ГАЗОВАЯ ТУРБИНА Российский патент 2019 года по МПК F01D9/02 F01D11/00 

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Область техники, к которой относится изобретение

[0001]

Данное изобретение относится к газовой турбине.

2. Уровень техники

[0002]

Конфигурация газовой турбины обеспечивает ее привод посредством газообразных продуктов сгорания, образующихся в качестве рабочего тела при высокой температуре за счет горения с использованием сжатого воздуха камеры сгорания, сжатого компрессором, вместе с топливом. Поэтому компоненты, которые подвергаются воздействию газообразных продуктов сгорания в турбине, требуется охлаждать с использованием в качестве охлаждающего воздуха низкотемпературной текучей среды, которая имеет температуру, более низкую, чем температура газообразных продуктов сгорания, чтобы предотвратить наступление трещинообразования или эрозии, которые обуславливаются окислением или тепловым напряжением. Кроме того, турбина и другие компоненты очень часто включают в себя разъемную конструкцию с целью облегчения процедур технического обслуживания и ремонта - в дополнение к снижению концентрации механических напряжений, обуславливаемой тепловой деформацией. Чтобы предотвратить попадание газообразных продуктов сгорания в зазор между компонентами из проточного канала газообразных продуктов сгорания, низкотемпературную текучую среду нужно подавать в зазор между компонентами в качестве уплотнительного воздуха под высоким давлением снаружи проточного канала газообразных продуктов сгорания. Низкотемпературную текучую среду, подлежащую подаче в турбину в качестве охлаждающего воздуха или уплотнительного воздуха, как правило, отбирают из компрессора. Таким образом, избыточное увеличение количества текучей среды, подлежащей отбору, снижает расход газообразных продуктов сгорания для привода турбины, в результате чего получается сниженный общий кпд газовой турбины. Поэтому через зазор между компонентами турбины вставляют уплотнительную пластину (см., например, JP-A-2014-074406).

Сущность изобретения

[0004]

Уплотнительная пластина не полностью уплотняет зазор между компонентами турбины. Уплотнительная пластина вызывает возникновение микроутечки низкотемпературной текучей среды между компонентами турбины, а утекающий воздух используется для охлаждения уплотнительной пластины и компонентов турбины. Вместе с тем, существует потребность в газообразных продуктах сгорания (газе-сгорания), имеющих еще более высокую температуру, в электроэнергетических газовых турбинах, на которые возлагаются большие надежды в связи с комбинированным циклом. Таким образом, настоятельно необходимо повысить рабочие характеристики уплотнения и рабочие характеристики охлаждения зазора между компонентами турбины. Участок переднего края торцевых стенок сопел турбины в первой ступени турбины, на котором существует зазор от переходной части, нужно охлаждать, поскольку передний край находится около камеры сгорания в которой температура, которую имеют газообразные продукты сгорания, высока. Вместе с тем, из-за того, что участок переднего края является тонким, трудно применить охлаждающую конструкцию в дополнение к уплотнительной конструкции. Это создает проблему, в частности - на мало- и среднегабаритных газовых турбинах, которые должны включать в себя больше компактных компонентов.

[0005]

Задача данного изобретения состоит в том, чтобы разработать газовую турбину, выполненную с возможностью эффективного охлаждения с одновременным уплотнением зазора между переходной частью камеры сгорания и соплом турбины.

[0006]

Чтобы решить вышеупомянутую задачу, в одном аспекте данного изобретения предложена газовая турбина, которая включает в себя: компрессор, который сжимает воздух; камеру сгорания, в которой сжатый воздух, который сжимается компрессором, сгорает вместе с топливом, образуя тем самым газообразные продукты сгорания (газ-сгорания); и турбину, привод которой осуществляется посредством газообразных продуктов сгорания, образуемых камерой сгорания. Камера сгорания включает в себя переходную часть, по которой в турбину подаются газообразные продукты сгорания. Турбина включает в себя, по меньшей мере, одну ступень турбины, которая включает в себя одну сопловую решетку и одну лопаточную решетку, расположенные последовательно от передней по потоку стороны вдоль осевого направления турбины. Торцевые стенки сопел, которые ограничивают внутреннюю и внешнюю периферии кольцевого проточного канала газообразных продуктов сгорания (газа-сгорания) в сопловой решетке в первой ступени турбины, имеют передние края, обращенные к заднему краю переходной части в осевом направлении турбины поперек зазоров, которые уплотнены уплотнительными элементами. В вышеописанной газовой турбине, переходная часть имеет фланцевые участки, которые простираются в радиальном направлении турбины. Фланцевые участки находятся на внутренней периферийной стенке и внешней периферийной стенке участка выпуска газообразных продуктов сгорания у поверхностей, противоположных проточному каналу газообразных продуктов сгорания. Торцевые стенки сопел имеют уплотнительные канавки в своих поверхностях, обращенных к переходной части. Уплотнительные канавки простираются в осевом направлении турбины. Каждый из уплотнительных элементов включает в себя участок крюка и уплотнительный пластинчатый участок. Участок крюка охватывает фланцевого участка переходной части, имея возможность скольжения в радиальном направлении турбины вдоль фланцевого участка, а уплотнительный пластинчатый участок вставлен в уплотнительную канавку в торцевой стенке сопла. Конфигурация уплотнительной канавки и уплотнительного пластинчатого участка такова, что они включают в себя область поверхностного контакта, в которой поверхность внутренней стенки на высокотемпературной стороне, ближняя к проточному каналу газообразных продуктов сгорания уплотнительной канавки, и уплотнительный пластинчатый участок находятся в поверхностном контакте друг с другом, область отсутствия контакта, находящуюся на стороне, которая ближе к переходной части, чем область поверхностного контакта, и имеет зазор, заключенный между поверхностью внутренней стенки на высокотемпературной стороне и поверхностью, обращенной к уплотнительному пластинчатому участку, и сквозное отверстие, предусмотренное на уплотнительном пластинчатом участке и оказывающееся обращенным к поверхности внутренней стенки на высокотемпературной стороне в уплотнительной канавке поперек зазора в области отсутствия контакта.

В формуле заявляется газовая турбина, содержащая: компрессор, который сжимает воздух; камеру сгорания, в которой сжатый воздух, который сжимается компрессором, сгорает вместе с топливом, образуя тем самым газ сгорания; и турбину, приводимую в действие посредством газа сгорания, образуемого камерой сгорания; причем камера сгорания включает в себя переходную часть, которая подает в турбину газ сгорания; при этом турбина включает в себя, по меньшей мере, одну ступень турбины, которая включает в себя одну сопловую решетку и одну лопаточную решетку, расположенные последовательно от передней по потоку стороны вдоль осевого направления турбины; торцевые стенки сопел, которые образуют внутреннюю и внешнюю периферии кольцевого проточного канала газа сгорания в решетке сопел в первой ступени турбины, имеющие передние края, обращенные к заднему краю переходной части в осевом направлении турбины; при этом зазоры между передними краями торцевых стенок сопел и задним краем переходной части уплотнены уплотнительными элементами, при этом переходная часть имеет фланцевые участки, которые проходят в радиальном направлении турбины, причем фланцевые участки находятся на внутренней периферийной стенке и внешней периферийной стенке участка выпуска газа сгорания у поверхностей, противоположных проточному каналу газа сгорания, при этом торцевые стенки сопел имеют уплотнительные канавки в своих поверхностях, обращенных к переходной части, и эти уплотнительные канавки проходят в осевом направлении турбины, каждый из уплотнительных элементов включает в себя крюкообразный участок и уплотнительный пластинчатый участок, причем участок крюка охватывает фланцевый участок переходной части, для того, чтобы скользить в радиальном направлении турбины вдоль фланцевого участка, а уплотнительный пластинчатый участок вставлен в уплотнительную канавку в торцевой стенке сопла, и конфигурация уплотнительной канавки и уплотнительного пластинчатого участка такова, что они включают в себя область поверхностного контакта, в которой поверхность внутренней стенки на высокотемпературной стороне, ближняя к проточному каналу газа сгорания уплотнительной канавки, и уплотнительный пластинчатый участок находятся в поверхностном контакте друг с другом, область отсутствия контакта, находящуюся на стороне, которая ближе к переходной части, чем область поверхностного контакта, и имеющую зазор, расположенный между поверхностью внутренней стенки на высокотемпературной стороне и поверхностью, обращенной к уплотнительному пластинчатому участку, и сквозное отверстие, предусмотренное на уплотнительном пластинчатом участке, так чтобы быть обращенным к поверхности внутренней стенки на высокотемпературной стороне в уплотнительной канавке поперек зазора в области отсутствия контакта.

Предпочтительно поверхность внутренней стенки на высокотемпературной стороне области отсутствия контакта в уплотнительной канавке находится ближе к проточному каналу газа сгорания уплотнительной канавки, чем поверхность внутренней стенки на высокотемпературной стороне области поверхностного контакта.

Предпочтительно уплотнительный пластинчатый участок изогнут так, что его участок, составляющий область отсутствия контакта, отстоит от проточного канала газа сгорания относительно его участка, составляющего область поверхностного контакта.

Предпочтительно на области отсутствия контакта находится способствующий турбулентности элемент.

Предпочтительно способствующий турбулентности элемент представляет собой ребро, проходящее в осевом направлении турбины.

Предпочтительно способствующий турбулентности элемент представляет собой ребро, проходящее в направлении вращения турбины.

Предпочтительно в области отсутствия контакта находится выступ, имеющий в радиальном направлении турбины размер, соответствующий расстоянию между поверхностью внутренней стенки на высокотемпературной стороне уплотнительной канавки в области отсутствия контакта и уплотнительным пластинчатым участком.

Предпочтительно выступ имеет передний концевой участок в точечном контакте с поверхностью внутренней стенки на высокотемпературной стороне уплотнительной канавки в области отсутствия контакта или с уплотнительным пластинчатым участком.

Предпочтительно выступ имеет передний концевой участок в поверхностном контакте с поверхностью внутренней стенки на высокотемпературной стороне уплотнительной канавки в области отсутствия контакта или с уплотнительным пластинчатым участком.

Предпочтительно выступ и сквозное отверстие находятся в положениях, которые соответствуют друг другу в направлении вращения турбины.

Предпочтительно расстояние между поверхностью внутренней стенки на высокотемпературной стороне уплотнительной канавки в области отсутствия контакта и уплотнительным пластинчатым участком составляет от 0,5 диаметра сквозного отверстия до пяти таких диаметров.

[0007]

Данное изобретение может обеспечить эффективное охлаждение с одновременным уплотнением зазора между переходной частью камеры сгорания и соплом турбины.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0008]

На фиг.1 представлен схематический вид газовой турбины.

На фиг.2 представлен схематический вид в частичном сечении соединения между камерой сгорания и турбиной в соответствии с первым вариантом осуществления данного изобретения.

На фиг.3 представлен вид в увеличенном масштабе участка X, окруженного пунктирной линией на фиг.2.

На фиг.4 представлено сечение, проведенное по обозначенной стрелками линии Y-Y на фиг.3.

На фиг.5 представлен вид, иллюстрирующий уплотнительную конструкцию в газовой турбине, имеющей другую конфигурацию, в соответствии первым вариантом осуществления данного изобретения, соответствующую фиг.3.

На фиг.6 представлен вид, иллюстрирующий уплотнительную конструкцию в газовой турбине в соответствии со вторым вариантом осуществления данного изобретения, соответствующую фиг.3.

На фиг.7 представлен вид, иллюстрирующий уплотнительную конструкцию в газовой турбине в соответствии с третьим вариантом осуществления данного изобретения, соответствующую фиг.3.

На фиг.8 представлен вид, иллюстрирующий уплотнительную конструкцию в газовой турбине, имеющей еще одну конфигурацию, в соответствии с третьим вариантом осуществления данного изобретения, соответствующую фиг.3.

На фиг.9 представлен вид, иллюстрирующий уплотнительную конструкцию в газовой турбине в соответствии с четвертым вариантом осуществления данного изобретения, соответствующую фиг.3.

На фиг.10 представлен вид, иллюстрирующий уплотнительную конструкцию в газовой турбине, имеющей еще одну конфигурацию, в соответствии с четвертым вариантом осуществления данного изобретения, соответствующую фиг.3.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

[0009]

Ниже, со ссылками на прилагаемые чертежи будут описаны конкретные варианты осуществления, к которым применимо данное изобретение.

[0010]

Первый вариант осуществления

1. Газовая турбина

На фиг.1 представлен схематический вид газовой турбины. Эта газовая турбина 100, показанная на фиг.1, может иметь относительно большой размер, но в данном случае предполагается имеющей относительно малый размер, меньший, чем средний размер. Газовая турбина 100 включает в себя компрессор 51, камеру 52 сгорания и турбину 53. Компрессор 51 сжимает воздух A, всасываемый в него через впускную часть, чтобы тем самым образовать сжатый воздух C под высоким давлением. Компрессор 51 подает сжатый воздух C в камеру 52 сгорания. В камере 52 сгорания происходит сгорание сжатого воздуха C, сжатого компрессором 51, вместе с топливом, чтобы тем самым образовать газообразные продукты H сгорания (газ-сгорания) с высокой температурой. Затем происходит подача газообразных продуктов H сгорания из камеры 52 сгорания в турбину 53. Газообразные продукты H сгорания, образуемые камерой 52 сгорания, осуществляют привод турбины 53. Компрессор 51 и турбина 53 соединены друг с другом соосно. В дополнение к этому, с компрессором 51 или турбиной 53 соединено нагружающее устройство (в данном варианте осуществления - генератор 54). Мощность вращательного привода, получаемая турбиной 53, используется частично как мощность привода для компрессора 51, а частично - как мощность привода для генератора 54. Газообразные продукты H сгорания, которые осуществили привод турбины 53, выпускаются из турбины 53 как выхлопные газы E.

[0011]

На фиг.2 представлен схематический вид в частичном сечении соединения между камерой сгорания и турбиной. Как показано на фиг.2, камера 52 сгорания включает в себя переходную часть 16 для подачи газообразных продуктов H сгорания в турбину 53. Турбина 53 включает в себя, по меньшей мере, одну ступень 57 турбины, которая включает в себя одну сопловую решетку 55 и одну лопаточную решетку 56, расположенные последовательно от передней по потоку стороны вдоль осевого направления турбины. В данном варианте осуществления описывается случай, в котором предусмотрено множество ступеней 57 турбины. Хотя в описании упоминаются сопловая решетка 55 и лопаточная решетка 56, которым присвоены ссылочные позиции и которые находятся в первой части ступени 57 турбины, отметим, что предусматриваются аналогичные конфигурации сопловых решеток и рабочих решеток во второй ее части и последующих.

[0012]

Сопловая решетка 55 включает в себя множество сопел, расположенных в направлении вращения турбины и разделенных на множество сегментов в направлении вращения турбины. Аналогичным образом, лопаточная решетка 56 включает в себя множество лопаток, расположенных в направлении вращения турбины и разделенных на множество сегментов в направлении вращения турбины. Один сегмент решетки 55 сопел включает в себя две торцевые стенки 17 сопел и, по меньшей мере, одну аэродинамическую поверхность 18. Торцевые стенки 17 сопел представляют собой тонкие пластинчатые элементы, ограничивающие внутреннюю и внешнюю периферии проточного канала газообразных продуктов сгорания (кольцевого проточного канала, по которому протекают газообразные продукты H сгорания) в решетке, о которой идет речь. Аэродинамическая поверхность 18 функционирует, сглаживая протекание газообразных продуктов H сгорания. Аэродинамическая поверхность 18 простирается в радиальном направлении турбины, соединяя торцевые стенки 17 сопел на внутренней и внешней перифериях. Сопловая решетка 55 крепится к корпусу 15 турбины торцевой стенкой 17 сопел на стороне внешней периферии, будучи вводимой в контакт с корпусом 15 турбины. Лопаточная решетка 56 включает в себя множество лопаток 12, находящихся на участке внешней периферии диска 13. Кольцевой проточный канал газообразных продуктов сгорания (газа-сгорания) в лопаточной решетке 56 ограничен бандажом 14 на стороне внешней периферии и внешней периферийной поверхностью диска 13 на стороне внутренней периферии. Бандаж 14 делится на множество сегментов в направлении вращения турбины. Каждый из сегментов крепится к корпусу 15 турбины. Как показано на фиг.2, передние края торцевых стенок 17 сопел на внутренней и внешней перифериях решетки 55 сопел в первой ступени турбины и заднем краю переходной части 16, которые обращены друг к другу через зазор в осевом направлении турбины. Зазор между задним краем переходной части 16 и передними краями торцевых стенок 17 сопел уплотнен уплотнительным элементом 6.

[0013]

2. Уплотнительная конструкция

Переходная часть 16 имеет фланцевые участки 19, простирающиеся в радиальном направлении турбины. Фланцевые участки 19 находятся на поверхностях внутренней периферийной стенки и внешней периферийной стенки участка выпуска газообразных продуктов сгорания (газа-сгорания) (участка, противоположного торцевым стенкам 17 сопел), противоположных проточному каналу газообразных продуктов сгорания. Фланцевый участок 19 на внешней периферийной стенке переходной части 16 (поверхности стенки на стороне внешней периферии в радиальном направлении турбины) выступает из внешней периферийной стенки наружу в радиальном направлении турбины. Фланцевый участок 19 на внутренней периферийной стенке переходной части 16 (поверхности стенки на стороне внутренней периферии в радиальном направлении турбины) выступает из внутренней периферийной стенки внутрь в радиальном направлении турбины. Поверхность фланцевого участка 19, обращенная в одну сторону в осевом направлении турбины (на фиг.2 - поверхность на левой стороне), простирается параллельно поверхности, обращенной в другую сторону в осевом направлении турбины (на фиг.2 - поверхности на правой стороне).

[0014]

На фиг.3 представлен вид в увеличенном масштабе участка X, окруженного пунктирной линией на фиг.2. На фиг.4 представлено сечение, проведенное по обозначенной стрелками линии Y-Y на фиг.3. Фиг.3 и 4 иллюстрируют участок, на котором задний край переходной части 16 и передний край торцевой стенки 17 сопел обращены друг к другу на стороне внутренней периферии проточного канала газообразных продуктов сгорания. Такая же конфигурация применима для участка, на котором переходная часть 16 и торцевая стенка 17 сопел обращены друг к другу на стороне внешней периферии проточного канала газообразных продуктов сгорания.

[0015]

На фиг.3 и 4 показано, что торцевые стенки 17 сопел ограничивают внутреннюю и внешнюю периферии проточного канала газообразных продуктов сгорания, как описано ранее. Торцевые стенки 17 сопел расположены так, что защищают проточный канал газообразных продуктов сгорания, по которому протекают газообразные продукты H сгорания с высокой температурой, от области снаружи проточного канала газообразных продуктов сгорания, в которой происходит подача низкотемпературной текучей среды L. В своих поверхностях, образующих переходную часть 16, торцевые стенки 17 сопел имеют уплотнительные канавки 21. Уплотнительная канавка 21 простирается в осевом направлении турбины и выполнена кольцеобразной и концентричной торцевым стенкам 17 сопел, если смотреть с осевого направления турбины.

[0016]

Вышеописанный уплотнительный элемент 6 представляет собой элемент, сформированный, например, путем гибки листового материала. Уплотнительный элемент 6 включает в себя участок 7 крюка и уплотнительный пластинчатый участок 8. Участок 7 крюка представляет собой участок, который изогнут с приданием ему U-образной формы, простираясь вдоль фланцевого участка 19 переходной части 16 к проточному каналу газообразных продуктов сгорания. Участок 7 крюка охватывает фланцевый участок 19 переходной части 16, имея возможность скольжения в радиальном направлении турбины вдоль фланцевого участка 19. Участок 7 крюка имеет поверхности внутренней стенки, которые обращены к соответствующим поверхностям фланцевого участка 19, обращенным в осевом направлении турбины. Поверхности внутренней стенки контактируют с соответствующими поверхностями фланцевого участка 19 или имеют небольшой зазор, присутствующий между ними. Уплотнительный пластинчатый участок 8 простирается от заднего края участка 7 крюка к торцевой стенкой 17 сопел в осевом направлении турбины. Уплотнительный пластинчатый участок 8 вставлен в уплотнительную канавку 21 в торцевой стенке 17 сопел, простираясь вследствие этого через зазор между переходной частью 16 и торцевой стенкой 17 сопел. Эта позволяет участку 7 крюка уплотнительного элемента 6 уплотнять зону вокруг фланцевого участка 19 переходной части 16, а уплотнительному пластинчатому участку 8 - уплотнять зазор между переходной частью 16 и торцевой стенкой 17 сопел.

[0017]

В данном варианте осуществления, конфигурация уплотнительной канавки 21 и уплотнительного пластинчатого участка 8 предусматривает наличие области 31 поверхностного контакта и области 32 отсутствия контакта. Область 31 поверхностного контакта представляет собой область, в которой внутренняя поверхность 21а на высокотемпературной стороне в качестве внутренней поверхности стенки, т.е., на стороне (на фиг.3 - верхней стороне), ближней к проточному каналу газообразных продуктов сгорания уплотнительной канавки 21, и уплотнительный пластинчатый участок 8 находятся в поверхностном контакте друг с другом. Область 32 отсутствия контакта находится на стороне (на фиг.3 - левой стороне), которая ближе к переходной части 16, чем область 31 поверхностного контакта. Область 32 отсутствия контакта имеет зазор, заключенный между поверхностью 21a внутренней стенки на высокотемпературной стороне и поверхностью, обращенной к уплотнительному пластинчатому участку 8. В данном варианте осуществления, поверхность 21a внутренней стенки на высокотемпературной стороне уплотнительной канавки 21 имеет ступеньку. В сечении, простирающемся в радиальном направлении турбины, как показано на фиг.3, внутренняя поверхность 21a-2 (поверхность охлаждения) стенки на высокотемпературной стороне области 32 отсутствия контакта находится ближе к проточному каналу газообразных продуктов сгорания, чем поверхность 21a-1 (поверхность касания) внутренней стенки на высокотемпературной стороне области 31 поверхностного контакта. В отличие от этого, уплотнительный пластинчатый участок 8 - на том же самом виде в сечении - простирается через зазор между переходной частью 16 и торцевой стенкой 17 сопел линейно в осевом направлении турбины вплоть до области 31 поверхностного контакта. Таким образом, уплотнительный элемент 6 воспринимает давление низкотемпературной текучей среды L на своей поверхности (на фиг.3 - нижней поверхности), отдаленной от проточного канала газообразных продуктов сгорания, и поэтому прижимается к проточному каналу газообразных продуктов сгорания. Даже в состоянии, в котором уплотнительный пластинчатый участок 8 находится в поверхностном контакте с поверхностью 21a-1 внутренней стенки на высокотемпературной стороне в области 31 поверхностного контакта, между уплотнительным пластинчатым участком 8 и поверхностью 21a-2 внутренней стенки на высокотемпературной стороне в области 32 отсутствия контакта есть зазор. Расстояние между поверхностью 21a-2 внутренней стенки на высокотемпературной стороне в уплотнительной канавке 21 в области 32 отсутствия контакта и уплотнительным пластинчатым участком 8 (иначе говоря, размер ступеньки между поверхностями 21a-1 и 21a-2 внутренней стенки на высокотемпературной стороне) составляет, например, от 0,5 диаметра сквозного отверстия 23 до пяти таких диаметров.

[0018]

Уплотнительный пластинчатый участок 8 имеет сквозное отверстие 23, выполненное обращенным к поверхности 21a-2 внутренней стенки на высокотемпературной стороне в уплотнительной канавке 21 через зазор в области 32 отсутствия контакта. В каждом сегменте торцевых стенок 17 сопел выполнено, по меньшей мере, одно сквозное отверстие 23. Зазор в области 32 отсутствия контакта является кольцевым и концентричным торцевым стенкам 17 сопел, если смотреть с осевого направления турбины. Таким образом, в направлении вращения турбины сформировано множество сквозных отверстий 23.

[0019]

Кроме того, в данном варианте осуществления, на области 32 отсутствия контакта расположен способствующий турбулентности элемент 24. Способствующий турбулентности элемент 24 представляет собой ребро, простирающееся в осевом направлении турбины. Как показано на фиг.4, в данном варианте осуществления, способствующие турбулентности элементы 24 и сквозные отверстия 23 расположены в чередующемся порядке в направлении вращения турбины. В дополнение к этому, каждый из способствующих турбулентности элементов 24 расположен так, что выступает из поверхности 21a-2 внутренней стенки на высокотемпературной стороне области 32 отсутствия контакта в уплотнительной канавке 21. Способствующий турбулентности элемент 24 имеет в радиальном направлении турбины размер, заданный таким, что зазор между уплотнительным пластинчатым участком 8 и способствующим турбулентности элементом 24 обеспечивается в состоянии, в котором уплотнительный пластинчатый участок 8 находится в контакте с поверхностью 21a-1 внутренней стенки на высокотемпературной стороне области 31 поверхностного контакта. Кроме того, хотя конкретная величина размера способствующего турбулентности элемента 24 в осевом направлении турбины не задана, способствующий турбулентности элемент 24 имеет размер, который совпадает с размером области 32 отсутствия контакта в осевом направлении турбины в данном варианте осуществления, так что способствующий турбулентности элемент 24 простирается от переднего края торцевой стенки 17 сопел вплоть до области 31 поверхностного контакта.

[0020]

3. Эксплуатация

Во время эксплуатации газовой турбины, часть сжатого воздуха отбирают в качестве низкотемпературной текучей среды L из проточного канала сжатого воздуха (не показан) в компрессор 51 и подают в разные части в качестве уплотнительного воздуха или охлаждающего воздуха. Пространство вокруг переходной части 16 также принимает сжатый воздух, который подают, например, с выхода компрессора 51 и который поступает в него в качестве низкотемпературной текучей среды L под высоким давлением. Когда низкотемпературная текучая среда L поступает в пространство вокруг переходной части 16, разница в давлении между пространством снаружи и пространством внутри проточного канала газообразных продуктов сгорания обуславливает принудительный отвод уплотнительного элемента 6 в сторону проточного канала газообразных продуктов сгорания. В результате, участок 7 крюка скользит в радиальном направлении турбины относительно фланцевого участка 19 переходной части 16. Это приводит к перемещению уплотнительного пластинчатого участка 8 в радиальном направлении турбины, вводящему уплотнительный пластинчатый участок 8 в контакт с поверхностью 21a-1 внутренней стенки на высокотемпературной стороне области 31 поверхностного контакта в уплотнительной канавке 21. Кроме того, часть низкотемпературной текучей среды L выбрасывается струей через сквозное отверстие 23, наталкиваясь на находящуюся напротив поверхность 21a-2 внутренней стенки на высокотемпературной стороне области 32 отсутствия контакта, и это происходит до того, как упомянутая среда втекает в проточный канал газообразных продуктов сгорания по участку, на котором переходная часть 16 обращена к торцевым стенкам 17 сопел.

[0021]

4. Эффекты

В данном варианте осуществления, уплотнительный пластинчатый участок 8 находится в контакте с поверхностью 21a-1 внутренней стенки на высокотемпературной стороне области 31 поверхностного контакта в уплотнительной канавке 21, простираясь через противоположные участки переходной части 16 и торцевых стенок 17 сопел. Это предотвращает втекание избыточного количества низкотемпературной текучей среды L в проточный канал газообразных продуктов сгорания, существующий между противоположными участками переходной части 16 и торцевых стенок 17 сопел. Таким образом, можно предотвратить избыточное снижение температуры газообразных продуктов сгорания.

[0022]

Кроме того, участок торцевой стенки 17 сопел, находящийся ближе к стороне проточного канала газообразных продуктов сгорания, чем уплотнительный пластинчатый участок 8 , отделен от потока низкотемпературной текучей среды L уплотнительным пластинчатым участком 8 . Помимо этого, трудно проложить проточный канал охлаждения внутри торцевой стенки 17 сопел ввиду того, что торцевая стенка 17 сопел является тонкой. Поэтому эффективное охлаждение этого участка изначально затруднено при отсутствии сквозного отверстия 23, несмотря на требование охлаждения этого участка, который подвергается воздействию проточного канала газообразных продуктов сгорания. В отличие от этого, данный вариант осуществления предусматривает конфигурацию, в которой уплотнительная канавка 21 имеет присутствующие в ней область 31 поверхностного контакта и область 32 отсутствия контакта, а из-за обуславливаемой ими разности давлений между газообразными продуктами H сгорания и низкотемпературной текучей среды L, низкотемпературная текучая среда L выходит струей через сквозное отверстие 23, наталкиваясь на противолежащую поверхность 21a-2 внутренней стенки на высокотемпературной стороне области 32 отсутствия контакта, перед тем, как втекает в проточный канал газообразных продуктов сгорания. Эта компоновка дает возможность эффективного охлаждения высокотемпературного участка торцевой стенки 17 сопел, который является трудно охлаждаемым.

[0023]

Расход низкотемпературной текучей среды L, которая обтекает сквозное отверстие 23, может быть задан диаметром сквозного отверстия 23 и количеством сквозных отверстий 23. Таким образом, можно сделать так, что в проточный канал газообразных продуктов сгорания будет попадать только низкотемпературная текучая среда L, имеющая расход, требуемый для охлаждения торцевой стенки 17 сопел.

[0024]

Кроме того, когда низкотемпературная текучая среда L, струя которой выпущена из сквозного отверстия 23, протекая в проточный канал газообразных продуктов сгорания посредством противоположных участков переходной части 16 и торцевых стенок 17 сопел, подвергается силовому воздействию газообразных продуктов H сгорания, обладающих большим количеством движения, она поэтому течет около поверхностей торцевых стенок 17 сопел. Вследствие этого можно ожидать эффекта пленочного охлаждения.

[0025]

Способствующий турбулентности элемент 24, предусмотренный в области 32 отсутствия контакта, как в данном варианте осуществления, может дополнительно повысить коэффициент теплопередачи низкотемпературной текучей среды L относительно торцевой стенки 17 сопел. Использование ребра, простирающегося в осевом направлении турбины, для способствующего турбулентности элемента 24, как показано на фиг.4, носит лишь иллюстративный характер, а не ограничительный. Tот же эффект можно ожидать, например, от ребра, простирающегося в направлении вращения турбины и используемого для способствующего турбулентности элемента 24, как показано на фиг.5.

[0026]

Второй вариант осуществления

На фиг.6 представлен вид, иллюстрирующий уплотнительную конструкцию в газовой турбине в соответствии со вторым вариантом осуществления данного изобретения. Фиг.6 соответствует фиг.3, где изображен первый вариант осуществления. Данный вариант осуществления отличается от первого варианта осуществления тем, что способствующий турбулентности элемент 24 исключен. В данном варианте осуществления имеются конфигурации, которые в остальном аналогичны конфигурациям согласно первому варианту осуществления. Конфигурации согласно данному варианту осуществления применимы, если эффект охлаждения, обуславливаемый столкновением низкотемпературной текучей среды L, струя которой выпускается из сквозного отверстия 23, с поверхностью 21a-2 внутренней стенки на высокотемпературной стороне, оказывается достаточно удовлетворительным, не требуя способствующего турбулентности элемента 24 для приложения тепловой нагрузки посредством газообразных продуктов H сгорания.

[0027]

Третий вариант осуществления

На фиг.7 представлен вид, иллюстрирующий уплотнительную конструкцию в газовой турбине в соответствии с третьим вариантом осуществления данного изобретения. Фиг.7 соответствует фиг.3, где изображен первый вариант осуществления. Данный вариант осуществления отличается от первого варианта осуществления тем, что уплотнительный пластинчатый участок 8 уплотнительного элемента 6 является изогнутым, если смотреть с направлении вращения турбины, и тем, что способствующий турбулентности элемент 24 исключен. В данном варианте осуществления имеются конфигурации, которые в остальном аналогичны конфигурациям согласно первому варианту осуществления.

[0028]

Данный вариант осуществления включает в себя участок 8a-1 поверхностного контакта, который составляет область 31 поверхностного контакта, и участок 8а-2 отсутствия контакта, который составляет область 32 отсутствия контакта. В данном варианте осуществления, внутренняя поверхность 21а на высокотемпературной стороне в уплотнительной канавке 21 не имеет ступеньки, если смотреть с направления вращения турбины, и простирается плоско в осевом направлении турбины, так что участок 8a-1 поверхностного контакта создает поверхностный контакт с поверхностью 21a внутренней стенки на высокотемпературной стороне. Участок 8а-2 отсутствия контакта находится на стороне, которая ближе к переходной части 16, чем участок 8a-1 поверхностного контакта. Таким образом, участок 8а-2 отсутствия контакта образует ступеньку, оказываясь отстоящим от проточного канала газообразных продуктов сгорания относительно участка 8a-1 поверхностного контакта. Уплотнительный пластинчатый участок 8 изогнут, например, посредством штамповки. В данном варианте осуществления, вышеупомянутая компоновка приводит к образованию зазора у области 32 отсутствия контакта между поверхностью 21a внутренней стенки на высокотемпературной стороне и уплотнительным пластинчатым участком 8. На участке 8а-2 отсутствия контакта уплотнительного пластинчатого участка 8 сформировано сквозное отверстие 23.

[0029]

В первом и втором вариантах осуществления ступенька сформирована в поверхности 21a внутренней стенки на высокотемпературной стороне в уплотнительной канавке 21, чтобы вследствие этого образовались область 31 поверхностного контакта и область 32 отсутствия контакта. Вместе с тем, область 31 поверхностного контакта и область 32 отсутствия контакта можно - как в данном варианте осуществления - сформировать, изгибая уплотнительный пластинчатый участок 8 вместо того, чтобы иметь ступеньку в поверхности 21a внутренней стенки на высокотемпературной стороне (или в дополнение к такой ступеньке). Кроме того, хотя на фиг.7 иллюстрируется возможная конфигурация, в которой способствующий турбулентности элемент 24 отсутствует, понятно, что способствующий турбулентности элемент 24 применим также к поверхности 21a внутренней стенки на высокотемпературной стороне области 32 отсутствия контакта в данном варианте осуществления, как показано на фиг.8. Эффекты, достигаемые посредством первого и второго вариантов осуществления, достижимы и в данном варианте осуществления.

[0030]

Четвертый вариант осуществления

На фиг.9 представлен вид, иллюстрирующий уплотнительную конструкцию в газовой турбине в соответствии с четвертым вариантом осуществления данного изобретения. Фиг.9 соответствует фиг.3, где изображен первый вариант осуществления. Данный вариант осуществления отличается от первого варианта осуществления тем, что в области 32 отсутствия контакта находится выступ 26, и тем, что способствующий турбулентности элемент 24 исключен. В данном варианте осуществления имеются конфигурации, которые в остальном аналогичны конфигурациям согласно первому варианту осуществления.

[0031]

Выступ 26 имеет размер в радиальном направлении турбины, соответствующий расстоянию между внутренней поверхностью 21а-2 на высокотемпературной стороне уплотнительной канавки 21 в области 32 отсутствия контакта и на уплотнительном пластинчатом участке 8. Выступ 26 находится на стороне, которая ближе к переходной части 16, чем сквозное отверстие 23. В направлении вращения турбины располагается множество выступов 26, каждый из которых отстоит от другого такого же. В данном варианте осуществления, сквозное отверстие 23 и выступ 26 находятся в положениях, соответствующих друг к другу в направлении вращения турбины. Вместе с тем, эта позиционная связь между сквозным отверстием 23 и выступом 26 приведена лишь в качестве иллюстрации, а не ограничения. Кроме того, выступ 26 находится на поверхности уплотнительного пластинчатого участка 8 , обращенной к поверхности 21a-2 внутренней стенки на высокотемпературной стороне. Тем не менее, выступ 26 может находиться на внутренней поверхности стенки, являющейся поверхностью 21a-2 внутренней стенки на высокотемпературной стороне, обращенной к уплотнительному пластинчатому участку 8 . Выступу 26 придана форма конуса или шеврона, имеющая криволинейную поверхность на переднем концевом участке. Конфигурация переднего концевого участка обеспечивает введение в точечный контакт с противоположной поверхностью (поверхностью 21a-2 внутренней стенки на высокотемпературной стороне в данном варианте осуществления). Другая возможная конфигурация предусматривает столбчатый выступ 26, который имеет поверхность набегающего конца и верхнюю поверхность, простирающиеся параллельно друг другу, как показано на фиг.10, и при этом поверхность набегающего конца создает поверхностный контакт с противоположной поверхностью (поверхностью 21a-2 внутренней стенки на высокотемпературной стороне на фиг.10).

[0032]

В данном варианте осуществления, вдобавок к эффектам, аналогичным эффектам, достигаемым посредством каждого из предыдущих вариантов осуществления, можно предотвратить изменение зазора между уплотнительным пластинчатым участком 8 и поверхностью 21a-2 внутренней стенки на высокотемпературной стороне благодаря выступу 26, который играет роль распорки. Таким образом, изменения коэффициента теплопередачи при охлаждении посредством низкотемпературной текучей среды L, струи которой выходят из сквозного отверстия 23, можно уменьшить. Кроме того, повышенного эффекта охлаждения, аналогичного эффекту охлаждения, достигаемому за счет обеспечения способствующего турбулентности элемента 24, можно ожидать от способствующего турбулентности воздействия посредством выступа 26. В примере, показанном на фиг.10, можно ожидать эффект, способствующий турбулентности, больший, чем в примере, показанном на фиг.9. Кроме того, можно ожидать даже больший эффект, способствующий турбулентности, от положений сквозного отверстия 23 и выступа 26, соответствующих друг к другу в направлении вращения турбины.

[0033]

Прочие возможности

Следует понять, что каждый из этих вариантов осуществления и их модификаций можно объединять с любым из других. Хотя варианты осуществления описаны для возможной конфигурации, а область 32 отсутствия контакта и сквозное отверстие 23 находятся только на участке, где поверхность 21a внутренней стенки на высокотемпературной стороне уплотнительной канавки 21 обращена к уплотнительному пластинчатому участку 8 , возможна конфигурация, в которой область 32 отсутствия контакта и сквозное отверстие 23 добавлены к участку, где переходная часть 16 обращена к уплотнительному пластинчатому участку 8 . В дополнение к этому, хотя со ссылками на фиг.1 проиллюстрирована возможная газовая турбина, имеющая один вал, аналогичные эффекты можно получить посредством применения данного изобретения к соединениям между переходными частями и торцевыми стенками сопел в газовых турбинах других типов. Чтобы применить данное изобретение к газовой турбине с двумя валами, включающей в себя турбину высокого давления, соединенную с компрессором, и турбину низкого давления, соединенную с нагружающим устройством, отдельным от турбины высокого давления, данное изобретение может быть применено к соединению между переходной частью и торцевыми стенками сопел первой ступени турбины высокого давления.

Газовая турбина включает уплотнительный элемент для уплотнения зазора между переходной частью и торцевой стенкой сопел в сопловой решетке первой ступени турбины, причем торцевая стенка сопел имеет уплотнительную канавку. Уплотнительный элемент включает в себя крюкообразный участок, который скользит в радиальном направлении относительно фланцевого участка переходной части, и уплотнительный пластинчатый участок, вставленный в канавку. Конфигурация канавки и участка такова, что они включают в себя область поверхностного контакта, в которой поверхность канавки и уплотнительный пластинчатый участок находятся в поверхностном контакте друг с другом, область отсутствия контакта, находящуюся на стороне, которая ближе к переходной части, чем область поверхностного контакта, и отверстие, предусмотренное на уплотнительном пластинчатом участке и оказывающееся обращенным к поверхности в канавке поперек зазора в области отсутствия контакта. Изобретение позволяет обеспечить эффективное охлаждение с одновременным уплотнением зазора между переходной частью камеры сгорания и сопловой решеткой первой ступени турбины. 10 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Газовая турбина, содержащая:

компрессор, который сжимает воздух;

камеру сгорания, в которой сжатый воздух, который сжимается компрессором, сгорает вместе с топливом, образуя тем самым газ сгорания; и

турбину, приводимую в действие посредством газа сгорания, образуемого камерой сгорания;

причем камера сгорания включает в себя переходную часть, которая подает в турбину газ сгорания;

при этом турбина включает в себя, по меньшей мере, одну ступень турбины, которая включает в себя одну сопловую решетку и одну лопаточную решетку, расположенные последовательно от передней по потоку стороны вдоль осевого направления турбины;

торцевые стенки сопел, которые образуют внутреннюю и внешнюю периферии кольцевого проточного канала газа сгорания в решетке сопел в первой ступени турбины, имеющие передние края, обращенные к заднему краю переходной части в осевом направлении турбины;

при этом зазоры между передними краями торцевых стенок сопел и задним краем переходной части уплотнены уплотнительными элементами, при этом

переходная часть имеет фланцевые участки, которые проходят в радиальном направлении турбины, причем фланцевые участки находятся на внутренней периферийной стенке и внешней периферийной стенке участка выпуска газа сгорания у поверхностей, противоположных проточному каналу газа сгорания,

при этом торцевые стенки сопел имеют уплотнительные канавки в своих поверхностях, обращенных к переходной части, и эти уплотнительные канавки проходят в осевом направлении турбины,

каждый из уплотнительных элементов включает в себя крюкообразный участок и уплотнительный пластинчатый участок, причем крюкообразный участок охватывает фланцевый участок переходной части, для того, чтобы скользить в радиальном направлении турбины вдоль фланцевого участка, а уплотнительный пластинчатый участок вставлен в уплотнительную канавку в торцевой стенке сопла, и

конфигурация уплотнительной канавки и уплотнительного пластинчатого участка такова, что они включают в себя

область поверхностного контакта, в которой поверхность внутренней стенки на высокотемпературной стороне, ближняя к проточному каналу газа сгорания уплотнительной канавки, и уплотнительный пластинчатый участок находятся в поверхностном контакте друг с другом,

область отсутствия контакта, находящуюся на стороне, которая ближе к переходной части, чем область поверхностного контакта, и имеющую зазор, расположенный между поверхностью внутренней стенки на высокотемпературной стороне и поверхностью, обращенной к уплотнительному пластинчатому участку, и

сквозное отверстие, предусмотренное на уплотнительном пластинчатом участке, так чтобы быть обращенным к поверхности внутренней стенки на высокотемпературной стороне в уплотнительной канавке поперек зазора в области отсутствия контакта.

2. Газовая турбина по п.1, в которой поверхность внутренней стенки на высокотемпературной стороне области отсутствия контакта в уплотнительной канавке находится ближе к проточному каналу газа сгорания уплотнительной канавки, чем поверхность внутренней стенки на высокотемпературной стороне области поверхностного контакта.

3. Газовая турбина по п.1, в которой уплотнительный пластинчатый участок изогнут так, что его участок, составляющий область отсутствия контакта, отстоит от проточного канала газа сгорания относительно его участка, составляющего область поверхностного контакта.

4. Газовая турбина по п.1, в которой на области отсутствия контакта находится способствующий турбулентности элемент.

5. Газовая турбина по п.4, в которой способствующий турбулентности элемент представляет собой ребро, проходящее в осевом направлении турбины.

6. Газовая турбина по п.3, в которой способствующий турбулентности элемент представляет собой ребро, проходящее в направлении вращения турбины.

7. Газовая турбина по п.1, в которой в области отсутствия контакта находится выступ, имеющий в радиальном направлении турбины размер, соответствующий расстоянию между поверхностью внутренней стенки на высокотемпературной стороне уплотнительной канавки в области отсутствия контакта и уплотнительным пластинчатым участком.

8. Газовая турбина по п.7, в которой выступ имеет передний концевой участок в точечном контакте с поверхностью внутренней стенки на высокотемпературной стороне уплотнительной канавки в области отсутствия контакта или с уплотнительным пластинчатым участком.

9. Газовая турбина по п.7, в которой выступ имеет передний концевой участок в поверхностном контакте с поверхностью внутренней стенки на высокотемпературной стороне уплотнительной канавки в области отсутствия контакта или с уплотнительным пластинчатым участком.

10. Газовая турбина по п.7, в которой выступ и сквозное отверстие находятся в положениях, которые соответствуют друг другу в направлении вращения турбины.

11. Газовая турбина по п.1, в которой расстояние между поверхностью внутренней стенки на высокотемпературной стороне уплотнительной канавки в области отсутствия контакта и уплотнительным пластинчатым участком составляет от 0,5 диаметра сквозного отверстия до пяти таких диаметров.