ГАЗОВАЯ ТУРБИНА, СОДЕРЖАЩАЯ ТЕПЛОВУЮ ЗАЩИТУ, И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК F02C7/18 F01D11/08 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к турбине с тепловой защитой и к способу для управления турбиной с тепловой защитой.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В турбинах, в частности в ступенях турбин, части турбин, такие как внутренние стенки или платформы, подвергаются воздействию горячей рабочей текучей среды турбины. Следовательно, системы охлаждения используются для охлаждения частей турбины.

Для целей охлаждения системы охлаждающего воздуха устанавливаются для предоставления потока охлаждающего воздуха на горячих частях турбины и/или предотвращения горячего потока рабочих газов от выхода через внутренние и внешние стенки кольца главного потока. Пространство для установки системы охлаждающего воздуха и для предоставления эффективной охлаждающей циркуляции охлаждающей текучей среды ограничено. Кроме того, сложные системы охлаждения являются дорогостоящими и их надежность низка. Более того, большое количество охлаждающего воздуха может отрицательно влиять на производительность турбины.

Более того, в газовой турбине осевые щели, требуемые для сборки и теплового расширения во время функционирования, между различными компонентами газового пути, такими как элементы внутренней обшивки, могут позволять прохождение горячего газа в полости снаружи границы газовых путей. Полости обычно формируются между элементами внутренней обшивки и опорными конструкциями для элементов внутренней обшивки.

Прохождение горячего газа является нежелательным, так как оно приводит к требованию дорогостоящих высококачественных теплозащитных материалов для компонентов турбины, которые находятся в контакте с горячим газом снаружи кольца главного потока. Чтобы снизить температуру, в таком случае требуется большое количество продувочного воздуха (охлаждающего воздуха), чтобы предотвратить или ограничить прохождение горячего газа, что типично превышает необходимость в целях охлаждения стенок, определяющих кольцо главного потока. Количество продувочного воздуха может быть значительным из-за размера самого внешнего объема, но также из-за наличия периферических изменений давления в главном направлении течения горячего газа во внутреннем объеме турбины, что вызывает более высокое прохождение. Периферические изменения давления в рабочей текучей среде вызваны лопатками внутри внутреннего объема турбины. Большое количество продувочного воздуха обычно приводит к потере производительности двигателя как в виде более низкой выходной мощности, так и в виде сниженной эффективности цикла. В конструкциях некоторых двигателей доступность давления подачи охладителя и/или в комбинации с массовым расходом охладителя может быть ограничена, что дает возможность для прохождения горячего газа и/или дополнительных потерь производительности, так как должен будет использоваться охладитель при более высоком давлении.

В традиционных подходах полости, которые формируются между элементами внутренней стенки, элементами внутренней обшивки и элементами внешней обшивки, продуваются достаточно сжатым воздухом, чтобы снизить и исключить прохождение горячего газа или снизить его до приемлемого уровня.

US 6402466 B1 раскрывает листовую изоляцию кожухов статора газовой турбины и полосы форсунок. Сборка листовой изоляции закреплена на задней кромке сегмента кожуха для изоляции между сегментом кожуха и боковой стенкой передней кромки внешней полосы форсунок. Листовая изоляция включает в себя удлиненную по окружности изолирующую пластину, смещенную посредством пары пружинных держателей, расположенных в желобке вдоль задней кромки сегмента кожуха, чтобы поддерживать изолирующую пластину в зацеплении с кромкой на боковой стенке передней кромки внешней полосы форсунок.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является предоставление более эффективного охлаждения частей турбины.

Эта цель может быть достигнута посредством турбины, в частности газовой турбины, и посредством способа управления турбиной, в частности газовой турбиной.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения, предоставляется турбина, в частности газовая турбина. Турбина содержит первую внутреннюю стенку, вторую внутреннюю стенку, внутреннюю обшивку и защитный элемент. Первая внутренняя стенка и вторая внутренняя стенка устанавливаются на внутреннюю обшивку. Первая внутренняя стенка и вторая внутренняя стенка расположены с тем, чтобы внутренний объем, через который может течь рабочая текучая среда турбины, отделялся от внешнего объема, через который может течь охлаждающая текучая среда. Первая внутренняя стенка, вторая внутренняя стенка и внутренняя обшивка расположены относительно друг друга с тем, чтобы полость формировалась во внешнем объеме. Защитный элемент расположен внутри полости с тем, чтобы защитный элемент разделял полость на внутреннюю область и внешнюю область, которая сформирована в радиально внешнем положении в сравнении с внутренней областью. Промежуток сформирован между первой внутренней стенкой и второй внутренней стенкой, через который рабочая текучая среда может течь между внутренним объемом и внутренней областью. Защитный элемент расположен в полости с тем, чтобы формировалось входное отверстие для текучей среды, через которое охлаждающая текучая среда может вводиться из внешней области во внутреннюю область для формирования предопределенной рециркуляции рабочей текучей среды и охлаждающей текучей среды внутри внутренней области.

Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения, предоставляется способ для управления турбиной, в частности газовой турбиной. Способ содержит транспортировку рабочей текучей среды турбины через внутренний объем. Кроме того, охлаждающая текучая среда транспортируется через внешний объем турбины. Первая внутренняя стенка и вторая внутренняя стенка устанавливаются на внутреннюю обшивку турбины, при этом первая внутренняя стенка и вторая внутренняя стенка расположены с тем, чтобы внутренний объем отделялся от внешнего объема. Первая внутренняя стенка, и вторая внутренняя стенка, и внутренняя обшивка расположены относительно друг друга с тем, чтобы полость формировалась во внешнем объеме. Защитный элемент расположен внутри полости с тем, чтобы защитный элемент разделял полость на внутреннюю область и внешнюю область, которая сформирована в радиально внешнем положении в сравнении с внутренней областью. Согласно способу часть рабочей текучей среды направляется между внутренним объемом и внутренней областью через промежуток. Первая внутренняя стенка и вторая внутренняя стенка расположены относительно друг друга с тем, чтобы между ними формировался промежуток. Дополнительно, согласно способу охлаждающая текучая среда вводиться через входное отверстие для текучей среды защитного элемента из внешней области во внутреннюю область для формирования предопределенной рециркуляции части рабочей текучей среды и охлаждающей текучей среды внутри внутренней области.

Термины «внутренний» и «внешний» определяют положение относительно друг друга в радиальном направлении, наблюдаемом с оси вращения турбины. Осевое направление и радиальное направление турбины определяются валом турбины турбины. Ось вращения вала турбины определяет осевое направление. Радиальное направление описывает направление на или от центральной точки вала турбины, то есть оси вращения, при этом радиальное направление перпендикулярно осевому направлению. Термин «кольцевой» описывает форму части турбины, которая имеет в значительной степени кольцевой ход в направлении окружности, частично вокруг вала турбины.

Первая и вторая внутренние стенки описывают части турбины, которые отделяют внутренний объем от внешнего объема. Элементы стенок могут быть прикреплены к держателям лопаток, например внутренней обшивке. В частности, внутренние стенки являются стенками пути текучей среды, вдоль которых течет рабочая текучая среда турбины внутри внутреннего объема. Внутренние стенки могут иметь кольцевую форму по меньшей мере частично вокруг вала турбины, при этом между внутренней поверхностью внутренних стенок и валом турбины формируется внутренний объем.

Внутри внутреннего объема рабочая текучая среда, такая как рабочий газ или пар, течет вдоль в значительной степени осевого направления, хотя увеличения пути потока могут иметь по меньшей мере тангенциальное направление. Внутри внутреннего объема аэродинамические поверхности лопаток статора и лопаток ротора подвергаются воздействию рабочей текучей среды.

Внутренняя обшивка описывает опорную конструкцию, в частности, для внутренних стенок. Внутренняя обшивка может иметь кольцевую форму, например на внутреннюю обшивку могут устанавливаться функциональные устройства, такие как чувствительные элементы и система охлаждающих каналов для направления охлаждающего воздуха. Внутренняя обшивка может устанавливаться на внешнюю обшивку, которая может являться главной преградой от давления газовой турбины. Первая и вторая внутренние стенки могут устанавливаться на различные внутренние обшивки, которые, в свою очередь, могут устанавливаться на одинаковые или различные секции внешней обшивки или обшивок. Турбина может иметь конструкцию, в которой используется только одна внутренняя обшивка без каких-либо дополнительных промежуточных или внешних обшивок. В качестве альтернативы, турбина может иметь конструкцию, в которой внутренняя обшивка дополнительно окружена внешней обшивкой.

Между внутренними стенками внутренней обшивки (и/или внешней обшивки) формируется внешний объем. Через внешний объем может транспортироваться охлаждающая текучая среда, например продувочный воздух, чтобы охлаждать внутренние стенки, которые нагреваются рабочей текучей средой внутри внутреннего объема.

Между внутренней обшивкой и первой и второй внутренними стенками формируются полости из-за ограничений конструкции, производства и/или сборки и для снижения веса турбины. Полости используются для транспортировки через них воздуха, чтобы охладить внутренние стенки.

Между первой внутренней стенкой и второй внутренней стенкой сформирован промежуток. Через промежуток горячая рабочая текучая среда может проходить внутрь полости. Промежуток формируется из-за теплового расширения материала внутренних стенок.

Следовательно, чтобы предотвратить транспортировку горячего рабочего газа внутрь полости, охлаждающая текучая среда (продувочный воздух) протекает через полость, чтобы вентилировать и охлаждать компоненты, которые окружают полость, чтобы увеличить давление внутри полости с тем, чтобы прохождение горячей рабочей текучей среды уменьшалось. В частности, целью является увеличение давления охлаждающей текучей среды внутри полости с тем, чтобы давление внутри полости было выше, чем давление внутри внутреннего объема.

Полости, сформированные между внутренними стенками и внутренней обшивкой, имеют кольцевую форму и идут вокруг направления окружности вокруг вала турбины. Следовательно, полости могут иметь большой объем. По этой причине большое количество охлаждающей текучей среды должно вводиться внутрь полости, чтобы сформировать достаточную производительность охлаждения и чтобы увеличить давление внутри полости. Введение большого количества охлаждающего воздуха приводит к большому количеству охлаждающего воздуха, который также вводится через промежуток внутри внутреннего объема. Следовательно, требуется большое количество энергии для обеспечения потока охлаждающей текучей среды вместо расширения такого же потока текучей среды в виде дополнительного газа через турбину, после того как он был нагрет в камере сгорания, чтобы сгенерировать механическую работу. Из-за большого количества охлаждающего воздуха, протекающего через промежуток, эффективность турбины также снижается.

Посредством настоящего изобретения защитный элемент устанавливается в вышеупомянутую полость. Защитный элемент может содержать металлическую полосу или металлическую пластину, которая имеет кольцевую форму и, таким образом, тянется в кольцевом направлении вокруг вала турбины. Защитный элемент может, например, принимать форму кольца или цилиндра в виде одной кольцевой детали или может быть сформирован из нескольких сегментов. Защитный элемент может устанавливаться на или напротив внутренней обшивки, например, с тем, чтобы защитный элемент не контактировал с внутренними стенками.

Посредством установки защитного элемента в полость, полость разделяется на внутреннюю область, которая расположена между внутренними стенками и защитным элементом, и внешнюю область, которая расположена между частями внутренней обшивки или внешней обшивки и защитным элементом.

Следовательно, объем полости разделяется на объем внутренней области и объем внешней области. Следовательно, объем внутренней области может поддерживаться небольшим, в частности меньше, чем объем внешней области. Следовательно, высокое давление для формирования положительного потока охлаждающей текучей среды из внутренней области во внутренний объем, которое необходимо для предотвращения прохождения горячего газа в полость, может прикладываться только внутри внутренней области. При прикладывании высокого давления в меньшем объеме, в частности внутри внутренней области, необходимо меньшее количество и меньший объемный расход охлаждающей текучей среды и, следовательно, меньше энергии для транспортировки охлаждающей текучей среды, в сравнении с высоким давлением, присутствующим в большом объеме, в частности внутри всей полости.

В частности, защитный элемент, такой как защитная пластина, отделяет внутреннюю область от внешней области таким образом, что входное отверстие для текучей среды формируется посредством защитного элемента и через это входное отверстие для текучей среды охлаждающая текучая среда проходит через защитный элемент из внешней области во внутреннюю область. Входное отверстие для текучей среды может быть сформировано между краями защитной пластины вместе с соседними частями турбины или может быть сформировано посредством сквозных отверстий внутри защитного элемента.

Текучая среда, протекающая через входное отверстие для текучей среды из внешней области во внутреннюю область, смешивается с горячей рабочей текучей средой внутри внутренней области. Посредством смешивания охлаждающей текучей среды с горячей рабочей текучей средой общая температура смеси уменьшается. Если давление внутри внутренней области увеличивается значительно, формируется усредненный по времени положительный поток из внутренней области во внутренний объем вокруг всей окружности и температура смеси охлаждающей текучей среды и рабочего газа остается под контролем.

Более того, защитный элемент, такой как тонкая металлическая полоса, может функционировать как тепловая защита. Защитный элемент располагается в полости рядом с (осевым) промежутком, через который рабочий газ может проходить во внутреннюю полость. Посредством защитного элемента количество охлаждающей текучей среды (продувочного газа) и просвет между защитным элементом и внутренними стенками регулируются и управляются. В частности, защитный элемент расположен рядом с промежутком с тем, чтобы небольшая внутренняя область полости формировалась посредством защитного элемента. В частности, внутренняя область меньше, чем внешняя область.

Это имеет тот эффект, что горячий рабочий газ будет содержаться в меньшем внутреннем объеме полости, который определен защитным элементом и внутренними стенками (то есть крайними стенками рабочего пути). Изменение периферического давления, наблюдаемое на внутренних стенках, амортизируется внутренней областью полости, так как более высокое давление может формироваться в меньшей внутренней области. Следовательно, никакое или сниженное прохождение горячего рабочего газа происходит через промежуток. В частности, горячий рабочий газ, который проходит через промежуток внутрь внутренней области, будет рециркулировать во внутренней области полости вместо продолжения течения во внешнюю область полости.

Более того, вышеописанный примерный вариант осуществления изобретения имеет тот эффект, что компоненты, формирующие внешнюю область полости, такие как внутренняя обшивка и/или внешняя обшивка, будут защищаться от излучения и конвекции от горячего рабочего газа посредством защитного элемента.

Следовательно, сниженное тепловое излучение и конвекция в полости, которая уменьшена посредством защитного элемента, дополнительно снижает требование охлаждающей текучей среды, что приводит к улучшенной производительности двигателя и турбины. Более того, компоненты турбины будут охлаждаться надлежащим образом, при этом сниженные температуры компонентов приводят к снижению стоимости и/или продлению срока службы.

Согласно дополнительному примерному варианту осуществления, промежуток формируется между первой крайней секцией первой внутренней стенки и второй крайней секцией второй внутренней стенки. Первая крайняя секция перекрывается со второй крайней секцией. Первая крайняя секция и вторая крайняя секция перекрываются таким образом, что промежуток формирует между первой крайней секцией и второй крайней секцией канал для текучей среды, через который рабочая текучая среда может протекать из внутреннего объема во внешний объем. В частности, перекрытие сформировано в осевом направлении. Следовательно, посредством формирования перекрытия поток текучей среды, входящий внутрь внутреннего объема или в противоположном направлении внутрь внешнего объема, течет в значительной степени вдоль осевого направления. Следовательно, посредством направления введения рабочей текучей среды рециркуляция рабочей текучей среды является управляемой и может достигаться более однородная смесь с охлаждающей текучей средой и рабочей текучей средой во внутренней области. Вдобавок, вводимый охлаждающий воздух может обеспечить подобный пленке охлаждающий эффект на поверхности внутренней стенки, направленной к внутреннему объему.

Согласно дополнительному примерному варианту осуществления, первая крайняя секция расположена в радиально внутреннем положении относительно второй крайней секции с тем, чтобы рабочая текучая среда могла течь через промежуток (канал для текучей среды) в направлении потока, которое имеет компонент, который ориентирован в противоположном направлении относительно главного направления потока рабочей текучей среды турбины.

Согласно дополнительному примерному варианту осуществления, первая крайняя секция расположена в радиально внешнем положении относительно второй крайней секции с тем, чтобы рабочая текучая среда могла течь через промежуток в направлении потока, которое имеет компонент, который ориентирован в том же направлении относительно главного направления потока рабочей текучей среды турбины.

Следовательно, посредством управления перекрытием крайней секции направление потока текучей среды является управляемым, в частности, для достижения эффективной циркуляции во внутренней области и/или чтобы достигнуть эффективного введения смеси охлаждающей текучей среды и рабочей текучей среды из внутренней области полости внутри внутреннего объема.

«Перекрытие» означает, что в конкретном осевом положении первая крайняя секция и вторая крайняя секции могут быть направлены друг к другу вдоль осевого направления с тем, чтобы радиальная наружная поверхность первой секции была направлена на внутреннюю секцию второй секции. Формируется кольцевой проход.

Согласно дополнительному примерному варианту осуществления, защитная пластина содержит по меньшей мере один край, который формирует, по меньшей мере с одной из первой внутренней стенки, второй внутренней стенки и внутренней обшивки, входное отверстие для текучей среды. В частности, (кольцевой) защитный элемент определяет дополнительный канал потока для охлаждающей текучей среды из внешней области во внутреннюю область. Посредством расположения и регулировки защитного элемента в полости размер входного отверстия для текучей среды является управляемым, таким образом, объемный расход охлаждающей текучей среды во внутреннюю область является управляемым. Другими словами, посредством расположения и конструкции защитного элемента достигается управление объемным расходом охлаждающей текучей среды внутри внутренней области.

Дополнительный аспект данного расположения состоит в том, что если имеются два входных отверстия, например выше по потоку и ниже по потоку относительно направления потока во внутреннем объеме, то охлаждающая текучая среда, разделяемая между двумя входными отверстиями, может разделяться посредством расположения защитного элемента.

Согласно дополнительному примерному варианту осуществления настоящего изобретения, входное отверстие для текучей среды имеет похожий на форсунку профиль для ускорения охлаждающей текучей среды при перетекании из внешней области во внутреннюю область. Например, входное отверстие для текучей среды формирует поперечное сечение потока, в котором охлаждающая текучая среда может ускоряться при протекании через область потока поперечного сечения потока. В частности, похожий на форсунку профиль входного отверстия для текучей среды может содержать меняющуюся область поперечного сечения с тем, чтобы поток текучей среды внутри внутренней полости мог управляться, в частности, чтобы скорость потока и масса потока могли управляться похожим на форсунку профилем. Преимущества этого расположения по меньшей мере двойные. Ускоренный поток формирует увеличенный коэффициент теплопередачи, что улучшает охлаждение внутренней стенки. Ускоренный поток также создает больший момент, ограничивая всасывание потока горячих расширяющихся газов во внутреннюю область и дополнительное соединение с внешней областью.

Согласно дополнительному примерному варианту осуществления, по меньшей мере один край защитного элемента является краем вверх по потоку, который сформирован относительно главного направления потока рабочей текучей среды турбины в конце вверх по потоку защитного элемента с тем, чтобы охлаждающая текучая среда, которая может течь вокруг края вверх по потоку из внешней области во внутреннюю область, имела направление потока, которое имеет компонент, который ориентирован в том же направлении относительно главного направления потока рабочей текучей среды.

Согласно дополнительному примерному варианту осуществления, по меньшей мере один край защитного элемента является краем вниз по потоку, который сформирован относительно главного направления потока рабочей текучей среды турбины в конце вниз по потоку защитной пластины с тем, чтобы охлаждающая текучая среда, которая может течь вокруг края вниз по потоку из внешней области во внутреннюю область, имела направление потока, которое имеет компонент, который ориентирован в противоположном направлении относительно главного направления потока рабочей текучей среды.

Турбина может являться газовой турбиной, которая содержит, на выбор, камеру сгорания или паровую турбину, например.

Стоит отметить, что варианты осуществления изобретения были описаны со ссылкой на различные предметы изобретения. В частности, некоторые варианты осуществления были описаны со ссылкой на пункты формулы изобретения типа устройства, в то время как другие варианты осуществления были описаны со ссылкой на пункты формулы изобретения типа способа. Однако специалист в данной области техники поймет из вышеприведенного и нижеследующего описания, что, если не обозначено обратное, вдобавок к любой комбинации признаков, принадлежащих к одному типу предмета изобретения, также любая комбинация между признаками, относящимися к различным предметам изобретения, в частности между признаками пунктов формулы изобретения типа устройства и пунктов формулы изобретения типа способа, рассматривается, как раскрытая в настоящей заявке.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Аспекты, определенные выше, и дополнительные аспекты настоящего изобретения очевидны из примеров варианта осуществления, который будет описан ниже в материалах настоящей заявки, и поясняются со ссылкой на примеры варианта осуществления. Изобретение будет описано более подробно ниже в материалах настоящей заявки со ссылкой на примеры варианта осуществления, но которыми изобретение не ограничено.

Фиг.1 показывает подробный вид секции турбины, содержащей полость, в которую устанавливается защитный элемент согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения,

фиг.2 показывает подробный вид секции турбины, показанной на фиг.1, в котором показана внешняя обшивка согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения, и

фиг.3 показывает схематический вид турбины согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Иллюстрации на чертежах являются схематичными. Отметим, что на разных чертежах подобные или идентичные элементы снабжены одинаковыми символами ссылок.

Фиг.1 показывает турбину 100, в частности газовую турбину. Турбина 100 содержит первую внутреннюю стенку 101, вторую внутреннюю стенку 102, внутреннюю обшивку 103 и защитный элемент 104. Первая внутренняя стенка 101 и вторая внутренняя стенка 102 устанавливаются на внутреннюю обшивку 103. Первая внутренняя стенка 101 и вторая внутренняя стенка 102 расположены с тем, чтобы внутренний объем V_i, через который может течь рабочая текучая среда 110 турбины 100, отделялся от внешнего объема V₀, через который может течь охлаждающая текучая среда 109. Первая внутренняя стенка 101, вторая внутренняя стенка 102 и внутренняя обшивка 103 расположены относительно друг друга с тем, чтобы полость 105 формировалась во внешнем объеме V₀. Защитный элемент 104 расположен внутри полости 105 с тем, чтобы защитный элемент 104 разделял полость 105 на внутреннюю область 107 и внешнюю область 106, которая сформирована в радиально внешнем положении в сравнении с внутренней областью 107. Между первой внутренней стенкой 101 и второй внутренней стенкой 102 сформирован промежуток 108. Через промежуток 108 рабочая текучая среда 110 может протекать между внутренним объемом V_i и внутренней областью 107. Защитный элемент 104 расположен в полости 105 с тем, чтобы формировалось входное отверстие для текучей среды, через которое охлаждающая текучая среда 109 может вводиться из внешней области 106 во внутреннюю область 107 для формирования предопределенной рециркуляции рабочей текучей среды 110 и охлаждающей текучей среды 109 внутри внутренней области 107.

Как показано на фиг.1, внутренняя область 107 имеет меньший объем, чем внешняя область 106.

Для наличия лучшего обзора показано осевое направление 117 и радиальное направление 118. Осевое направление 117 параллельно оси вращения вала турбины, например. Радиальное направление 118 указывает, например, на центральную точку вала турбины и на ось вращения вала турбины, соответственно.

В частности, компонент турбины, такой как внутренние стенки 101, 102 и внутренняя обшивка 103, и полости 105, тянется в значительной степени вдоль направления окружности вокруг вала турбины.

Более того, на фиг.1 поток рабочей текучей среды 110 показан во внутреннем объеме V_i. В частности, большая часть рабочей текучей среды течет в значительной степени параллельно осевому направлению 117. Часть рабочей текучей среды 110 может течь через промежуток 108 между первой внутренней стенкой 101 и второй внутренней стенкой 102.

Течение части рабочей текучей среды 110 через промежуток может быть вызвано, например, вращением лопаток 202 ротора (показано на фиг.2), которое вызывает различия в давлении, и, таким образом, направление потока текучей среды изменяется в области внутренних стенок 101, 102. По этой причине часть рабочей текучей среды 110 протекает через промежуток 108 внутрь внутренней области 107 полости 105.

Поток рабочей текучей среды 111 внутри внутренней области блокируется защитным элементом 104, который расположен внутри полости 105. Рабочая текучая среда 110 внутри внутренней области 107 может нагревать защитный элемент 104 вместо, например, внутренней обшивки 103. Следовательно, защитный элемент 104 может функционировать как теплопоглощающий элемент, например.

Более того, между краем 112 вверх по потоку и/или краем 113 вниз по потоку защитного элемента формируется входное отверстие для текучей среды. Через входное отверстие для текучей среды охлаждающая текучая среда 109 течет внутрь внутренней области 107 и смешивается с рабочей текучей средой 110. В частности, зависящая от направления введения и расхода охлаждающей текучей среды 109 через входное отверстие для текучей среды внутри внутренней области 107, предопределенная рециркуляция смеси 111 охлаждающей текучей среды/рабочей текучей среды является определяемой и управляемой. В частности, рециркуляция смеси 111 охлаждающей текучей среды/рабочей текучей среды может управляться таким образом, чтобы поток смеси 111 охлаждающей текучей среды/рабочей текучей среды направлялся в промежуток 108, чтобы противодействовать проходящей рабочей текучей среде 110 из внутреннего объема V_i.

Посредством предопределенного расположения защитного элемента 104 внутри полости 105 размер и профиль входного отверстия для текучей среды являются предопределяемыми и управляемыми, поэтому предопределенное течение охлаждающей текучей среды 109 внутри внутренней области 107 является управляемым, и, следовательно, рециркуляция смеси 111 охлаждающей текучей среды/рабочей текучей среды.

Например, как показано на фиг.1, край 112 вверх по потоку формирует входное отверстие для текучей среды с поверхностью первой внутренней стенки 101 и/или с частями внутренней обшивки 103 таким образом, что формируется большое поперечное сечение потока входного отверстия для текучей среды. Дополнительное входное отверстие для текучей среды формируется между краем 113 вниз по потоку защитного элемента 104 и частью поверхности второй внутренней стенки 102.

В примерном варианте осуществления, показанном на фиг.1, входное отверстие для текучей среды (то есть его поперечное сечение потока), сформированное краем 112 вверх по потоку, больше, чем дополнительное входное отверстие для текучей среды, сформированное краем 113 вниз по потоку защитного элемента 104, то есть защитной пластины. Следовательно, объемный расход охлаждающей текучей среды 109 через расположенное выше по потоку входное отверстие для текучей среды выше, чем расход охлаждающей текучей среды 109 через дополнительное расположенное ниже по потоку входное отверстие для текучей среды. Следовательно, направление рециркуляции смеси 111 охлаждающей текучей среды/рабочей текучей среды, как показано на фиг.1, достижимо. Одна из причин этого разделения объемного расхода состоит в том, что передняя кромка аэродинамического профиля направляющей лопатки внутри внутреннего объема формирует локальный пик давления в области внутренней поверхности элементов 101, 102 внутренней стенки, каковые пики давления имеют тенденцию толкать рабочую текучую среду через промежуток 108 во внутреннюю область 107.

Термины «вверх по потоку» и «вниз по потоку» описывают часть компонента турбины, такого как защитный элемент 104, в сравнении с главным потоком рабочей текучей среды 110 внутри внутреннего объема V_i, который в значительной степени параллелен осевому направлению 117.

Следовательно, точное и предопределенное расположение защитного элемента 104 определяет входное отверстие для текучей среды и дополнительное входное отверстие для текучей среды. Защитный элемент 104 может быть фиксирован, например, на внутренней обшивке 103 посредством несущих элементов 114. Несущие элементы 114 могут являться, например, металлическими пальцеобразными выступами, которые устанавливаются с одной стороны на защитный элемент 104, а с другой стороны на (сформированный в идее кольца) желобок 119 внутри внутренней обшивки 103. Например, несущие элементы 114 могут являться эластичными с тем, чтобы в зависимости от давления внутри внутренней области 107 или внешней области 106 положение защитного элемента 104 внутри полости 105 регулировалось, что приводит к изменению поперечного сечения потока входного отверстия текучей среды. Следовательно, если давление во внутренней области 107 увеличится, защитный элемент 104 может отгибаться от первой внутренней стенки 101 с тем, чтобы входное отверстие для текучей среды, сформированное между краем 112 вверх по потоку, увеличивалось, и большее количество охлаждающей текучей среды вводилось внутрь внутренней области 107.

Несущие элементы 114 имеют две функции: предоставлять радиальную центральность (сплошные линии на фиг.1) и осевой местоположение (пунктирные линии на фиг.1). Радиальная центральность может обеспечиваться посредством имеющего кольцевую форму элемента с или без дугообразных вырезов, предпочтительно имеющего отверстия, чтобы обеспечить сторону вниз по потоку несущего элемента с охлаждающей текучей средой.

Более того, как показано на фиг.1, первая внутренняя стенка 101 содержит первую крайнюю секцию 115, а вторая внутренняя стенка 102 содержит вторую крайнюю секцию 116. Первая крайняя секция 115 и вторая крайняя секция 116 могут перекрывать друг друга вдоль осевого направления 117. Следовательно, промежуток 108 формируется между первой крайней секцией 115 и второй крайней секцией 116 с тем, чтобы мог формироваться канал для текучей среды вдоль осевого направления 117.

Как показано на фиг.1, первая крайняя секция 115 расположена в радиально внешнем положении (вдоль радиального направления 118) относительно второй крайней секции 116 с тем, чтобы рабочая текучая среда 110 могла течь через промежуток 108 в направлении потока, которое имеет компонент, который ориентирован в том же направлении относительно основного направления потока рабочей текучей среды 110. Следовательно, если давление внутри внутренней области 107 увеличит давление внутри внутреннего объема V_i, смесь 111 охлаждающей текучей среды/рабочей текучей среды будет вводиться внутрь внутреннего объема V_i, при этом направление введения будет, в частности, тем же направлением, что и главное направление потока, поэтому турбулентности и вихри будут уменьшены.

Предпочтительно, защитный элемент 104 может устанавливаться на или напротив внутренней обшивки 103, например, с тем, чтобы защитный элемент 104 не контактировал с внутренними стенками и мог поддерживаться лишь несущим элементом 114. Как результат, охлаждающая текучая среда может протекать вдоль всех сторон защитного элемента 104, в частности, вокруг края 112 вверх по потоку и края 113 вниз по потоку.

Предпочтительно, защитный элемент 104, действующий как тепловая защита, перекрывает секцию первой внутренней стенки 101, включающую в себя первую крайнюю секцию 115. Предпочтительно, защитный элемент 104 тянется также в осевом направлении с тем, чтобы он также перекрывал большую часть второй внутренней стенки - то есть, конец вверх по потоку основания лопатки - с тем, чтобы охлаждающая текучая среда также направлялась защитным элементом 104 вдоль радиально наружной поверхности основания лопатки.

Фиг.2 показывает дополнительную секцию турбины 100, как показано на фиг.1. В частности, схематический вид фиг.2 иллюстрирует схожие признаки, как уже показанные на фиг.1. Дополнительно, показана внешняя обшивка 203. Внутренняя обшивка 103, которая поддерживает внутренние стенки 101, 102 и, например, защитный элемент 104, устанавливается на и поддерживается посредством внешней обшивки 203.

Более того, показано, что во внутреннем объеме V_i установлены аэродинамические профили лопаток 201 статора и лопатки 202 ротора. В частности, из-за вращения лопатки 202 ротора могут формироваться различия в давлении рабочей текучей среды 110 в области промежутка 108 перед передними кромками лопаток 201 статора, что может привести к прохождению горячей текучей среды во внутреннюю область 107.

Полость 105 может, в частности, располагаться в области между компрессорной турбиной и энергетической турбиной, то есть между лопаткой турбины, которая является самой низкой по потоку лопаткой секции турбины, чтобы приводить компрессор, и лопаткой, которая является самой высокой по потоку лопаткой секции турбины, чтобы приводить прилагаемый генератор.

Фиг.3 показывает лучший обзор дополнительно увеличенной секции ступени турбины 100 согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения. В частности, показана полость 105, в которую могут устанавливаться элементы, показанные на фиг.1 и фиг.2. Фиг.3 показывает внешнюю обшивку, в которой между внешней обшивкой 203 и внутренними стенками 101, 102 сформирован внешний объем V₀. Внутри внешнего объема V₀ сформированы полости 105. Посредством промежутка 108 рабочая текучая среда 110 вводится в полость 105. Как видно на фиг.3, некоторое количество лопаток 201 статора и лопаток 202 ротора установлено внутри внутреннего объема V_i чередующимся образом.

На фиг.3 четыре левые лопатки и лопатки будут принадлежать, в частности, компрессорной турбине. Четыре правые лопатки и лопатки могут, возможно, принадлежать энергетической турбине.

Стоит отметить, что термин «содержащий» не исключает другие элементы или этапы, а единственное число не исключает множественности. К тому же, элементы, описанные в связи с разными вариантами осуществления, могут комбинироваться. Также стоит отметить, что символы ссылок в формуле изобретения не должны истолковываться в качестве ограничивающих объем формулы изобретения.

Изобретение относится к энергетике. Турбина содержит первую внутреннюю стенку, вторую внутреннюю стенку, внутреннюю обшивку и защитный элемент. Первая внутренняя стенка и вторая внутренняя стенка устанавливаются на внутреннюю обшивку. Первая внутренняя стенка и вторая внутренняя стенка расположены с тем, чтобы внутренний объем, через который может течь рабочая текучая среда турбины, отделялся от внешнего объема, через который может течь охлаждающая текучая среда. Первая внутренняя стенка, вторая внутренняя стенка и внутренняя обшивка расположены относительно друг друга с тем, чтобы полость формировалась во внешнем объеме. Защитный элемент расположен внутри полости с тем, чтобы защитный элемент разделял полость на внутреннюю область и внешнюю область, которая сформирована в радиально внешнем положении в сравнении с внутренней областью. Изобретение позволяет обеспечить эффективное охлаждение частей турбины. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Турбина (100), в частности газовая турбина, содержащая
первую внутреннюю стенку (101),
вторую внутреннюю стенку (102),
внутреннюю обшивку (103) и
защитный элемент (104), при этом:
первая внутренняя стенка (101) и вторая внутренняя стенка (102) устанавливаются на внутреннюю обшивку (103),
первая внутренняя стенка (101) и вторая внутренняя стенка (102) расположены с тем, чтобы внутренний объем (Vi), через который может течь рабочая текучая среда (110) турбины (100), отделялся от внешнего объема (Vo), через который может течь охлаждающая текучая среда (109),
первая внутренняя стенка (101), вторая внутренняя стенка (102) и внутренняя обшивка (103) расположены относительно друг друга с тем, чтобы полость (105) формировалась во внешнем объеме (Vo),
защитный элемент (104) расположен внутри полости (105) с тем, чтобы защитный элемент (104) разделял полость (105) на внутреннюю область (107) и внешнюю область (106), которая сформирована в радиально внешнем положении в сравнении с внутренней областью (107),
промежуток (108) сформирован между первой внутренней стенкой (101) и второй внутренней стенкой (102), через промежуток (108) рабочая текучая среда (110) может течь между внутренним объемом (Vi) и внутренней областью (107), и
защитный элемент (104) расположен в полости (105) с тем, чтобы формировалось входное отверстие для текучей среды, через которое охлаждающая текучая среда (109) может вводиться из внешней области (106) во внутреннюю область (107) для формирования предопределенной рециркуляции рабочей текучей среды (110) и охлаждающей текучей среды (109) внутри внутренней области (107).

2. Турбина (100) по п.1,
в которой промежуток (108) сформирован между первой крайней секцией (115) первой внутренней стенки (101) и второй крайней секцией (116) второй внутренней стенки (102),
причем первая крайняя секция (115) перекрывается со второй крайней секцией (116).

3. Турбина (100) по п.2,
в которой первая крайняя секция (115) расположена в радиально внутреннем положении относительно второй крайней секции (116) с тем, чтобы рабочая текучая среда (110) могла течь через промежуток (108) в направлении потока, которое имеет компонент, который ориентирован в противоположном направлении относительно главного направления потока рабочей текучей среды (110) турбины (100).

4. Турбина (100) по п.2,
в которой первая крайняя секция (115) расположена в радиально внешнем положении относительно второй крайней секции (116) с тем, чтобы рабочая текучая среда (110) могла течь через промежуток (108) в направлении потока, которое имеет компонент, который ориентирован в том же направлении относительно главного направления потока рабочей текучей среды (110) турбины (100).

5. Турбина (100) по любому из пп.1-4,
в которой защитный элемент (104) содержит по меньшей мере один край, который формирует по меньшей мере с одной из первой внутренней стенки (101), второй внутренней стенки (102) и внутренней обшивки (103) входное отверстие для текучей среды.

6. Турбина (100) по п.5,
в которой входное отверстие для текучей среды имеет сходящийся профиль для ускорения охлаждающей текучей среды (109) при перетекании из внешней области (106) во внутреннюю область (107).

7. Турбина (100) по п.5,
в которой по меньшей мере один край защитного элемента (104) является краем (112) вверх по потоку, который сформирован относительно главного направления потока рабочей текучей среды (110) турбины (100) в конце вверх по потоку защитного элемента (104) с тем, чтобы охлаждающая текучая среда (109), которая может течь вокруг края (112) вверх по потоку из внешней области (106) во внутреннюю область (107), имела направление потока, которое имеет компонент, который ориентирован в том же направлении относительно главного направления потока рабочей текучей среды (110).

8. Турбина (100) по любому из пп.1-4,
в которой по меньшей мере один край защитного элемента (104) является краем (113) вниз по потоку, который сформирован относительно главного направления потока рабочей текучей среды (110) турбины (100) в конце вниз по потоку защитного элемента (104) с тем, чтобы охлаждающая текучая среда (109), которая может течь вокруг края (113) вниз по потоку из внешней области (106) во внутреннюю область (107), имела направление потока, которое имеет компонент, который ориентирован в противоположном направлении относительно главного направления потока рабочей текучей среды (110).

9. Способ управления турбиной (100), в частности газовой турбиной (100), при котором
транспортируют рабочую текучую среду (110) турбины (100) через внутренний объем (Vi),
транспортируют охлаждающую текучую среду (109) через внешний объем (Vo) турбины (100),
при этом первая внутренняя стенка (101) и вторая внутренняя стенка (102) устанавливаются на внутреннюю обшивку (103) турбины (100), при этом первая внутренняя стенка (101) и вторая внутренняя стенка (102) расположены с тем, чтобы внутренний объем (Vi) отделялся от внешнего объема (Vo),
при этом первая внутренняя стенка (101), вторая внутренняя стенка (102) и внутренняя обшивка (103) расположены относительно друг друга с тем, чтобы полость (105) формировалась во внешнем объеме (Vo),
при этом защитный элемент (104) расположен внутри полости (105) с тем, чтобы защитный элемент (104) разделял полость (105) на внутреннюю область (107) и внешнюю область (106), которая сформирована в радиально внешнем положении в сравнении с внутренней областью (107),
направляют часть рабочей текучей среды (110) между внутренним объемом (Vi) и внутренней областью (107) через промежуток (108),
при этом первая внутренняя стенка (101) и вторая внутренняя стенка (102) расположены относительно друг друга с тем, чтобы между ними формировался промежуток (108), и
вводят охлаждающую текучую среду (109) через входное отверстие для текучей среды защитного элемента (104) из внешней области (106) во внутреннюю область (107) для формирования предопределенной рециркуляции части рабочей текучей среды (110) и охлаждающей текучей среды (109) внутри внутренней области (107).