УСТРОЙСТВО СЕГМЕНТА ГОРЯЧИХ ГАЗОВ
HOT GAS SEGMENT DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к охлаждаемым инжекционным образом сегментам горячих газов, главным образом, в камере сгорания стационарной газовой турбины. Изобретение относится к устройству сегмента горячих газов в соответствии с ограничительной частью п. 1 формулы изобретения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Для достижения требуемой продолжительности срока службы камеры сгорания стационарных газовых турбин должны эффективно охлаждаться. С другой стороны, необходимо принимать во внимание рабочие характеристики машины, а также конкретные нормы выброса загрязняющих веществ.
Для достижения высокой эффективности газотурбинного цикла охлаждение внутри камеры сгорания должно быть эффективным. Охлаждение выполняется в зависимости от требований посредством конвективного охлаждения, эффузионного охлаждения, пленочного охлаждения, инжекционного охлаждения или комбинации этих различных способов охлаждения. Последний способ, способ инжекционного охлаждения, используется, когда требуется интенсивное охлаждение без создания препятствий прохождению потока горячих газов в машине.
Сегменты горячих газов (HGP), охлаждаемые посредством инжекционного охлаждения, на сегодняшний момент содержат инжекционную пластину и сегмент горячих газов, оба соединяемые, непосредственно или косвенно, посредством пайки или сварки. Эти сегменты горячих газов, предпочтительно, установлены в окружном направлении по линии разъема машины и являются фиксированными в окружном направлении.
Фиг. 1 показывает пример охлаждаемого инжекционным образом сегмента горячих газов в соответствии с уровнем техники. Устройство 10 сегмента горячих газов по фиг. 1 содержит несущий элемент 11 в форме пластины, предусмотренный со стороны прохождения горячих газов (нижняя сторона на фиг. 1) с зацепами 19 для установки на нем сегмента 12 горячих газов. Уплотнитель 17 в форме шнурового уплотнителя уплотняет внутреннюю часть сегмента 12 горячих газов от горячих газов с наружной стороны сегмента 12 горячих газов. Сегмент 12 горячих газов является дополнительно зафиксированным в окружном направлении посредством окружных креплений 18. Внутренняя часть сегмента 12 горячих газов является доступной для охлаждающего воздуха, подаваемого с задней стороны несущего элемента 11 через широкое отверстие 11a в несущем элементе 11.
Внешняя стенка (нижняя часть на фиг. 1) сегмента 12 горячих газов является охлаждаемой с внутренней стороны посредством инжекционного охлаждения. Вследствие этого инжекционная пластина 13 расположена на расстоянии от внешней стенки во внутренней части сегмента 12 горячих газов. Расстояние определяется посредством множества распределенных вставок 14. Инжекционная пластина 13 в этом случае является, по существу, плоской и имеет отогнутый вверх край для обеспечения возможности быть соединенной посредством пайки или сварки в качестве крепления 16 с сегментом 12 горячих газов.
Этот метод имеет недостатки, поскольку инжекционная пластина 13 и сегмент 12 горячих газов являются соединенными посредством пайки или сварки:
Соединение обеих частей требует дополнительных технических, временных и финансовых затрат при производстве.
Соединение обеих частей производит термическое напряжение по причине различных характеристик термического расширения инжекционной пластины и сегмента горячих газов при работе машины; результатом является:
- Уменьшенная продолжительность срока службы; и
- Необходимость наличия разгрузочных щелей, которые уменьшают эффективность охлаждения.
Соединение обеих частей требует дополнительных технических, временных и финансовых затрат при восстановительном ремонте, то есть разъединения инжекционной пластины и сегмента горячих газов в начале и пайки или сварки в конце восстановительного ремонта.
По сравнению с другими схемами охлаждения через сегмент горячих газов в камеру сгорания происходит крайне высокая утечка, поскольку для инжекционного охлаждения необходим высокий перепад давления. И наоборот, это означает, что при заданном перепаде давления в сегменте горячих газов эффективность охлаждения уменьшается.
Поскольку сегмент горячих газов установлен в окружном направлении относительно плоскости разъема,
- поперечное сечение крепления сегмента горячих газов может не затрагиваться посредством несущего элемента; и
- съем сегментов горячих газов при разборке может требовать дополнительных временных затрат, когда сегменты горячих газов являются термически искривленными.
Касательно конфигурации охлаждаемых инжекционным образом сегментов горячих газов в уровне техники существует некоторое количество публикаций:
В документе EP 1 178 182 A1 раскрыто газотурбинное кольцо из сегментов, обладающее увеличенной жесткостью для подавления термической деформации и обеспечивающее меньший объем утечки охлаждающего воздуха посредством меньшего количества соединительных участков сегментов. Охлаждающий воздух от компрессора протекает через охлаждающие отверстия инжекционной пластины для входа в полость и инжектирования на кольцо из сегментов для его охлаждения. Охлаждающий воздух дополнительно протекает в охлаждающие каналы из отверстий полости для охлаждения внутренней части кольца из сегментов и выпускается в газовый тракт из отверстий заднего конца кольца из сегментов. На верхней поверхности кольца из сегментов для увеличения посредством этого жесткости образована конструкция вафельного типа из ребер, выполненная в форме решетки.
Во фланцах, продолжающихся в турбине в окружном направлении, образовано множество щелей для компенсации тем самым деформации и термическая деформация кольца из сегментов подавляется. Недостатком является установка инжекционной пластины и сегмента на одном и том же самом теплоизолирующем кольце.
В документе US 7,665,962 B1 раскрыто внешнее воздушное уплотнение для лопаток в газотурбинном двигателе, включающем в себя множество кольцевых сегментов, прикрепленных к несущему элементу лопаточного венца (кольца). Инжектирующее кольцо формирует емкость высокого давления внутри несущего элемента лопаточного венца (кольца) и включает в себя первую группу инжекционных отверстий, расположенную над срединной частью кромки лопаток. Кольцевые сегменты, каждый, включают в себя множество ребер жесткости, формирующих множество карманов переднего края, карман заднего края и карманы срединной части, каждый, с игольчатыми ребрами для увеличения эффекта теплопередачи. Регулирующая пластина является закрепленной над ребрами жесткости для формирования закрытых карманов над краевыми карманами, оставляя при этом карманы срединной части открытыми. Вторая группа инжекционных отверстий формируется в регулирующей пластине над краевыми карманами. Находящийся под давлением охлаждающий воздух, подаваемый в емкость высокого давления, сначала проходит через первую группу инжекционных отверстий и выпускается непосредственно над карманами срединной части. Охлаждающий воздух далее протекает через вторую группу инжекционных отверстий и внутрь закрытых краевых карманов, а затем выходит через выпускные отверстия, расположенные вдоль переднего края и вдоль заднего края кольцевого сегмента. Для регулирования объема охлаждающего воздуха, протекающего в конкретный карман, отдельные карманы могут иметь инжекционные отверстия разнообразных размеров.
Недостатком является установка инжекционной пластины в непосредственной близости от сегмента.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является улучшение эффективности охлаждения, увеличение продолжительности срока службы, а также улучшение процесса сборки и разборки охлаждаемого инжекционным образом устройства сегмента горячих газов.
Эта и другие задачи решаются посредством устройства сегмента горячих газов по п. 1 формулы изобретения.
Устройство сегмента горячих газов в соответствии с настоящим изобретением, которое, главным образом, предусмотрено для камеры сгорания газовой турбины, содержит по меньшей мере один сегмент горячих газов, установленный с возможностью съема на несущем элементе, подвергающийся со своей наружной стороны воздействию горячих газов и охлаждаемый инжекционным образом со своей внутренней стороны, при этом инжекционная пластина с множеством распределенных инжекционных отверстий является выполненной на некотором расстоянии с внутренней стороны указанной инжекционной пластины, а средство подачи охлаждающего воздуха предусмотрено для загрузки указанной инжекционной пластины находящимся под давлением охлаждающим воздухом для генерирования через указанные инжекционные отверстия струй охлаждающего воздуха, которые инжектируются на внутреннюю сторону указанного сегмента горячих газов. Устройство отличается тем, что указанная инжекционная пластина является частью закрытого приемного резервуара, в который подается указанный находящийся под давлением охлаждающий воздух, причем указанный приемный резервуар с указанной инжекционной пластиной установлен на указанном несущем элементе независимо от указанного сегмента горячих газов.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения указанный приемный резервуар состоит из указанной инжекционной пластины и задней пластины.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения указанный приемный резервуар установлен на указанном несущем элементе посредством полого стержня, а указанный находящийся под давлением охлаждающий воздух вводится в указанный приемный резервуар через указанный стержень.
В частности, указанный приемный резервуар установлен с возможностью съема на указанном несущем элементе.
В частности, указанный стержень центрально расположен относительно указанного сегмента горячих газов.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления изобретения указанный сегмент горячих газов включает в себя приемный резервуар; уплотняющее средство предусмотрено между указанным сегментом горячих газов и указанным несущим элементом в соответствующей канавке; а для образования боковой стенки для указанного уплотняющего средства на стороне низкого давления используется соответственно указанная инжекционная пластина или приемный резервуар.
В частности, указанное уплотняющее средство содержит шнуровой уплотнитель.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения множество отдельных сегментов горячих газов расположены рядом друг с другом на несущем элементе, посредством чего указанные сегменты горячих газов прилегают друг к другу посредством параллельных боковых стенок; на внешней стороне прилегающих боковых стенок предусмотрено множество канавок, причем канавки обеих боковых стенок начинаются внутри области боковых стенок и открываются в горячую область с внешней стороны указанных сегментов горячих газов, и канавки обеих боковых стенок попарно совпадают друг с другом; при этом каждая пара канавок является соединенной посредством охлаждающего отверстия с внутренней частью одного из прилегающих сегментов горячих газов.
В частности, охлаждающие отверстия расположены в начале канавок.
В соответствии с еще одним дополнительным вариантом осуществления изобретения охлаждающие отверстия расположены поочередно на одном и другом из прилегающих сегментов горячих газов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее настоящее изобретение будет более детально раскрыто посредством различных вариантов осуществления и со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 показывает поперечное сечение устройства сегмента горячих газов в соответствии с уровнем техники;
фиг. 2 показывает поперечное сечение устройства сегмента горячих газов в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;
фиг. 3 показывает вариант осуществления обладающей признаками изобретения конфигурации охлаждения, применяемой в переходной области камеры сгорания, как это раскрыто в документе EP 2 428 647 A1;
фиг. 4 показывает конфигурацию боковой стенки устройства сегмента горячих газов с прилегающими сегментами горячих газов в соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения; и
фиг. 5 показывает два прилегающих сегмента горячих газов с конфигурацией боковой стенки по фиг. 4.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг. 2 показывает (для сравнения с фиг. 1) поперечное сечение устройства сегмента горячих газов в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения. Устройство 20 сегмента горячих газов по данному варианту осуществления содержит несущий элемент 21, который несет сегмент 22 горячих газов посредством соответствующих зацепов 29. Сегмент 22 горячих газов является уплотненным относительно несущего элемента 21 посредством уплотнителей 27 в форме шнуровых уплотнителей. Сегмент 22 горячих газов включает в себя инжекционную пластину 23 с множеством инжекционных отверстий 25. Инжекционная пластина 23 является частью закрытого приемного резервуара 24, который принимает находящийся под давлением охлаждающий воздух через полый стержень 26. Полый стержень используется не только для подачи охлаждающего воздуха, но также для крепления приемного резервуара 24 на несущем элементе 21. Предпочтительно, крепление содержит съемный крепежный элемент 28, так чтобы приемный резервуар 24 мог быть демонтирован в целях технического обслуживания или восстановительного ремонта. Крепление 26, 28 расположено в центре относительно сегмента 22 горячих газов.
Фиг. 3 показывает второй вариант осуществления обладающей признаками изобретения конфигурации охлаждения, применяемой в переходной области камеры сгорания, как это раскрыто в документе EP 2 428 647 A1. Устройство 30 сегмента горячих газов по фиг. 3 содержит (изогнутый) сегмент 32 горячих газов, установленный на несущем элементе 31 посредством зацепов 39. Сегмент 32 горячих газов включает в себя закрытый приемный резервуар 34, который состоит из инжекционной пластины 33 с соответствующими инжекционными отверстиями 35 и задней пластины 40, причем обе пластины являются соединенными на общем ободе. В этом случае также для крепления и подачи находящегося под давлением охлаждающего воздуха на приемный резервуар 34 используется полый стержень 36 с крепежным элементом 38. Крепление 36, 38 является расположенным в центре относительно сегмента 32 горячих газов. Сегмент 32 горячих газов является уплотненным относительно несущего элемента 31 посредством уплотнителя (шнурового уплотнителя) 37. В качестве боковой стенки 41 для канавки, принимающей уплотнитель 37, используется соответственно обод приемного резервуара 34 или инжекционной пластины 33.
Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением (см. фиг. 2 и фиг. 3) инжекционная пластина 23, 33 является частью закрытого приемного резервуара 24, 34, который является непосредственно установленным на несущем элементе 21, 31. По причине практически идентичных температур металла инжекционной пластины 23, 33 и несущего элемента 21, 31 относительно установки инжекционной пластины 23, 33 на несущем элементе 21, 31 потребность в дополнительном уплотнителе отсутствует. Однако уплотнитель при установке может быть оптимизирован посредством уплотнительного края (то есть через напряжение по Герцу).
По причине закрытого приемного резервуара 24, 34 инжекционной пластины утечку во всем сегменте 22, 32 горячих газов (HGS) определяет только давление на выходе инжекционной пластины 23,33. Уменьшенный таким способом массовый расход по утечке улучшает эффективность охлаждения машины (газовой турбины).
Индивидуальная и раздельная установка инжекционной пластины 23, 33 на несущем элементе 21, 31 в результате приводит к расцеплению инжекционной пластины 23, 33 и сегмента 22, 32 горячих газов (HGS). Таким образом, инжекционная пластина 23, 33 и сегмент 22, 32 горячих газов обладают способностью термически расширяться независимо друг от друга. Это продлевает продолжительность срока службы инжекционной пластины 23, 33 и сегмента 22, 32 горячих газов, а также заменяет собой обеспечение разгрузочных щелей на инжекционной пластине 23, 33.
Более того, инжекционная пластина 33 (фиг. 3) может действовать в качестве боковой стенки 41 для уплотняющего средства 37 между несущим элементом 31 и сегментом 32 горячих газов. Поскольку инжекционная пластина 33 образует боковую стенку 41 на стороне низкого давления, предотвращается выдавливание шнурового уплотнителя 37 из канавки.
Когда ядро потока горячих газов через машину не будет подвергаться воздействию воздуха для инжекционного охлаждения, утечка воздуха для инжекционного охлаждения может осуществляться между щелей прилегающих сегментов 32a-c горячих газов (фиг. 4) или прилегающих сегментов 32a, 32b горячих газов (фиг. 5) посредством эффузии или пленочного охлаждения. Для гарантирования определенного массового расхода по охлаждению даже в случае закрытых щелей может быть использована взаимно ступенчатая конфигурация с дополнительными канавками 43, 43a, 44a, 44b (см. фиг. 4 и фиг. 5).
Как можно увидеть на фиг. 4 и на фиг. 5, на несущем элементе 31 рядом друг с другом расположены множество отдельных сегментов 32a-c горячих газов с внутренними инжекционными пластинами 33a, 33b и уплотнителями 37a, 37b, посредством чего указанные сегменты 32a-c горячих газов прилегают друг к другу посредством соответственно параллельных боковых стенок 42 или 42a,b. На внешней стороне прилегающих боковых стенок 42, 42a,b предусмотрено множество канавок 43a, 44a, 44b. (Прямолинейные и наклонные) канавки 43a, 44a, 44b обеих боковых стенок 42, 42a,b начинаются внутри области боковых стенок и выходят в область горячих газов с внешней стороны указанных сегментов 32a-c горячих газов. Канавки 43a, 44a, 44b обеих боковых стенок 42a,b совпадают попарно друг с другом (см. фиг. 5), и каждая пара канавок 43a, 44b является соединенной посредством охлаждающего отверстия 45 с внутренней частью одного из прилегающих сегментов 32a-c горячих газов. На фиг. 4 каждая вторая канавка 44a выполнена с охлаждающим отверстием 45, в то время как оставшиеся канавки 43a находятся без соединения с внутренней частью соответствующего сегмента горячих газов. В боковой стенке прилегающего сегмента горячих газов распределение охлаждающих отверстий 45 является обратным, то есть охлаждающие отверстия 45 расположены поочередно на одном и другом из прилегающих сегментов 32a-c горячих газов в виде серии пар канавок 43a, 43b (не показаны) и пар канавок 44a, 44b.
Предпочтительно, охлаждающие отверстия 45 расположены в начале канавок 44a,b.
Как уже было указано, обладающая признаками изобретения конфигурация охлаждения (вариант осуществления по фиг. 3-5) может, главным образом, применяться в переходной области камеры сгорания газовой турбины в соответствии с документом EP 2 428 647 A1.
Преимуществами настоящего изобретения являются:
Полное расцепление инжекционной пластины и сегмента горячих газов (HGS). Это обеспечивает возможность:
- упрощенной проверки инжекционной пластины и сегмента горячих газов;
- простого восстановительного ремонта сегмента горячих газов (HGP) (нет необходимости снимать инжекционную пластину); это уменьшает объем технических затрат и восстановительный ремонт является менее затратным финансово;
- более высокой продолжительности срока службы инжекционной пластины, поскольку отсутствует прямой контакт с сегментом горячих газов; таким образом, инжекционная пластина может использоваться повторно без восстановительного ремонта;
- существенно более низкой утечки в сегменте горячих газов, поскольку только часть (например, 1/3) от общего перепада давления (в камере сгорания) происходит на соответствующем уплотнителе;
- невыполнения разгрузочных щелей, поскольку термические свойства инжекционной пластины являются независимым от термических свойств сегмента горячих газов; в дополнение к этому по причине невыполненных разгрузочных щелей необходимый массовый расход охлаждающего воздуха может держаться на низком уровне;
- уменьшения временного периода для установки и демонтажа, поскольку отсутствует необходимость установки и демонтажа инжекционной пластины с несущего элемента.
Являются возможными установка/демонтаж в аксиальном направлении (в диапазоне от 5 мм до 8 мм).
Повторная конфигурация инжекционной пластины предоставляет возможность равномерного или оптимизированного охлаждения во всех направлениях, поскольку эффективность охлаждения может регулироваться, с точки зрения эффективности затрат, в радиальном (через боковые стенки), аксиальном и в окружном направлении посредством высверливания соответствующих отверстий для инжекционного охлаждения.
В дополнение к этому инжекционный воздух может использоваться - при необходимости - во время дополнительной ступени охлаждения (эффузионного охлаждения, пленочного охлаждения, инжекционного охлаждения, предотвращающих подсос горячих газов). В качестве примера, при условии наличия необходимого давления последовательно могут быть использованы две ступени инжекционного охлаждения. Таким способом дорогостоящий охлаждающий воздух может быть использован более эффективно.
Повторная конфигурация инжекционной пластины предоставляет возможность использования инжекционной пластины для определения боковой стенки для шнурового уплотнителя на стороне низкого давления (см. фиг. 3 и фиг. 5).
Инжекционная пластина может быть установленной с использованием центрального крепления относительно сегмента горячих газов. Это предоставляет возможность минимизированных относительных смещений между несущим элементом и креплением инжекционной пластины при переходных рабочих состояниях машины, таких как запуск или загрузка газовой турбины.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
10, 20, 30 - Устройство сегмента горячих газов (HGP)
11, 21, 31 - Несущий элемент
11a - Отверстие
12, 22, 32 - Сегмент горячих газов (HGS)
13, 23, 33 - Инжекционная пластина
14 - Вставка
15, 25, 35 - Инжекционное отверстие
16 - Крепление (посредством пайки или сварки)
17, 27, 37 - Уплотнитель (шнуровой уплотнитель)
18 - Окружное крепление
19, 29, 39 - Зацеп
24, 34 - Приемный резервуар (с инжекционной пластиной)
26, 36 - Стержень
28, 38 - Крепежный элемент
32a-c - Сегмент горячих газов
33a, 33b - Инжекционная пластина
40 - Задняя пластина
41 - Боковая стенка (инжекционной пластины)
42, 42a, 42b - Боковая стенка (HGS)
43, 43a, 44a, 44b - Канавка
45 - Охлаждающее отверстие