Охлаждающий бандажный узел турбины для газотурбинной установки (варианты)
COOLING RETAINING RING ASSEMBLY OF TURBINE FOR GAS TURBINE PLANT (VERSIONS)

Предпосылки изобретения
[0001] Изобретение, описанное в настоящем документе, относится к газотурбинным установкам и, в частности, к охлаждающим бандажным узлам турбины для таких газотурбинных установок.
[0002] В газовой турбине камера сгорания преобразует химическую энергию топлива или топливно-воздушной смеси в тепловую энергию. Тепловая энергия переносится текучей средой, часто сжатым воздухом, от компрессора к турбине, в которой тепловая энергия преобразуется в механическую энергию. Во время этого процесса преобразования горячий газ поднимается вверх и протекает через части турбины, служащие в качестве тракта для горячего газа. Высокие температуры вдоль тракта для горячего газа могут нагревать элементы турбины, приводя к разрушению элементов.
[0003] Бандажи турбин представляют собой пример элемента, который подвергается воздействию тракта горячего газа и часто содержит две отдельные части, такие как внутренний бандаж и внешний бандаж. Внутренний бандаж и внешний бандаж обычно изготавливаются из двух различных материалов, которые слабо соединены друг с другом. Слабое соединение может быть осуществлено путем перемещения скольжением внутреннего бандажа по направляющей внешнего бандажа или путем скрепления внутреннего бандажа и направляющей внешнего бандажа. Такая конструкция обеспечивает возможность выполнения внешнего бандажа, который остается холодным во время работы, из менее дорогостоящих материалов, но приводит к протечке охлаждающего потока из бандажа турбины, основываясь на допуске существенно отличающихся друг от друга коэффициентов расширения между горячим внутренним бандажом и холодным наружным бандажом.
Сущность изобретения
[0004] В соответствии с одним аспектом изобретения охлаждающий бандажный узел турбины для газотурбинной установки содержит внешний бандажный элемент, расположенный внутри турбинной секции газотурбинной установки вблизи корпуса турбины и имеющий по меньшей мере один воздуховод для приема воздушного потока. Также имеется внутренний бандажный элемент, расположенный в радиальном внутреннем направлении относительно внешнего бандажного элемента и жестко с ним соединенный, причем внутренний бандажный элемент имеет микроканалы, проходящие в окружном направлении, или осевом направлении, или в обоих этих направлениях, для охлаждения внутреннего бандажного элемента воздушным потоком из указанного по меньшей мере одного воздуховода.
[0005] В соответствии с другим аспектом изобретения охлаждающий бандажный узел турбины для газотурбинной установки содержит внешний бандажный элемент, расположенный внутри турбинной секции газотурбинной установки вблизи корпуса турбины. Также предусмотрен внутренний бандажный элемент, расположенный в радиальном внутреннем направлении относительно внешнего бандажного элемента и имеющий микроканалы, при этом внешний бандажный элемент и внутренний бандажный элемент выполнены из одного материала. Кроме того, предусмотрен отбойник, имеющий отверстия для направления воздуха к указанным микроканалам.
[0006] В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения охлаждающий бандажный узел турбины для газотурбинной установки содержит внешний бандажный элемент, расположенный внутри турбинной секции газотурбинной установки вблизи корпуса турбины. Также имеется внутренний бандажный элемент, расположенный в радиальном внутреннем направлении относительно внешнего бандажного элемента и жестко с ним соединенный, причем внутренний бандажный элемент имеет микроканалы для охлаждения внутреннего бандажного элемента. Кроме того, предусмотрен отбойник, имеющий отверстия для направления воздуха к указанным микроканалам.
[0007] Эти и другие преимущества и признаки станут более очевидными из последующего описания, взятого совместно с чертежами.
Краткое описание чертежей
[0008] Рассматриваемое изобретение особо отмечается и отчетливо заявляется в формуле изобретения в заключение описания. Эти и другие признаки и преимущества изобретения очевидны из следующего подробного описания, взятого совместно с прилагаемыми чертежами, на которых:
[0009] Фиг.1 изображает схему газотурбинной установки;
[0010] Фиг.2 представляет собой охлаждающий бандажный узел турбины, выполненный в соответствии с первым вариантом выполнения, имеющий внутренний бандажный элемент и внешний бандажный элемент;
[0011] Фиг.3 представляет собой охлаждающий бандажный узел турбины, выполненный в соответствии с первым вариантом, изображенный на Фиг.2, в котором внутренний бандажный элемент и внешний бандажный элемент выполнены из одного материала;
[0012] Фиг.4 представляет собой охлаждающий бандажный узел турбины, выполненный в соответствии со вторым вариантом выполнения;
[0013] Фиг.5 представляет собой охлаждающий бандажный узел турбины, выполненный в соответствии с третьим вариантом выполнения;
[0014] Фиг.6 представляет собой охлаждающий бандажный узел турбины, выполненный в соответствии с четвертым вариантом выполнения; и
[0015] Фиг.7 представляет собой охлаждающий бандажный узел турбины, выполненный в соответствии с пятым вариантом выполнения.
[0016] Подробное описание объясняет варианты выполнения изобретения с его преимуществами на примере со ссылкой на чертежи.
Подробное описание изобретения
[0017] На Фиг.1 газотурбинная установка схематически показана номером позиции 10. Газотурбинная установка 10 содержит компрессор 12, камеру 14 сгорания, турбину 16, вал 18 и топливную форсунку 20. Следует понимать, что один вариант выполнения газотурбинной установки 10 может содержать несколько компрессоров 12, камер 14 сгорания, турбин 16, валов 18 и топливных форсунок 20. Компрессор 12 и турбина 16 соединены посредством вала 18. Вал 18 может представлять собой один вал или нескольких сегментов вала, соединенных друг с другом с образованием вала 18.
[0014] Для запуска газотурбинной установки 10 камера 14 сгорания использует горючее жидкое и/или газообразное топливо, такой как природный газ или обогащенный водородом синтез-газ. Например, топливные форсунки 20 находятся в проточном сообщении с источником воздуха и источником 22 топлива. Топливные форсунки 20 создают воздушно-топливную смесь и выпускают воздушно-топливную смесь в камеру 14 сгорания, в результате чего происходит сгорание, которое создает горячие выхлопные газы под давлением. Камера 14 сгорания направляет горячий газ под давлением через переходной патрубок в сопловой аппарат турбины (или «сопловой аппарат первой ступени»), а остальные ступени рабочих лопаток и сопловых лопаток вызывают вращение лопаток турбины в корпусе 24 турбины. При вращении лопаток турбины вал 18 также вращается, сжимая, тем самым, воздух, когда тот проходит в компрессор 12. В варианте выполнения элементы тракта для горячего газа расположены в турбине 16, в которой поток горячего газа, протекающий через элемент, приводит к ползучести, окислению, износу и термической усталости элементов турбины. Управление температурой элементов, подверженных воздействию горячего газа, может уменьшить режим усталости в них, причем коэффициент полезного действия газотурбинной установки 10 увеличивается с увеличением температуры горения. По мере увеличения температуры горения элементы тракта для горячего газа должны быть должным образом охлаждены для удовлетворения требований к сроку службы и для эффективного выполнения требуемой функциональности.
[0019] На Фиг.2 и 3 показан разрез первого варианта выполнения охлаждающего бандажного узла 100 турбины. Бандажный узел представляет собой пример элемента, расположенного в турбине 16 вблизи корпуса 24 турбины и подверженного воздействию тракта горячего газа, подробно описанного выше. Охлаждающий бандажный узел 100 содержит внутренний бандажный элемент 102, внутренняя поверхность 104 которого расположена вблизи тракта горячего газа в турбине 16. Охлаждающий узел 100 также содержит внешний бандажный элемент 106, который расположен в целом вблизи относительно холодной текучей среды и/или воздуха в турбине 16. Для улучшения охлаждения всего охлаждающего бандажного узла 100 по меньшей мере один воздуховод 105, образованный в внешнем бандажном элементе 106 для направления холодной текучей среды и/или воздуха в охлаждающий узел 100. В частности, внутри элемента 106 может быть предусмотрена камера 108 для приема и направления холодной текучей среды и/или воздуха к микроканалам 110, расположенным внутри внутреннего бандажного элемента 103. Внутренняя поверхность 104 содержит слой, расположенный вблизи микроканалов 110, охватывая, тем самым, микроканалы 110, чтобы защитить их от прямого воздействия тракта горячего газа. Покрывающий слой, расположенный ближе всего к каналу, может содержать нанесенное распылением связующее покрытие, покрывающее открытие канала, тонкий слой металла, припаянный или приваренный поверх одного или нескольких отверстий, или любой другой подходящий способ для герметичного закрытия микроканала(ов). Этот слой может также содержать теплозащитное покрытие ("ТВС"), и может представлять собой любой подходящий теплозащитный материал. Например, ТВС может представлять собой диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия, и может быть нанесен с помощью физического осаждения из паровой фазы или в процессе термического напыления. В качестве альтернативы, ТВС может представлять собой керамику, такую как, например, тонкий слой оксида циркония, модифицированный другими тугоплавкими оксидами, такими как оксиды, сформированные из элементов IV, V и VI группы, или оксидами, модифицированными элементами лантанидов, такими как La, Nd, Gd, Yb и тому подобными. Этот слой может варьироваться по толщине от приблизительно 0,4 мм до приблизительно 1,5 мм, однако следует иметь в виду, что толщина может варьироваться в зависимости от конкретного применения.
[0020] Внутренний бандажный элемент 102 жестко соединен с внешним бандажным элементом 106 таким образом, что достигается непосредственное плотное соединение. Соединение может быть выполнено с помощью различных доступных механических креплений или процессов, таких как, например, болты, склеивание, сварка или пайка. Крепеж и процессы приведены лишь для иллюстративных целей, при этом следует понимать, что может быть использован любой крепеж или процесс, который обеспечивает непосредственное плотное соединение между элементами 102 и 106. Пониженная протечка охлаждающей текучей среды и/или воздуха из охлаждающего узла 100 в тракт для горячего газа улучшает охлаждение охлаждающего узла 100 и обеспечивает газ с более высокой температурой для преобразования тепловой энергии в механическую энергию в турбине 16. Такое снижение протечки осуществляется за счет соединения заподлицо между элементами 102 и 106. Элементы 102 и 106 могут быть выполнены из двух различных материалов (Фиг.2) или из одного однородного материала (Фиг.З). Один однородный материал может быть задействован благодаря адекватному охлаждению узла 100, более конкретно адекватному охлаждению элемента 102.
[0021] Охлаждение элементов 106 и 102 достигается путем приема воздушного потока охлаждающей текучей среды и/или воздуха из источника текучей среды (не показан), такого как камера и/или насос. Источник текучей среды обеспечивает охлаждающую текучую среду, которая может включать воздух, раствор воды и/или газ. Охлаждающая текучая среда представляет собой любую подходящую текучую среду, которая охлаждает элементы турбины и выбранные области газового тракта, такие как области высокой температуры и давления охлаждающего узла 100. Например, источник охлаждающей текучей среды представляет собой источник сжатого воздуха из компрессора 12, причем сжатый воздух отводится из источника воздуха, который направляется в камеру 14 сгорания. Таким образом, источник сжатого воздуха обходит камеру 14 сгорания и используется для охлаждения узла 100.
[0022] Охлаждающая текучая среда протекает из источника текучей среды через указанный по меньшей мере один воздуховод 105 в камеру 108 элемента 106. После этого охлаждающая текучая среда, или воздушный поток, направляется во входные отверстия 112 микроканалов, которые ведут к микроканалам 110. Отбойник 114, расположенный внутри охлаждающего узла 100 турбины, имеет отверстия 116, которые обеспечивают струйный эффект принудительного охлаждения и приводят охлаждающую текучую среду в столкновение с отверстиями 112 микроканалов. В проиллюстрированном варианте выполнения входные отверстия 112 проходят по существу в радиальном направлении от элемента 106, а более конкретно, от камеры 108, по направлению к элементу 102, а более конкретно, к микроканалам 110. Следует иметь в виду, что входные отверстия 112 могут проходить в альтернативных направлениях и могут быть совмещены под углами, например, в различных конфигурациях. Независимо от точного совмещения входных отверстий 112, охлаждающая текучая среда или воздушный поток направляется в микроканалы 110, выполненные в элементе 102 в целях охлаждения. Микроканалы 110 проходят вдоль по меньшей мере части элемента 102 и обычно вдоль внутренней поверхности 104. Совмещение микроканалов 110 может быть выполнено в различных направлениях, в том числе в осевом и окружном направлениях, или в их комбинации, по отношению, например, к газотурбинной установке 10. Микроканалы 110 расположены вдоль внутренней поверхности 104, в зависимости от их близости к тракту горячего газа, что особенно восприимчиво к рассмотренным выше проблемам, связанным с относительно высокой температурой материала. Несмотря на то, что изобретение описано в связи с бандажом турбины, следует понимать, что различные другие элементы турбины, находящиеся в непосредственной близости от тракта для горячего газа, могут получать выгоду от наличия таких микроканалов. Такие элементы могут включать, но не ограничиваются этим, сопловые лопатки, рабочие лопатки и направляющие диски турбины, в дополнение к описанным в настоящем документе бандажам турбины.
[0023] Соответственно, микроканалы 110 уменьшают количество сжатого воздуха, используемого для охлаждения, благодаря улучшению охлаждения охлаждающим узлом 100 турбины, в частности, внутри элемента 102. В результате увеличенное количество сжатого воздуха направляется в камеру 14 сгорания для преобразования в механическую мощность, чтобы повысить общую производительность и коэффициент полезного действия газотурбинной установки 10, одновременно увеличивая срок службы элемента турбины путем уменьшения термической усталости. Кроме того, непосредственное плотное совмещение элемента 102 с элементом 106 уменьшает смещение и тепловое расширение элементов 102 и 106 с различными скоростями, что снижает утечку охлаждающей текучей среды в тракт для горячего газа.
[0024] На Фиг.4 изображен второй вариант выполнения охлаждающего бандажного узла 200 турбины. Изображенный вариант выполнения, а также дополнительные варианты выполнения, описанные ниже, включают аналогичные признаки, что и первый вариант выполнения, описанный подробно выше, которые не будет повторяться в деталях, за исключением тех случаев, когда это необходимо. Кроме того, как и в случае с дополнительными вариантами выполнения, описанными ниже, будут использоваться те же самые номера позиций. Входные отверстия 112 микроканалов выполнены как в элементе 106, так и в элементе 102 таким образом, что отверстия расположены на одной линии соответствующим образом, чтобы сформировать входные отверстия 112, которые ведут к микроканалам 110. В варианте выполнения, в котором используется отбойник 114, ударное воздействие охлаждающей текучей среды или воздушного потока передается к элементу 106, совместно со столкновением с входными отверстиями 112. Такая конфигурация улучшает охлаждение элемента 106, одновременно эффективно охлаждая элемент 102.
[0025] На Фиг.5 изображен третий вариант выполнения охлаждающего бандажного узла 300 турбины. Третий вариант выполнения фокусирует области столкновения на областях, которые не имеют входных отверстий 112 микроканалов. Это достигается путем смещения отверстий 116 отбойника 114 относительно входных отверстий 112 микроканалов.
[0026] На Фиг.6 изображен четвертый вариант выполнения охлаждающего бандажного узла 400 турбины. Четвертый вариант выполнения содержит по меньшей мере один дополнительный фиксирующий крепежный элемент 402, который выполняет функцию дополнительного приспособления для крепления элемента 102 к элементу 106. Дополнительный фиксирующий крепежный элемент 402 расположен на элементе 102 и содержит крючки, зажимы или т.п., чтобы контактировать с элементом 106. В случае когда первичные фиксирующие элементы, используемые для прочного присоединения элемента 102 к элементу 106, выходят из строя, дополнительный фиксирующий крепежный элемент 402 поддерживает соединение в рабочем состоянии.
[0027] На Фиг.7 изображен пятый вариант выполнения охлаждающего бандажного узла 500 турбины. Входные отверстия 112 микроканалов размещены вдоль проходящей в радиальном направлении наружной стороны элемента 102, при этом припаянный материал между элементом 102 и элементом 106 образует уплотнение для закрытия микроканалов 110.
[0028] В отношении всех описанных выше вариантов выполнения микроканалы 110 могут быть выполнены любым подходящим способом, например путем отливки по выплавляемым моделям при формировании элемента 102. Другой иллюстративный способ формирования микроканалов 110 включает удаление материала из элемента 102 после того, как тот был сформирован. Удаление материала с образованием микроканалов 110 может включать любой подходящий способ, например использование струи воды, фрезерование, лазер, электроэрозионную обработку, любую их комбинацию или другой подходящий способ механической обработки или травления. При использовании процесса удаления сложные и извилистые узоры могут быть использованы для формирования микроканалов 110, основываясь на геометрии элемента и других ориентированных на конкретное приложение факторов, улучшая, тем самым, способность охлаждения для элемента тракта для горячего газа, такого как охлаждающего узла 100. Кроме того, в элементе 102 и предположительно в элементе 106 может быть выполнено любое число указанных микроканалов, в зависимости от требуемых характеристик охлаждения и других ограничений приложения.
[0029] Микроканалы 110 могут быть одинаковым или отличающимися друг от друга по размере или форме. В соответствии с некоторыми вариантами выполнения, микроканалы 110 могут иметь ширину в диапазоне от приблизительно 100 микрон (мкм) до 3 миллиметров (мм) и глубину в диапазоне от приблизительно 100 мкм до 3 мм, как будет обсуждаться ниже. Например, микроканалы 110 могут иметь ширину и/или глубину в диапазоне от приблизительно 150 мкм до 1,5 мм, в диапазоне от приблизительно 250 мкм до 1,25 мм, или в диапазоне от приблизительно 300 мкм до 1 мм. В некоторых вариантах выполнения микроканалы могут иметь ширину и/или глубины, меньшую, чем приблизительно 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700 или 750 мкм. Несмотря на то, что микроканалы проиллюстрированы как имеющие квадратное или прямоугольное поперечное сечение, микроканалы 110 могут иметь любую форму, которая может быть сформирована с использованием прорезания канавок, травления или аналогичных способов. Действительно, микроканалы 110 могут иметь круглую, полукруглую, изогнутую или треугольную, ромбовидную форму поперечного сечения, в дополнение к или вместо квадратного или прямоугольного сечения, как показано на чертеже. Ширина и глубина может варьироваться по всей длине. Таким образом, раскрытые срезы, пазы, канавки или углубления могут иметь прямую или изогнутую геометрию, соответствующую таким поперечным сечениям. Более того, в некоторых вариантах выполнения микроканалы могут иметь варьируемую площадь поперечного сечения. В микроканалах также могут быть предусмотрены усилители теплопередачи, такие как турбулизаторы или лунки.
[0030] Несмотря на то, что изобретение было подробно описано в связи с ограниченным количеством вариантов выполнения, должно быть понятно, что оно не ограничивается этими описанными вариантами выполнения. Напротив, изобретение может быть видоизменено, чтобы включать любое количество вариаций, изменений, замен или эквивалентных конструкций, до сих пор не описанных, но которые подпадают под сущность и объем изобретения. Кроме того, несмотря на то, что были описаны различные варианты выполнения изобретения, следует понимать, что аспекты изобретения могут включать лишь некоторые из описанных вариантов выполнения. Таким образом, изобретение не следует рассматривать как ограниченное приведенным выше описанием, оно ограничивается только объемом прилагаемой формулы изобретения.