ГАЗОВАЯ ТУРБИНА С ОСЕВЫМ ПОТОКОМ ГОРЯЧЕГО ВОЗДУХА И ОСЕВОЙ КОМПРЕССОР Российский патент 2015 года по МПК F01D5/12 F01D11/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к газовой турбине с осевым газовым потоком и осевому компрессору.

Уровень техники

Эффективность установки с непрерывным потоком, который может быть создан, увеличивает допустимую температуру газового потока. Поэтому желательно использовать очень высокие температуры. В этой связи корпус и/или вал ротора установки с непрерывным потоком обычно укрывают от горячего газового потока теплозащитными элементами. Подобные теплозащитные элементы закрывают полости, которые сообщаются друг с другом и с охлаждающим воздушным потоком таким образом, чтобы даже при очень высоких температурах газового потока обеспечивалась эффективная защита термочувствительных компонентов.

С одной стороны, теплозащитные элементы на стороне ротора могут быть образованы как часть оснований лопаток ротора на стороне ротора. С другой стороны, теплозащитные элементы также могут быть установлены между аксиально примыкающими рядами лопаток ротора, отдельно от оснований лопаток ротора.

В уровне техники известна газовая турбина (см. US 6561764 В1, МПК F01D 11/00, 2003) с осевым потоком горячего газа, содержащая: лопатки ротора со стороны ротора и направляющие лопатки со стороны статора, причем лопатки ротора закреплены на валу ротора посредством елочных хвостовиков у основания лопаток ротора, хвостовики жестко зацепляются за соответствующие выточенные осевые каналы в валу ротора, в основаниях лопаток имеются полости, сообщающиеся между собой и с источником охлаждающего воздуха, причем между смежными основаниями смежных лопаток в направлении вдоль окружности вала ротора имеется зазор, сообщающийся с полостями, причем зазор проходит между основаниями поперечно направлению вдоль окружности, зазор уплотнен со стороны газового потока пластинчатыми уплотнительными полосками, установленными таким образом, что их продольные торцы находятся в противостоящих канавках боковых поверхностей оснований.

Между смежными элементами теплозащитных экранов в направлении вдоль окружности неизбежно возникают зазоры, проходящие поперечно направлению вдоль окружности вала ротора с каждой стороны от разделяющей плоскости, образующей центр зазоров. Подобные зазоры могут вызывать более или менее существенные утечки охлаждающего воздуха, проходящего через вышеупомянутые полости.

Раскрытие изобретения

Изобретение направлено на решение задачи обеспечения эффективного уплотнения вышеупомянутых зазоров.

При решении этой задачи, с одной стороны, необходимо исключить попадание охлаждающего воздуха в газовый поток установки с непрерывным потоком, а с другой стороны, исключить прохождение потока горячих газов через вышеупомянутые зазоры в поток охлаждающего воздуха.

В одном из аспектов изобретения предложена газовая турбина с осевым потоком горячего воздуха, содержащая лопатки ротора со стороны ротора с основаниями и хвостовиками и направляющие лопатки со стороны статора, причем лопатки ротора закреплены на валу ротора, имеющем ось, посредством елочных хвостовиков, причем хвостовики жестко зацепляются за соответствующие выточенные осевые каналы в валу ротора, при этом основания образуют теплозащитные экраны для вала ротора, в которых имеются полости, сообщающиеся между собой и с источником охлаждающего воздуха, причем между смежными основаниями смежных лопаток ротора в направлении вдоль окружности вала ротора имеется зазор, зазор сообщается с полостями, причем зазор проходит между основаниями поперечно направлению вдоль окружности с каждой стороны разделяющей плоскости, причем разделяющая плоскость проходит через центр зазора, а ось вала ротора расположена в разделяющей плоскости, при этом соответствующий зазор уплотнен со стороны газового потока пластинчатыми уплотнительными полосками, установленными таким образом, что их продольные торцы находятся в противостоящих канавках боковых поверхностей оснований или теплозащитных экранах, обращенных в сторону разделяющей плоскости, при этом

первая уплотнительная полоска установлена у краев боковых поверхностей со стороны газового потока, проходящих в осевом направлении вала ротора, а дополнительная уплотнительная полоска установлена по меньшей мере у одной торцевой поверхности смежных оснований у краев боковых поверхностей зазора, проходящего в радиальном направлении вала ротора, отличающаяся тем, что

вращающийся элемент, который аксиально блокирует хвостовик лопатки ротора на валу ротора, в заблокированном положении закрывает ручкой привода радиально открытые концы канавок, в которые введена дополнительная уплотнительная полоска.

Согласно изобретению решение проблемы обеспечивается за счет уплотнения соответствующего зазора пластинчатыми уплотнительными полосками, установленными таким образом, что их продольные торцы находятся в противостоящих канавках боковых поверхностей теплозащитных элементов, обращенных в сторону разделяющей плоскости. Причем вращающийся элемент, который аксиально блокирует хвостовик лопатки ротора на валу ротора и в заблокированном положении закрывает ручкой привода радиально открытые концы канавок, в которые введена дополнительная уплотнительная полоска, обеспечивает более эффективное уплотнение.

В дополнительном аспекте изобретения предложен осевой компрессор, содержащий лопатки ротора со стороны ротора с основаниями и хвостовиками и направляющие лопатки со стороны статора, причем лопатки ротора закреплены на валу ротора, имеющем ось, посредством елочных хвостовиков, причем хвостовики жестко зацепляются за соответствующие выточенные осевые каналы в валу ротора, при этом основания образуют теплозащитные экраны для вала ротора, в которых имеются полости, сообщающиеся между собой и с источником охлаждающего воздуха, причем между смежными основаниями смежных лопаток ротора в направлении вдоль окружности вала ротора имеется зазор, зазор сообщается с полостями, причем зазор проходит между основаниями поперечно направлению вдоль окружности с каждой стороны разделяющей плоскости, причем разделяющая плоскость проходит через центр зазора, а ось вала ротора расположена в разделяющей плоскости, при этом соответствующий зазор уплотнен со стороны газового потока пластинчатыми уплотнительными полосками, установленными таким образом, что их продольные торцы находятся в противостоящих канавках боковых поверхностей оснований или теплозащитных экранах, обращенных в сторону разделяющей плоскости, при этом

первая уплотнительная полоска установлена у краев боковых поверхностей со стороны газового потока, проходящих в осевом направлении вала ротора, а дополнительная уплотнительная полоска установлена по меньшей мере у одной торцевой поверхности смежных оснований у краев боковых поверхностей зазора, проходящего в радиальном направлении вала ротора, отличающийся тем, что

вращающийся элемент, который аксиально блокирует хвостовик лопатки ротора на валу ротора, в заблокированном положении закрывает ручкой привода радиально открытые концы канавок, в которые введена дополнительная уплотнительная полоска.

Следует отметить, что наличие вращающегося элемента в этом аспекте изобретения также обеспечивает повышенную эффективность уплотнения.

Первая уплотнительная полоска может быть установлена соответственно вдоль краев боковых поверхностей зазора, проходящего параллельно оси вращения. Дополнительная уплотнительная полоска может быть установлена на краях боковых поверхностей, проходящих радиально по отношению к валу ротора, таким образом, чтобы охлаждающий воздух не мог выходить отсюда в осевом направлении.

Таким образом, обеспечивается уплотнение зазора, препятствующее прохождению потоков воздуха или газа радиально или параллельно оси ротора.

Уплотнение в осевом направлении особенно предпочтительно в районе поверхностей свободных концов теплозащитных экранов, ориентированных в направлении осевого газового потока в последней ступени ротора по направлению потока.

Для упрощения сборки уплотнительных полосок, уплотняющих зазор в осевом направлении, доступ к канавкам, в которые вставляются уплотнительные полоски со стороны боковой поверхности теплоизоляционного экрана смежного с зазором, может осуществляться со стороны свободного конца, обращенного в направлении потока, таким образом, чтобы уплотнительную полоску можно было протолкнуть в канавки со стороны упомянутой торцевой поверхности. Для упрощения сборки, в вышеупомянутой уплотнительной полоске может иметься углубление, расположенное на ее стороне, обращенной в направлении потока, в которое может быть вставлен плоский инструмент, вставляемый в зазор, для проталкивания уплотнительной полоски в соответствующие канавки на боковых поверхностях.

Конечное положение дополнительной уплотнительной полоски предпочтительно обеспечивается за счет использования на боковых поверхностях зазора канавок соответствующей ограниченной длины, в которые вставляются продольные края уплотнительной полоски, причем торцы канавок выступают в качестве конечных упоров для уплотнительной полоски. По особо предпочтительному варианту осуществления дополнительные уплотнительные полоски могут быть закреплены в их конечном положении запорным устройством вроде золотника, которое служит для дополнительного крепления теплозащитных элементов смежных с зазором на валу ротора или для крепления лопаток ротора, соединенных с теплозащитными элементами, на валу ротора.

Предпочтительные признаки изобретения изложены в пунктах формулы изобретения и следующем описании чертежей, их подробное описание будет дано на примере особо предпочтительных вариантов осуществления изобретения.

Требуется охрана не только для изложенной или показанной комбинации признаков, но, в принципе, также и для любых комбинаций из отдельно изложенных или показанных признаков.

Краткое описание чертежей

На чертежах показано:

На фиг. 1 - частичное осевое сечение в осевом направлении потока последней ступени осевой газовой турбины;

На фиг. 2 - увеличенный вид части II по фиг. 1;

На фиг. 3 - вид в перспективе двух смежных по окружности теплозащитных экранов относительно вала ротора у основания двух лопаток ротора; и

На фиг. 4 - вид в перспективе уплотнительной полоски и ее составных частей для осевого уплотнения зазора.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 лопатки 2 ротора со стороны ротора установлены на лишь частично показанном валу 1 ротора, они, в частности, установлены аксиально позади направляющих лопаток 3 по направлению потока Н горячего воздуха, проходящего через турбину, направляющие лопатки 3 установлены неподвижно относительно корпуса. На фиг. 3, хвостовики 4, расположенные в основании лопаток 2 турбины, крепят лопатки 2 турбины к валу 1 ротора, хвостовики 4 имеют елочное сечение в осевой проекции вала 1 ротора и могут аксиально вставляться в аксиальные каналы, образованные в валу 1 ротора. В боковых поверхностях осевых каналов имеются выточки, дополняющие елочный профиль хвостовика 4 таким образом, что соответствующий хвостовик 4 и сопрягаемая лопатка 2 ротора жестко удерживаются в радиальном направлении вала 1 ротора.

Основания лопаток 2 ротора из теплоизолирующих элементов 5 вала ротора расположены между соответствующей лопаткой 2 ротора и ее хвостовиком. То есть в совокупности они образуют теплозащитный экран 5 вала 1 ротора от потока Н горячего воздуха. Для этого в теплозащитных экранах 5 имеются полости, сообщающиеся между собой и с источником охлаждающего воздуха (не показан) таким образом, чтобы между стороной поверхности теплозащитного экрана 5, контактирующей с горячим воздухом, и валом 1 ротора образовывался радиальный слой охлаждающего воздуха. Теплозащитные экраны 5, объединенные с лопатками 2 ротора, могут доходить в осевом направлении вала 1 ротора до области, где находятся направляющие лопатки 3. Как вариант, можно также установить дополнительные теплозащитные экраны 6 в области направляющих лопаток 3, у которых могут быть хвостовики 4, аналогичные хвостовикам лопаток 2 ротора, которые соответственно позволяют закреплять их на валу 1 ротора аналогично лопаткам 2 ротора.

Полости в теплозащитных экранах 5 или б, через которые проходит охлаждающий воздух, соответственно сообщаются с полостями в смежных теплозащитных экранах 5 или 6 по направлению вдоль окружности вала ротора.

Как видно, в частности из фиг. 3, смежные теплозащитные экраны 5 или 6 по направлению вдоль окружности вала 1 ротора отделены друг от друга зазором 7, который проходит с каждой стороны виртуальной разделяющей плоскости, образующей центр зазора, причем ось вала ротора лежит в разделяющей плоскости. Зазор 7 содержит, с одной стороны, направленное наружу отверстие 7', проходящее, по существу, параллельно оси вала ротора, а также отверстие 7", проходящее, по существу, радиально оси вала 1 ротора.

Поскольку зазор 7 сообщается с полостями теплозащитных экранов 5 или 6, используемых для охлаждающего воздуха, существует опасность того, что охлаждающий воздух может попасть в поток Н горячего воздуха или что горячие газы из потока Н горячего воздуха могут проникнуть в полости теплозащитных элементов 5 или 6 через зазор 7 или через отверстия 7' или 7" и, следовательно, опасно близко подойти к валу 1 ротора.

Проникновение подобных нежелательных газов или воздушного потока предотвращается за счет уплотнения отверстий 7' или 7" в зазоре 7.

Уплотнительные полоски 8' используются для уплотнения отверстий Т. При этом соответствующий зазор 7 уплотнен со стороны газового потока пластинчатыми уплотнительными полосками 8', 8", установленными таким образом, что их продольные торцы находятся в противостоящих канавках 9', 9" боковых поверхностей оснований или теплозащитных экранах 5, обращенных в сторону разделяющей плоскости. Уплотнительные полоски 8' соответственно вставляются в продольном направлении в канавки 9', расположенные в боковых поверхностях теплозащитных экранов 5 или 6 с противоположных сторон от разделяющей плоскости, причем разделяющая плоскость проходит через центр соответствующего зазора 7.

Дополнительные уплотнительные полоски 8" используются, в принципе, аналогичным образом в отверстиях 7". Дополнительные уплотнительные полоски 8" изогнуты вокруг оси, проходящей перпендикулярно продольной оси уплотнительных полосок. Канавки 9", в которые вставляются дополнительные уплотнительные полоски, изогнуты соответствующим образом.

На фиг. 4 дополнительные уплотнительные полоски 8" предпочтительно имеют двухслойную конструкцию, причем металлическая полоска 10 приваривается к дополнительной металлической полоске 11, образуя двойной слой. В дополнительной металлической полоске 11 выполнен паз 12 таким образом, чтобы в двухслойной уплотнительной полоске 8" образовалось углубление для введения плоского инструмента в зазор 7. Таким образом, посредством соответствующего плоского инструмента через зазор 7 можно добраться до углубления, образованного в пазу 12, и переместить уплотнительную полоску 8" в соответствующую канавку 9". Это особенно удобно или даже необходимо, если уплотнительную полоску 8", выполненную с возможностью перемещения инструментом продольно в соответствующих канавках 9", потребуется вынуть.

Длина канавок 9", в которые вставляются уплотнительные полоски 8", подбирается таким образом, чтобы уплотнительные полоски 8" имели соответствующий конечный упор. Это значит, что верхний конец канавки 9" по фиг. 3 выступает в качестве упора для соответствующего торца уплотнительной полоски 8". При быстром вращении вала 1 ротора во время эксплуатации установки с непрерывным потоком и создании относительно большой центробежной силы уплотнительная полоска 8" будет удерживаться разнесенной от уплотнительной полоски 8' вышеупомянутыми упорами таким образом, чтобы не допустить повреждения уплотнительной полоски 8' уплотнительной полоской 8" и центробежной силой. Расстояние между уплотнительными полосками 8' и 8" настолько мало, что охлаждающий воздух через него пройти не может.

Как видно из фиг. 3, хвостовики 4 лопаток 2 ротора первой и последней ступеней ротора по направлению потока горячих газов Н могут быть аксиально скреплены посредством вращающегося элемента 13, расположенного внутри осевых каналов, в которые вставляются хвостовики. На фиг. 3 (передний) вращающийся элемент 13 находится в разомкнутом вращающемся положении. В таком положении запорный рычаг вставляется в углубление 14 на валу 1 ротора таким образом, чтобы хвостовик 4 мог аксиально перемещаться внутри вала 1 ротора. При повороте вращающегося элемента 13 на 180° вращающийся элемент 13 входит в зацепление с углублением 14 в валу 1 ротора, а также с углублением 15 в хвостовике 4 или теплозащитном элементе 5 хвостовика таким образом, что хвостовик 4 и его теплозащитный элемент 5 блокируются в осевом направлении вала 1 ротора. Одновременно с этим ручка 16 привода вращающегося элемента 13 поворачивается в положение, при котором открытые концы канавок 9" закрываются, таким образом, в подобном положении ручка 16 привода упруго блокируется (заколачивается молотком) в углублении на торцевой поверхности между смежными теплозащитными элементами 5. При заблокированном положении вращающегося элемента 13 уплотнительная полоска 8" соответственно также фиксируется в нужном положении.

Перед сборкой теплозащитных элементов или их хвостовиков 4 на валу ротора, вращающийся элемент 13 может быть установлен в углублении вала ротора в разомкнутом положении.

Газовая турбина с осевым потоком содержит лопатки ротора, направляющие лопатки и вращающийся элемент. Лопатки ротора закреплены на роторе посредством елочных хвостовиков, установленных в выточенные осевые каналы ротора. Основания лопаток образуют теплозащитные экраны вала ротора и имеют полости, сообщающиеся между собой и с источником охлаждающего воздуха. Между смежными основаниями смежных лопаток ротора в направлении вдоль окружности имеется зазор, сообщающийся с полостями и проходящий между основаниями поперечно направлению вдоль окружности с каждой стороны разделяющей плоскости, проходящей через центр зазора. Зазор уплотнен со стороны газового потока пластинчатыми уплотнительными полосками. Продольные торцы полосок расположены в противостоящих канавках боковых поверхностей оснований или теплозащитных экранах, обращенных в сторону разделяющей плоскости. Первая уплотнительная полоска установлена у краев боковых поверхностей со стороны газового потока, проходящих в осевом направлении вала ротора. Дополнительная уплотнительная полоска установлена у торцевой поверхности смежных оснований у краев боковых поверхностей зазора, проходящего в радиальном направлении вала ротора. Вращающийся элемент позволяет аксиально блокировать хвостовик лопатки ротора на роторе, причем в заблокированном положении он закрывает ручкой привода радиально открытые концы канавок, в которые введена дополнительная уплотнительная полоска. Другое изобретение группы относится к осевому компрессору, включающему упомянутые выше лопатки ротора, направляющие лопатки и вращающийся элемент. Группа изобретений позволяет повысить эффективность уплотнения межлопаточных зазоров. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Газовая турбина с осевым потоком (Н) горячего воздуха, содержащая лопатки (2) ротора со стороны ротора с основаниями и хвостовиками (4) и направляющие лопатки (3) со стороны статора, причем лопатки (2) ротора закреплены на валу (1) ротора, имеющем ось, посредством елочных хвостовиков (4), причем хвостовики (4) жестко зацепляются за соответствующие выточенные осевые каналы в валу (1) ротора, при этом основания образуют теплозащитные экраны (5) для вала (1) ротора, в которых имеются полости, сообщающиеся между собой и с источником охлаждающего воздуха, причем между смежными основаниями смежных лопаток (2) ротора в направлении вдоль окружности вала ротора имеется зазор (7), зазор (7) сообщается с полостями, причем зазор (7) проходит между основаниями поперечно направлению вдоль окружности с каждой стороны разделяющей плоскости, причем разделяющая плоскость проходит через центр зазора (7), а ось вала (1) ротора расположена в разделяющей плоскости, при этом соответствующий зазор (7) уплотнен со стороны газового потока пластинчатыми уплотнительными полосками (8′, 8″), установленными таким образом, что их продольные торцы находятся в противостоящих канавках (9′, 9″) боковых поверхностей оснований или теплозащитных экранах (5), обращенных в сторону разделяющей плоскости, при этом
первая уплотнительная полоска (8′) установлена у краев боковых поверхностей со стороны газового потока, проходящих в осевом направлении вала (1) ротора, а дополнительная уплотнительная полоска (8″) установлена по меньшей мере у одной торцевой поверхности смежных оснований у краев боковых поверхностей зазора (7), проходящего в радиальном направлении вала (1) ротора, отличающаяся тем, что
вращающийся элемент (13), который аксиально блокирует хвостовик (4) лопатки (2) ротора на валу (1) ротора, в заблокированном положении закрывает ручкой (16) привода радиально открытые концы канавок (9″), в которые введена дополнительная уплотнительная полоска (8″).

2. Газовая турбина по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительная уплотнительная полоска (8″) установлена у торцевой поверхности теплозащитного экрана (5), обращенного в сторону направления (Н) потока.

3. Газовая турбина по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что дополнительная уплотнительная полоска (8″) выполнена изогнутой и установлена в соответствующие изогнутые канавки (9″) в боковых поверхностях зазора (7′).

4. Газовая турбина по п. 3, отличающаяся тем, что изогнутые канавки (9″) у их радиальных внутренних концов относительно оси ротора незамкнуты со смежной концевой поверхностью оснований или теплозащитных экранов (5).

5. Газовая турбина по п. 3, отличающаяся тем, что в дополнительной уплотнительной полоске (8″) в области разделяющей плоскости зазора (7) имеется углубление для введения плоского инструмента в зазор (7), уплотнительная полоска (8″) выполнена с возможностью перемещения инструментом продольно в соответствующих канавках (9″).

6. Газовая турбина по п. 5, отличающаяся тем, что дополнительная уплотнительная полоска (8″) состоит из двух слоев (10, 11), причем в одном из слоев (11) имеется паз (12) для образования углубления.

7. Осевой компрессор, содержащий лопатки (2) ротора со стороны ротора с основаниями и хвостовиками (4) и направляющие лопатки (3) со стороны статора, причем лопатки (2) ротора закреплены на валу (1) ротора, имеющем ось, посредством елочных хвостовиков (4), причем хвостовики (4) жестко зацепляются за соответствующие выточенные осевые каналы в валу (1) ротора, при этом основания образуют теплозащитные экраны (5) для вала (1) ротора, в которых имеются полости, сообщающиеся между собой и с источником охлаждающего воздуха, причем между смежными основаниями смежных лопаток (2) ротора в направлении вдоль окружности вала ротора имеется зазор (7), зазор (7) сообщается с полостями, причем зазор (7) проходит между основаниями поперечно направлению вдоль окружности с каждой стороны разделяющей плоскости, причем разделяющая плоскость проходит через центр зазора (7), а ось вала (1) ротора расположена в разделяющей плоскости, при этом соответствующий зазор (7) уплотнен со стороны газового потока пластинчатыми уплотнительными полосками (8′, 8″), установленными таким образом, что их продольные торцы находятся в противостоящих канавках (9′, 9″) боковых поверхностей оснований или теплозащитных экранах (5), обращенных в сторону разделяющей плоскости, при этом
первая уплотнительная полоска (8′) установлена у краев боковых поверхностей со стороны газового потока, проходящих в осевом направлении вала (1) ротора, а дополнительная уплотнительная полоска (8″) установлена по меньшей мере у одной торцевой поверхности смежных оснований у краев боковых поверхностей зазора (7), проходящего в радиальном направлении вала (1) ротора, отличающийся тем, что
вращающийся элемент (13), который аксиально блокирует хвостовик (4) лопатки (2) ротора на валу (1) ротора, в заблокированном положении закрывает ручкой (16) привода радиально открытые концы канавок (9″), в которые введена дополнительная уплотнительная полоска (8″).