СТАТОР ТУРБИНЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ В ТУРБОМАШИНЕ И СПОСОБ СБОРКИ СЕКТОРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СТАТОРА Российский патент 2009 года по МПК F01D11/24 F01D25/24 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к общей области управления зазорами у торцов рабочих (подвижных) лопаток турбин высокого давления турбомашин. Более конкретно, оно охватывает способ сборки секторных элементов статора турбины высокого давления турбомашины.

Уровень техники

Статор турбины высокого давления турбомашины состоит, в основном, из кольцевого корпуса, расположенного вокруг продольной оси турбины, набора секторных перемычек, установленных на корпусе, и набора кольцевых секторов, прикрепленных к перемычкам и образующих кольцевую поверхность, окружающую рабочие (подвижные) лопатки ротора турбины.

Известно, что для повышения кпд такой турбины необходимо по возможности уменьшить зазоры, существующие между торцами рабочих лопаток ротора турбины и находящимися напротив них элементами статора. Статор турбины высокого давления турбомашины, обеспечивающий возможность уменьшения указанного зазора у торцов лопаток посредством изменения диаметра корпуса турбины в соответствии с режимом ее работы, описан, например, в заявке США №20020053837, 2002 (принадлежащей заявителю настоящего изобретения). Известный статор содержит кольцевой корпус 1 (см. фиг.1, 2 указанной заявки), вокруг которого располагаются кольцевые каналы 2 статора турбины. Данные каналы, в которых циркулирует воздух, поступающий из других частей турбомашины, соответственно образуют кольцевые секторы 2 кожуха циркуляции воздуха. Этот воздух подается на корпус 1 и вызывает тепловое расширение или сокращение статора турбины, что приводит к изменению его диаметра. Каналы циркуляции воздуха образуют модуль регулирования зазоров у торцов лопаток. Данный статор содержит также секторные перемычки 15, которые установлены на корпусе 1 и к которым прикреплены кольцевые секторы, образуют непрерывную кольцевую поверхность, окружающую рабочие лопатки ротора турбины, и патрубки подачи воздуха, проходящие через корпус 1 и предназначенные для подачи воздуха на ступень направляющего аппарата низкого давления турбомашины, расположенного по направлению движения газов за турбиной высокого давления (на фиг.1 показано выходное отверстие одного из таких патрубков).

Способ сборки секторных элементов известного статора соответственно предусматривает установку на корпусе 1 секторных перемычек 15; прикрепление к секторным перемычкам по окружности вокруг продольной оси турбины кольцевых секторов так, что они образуют непрерывную кольцевую поверхность, окружающую рабочие лопатки ротора турбины; и установку по окружности вокруг корпуса 1 угловых секторов 2 кожуха циркуляции воздуха, предназначенных для подачи воздуха на корпус.

Описанный статор и способ его сборки (которые могут быть выбраны в качестве ближайших аналогов предлагаемых технических решений) не позволяют добиться высокой степени однородности температуры на всей окружности корпуса турбины, что вызывает деформацию корпуса, оказывающую негативное влияние, в частности, на к.п.д. и длительность срока службы турбины высокого давления.

Раскрытие изобретения

Таким образом, задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в устранении указанных недостатков путем разработки способа сборки секторных элементов кольцевого статора турбины высокого давления, позволяющего осуществлять регулирование величины зазоров у торцов лопаток во всех повторяющихся случаях с наименьшими возможными термическими искажениями.

Для решения поставленной задачи в соответствии с изобретением предлагается статор турбины высокого давления турбомашины, угловое распределение секторных элементов которого приводит к слабым и регулярно повторяющимся термическим деформациям. Статор по изобретению содержит следующие элементы:

- кольцевой корпус, расположенный вокруг продольной оси турбины высокого давления;

- секторные перемычки, которые установлены на корпусе и к которым прикреплены кольцевые секторы, расположенные по окружности вокруг продольной оси турбины высокого давления так, что они образуют непрерывную кольцевую поверхность, окружающую рабочие лопатки ротора турбины высокого давления;

- угловые секторы кожуха циркуляции воздуха, расположенные по окружности вокруг корпуса и предназначенные для подачи воздуха на корпус для обеспечения возможности регулирования величины зазора у торцов рабочих лопаток ротора турбины;

- и патрубки подачи воздуха, проходящие через корпус и предназначенные для подачи воздуха на ступень направляющего аппарата низкого давления турбомашины, расположенного по направлению движения газов за турбиной высокого давления.

Статор по изобретению характеризуется тем, что угловое распределение элементов статора вокруг продольной оси турбины высокого давления выбрано исключающим согласованность углового положения зон, расположенных между двумя соседними перемычками, и межсекторных зон кожуха, расположенных между двумя соседними секторами кожуха.

В предпочтительном варианте угловое распределение элементов статора вокруг продольной оси турбины высокого давления дополнительно выбрано таким, чтобы обеспечить согласование углового положения каждого из патрубков подачи воздуха относительно одной из межсекторных зон кожуха.

В оптимальном варианте статор содержит N угловых секторов кожуха циркуляции воздуха, 3N перемычек, N патрубков подачи воздуха и 6N кольцевых секторов.

Предлагается также способ сборки секторных элементов кольцевого статора по изобретению, включающий:

- установку на корпусе секторных перемычек, к которым прикреплены кольцевые секторы так, что они образуют непрерывную кольцевую поверхность, окружающую рабочие лопатки ротора турбины;

- и установку по окружности вокруг корпуса угловых секторов кожуха циркуляции воздуха, предназначенных для подачи воздуха на корпус для обеспечения возможности регулирования величины зазора у торцов рабочих лопаток ротора турбины.

Данный способ характеризуется тем, что включает определение схемы углового распределения элементов статора в заранее определенном угловом секторе, исключающую согласованность углового положения зон элементов статора, расположенных между двумя соседними секторами одного и того же элемента статора, и воспроизведение схемы распределения на всей окружности статора.

Схему углового распределения предпочтительно воспроизводят с сохранением вращательной симметрии относительно заранее определенного углового сектора.

В оптимальном варианте схема углового распределения элементов статора определена так, что исключает согласованность углового положения зон, расположенных между двумя соседними перемычками, и межсекторных зон кожуха, расположенных между двумя соседними секторами кожуха.

Таким образом, удается исключить согласованность углового положения зон корпуса, на которые не подается воздух из секторов кожуха циркуляции воздуха, с зонами, расположенными между перемычками. Вследствие этого распределение температур корпуса и вызванных ими термических деформаций в заранее определенном угловом секторе приобретает однородный характер.

Кроме того, поскольку угловое распределение повторяется симметричным образом, распределение температур внутри корпуса также становится симметричным на всей окружности корпуса. Вследствие этого термические деформации корпуса приобретают, по существу, регулярно повторяющийся характер, что облегчает их регулирование.

Поскольку элементы статора дополнительно содержат патрубки подачи воздуха, проходящие через корпус и предназначенные для подачи воздуха на ступень направляющего аппарата низкого давления турбомашины, расположенного по направлению движения газов за турбиной высокого давления, способ дополнительно включает согласование углового положения каждого из патрубков подачи воздуха относительно одной из межсекторных зон кожуха.

Заранее определенный угловой сектор соответствует одному угловому сектору кожуха циркуляции воздуха. Кроме того, каждому угловому сектору кожуха циркуляции воздуха соответствуют три перемычки и один патрубок подачи воздуха.

Краткое описание чертежей

Другие свойства и достоинства настоящего изобретения станут ясны из нижеследующего описания, содержащего ссылки на прилагаемые чертежи, которые иллюстрируют пример осуществления изобретения, не вносящий каких-либо ограничений. На чертежах:

- фиг.1 изображает в перспективе статор турбины высокого давления по изобретению;

- фиг.2 схематично изображает статор по фиг.1 в поперечном разрезе;

- фиг.3 и 4 схематично изображают в поперечном разрезе статоры по другим вариантам осуществления изобретения.

Осуществление изобретения

Статор 10 турбины высокого давления содержит кольцевой корпус 12, расположенный вокруг продольной оси Х-Х турбины высокого давления.

На внутренней поверхности кольцевого корпуса 12 установлены секторные перемычки 14, расположенные по окружности вокруг продольной оси Х-Х турбины. Под секторными элементами в последующем описании подразумеваются элементы, имеющие форму угловых секторов, которые, будучи составлены последовательно, образуют кольцевую структуру.

Кольцевые секторы 16 прикреплены к внутренней поверхности перемычек 14. Кольцевые секторы 16 расположены по окружности вокруг продольной оси Х-Х и образуют непрерывную кольцевую поверхность, окружающую рабочие лопатки (не представлены на чертежах) ротора (не представлен) турбины высокого давления.

Внутренняя поверхность кольцевых секторов 16 частично ограничивает канал течения газов, поступающих из камеры сгорания (не представлена) турбомашины и проходящих через турбину высокого давления.

Между внутренней поверхностью кольцевых секторов 16 и торцами рабочих лопаток ротора турбины оставляют зазор (не представлен), позволяющий рабочим лопаткам ротора вращаться.

Для повышения кпд турбины необходимо уменьшить этот зазор, насколько это возможно. Для этого предусмотрено устройство 18 регулирования зазора. Это устройство состоит, в частности, из трубы 20 воздушного коллектора, окружающей корпус 12, в которую через, по меньшей мере, один воздуховод 22 (на фиг.1 представлен один воздуховод) подается воздух.

Из трубы 20 коллектора воздух подается в угловые секторы 24 кожуха циркуляции воздуха, закрепленные по окружности корпуса 12 при помощи крепежных планок 26. Подача воздуха в секторы 24 кожуха циркуляции воздуха осуществляется через герметичные V-образные муфты 28, соединенные с трубой 20 коллектора.

В варианте по фиг.1 каждый из секторов 24 кожуха состоит из трех каналов циркуляции воздуха, отстоящих друг от друга в осевом направлении и, по существу, параллельных друг другу. В каждом из этих каналов предусмотрены отверстия (не представлены), через которые воздух поступает на корпус 12 для изменения его температуры.

Кроме того, через корпус 12 проходят патрубки 30 подачи воздуха. Эти патрубки 30 предназначены для подачи воздуха на ступень направляющего аппарата низкого давления (не представлен на чертежах) турбомашины, расположенного по направлению движения газов за турбиной высокого давления.

Изобретение предусматривает способ сборки названных различных элементов статора турбины вокруг ее продольной оси Х-Х.

В соответствии с изобретением этот способ заключается в определении схемы углового распределения элементов статора 10 для заранее определенного углового сектора ψ и в повторении этой схемы на всей окружности статора.

Схему углового распределения элементов статора 10 для заранее определенного углового сектора ψ определяют так, что исключается согласованность углового положения межсекторных зон различных элементов статора. Межсекторными зонами называют зоны, расположенные между двумя соседними секторами одного и того же элемента статора.

Заранее определенный угловой сектор ψ в оптимальном варианте выбирается таким, чтобы соответствовать угловому сектору 24 кожуха.

На фиг.2 проиллюстрирован пример осуществления способа по изобретению. На этом чертеже в качестве заранее определенного углового сектора ψа выбран сектор с угловым размером 60°.

В этом угловом секторе ψа элементы статора 10 расположены так, что исключается согласованность углового положения межсекторных зон элементов статора. Более конкретно, угловое распределение выбрано исключающим согласованность углового положения зон 14а, находящихся между двумя соседними перемычками 14, и межсекторных зон 24а кожуха, находящихся между двумя соседними секторами кожуха.

Такое распределение перемычек 14 относительно секторов 24 кожуха исключает согласованность углового положения зон корпуса 12, на которые не подается воздух из устройства 18 регулирования зазора (то есть межсекторных зон 24а кожуха), и зон 14а, находящихся между перемычками.

Таким образом, распределение температуры в корпусе 12 в угловом секторе ψа и, следовательно, порождаемые этим распределением термические деформации приобретают, по существу, однородный характер.

Определенную таким образом схему распределения в угловом секторе ψа воспроизводят затем на всей окружности статора 10. В примере, приведенном на фиг.1, схема распределения повторена пять раз, чтобы покрыть всю окружность статора.

В соответствии с выгодным отличием изобретения схему распределения воспроизводят на всей окружности статора с сохранением вращательной симметрии относительно заранее определенного углового сектора ψа.

Таким образом, распределение температур корпуса 12 приобретает симметричный характер на всей окружности корпуса. Вследствие этого термические деформации корпуса 12 становятся, по существу, регулярно повторяющимися, что упрощает их регулирование.

В соответствии с другим отличием изобретения схема углового распределения элементов статора 10 в угловом секторе выбрана также такой, чтобы обеспечить согласование углового положения каждого из патрубков 30 подачи воздуха относительно одной из межсекторных зон 24а кожуха. Такое расположение патрубков 30 подачи воздуха также способствует повышению однородности температуры корпуса 12. На фиг.2 хорошо видно, что каждый из патрубков 30, предназначенных для подачи воздуха на ступень направляющего аппарата низкого давления, расположен между двумя соседними секторами 24 кожуха.

На фиг.3 проиллюстрирован другой пример осуществления способа по изобретению. На этом чертеже в качестве заранее определенного углового сектора ψb выбран сектор с угловым размером 90°. Этот угловой сектор ψb соответствует угловому сектору 24 кожуха. Элементы статора 10 расположены в этом угловом секторе ψb так, что исключается согласованность углового положения межсекторных зон элементов статора и, с другой стороны, чтобы обеспечить согласование углового положения каждого из патрубков 30 подачи воздуха относительно одной из межсекторных зон 24а кожуха.

Такое угловое распределение сохраняется также и в статоре, изображенном на фиг.4, иллюстрирующей еще один пример осуществления способа по изобретению. На этом чертеже в качестве заранее определенного углового сектора ψс выбран сектор с угловым размером 30°.

В соответствии с еще одним выгодным отличием изобретения на каждый угловой сектор 24 кожуха циркуляции воздуха приходится три перемычки 14 и один патрубок 30 подачи воздуха. Кроме того, в оптимальном варианте на каждую перемычку 14 также приходятся два кольцевых сектора 16.

Другими словами, статор 10 турбины высокого давления по изобретению содержит N угловых секторов 24 кожуха циркуляции воздуха, 3N перемычек 14, N патрубков 30 подачи воздуха и 6N кольцевых секторов 16.

Таким образом, получают конфигурации А, В и С, которые охарактеризованы в приведенной таблице и которые соответствуют примерам осуществления статора, проиллюстрированным соответственно на фиг.2, 3 и 4. В этой таблице указано количество секторных элементов для конфигураций А, В и С.

  секторы 24 кожуха перемычки 14 патрубки 30 кольцевые секторы 16 А: N=6 6 18 6 36 В: N=4 4 12 4 24 С: N=12 12 36 12 72

Способ сборки секторных элементов кольцевого статора турбины высокого давления турбомашины, содержащего кольцевой корпус, включает установку на корпусе секторных перемычек и установку по окружности вокруг корпуса угловых секторов кожуха циркуляции воздуха. К секторным перемычкам прикреплены кольцевые секторы, расположенные по окружности вокруг продольной оси турбины так, что они образуют непрерывную кольцевую поверхность, окружающую рабочие лопатки ротора турбины. Угловые сектора кожуха циркуляции воздуха предназначены для подачи воздуха на корпус для обеспечения возможности регулирования величины зазора у торцов рабочих лопаток ротора турбины. При осуществлении способа задают схему углового распределения элементов статора в заранее определенном угловом секторе, исключающую согласованность углового положения зон, расположенных между двумя соседними перемычками, и межсекторных зон кожуха, расположенных между двумя соседними секторами кожуха воспроизводят указанную схему распределения на всей окружности статора. Другое изобретение группы относится к статору турбины высокого давления турбомашины, собираемому как это описано выше. Группа изобретений позволяет повысить срок службы турбины и ее коэффициент полезного действия за счет обеспечения высокой степени однородности температуры на всей окружности корпуса турбины. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил. 1 табл.

1. Способ сборки секторных элементов (14, 24) кольцевого статора (10) турбины высокого давления турбомашины, содержащего кольцевой корпус (12), расположенный вокруг продольной оси (Х-Х) указанной турбины, включающий:
установку на корпусе (12) секторных перемычек (14), к которым прикреплены кольцевые секторы (16), расположенные по окружности вокруг продольной оси (Х-Х) турбины так, что они образуют непрерывную кольцевую поверхность, окружающую рабочие лопатки ротора турбины,
и установку по окружности вокруг корпуса (12) угловых секторов (24) кожуха циркуляции воздуха, предназначенных для подачи воздуха на корпус для обеспечения возможности регулирования величины зазора у торцов рабочих лопаток ротора турбины, отличающийся тем, что:
задают схему углового распределения элементов статора в заранее определенном угловом секторе (ψ), исключающую согласованность углового положения зон (14а), расположенных между двумя соседними перемычками (14), и межсекторных зон (24а) кожуха, расположенных между двумя соседними секторами (24) кожуха;
и воспроизводят указанную схему распределения на всей окружности статора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что схему углового распределения воспроизводят с сохранением вращательной симметрии относительно заранее определенного углового сектора (ψ).

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что элементы статора дополнительно содержат патрубки (30) подачи воздуха, проходящие через корпус (12) и предназначенные для подачи воздуха на ступень направляющего аппарата низкого давления турбомашины, расположенного по направлению движения газов за турбиной высокого давления, причем способ дополнительно включает согласование углового положения каждого из патрубков (30) подачи воздуха относительно одной из межсекторных зон (24а) кожуха.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что заранее определенному угловому сектору (ψ) соответствует угловой сектор (24) кожуха циркуляции воздуха.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что каждому угловому сектору (24) кожуха циркуляции воздуха соответствуют три перемычки (14) и один патрубок (30) подачи воздуха.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что каждой перемычке (14) соответствуют два кольцевых сектора (16).

7. Статор турбины высокого давления турбомашины, содержащий следующие элементы:
кольцевой корпус (12), расположенный вокруг продольной оси (Х-Х) турбины высокого давления;
секторные перемычки (14), которые установлены на корпусе (12) и к которым прикреплены кольцевые секторы (16), расположенные по окружности вокруг продольной оси (Х-Х) турбины высокого давления так, что они образуют непрерывную кольцевую поверхность, окружающую рабочие лопатки ротора турбины высокого давления;
угловые секторы (24) кожуха циркуляции воздуха, расположенные по окружности вокруг корпуса (12) и предназначенные для подачи воздуха на корпус для обеспечения возможности регулирования величины зазора у торцов рабочих лопаток ротора турбины;
и патрубки (30) подачи воздуха, проходящие через корпус (12) и предназначенные для подачи воздуха на ступень направляющего аппарата низкого давления турбомашины, расположенного по направлению движения газов за турбиной высокого давления, отличающийся тем, что угловое распределение элементов статора вокруг продольной оси (Х-Х) турбины высокого давления выбрано исключающим согласованность углового положения зон (14а), расположенных между двумя соседними перемычками (14), и межсекторных зон (24а) кожуха, расположенных между двумя соседними секторами (24) кожуха.

8. Статор по п.7, отличающийся тем, что угловое распределение элементов статора вокруг продольной оси (Х-Х) турбины высокого давления дополнительно выбрано таким, чтобы обеспечить согласование углового положения каждого из патрубков (30) подачи воздуха относительно одной из межсекторных зон (24а) кожуха.

9. Статор по п.7 или 8, отличающийся тем, что содержит N угловых секторов (24) кожуха циркуляции воздуха, 3N перемычек (14) и N патрубков (30) подачи воздуха.

10. Статор по п.9, отличающийся тем, что содержит 6N кольцевых секторов (16).