Устройство регулирования зазора в газовой турбине, турбина, содержащая подобное устройство, и турбомашина с подобной турбиной
Изобретение предназначено для регулирования газовой турбины и может быть использовано в турбостроении. Турбомашина содержит газовую турбину, содержащую рабочие лопатки и стационарный кольцевой узел, содержащий кольцевой корпус, снабженный, по меньшей мере, двумя кольцевыми выступами, отстоящими друг от друга в аксиальном направлении и выступающими в радиальном направлении с внешней стороны указанного корпуса, а также устройство регулирования зазора между вершинами рабочих лопаток и стационарным кольцевым узлом. Устройство регулирования зазора содержит кольцевой регулировочный блок, окружающий корпус стационарного кольцевого узла и содержащий средства подачи воздуха, образованные, по меньшей мере, тремя кольцевыми каналами, отстоящими друг от друга в аксиальном направлении и расположенными с обеих боковых сторон каждого из выступов, средства подачи воздуха в каналы подачи воздуха, средства обдува выступов воздухом для изменения температуры стационарного кольцевого узла, образованные выполненными в каждом из каналов подачи воздуха, по меньшей мере, одним верхним рядом из N отверстий, расположенных напротив одной из боковых поверхностей выступов и, по меньшей мере, одним нижним рядом из 2N отверстий, расположенных напротив участка сопряжения выступа с корпусом стационарного кольцевого узла, при этом N отверстий в каждом из верхних рядов расположены со смещением по окружности относительно 2N отверстий в соответствующем нижнем ряду. Изобретение обеспечивает оптимизацию подачи воздуха для повышения эффективности и равномерности охлаждения стационарного кольцевого узла. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к общей области регулирования зазора между вершинами вращающихся лопаток и стационарным кольцевым узлом газовой турбины.
Уровень техники
Газовая турбина, например турбина высокого давления турбомашины, обычно содержит неподвижные лопатки, чередующиеся с рабочими (подвижными) лопатками и расположенные на пути прохождения горячих газов, поступающих из камеры сгорания турбомашины. Рабочие лопатки турбины окружены по всей окружности турбины стационарным кольцевым узлом. Этот стационарный кольцевой узел образует стенку канала протекания горячих газов через лопатки турбины.
Известный способ повышения к.п.д. турбины заключается в максимальном уменьшении зазора, имеющегося между вершинами рабочих лопаток турбины и частями стационарного кольцевого узла, расположенными напротив них.
С этой целью были разработаны средства, позволяющие изменять диаметр стационарного кольца. Такие средства обычно имеют вид кольцевых каналов, которые окружают стационарный кольцевой узел и по которым проходит воздух, поступающий из других частей турбомашины. Этот воздух выводится на внешнюю поверхность стационарного кольцевого узла и вызывает таким образом термические расширения или сжатия стационарного кольцевого узла, способные вызвать изменения его диаметра. Термические расширения и сжатия задаются в соответствии с режимом эксплуатации турбины при помощи клапана, который позволяет контролировать расход и температуру воздуха, поступающего в каналы. Система, состоящая из каналов и клапана, образует таким образом блок регулирования величины зазора при вершинах лопаток.
Однако известные конструкции регулировочных блоков не позволяют добиться высокой степени однородности температуры на всей окружности стационарного кольцевого узла. Недостаточная однородность температуры вызывает деформации стационарного кольцевого узла, которые особенно негативно сказываются на к.п.д. и сроке службы газовой турбины.
Кроме того, в известных регулировочных блоках, как правило, не предусмотрена оптимизация подачи воздуха на внешнюю поверхность стационарного кольцевого узла, что часто приводит к необходимости забора большого количества воздуха для охлаждения стационарного кольцевого узла. Забор слишком большого количества воздуха также снижает к.п.д. турбомашины.
Раскрытие изобретения
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в устранении вышеописанных недостатков путем создания устройства регулирования зазора, позволяющего оптимизировать подачу воздуха для повышения эффективности и равномерности охлаждения стационарного кольцевого узла.
Для решения поставленной задачи предлагается устройство регулирования зазора между вершинами рабочих лопаток и стационарным кольцевым узлом газовой турбины. Согласно изобретению стационарный кольцевой узел содержит кольцевой корпус с продольной осью, снабженный, по меньшей мере, двумя кольцевыми выступами, отстоящими друг от друга в аксиальном направлении и выступающими в радиальном направлении с внешней стороны указанного корпуса. При этом устройство регулирования зазора содержит кольцевой регулировочный блок, окружающий корпус стационарного кольцевого узла и содержащий средства подачи воздуха, образованные, по меньшей мере, тремя кольцевыми каналами, отстоящими друг от друга в аксиальном направлении и расположенными с обеих боковых сторон каждого из выступов. Регулировочный блок содержит также средства подачи воздуха в каналы подачи воздуха и средства обдува воздухом выступов для изменения температуры стационарного кольцевого узла. Устройство по изобретению характеризуется тем, что средства обдува образованы содержащимися в каждом из каналов подачи воздуха, по меньшей мере, одним верхним рядом из N отверстий, расположенных напротив одной из боковых поверхностей выступов, и, по меньшей мере, одним нижним рядом из 2N отверстий, расположенных напротив участка сопряжения выступа с корпусом стационарного кольцевого узла.
Распределение и расположение отверстий для обдува воздухом позволяет оптимизировать коэффициент теплообмена между выступами и обтекающим их потоком воздуха. За счет этого достигается более эффективное и равномерное охлаждение выступов и, следовательно, большая амплитуда смещений корпуса, позволяющих регулировать величину зазора при вершинах лопаток турбины.
Если указанные выступы образованы передним выступом и задним выступом, а указанные каналы образованы передним каналом, расположенным перед передним выступом, задним каналом, расположенным за задним выступом, и центральным каналом, расположенным между передним и задним выступами, то центральный канал предпочтительно содержит, по меньшей мере, два верхних ряда по N отверстий, расположенных напротив боковых поверхностей переднего и заднего выступов, и, по меньшей мере, два нижних ряда по 2N отверстий, расположенных напротив участков сопряжения переднего и заднего выступов с корпусом стационарного кольцевого узла.
В соответствии с полезным отличием изобретения суммарные проходные сечения воздуха в переднем канале и в заднем канале, по существу, одинаковы. При этом суммарное проходное сечение отверстий в центральном канале, по существу, в два раза выше, чем суммарное проходное сечение отверстий в переднем канале и в заднем канале.
В соответствии с другой полезной особенностью изобретения проходные сечения N отверстий в каждом из верхних рядов и 2N отверстий в каждом из нижних рядов, по существу, одинаковы.
В соответствии с еще одной полезной особенностью изобретения N отверстий в каждом из верхних рядов расположены со смещением по окружности относительно 2N отверстий в соответствующем нижнем ряду.
Краткое описание чертежей
Другие особенности и преимущества настоящего изобретения станут ясны из нижеследующего подробного описания, приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых представлен один из возможных вариантов осуществления изобретения, не налагающий каких-либо ограничений. На чертежах:
- фиг.1 изображает в продольном разрезе устройство регулирования зазора по изобретению;
- фиг.2 соответствует частичному виду в перспективе каналов подачи воздуха устройства регулирования зазора по фиг.1;
- фиг.3 представляет вид в разрезе по линии Ill-Ill (см. фиг.1).
Осуществление изобретения
На фиг.1 изображена в продольном разрезе турбина 2 высокого давления турбомашины с продольной осью Х-Х. Тем не менее, настоящее изобретение также может быть применено к турбине низкого давления турбомашины или к любой другой газовой турбине, оборудованной устройством регулирования зазора при вершинах лопаток.
Турбина 2 высокого давления содержит, в частности, рабочие лопатки 4, расположенные в канале 6 течения горячих газов, поступающих из камеры сгорания (не представлена) турбомашины. Эти рабочие лопатки 4 расположены за неподвижными лопатками 8 турбины по направлению 10 движения горячих газов в канале 6 их течения.
Рабочие лопатки 4 турбины 2 высокого давления окружены кольцевыми сегментами 12, расположенными по окружности вокруг оси Х-Х турбины и образующими непрерывную кольцевую поверхность. Кольцевые сегменты 12 прикреплены к кольцевому корпусу 14, также имеющему продольную ось Х-Х, при помощи перемычек 16.
В нижеследующем описании совокупность кольцевых сегментов 12, корпуса 14 и перемычек 16 обозначается выражением «стационарный кольцевой узел».
Корпус 14 стационарного кольцевого узла снабжен, по меньшей мере, двумя кольцевыми выступами, или ребрами 18, 20, отстоящими друг от друга в аксиальном направлении и выступающими в радиальном направлении с внешней стороны корпуса 14. В соответствии с расположением этих выступов относительно направления 10 движения горячих газов в канале 6 их течения эти выступы в дальнейшем именуются как передний выступ 18 и задний выступ 20. Передний выступ 18 и задний выступ 20 в основном выполняют функцию теплообменников.
Каждый из кольцевых сегментов 12 имеет внутреннюю поверхность 12а, находящуюся в непосредственном контакте с горячими газами и частично ограничивающую канал 6 течения горячих газов через турбину 2 высокого давления.
Между внутренними поверхностями 12а кольцевых сегментов 12 и вершинами 4а рабочих лопаток 4 турбины 2 высокого давления оставлен радиальный зазор 22, обеспечивающий возможность вращения этих лопаток. Для повышения к.п.д. турбины необходимо максимально уменьшить величину этого зазора 22.
Для уменьшения зазора 22 при вершинах 4а рабочих лопаток 4 предусмотрено устройство 24 регулирования зазора. Устройство 24 регулирования зазора содержит, в частности, кольцевой регулировочный блок 26, окружающий стационарный кольцевой узел, а точнее его корпус 14.
В зависимости от текущего режима эксплуатации турбомашины регулировочный блок 26 должен охлаждать или нагревать передний выступ 18 и задний выступ 20 корпуса 14 посредством обдува их воздухом. Под воздействием обдувающего воздуха происходит сжатие или расширение корпуса 14, вызывающее уменьшение или увеличение диаметра стационарных кольцевых сегментов 12 турбины и позволяющее регулировать величину зазора 22 при вершинах лопаток.
Регулировочный блок 26 содержит, по меньшей мере, три кольцевых канала 28, 30 и 32 подачи воздуха, окружающих корпус 14 стационарного кольцевого узла. Эти каналы отстоят друг от друга в аксиальном направлении и расположены, по существу, параллельно друг другу. Они расположены по обеим сторонам каждого из выступов 18, 20, форму которых они приблизительно повторяют.
Каналы 28, 30 и 32 подачи воздуха включают передний канал 28, расположенный перед передним выступом 18 (по направлению 10 движения горячих газов в канале 6 их течения), задний канал 30, расположенный за задним выступом 20, и центральный канал, расположенный между передним выступом 18 и задним выступом 20.
Регулировочный блок 26 содержит также трубу воздушного коллектора (не представлена на чертежах), предназначенную для подачи воздуха в каналы 28, 30 и 32 подачи воздуха. Эта труба воздушного коллектора окружает каналы 28, 30 и 32 и подает в них воздух через воздуховоды (не представлены на чертежах).
В соответствии с изобретением каждый из каналов 28, 30 и 32 подачи воздуха регулировочного блока 26 содержит, по меньшей мере, один верхний ряд из N отверстий 34, расположенных напротив каждой из боковых поверхностей выступов 18, 20, и, по меньшей мере, один нижний ряд из 2N отверстий 36, расположенных напротив каждого из участков сопряжения выступа 18, 20 с корпусом 14 стационарного кольцевого узла.
Отверстия 34, 36, проделанные, например, с помощью лазера, позволяют нагнетать воздух, поступающий в каналы 28, 30 и 32, на выступы 18, 20 для изменения их температуры.
Как показано на фиг.1 и 2, задняя стенка 28b переднего канала 28 содержит, по меньшей мере, один верхний ряд из N отверстий 34, расположенных напротив передней боковой поверхности 18а переднего выступа 18, и, по меньшей мере, один нижний ряд из 2N отверстий 36, расположенных напротив участка 18с сопряжения переднего выступа 18 с корпусом 14 стационарного кольцевого узла. На передней стенке 28а переднего канала 28 отверстия отсутствуют.
Аналогичным образом, передняя стенка 30а заднего канала 30 содержит, по меньшей мере, один верхний ряд из N отверстий 34, расположенных напротив задней боковой поверхности 20b заднего выступа 20, и, по меньшей мере, один нижний ряд из 2N отверстий 36, расположенных напротив участка 20d сопряжения заднего выступа 20 с корпусом 14 стационарного кольцевого узла. На задней стенке 30b заднего канала 30 отверстия отсутствуют.
В предпочтительном варианте центральный канал 32 содержит, по меньшей мере, два верхних ряда по N отверстий 34, расположенных напротив боковых поверхностей 18b, 20а переднего выступа 18 и заднего выступа 20, и, по меньшей мере, два нижних ряда по 2N отверстий 36, расположенных напротив участков 18d, 20с сопряжения переднего выступа 18 и заднего выступа 20 с корпусом 14 стационарного кольцевого узла.
При этом передняя стенка 32а центрального канала 32 содержит, по меньшей мере, один верхний ряд из N отверстий 34, расположенных напротив задней боковой поверхности 18b переднего выступа 18, и, по меньшей мере, один нижний ряд из 2N отверстий 36, расположенных напротив участка 18d сопряжения переднего выступа 18 с корпусом 14 стационарного кольцевого узла.
Задняя стенка 32b центрального канала 32 содержит, по меньшей мере, один верхний ряд из N отверстий 34, расположенных напротив передней боковой поверхности 20а заднего выступа 20, и, по меньшей мере, один нижний ряд из 2N отверстий 36, расположенных напротив участка 20с сопряжения заднего выступа 20 с корпусом 14 стационарного кольцевого узла.
Другими словами, в каждом из каналов 28, 30 и 32 подачи воздуха регулировочного блока 26 отверстия 34, 36 для обдува воздухом расположены в два ряда, причем две трети отверстий находятся в нижнем ряду, а оставшаяся одна треть отверстий находится в верхнем ряду. Воздух, выходящий из 2N отверстий 36 каждого из нижних рядов, нагнетается к нижней части выступов 18, 20, а воздух, выходящий из N отверстий 34 каждого из верхних рядов, нагнетается к средней части этих выступов.
Таким образом, обеспечивается равномерный теплообмен с выступами, обеспечивающий возможность получить большую амплитуду смещений корпуса для регулирования зазора при вершинах лопаток. Расчеты температурной зависимости позволяют продемонстрировать, что такая конфигурация делает возможным получение выигрыша в средней температуре выступа, составляющего более 50°С по сравнению с конфигурацией, использующей один ряд отверстий.
В соответствии с полезным отличием изобретения суммарные проходные сечения отверстий в переднем канале 28 и в заднем канале 30, по существу, одинаковы, а суммарное проходное сечение отверстий в центральном канале 32, по существу, в два раза выше, чем в переднем канале 28 и в заднем канале 30. Действительно, поскольку в предпочтительном варианте отверстия имеются с обеих сторон центрального канала 32, расход воздуха в этом канале оказывается в два раза выше, чем расход воздуха в переднем канале 28 или в заднем канале 30.
В соответствии с другой полезной особенностью изобретения проходные сечения у N отверстий 34 в каждом из верхних рядов и у 2N отверстий 36 в каждом из нижних рядов каждого из каналов 28, 30 и 32, по существу, одинаковы.
Таким образом, по одной трети воздуха, поступающего в центральный канал 32, выводится через каждый из двух нижних рядов отверстий 36, а по одной шестой того же количества воздуха выводится через каждый из двух верхних рядов отверстий 34. Аналогичным образом, по две трети воздуха, поступающего в передний канал 28 и в задний канал 30, выводится через нижние ряды отверстий 36 этих каналов, а по одной трети того же количества воздуха выводится через верхние ряды отверстий 34.
В соответствии с еще одной полезной особенностью изобретения, проиллюстрированной на фиг.3, N отверстий 34 в каждом из верхних рядов каждого из каналов подачи воздуха расположены со смещением по окружности относительно 2N отверстий 36 в каждом из нижних рядов соответствующего канала подачи воздуха.
Кроме того, в предпочтительном варианте отверстия 34 в каждом из верхних рядов и отверстия 36 в каждом из нижних рядов каждого из каналов 28, 30 и 32 подачи воздуха равномерно распределены по всей окружности вокруг продольной оси Х-Х корпуса 14 стационарного кольцевого узла.
При условии, что каждое из отверстий 34, 36 верхних и нижних рядов имеет, по существу, круглую форму, расстояние между двумя соседними отверстиями 34 одного и того же верхнего ряда по окружности предпочтительно составляет, по меньшей мере, утроенную величину диаметра отверстий.
Значения количества и диаметра отверстий 34, 36 обдува воздухом могут быть оптимизированы при помощи создания модели, основанной на компромиссном соотношении между эффективностью вентиляции выступов и ограничениями, связанными с изготовлением регулировочного блока. Например, для выступов с высотой, равной 18 мм, можно предусмотреть изготовление 288 отверстий в каждом из верхних рядов и 576 отверстий в каждом из нижних рядов (что соответствует значению N, равному 288). В такой конфигурации диаметр отверстий может быть выбран равным 1 мм, а расстояние между двумя соседними отверстиями в верхнем ряду равным 3,8 мм (т.е. превышающим диаметр отверстий в 3,8 раза).
1. Устройство регулирования зазора между вершинами (4а) рабочих лопаток (4) и стационарным кольцевым узлом газовой турбины (2), содержащим кольцевой корпус (14) с продольной осью (Х-Х), снабженный, по меньшей мере, двумя кольцевыми выступами (18, 20), отстоящими друг от друга в аксиальном направлении и выступающими в радиальном направлении с внешней стороны указанного корпуса (14), причем устройство регулирования зазора содержит кольцевой регулировочный блок (26), окружающий корпус (14) стационарного кольцевого узла и содержащий:
средства подачи воздуха, образованные, по меньшей мере, тремя кольцевыми каналами (28, 30, 32), отстоящими друг от друга в аксиальном направлении и расположенными с обеих боковых сторон каждого из выступов (18,20);
средства подачи воздуха в каналы (28, 30, 32) подачи воздуха;
средства обдува выступов (18, 20) воздухом для изменения температуры стационарного кольцевого узла, образованные выполненными в каждом из каналов (28, 30, 32) подачи воздуха, по меньшей мере, одним верхним рядом из N отверстий (34), расположенных напротив одной из боковых поверхностей (18а, 18b, 20a, 20b) выступов (18, 20), и, по меньшей мере, одним нижним рядом из 2N отверстий (36), расположенных напротив участка сопряжения выступа (18, 20) с корпусом (14) стационарного кольцевого узла; при этом N отверстий (34) в каждом из верхних рядов расположены со смещением по окружности относительно 2N отверстий (36) в соответствующем нижнем ряду.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанные выступы образованы передним выступом (18) и задним выступом (20), а указанные каналы образованы передним каналом (28), расположенным перед передним выступом (18), задним каналом (30), расположенным за задним выступом (20), и центральным каналом (32), расположенным между передним выступом (18) и задним выступом (20), причем центральный канал (32) содержит, по меньшей мере, два верхних ряда по N отверстий (34), расположенных напротив боковых поверхностей (18b, 20а) переднего выступа (18) и заднего выступа (20), и, по меньшей мере, два нижних ряда по 2N отверстий (36), расположенных напротив участков (18а, 20 с) сопряжения переднего и заднего выступов с корпусом (14) стационарного кольцевого узла.
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что суммарные проходные сечения отверстий в переднем канале (28) и в заднем канале (30), по существу, одинаковы, а суммарное проходное сечение отверстий в центральном канале (32), по существу, в два раза превышает суммарное проходное сечение отверстий в переднем и заднем каналах.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что проходные сечения N отверстий (34) в каждом из верхних рядов и 2N отверстий (36) в каждом из нижних рядов, по существу, одинаковы.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что N отверстий (34) в каждом из верхних рядов и 2N отверстий (36) в каждом из нижних рядов равномерно распределены по всей окружности вокруг продольной оси (Х-Х) корпуса (14) стационарного кольцевого узла.
6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отверстия (34, 36) в верхних и нижних рядах имеют, по существу, круглую форму, причем расстояние по окружности между двумя соседними отверстиями (34) в каждом верхнем ряду составляет, по меньшей мере, утроенное значение диаметра указанных отверстий.
7. Устройство по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что каналы (28, 30, 32) приблизительно повторяют форму выступов (18, 20).
8. Газовая турбина (2), содержащая рабочие лопатки (4) и стационарный кольцевой узел, содержащий кольцевой корпус (14) с продольной осью (Х-Х), снабженный, по меньшей мере, двумя кольцевыми выступами (18, 20), отстоящими друг от друга в аксиальном направлении и выступающими в радиальном направлении с внешней стороны указанного корпуса, а также устройство (24) регулирования зазора между вершинами (4а) рабочих лопаток (4) и стационарным кольцевым узлом, отличающееся тем, что устройство (24) регулирования зазора выполнено в соответствии с любым из пп.1-7.
9. Турбомашина, содержащая газовую турбину (2), отличающаяся тем, что указанная турбина выполнена в соответствии с п.8.
