СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ НЕПОДВИЖНО УСТАНОВЛЕННОГО СТЯЖНОГО КОЛЬЦА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2009 года по МПК F01D25/12 

Область техники

Настоящее изобретение относится к фиксированным стяжным кольцам, расположенным вокруг газовых окон газовых турбин, в частности к процессу охлаждения неподвижно установленных стяжных колец газовой турбины.

Предшествующий уровень техники

Газовая турбина, в частности турбина высокого давления газотурбинного двигателя, имеет, как правило, большое количество фиксированных лопаток, чередующихся с большим количеством съемных лопаток, расположенных в газовом окне прохождения горячих газов, вытекающих из камеры сгорания газотурбинного двигателя. Съемные лопатки турбины находятся внутри окружающего их неподвижно установленного стяжного кольца, которое обычно состоит из целого ряда кольцевых сегментов. Указанные кольцевые сегменты частично образуют газовое окно, через которое вытекающие горячие газы попадают на лопатки турбины.

Таким образом, кольцевые сегменты турбины подвержены воздействию высоких температур горячих газов, которые вытекают из камеры сгорания газотурбинного двигателя. В связи с этим в рамках рассмотрения вопроса о сопротивлении стяжного кольца турбины механическому и термическому воздействию кольцевые сегменты необходимо оснастить устройствами охлаждения.

Одним из известных способов охлаждения является подача охлаждающего воздуха на контактную пластину, смонтированную на корпусе кольцевых сегментов. Пластина имеет большое количество отверстий, предназначенных для прохождения через них воздуха, который, поступая в результате воздействия разницы давлений, присутствующих на одной и другой стороне пластины, охлаждает кольцевой сегмент. Охлаждающий воздух поступает в газовое окно вывода горячих газов через имеющиеся в кольцевом сегменте отверстия.

Такой способ не позволяет добиться эффективного и равномерного охлаждения кольцевых сегментов, в частности в верхней части кольцевого сегмента, которая представляет собой зону, наиболее подверженную воздействию горячих газов. Это, в свою очередь, оказывает влияние на срок эксплуатации кольцевых сегментов. Кроме того, такая технология требует значительного отбора охлаждающего воздуха, что ведет к снижению характеристик турбины.

Краткое изложение существа изобретения

Задачей изобретения является устранение вышеуказанных недостатков, присущих известным способам. Объектом изобретения является неподвижно установленное стяжное кольцо газовой турбины, в котором каждый кольцевой сегмент снабжен внутренней системой охлаждения, требующей незначительного расхода воздуха и позволяющей эффективно охлаждать кольцевой сегмент посредством тепловой конвекции.

Для этого предусматривается наличие неподвижно установленного стяжного кольца, расположенного вокруг газового окна прохождения горячих газов газовой турбины; при этом стяжное кольцо окружено неподвижно установленной кольцевой полостью, представляющей собой кольцевую камеру охлаждения, в которую выходит, по меньшей мере, одно впускное отверстие подачи охлаждающего воздуха; стяжное кольцо состоит из большого количества кольцевых сегментов и отличается тем, что каждый кольцевой сегмент включает в себя внутреннюю систему верхнего охлаждения и внутреннюю систему нижнего охлаждения, при этом внутренняя система нижнего охлаждения остается независимой от внутренней системы верхнего охлаждения и радиально смещена относительно системы верхнего охлаждения.

Внутренние системы верхнего и нижнего охлаждения используют коэффициент повышенного теплового обмена в целях обеспечения эффективного и равномерного охлаждения каждого кольцевого сегмента. Эти системы позволяют, в частности, осуществлять охлаждение зон кольцевого сегмента, наиболее подверженных воздействию горячих газов. Имеется также возможность уменьшения расхода воздуха, необходимого для охлаждения кольцевых сегментов, даже в сложных термодинамических условиях эксплуатации турбины.

Таким образом, срок эксплуатации неподвижно установленного стяжного кольца турбины может быть увеличен, а на характеристики турбины не будет оказано существенного воздействия в результате отбора воздуха, предназначенного для охлаждения кольцевых сегментов.

Система верхнего охлаждения позволяет, в частности, обеспечить охлаждение верхней стороны кольцевого сегмента и повысить эффективность системы нижнего охлаждения. Система нижнего охлаждения позволяет осуществить охлаждение внутренней поверхности кольцевого сегмента и, возможно, соседних кольцевых сегментов.

Внутренние системы верхнего и нижнего охлаждения не зависят друг от друга, что представляет собой преимущество в процессе распределения охлаждения, обеспечиваемого каждой системой охлаждения, и приведения в соответствие расхода воздуха, обеспечивающего каждую систему. Например, в случае верхней системы в целях эффективного охлаждения верхней стороны кольцевого сегмента (является наиболее горячей зоной) можно будет задействовать значительные объемы расхода, а в случае нижней системы требуется меньший объем расхода воздуха. Автономность систем охлаждения позволяет также оптимизировать независимый характер процесса охлаждения.

Краткое описание чертежей

Другие свойства и преимущества настоящего изобретения будут видны из нижеследующего описания, сопровождаемого (в качестве иллюстративных примеров) чертежами, в числе которых:

Фиг.1 схематично изображает часть газовой турбины, показывающей расположение неподвижно установленного стяжного кольца относительно съемных лопаток;

Фиг.2 - продольный разрез кольцевого сегмента в соответствии со способом применения изобретения;

Фиг.3 и 4 - вид в разрезе соответственно по линиям III-III и IV-IV на фиг.2;

Фиг.5 - продольный разрез кольцевого сегмента согласно второму способу применения изобретения;

Фиг.6 - вид в разрезе по линии VI-VI на фиг.5.

Детальное описание способа применения

Вначале ссылка делается на фиг.1, которая схематично изображает часть турбины высокого давления 1 газотурбинного двигателя.

Турбина высокого давления 1 включает в себя, в частности, неподвижно установленную кольцевую полость 2, образующую кожух газотурбинного двигателя. Неподвижно установленное стяжное кольцо 4 турбины крепится к данной полости 2 и располагается вокруг большого количества съемных лопаток 6 турбины. Съемные лопатки 6 размещены сверху фиксированных лопаток 8 относительно направления вытекания 10 через турбину горячих газов из камеры сгорания 12 газотурбинного двигателя. Таким образом, стяжное кольцо 4 турбины расположено вокруг газового окна вытекания горячих газов.

В целом стяжное кольцо 4 турбины состоит из большого количества кольцевых сегментов, расположенных по периметру вокруг оси (не показана) турбины и образующих таким образом замкнутую, кругообразную поверхность. Вместе с тем, можно также представить, что стяжное кольцо турбины будет состоять только из одной, единой детали. Настоящее изобретение применяется независимо от того, имеется ли единое стяжное кольцо турбины или кольцевой сегмент турбины.

На фиг.2 видно, что каждый кольцевой сегмент 16, образующий неподвижно установленное стяжное кольцо турбины, представляет собой внутреннюю кольцеобразную поверхность 18 и внешнюю кольцеобразную поверхность 20, радиально смещенную относительно внутренней поверхности 18. Внутренняя поверхность 18 рассматривается относительно газового окна 14 вытекания горячих газов. Каждый кольцевой сегмент 16, кроме того, представляет собой на уровне верхней поперечной стенки 16а верхний крюк 22, а на уровне нижней поперечной стенки 16b - нижний крюк 24. Верхний 22 и нижний 24 крюки позволяют обеспечить крепление кольцевого сегмента 16 к неподвижно установленной кольцевой полости 2 турбины.

Неподвижно установленная кольцевая полость 2 и стяжное кольцо турбины, состоящее из кольцевых сегментов 16, образуют кольцевую камеру охлаждения 26, в которую поступает охлаждающий воздух через, по меньшей мере, одно отверстие 28, которое проходит через фиксированную кольцевую полость 2. Охлаждающий воздух, поступающий в камеру охлаждения 26, как правило, частично представляет собой воздух окружающей среды, поступающий через патрубок и обтекающий камеру сгорания газотурбинного двигателя.

В соответствии с изобретением каждый кольцевой сегмент 16 оснащен внутренней системой верхнего охлаждения А и внутренней системой нижнего охлаждения В, В'; при этом внутренняя система нижнего охлаждения В, В', являясь независимой от внутренней системы верхнего охлаждения А, радиально смещена относительно последней. Внутренние системы верхнего А и нижнего В, B' охлаждения позволяют обеспечить охлаждение кольцевых сегментов посредством термической конвекции.

Более точно, система верхнего охлаждения А предназначена для охлаждения внешней стороны кольцевой поверхности 20 и верхней стороны кольцевого сегмента 16, который является стороной кольцевого сегмента, наиболее подверженной воздействию горячих газов. Система нижнего охлаждения В, В' позволяет осуществить охлаждение внутренней стороны кольцевой поверхности 18 кольцевого сегмента 16, которая наиболее подвержена процессу вытекания горячих газов. Система верхнего охлаждения А позволяет также повысить эффективность процесса охлаждения, осуществляемого посредством системы нижнего охлаждения В, В'.

Способ применения кольцевого сегмента в соответствии с изобретением будет описан со ссылкой на фиг.2 и 4.

На этих фигурах показана система верхнего охлаждения А, включающая в себя, по меньшей мере, первую внутреннюю полость 32, которая располагается под углом между продольно расположенными стенками 16с и 16d кольцевого сегмента 16. Первая полость 32 на определенном отрезке ширины кольцевого сегмента 16, заключенном между поперечно расположенными верхней 16а и нижней 16b стенками, размещена параллельно оси.

Система верхнего охлаждения А включает в себя также, по меньшей мере, вторую внутреннюю полость 34, которая располагается под углом между продольно расположенными стенками 16с и 16d кольцевого сегмента 16. Вторая полость 34 располагается вдоль оси, над первой полостью 32, т.е. между верхней, поперечно расположенной стенкой первой полости 32 и верхней, поперечно расположенной стенкой 16а кольцевого сегмента 16. Ширина второй полости 34 (т.е. расстояние между ее поперечно расположенными стенками) значительно меньше, чем ширина первой полости 32.

По меньшей мере, одно впускное отверстие подачи охлаждающего воздуха 36 соединяет камеру охлаждения 26 и первую полость 32 с целью обеспечить подачу охлаждающего воздуха в верхнюю систему А. Точнее, это отверстие подачи 36 выходит в камеру охлаждения 26 с нижней стороны первой полости 32.

Предусматривается также множество пропускных отверстий 38, которые соединяют первую полость 32 со второй полостью 34. Эти пропускные отверстия 38 позволяют посредством поступающего воздуха охлаждать вторую полость 34.

Система верхнего охлаждения А, кроме того, включает в себя множество выпускных отверстий 40а, 40b, которые соединяют вторую полость 34 с газовым окном 14 для прохождения горячих газов 14 с верхней стороны кольцевого сегмента 16. Охлаждающий воздух, циркулирующий в верхней системе А, выводится через эти выпускные отверстия 40а, 40b.

Предусматривается также первый ряд выпускных отверстий 40а, которые выходят в газовое окно 14 вытекания горячих газов на уровне внутренней кольцеобразной поверхности 18 кольцевого сегмента 16, и второй ряд выпускных отверстий 40b, которые выходят в газовое окно 14 вытекания горячих газов на уровне верхней, поперечно расположенной стенки 16а кольцевого сегмента. В связи с этим выпускные отверстия 40а первого ряда могут быть наклонены относительно направления вытекания 10 горячих газов, в то время как выпускные отверстия 40b второго ряда могут быть расположены параллельно относительно этого направления вытекания газов.

Возможен также вариант, когда система верхнего охлаждения А представляет собой второй ряд выпускных отверстий, выходящих в газовое окно вытекания горячих газов с верхней стороны кольцевого сегмента 16.

Следует также отметить, что, как это показано на фиг.3, выпускные отверстия 40а и 40b имеют линейное расположение вдоль направления оси относительно пропускных отверстий 38, которые соединяют первую полость 32 со второй полостью 34. Такое размещение позволяет уменьшить потери в загрузке. В то же время возможен вариант, когда выпускные отверстия 40а и 40b не выровнены вместе с пропускными отверстиями 38.

В показанном на фиг.2 и 4 способе применения внутренняя система нижнего охлаждения В снабжена, по меньшей мере, тремя внутренними полостями 42, 44 и 46, которые размещены под углом между продольно расположенными стенками 16с, 16d кольцевого сегмента 16.

Кроме того, эти три полости 42, 44 и 46 радиально смещены относительно первой полости 32 системы верхнего охлаждения А, т.е. они расположены между первой полостью 32 верхней системы А и внутренней кольцеобразной поверхностью 18 кольцевого сегмента 16.

Более точно, по меньшей мере, внутренняя первая полость 42 располагается с нижней стороны кольцевого сегмента 16. Внутренняя вторая полость 44 располагается вдоль оси, выше первой полости 42. Внутренняя третья полость 46 также располагается вдоль оси, выше второй полости 44.

На фиг.2 и 4 видно, что эти три полости 42, 44 и 46 имеют почти одинаковую ширину (соответственно расстояние между их поперечно расположенными стенками) и размещены практически на одинаковом расстоянии друг от друга.

Система нижнего охлаждения В обеспечивается охлаждающим воздухом, по меньшей мере, через одно впускное отверстие подачи воздуха 48, соединяющее камеру охлаждения 26 с первой полостью 42.

Система нижнего охлаждения В включает в себя также, по меньшей мере, первый канал, соединяющий первую полость 42 со второй полостью 44, и, по меньшей мере, второй канал 52, который соединяет вторую полость 44 с третьей полостью 46.

Множество выпускных отверстий 54 соединяет третью полость 46 с газовым окном 14 вытекания горячих газов с верхней стороны кольцевого сегмента 16 в целях его охлаждения. Выпускные отверстия 54 просверливаются с верхней стороны кольцевого сегмента на уровне внутренней кольцеобразной поверхности 18. Они, в частности, наклонены относительно направления вытекания 10 горячих газов. Охлаждающий воздух, циркулирующий в нижней системе В, выводится таким образом через выпускные отверстия 54.

Предпочтительно, чтобы вторая полость 44 системы нижнего охлаждения В была снабжена источником помех 56, позволяющим повысить теплообмен. Как это показано на фиг.4, источники помех 56 могут быть выполнены в виде продольных ребер жесткости, расположенных перпендикулярно по отношению к направлению циркуляции воздуха во второй полости 44. Источники помех, например, могут также иметь форму клина или скобы.

Желательно, чтобы впускные отверстия подачи воздуха 48 и второй канал 52 системы нижнего охлаждения В располагались со стороны одной из продольно расположенных стенок 16с (или 16d) кольцевого сегмента 16, а первый канал 50 системы нижнего охлаждения В - со стороны другой продольно расположенной стенки 16d (или 16с) кольцевого сегмента. Такое размещение позволяет увеличить протяженность циркуляции охлаждающего воздуха в системе нижнего охлаждения В в целях увеличения объема теплообмена.

Ниже, со ссылкой на фиг.5 и 6, будет описан другой способ применения кольцевого сегмента в соответствии с изобретением.

В случае применения данного способа система верхнего охлаждения А кольцевого сегмента аналогична ранее описанной системе, а система нижнего охлаждения В' имеет отличия.

Данная система нижнего охлаждения В' включает в себя, по меньшей мере, четыре внутренние полости 58, 60, 62 и 64, которые размещены вдоль оси между верхней продольно расположенной стенкой 16а и нижней продольно расположенной стенкой 16b кольцевого сегмента 16.

Кроме того, эти четыре полости 58, 60, 62 и 64 радиально смещены относительно первой полости 32 системы верхнего охлаждения А, т.е. расположены между первой полостью 32 системы верхнего охлаждения А и внутренней кольцеобразной поверхностью 18 кольцевого сегмента 16.

Первая полость 58 системы нижнего охлаждения В' размещена со стороны одной из продольно расположенных стенок 16с (или 16d) кольцевого сегмента 16. Вторая полость 60 имеет угловое смещение относительно первой полости 58, третья полость 62 имеет угловое смещение относительно второй, а четвертая полость 64 имеет угловое смещение относительно третьей полости. Эти полости размещены таким образом, что четвертая полость 64 располагается со стороны продольно расположенной стенки 16d (или 16с), которая является обратной стороной стенки первой полости 58.

По меньшей мере, первое 66 и второе 68 впускные отверстия подачи охлаждающего воздуха ведут из камеры охлаждения 26 в соответственно вторую 60 и третью 62 полости с целью подачи в них охлаждающего воздуха.

Система нижнего охлаждения В' включает в себя также, по меньшей мере, первый канал 70, соединяющий вторую полость 60 с первой полостью 58. Таким же образом, по меньшей мере, второй канал 72 соединяет третью полость 62 с четвертой полостью 64.

И наконец, система нижнего охлаждения В' снабжена множеством выпускных отверстий 74 первого ряда, которые соединяют первую полость 58 с газовым окном 14 вытекания горячих газов на уровне продольно расположенной стенки 16с кольцевого сегмента 16, со стороны которой располагается первая полость 58.

Аналогично этому предусматривается также наличие множества выпускных отверстий 76 второго ряда, которые соединяют четвертую полость 64 с газовым окном 14 вытекания горячих газов на уровне другой продольно расположенной стенки 16d кольцевого сегмента 16.

Таким образом, удается получить две не зависящие друг от друга подсистемы нижнего охлаждения. Как это показано на фиг.6, эти подсистемы могут располагаться почти симметрично относительно срединной продольной оси кольцевого сегмента. Эти подсистемы нижнего охлаждения обеспечиваются воздухом автономно через впускные отверстия 66, 68 и имеют также выпускные отверстия 74, 76, которые позволяют охлаждать соседние с данным кольцевым сегментом кольцевые сегменты.

Предпочтительно, чтобы вторая 60 и третья 62 полости системы нижнего охлаждения В' включали в себя каждая источники помех 78, которые позволили бы повысить теплообмен. Эти источники помех 78 могут иметь форму ребер жесткости (как это показано на фиг.5 и 6), клина или скобы.

Кроме того, первое 66 и второе 68 впускные отверстия системы нижнего охлаждения В' преимущественно просверливаются со стороны одной из поперечных стенок 16а, 16b кольцевого сегмента 16 (на фиг.6 - со стороны нижней стенки 16b), а первый 70 и второй 72 каналы системы нижнего охлаждения В' просверливаются со стороны другой поперечной стенки 16b, 16а кольцевого сегмента 16 (на фиг.6 - со стороны верхней стенки 16а). Такое расположение позволяет увеличить протяженность циркуляции охлаждающего воздуха во второй системе нижнего охлаждения В в целях увеличения объема теплообмена.

Фиксированное стяжное кольцо, расположенное вокруг газового окна прохождения горячих газов газовой турбины; при этом вышеуказанное стяжное кольцо окружено фиксированной кольцевой полостью, представляющей собой кольцевую камеру охлаждения, в которую выходит, по меньшей мере, одно впускное отверстие подачи охлаждающего воздуха; при этом вышеуказанное стяжное кольцо состоит из множества кольцевых сегментов, каждый из которых включает в себя внутреннюю систему верхнего охлаждения и внутреннюю систему нижнего охлаждения, при этом вышеуказанная внутренняя система нижнего охлаждения остается независимой от вышеуказанной системы верхнего охлаждения и радиально смещена относительно вышеуказанной системы верхнего охлаждения. 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Фиксированное стяжное кольцо (4), расположенное вокруг газового окна (14) прохождения горячих газов газовой турбины (1) и окруженное зафиксированной кольцевой полостью (2), образующей кольцевую камеру охлаждения (26), в которую выходит, по меньшей мере, одно впускное отверстие подачи охлаждающего воздуха (28); при этом вышеуказанное стяжное кольцо (4) состоит из множества кольцевых сегментов (16), отличающееся тем, что каждый кольцевой сегмент (16) включает в себя внутреннюю систему верхнего охлаждения (А) и внутреннюю систему нижнего охлаждения (В, В'), независимую от внутренней системы верхнего охлаждения (А), радиально смещенную относительно нее, и включает в себя, по меньшей мере, одно впускное отверстие подачи охлаждающего воздуха (4) из камеры охлаждения (26).2. Стяжное кольцо (4) по п.1, отличающееся тем, что система верхнего охлаждения (А) каждого кольцевого сегмента (16) включает в себя

по меньшей мере, одну внутреннюю первую полость (32), которая располагается под углом между продольно расположенными стенками (16с, 16d) кольцевого сегмента (16);

по меньшей мере, одну внутреннюю вторую полость (34), которая располагается под углом между продольно расположенными стенками (16с, 16d) кольцевого сегмента (16) и сверху, относительно оси первой полости;

по меньшей мере, одно впускное отверстие подачи охлаждающего воздуха (36), соединяющее камеру охлаждения (26) с первой полостью (32) для снабжения первой полости;

множество пропускных отверстий (38), соединяющих первую полость (32) со второй полостью (34) для охлаждения посредством воздуха второй полости (34);

множество выпускных отверстий (40а, 40b), соединяющих вторую полость (34) с газовым окном вытекания горячих газов (14) с верхней стороны кольцевого сегмента (16).

по меньшей мере, одну внутреннюю первую полость (42), которая располагается под углом между продольно расположенными стенками (16с, 16d) кольцевого сегмента (16) и с нижней стороны кольцевого сегмента;

по меньшей мере, одну внутреннюю вторую полость (44), которая располагается под углом между продольно расположенными стенками (16с, 16d) кольцевого сегмента (16) и сверху, относительно оси первой полости;

по меньшей мере, одну внутреннюю третью полость (46), которая располагается под углом между продольно расположенными стенками (16с, 16d) кольцевого сегмента (16) и сверху, относительно оси второй полости (44);

по меньшей мере, один первый (50) и один второй (52) каналы, соединяющие соответственно первую полость (42) со второй полостью (44) и вторую полость (44) с третьей полостью (46);

множество выпускных отверстий (54), соединяющих третью полость (46) с газовым окном вытекания горячих газов (14) с верхней стороны кольцевого сегмента (16), впускное отверстие подачи охлаждающего воздуха (48) в первую полость (42) в целях обеспечения воздухом.

по меньшей мере, одну первую внутреннюю полость (58), которая размещена вдоль оси между верхней, продольно расположенной стенкой (16а), и нижней, продольно расположенной стенкой (16b) кольцевого сегмента (16), со стороны одной из продольно расположенных стенок (16с, 16d) кольцевого сегмента (16);

по меньшей мере, вторую одну внутреннюю полость (60), которая размещена вдоль оси между верхней, продольно расположенной стенкой (16а), и нижней, продольно расположенной стенкой (16b) кольцевого сегмента (16), и имеет угловое смещение относительно первой полости (58);

по меньшей мере, одну третью внутреннюю полость (62), которая размещена вдоль оси между верхней, продольно расположенной стенкой (16а), и нижней, продольно расположенной стенкой (16b) кольцевого сегмента (16), и имеет угловое смещение относительно второй полости (60);

по меньшей мере, одну четвертую внутреннюю полость (64), которая размещена вдоль оси между верхней, продольно расположенной стенкой (16а), и нижней, продольно расположенной стенкой (16b) кольцевого сегмента (16), и имеет угловое смещение относительно третьей полости (62);

по меньшей мере, одно первое (66) и одно второе (68) впускные отверстия подачи охлаждающего воздуха, которые ведут из камеры охлаждения (26) в соответственно вторую (60) и третью (62) полости с целью обеспечения вышеуказанных второй и третьей полостей;

по меньшей мере, первый (70) и второй (72) каналы, соединяющие, соответственно, вторую полость (60) с первой полостью (58) и третью полость (62) с четвертой полостью (64);

множество выпускных отверстий (74), которые соединяют первую полость (58) с газовым окном (14) вытекания горячих газов на уровне продольно расположенной стенки (16с, 16а) кольцевого сегмента (16), со стороны которой располагается первая внутренняя полость (58);

множество выпускных отверстий (76), которые соединяют четвертую полость (64) с газовым окном (14) вытекания горячих газов на уровне другой, продольно расположенной стенки (16d, 16с) кольцевого сегмента (16).