Ротор газовой турбины Советский патент 1992 года по МПК F01D5/08 

Изобретение относится к газотурбостроению и касается вопросов организации охлаждения роторов ГТУ.

Большая часть омываемых охлаждающим воздухом поверхностей приходится на боковые поверхности диска ротора. Как правило, в современных конструкциях газовых турбин центральные и боковые поверхности дисков отделены от проточной части турбины частично или полностью, что достигается, например, с помощью дефлекторных дисков. В такой конструкции входная сторона диска отделена от полости между статором и ротором, в которую из проточной части через осевой зазор подсасывается горячий газ. Отделение от такой полости благоприятно сказывается на термонапряженном состоянии диска.

Однако выходная сторона диска контактирует с открытой полостью между диском и статором. Поскольку в эту полость подсасывается газ, то в ней будет циркулировать газовоздушная смесь, образовывающаяся в результате смещения охлаждающего воздуха, выходящего из ротора, с газом из проточной части. Частично избавиться от этого недостатка помогает интенсификация теплоотдачи на боковой поверхности диска особенно на начальном участке после выхода охлаждающего воздуха, достигаемая с помощью специальных закручивающих сопловых аппаратов, выполненных на выходе из центральной полости ротора, как это сделано в известном решении. Причем закрутка воздуха может выполняться как напротив, так и по направлению вращения

ю ю кэ

диска Такое конструктивное решение усложняет и удорожает ротор Оно, помимо того, не является эффективным по соображениям теплоотдачи, поскольку закрутка, сообщенная лопаточным аппаратом, вскоре теряется вследствие трения и воздух начинает вращаться со скоростью, близкой к скорости диска. Сообщение же высоких предварительных скоростей в лопаточном аппарате перед поступлением на диск требует больших перепадов давлений и, следо- вательно, больших затрат энергии, забираемой из рабочего цикла.

Наиболее близким к предлагаемому является ротор с использованием промежуточных дисков, которые образуют с рабочими дисками центральные полости для подвода охлаждающего воздуха и периферийные охлаждающие полости.

Недостатком такой конструкции является низкая интенсивность охлаждения боковых поверхностей дисков вследствие близких окружных скоростей диска и потока (из-за высокой начальной закрутки его).

Целью изобретения является повышение эффективности охла ждения боковых поверхностей дисков при одновременном снижении расхода охлаждающего воздуха.

Поставленная цель достигается тем, что в роторе, содержащем рабочие диски с установленными в них посредством замковых соединений лопатками и промежуточные диски, соединенные с рабочими перемычками и расположенные с образованием центральных и периферийных полостей, при этом центральные полости подключены к источнику охлаждающего воздуха, в промежуточных дисках выполнены подводящие и Отводящие каналы, расположенные в средней плоскости диска друг относительно друга равномерно в окружном направлении, при этом входные отверстия подводящих каналов подключены к центральной и периферийной полостям соответственно, а выходные выполнены в виде сопел, оси которых ориентированы в направлении вращения рабочих дисков и расположены напротив замковых соединений лопаток, входные отверстия отводящих каналов расположены в периферийных полостях в зоне перемычек, а их выходные выполнены на периферии промежуточных дисков м сообщены с проточной частью турбины.

Таким образом, воздух на охлаждение подается через сопла на периферии охлаждающей вращающейся полости И движется на выход в направлении центра дисков. В соответствии с законом сохранения момента количества движения потока воздуха после выхода из сопел будет двигаться с

соблюдением условия Си г const (где Си - окружная составляющая скорости, г - текущий радиус) Вследствие этого поток воздуха при движении к выходным отверстиям,

расположенным на меньшем радиусе в зоне внутренней поверхности охлаждающих полостей, будет разгоняться, приобретая большую окружную скорость в сравнении с начальной, полученной в сопле. Это разли0 чие будет тем больше, чем больше отношение радиусов подвода и отвода охлаждающего воздуха.

На фиг. 1 представлен ротор, общий вид; на фиг.2 - вид А на фиг.1; на фиг.З - разрез

5 Б-Б на фиг.2.

Ротор содержит диски а рабочими лопатками 1 и 3, промежуточный диск 2, соединяющиеся с помощью хиртовых соединений 4 и стягиваемые посредством

0 стяжек 5. Охлаждающий воздух, отбираемый из компрессора, поступает в центральные полости 6, образуемые дисками 1 и 3 с промежуточным диском 2. В промежуточном диске выполнены подводящие каналы

5 7/начинающиеся в центральной полости и оканчивающиеся соплами 8 в правой и левой периферийных охлаждающих полостях 9. Подводящие каналы расположены равномерно по окружности в среднем сечении

0 диска 2. Сопла расположены под углом о 20-30° к полости, проходящей через среднее сечение промежуточного диска, и находятся на периферии охлаждающих полостей в зоне хвостовых соединений диска с лопат5 ками.

Отводящие каналы 10 расположены также в среднем сечении промежуточного диска равномерно по окружности, чередуясь с подводящими каналами. Их входные сече0 ния находятся на внутренней поверхности охлаждающих полостей, а оканчиваются каналы на наружной поверхности промежуточного диска 2, Таким образом, на каждый подводящий канал с одним входом в цент5 ральной полости приходятся два сопла, расположенные справа и слева от промежуточного диска. Точно также на каждый отводящий канал приходятся два входа на внутренней поверхности периферийных ох0 лаждающих полостей справа и слева от промежуточного диска, предстрвляющих собой цилиндрический канал, параллельный оси и соединяющий левую и правую полости, и имеется один общий выход на наружной

5 поверхности его, Благодаря такой конструкции охлаждающие полости гидравлически связаны между собой, это позволяет выровнять давление в полостях и поддерживать одинаковые условия охлаждения 8 них.

Охлаждающий воздух, отбираемый из компрессора, поступает в центральную полость 6 между дисками. Далее по подводящим каналам 7 воздух поступает в сопло 8, где он разгоняется до определенной на- чальной скорости и ему придается направление, близкое к касательной к поверхности охлаждаемого диска. Придание потоку начальной скорости происходит за счет избыточного давления от компрессора, а частично и за счет напора, получаемого в радиальных подводящих каналах за счет центробежных сил, работающих как центробежный насос. Величина последнего определяется в соответствии с зависимостью

А РЦБС - Р (е

w

.

2RT

где Р - давление на входе в канал;

о) - угловая скорость диска;

RI и R2 - радиус входа и выхода из канала;

Т - температура потока.

Воздух, обдувая боковые поверхности дисков на периферии охлаждающих полостей в зоне хвостовых соединений, далее перемещается в направлении центра к входным отверстиям отводящих каналов 10. При этом его окружная скорость возрастает. Таким образом, охлаждающий эффект потока воздуха после выхода из сопел не только сохраняется, но даже возрастает. Далее воздух по отводящим радиальным каналам 10 выбрасывается в проточную часть.

Таким образом, в предлагаемом решении при расходах охлаждающего воздуха одинаковых с существующим можно обеспечить более высокую интенсивность съема

0 5

0

° 5

0

теплоты от диска, т.е. обеспечить более низкую температуру их. Сохранив ту же температуру дисков, можно уменьшить расход охлаждающего воздуха. В результате в первом случае можно заменить материал дисков на менее жаропрочный, технологичный и более дешевый, во втором, можно сократить расход охлаждающего воздуха, отбираемого из цикла, и повысить экономичность установки.

Формула изобретения Ротор газовой турбины, содержащий рабочие диски с установленными в них посредством замковых соединений лопатками и промежуточные диски, соединенные с рабочими перемычками и расположенные с образованием центральных и периферийных полостей, при этом центральные полости подключены к источнику охлаждающего воздуха, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности охлаждения боковых поверхностей дисков при одновременном снижении расхода охлаждающего воздуха, в промежуточных дисках выполнены подводящие и отводящие каналы, расположенные в средней плоскости диска друг относительно друга равномерно в окружном направлении, при этом входные отверстия подводящих Каналов подключены к центральной и периферийной полостям соответственно, а выходные выполнены в виде сопел, оси которых ориентированы в направлении вращения рабочих дисков и расположены напротив замковых соединений лопаток, входные отверстия каналов расположены в периферийных полостях в зоне перемычек, а их выходные выполнены на периферии промежуточных дисков и сообщены с проточной частью турбины.

6 3

Использование: газотурбостроение, в частности в организации охлаждения роторов газотурбинных установок. Сущность: ротор содержит рабочие диски и промежуточные диски 2, соединенные с рабочими перемычками и расположенные с образованием центральных и периферийных полостей. Центральные полости подключены к источнику охлаждающего воздуха. В промежуточных дисках выполнены подводящие и отводящие каналы, расположенные в средней плоскости дисков друг относительно друга равномерно в окружном направлении. Входные отверстия подводящих каналов подключены к центральной и периферийной полостям соответственно, а выходные выполнены в виде сопел, оси которых ориентированы в направлении вращения рабочих дисков и расположены напротив замковых соединений лопаток, Входные отверстия отводящих каналов расположены в периферийных полостях в зоне перемычек, а их выходные выполнены на периферии промежуточных дисков и сообщены с проточной частью турбины. 3 ил.

-видА

Фиг. г

ФигЗ