ОБХОДНОЙ КАНАЛ ДЛЯ ОХЛАЖДАЮЩЕГО СРЕДСТВА ДЛЯ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ, ВСТАВЛЯЕМЫЙ В ПОЛУЮ ОХЛАЖДАЕМУЮ ЛОПАТКУ ТУРБИНЫ Российский патент 2018 года по МПК F01D5/18 F01D9/02 

Изобретение касается вставляемого в полую охлаждаемую лопатку турбины обходного канала для охлаждающего средства для газовой турбины, имеющего разделенные стенками внутренние и наружные стороны, причем этот обходной канал для охлаждающего средства распространяется от первого компонента газовой турбины ко второму компоненту газовой турбины.

Газовая турбина представляет собой гидравлическую машину, в которой расширяется находящийся под давлением газ. Она состоит из турбины или расширителя, предвключенного компрессора и расположенной между ними топочной камеры. При этом совокупность лопаток компрессора и турбины называется лопаточным аппаратом. При этом различают рабочие лопатки и направляющие лопатки. Венец рабочих лопаток с соответствующим венцом направляющих лопаток называют ступенью. Лопаточный аппарат турбины или компрессора обычно является многоступенчатым.

Направляющие лопатки неподвижно встроены в корпус компрессора или, соответственно, турбины и направляют рабочее тело (всасываемый воздух или горячий газ) под оптимальным углом на рабочие лопатки, которые находятся на вращающихся валах. Посредством рабочих лопаток осуществляется передача механически полезной мощности между машиной и текучей средой.

При этом принцип действия основан на циклическом процессе (процесс Джоуля). В нем воздух сжимается посредством лопаточного аппарата одной или нескольких ступеней компрессора, затем смешивается в топочной камере с газообразным или жидким топливом, воспламеняется и сгорает. Кроме того, воздух используется для охлаждения, в частности, испытывающих сильную тепловую нагрузку компонентов.

Так образуется горячий газ (смесь из газообразного продукта сгорания и воздуха), который в следующей части турбины расширяется, при этом тепловая энергия преобразуется в механическую и в первую очередь осуществляет привод компрессора. Оставшаяся доля используется в приводе вала для привода генератора, пропеллера или других вращающихся потребителей. У турбореактивного привода, в отличие от этого, тепловая энергия ускоряет поток горячего газа, что создает тягу.

Компоненты газовых турбин испытывают высокую тепловую нагрузку горячего газа. Повышение рабочих температур является также желательным, так как при этом могут достигаться лучшие коэффициенты полезного действия. Поэтому, чтобы температуры материала не превышали пределы прочности, предусмотрена подача охлаждающего средства, например воздуха. На пути к предусмотренному месту применения охлаждающего средства оно, однако, уже нагревается вследствие высоких температур. Этот нагрев при определенных обстоятельствах может быть таким большим, что предусмотренное охлаждающее действие охлаждающего средства на месте применения является слишком низким. Это повышает тепловую нагрузку и вместе с тем снижает срок службы компонента на месте применения. Поэтому в этом случае охлаждающее средство часто направляется по отдельным обходным каналам для охлаждающего средства.

Таким образом, в основе изобретения лежит задача, указать обходной канал для охлаждающего средства, который обеспечит возможность дополнительного повышения срока службы компонентов газовой турбины, причем при особенно высоком возможном коэффициенте полезного действия.

Эта задача в соответствии с изобретением решается за счет того, что вставляемый в полую охлаждаемую лопатку турбины обходной канал для охлаждающего средства имеет средства, которые изменяют теплопередачу между внутренней и наружной стороной и/или режим потока на внутренней и наружной стороне.

При этом изобретение исходит из того рассуждения, что нагрев охлаждающего средства вследствие взаимодействия с окружающим компонентом приводит к снижению срока службы. При этом неожиданно выяснилось, что применяемые обходные каналы для охлаждающего средства до сих пор никоим образом не используются для улучшения срока службы при неизменном коэффициенте полезного действия. Поэтому следовало бы, чтобы вставляемые в полую охлаждаемую лопатку турбины обходные каналы для охлаждающего средства имели средства, которые изменяют теплопередачу между внутренней и наружной стороной канала или же изменяют режим потока внутри и снаружи стенок, чтобы таким образом достичь улучшения.

Предпочтительно обходной канал для охлаждающего средства вставлен при этом внутрь направляющей лопатки газовой турбины. Кроме того, первый и/или второй компонент, между которыми распространяется обходной канал для охлаждающего средства, представляет собой соответственно хвостовик лопатки или, соответственно, головку лопатки. Подача охлаждающего средства к внутреннему кольцу, на котором закреплены головки направляющих лопаток, особенно предпочтительна именно через направляющие лопатки, так как эти пути являются наиболее короткими. Однако именно между хвостовиком направляющей лопатки и головкой направляющей лопатки особенно сильна тепловая нагрузка охлаждающего средства, которое должно пропускаться, по возможности не должно нагреваться. Поэтому при пропускании охлаждающего средства от хвостовика направляющей лопатки на наружном диаметре кольца направляющих лопаток к головке направляющей лопатки на внутреннем диаметре кольца направляющих лопаток следовало бы оснащать направляющие лопатки обходными каналами для охлаждающего средства.

В предпочтительном варианте осуществления предусмотренные на обходных каналах для охлаждающего средства выполнены таким образом, что они изменяют теплопроводность между внутренней и наружной стороной, т.е. передача энтальпии не обязательно должна осуществляться посредством конвекции.

Предпочтительно эти средства включают в себя для этого покрытие, которое также предпочтительно включает в себя керамический материал. При этом меньшее количество тепловой энергии поступает в обходной канал для охлаждающего средства, так как взаимодействие между перемещаемым во внутреннем пространстве охлаждающим средством и окружающей средой уменьшается. Это улучшает охлаждающее действие охлаждающего средства на месте применения, так как эффективность перемещения охлаждающего средства повышается.

В альтернативном или дополнительном варианте осуществления эти средства включают в себя турбулизаторы. Это предпочтительно, в частности, тогда, когда некоторые подлежащие охлаждению компоненты приводят к чрезмерному расходу охлаждающего средства. Такой чрезмерный расход, как известно, снижает коэффициент полезного действия всей газовой турбины. С помощью турбулизаторов, которые расположены на внутренней стороне стенок обходного канала для охлаждающего средства, создаются завихрения, так что сопротивление трубы в трубопроводе возрастает, и при этом повышается потеря давления. Альтернативно или дополнительно турбулизаторы могут также располагаться на наружной стороне обходного канала для охлаждающего средства. Это также предоставляет возможность для повышения гибкости конструкции. Так как такого рода турбулизаторы на наружной стороне повышают поступление тепла в охлаждающее средство, текущее внутри обходного канала для охлаждающего средства, этот вариант предпочтительно может комбинироваться с покрытием.

В другом предпочтительном варианте осуществления эти средства включают в себя некоторое количество отверстий в стенках обходного канала для охлаждающего средства. Такой вариант осуществления предоставляет особые преимущества, когда компоненты в области канала для охлаждающего средства во время эксплуатации испытывают высокую тепловую нагрузку. Именно когда чрезмерная тепловая нагрузка констатируется только во время текущей эксплуатации газовой турбины, т.е. по прошествии фазы конструирования, значительные конструктивные изменения часто связаны с высокими издержками и техническими сложностями. Здесь путем выполнения отверстий в обходном канале для охлаждающего средства можно выйти из положения быстро и с оптимальными издержками, так как именно в упомянутых областях охлаждающее средство из обходного канала попадает на упомянутый компонент как охлаждающее средство для принудительного охлаждения.

По другому предпочтительному варианту осуществления в качестве средства изменения теплопередачи стенки выполнены полыми. Благодаря этому варианту осуществления, называемому также конструкцией с двойными стенками, дополнительно снижается теплопроводность от наружной стороны к внутренней стороне, благодаря чему, при надлежащем применении обходного канала для охлаждающего средства в более горячей окружающей среде, поступление тепла в охлаждающее средство, текущее по внутренней стороне, остается сравнительно низким. Предпочтительно при этом полость стенок герметизирована относительно внутренней стороны и наружной стороны, так что предотвращается обмен или даже смешивание более горячей наружной среды со средой полости. При этом герметизация приводит к ограничению способности среды полости к теплопроводности. Кроме того, предпочтительно в полости действует давление, пониженное относительно среднего атмосферного давления. Чем ниже давление полости, то есть чем больше среды было удалено из полости перед ее герметизацией, тем ниже ее способность к теплопроводности, в результате чего лучше поддерживается температура охлаждающего средства, текущего по внутренней стороне.

Из практических соображений обходной канал для охлаждающего средства выполнен трубчатым, при необходимости даже в виде трубы с двойными стенками.

Газовая турбина предпочтительно имеет описанный обходной канал для охлаждающего средства и предпочтительно является компонентом электрической силовой установки.

Связанные с изобретением преимущества заключаются, в частности, в том, что благодаря модификации обходных каналов для охлаждающего средства в отношении их тепловых и гидромеханических свойств становится возможной гибкая адаптация к распределениям температуры внутри газовой турбины, устанавливающимся при эксплуатации. Благодаря таким модификациям возможны быстрые решения проблем, например, при слишком высоких температурах, достигаемых на отдельных компонентах. При этом обходной канал для охлаждающего средства используется в двух целях, как для перемещения охлаждающего средства, так и для охлаждения и/или управления потерей давления в системе охлаждения.

Изобретение поясняется подробнее с помощью чертежа. На нем показано:

фиг. 1: обходной канал для охлаждающего средства, снабженный расположенными снаружи кольцевыми турбулизаторами;

фиг. 2: обходной канал для охлаждающего средства, снабженный расположенными снаружи винтовыми турбулизаторами;

фиг. 3: часть сечения торцевой стороны лопатки турбины;

фиг. 4: сечение обходного канала для охлаждающего средства с двойными стенками и

фиг. 5: сечение газовой турбины.

Одинаковые части на всех чертежах снабжены одними и теми же ссылочными обозначениями.

На фиг. 1 показан цилиндрический обходной канал 1 для охлаждающего средства. Он вставлен в полую охлаждаемую направляющую лопатку турбины (не изображена) и распространяется между хвостовиками направляющих лопаток турбины. Обходной канал 1 для охлаждающего средства имеет стенки 2, которые разделяют внутреннюю сторону 4 и наружную сторону 6 обходного канала 1 для охлаждающего средства. Внутри обходного канала 1 для охлаждающего средства направляется охлаждающее средство K, в этом примере осуществления воздух.

На наружной стороне 6 расположены кольцевые турбулизаторы 8. В альтернативном примере осуществления в соответствии с фиг. 2 турбулизаторы, в отличие от этого, расположены винтообразно. Не показанные подробно турбулизаторы могут быть также расположены на внутренней стороне обходного канала 1 для охлаждающего средства. Обходные каналы для охлаждающего средства в соответствии с фиг. 1 и 2 снабжены, кроме того, керамическим покрытием.

На фиг. 3 показан обходной канал 1 для охлаждающего средства вместе с соседней торцевой стороной направляющей лопатки, в которую он введен. Торцевая сторона испытывает сравнительно сильную тепловую нагрузку. Поэтому в обходном канале 1 для охлаждающего средства выполнены отверстия 12, через которые охлаждающее средство K выходит и, как принудительное охлаждение, течет по внутренней стороне торцевой стороны 12. При этом торцевая сторона 12 охлаждается.

На фиг. 4 показан снова цилиндрический, то есть трубчатый обходной канал 1 для охлаждающего средства. Он также расположен внутри направляющей лопатки турбины (не изображена) и распространяется от хвостовика лопатки по перу лопатки до головки лопатки. Этот обходной канал 1 для охлаждающего средства, в отличие от фиг. 1, имеет полые стенки 2 между своей внутренней стороной и наружной стороной 6. Таким образом, стенки 2 выполнены в виде двойных стенок, имеющих полость 7. При этом полость 7 может быть отделена от внутренней стороны 4 и/или от наружной стороны 6. При герметичном отделении полости 7 от пространств, ограниченных внутренней стороной 4 и/или же наружной стороной 6, предоставляется возможность по меньшей мере частичного вакуумирования полости 7 для уменьшения теплопроводности. При этом поступления тепла снаружи в охлаждающее средство K, текущее внутри обходного канала 1 для охлаждающего средства, может оставаться особенно низким.

Описанные обходные каналы для охлаждающего средства применяются в газовой турбине 101 в соответствии с фиг. 5. Газовая турбина 101 предназначена для применения в электростанции для выработки электрического тока.

Газовая турбина 101, как изображено на фиг. 5, имеет компрессор 102 для воздуха, необходимого для сжигания топлива, топочную камеру 104, а также турбоагрегат 106 для привода компрессора 102 и не изображенного генератора или рабочей машины. Для этого турбоагрегат 106 и компрессор 102 установлены на одном общем, называемом также вращающейся частью турбины, валу 108 турбины, с которым также соединен генератор или, соответственно, рабочая машина, и который оперт с возможностью вращения вокруг своей центральной оси 109. Эти узлы образуют ротор газовой турбины 101. Выполненная в виде кольцевой топочной камеры топочная камера 104 укомплектована некоторым количеством горелок 110 для сжигания жидкого или газообразного топлива.

Турбоагрегат 106 имеет некоторое количество соединенных с валом 108 турбины вращающихся рабочих лопаток 112. Рабочие лопатки 112 расположены на валу 108 турбины венцами и образуют, таким образом, некоторое количество венцов или рядов рабочих лопаток. Кроме того, турбоагрегат 106 снабжен некоторым количеством неподвижных направляющих лопаток 114, которые также закреплены венцами, образуя ряды направляющих лопаток на обойме 116 направляющих лопаток турбоагрегата 106. Рабочие лопатки 112 служат при этом для привода вала 108 турбины за счет передачи импульса от рабочей среды M, протекающей через турбоагрегат 106. Направляющие лопатки 114, в отличие от этого, служат для направления потока рабочей среды M между каждыми двумя, если смотреть в направлении потока рабочей среды M, следующими друг за другом рядами рабочих лопаток или венцами рабочих лопаток. При этом пара из следующих друг за другом одного венца направляющих лопаток 114 или одного ряда направляющих лопаток и из одного венца рабочих лопаток 112 или одного ряда рабочих лопаток называется также ступенью турбины.

У каждой направляющей лопатки 114 имеется полка 118, которая для фиксации соответствующей направляющей лопатки 114 расположена на обойме 116 направляющих лопаток турбоагрегата 106 в виде элемента стенки. При этом полка 118 представляет собой компонент, испытывающий сравнительно сильную тепловую нагрузку, который образует наружное ограничение канала горячего газа для протекающей через турбоагрегат 106 рабочей среды M. Каждая рабочая лопатка 112 аналогичным образом закреплена посредством называемой также хвостовиком лопатки полки 119 на валу 108 турбины.

Между расположенными на расстоянии друг от друга полками 118 направляющих лопаток 114 двух соседних рядов направляющих лопаток расположено по одному кольцевому сегменту 121 на обойме 1 направляющих лопаток турбоагрегата 106. Наружная поверхность каждого кольцевого сегмента 121 при этом также подвержена воздействию горячей протекающей через турбоагрегат 106 рабочей среды M и в радиальном направлении находится на расстоянии зазора от наружного конца расположенных напротив него рабочих лопаток 112. Расположенные между соседними рядами направляющих лопаток кольцевые сегменты 121 служат при этом, в частности, закрывающими элементами, которые защищают внутренний корпус в обойме 116 направляющих лопаток или другие встроенные части корпуса от тепловой перегрузки, вызванной протекающей через турбину 106 рабочей средой M.

Топочная камера 104 в этом примере осуществления выполнена в виде так называемой кольцевой топочной камеры, у которой множество расположенных в окружном направлении вокруг вала 108 турбины горелок 110 впадают в одно общее пространство топочной камеры. Для этого топочная камера 104 в целом выполнена в виде кольцеобразной структуры, которая расположена вокруг вала 108 турбины.

Направляющая лопатка турбины имеет полое перо лопатки, в котором расположен обходной канал для охлаждающего средства, имеющий разделенные стенками внутренние и наружные стороны. Обходной канал для охлаждающего средства проходит от первого компонента газовой турбины ко второму компоненту газовой турбины и имеет средства, которые изменяют теплопередачу между внутренней и наружной сторонами и/или режим потока на внутренней и наружной сторонах. Средство, изменяющее теплопередачу между внутренней стороной и наружной стороной, включает в себя покрытие, содержащее керамический материал. В качестве дополнительного средства, изменяющего теплопередачу между внутренней стороной и наружной стороной, предусмотрено выполнение стенок полыми. Полость стенок герметизирована относительно внутренней стороны и наружной стороны. Изобретение направлено на обеспечение возможности повышения срока службы компонентов газовой турбины и повышение коэффициента полезного действия. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Направляющая лопатка турбины для газовой турбины (101), имеющая полое перо лопатки, в котором расположен обходной канал (1) для охлаждающего средства, имеющий разделенные стенками (2) внутренние и наружные стороны (4, 6),

причем обходной канал (1) для охлаждающего средства проходит от первого компонента газовой турбины (101) ко второму компоненту газовой турбины (101) и

причем обходной канал (1) для охлаждающего средства имеет средства, которые изменяют теплопередачу между внутренней и наружной сторонами (4, 6) и/или режим потока на внутренней и наружной сторонах (4, 6),

отличающаяся тем, что средство, изменяющее теплопередачу между внутренней стороной и наружной стороной (4, 6) и/или режим потока на внутренней стороне и наружной стороне (4, 6), включает в себя покрытие, содержащее керамический материал, а в качестве дополнительного средства, изменяющего теплопередачу между внутренней стороной и наружной стороной (4, 6), предусмотрено выполнение стенок (2) полыми, причем полость (7) стенок (2) герметизирована относительно внутренней стороны (4) и наружной стороны (6).

2. Направляющая лопатка турбины по п. 1, в которой первый компонент представляет собой хвостовик лопатки или головку лопатки, а второй компонент - головку лопатки или хвостовик лопатки.

3. Направляющая лопатка турбины по п. 1, в которой средства дополнительно включают в себя турбулизаторы (8).

4. Направляющая лопатка турбины по п. 1, в которой средства дополнительно включают в себя некоторое количество отверстий (12) в стенках (2).

5. Направляющая лопатка турбины по п. 1, в которой в полости (7) действует давление ниже среднего атмосферного давления.

6. Направляющая лопатка турбины по п. 1, которая выполнена внутри трубчатой для направления охлаждающего средства.

7. Газовая турбина (101), снабженная направляющей лопаткой турбины по любому из пп. 1-6.

8. Электрическая силовая установка, включающая в себя газовую турбину (101) по п. 7.