующими запальными свечами для получения сгорания, которое предназначено для повышения температуры и давления и, таким образом, теплосодержания газа.

Впоследствии через соответствующие каналы высокотемпературный газ при высоком давлении поступает в различные ступени турбины, которая преобразует теплосодержание газа в необходимую пользователю механическую энергию.

В двухступенчатых турбинах газ обрабатывается в первой ступени турбины при условиях температуры и давления, которые существенно высоки, и подвергается в ней первичному расширению; тогда как во второй ступени турбины он подвергается вторичному расширению в условиях температуры и давления, которые ниже, чем в предшествовавшем случае.

Также известно, что для получения максимальной выходной мощности данной газовой турбины температура газа должна быть как можно большей; однако максимальные значения температуры, которых можно достичь при использовании турбины, ограничены сопротивлением используемых материалов.

Для того чтобы пояснить технические проблемы, решаемые настоящим изобретением, далее приводится краткое описание устройства сопел статора и лопаток ротора разных ступеней газовой турбины, соответствующей известному уровню техники.

Сопло первой ступени используется для подачи потока сгоревших газов в пригодных условиях на вход ротора первой ступени и, в частности, для направления их должным образом в отверстия лопаток ротора и, таким образом, предотвращения непосредственного столкновения потока с верхней или выпуклой поверхностью и с нижней или вогнутой поверхностью лопаток.

Серия сопел для второй ступени газовой турбины состоит из кольцевого корпуса, который, в свою очередь, может подразделяться на сопловые сегменты, причем каждый сегмент обычно состоит из сопел, которые образованы тремя лопатками, которые имеют соответствующий профиль в форме крыла.

Эта серия сопел для второй ступени расположена в кольцевой конфигурации и соединена снаружи с кожухом турбины, а изнутри с соответствующим кольцевым основанием (см. заявку WO 98/58158, опубликованную в 1998 г.).

В этом отношении следует отметить, что первая техническая проблема статоров состоит в том факте, что статор подвергается воздействию нагрузок от высокого давления, вызванных уменьшением давления между входом и выходом сопла.

Кроме того, статоры подвергаются воздействию высоких температур, возникающих от потока горячих газов, поступающих из камеры сгорания и из предшествующих ступеней так же, как и от потоков холодного воздуха, которые вводятся в турбину для охлаждения деталей, которые подвергаются воздействию наибольших напряжений в тепловом и механическом отношении.

Вторая проблема, которая в особенности хорошо известна в данной области техники, состоит в том, чтобы гарантировать оптимальную поддержку и запирание сопловых сегментов второй ступени, которое уравновешивает силы, которые стремятся смещать и вращать сопло.

Кроме того, известные статоры имеют опорные и запирающие системы, которые не допускают легкого демонтажа, когда это необходимо для выполнения операций ремонта или замены одной или более лопаток статора, которые были изношены или повреждены.

Другая проблема состоит в том факте, что статоры подвергаются воздействию вибраций, передаваемых лопатками статора при работе машины.

Таким образом, задачей настоящего изобретения является получение особенно надежного средства для установки сопел ступени статора и для охлаждения дисков ротора в газовых турбинах для устранения указанных выше проблем оптимальным образом.

Другой задачей изобретения является получение средства для установки сопел ступени статора и для охлаждения дисков ротора в газовых турбинах, которое имеет простую и компактную конструкцию.

Еще одной задачей настоящего изобретения является получение средства, которое имеет низкую стоимость и состоит из меньшего количества составляющих частей.

Другой задачей изобретения является получение средства для установки сопел ступени статора в газовых турбинах, которое допускает легкую установку и демонтаж лопаток статора при необходимости выполнения ремонта и возможной замены последних.

Еще одной задачей изобретения является получение средства, которое допускает создание оптимального сопротивления вибрациям, которые влияют на лопатки статора низкого давления, и предотвращение передачи этих вибраций другим элементам двигателя.

Другой задачей изобретения является получение средства, которое дает возможность компенсировать тепловое расширение, которому подвергаются сопловые сегменты.

Другой задачей изобретения является получение средства, которое безопасно, просто и экономично.

Эти и другие задачи решаются получением средства для установки сопел ступени статора и для охлаждения дисков ротора в газовых турбинах, которое применимо для сопловых сегментов, состоящих из нескольких лопаток (крыловидных профилей), причем каждый из этих сопловых сегментов соединен верхней частью с наружным кольцом для снабжения охлаждающим воздухом, и устанавливается основанием на внутреннее кольцо, которое обеспечивает размещение данных сопловых сегментов по кольцу относительно оси газовой турбины, отличающегося тем, что для каждой лопатки соплового сегмента применена по меньшей мере одна трубка, которая вставлена в соответствующий канал, расположенный внутри лопаток, который вводит пространство, в котором циркулирует охлаждающий воздух, в сообщение с диском высокого давления и диском низкого давления, при этом согласно предпочтительному примеру осуществления настоящего изобретения наружное кольцо соединено с подвижным кольцом, которое дает возможность компенсировать разность при тепловом расширении, которая возникает между кожухом турбины и наружным кольцом.

Согласно другому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения внутреннее кольцо имеет приемники для штифтов, причем эти штифты используются для расположения сопловых сегментов.

Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления изобретения соответствующие уплотнительные кольца расположены между штифтами и нижними концами лопаток соплового сегмента.

Кроме того, правый и левый штифты установлены так, что они имеют радиальный зазор, который больше зазора центрального штифта.

Согласно другому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения внутреннее кольцо имеет каналы, которые сообщаются соответственно с трубками и с диском первой ступени и диском второй ступени.

Кроме того, штифты имеют отверстия для обеспечения сообщения для охлаждающего воздуха с трубками и каналами внутреннего кольца.

Наконец, согласно настоящему изобретению извлечение штифтов из внутреннего кольца предотвращается посредством использования соответствующих сегментов, которые вставляются в кольцевую канавку во внутреннем кольце и имеют конфигурацию с выступами, которые загнуты внутрь отверстий, расположенных в нижней части штифтов.

Наконец, внутреннее кольцо имеет на его внутренней части ячеистый элемент, который сопрягается с уплотнительными зубцами на роторе, относящемся к ступени высокого давления.

Другие отличительные признаки изобретения определены формулой изобретения, приложенной к настоящей заявке на патент.

Другие задачи и преимущества настоящего изобретения будут очевидны при ознакомлении со следующим описанием и приложенными чертежами, приведенными только в качестве неограничивающего примера и на которых:
фиг. 1 изображает вид в сечении центральной части сегмента лопаток статора сопла второй ступени для газовых турбин, на котором установлено средство для установки и охлаждения, соответствующее настоящему изобретению; и
фиг. 2 изображает вид, частично в сечении, сегмента лопаток статора, относящихся к соплу статора, который показывает систему установки в целом.

На указанных выше фигурах средство для установки и охлаждения сопел ступени статора в газовых турбинах обозначено в целом ссылочным номером 10.

Как известно, серия сопел для второй ступени газовой турбины состоит из кольцевого корпуса, который, в свою очередь, можно подразделить на сопловые сегменты, обозначенные в целом на фиг.2 ссылочным номером 40.

Согласно возможному варианту осуществления настоящего изобретения, который описан в качестве иллюстративного примера, но не ограничивает его использования, кольцевой корпус имеет шестнадцать сопловых сегментов; однако можно применять идею настоящего описания также с кольцевыми корпусами, которые имеют другое количество сопловых сегментов.

Каждый сегмент состоит из сопел, которые образованы или ограничены тремя лопатками 11, 38 и 39, которые имеют надлежащий профиль в форме крыла.

Каждый сопловый сегмент 40 соединен с кожухом 14 турбины посредством проушины 60, которая имеет отверстие для штифта 61.

Каждый сопловый сегмент 40 соединен верхней частью с наружным кольцом 12, которое функционирует как емкость для охлаждающего воздуха, и установлен основанием на внутреннее кольцо 23, которое обеспечивает расположение сопловых сегментов 40 по кольцу относительно оси газовой турбины.

Кроме того, каждый из сопловых сегментов 40 имеет выступ 36, который входит в зацепление с соответствующей канавкой в кожухе 14 турбины, и кромку 35, которая входит в зацепление с противоположной стороной кожуха 14 турбины.

Между внутренним кольцом 23 и диском 37 первой ступени и диском 55 второй ступени газовой турбины расположены пространства, обозначенные на фиг. 1соответственно ссылочными номерами 56 и 24, которые обеспечивают циркуляцию охлаждающего воздуха.

Этот охлаждающий воздух поступает из пространства 16, в котором он имеет давление Р1, и проводится в направлении, показанном стрелками F1 и F2, в пространства 56 и 24 при помощи трубок 17 и 18, вставленных в соответствующие каналы, такие как канал 32, показанный на фиг.1, которые расположены внутри лопаток 11, 38 и 39 и которые будут описаны более подробно далее.

Следует отметить, что наружное кольцо 12 дает возможность изолировать пространство 16 от пространства 15 соплового сегмента 40 и, таким образом, снабжать воздухом все трубки всех лопаток 11, 38 и 39, которые относятся ко всем сегментам 40, при помощи уменьшенного количества отверстий для охлаждающего воздуха, выполненных в кожухе 14 турбины.

В районе сопловых сегментов 40 газы имеют температуру, которая выше температуры воздуха в пространстве 16 и, таким образом, наружное кольцо 12 также дает возможность ограничивать нежелательный нагрев воздуха, находящегося в пространстве 16.

Как показано на фиг.1, правый конец наружного кольца 12 уплотнен в районе контакта с поверхностью кожуха 14 турбины таким образом, что здесь гарантирована герметичность.

Кроме того, для учета этих температурных перепадов наружное кольцо 12, содержащее охлаждающий воздух, связано с подвижным кольцом 19, которое дает возможность компенсировать разность теплового расширения кожуха 14 турбины и самого наружного кольца 12.

Трубки 17 и 18, таким образом, вводят пространство 16, где циркулирует охлаждающий воздух, в сообщение с диском 37 высокого давления и диском 55 низкого давления.

Как можно видеть на фиг.1, для усовершенствования этой системы циркуляции охлаждающего воздуха наружное кольцо 12 имеет кольцевые приемные элементы 45, которые взаимодействуют со втулками 13, для помещения в них концов трубки 17 на стороне, где расположен кожух 14 турбины.

Кроме того, на противоположном конце сопловых сегментов 40 внутреннее кольцо 23 имеет приемники для штифтов 25, 41 и 42, которые позволяют устанавливать сопловые сегменты 40.

Более конкретно, как показано только на фиг.1, внутрь выемки 29 штифта 25 вставляется конец трубки 17.

Подобная система используется для размещения концов трубок, относящихся к лопаткам 38 и 39, при помощи соответствующих штифтов 41 и 42.

В этом отношении можно отметить, что между штифтами 25, 41 и 42 и нижними концами 50 лопаток 11, 38 и 39 расположены уплотнительные кольца 30, 43 и 44.

Как показано на фиг.1, внутреннее кольцо 23 имеет кольцевой выступ 33, который примыкает к оконечной части 34 соплового сегмента 40, расположенной между выступом и штифтом 25.

Важный отличительный признак настоящего изобретения состоит в том факте, что правый 41 и левый 42 уплотнительные штифты установлены с большим радиальным зазором, чем центральный штифт 25.

Этот факт особенно важен, поскольку это дает возможность компенсировать расширение соплового сегмента 40 относительно внутреннего кольца 23.

Что касается проведения охлаждающего воздуха, можно видеть, что внутреннее кольцо 23 имеет канал 20, который сообщается с трубкой 17; подобный канал сообщается с трубкой 18 и все это обеспечивает достижение охлаждающим воздухом соответственно диска 37 первой ступени и диска 55 второй ступени.

Для этого штифт 25 имеет отверстие 28, допускающее сообщение трубки 17 и канала 20.

Подобное устройство используется для обеспечения сообщения для охлаждающего воздуха по другим трубкам, которые относятся к лопаткам 38 и 39.

Извлечение штифтов 25 из внутреннего кольца 23 предотвращается сегментами 59, которые вставлены в кольцевую канавку 52 во внутреннем кольце 23.

Сегменты 59 имеют конфигурацию с выступами 53, которые загнуты внутрь отверстий 27, находящихся в основании штифта 25.

Наконец, внутреннее кольцо 23 имеет ячеистый элемент 22, который сопрягается с уплотнительными зубцами ротора 37 ступени высокого давления.

При работе газовой турбины поток высокотемпературного газа перехватывается сопловыми сегментами 40 и направляется последними на лопатки ротора второй ступени.

Однако температура охлаждающего воздуха, находящегося в пространстве 16, изолирована от более горячих газов и воздух подается посредством трубок и штифтов, расположенных под ними в каналах, по которым он входит в контакт с диском 37 высокого давления и диском 55 низкого давления.

Тепловое расширение сопловых сегментов 40 компенсируется увеличенным зазором, с которым установлены боковые штифты.

Приведенное описание делает очевидными отличительные признаки и преимущества средства для установки и охлаждения сопел ступени статора в газовых турбинах, которое является предметом настоящего изобретения.

Будет понятно, что может быть много вариантов выполнения средства для установки и охлаждения сопел ступени статора в газовых турбинах, которое является предметом настоящего изобретения, не отходящих от принципов новизны, присущих идее изобретения.

Наконец понятно, что при выполнении практического варианта осуществления изобретения могут использоваться по необходимости любые материалы, конфигурации и размеры и они могут заменяться другими, эквивалентными с технической точки зрения.

Средство для установки сопел ступени статора и для охлаждения дисков ротора в газовых турбинах применимо для сопловых сегментов, состоящих из нескольких лопаток. Каждый из сопловых сегментов соединен верхней частью с содержащим охлаждающий воздух наружным кольцом и установлен основанием на внутреннем кольце. Каждая лопатка соплового сегмента снабжена, по крайней мере, одной трубкой, которая вставлена в канал, находящийся внутри лопаток и связывающий пространство, где циркулирует охлаждающий воздух, с диском высокого давления и диском низкого давления. Наружное кольцо соединено с подвижным кольцом, что позволяет компенсировать разность теплового расширения, возникающую между кожухом турбины и наружным кольцом. Изобретение позволит создать простое, надежное и компактное по конструкции средство для установки сопел ступени статора и для охлаждения дисков ротора. 11 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Средство для установки сопел ступени статора и для охлаждения дисков ротора в газовых турбинах, применимое для сопловых сегментов (40), состоящих из нескольких лопаток (11, 38, 39), причем каждый из сопловых сегментов (40) соединен верхней частью с наружным кольцом (12), содержащим охлаждающий воздух, и установлен основанием на внутреннем кольце (23), которое обеспечивает расположение сопловых сегментов (40) по кольцу относительно оси газовой турбины, причем каждая лопатка (11, 38, 39) соплового сегмента (40) снабжена, по меньшей мере, одной трубкой (17), которая вставлена в соответствующий канал (32), находящийся внутри лопаток (11, 38, 39), который вводит пространство (16), где циркулирует охлаждающий воздух, в сообщение с диском (37) высокого давления и диском (55) низкого давления, отличающееся тем, что наружное кольцо (12) соединено с подвижным кольцом (19), что позволяет компенсировать разность теплового расширения, возникающую между кожухом (14) турбины и наружным кольцом (12).2. Средство по п.1, отличающееся тем, что наружное кольцо (12) имеет кольцевые приемные элементы (45), которые взаимодействуют со втулками (13), для размещения концов трубок (17, 18), расположенных на стороне кожуха (14).3. Средство по п.1, отличающееся тем, что каждый из сопловых сегментов (40) имеет выступ (36), который входит в зацепление с соответствующей канавкой кожуха (14) турбины, и кромку (35), которая входит в зацепление с противоположной стороной кожуха (14) турбины.4. Средство по п.1, отличающееся тем, что внутреннее кольцо (23) имеет каналы (20), которые сообщаются соответственно с трубками (17, 18) и с диском (37) первой ступени и диском (55) второй ступени.5. Средство по п.1, отличающееся тем, что внутреннее кольцо (23) имеет приемники для штифтов (25, 41, 42), причем штифты (25, 41, 42) используются для установки сопловых сегментов (40).6. Средство по п.5, отличающееся тем, что штифты (25, 41, 42) содержат в выемках (29) концы проводящих трубок (17, 18) для охлаждающего воздуха.7. Средство по п.5, отличающееся тем, что между штифтами (25, 41, 42) и нижними концами (50) лопаток (11, 38, 39) расположены уплотнительные кольца (30, 43, 44).8. Средство по п.7, отличающееся тем, что как правый уплотнительный штифт (41) и левый уплотнительный штифт (42) установлены так, что они имеют радиальный зазор, который больше зазора центрального штифта (25).9. Средство по п.7, отличающееся тем, что внутреннее кольцо (23) имеет кольцевой выступ (33), причем выступ примыкает к оконечной части (34) соплового сегмента (40), которая расположена между выступом и штифтом (25).10. Средство по п.7, отличающееся тем, что штифты (25, 41, 42) имеют множество отверстий (28) для обеспечения сообщения трубок (17, 18) с каналами (20).11. Средство по п.7, отличающееся тем, что извлечение штифтов (25, 41, 42) из внутреннего кольца (23) предотвращается сегментами (59), вставленными в кольцевую канавку (52) во внутреннем кольце (23), которые имеют конфигурацию с выступами (53), загнутыми внутрь отверстий (27), находящихся в основании штифтов (25, 41, 42).12. Средство по п.7, отличающееся тем, что внутреннее кольцо (23) имеет на его внутренней части ячеистый элемент (22), который сопрягается с уплотнительными зубцами, относящимися к диску (37) ступени высокого давления.