УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ РОТОРА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ
GAS TURBINE ROTOR COOLING DEVICE

Изобретение относится к области газотурбиностроения и может быть использовано для охлаждения роторов и рабочих колес с охлаждаемыми лопатки, преимущественно высокотемпературных газовых турбин.
Известно техническое решение по патенту США 3635586, F01D 5/08, опубл. 18.01.1972, где устройство для охлаждения рабочего колеса газовой турбины обеспечивает его охлаждение двумя потоками охлаждающего воздуха. Перфорированная входная кромка рабочей лопатки 20 высокотемпературной турбины охлаждается воздухом, поступающим из-за компрессора через кольцевое закручивающее пневматическое устройство 52 и далее, как вариант, через радиальные отверстия 70 в диске 18 рабочего колеса или через щелевые пазы 40 между диском 18 и накладным кольцом 30, и далее через радиальные каналы в хвостовике лопатки во внутреннюю полость системы охлаждения 26 входной кромки охлаждающей лопатки 20. Охлаждение пера лопатки 20 и ее выходной кромки производится тем же воздухом из-за компрессора, но уже через автономные каналы 28 в хвостовике лопатки 20. Подвод воздуха из-за компрессора к этим каналам осуществляется из кольцевой полости 44 перед рабочим колесом, куда он поступает по пневмопроводу 58 в статоре. Ротор и диск 18 рабочего колеса охлаждаются воздухом, не участвующим в охлаждении рабочей лопатки 20.
Данное техническое решение имеет ряд недостатков.
Экономически неэффективным является охлаждение ротора, рабочего колеса турбины и лопатки отдельными потоками охлаждающего воздуха, что приводит к повышенному его расходу.
Наличие в периферийной части диска крепежных отверстий и отверстий системы охлаждения ухудшает прочностные характеристики рабочего колеса.
Для исключения утечек охлаждающего воздуха повышенного давления, подведенного в зазор между диском и торцом хвостовика лопатки, требуется введение дополнительных конструктивных мероприятий по уплотнению елочного замка. Известные конструктивные решения по герметизации елочного замка не эффективны.
Известно также устройство для охлаждения рабочего колеса газовой турбины, содержащее покрывной сегментный диск 1 с радиальными приливами 16, в которых выполнены каналы 17 с подведенным в них воздухом из-за компрессора. Этот воздух далее через профилированный патрубок 18 подается в каналы 9 ввода воздуха в охлаждаемую лопатку 5. Кроме этого, в хвостовике 13 покрывного диска 1 имеются пазы 25, через которые воздух от промежуточной ступени компрессора поступает в полость между покрывным диском 1 и диском 2 рабочего колеса. Из этой полости воздух поступает в зазоры 7 елочного замкового соединения 6 лопаток 5 и диска 2 турбины (см. Патент РФ 2183747, F01D 5/08, опубл. 20.06.2002).
Недостатком этого устройства является неэкономичное использование охлаждающего воздуха из-за компрессора, поступающего через пневмопровод радиального прилива покрывного диска и профилированный патрубок в системы охлаждения входной кромки и пера охлаждаемой лопатки. Для охлаждающих лопаток с перфорированной входной кромкой соединение системы охлаждения ее входной кромки и системы охлаждения пера лопатки является решением не оптимальным.
В рассматриваемом прототипе отсутствует также надежное, с достаточной герметичностью, соединение профилированного патрубка и охлаждаемой лопатки.
Известное техническое решения является неоптимальным и неэффективным, с точки зрения использования охлаждающего воздуха в системе охлаждения двигателя. Здесь воздух, прошедший лабиринтное уплотнение, в дальнейшем сбрасывается в тракт турбины и не используется в системе охлаждения лопатки.
Дорогостоящей технологией является изготовление сегментов покрывного диска с пневмопроводами в радиальных приливах.
Заявленное изобретение направлено на решение задачи оптимального и экономически эффективного использования хладоресурса рабочего тела в системе охлаждения ротора турбокомпрессора и рабочего колеса высокотемпературных турбин и также обеспечение надежного и эффективного распределения охлаждающего воздуха, определенных параметров, в системе охлаждения высокотемпературного газотурбинного двигателя.
Эти задачи решены в устройстве для охлаждения ротора и рабочего колеса газовой турбины, содержащем пневмопроводы, холодильник, охлаждаемые рабочие лопатки с автономными охлаждающими системами входной кромки и пера лопатки, соединенными с каналами в хвостовике, кольцевое закручивающее пневматическое устройство, лабиринтные уплотнения и кольцевые полости, одна из которых образована статором и роторной частью между компрессором и турбиной, а другая - покрывным диском и диском рабочего колеса, и в соответствии с сущностью изобретения проточная часть двигателя за компрессором пневмопроводом соединена с пневматическим входом холодильника, пневматический выход которого соединен с кольцевой надроторной полостью между компрессором и турбиной, которая в районе турбины имеет лабиринтное уплотнение с увеличенным зазором, за которым в покрывном диске расположен ряд отверстий, которые соединены с входом в телескопические трубчатые пневмопроводы, выход каждого из которых соединен с входным патрубком канала системы охлаждения входной кромки охлаждаемой рабочей лопатки турбины. Количество отверстий покрывного диска соответствует количеству телескопических трубчатых пневмопроводов и соответственно количеству охлаждаемых лопаток на рабочем колесе турбины. Кроме этого пневматический выход холодильника соединен с кольцевым закручивающим устройством, напротив выхода из которого в покрывном диске расположен ряд отверстий с выходом в кольцевую полость, которая соединена с располагаемыми в хвостовиках лопаток каналами системы охлаждения пера рабочей лопатки турбины. Затем, за последней рабочей лопаткой компрессора, под спрямляющим аппаратом расположено лабиринтное уплотнение, непосредственно за которым расположен выход пневмопровода, соединенного с пневматическим выходом из холодильника.
Покрывной диск в периферийной части имеет радиальные резы и на периферии в осевом направлении опирается на выступ охлаждаемой рабочей лопатки газовой турбины. При этом, радиальные резы в покрывном диске замыкаются на ряд отверстий, в которые подается воздух из кольцевого закручивающего устройства.
И еще, пневмопровод, соединяющий ряд отверстий в покрывном диске с патрубком канала охлаждения входной кромки рабочей лопатки турбины, состоит из радиально располагаемого составного трубопровода, в котором периферийная труба соединена с профилированным патрубком лопатки с посадкой конус-сфера, а с нижней трубой телескопически, так что периферийная труба имеет возможность свободно перемещаться вдоль своей оси, перпендикулярно оси двигателя, на величину захода в соединение конус-сфера.
И профилированный патрубок системы охлаждения входной кромки охлаждаемой лопатки выполнен Г-образной формы.
Выполнение в устройстве охлаждения ротора газовой турбины заявленным образом системы охлаждения по тепловой схеме с отбором воздуха из-за компрессора, последующим охлаждением его в холодильнике и раздачей уже холодного воздуха по схеме параллельно-последовательного охлаждения: параллельно одной частью охлаждающего воздуха замка и пера рабочей лопатки турбины и второй частью ротора газовой турбины с последовательной работой этой второй части охлаждающего воздуха в системе охлаждения деталей ротора между компрессором и турбинной, а затем в системе охлаждения перфорированной входной кромки рабочей лопатки высокотемпературной турбины, позволяет производить эффективное охлаждение большого количества элементов ротора высокотемпературной турбины ограниченным количеством воздуха, тем самым обеспечивается возможность экономической работы системы охлаждения ротора турбины.
При этом расположение заборных отверстий охлаждающего воздуха системы охлаждения перфорированной входной кромки рабочей лопатки на покрывном диске за лабиринтным уплотнением позволяет утилизировать расчетные протечки воздуха через это уплотнение, тем самым снизив общий расход охлаждающего воздуха в системе охлаждения двигателя.
Использование составного трубчатого пневмопровода с телескопическим соединением и лопаток с профилированным патрубком Г-образной формы обеспечивает простоту сборки-разборки рабочего колеса, а в совокупности с выполнением торцов периферийного трубопровода и профильного патрубка под соединение конус-сфера - надежную герметичность соединения пневмопровода высокого давления с системой охлаждения рабочей лопатки, что повышает ресурс турбины.
Изобретение поясняется чертежами, на которых изображены:
фиг.1 - продольный разрез газотурбинного двигателя с тепловой схемой системы охлаждения ротора газовой турбины;
фиг.2 - элемент А на фиг.1;
фиг.3 - элемент Б на фиг.2 с трубопроводом в положении «открыто»;
фиг.4 - элемент Б на фиг.2 с трубопроводом в положении «закрыто»;
фиг.5 - элемент Б на фиг.2 с видом на елочный замок.
Устройство для охлаждения ротора газовой турбины содержит охлаждаемую рабочую лопатку 1 (фиг.5) с двумя автономными системами охлаждения. Первая система охлаждения 2 входной кромки 3 имеет внутреннюю полость 4, соединенную с патрубком 5 Г-образной формы, конец которого имеет конусную посадочную поверхность 6. Входная кромка 3 лопатки 1 имеет отверстия 7. Вторая независимая система 8 охлаждения пера лопатки 1 имеет внутреннюю полость 9, соединенную с отверстиями 10 в выходной кромке 11 и радиальными каналами 12 в хвостовике 13, который также имеет подрезку 14, замковый зацеп 15 (фиг.3) и елочный замок 16 для соединения лопатки 1 с периферийной частью (ободом) 17 диска 18 ротора 19 (фиг.1) газовой турбины 20. Обод 17 имеет зацеп 21 (фиг.5), в который вставлена щеколда 22. Соединение лопатки 1 и диска 18 в районе елочного замка 16 имеет зазоры 23. Кроме этого рабочая лопатка 1 имеет уступ 24 с гребешками лабиринтного уплотнения 25, в который упирается периферийная часть 26 покрывного диска 27, который имеет ряды отверстий 28, 29, 30 (фиг.2), уступы с гребешками лабиринтных уплотнений 31, 32, периферийные радиальные резы 33 (фиг.4), направляющие выступы 34 (фиг.5) и хвостовик 35 (фиг.2). Между диском 18 и покрывным диском 27 имеется кольцевая полость 36, в которой располагаются трубчатые пневмопроводы (трубопроводы) 37, 38, соединенные между собой подвижным телескопическим соединением 39 (фиг.4). На конце периферийного трубопровода 38 имеется сфера 40 (фиг.3).
Кроме этого ротор 19 турбины 20 соединен с ротором 41 (фиг.1) компрессора 42. Имеются статор компрессора 43 с спрямляющими аппаратами 44, 45 и диффузором 46. В спрямляющем аппарате 45 и во внутреннем корпусе 47 диффузора (статора) 46 имеются перепускные пневмопроводы 48 и 49 соответственно. Между статором 43 и роторной частью 50, соединяющей ротор 41 компрессора 42 и ротор 19 турбины 20, между имеющимися уплотнениями 51 и 52 лабиринтного типа образована кольцевая полость 53. Причем, лабиринтное уплотнение 51 располагается непосредственно за рабочей лопаткой последней ступени компрессора 42, а лабиринтное уплотнение 52 (фиг.2) с увеличенным зазором для гарантированного пропуска расчетного количества воздуха.
Имеются крепежные элементы 54, кольцевое закручивающее пневматическое устройство 55, пневмопроводы 56 (фиг.1), 57 и холодильник 58 с пневматическими входом 59 и выходом 60. Показано направление движения основных потоков охлаждающего воздуха. Обозначены зазоры 61 (фиг.2), 62 (фиг.3), 63 (фиг.4).
Кольцевая полость 36 образована между покрывным диском 27 и диском 18 ротора 19. Здесь в кольцевой полости 36 располагаются трубопроводы 37, закрепленные к покрывному диску 27. Трубопроводы 37 располагаются радиально, одним концом соединены с отверстиями 29 и вторым с трубопроводом 38. Причем соединение трубопроводов 37 и 38 между собой телескопическое. Как вариант, на фигурах представлено соединение, где верхний трубопровод 38 вставлен в трубопровод 37. Телескопическое соединение 39 позволяет трубопроводу 38 свободно перемещаться радиально. Ограничением перемещения трубопровода 38 в радиальном направлении, сверху, является патрубок 5 рабочей лопатки 1. Стыкуется трубопровод 38 с патрубком 5 со стороны трубопровода 38 по сфере 40 и со стороны лопатки 1 по конусу 6. Осевой размер телескопического соединения 39 (в радиальном направлении турбины) обеспечивает подвижность трубопровода 38, при которой в рабочем положении трубопровода 38 имеется зазор 63. При сборке-разборке рабочего колеса трубопровод 38 выбирает данный зазор 63, как описано в патенте РФ 2183747. При этом трубопровод 38 выходит из зацепления с патрубком 5, обеспечивая подвижность лопатки 1 в осевом направлении елочного замка 16. Радиальное направление трубопровода 38 сохраняется с помощью направляющего выступа 34, при этом, при раскрутке ротора 19, под действием центробежных сил трубопровод 38 перемещается к периферии в радиальном направлении, выбирая зазор 62 до стыковки сферы 40 и конуса 6. Количество отверстий 29 в покрывном диске 27 и трубопроводов 37, 38 соответствует количеству рабочих лопаток 1, как и направляющие выступы 34 трубопроводам 38.
Крепление рабочих лопаток 1 на ободе 17 осуществлено елочным замком 16 и фиксируется с помощью щеколды 22. Щеколда 22 вставлена между замковым зацепом 15 хвостовика 13 рабочей лопатки 1 и зацепом 21 обода 17. Щеколда 22 располагается в периферийной части обода 17 диска 18, так чтобы елочный замок 16, имеющий зазоры 23, имел свободный выход по обе стороны диска 18. Это обеспечивает охлаждение хвостовика 13 рабочей лопатки 1 и обода 17 диска 18 с помощью охлаждающего воздуха из кольцевой полости 36 путем продувки зазоров 23 елочного замка 16 в полость за диском 18. Этим же воздухом из кольцевой полости 36 охлаждается перо лопатки 1 и ее выходная кромка 11. Для прохода воздуха к радиальным каналам 12 системы охлаждения 8 лопатки 1 в хвостовике 13 рабочей лопатки 1 выполнена торцевая подрезка 14. Продольные каналы 12 соединены с внутренней полостью 9, из которой воздух через отверстия 10 в выходной кромке 11 лопатки 1 выходит в тракт турбины 20. Охлаждающий воздух в кольцевую полость 36 поступает через отверстия 30 в покрывном диске 27. На эти отверстия 30 замыкаются периферийные радиальные резы 33, обеспечивающие разгрузку покрывного диска 27 от термических напряжений. Покрывной диск 27 профилирован так, чтобы в работе его периферийная часть 26 под действием центробежных сил прижималась к уступу 24 лабиринтного уплотнения 25, обеспечивая необходимую герметичность кольцевой полости 36. В отверстия 30 охлаждающий воздух поступает из закручивающего пневматического устройства 55, к которому воздух подводится через перепускные пневмопроводы 49 во внутреннем корпусе 47 статора 43 и 48 в спрямляющих лопатках 45 компрессора 42. В перепускные пневмопроводы 48, 49 воздух поступает из-за компрессора 42, предварительно охлажденный в холодильнике 58. Для этого воздушная полость за диффузором 46 пневмопроводом 56 через первый пневматический вход 59 соединена с холодильником 58, первый пневматический выход 60 которого пневмопроводом 57 соединен с входом в перепускной пневмопровод 48.
Здесь же сформирован еще один поток охлаждающего воздуха. Перепускной пневмопровод 48 имеет выход в кольцевую полость 53, сформированную внутренним корпусом 47 статора 43 и роторной частью 50. Эта полость ограничена в осевом направлении лабиринтными уплотнениями 51, 52. Уплотнение 51 расположено за последней ступенью рабочих лопаток компрессора 42 под спрямляющим аппаратом 44. Выход из перепускного пневмопровода 48 располагается непосредственно за уплотнением 51. Уплотнение 52 не является абсолютно герметичным. Зазор 61 рассчитывается на требуемый расход воздуха. Таким образом, охлаждающий воздух после холодильника 58 выходит из пневмопровода 48 в кольцевую полость 53 и проходит далее уплотнение 52. В кольцевой полости 53 воздух нагревается, охлаждая роторную часть 50. После уплотнения 52 воздух проходит в отверстия 29. Лабиринтные уплотнения 31, 32 препятствуют перетеканию охлаждающего воздуха в полость перед покрывным диском. Из отверстий 29 воздух по трубчатым пневмопроводам 37, 38 через патрубки 5 поступает во внутренние полости 4 системы охлаждения 2 входной кромки 3 лопаток 1. Из полости 4 через отверстия 7 воздух выходит в тракт турбины. В радиальных трубчатых пневмопроводах 37, 38 под действием центробежных сил давление воздуха повышается, что обеспечивает его выход в зону повышенного давления перед рабочей лопаткой 1. Воздух системы охлаждения 2 охлаждает входную кромку 3, проходя полость 4 и участвуя в заградительном ее охлаждении, оттесняя горячие газы от тела лопатки 1 после выхода его через отверстия 7.
Ротор 41 компрессора 42 соединен с ротором 19 турбины 20 через хвостовик 35 покрывного диска 27 с помощью крепежных элементов 54, для чего в хвостовике 35 и диске 18 выполнены отверстия 28.
В сравнении с известными устройствами, заявляемое устройство обеспечивает более экономичное использование охлаждающего хладоресурса. Предварительное охлаждение воздуха систем охлаждения с последующим делением его на два потока обеспечивает рациональное его использование. Экономичность системы заключается также в обеспечении последовательного использования воздуха в охлаждении ротора 50 и лопатки 1. Частично использовав хладоресурс части воздуха при охлаждении ротора 50, этот воздух в дальнейшем используется в заградительном охлаждении лопатки 1, где его повышенная температура не оказывает существенного влияния на эффективность охлаждения. При этом потеря давления воздуха при проходе холодильника 58, пневмопроводов 56, 57, 48, полости 53 и уплотнения 52 компенсируется в трубчатых пневмопроводах 37, 38.
Рациональна и вторая система охлаждения 8. Так как воздух из этой системы сбрасывается в полости с низким давлением, то в системе 8 имеется возможность использовать предварительно охлажденный воздух более низкого давления. Использование охлаждающего воздуха в системе 8 низкой температуры, после холодильника 58, обеспечивает его низкий расход, а это определяет повышенную эффективность системы охлаждения.
Использование диска с креплением через хвостовик 35 с помощью крепежных элементов 54 на малом диаметре обеспечивает надежную герметичность полости 36 и улучшает прочностные характеристики дисков по сравнению с известными. Выполнение радиальных резов 33, замкнутых на продуваемые отверстия 30, и специальное профилирование диска 27 с упором в уступ 24 успешно решает те же задачи - прочность и герметичность.
Простота сборки-разборки рабочего колеса турбины 20 обеспечивается описанной выше подвижностью трубчатого пневмопровода 38, а выполнение указанных посадок в стыковке лопатки 1 и пневмопровода 37 с пневмопроводом 38 гарантирует надежность и герметичность соединений. Имеющийся опыт подтверждает безотказность в работе данного элемента как при проведении слесарных работ, так и при штатной работе самой турбины.
Размещение щеколды 22 в периферийной части 17 диска 18 и хвостовика 13 лопатки 1 обеспечивает стопорение лопатки 1 гарантированным охлаждением хвостовика лопатки и периферийного обода диска.