ОСЕВАЯ ГАЗОВАЯ ТУРБИНА Российский патент 2015 года по МПК F01D5/20 F01D11/08 F01D25/24 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к технологии газовых турбин.

В частности изобретение относится к проектированию теплозащитного экрана статора, защищающего держатель направляющих лопаток осевой турбины, используемой в газотурбинном агрегате.

Уровень техники

Настоящее изобретение относится к осевой газовой турбине, пример которой иллюстрируется на фиг.1. Газовая турбина 10, показанная на фиг.1, работает по принципу последовательного сжигания топлива. Она содержит компрессор 11, первую камеру 14 сгорания с некоторым количеством топливных форсунок 13 и первым средством 12 подачи топлива, турбину 15 высокого давления, вторую камеру 17 сгорания со вторым средством 16 подачи топлива и турбину 18 низкого давления с чередующимися рядами рабочих лопаток 20 и направляющих лопаток 21, которые установлены с образованием ряда ступеней турбины, размещенных вдоль оси МА агрегата.

Газовая турбина 10 на фиг.1 содержит статор и ротор. Статор содержит держатель 19 направляющих лопаток с установленными в нем направляющими лопатками 21. Эти направляющие лопатки 21 необходимы для формирования профилированных каналов, через которые протекает горячий газ, полученный в камере 17 сгорания. Газ, протекающий через тракт 22 горячего газа в заданном направлении, ударяет в рабочие лопатки 20, установленные в пазах вала ротора, и приводит ротор турбины во вращение. Для защиты корпуса статора от действия горячего газа, протекающего над рабочими I лопатками 20, используют теплозащитные экраны, установленные между соседними рядами направляющих лопаток. Для высокотемпературных ступеней турбины необходима подача охлаждающего воздуха внутрь направляющих лопаток, теплозащитных экранов статора и в рабочие лопатки.

Теплозащитные экраны статора устанавливают в корпусах газовых турбин над рядами рабочих лопаток. Теплозащитные экраны статора предотвращают проникновение горячего газа в полость для охлаждающего газа и образуют внешнюю поверхность тракта 22 горячего газа турбины. Иногда с целью экономии подачу охлаждающего газа между держателем направляющих лопаток и теплозащитным экраном статора не используют. Однако в этом случае теплозащитные экраны являются также необходимыми для защиты держателя направляющих лопаток.

Раскрытие изобретения

Задача настоящего изобретения заключается в обеспечении газовой турбины с улучшенной и высокоэффективной схемой охлаждения.

Эта и другие задачи решаются с помощью газовой турбины в соответствии с п.1 формулы изобретения.

Газовая турбина в соответствии с изобретением содержит ротор с чередующимися рядами воздухоохлаждаемых рабочих лопаток и теплозащитных экранов ротора, и статор с чередующимися рядами воздухоохлаждаемых направляющих лопаток и теплозащитных экранов статора, установленных в держателе направляющих лопаток, при этом статор коаксиально охватывает ротор снаружи с формированием между ними тракта течения горячего газа так, что ряды рабочих лопаток и теплозащитных экранов статора и ряды направляющих лопаток и теплозащитных экранов ротора расположены напротив друг друга соответственно, при этом ряд направляющих лопаток и следующий ряд рабочих лопаток, расположенный ниже по ходу течения потока, образуют ступень турбины, причем рабочие лопатки ступени турбины снабжены на их концах внешними платформами.

В соответствии с изобретением внешние платформы рабочих лопаток содержат на их внешней поверхности ряд зубцов, проходящих параллельно друг другу в окружном направлении и размещенных один за другим в направлении течения потока газа, при этом указанные зубцы подразделяются на первый и второй зубцы, причем вторые зубцы расположены ниже по потоку от первых зубцов, первые зубцы расположены напротив проходящего вниз по потоку выступа, выполненного на близлежащих направляющих лопатках ступени турбины, а вторые зубцы находятся напротив соответствующих теплозащитных экранов статора. При таком «укороченном» в осевом направлении варианте выполнения теплозащитных экранов статора становится, в частности, возможной подача воздуха, использованного в профильной части близлежащей направляющей лопатки, для одновременной защиты теплозащитного экрана статора и охлаждения внешней платформы рабочей лопатки.

В соответствии с одним воплощением изобретения на внешней поверхности платформ рабочих лопаток имеется три зубца, при этом первые зубцы включают в себя первый зубец, если считать в направлении вниз по потоку, а вторые зубцы включают второй и третий зубец в направлении вниз по потоку.

Согласно другому воплощению изобретения соседние направляющие лопатки ступени турбины охлаждаются охлаждающим воздухом, и использованный воздух из соседних направляющих лопаток вытекает между теплозащитными экранами статора и соседними направляющими лопатками в тракт течения горячего газа, протекает вдоль и охлаждает снаружи теплозащитные экраны статора и расположенные напротив внешние платформы рабочих лопаток.

В соответствии с другим воплощением изобретения теплозащитные экраны статора установлены на внутреннем кольцевом элементе, который своей частью установлен в держателе направляющих лопаток, между внутренним кольцевым элементом и держателем направляющих лопаток образована первая полость, в держателе направляющих лопаток установлены направляющие лопатки, а между направляющими лопатками и держателем направляющих лопаток образована вторая полость, при этом вторая полость снабжается охлаждающим воздухом из камеры, причем между теплозащитными экранами статора и соседними направляющими лопатками, выполненными с проходящими вниз по потоку выступами, происходит утечка охлаждающего воздуха из первой и второй полостей, и вытекающий в результате охлаждающий воздух проходит вдоль внешней поверхности внешних платформ; рабочих лопаток в направлении вниз по потоку.

В соответствии с упомянутым другим воплощением изобретения теплозащитные экраны статора установлены каждый на внутреннем кольцевом элементе с возможностью свободного расширения под действием нагрева как в осевом, так и в окружном направлениях, с помощью переднего стыковочного крюкообразного элемента и заднего стыковочного крюкообразного элемента, выполненных за одно целое с теплозащитными экранами статора и проходящих в окружном направлении, причем задние крюкорбразные элементы выполнены каждый с выемкой на обоих торцах, имеющей предварительно заданную длину, предназначенной для уменьшения высоких концентраций напряжений, обусловленных высокотемпературной деформации теплозащитных экранов статора.

Согласно другому воплощению изобретения теплозащитные экраны статора зафиксированы в осевом направлении в окружном пазу внутреннего кольцевого элемента с помощью радиального выступа, и зафиксированы в окружном направлении с помощью штифта, который входит в осевой паз под действием пружины.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение далее будет объяснено более подробно с помощью различных воплощений и со ссылками на приложенные чертежи.

Фиг.1 - хорошо известная базовая конструкция газовой турбины, работающей с последовательным сжиганием топлива, которая может быть использована для осуществления изобретения.

Фиг.2 - детальное раскрытие монтажа и охлаждения ступени газовой турбины в соответствии с воплощением изобретения.

Фиг.3 - показанный отдельно теплозащитный экран статора, соответствующий фиг.2, вид в перспективе.

Осуществление изобретения

Фиг.2 отображает в деталях монтаж и охлаждение ступени СТ газовой турбины 30 в соответствии с воплощением изобретения. Ступень турбины СТ с ее трактом 22 течения горячего газа и горячим газом 24, протекающим в осевом направлении, содержит ряд рабочих лопаток 20, каждая из которых выполнена с внешней платформой 45 на верхнем конце, и ряд соседних направляющих лопаток 21. Рабочие лопатки 21 прикреплены к держателю 25 направляющих лопаток. Охлаждающий воздух из камеры 23 поступает в полость 31, расположенную между направляющими лопатками 21 и держателем 25 направляющих лопаток. Из полости 31 охлаждающий воздух поступает в профильные части направляющих лопаток 21, а использованный для охлаждения воздух 35 выходит из профильной части и из направляющей лопатки выше заднего выступа 33, проходящего вниз по потоку (см. стрелки на фиг.2).

Напротив ряда рабочих лопаток 20 размещен кольцевой элемент сегментных теплозащитных экранов 27 статора, которые прикреплены каждый к внутреннему кольцевому элементу 26. На фиг.3 показан вид в перспективе отдельного теплозащитного экрана 27 статора. Сам внутренний кольцевой элемент 26 присоединен к держателю 25 направляющих лопаток с образованием между ними полости 29. Другая _: полость 32 образована между теплозащитными экранами 27 статора и внутренним кольцевым элементом 26. Для уплотнения полости 32 между соседними теплозащитными экранами 27 статора в окружном направлении в соответствующих пазах 40 (фиг.3) установлены уплотнительные пластины 28 (фиг.2).

Теплозащитные экраны 27 статора могут иметь различную форму в зависимости от конструкции держателя 25 направляющих лопаток и внешней платформы 45 рабочих лопаток. Форма, показанная на фиг.2 и фиг.3, иллюстрирует предложенную конструкцию теплозащитного экрана статора, размещенного над рабочей лопаткой 20 с тремя зубцами 46а-с, выполненными на внешней поверхности внешней платформы 45 рабочей лопатки.

Внутренний кольцевой элемент 26, который служит держателем теплозащитных экранов 27 статора, установлен в соответствующих пазах держателя 25 направляющих лопаток. Указанные теплозащитные экраны 27 статора зафиксированы в пазу во внутреннем кольцевом элементе 26 в осевом направлении с помощью радиального выступа 36 (см. фиг.3) и в окружном направлении с помощью штифта 44 (см. фиг.2), который в процессе монтажа теплозащитного экрана 27 статора входит в (осевой) паз 37 (см. фиг.3) под действием пружины (см. фиг.2).

Таким образом, благодаря указанным особенностям монтажа теплозащитные экраны 27 статора могут свободно удлиняться под действием нагрева как в осевом, так и в окружном направлениях. Как можно видеть из фиг.2, теплозащитные экраны 27 статора в этом воплощении снабжены хонейкомбами (позиция 41 на фиг.3) только для второго и третьего зубца 46b и 46 с рабочих лопаток, в то время как первый зубец 46а теплозащитным экраном статора не закрыт. Напротив первого зубца 46а находится задний или направленный вниз по потоку выступ 33 (с соответствующим хонейкомбом), выполненный на близлежащих направляющих лопатках 21.

Такая конструкция позволяет избежать как дополнительную подачу охлаждающего воздуха в полость 32 для охлаждения теплозащитных экранов 27 статора, так и дальнейшее транспортирование этого воздуха через отверстия в теплозащитных экранах статора для охлаждения размещенных напротив внешних платформ 45 рабочих лопаток.

Таким образом, предложен неохлаждаемый теплозащитный экран статора. Кроме того, считается, что внешние платформы 45 рабочих лопаток охлаждаются воздухом, использованным в профильной части направляющей лопатки (использованный воздух 35). В результате эффективность турбины повышается за счет указанного двукратного использования охлаждающего воздуха.

Как показано на фиг.3, теплозащитный экран статора имеет задний стыковочный крюкообразный элемент 38 и передний стыковочный крюкообразный элемент 39, проходящие в окружном направлении. Применительно к рассмотренной выше схеме охлаждения выгодно обеспечить теплозащитные экраны 27 статора, фиг.3, специальными выемками, выполненными на внешних поверхностях на обоих торцах задних крюкообразных элементов 38 в пределах зон 42 предварительно заданной длины L. Эта выемка является полезной с точки зрения сохранения механической целостности, поскольку, если теплозащитный элемент статора работает в условиях: высоких температур, кромки 43 заднего крюкообразного элемента 38 имеют тенденцию к перемещению в радиальном направлении относительно внутреннего кольцевого элемента 26. И если бы таких выемок длиной L не было, то на кромках 43 возникали бы весьма высокие концентрации напряжения, и срок службы теплозащитных экранов 27 статора резко бы уменьшился.

С другой стороны, на переднем крюкообразном элементе 39 такие выемки отсутствуют, поскольку, принимая во внимание форму внешней платформы рабочей лопатки, теплозащитный экран 27 статора выполняют в этом месте с изгибом (в форме. крюка) с целью повышения прочности в этой передней части экрана.

Особенности и преимущества изобретения могут быть обобщены следующим образом:

1. «Укороченный» вариант выполнения теплозащитных экранов статора, снабженных хонейкомбом, расположенным выше последних двух зубцов 46b, с внешней платформы, создает возможность использования воздуха, который ранее уже был использован в профильной части направляющей лопатки, для одновременной защиты теплозащитных экранов статора и охлаждения внешней платформы 45 статора (см. фиг.2). Указанный укороченный профиль теплозащитных экранов статора позволяет разместить хонейкомб на выступе 33 направляющей лопатки, над первым зубцом 46а внешней платформы 45 рабочих лопаток, что исключает какую-либо возможность утечек использованного воздуха перед первым зубцом 46а внешней платформы 45 рабочей лопатки.

2. Укороченный вариант выполнения теплозащитных экранов 27 статора, снабженных хонейкомбами, размещенными над последними зубцами 46b,с, позволяет использовать утечки 34 охлаждающего воздуха из полостей 29 и 31 для дополнительного охлаждения платформы 45, поскольку выступ 33 исключает любую возможность утечки воздуха выше по потоку от первого зубца 46а платформы 45 рабочей лопатки.

3. Выемки, выполненные в заднем крюкообразном элементе 38 теплозащитного экрана 27 статора, в достаточной степени уменьшают величину напряжений в теплозащитном экране 27 статора и значительно увеличивают срок его службы при использовании в газовой турбине.

Сочетание уменьшающих напряжения выемок и укороченной формы части теплозащитного экрана, реализуемых одновременно в одном и том же теплозащитном экране статора, позволяет создать неохлаждаемый теплозащитный экран статора с длительным сроком службы и повышает эффективность работы турбины за счет экономии воздуха.

Осевая газовая турбина содержит ротор с чередующимися рядами воздухоохлаждаемых рабочих лопаток и теплозащитных экранов ротора и статор с чередующимися рядами воздухоохлаждаемых направляющих лопаток и теплозащитных экранов статора, установленных на внутренних кольцевых элементах. Статор коаксиально охватывает ротор снаружи с формированием между ними тракта течения горячего газа так, что ряды рабочих лопаток и теплозащитных экранов статора и ряды направляющих лопаток и теплозащитных экранов ротора расположены напротив друг друга соответственно. Ряд направляющих лопаток и следующий ряд рабочих лопаток, расположенный ниже по ходу течения потока, образуют ступень турбины. Рабочие лопатки снабжены на их концах внешними платформами рабочих лопаток. Внешние платформы рабочих лопаток содержат на их внешней поверхности ряд зубцов, проходящих параллельно друг другу в окружном направлении и размещенных один за другим в направлении течения потока газа. Зубцы подразделяются на первые и вторые зубцы. Вторые зубцы расположены ниже по потоку от первых зубцов. Первые зубцы расположены напротив проходящего вниз по потоку выступа соседних направляющих лопаток ступени турбины, а вторые зубцы находятся напротив соответствующих теплозащитных экранов статора. Изобретение направлено на повышение эффективности охлаждения. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Осевая газовая турбина (30), содержащая ротор с чередующимися рядами воздухоохлаждаемых рабочих лопаток (20) и теплозащитных экранов ротора и статор с чередующимися рядами воздухоохлаждаемых направляющих лопаток (21) и теплозащитных экранов (27) статора, установленных на внутренних кольцевых элементах (26), при этом статор коаксиально охватывает ротор снаружи с формированием между ними тракта (22) течения горячего газа так, что ряды рабочих лопаток (20) и теплозащитных экранов (27) статора и ряды направляющих лопаток (21) и теплозащитных экранов ротора расположены напротив друг друга соответственно, при этом ряд направляющих лопаток (21) и следующий ряд рабочих лопаток (20), расположенный ниже по ходу течения потока, образуют ступень турбины (СТ), причем рабочие лопатки (20) снабжены на их концах внешними платформами (45) рабочих лопаток, отличающаяся тем, что внешние платформы (45) рабочих лопаток содержат на их внешней поверхности ряд зубцов (46а-с), проходящих параллельно друг другу в окружном направлении и размещенных один за другим в направлении течения потока газа, при этом указанные зубцы (46а-с) подразделяются на первые и вторые зубцы (46а; 46b-с), причем вторые зубцы (46b-с) расположены ниже по потоку от первых зубцов (46а), первые зубцы (46а) расположены напротив проходящего вниз по потоку выступа (33) соседних направляющих лопаток (21) ступени турбины (СТ), а вторые зубцы (46b-с) находятся напротив соответствующих теплозащитных экранов (27) статора.

2. Газовая турбина по п.1, отличающаяся тем, что на внешней поверхности платформ (45) рабочих лопаток имеются три зубца (46а-с), при этом первые зубцы включают в себя первый зубец (46а), если считать в направлении вниз по потоку, а вторые зубцы включают второй и третий зубцы (46b, 46с) в направлении вниз по потоку.

3. Газовая турбина по п.1, отличающаяся тем, что соседние направляющие лопатки (21) ступени турбины (СТ) охлаждаются охлаждающим воздухом, а использованный воздух вытекает из соседних направляющих лопаток (21) между теплозащитными экранами (27) статора и соседними направляющими лопатками (21) в тракт (22) горячего газа, протекает вдоль и охлаждает снаружи теплозащитные экраны (27) статора и расположенные напротив внешние платформы (45) рабочих лопаток.

4. Газовая турбина по п.2, отличающаяся тем, что соседние направляющие лопатки (21) ступени турбины (СТ) охлаждаются охлаждающим воздухом, а использованный воздух вытекает из соседних направляющих лопаток (21) между теплозащитными экранами (27) статора и соседними направляющими лопатками (21) в тракт (22) горячего газа, протекает вдоль и охлаждает снаружи теплозащитные экраны (27) статора и расположенные напротив внешние платформы (45) рабочих лопаток.

5. Газовая турбина по одному из пп.1-4, отличающаяся тем, что теплозащитные экраны (27) статора установлены на внутреннем кольцевом элементе (26), который своей частью установлен в держателе (25) направляющих лопаток, между внутренним кольцевым элементом (26) и держателем (25) направляющих лопаток образована первая полость (29), в держателе (25) направляющих лопаток установлены направляющие лопатки (21), а между направляющими лопатками (21) и держателем (25) направляющих лопаток образована вторая полость (31), при этом вторая полость (31) снабжается охлаждающим воздухом из камеры (23), а между теплозащитными экранами (27) статора и соседними направляющими лопатками (21), выполненными с выступами (33), проходящими вниз по потоку, происходит утечка (34) охлаждающего воздуха из первой и второй полостей (29, 31), причем вытекающий охлаждающий воздух проходит вдоль внешней поверхности внешних платформ (45) рабочих лопаток в направлении вниз по потоку.

6. Газовая турбина по одному из пп.1-4, отличающаяся тем, что теплозащитные экраны (27) статора установлены каждый на внутреннем кольцевом элементе (26) с возможностью свободного расширения под действием нагрева как в осевом, так и в окружном направлении, с помощью переднего стыковочного крюкообразного элемента (39) и заднего стыковочного крюкообразного элемента (38), выполненных за одно целое с теплозащитными экранами (27) статора и проходящих в окружном направлении, причем задние крюкообразные элементы (38) выполнены каждый с выемкой на обоих концах, имеющей предварительно заданную длину (L), предназначенной для уменьшения высоких концентраций напряжений, обусловленных высокотемпературной деформацией теплозащитных экранов (27) статора.

7. Газовая турбина по п.5, отличающаяся тем, что теплозащитные экраны (27) статора установлены каждый на внутреннем кольцевом элементе (26) с возможностью свободного расширения под действием нагрева как в осевом, так и в окружном направлении, с помощью переднего стыковочного крюкообразного элемента (39) и заднего стыковочного крюкообразного элемента (38), выполненных за одно целое с теплозащитными экранами (27) статора и проходящих в окружном направлении, причем задние крюкообразные элементы (38) выполнены каждый с выемкой на обоих концах, имеющей предварительно заданную длину (L), предназначенной для уменьшения высоких концентраций напряжений, обусловленных высокотемпературной деформацией теплозащитных экранов (27) статора.

8. Газовая турбина по п.6, отличающаяся тем, что теплозащитные экраны (27) статора зафиксированы в осевом направлении в окружном пазу внутреннего кольцевого элемента (26) с помощью радиального выступа, а в окружном направлении зафиксированы с помощью штифта (44), который входит в осевой паз (37) под действием пружины.

9. Газовая турбина по п.7, отличающаяся тем, что теплозащитные экраны (27) статора зафиксированы в осевом направлении в окружном пазу внутреннего кольцевого элемента (26) с помощью радиального выступа, а в окружном направлении зафиксированы с помощью штифта (44), который входит в осевой паз (37) под действием пружины.