СЕГМЕНТ ПЛАТФОРМЫ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЙ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОПОРЫ ДЛЯ НАПРАВЛЯЮЩЕЙ ЛОПАТКИ СОПЛОВОГО НАПРАВЛЯЮЩЕГО АППАРАТА, И СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ДАННОГО СЕГМЕНТА
SEGMENT OF PLATFORM INTENDED TO ENSURE SUPPORT FOR GUIDE VANE OF NOZZLE GUIDE VANES  AND METHOD OF THIS SEGMENT COOLING

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к сегменту платформы, предназначенному для обеспечения опоры для направляющей лопатки соплового направляющего аппарата для газовой турбины, и к конструкции направляющей лопатки соплового направляющего аппарата для газовой турбины, при этом на сегменте платформы предусмотрена поверхность охлаждения для охлаждения, по меньшей мере, части сегмента платформы. Кроме того, настоящее изобретение относится к способу охлаждения сегмента платформы для направляющей лопатки соплового направляющего аппарата посредством использования охлаждающей текучей среды, направляемой для прохода по каналам для охлаждения, по меньшей мере, части сегмента платформы для направляющей лопатки соплового направляющего аппарата.
Предшествующий уровень техники
Направляющая лопатка соплового направляющего аппарата представляет собой статический элемент газовой турбины, который обеспечивает направление газа, выходящего из камеры сгорания, к лопатке ротора, расположенной по ходу потока за направляющей лопаткой соплового направляющего аппарата. Направляющая лопатка соплового направляющего аппарата может опираться на внутреннюю в радиальном направлении платформу и наружную в радиальном направлении платформу. Во время эксплуатации газовой турбины направляющая лопатка соплового направляющего аппарата, а также платформа, обеспечивающая опору для направляющей лопатки соплового направляющего аппарата, могут подвергаться воздействию высокой температуры сталкивающегося с ними газа, выходящего из камеры сгорания. В частности, воздействие сталкивающегося с ними газа может приводить к большому окислению материала, содержащегося в платформе, предназначенной для обеспечения опоры для направляющей лопатки соплового направляющего аппарата. Таким образом, эксплуатационная долговечность платформы может быть ограничена.
В обычной турбине платформа, предназначенная для обеспечения опоры для лопатки соплового направляющего аппарата, может быть изготовлена с покрытием, создающим тепловой барьер, для обеспечения большей долговечности.
В Европейском патенте 1674661 раскрыта лопатка турбины газотурбинного двигателя с внутренним охлаждением, при этом в лопатке турбины образован охлаждающий канал.
В патенте США 6602047 раскрыто устройство для охлаждения сопла газовой турбины, при этом сопло содержит первую стенку, вторую стенку и множество стержней, простирающихся между ними. Сопло также включает в себя, по меньшей мере, один ряд турбулизаторов.
В Европейском патенте 1022435 раскрыт внутренний контур охлаждения, предназначенный для лопатки газовой турбины, при этом внутренний контур охлаждения имеет змеевидную конфигурацию и включает в себя сегменты с ребрами.
В патенте США 5615546 раскрыто приспособление для охлаждения камеры сгорания газовой турбины, в котором соединительные отверстия расположены между соседними охлаждающими каналами.
Может существовать потребность в сегменте платформы, предназначенном для обеспечения опоры для направляющей лопатки соплового направляющего аппарата для газовой турбины, который имеет бульшую долговечность по сравнению с обычным сегментом платформы. Кроме того, может существовать потребность в сегменте платформы, предназначенном для обеспечения опоры для направляющей лопатки соплового направляющего аппарата для газовой турбины, который в меньшей степени подвержен воздействию сталкивающегося с ним горячего газа, выходящего из камеры сгорания, по сравнению с обычным сегментом платформы. Кроме того, может существовать потребность в конструкции соплового направляющего аппарата для газовой турбины, обеспечивающей бульшую эксплуатационную долговечность по сравнению с обычной конструкцией соплового направляющего аппарата и обеспечивающей также или в качестве альтернативы меньшую подверженность воздействию сталкивающегося с сопловым направляющим аппаратом высокотемпературного газа, выходящего из камеры сгорания.
Кроме того, может существовать потребность в способе охлаждения сегмента платформы для направляющей лопатки соплового направляющего аппарата, при этом данный способ является более эффективным и обеспечивает улучшенную защиту сегмента платформы для направляющей лопатки соплового направляющего аппарата от высокотемпературного сталкивающегося с ним газа.
Краткое изложение сущности изобретения
Данная потребность может быть удовлетворена посредством предмета независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения описаны посредством зависимых пунктов формулы изобретения.
В соответствии с одним вариантом осуществления разработан сегмент платформы, предназначенный для обеспечения опоры для направляющей лопатки соплового направляющего аппарата для газовой турбины, при этом сегмент платформы содержит: поверхность канала для прохода газа, расположенную так, чтобы она находилась в контакте с потоком газа, выходящего из камеры сгорания; поверхность охлаждения, расположенную напротив поверхности канала для прохода газа и имеющую тепловую связь с (или находящуюся в тепловом контакте с) поверхностью канала для прохода газа, и расположенную так, чтобы она находилась в контакте с (или в тепловом контакте с) охлаждающей текучей средой; и стенку, выступающую от поверхности охлаждения и простирающуюся по меньшей мере частично в направлении потока газа, при этом стенка расположена в направлении вдоль окружности между соседними направляющими лопатками, так что охлаждающая текучая среда будет проходить по каналам для охлаждения расположенного ниже по потоку участка поверхности охлаждения.
Газовая турбина может содержать компрессор, по меньшей мере одну камеру сгорания и одну или несколько секций или ступеней турбины. Компрессор может обеспечивать сжатие воздуха, который может быть подан в камеру сгорания для смешивания с топливом и сжигания. Подвергнутая сжиганию смесь топлива и сжатого воздуха может быть направлена или может направляться в одну или несколько ступеней турбины, имеющихся в газовой турбине. В частности, первая ступень турбины в газовой турбине может содержать одну или несколько направляющих лопаток соплового направляющего аппарата, которые могут быть расположены в виде кольца. На оси симметрии расположенного в виде кольца соплового направляющего аппарата может быть расположена ось ротора, к которой может быть присоединено множество лопаток ротора. Горячий газ, сталкивающийся с сопловым направляющим аппаратом, может направляться к лопаткам ротора, которые расположены по ходу потока за сопловым направляющим аппаратом. Горячий газ может сталкиваться с лопатками ротора, заставляя их приводить в движение ось ротора. Тем самым, газ, выходящий из камеры сгорания, может создавать механическую энергию. Энергия может быть использована, например, для приведения в действие компрессора и/или для выработки электрической энергии или механической энергии другого вида.
В частности, первая направляющая лопатка соплового направляющего аппарата и сегмент платформы, предназначенный для обеспечения опоры для направляющей лопатки соплового направляющего аппарата, могут подвергаться воздействию высокотемпературного рабочего газа во время работы газовой турбины. Таким образом, материал, из которого изготовлен сегмент платформы, может подвергаться химическим изменениям и/или механическим изменениям так, что это может оказывать отрицательное влияние на сегмент платформы, например, вследствие большого окисления. В этом случае окисление может приводить к ухудшению эксплуатационных характеристик и/или к снижению долговечности газовой турбины.
В частности, сегмент платформы для направляющей лопатки соплового направляющего аппарата и направляющая лопатка соплового направляющего аппарата могут быть выровнены относительно одной или нескольких камер сгорания и, следовательно, относительно отдельных камер сгорания. Может быть предусмотрено ограниченное число камер сгорания (burners) или камер сгорания (combustors), расположенных в виде кольца вокруг вращающегося вала. Таким образом, могут существовать некоторые колебания температуры газа в направлении вдоль окружности, в частности приводящие к различным уровням напряжения у сегментов платформы, расположенных в разных местах в направлении вдоль окружности. В частности, расположение камер сгорания может привести к тому, что направляющая лопатка соплового направляющего аппарата, расположенная близко к камере сгорания, будет подвергаться воздействию более высоких температур газа по сравнению с другими направляющими лопатками соплового направляющего аппарата, расположенными в других местах в направлении вдоль окружности.
Сталкивающийся газ, выходящий из камеры сгорания, может сталкиваться с направляющей лопаткой соплового направляющего аппарата, что приводит к особенно сильному износу расположенной ниже по потоку краевой части сегмента платформы, обеспечивающего опору для направляющей лопатки соплового направляющего аппарата в сопловом направляющем аппарате. Данная расположенная ниже по потоку часть также может быть названа местом расположения заднего края платформы.
Поверхность канала для прохода газа, образованная на сегменте платформы, сообщается с основным каналом для прохода газа (также называемого рабочим газом), который проходит в направлении потока от зоны выше по потоку к зоне ниже по потоку. Таким образом, поверхность канала для прохода газа обращена к горячему газу, вытесняемому из камеры сгорания. Напротив, поверхность охлаждения не обращена к газу, вытесняемому из камеры сгорания, а расположена напротив поверхности канала для прохода газа. Тем не менее, поверхность охлаждения может обеспечить отвод тепла (или поглощение тепла) от поверхности канала для прохода газа, поскольку поверхность охлаждения имеет тепловую связь с поверхностью канала для прохода газа. Тепло, поглощаемое на поверхности канала для прохода газа из-за сталкивающегося с ней горячего газа, вытесняемого из камеры сгорания, может передаваться (в частности, через посредство сплошного материала, такого как металл, сегмента платформы) к поверхности охлаждения, которая, в свою очередь, находится в контакте с охлаждающей текучей средой. Таким образом, охлаждающая текучая среда может поглощать тепло, переданное от поверхности канала для прохода газа к поверхности охлаждения, и может отводить тепло, тем самым обеспечивая охлаждение поверхности охлаждения и, следовательно, также обеспечивая косвенное охлаждение поверхности канала для прохода газа. Охлаждающая текучая среда может, в частности представлять собой охлаждающий газ, такой как охлаждающий воздух, в частности сжатый охлаждающий воздух. Охлаждающая текучая среда (в частности, охлаждающий воздух) может быть подана из компрессора, содержащегося в газовой турбине, или может быть в качестве альтернативы, или дополнительно подана из внешнего компрессора.
В частности, поверхность канала для прохода газа и поверхность охлаждения могут представлять собой противоположные поверхности сплошного одного металлического конструктивного элемента, образующего сегмент платформы. В частности, сегмент платформы может представлять собой сегмент кольцевого конструктивного элемента, обеспечивающего опору для ряда направляющих лопаток соплового направляющего аппарата. В частности, сегмент платформы может представлять собой цилиндрический сегмент, при этом платформа будет собрана из множества сегментов, имеющих цилиндрическую симметрию.
Горячий газ, обеспечивающий приведение в действие газовой турбины (также называемый рабочим газом), может проходить или перемещаться направленно посредством соплового направляющего аппарата по спирали с вектором движения, имеющим аксиальную составляющую и окружную составляющую (при рассмотрении оси вращения вала как проходящей вдоль аксиального направления). Геометрические характеристики траектории распространения рабочего газа, а также плотность рабочего газа в разных местах в канале для прохода газа могут вызвать подвергание в особенности расположенного ниже по потоку участка поверхности канала для прохода газа (расположенного близко к расположенному ниже по потоку краю направляющей лопатки соплового направляющего аппарата) воздействию большего напряжения (более высокой температуры или более интенсивной теплопередачи) по сравнению с другими зонами поверхности канала для прохода газа. Таким образом, может быть предпочтительно эффективно охлаждать расположенный ниже по потоку участок поверхности охлаждения (соответствующий расположенному ниже по потоку участку поверхности канала для прохода газа) для обеспечения эффективного отвода тепла от расположенного ниже по потоку участка поверхности канала для прохода газа.
Для эффективного охлаждения расположенного ниже по потоку участка поверхности охлаждения предусмотрена стенка, которая обеспечивает направление охлаждающей текучей среды для прохода по каналам по направлению к расположенному ниже по потоку участку поверхности охлаждения. В частности, охлаждающая текучая среда может быть подана в полость (расположенную в радиальном направлении внутри или в радиальном направлении снаружи по отношению к сегменту платформы), откуда она может быть направлена к поверхности охлаждения. Таким образом, стенка, выступающая от поверхности охлаждения, может обеспечить прохождение охлаждающей текучей среды по каналам вдоль поверхности охлаждения по направлению к расположенному ниже по потоку участку поверхности охлаждения.
Стенка, выступающая от поверхности охлаждения, может быть образована за одно целое при образовании сегмента платформы. В частности, сегмент платформы может быть изготовлен посредством литья металла. Стенка, выступающая от поверхности охлаждения, может выступать на 1 мм - 10 мм, в частности на 2 мм - 4 мм. Стенка может выступать (вдоль ее протяженности) на разную длину от поверхности охлаждения, при этом длина выступания может варьироваться вдоль протяженности стенки от расположенного выше по потоку участка поверхности охлаждения до расположенного ниже по потоку участка поверхности охлаждения.
В частности, расположенный выше по потоку участок поверхности охлаждения может соответствовать расположенному выше по потоку краю (например, иметь положение в аксиальном направлении, аналогичное положению расположенного выше по потоку края) направляющей лопатки соплового направляющего аппарата, и расположенный ниже по потоку участок поверхности охлаждения может соответствовать расположенному ниже по потоку краю направляющей лопатки соплового направляющего аппарата. Стенка может простираться в виде кривой или спиральной, или изогнутой линии, имитируя траекторию потока рабочего газа в канале для прохода рабочего газа. В частности, стенка может быть выполнена с формой, аналогичной форме расположенной выше по потоку поверхности направляющей лопатки соплового направляющего аппарата или форме расположенной ниже по потоку поверхности направляющей лопатки соплового направляющего аппарата. В частности, стенка может быть выполнена с формой, аналогичной сечению расположенной выше по потоку поверхности направляющей лопатки соплового направляющего аппарата и/или расположенной ниже по потоку поверхности направляющей лопатки соплового направляющего аппарата.
В результате этого эффективность теплопередачи, которая осуществляется от поверхности охлаждения, в частности от расположенного ниже по потоку участка поверхности охлаждения, и обеспечивается охлаждающей текучей средой, может быть повышена.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения разработан сегмент платформы, предназначенный для обеспечения опоры для направляющей лопатки соплового направляющего аппарата для газовой турбины, при этом сегмент платформы содержит: поверхность канала для прохода газа, расположенную так, чтобы она находилась в контакте с потоком газа, выходящего из камеры сгорания, при этом поток газа проходит (или предполагается, что он будет проходить вследствие конструкции сегмента платформы и/или формы направляющей лопатки, предусмотренной на сегменте платформы) вдоль поверхности канала для прохода газа в направлении потока (таким образом, направление потока определено на рассматриваемом участке поверхности канала для прохода газа); поверхность охлаждения, расположенную напротив поверхности канала для прохода газа и имеющую тепловую связь с поверхностью канала для прохода газа, и расположенную так, чтобы она находилась в контакте с охлаждающей текучей средой (при этом для указанной поверхности охлаждения направление потока также определено); стенку, выступающую (в частности, противоположно поверхности канала для прохода газа) от поверхности охлаждения и простирающуюся по меньшей мере частично в направлении потока, при этом стенка расположена в направлении вдоль окружности между местами, в которых соседние направляющие лопатки должны быть предусмотрены (или должны быть присоединены), так что охлаждающая текучая среда (в частности, распространяющаяся вдоль направления потока) направляется по каналам (и, таким образом, направляется для прохода вдоль направления потока) посредством стенки для охлаждения расположенного ниже по потоку участка поверхности охлаждения; и дополнительную стенку, выступающую от поверхности охлаждения и простирающуюся по меньшей мере частично в направлении потока (то есть простирающуюся приблизительно параллельно стенке), при этом расстояние в направлении вдоль окружности между стенкой и дополнительной стенкой уменьшается вдоль направления потока (так что ширина охлаждающего канала для охлаждающей текучей среды уменьшается вдоль направления потока).
В частности, направление потока не задано в целом как постоянное во всей газовой турбине, а определяется локально в связи с рассматриваемым местом поверхности канала для прохода газа, так что в зависимости от рассматриваемого места поверхности канала для прохода газа направление потока изменяется, в частности, в зависимости от геометрии или структуры поверхности канала для прохода газа (в частности, совместно с конструкцией или формой присоединенной направляющей лопатки соплового направляющего аппарата, соседней с рассматриваемым местом) в рассматриваемом месте.
В частности, охлаждающая текучая среда направляется для прохода по каналам между стенкой и дополнительной стенкой в направлении потока.
В частности, направляющая лопатка соплового направляющего аппарата, имеющая поверхность давления и поверхность всасывания, должна быть предусмотрена (или присоединена) на сегменте платформы так, чтобы поверхность давления и сегмент платформы образовывали первый край вдоль первой кривой линии (имеющей сходство с частью аэродинамического профиля направляющей лопатки), где поверхность давления и сегмент платформы соединяются, и так, чтобы поверхность всасывания и сегмент платформы образовывали второй край вдоль второй кривой линии (имеющей сходство с другой частью аэродинамического профиля направляющей лопатки), где поверхность всасывания и сегмент платформы соединяются.
В частности, стенка и/или дополнительная стенка могут простираться приблизительно параллельно (с отклонением менее 30°, 20°, в частности 10°) первому краю и/или второму краю так, что стенка и/или дополнительная стенка обеспечивают направление охлаждающей текучей среды для ее прохода вдоль направления охлаждения, параллельного направлению простирания стенки и/или дополнительной стенки и параллельного направлению потока.
В частности, стенка и/или дополнительная стенка могут простираться на расстояние, составляющее, по меньшей мере, 70%, в частности, по меньшей мере, 80%, кроме того, в частности, по меньшей мере, 100% от длины первого края и/или второго края в направлении потока, при этом охлаждающая текучая среда направляется для прохода по каналам так, что охлаждающая текучая среда изменяет направление распространения менее чем на 60°, в частности, менее чем на 40°, кроме того, в частности, менее чем на 20°.
В соответствии с одним вариантом осуществления сегмент платформы дополнительно содержит турбулизатор, в частности расположенный на расположенном ниже по потоку участке поверхности охлаждения, при этом турбулизатор выступает от поверхности охлаждения на длину выступания, которая меньше длины, на которую выступает стенка, при этом турбулизатор простирается в поперечном направлении, в частности ортогонально, относительно направления простирания стенки. За счет выполнения турбулизатора поверхности охлаждения может быть придан надлежащий профиль для обеспечения турбулентности охлаждающей текучей среды, так что охлаждающая текучая среда будет взаимодействовать с поверхностью охлаждения в большей степени, тем самым поглощая больше тепловой энергии от поверхности охлаждения. Таким образом, в частности, турбулизатор предпочтительно простирается в поперечном направлении относительно направления распространения охлаждающей текучей среды, которое может по меньшей мере приблизительно представлять собой направление простирания стенки. В частности, турбулизаторы могут быть расположены или могут простираться под углом, составляющим приблизительно 90°, относительно стенки. Таким образом, может поддерживаться завихрение охлаждающей текучей среды, в частности охлаждающего воздуха, в результате чего усиливается передача тепла от поверхности охлаждения. В частности, комбинация стенки, обеспечивающей направление охлаждающей текучей среды, и турбулизатора может повысить общую эффективность охлаждения, обеспечиваемого отверстиями для обеспечения пленочного охлаждения, открывающимися в направлении заднего края сегмента платформы. Таким образом, отверстия для обеспечения пленочного охлаждения могут быть образованы в пределах расположенного ниже по потоку участка поверхности канала для прохода газа, образованной на сегменте платформы, в результате чего обеспечивается соединение полости, в которую подается охлаждающая текучая среда, с каналом для прохода рабочего газа.
В соответствии с одним вариантом осуществления один или несколько турбулизаторов предусмотрены для дополнительного улучшения передачи тепла от поверхности охлаждения. В частности, турбулизаторы, расположенные на разных участках поверхности охлаждения, могут простираться в немного различающихся направлениях в зависимости от формы стенки и/или формы траектории распространения рабочего газа. В частности, турбулизаторы могут быть прямолинейными.
В соответствии с одним вариантом осуществления длина, на которую выступает стенка, превышает в 3-10 раз, в частности в 4-8 раз, длину, на которую выступает турбулизатор. Таким образом, длина, на которую выступает стенка, значительно больше длины, на которую выступает турбулизатор. Таким образом, стенка обеспечивает эффективное направление охлаждающей текучей среды для ее прохода по каналам, в то время как турбулизатор обеспечивает более турбулентный поток охлаждающей текучей среды, в частности охлаждающего воздуха.
Дополнительная стенка выступает от поверхности охлаждения и простирается по меньшей мере частично в направлении потока газа, при этом расстояние в направлении вдоль окружности между стенкой и дополнительной стенкой уменьшается вдоль направления потока. Таким образом, ширина канала, ограниченного стенкой и дополнительной стенкой, уменьшается [в направлении] от расположенного выше по потоку участка поверхности охлаждения к расположенному ниже по потоку участку поверхности охлаждения. Уменьшение ширины канала может соответствовать уменьшению ширины поперечного сечения направляющей лопатки соплового направляющего аппарата, расположенной в направлении вдоль окружности на некотором расстоянии от канала (но в аналогичном положении в аксиальном направлении). Посредством дополнительной стенки направление для прохода по каналам к расположенному ниже по потоку участку поверхности охлаждения может даже быть улучшено, в результате чего улучшается передача тепла от расположенного ниже по потоку участка поверхности охлаждения, и, следовательно, также улучшается передача/отвод тепла от расположенного ниже по потоку участка поверхности канала для прохода газа к охлаждающей текучей среде.
В соответствии с одним вариантом осуществления турбулизатор простирается от стенки до дополнительной стенки. Таким образом, турбулизатор обеспечивает увеличение турбулентности охлаждающей текучей среды во всей зоне между стенкой и дополнительной стенкой для эффективного создания или усиления турбулентности охлаждающей текучей среды.
В соответствии с одним вариантом осуществления сегмент платформы дополнительно содержит закрывающий элемент, расположенный (в частности, напротив поверхности охлаждения) так, чтобы он находился в контакте с участками стенки и дополнительной стенки, выступающими на максимальную длину от поверхности охлаждения, в результате чего он будет закрывать поверхность охлаждения между стенкой и дополнительной стенкой. Закрывающий элемент также может быть назван отражательной пластиной (impingement plate), хотя закрывающий элемент может не иметь плоскую форму. В частности, закрывающий элемент может иметь форму, имеющую по меньшей мере частично цилиндрическую симметрию. Закрывающий элемент может, в частности, закрывать канал, образованный между стенкой и дополнительной стенкой для еще более эффективного направления охлаждающей текучей среды для ее прохода по каналам. В частности, закрывающий элемент может иметь одно или несколько отверстий, через которые охлаждающая текучая среда может поступать в пространство между поверхностью охлаждения и поверхностью закрывающего элемента, находящегося в контакте, по меньшей мере, с участками стенки и дополнительной стенки. В зависимости от требований к охлаждению число и местоположения отверстий в закрывающем элементе могут быть соответствующим образом скорректированы.
В соответствии с одним вариантом осуществления стенка имеет участок, выступающий от поверхности охлаждения на максимальную длину, и участок, выступающий от поверхности охлаждения на длину, составляющую от 0,2 до 0,6, в частности от 0,4 до 0,6, от максимальной длины. Таким образом, может быть образована так называемая зубчатая стенка. Кроме того, дополнительная стенка может быть выполнена с аналогичной конструкцией. Таким образом, участок с максимальной длиной выступания может контактировать с закрывающим элементом, в то время как участок, имеющий длину выступания, которая меньше максимальной длины выступания, может не контактировать с закрывающим элементом. Таким образом, могут быть образованы отверстия между соседними каналами, образованными стенкой и дополнительной стенкой, которые могут обеспечить возможность обмена охлаждающей текучей среды между соседними каналами так, что может быть обеспечено одинаковое давление охлаждающей текучей среды во всех зонах полости между закрывающим элементом и поверхностью охлаждения. Таким образом, может быть повышена эффективность охлаждения.
В частности, охлаждающая текучая среда может направляться к заднему краю сегмента платформы через отверстие для обеспечения пленочного охлаждения и может затем выпускаться в канал для прохода рабочего газа (основной канал для прохода газа). Геометрия зубчатой стенки может быть адаптирована в соответствии с конкретным применением.
В соответствии с одним вариантом осуществления сегмент платформы дополнительно содержит соединительный элемент для направляющей лопатки соплового направляющего аппарата, предназначенный для присоединения направляющей лопатки соплового направляющего аппарата так, что она будет выступать от поверхности канала для прохода газа, при этом соединительный элемент содержит краевую часть, выступающую от поверхности охлаждения. Краевая часть может, в частности, иметь структуру или форму, аналогичные поперечному сечению направляющей лопатки соплового направляющего аппарата. Краевая часть может, в частности, выступать на такую же величину, как стенка и/или дополнительная стенка. Кроме того, краевая часть может иметь участок краевой части, соответствующий расположенной выше по потоку поверхности направляющей лопатки соплового направляющего аппарата, и может иметь участок краевой части, соответствующий расположенной ниже по потоку поверхности направляющей лопатки соплового направляющего аппарата. В частности, расположенный выше по потоку участок краевой части и/или расположенный ниже по потоку участок краевой части соединительного элемента могут быть выполнены с формой, аналогичной форме стенки и дополнительной стенки.
В соответствии с одним вариантом осуществления краевая часть может быть образована в результате литья сегмента платформы.
В соответствии с одним вариантом осуществления сегмент платформы дополнительно имеет входное отверстие для охлаждающей текучей среды, окруженное краевой частью соединительного элемента и предназначенное для обеспечения возможности поступления охлаждающей текучей среды во внутреннюю часть направляющей лопатки соплового направляющего аппарата. Таким образом, направляющая лопатка соплового направляющего аппарата может эффективно охлаждаться охлаждающей текучей средой, поступающей во внутреннюю часть направляющей лопатки соплового направляющего аппарата через входное отверстие для охлаждающей текучей среды.
В соответствии с другим вариантом осуществления отверстие может быть закрыто концом отражательной трубки. Таким образом, отверстие может «отсутствовать».
В соответствии с одним вариантом осуществления расположенный ниже по потоку участок поверхности охлаждения расположен в аксиальном направлении рядом с расположенным ниже по потоку участком краевой части соединительного элемента, при этом расположенный ниже по потоку участок поверхности охлаждения, в частности, расположен на расстоянии в аксиальном направлении, составляющем менее 0,2 от определяемой в аксиальном направлении протяженности краевой части соединительного элемента, от расположенного ниже по потоку участка краевой части соединительного элемента. Таким образом, расположенный ниже по потоку участок поверхности охлаждения может находиться там, где поверхность канала для прохода газа, образованная на сегменте платформы, может подвергаться наиболее сильному износу под действием высокотемпературного рабочего газа. Наибольший износ, в частности, может возникать в зоне заднего (расположенного ниже по потоку) края платформы, как упомянуто и подробно разъяснено выше.
В соответствии с одним вариантом осуществления сегмент платформы выполнен с возможностью обеспечения опоры для направляющей лопатки соплового направляющего аппарата, которая расположена в радиальном направлении снаружи от сегмента платформы. Таким образом, может быть предусмотрен сегмент платформы, внутренней в радиальном направлении.
В соответствии с альтернативным вариантом осуществления сегмент платформы выполнен с возможностью обеспечения опоры для направляющей лопатки соплового направляющего аппарата, которая расположена в радиальном направлении внутри по отношению к сегменту платформы. Таким образом, может быть предусмотрен сегмент платформы, наружной в радиальном направлении. В частности, могут быть предусмотрены сегмент платформы, расположенный в радиальном направлении снаружи от направляющей лопатки соплового направляющего аппарата, и сегмент платформы, расположенный в радиальном направлении внутри по отношению к сегменту платформы [к направляющей лопатке соплового направляющего аппарата], при этом оба сегмента платформ обеспечивают опору для направляющей лопатки соплового направляющего аппарата и охлаждаются охлаждающей текучей средой, контактирующей с поверхностью охлаждения на каждом из двух сегментов платформ.
В соответствии с одним вариантом осуществления разработана конструкция соплового направляющего аппарата для газовой турбины, при этом конструкция содержит, по меньшей мере, один сегмент платформы, предназначенный для обеспечения опоры для направляющей лопатки соплового направляющего аппарата, в соответствии с вариантом осуществления, подобным описанному выше; и направляющую лопатку соплового направляющего аппарата, соединенную с сегментом платформы так, что направляющая лопатка соплового направляющего аппарата выступает от поверхности канала для прохода газа, образованной на сегменте платформы. В частности, сегмент платформы, а также направляющая лопатка соплового направляющего аппарата могут охлаждаться посредством использования общего источника охлаждающей текучей среды, в частности охлаждающего воздуха.
В соответствии с одним вариантом осуществления разработан способ охлаждения сегмента платформы для направляющей лопатки соплового направляющего аппарата, при этом способ включает: выпуск потока газа из камеры сгорания; контактирование потока газа с поверхностью канала для прохода газа, образованной на сегменте платформы; контактирование охлаждающей текучей среды с поверхностью охлаждения, противоположной по отношению к поверхности канала для прохода газа и имеющей тепловую связь с поверхностью канала для прохода газа; и направление охлаждающей текучей среды для прохода по каналам для охлаждения расположенного ниже по потоку участка поверхности охлаждения посредством стенки, выступающей от поверхности охлаждения и простирающейся по меньшей мере частично в направлении потока газа, и расположенной в направлении вдоль окружности между соседними направляющими лопатками.
Следует отметить, что варианты осуществления изобретения были описаны со ссылкой на различные предметы. В частности, некоторые варианты осуществления были описаны со ссылкой на пункты формулы изобретения на способ, в то время как другие варианты осуществления были описаны со ссылкой на пункты формулы изобретения на устройство. Однако специалист в данной области техники заключит из вышеизложенного и нижеследующего описания то, что, если не указано иное, помимо любой комбинации признаков, принадлежащих к одному типу предмета, также любая комбинация признаков, относящихся к разным предметам, в частности признаков, относящихся к пунктам формулы изобретения на способ, и признаков, относящихся к пунктам формулы изобретения на устройство, рассматривается как раскрытая в данном документе.
Аспекты, определенные выше, и дополнительные признаки настоящего изобретения будут очевидны из примеров осуществления, которые будут описаны в дальнейшем, и разъяснены со ссылкой на примеры осуществления. Изобретение будет описано в дальнейшем более подробно со ссылкой на примеры осуществления, но изобретение не ограничено указанными примерами осуществления.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 схематически показывает сечение части газовой турбины, включающей в себя сегмент платформы, предназначенный для обеспечения опоры для направляющей лопатки соплового направляющего аппарата, в соответствии с одним вариантом осуществления;
фиг.2 иллюстрирует развернутый вид в плане сегмента платформы, наружной в радиальном направлении, который предназначен для обеспечения опоры для направляющей лопатки соплового направляющего аппарата и включен в фиг.1;
фиг.3 иллюстрирует вид в перспективе сегмента платформы, внутренней в радиальном направлении, который предназначен для обеспечения опоры для направляющей лопатки соплового направляющего аппарата и включен в фиг.1; и
фиг.4 иллюстрирует вид в перспективе части газовой турбины, проиллюстрированной на фиг.1, включая сегмент платформы, наружной в радиальном направлении, и сегмент платформы, внутренней в радиальном направлении, которые предназначены для обеспечения опоры для соплового направляющего аппарата.
Подробное описание
Иллюстрация на чертеже является схематической. Следует отметить, что на различных фигурах аналогичные или идентичные элементы снабжены одинаковыми ссылочными позициями или ссылочными позициями, которые отличаются от соответствующих ссылочных позиций только первой цифрой.
Фиг.1 схематически иллюстрирует сечение части газовой турбины, включающей в себя сегмент 100 платформы, наружной в радиальном направлении, который предназначен для обеспечения опоры для направляющей лопатки соплового направляющего аппарата, в соответствии с одним вариантом осуществления, и сегмент 150 платформы, внутренней в радиальном направлении, который предназначен для обеспечения опоры для направляющей лопатки соплового направляющего аппарата, в соответствии с одним вариантом осуществления. Рабочий газ, выходящий из камеры сгорания, расположенной по потоку до сегмента 100 наружной платформы и сегмента 150 внутренней платформы, распространяется вдоль направления, обозначенного ссылочной позицией 101. Непоказанная ось вращения находится в плоскости чертежа по фиг.1 и ориентирована горизонтально.
Посредством направления 101 проходящего потока рабочего газа расположенная выше по потоку сторона компонента турбины может быть определена как та сторона компонента, к которой направлен поток рабочего газа. Кроме того, расположенная ниже по потоку сторона компонента турбины может быть определена как та сторона компонента, от которой направляется поток рабочего газа. Рабочий газ, проходящий в направлении 101, распространяется в канале 103 для прохода рабочего газа между сегментом 100 наружной платформы и сегментом 150 внутренней платформы. В канале 103 для прохода рабочего газа расположена направляющая лопатка 105, из которой в сечении по фиг.1 проиллюстрирована только часть 107, расположенная ниже по потоку, при этом расположенная ниже по потоку часть 107 направляющей лопатки 105 соплового направляющего аппарата содержит расположенный ниже по потоку край 109 направляющей лопатки 105. Расположенный выше по потоку край направляющей лопатки 105 соплового направляющего аппарата проиллюстрирован в виде штрихпунктирной линии 111, при этом он, тем не менее, расположен в сечении, отличающемся от сечения, проиллюстрированного на фиг.1.
Направляющая лопатка 105 соплового направляющего аппарата имеет расположенную выше по потоку поверхность 113, обращенную к потоку рабочего газа, и расположенную ниже по потоку поверхность 115, противоположную по отношению к расположенной выше по потоку поверхности 113, так что рабочий газ не сталкивается непосредственно с расположенной ниже по потоку поверхностью 115. Расположенная выше по потоку поверхность 113, расположенная ниже по потоку поверхность 115, расположенный выше по потоку край 111 и расположенный ниже по потоку край 109 совместно имеют форму аэродинамического профиля. За счет данного конкретного аэродинамического профиля направляющей лопатки 105 соплового направляющего аппарата рабочий газ, проходящий вдоль направления 101, отклоняется и направляется к непроиллюстрированным лопаткам ротора, расположенным дальше по ходу потока за направляющей лопаткой 105 соплового направляющего аппарата, в частности дальше по ходу потока за расположенным ниже по потоку краем 109 направляющей лопатки 105 соплового направляющего аппарата.
Направляющая лопатка 105 соплового направляющего аппарата опирается на сегмент 100 платформы, расположенный в зоне большего радиуса r (то есть расположенный в радиальном направлении снаружи), и опирается в зоне меньшего радиуса r (в радиальном направлении внутри) на сегмент 150 внутренней платформы. Направляющая лопатка 105 может быть соединена с сегментом 100 платформы и с сегментом 150 платформы, например, посредством зажима, сварки или может быть выполнена за одно целое с сегментами 100 и/или 150.
Во время работы рабочий газ, сталкивающийся с направляющей лопаткой 105 соплового направляющего аппарата, а также сталкивающийся с наружной поверхностью 117 канала для прохода газа, образованной на сегменте 100 наружной платформы, и также сталкивающийся с внутренней поверхностью 119 канала для прохода газа, образованной на сегменте 150 внутренней платформы, передает тепло поверхностям и компонентам. Таким образом, может возникнуть повреждение обычной турбины, в частности, вследствие большого окисления.
Таким образом, в особенности расположенный ниже по потоку участок 118 наружной поверхности 117 канала для прохода газа и расположенный ниже по потоку участок 120 внутренней поверхности 119 канала для прохода газа подвергаются воздействию особенно высокой температуры и/или воздействию напряжения и/или износу за счет воздействия сталкивающегося с ними рабочего газа.
Для охлаждения наружной поверхности 117 канала для прохода газа охлаждающий газ подается по охлаждающему входному каналу 121 вдоль направления 123. Охлаждающий газ поступает в полость 125 и проходит через отверстия 127 в отражательной пластине 129. Отражательная пластина 129 закрывает наружную поверхность 131 охлаждения так, что пространство 134, заполняемое охлаждающим воздухом, будет образовано между отражательной пластиной 129 и наружной поверхностью 131 охлаждения.
Стенка 133 выступает от поверхности 131 охлаждения по направлению к отражательной пластине 129, при этом в сечении по фиг.1 проиллюстрированы только части стенки 133. Другие части стенки 133 расположены в других местах в сечении, не видимых на фиг.1. Стенка 133 простирается, по меньшей мере частично, в направлении, соответствующем направлению рабочего газа, проходящего в направлении, обозначенном ссылочной позицией 101. Посредством стенки 133 охлаждающий воздух, поступивший в пространство 134 между отражательной пластиной 129 и наружной поверхностью 131 охлаждения, направляется вдоль наружной поверхности 131 охлаждения для поглощения тепла от поверхности 131 охлаждения, которое за счет теплопроводности было передано от наружной поверхности 117 канала для прохода газа через материал сегмента 100 наружной платформы к наружной поверхности 131 охлаждения. Кроме того, за счет размещения и геометрических характеристик стенки 133 охлаждающий газ проходит или перемещается по каналам к расположенной ниже по потоку зоне поверхности 131 охлаждения, которая расположена напротив расположенной ниже по потоку зоны 118 наружной поверхности 117 канала для прохода газа. Тем самым, тепло, выделяемое или передаваемое рабочим газом расположенной ниже по потоку зоне 118 наружной поверхности 117 канала для прохода газа, передается через материал сегмента 100 наружной платформы к расположенной ниже по потоку части поверхности 131 охлаждения, при этом тепло может быть эффективно отдано в охлаждающий воздух, который может отводить, по меньшей мере, часть тепловой энергии.
Для дополнительного повышения способности к передаче тепла от поверхности 131 охлаждения в охлаждающий воздух предусмотрено некоторое количество турбулизаторов 135, выступающих от наружной поверхности 131 охлаждения на меньшую длину по сравнению с длиной, на которую выступает стенка 133. Турбулизаторы 135 простираются в поперечном направлении, в частности ортогонально, по отношению к протяженности стенки 133 для эффективного увеличения турбулентности охлаждающего воздуха, проходящего внутри пространства 134 между отражательной пластиной 129 и наружной поверхностью 131 охлаждения. Тем самым, охлаждающий воздух будет более сильно (или с большей интенсивностью) взаимодействовать с поверхностью 131 охлаждения и может поглощать большее количество тепловой энергии от наружной поверхности 131 охлаждения, в результате чего обеспечивается более эффективное охлаждение наружной поверхности 117 канала для прохода газа. Через посредство непроиллюстрированных отверстий в сегменте 100 наружной платформы (в его расположенной ниже по потоку части) охлаждающий воздух может выходить из пространства 134 между отражательной пластиной 129 и наружной поверхностью 131 охлаждения вдоль направления, обозначенного ссылочной позицией 137.
Для охлаждения внутренней поверхности 119 канала для прохода газа охлаждающий воздух поступает в полость 139 вдоль направления, обозначенного ссылочной позицией 141. Через отверстия 143 охлаждающий воздух проходит через другую отражательную пластину 145 для входа в пространство 147 между отражательной пластиной 145 и внутренней поверхностью 149 охлаждения. По меньшей мере, одна стенка 151 выступает от поверхности 149 охлаждения по направлению к отражательной пластине 145, которая, тем не менее, видна не полностью в сечении, проиллюстрированном на фиг.1.
Кроме того, для повышения охлаждающей способности турбулизаторы 153 выступают от внутренней поверхности 149 охлаждения для усиления передачи тепла от поверхности 149 охлаждения в охлаждающий воздух. Тем самым, тепловая энергия, которая передается от рабочего газа на внутренней поверхности 119 канала для прохода газа и которая передается через сегмент 150 внутренней платформы по направлению к внутренней поверхности 149 охлаждения, может отводиться охлаждающим воздухом. Таким образом, эксплуатационная долговечность внутренней поверхности 119 канала для прохода газа и наружной поверхности 117 канала для прохода газа может быть увеличена.
Фиг.2 иллюстрирует вид в плане (если смотреть в радиальном направлении внутрь) сегмента 100 наружной платформы, проиллюстрированного на фиг.1, при этом сегмент 100 наружной платформы виден, если смотреть внутрь по направлению к осевой линии газовой турбины. Аксиальное направление (направление z) «лежит» в плоскости чертежа и проходит вертикально вниз на фиг.2, и радиальное направление (направление r) перпендикулярно плоскости чертежа по фиг.2. Рабочий газ распространяется вдоль направления 101 (имея, по меньшей мере, составляющую в аксиальном направлении). Охлаждающий воздух вводится вдоль направления 123 и направляется или проходит по каналам вдоль наружной поверхности 131 охлаждения между соседними стенками 133. В частности, стенки 133 представляют собой зубчатые направленные вертикальные стенки, выступающие от наружной поверхности 131 охлаждения для обеспечения прохода охлаждающего газа по каналам по направлению к расположенному ниже по потоку участку наружной поверхности 131 охлаждения в нижней части фиг.2.
В варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг.2, две зубчатые стенки 133 расположены в направлении вдоль окружности (вдоль направления φ) между соединительными элементами 155 двух соседних направляющих лопаток 105 соплового направляющего аппарата. В частности, каждый из соединительных элементов 155 содержит краевую часть 157, выступающую от наружной поверхности 131 охлаждения приблизительно на такую же длину, что и максимальная длина, на которую выступают зубчатые стенки 133. Краевая часть 157 соединительных элементов 155 окружает входное отверстие 159 для охлаждающей текучей среды, предназначенное для подачи охлаждающего воздуха во внутреннюю часть направляющей лопатки 105 соплового направляющего аппарата. В частности, зубчатые стенки 133 простираются криволинейно, аналогично аэродинамическому профилю направляющей лопатки 105 соплового направляющего аппарата, как видно в сечении рядом с наружной поверхностью 117 канала для прохода газа.
Следует отметить, что соединительный элемент 155 и краевая часть 157 могут быть образованы в результате литья и могут не составлять существенную часть варианта осуществления платформы.
Фиг.3 иллюстрирует вид в перспективе части сегмента 150 внутренней платформы, проиллюстрированного на фиг.1, без внутренней отражательной пластины 145 для более подробной иллюстрации внутренней поверхности 149 охлаждения и конструктивных элементов, предусмотренных на ней. Показана приблизительная ориентация системы цилиндрических координат. Охлаждающий воздух проходит вдоль направления 141 вдоль внутренней поверхности 149 охлаждения между зубчатыми стенками 151. Зубчатая стенка 151 имеет участки, которые выступают на небольшую длину от внутренней поверхности 149 охлаждения, и зубчатая стенка 151 имеет участки 163, выступающие на бóльшую длину от внутренней поверхности 149 охлаждения по сравнению с участками 161. В частности, участки 161 и 163 чередуются вдоль направления протяженности зубчатой стенки 151.
При эксплуатации, когда отражательная пластина 145 применяется для закрытия внутренней поверхности 149 охлаждения, участки 163 зубчатой стенки 151, выступающие на максимальную длину от внутренней поверхности 149 охлаждения, входят в контакт с отражательной пластиной 145, в то время как участки 161 зубчатой стенки 151 не контактируют с отражательной пластиной 145, а обеспечивают поддержание зазора между отражательной пластиной 145 и верхней поверхностью участков 161, так что охлаждающий воздух может распределяться через данные зазоры между соседними каналами для охлаждающего воздуха, разделенными зубчатыми стенками 151. Таким образом, может быть обеспечено одинаковое давление охлаждающего воздуха во всех зонах пространства между отражательной пластиной 145 и внутренней поверхностью 149 охлаждения.
Зубчатая стенка 133 сегмента 100 наружной платформы, проиллюстрированная на фиг.2, имеет аналогичную конструкцию и имеет участки, выступающие на максимальную длину выступания, и участки, выступающие на длину, меньшую по сравнению с максимальной длиной выступания, и расположенные попеременно вдоль протяженности зубчатых стенок 133.
Фиг.4 иллюстрирует вид в перспективе части газовой турбины, проиллюстрированной на фиг.1, которая включает в себя сегмент 100 наружной платформы и сегмент 150 внутренней платформы, а также включает в себя две направляющие лопатки 105 соплового направляющего аппарата. На сегменте 100 наружной платформы отражательная пластина 129 закрывает наружную поверхность 131 охлаждения, которая, следовательно, не видна на иллюстрации по фиг.4. Отражательная пластина 129 имеет отверстия 127, предназначенные для обеспечения возможности прохода охлаждающего воздуха через отражательную пластину 129 в пространство 134 между отражательной пластиной 129 и наружной поверхностью 131 охлаждения, как показано на фиг.1.
Новая конструкция поверхностей 131, 149 охлаждения, имеющих турбулизаторы 135, 153 и зубчатые стенки 133, 151, может обеспечить повышение эффективности охлаждения для места 118, 120 расположения заднего края платформы посредством новых охлаждающих элементов, которые могут быть использованы как для полости 147 внутренней платформы, так и для полости 134 наружной платформы. Зубчатые стенки 133, 151 могут обеспечить опору для отражательных пластин 129, 145 и могут обеспечить то, что будет создано одинаковое давление во всех зонах полостей 134, 147. Таким образом, это может улучшить направление потока охлаждающего воздуха к заднему краю наружной платформы и внутренней платформы. Оттуда охлаждающий воздух может проходить через отверстия для обеспечения пленочного охлаждения и затем может выходить в основной проточный канал для газа или канал 103 для прохода газа. Турбулизаторы 135, 153 могут быть расположены под углом, составляющим приблизительно 90°, относительно зубчатых стенок 133, 151 для поддержания завихрения охлаждающего воздуха и, тем самым, усиления передачи тепла от поверхностей 131, 149 охлаждения. Комбинация данных двух охлаждающих элементов может обеспечить в целом повышение эффективности охлаждения, обеспечиваемой отверстиями для обеспечения пленочного охлаждения для заднего края платформы.
Следует отметить, что термин «содержащий» не исключает других элементов или этапов, и единственное число не исключают множества. Кроме того, элементы, описанные в связи с разными вариантами осуществления, могут быть скомбинированы. Также следует отметить, что ссылочные позиции в формуле изобретения не следует рассматривать как ограничивающие объем притязаний формулы изобретения.