КОЛЬЦЕВОЙ КОРПУС СТАТОРА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ И УСТРОЙСТВО ОХЛАЖДЕНИЯ КОЛЬЦЕВОГО КОРПУСА
GAS TURBINE STATOR ANNULAR HOUSING AND METHOD OF ITS COOLING

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройствам охлаждения кольцевых корпусов, окружающих канал течения горячих газов в газовых турбинах. Более конкретно, оно охватывает устройство охлаждения, позволяющее направлять и использовать охлаждающий воздух, поступающий из протечек уплотнений в местах соединения кольцевых сегментов, образующих кольцо, с несущими их элементами.
Уровень техники
В газовой турбине, например в турбине высокого давления турбомашины, рабочие (подвижные) лопатки окружены по всей окружности неподвижной оболочкой, образующей неподвижный кольцевой корпус статора.
Наиболее близкими аналогами заявленной группы изобретений являются кольцевой корпус статора в газовой турбине и устройство его охлаждения, описанные в US 5197853, 1993.
Известный кольцевой корпус, который является сегментированным, т.е. состоит из кольцевых сегментов, соединенных встык, частично ограничивает канал прохождения горячих газов, поступающих из камеры сгорания турбомашины и проходящих через турбину.
Кольцевые сегменты прикреплены к корпусу неподвижной поддерживающей перемычкой, также разделенной на сегменты перемычки. Точнее, кольцевые сегменты прикреплены к сегментам перемычки при помощи передних и задних (относительно направления течения газов) систем крепления. Кроме того, кольцевые сегменты и сегменты перемычки расположены одни относительно других так, что образуют кольцевую полость (так называемую «напорную полость»), заключенную в радиальном направлении между кольцевыми стенками сегментов перемычки и кольцевыми сегментами, параллельными оси статора (называемыми далее аксиальными стенками).
Кольцевые сегменты известного корпуса статора оборудованы устройствами охлаждения, позволяющими им выдерживать высокие температуры горячих газов, с которыми они находятся в контакте. В известном устройстве охлаждения кольцевых сегментов использованы предусмотренные в сегментах перемычки отверстия подачи охлаждающего воздуха таким образом, чтобы обеспечить подачу воздуха в напорную полость, образованную между кольцевыми сегментами и сегментами оболочки, и отверстия выпуска воздуха, предусмотренные в стенках кольцевых сегментов и соединяющие эту полость с каналом прохождения горячих газов. В напорной полости имеется "напорная" пластина, расположенная между отверстием подачи воздуха и отверстиями выпуска воздуха кольцевых сегментов. Под воздействием разности давлений с разных сторон напорной пластины воздух проходит через нее, соударяется со стенками охлаждаемых кольцевых сегментов и выходит через отверстия выпуска воздуха, предусмотренные в этих стенках.
Конструкции такого типа, как правило, позволяют добиться эффективного охлаждения кольцевых сегментов. Однако вследствие значительной разности давлений между напорной полостью и каналом прохождения горячих газов, в системах крепления кольцевых сегментов к сегментам перемычки возникают течи воздуха. Эти течи приводят к снижению герметичности известных систем крепления. На практике воздух, выходящий через эти течи, проходит в тангенциальном направлении вдоль кольцевого сегмента и выходит в канал прохождения горячих газов вблизи зоны соединения двух соседних кольцевых сегментов. Следовательно, этот воздух, который может составлять до 0,2% суммарного потока охлаждающего воздуха, не участвует в охлаждении кольцевых сегментов. Такое количество неиспользуемого воздуха не является пренебрежимо малым, т.е. его потеря может негативно сказаться на охлаждении частей турбомашины.
Для устранения этого недостатка в известном устройстве охлаждения, описанном в US 5197853, имеются средства предотвращения или уменьшения указанных течей из напорной полости, выполненные в виде элементов, улучшающих герметизацию данной полости вдоль ее границ с передними и задними системами крепления кольцевых сегментов. Однако подобные средства существенно усложняют конструкцию известного устройства и соответственно увеличивают трудоемкость и стоимость его изготовления.
Раскрытие изобретения
Таким образом, задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в устранении указанных недостатков путем предложения устройства охлаждения, которое позволило бы использовать воздух, поступающий из течей, для охлаждения кольцевых сегментов и тем самым устранило бы необходимость в усложнении конструкции устройства введением дополнительных средств предотвращения или уменьшения указанных течей из напорной полости.
Для решения поставленной задачи предлагается устройство охлаждения кольцевого корпуса статора, окружающего канал прохождения горячих газов в газовой турбине, причем указанный кольцевой корпус содержит кольцевые сегменты, прикрепленные при помощи передних и задних систем крепления к сегментам перемычки. Сегменты перемычки образуют неподвижную поддерживающую перемычку, окружающую указанный кольцевой корпус и ограничивающую, по меньшей мере, одну расположенную между ними кольцевую напорную полость, в которую выходит, по меньшей мере, одно отверстие подачи охлаждающего воздуха. Стенки каждого из кольцевых сегментов содержат отверстия выпуска воздуха, соединяющие напорную полость с каналом прохождения горячих газов. Устройство по изобретению характеризуется тем, что дополнительно содержит средства направления воздуха, поступающего из течей в системах крепления между кольцевыми сегментами и сегментами перемычки, к, по меньшей мере, одному из краев кольцевых сегментов в направлении оси статора (далее - аксиальных краев), находящемуся в контакте с горячими газами, для его охлаждения.
Таким образом, воздух, поступающий из течей в системах крепления, не расходуется бесцельно, а служит для охлаждения кольцевых сегментов. На практике это позволяет снизить температуру некоторых частей кольцевых сегментов на величину, достигающую приблизительно 20°С.
В оптимальном варианте устройство охлаждения содержит передний контур, направляющий воздух, поступающий из течей в каждой из передних систем крепления, к переднему участку кольцевых сегментов с целью его охлаждения.
Такой передний контур может содержать, по меньшей мере, один осевой (т.е. вытянутый параллельно оси статора) вырез для прохождения воздуха, выходящий в переднюю круговую полость, расположенную в радиальном направлении между передним внутренним выступом и аксиальной стенкой сегмента перемычки, и соединяющий ее с передней выемкой кольцевого сегмента, прикрепленного к данному сегменту перемычки.
В предпочтительном варианте передний контур содержит несколько осевых вырезов для прохождения воздуха, регулярно распределенных по окружности. Вырезы для прохождения воздуха могут быть предусмотрены в переднем внешнем выступе кольцевого сегмента и/или в переднем внутреннем выступе сегмента перемычки.
Другая частная особенность изобретения заключается в том, что в оптимальном варианте устройство содержит задний контур, направляющий воздух, поступающий из течей в каждой из задних систем крепления, к заднему участку кольцевых сегментов с целью его охлаждения.
Такой задний контур может содержать, по меньшей мере, один осевой вырез для прохождения воздуха, выходящий в заднюю круговую полость, расположенную в радиальном направлении между задними внешними выступами кольцевого сегмента и сегмента перемычки, и соединяющий ее с задней выемкой кольцевого сегмента.
В предпочтительном варианте задний контур содержит несколько осевых вырезов для прохождения воздуха, регулярно распределенных по окружности. Вырезы для прохождения воздуха могут быть предусмотрены в заднем внешнем выступе кольцевого сегмента и/или во внутренней ветви зажима.
Настоящее изобретение охватывает также кольцевой корпус статора, окружающий канал прохождения горячих газов в газовой турбине и содержащий описанное устройство охлаждения.
Краткое описание чертежей
Другие свойства и достоинства настоящего изобретения станут ясны из нижеследующего описания, содержащего ссылки на прилагаемые чертежи, которые иллюстрируют пример осуществления изобретения, не вносящий каких-либо ограничений. На чертежах:
- фиг.1 изображает в продольном разрезе устройство охлаждения по одному из вариантов осуществления изобретения;
- фиг.2 изображает в перспективе кольцевой сегмент, оборудованный устройством охлаждения по фиг.1;
- фиг.3 изображает в продольном разрезе устройство охлаждения по другому варианту осуществления изобретения.
Осуществление изобретения
На фиг.1 изображена турбина 2 высокого давления, содержащая рабочие (подвижные) лопатки 4, расположенные в канале 6 прохождения горячих газов, поступающих из камеры сгорания (не представлена) и текущих в направлении, обозначенном стрелкой 7. Эти лопатки 4 окружены кольцевым корпусом статора по всей окружности кольцевой оболочки с осью XX', образующей корпус 8 турбомашины.
Кольцевой корпус статора является сегментированным, т.е. состоит из нескольких кольцевых сегментов 10, соединенных встык и образующих непрерывную кольцевую поверхность, частично окружающую канал 6 прохождения горячих газов.
Кольцевые сегменты 10 прикреплены к корпусу 8 перемычкой, также разделенной на несколько сегментов 12 перемычки. Каждый сегмент 12 перемычки прикреплен к корпусу 8 выступами 14, которые входят в осевом направлении в выемки 16, предусмотренные в корпусе 8. Каждый кольцевой сегмент 10 прикреплен к сегменту 12 перемычки при помощи передней и задней систем крепления.
Каждая передняя система крепления состоит из передней выемки 18, предусмотренной в передней радиальной стенке 10а кольцевого сегмента 10, и переднего внутреннего выступа 20, имеющегося на передней радиальной стенке 12а сегмента 12 перемычки, к которому крепится данный кольцевой сегмент.
Передняя выемка 18 кольцевого сегмента 10 расположена в радиальном направлении между передним участком 22 кольцевого сегмента и передним внешним выступом 24, выступающими в осевом направлении из передней радиальной стенки 10а кольцевого сегмента, причем передний участок 22 кольцевого сегмента находится в непосредственном контакте с горячими газами, текущими в канале 6. Передний внутренний выступ 20 сегмента 12 перемычки входит в осевом направлении в определенную таким образом переднюю выемку 18.
Каждая задняя система крепления состоит из задней выемки 26, предусмотренной в задней радиальной стенке 10b кольцевого сегмента 10, заднего внешнего выступа 28, расположенного на задней радиальной стенке 12b сегмента 12 перемычки, к которому крепится данный кольцевой сегмент, и зажима 30.
Задняя выемка 26 кольцевого сегмента 10 расположена в радиальном направлении между задним участком 32 кольцевого сегмента и задним внешним выступом 34, выступающими в осевом направлении из задней радиальной стенки 10b кольцевого сегмента, причем задний участок 32 кольцевого сегмента находится в непосредственном контакте с горячими газами, текущими в канале 6. Задний внешний выступ 28 сегмента 12 перемычки упирается в радиальном направлении в задний внешний выступ 34 кольцевого сегмента 10.
Зажим 30, представляющий собой С-образную скобу, охватывает задние внешние выступы 34, 28 соответственно кольцевого сегмента 10 и сегмента 12 перемычки и, таким образом, обеспечивает их взаимное прижатие в радиальном направлении.
Кроме того, кольцевые сегменты 10 и сегменты 12 перемычки расположены одни относительно других таким образом, что образуют, по меньшей мере, одну кольцевую полость 36, называемую «напорной полостью» и предназначенную для охлаждения кольцевых сегментов 10. Эта напорная полость ограничена в радиальном направлении аксиальной кольцевой стенкой 12с сегментов 12 перемычки и аксиальной кольцевой стенкой 10с кольцевых сегментов 10.
Сегменты 12 перемычки содержат также, по меньшей мере, одно отверстие 38 подачи охлаждающего воздуха, выходящее в напорную полость 36 для снабжения ее охлаждающим воздухом. Этот охлаждающий воздух может поступать из потока воздуха, обтекающего камеру сгорания турбомашины.
В стенках кольцевых сегментов 10 предусмотрены отверстия 40 выпуска воздуха, соединяющие напорную полость 36 и канал 6 прохождения горячих газов (фиг.2). Точнее, эти отверстия 40 выпуска воздуха выходят в канал 6 вблизи переднего участка 22 кольцевого сегмента 10 (т.е. в наиболее горячей зоне) и наклонены относительно осевого и радиального направлений, чтобы увеличить поверхность теплообмена.
Напорная пластина 42, имеющая U-образное сечение, в дне которой предусмотрены отверстия 44, также находится в напорной полости 36, между отверстием 38 подачи воздуха и отверстиями 40 выпуска воздуха. Под воздействием разности давлений по разные стороны напорной пластины 42 воздух проходит сквозь нее через отверстия 44, соударяется со стенками охлаждаемых кольцевых сегментов 10 и выходит через отверстия 40 выпуска воздуха в переднем участке 22 этих сегментов.
В передних и задних системах крепления возникают течи воздуха. Точнее, вследствие разности давлений, существующей между напорной полостью 36 и каналом 6 прохождения горячих газов, охлаждающий воздух, поступающий в полость 36, выходит через передние и задние крепления по пути, обозначенному на фиг.1 стрелками 46. Воздух, как правило, выходит в канал 6 прохождения горячих газов вблизи стыков соседних кольцевых сегментов 10. Кроме того, утечки через передние крепления более значительны, чем через задние крепления.
В соответствии с изобретением вместо попыток уменьшения течей через передние и задние системы крепления, предусмотрены средства направления воздуха, поступающего из этих течей, к, по меньшей мере, одному из аксиальных краев кольцевых сегментов 10, находящихся в контакте с горячими газами, с целью его охлаждения.
В частности, для направления воздуха, вытекающего через передние системы крепления, предусмотрен передний контур, содержащий, по меньшей мере, один осевой вырез 48, 50 для прохождения воздуха, выходящий в переднюю круговую полость 52, заключенную в радиальном направлении между передним внутренним выступом 20 и аксиальной стенкой 12с сегмента 12 перемычки и соединяющий ее с передней выемкой 18 кольцевого сегмента 10, прикрепленного к данному сегменту 12 перемычки.
Как показано на фиг.1 и 2, вырез или вырезы 48 для прохождения воздуха в переднем контуре могут быть предусмотрены в переднем внешнем выступе 24 кольцевых сегментов 10. В альтернативном варианте вырез или вырезы 50 для прохождения воздуха в переднем контуре могут быть предусмотрены в переднем внутреннем выступе 20 сегментов 12 перемычки (фиг.3).
В соответствии с еще одним альтернативном вариантом, не представленным на чертежах, вырезы для прохождения воздуха в переднем контуре могут быть предусмотрены в переднем внешнем выступе 24 кольцевых сегментов 10 и в переднем внутреннем выступе 20 сегментов 12 перемычки.
Таким образом, воздух, поступающий из напорной полости 36 и протекающий через передние системы крепления, направляется в переднюю круговую полость 52, а затем - в переднюю выемку 18 кольцевых сегментов 10, проходя через вырезы 48, 50 для прохождения воздуха, и выводится в канал 6 прохождения горячих газов. Это позволяет обеспечить конвекционное охлаждение этим воздухом переднего участка 22 кольцевого сегмента 10, особенно подверженного воздействию горячих газов и трудно охлаждаемого.
Точнее, при величине потока, приблизительно равной 0,2% суммарного потока воздуха, охлаждающего кольцевые сегменты 10, воздух, вытекающий через передние крепления, позволяет снизить температуру поверхности переднего участка 22 кольцевого сегмента, находящейся в контакте с горячими газами, на величину, достигающую 10°С, а температуру верхней (наиболее удаленной от оси турбомашины) поверхности данного участка - на величину, достигающую 20°С.
В предпочтительном варианте передний контур может содержать несколько осевых вырезов 48, 50 для прохождения воздуха, равномерно распределенных по окружности. Их количество и форма могут быть различными.
Для направления воздуха, вытекающего через задние системы крепления, предусмотрен задний контур, содержащий, по меньшей мере, один осевой вырез 54, 56 для прохождения воздуха, выходящий в заднюю круговую полость 58, заключенную в радиальном направлении между задними внешними выступами 34, 28 соответственно кольцевого сегмента 10 и сегмента 12 перемычки, и соединяющий ее с задней выемкой 26 кольцевого сегмента.
Вырез или вырезы 54 для прохождения воздуха в заднем контуре могут быть предусмотрены в заднем внешнем выступе 34 кольцевого сегмента 10 (фиг.1). В альтернативном варианте вырез или вырезы 56 для прохождения воздуха в заднем контуре могут быть предусмотрены во внутренней ветви 30а зажима 30 (фиг.3).
В соответствии с еще одним альтернативном вариантом, не представленным на чертежах, вырезы для прохождения воздуха в заднем контуре могут быть предусмотрены в заднем внешнем выступе 34 кольцевого сегмента 10 и во внутренней ветви 30а зажима 30.
В предпочтительном варианте задний контур может содержать несколько осевых вырезов 54, 56 для прохождения воздуха, равномерно распределенных по окружности. Их количество и форма могут быть различными.
Таким образом, воздух, поступающий из напорной полости 36 и вытекающий через задние системы крепления, направляется в заднюю круговую полость 58, а затем - в заднюю выемку 26 кольцевых сегментов 10, проходя через вырез или вырезы 54, 56 для прохождения воздуха, и выводится в канал 6 прохождения горячих газов. Это позволяет обеспечить конвекционное охлаждение этим воздухом заднего участка 32 кольцевых сегментов 10, охлаждение которого особенно затруднено.