ТЕПЛОВОЙ ЭКРАН СТАТОРА ДЛЯ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ, ГАЗОВАЯ ТУРБИНА С ТАКИМ ТЕПЛОВЫМ ЭКРАНОМ СТАТОРА И СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ТЕПЛОВОГО ЭКРАНА СТАТОРА
STATOR THERMAL SHIELD FOR GAS TURBINE, GAS TURBINE WITH SUCH STATOR THERMAL SHIELD AND STATOR THERMAL SHIELD COOLING METHOD

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к тепловому экрану статора для газовой турбины, газовой турбине, снабженной таким тепловым экраном статора, и способу охлаждения теплового экрана статора.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Охлаждение теплового экрана статора (ТЭС) газовой турбины, в частности, ее первой ступени, - это весьма трудная задача. В самом деле, пленочное охлаждение поверхности, подвергающейся воздействию горячих газов и активно используемой для лопаточных компонентов, трудно применить к зоне, где вращающаяся лопатка проходит ТЭС, по двум причинам. Во-первых, сложное поле потока в зазоре между ТЭС и законцовка лопатки не допускает развитие охлаждающей пленки, а эффективность получающейся пленки мала и трудно предсказуема. Во-вторых, в случае событий трения, проемы отверстий для охлаждения могут оказаться закрытыми, тем самым препятствуя вытеканию требуемого охлаждающего воздуха, что имело бы пагубное влияние на всю систему охлаждения в целом и снижало бы срок службы.
В результате, весьма распространенным практическим методом охлаждения ТЭС в известных технических решениях стало использование экстенсивного инжекционного охлаждения охлаждающим воздухом, выпускаемым из боковых граней ТЭС через конвекционные отверстия, что ограничивает общую эффективность охлаждения.
Дальнейшее развитие газотурбинных двигателей для работы в тяжелых условиях (например, для комбинированного цикла) сосредоточено на повышении циклических параметров: перепада давления и температуры горячих газов. В долгосрочной перспективе, компоненты канала горячих газов будут вынуждены выдерживать температуру горячих газов, составляющую 2000-2200 K, а имеющиеся методы конвекционного охлаждения окажутся неспособными гарантировать надлежащий срок службы ТЭС первой ступени даже несмотря на заметное увеличение зон выпуска и перепада давления «воздух - горячий газ».
Второй возможной проблемой, обуславливаемой избыточным ростом температуры на входе турбины, является снижение срока службы области законцовок лопаток, которая обычно подвергается воздействию наиболее тяжелых тепловых условий, стимулируемому геометрическими ограничениями и высоким уровнем турбулентности в области законцовок лопаток. Увеличение срока службы в этой специфической зоне до приемлемого уровня потребовало бы заметного повышения расходов охлаждающего воздуха путем раскрытия зон выпуска. Это действие оказало бы пагубное влияние на общий кпд турбины и двигателя. Более того, это должно усугублять значительное различие между потоками горячего воздуха и хладагента в области законцовок лопаток, а любая локальная прослойка горячих газов может обусловить образование места, ограничивающего срок службы.
Большинство известных методов охлаждения тепловых экранов статоров вытекают из отработанных технологий изготовления (литья, механической обработки, пайки твердым припоем) и традиционных особенностей охлаждения (инжекции, штифтов и цилиндрических отверстий).
Более широко распространенный метод представляет собой сочетание инжекции с выпуском сбоку, как описано, например, в документах US 2012/0251295 A1 и US 6139257. Все эти методы устойчивы к внешним воздействиям, но из-за ограничений - в пределах только конвекционного охлаждения с выпуском через длинные отверстия спереди, сбоку и сзади ТЭС - их эффективность охлаждения ограничивается рамками известного уровня техники.
В документах US2005/0058534 A1 и US 5538393 предложены методы змеевикового охлаждения, а в документе EP2549063 A1 предложен метод спирального охлаждения. Хотя данные методы охлаждения довольно эффективны благодаря высоким коэффициентам использования тепла, их эффективность охлаждения ограничена фиксированной величиной напора на переходе «хладагент - горячий газ» и отсутствием какого-либо внешнего охлаждения. О низкой регулируемости конструкции из-за неравномерных внешних граничных условий следует сказать особо.
В документах US2009/0035125 A1, US 5165847, US 5169287, US 6139257, US 6354795 B1 и EP 1533478 A2 предложен инжекционно охлаждаемый ТЭС с выбросом охлаждающего воздуха у поверхности, подвергающейся воздействию горячих газов. Эти методы позволяют максимизировать напор и скорости теплопередачи при инжекционном охлаждении, однако все эти изобретения страдают следующими недостатками: в случае события трения, его следствием в газовых турбинах для работы в тяжелых условиях всегда является риск, что выходы отверстий для охлаждения могут оказаться закрытыми и из-за этого вызвать перегрев ТЭС. Более того, из-за расположения выпускных отверстий по направлению к выходной кромке лопатки, в вышеупомянутых технических решениях не учитывается охлаждение законцовки лопатки.
В документах US 2012/0027576 A1 и US 2012/0251295 A1 предложен метод охлаждения выпотеванием, предусматривающий высвобождение охлаждающего воздуха по всей омываемой горячим газом поверхности ТЭС. И опять, о смягчении проблемы трения ничего не сказано, а это критичный момент в случае монтажа со строгими радиальными допусками.
В документе W02013129530A1 предложен пример организации наружного «пленочного» охлаждения внутри глубоких фиксирующих канавок; однако предложений по охлаждению, касающихся охлаждения зоны толстого металла между канавками, не было.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предлагаемое решение посвящено устранению вышеупомянутых проблем.
При дальнейших долгосрочных разработках, предусматривающих ситуацию, когда газотурбинные двигатели для работы в тяжелых условиях борются с температурой горячих газов на входе, составляющей 2000-2200 K, существующие методы конвекционного охлаждения будут не в состоянии гарантировать надлежащий срок службы тепловых экранов статоров первых ступеней с адекватным потреблением охлаждающего воздуха. Второй возможной проблемой является сокращение срока службы в области законцовок, которая уже подвергается воздействию тяжелых условий и требует важного технического усовершенствования в целом и повышения эффективности локального охлаждения. Предложенная организация охлаждения ТЭС в соответствии с предлагаемым решением гарантирует требуемый срок службы обоих вышеупомянутых компонентов.
Поэтому одна из задач в соответствии с предлагаемым решением состоит в том, чтобы увеличить срок службы теплового экрана статора газовой турбины, и законцовки лопатки, принадлежащей лопатке ротора. Дополнительная задача в соответствии с предлагаемым решением состоит в том, чтобы улучшить аэродинамику газовой турбины, в частности, снизить потери в зазоре. Дополнительная задача в соответствии с предлагаемым решением состоит в том, чтобы сэкономить хладагент.
Эти задачи в соответствии с предлагаемым решением реализуются посредством теплового экрана статора для газовой турбины, содержащей проточный канал горячих газов, при этом тепловой экран статора содержит:
первую поверхность, выполненную с возможностью расположения обращенной к проточному каналу горячих газов газовой турбины;
вторую поверхность, противоположную первой поверхности;
каналы охлаждения, предназначенные для направления охлаждающей текучей среды от второй поверхности к первой поверхности;
полости, расположенные на первой поверхности, для приема охлаждающей текучей среды, по меньшей мере, из части каналов охлаждения;
при этом, по меньшей мере, часть из полостей имеют каждая, по меньшей мере, два соответствующих канала охлаждения, открывающихся в нее, причем упомянутые, по меньшей мере, два соответствующих канала охлаждения наклонены друг к другу.
Каждый из упомянутых, по меньшей мере, двух соответствующих каналов охлаждения имеет вход для приема охлаждающей текучей среды на второй поверхности и выход для выпуска струи охлаждающей текучей среды в соответствующую полость, причем упомянутые, по меньшей мере, два соответствующих канала охлаждения расположены так, что струи охлаждающей текучей среды, выпускаемые из упомянутых, по меньшей мере, двух соответствующих каналов охлаждения, взаимодействуют, обеспечивая таким образом завихрение охлаждающей текучей среды в полости. Взаимодействие струй охлаждающей текучей среды обеспечивает завихрение охлаждающей текучей среды в полости и тем самым - удержание ее в полости до всасывания из удерживающей полости и смешивания с горячим газом. Следовательно, полость, соответствующая предлагаемому решению, представляет собой удерживающую выпускную полость. Удерживающая выпускная полость, соответствующая предлагаемому решению, обеспечивает наружное охлаждения ТЭС и при этом смягчение воздействия события трения, предотвращающее закрывание выпускных отверстий. Охлаждающая текучая среда, всасываемая из удерживающей выпускной полости, сокращает время пребывания под воздействием температуры ниже по течению в ТЭС и области законцовки проходящей лопатки. Помимо этого, использование полости, соответствующей предлагаемому решению, обеспечивает минимизацию радиального зазора законцовки с целью улучшения рабочих характеристик турбины.
Конфигурация полостей, соответствующих изобретению, способствует завихрению струй охлаждающей текучей среды в полостях, то есть, установлению циркуляции охлаждающей текучей среды. В частности, полости расширяются к первой поверхности. Полости могут быть, по существу, полусферическими. Кроме того, полости могут быть овальными, если смотреть со стороны первой поверхности.
Упомянутые, по меньшей мере, два соответствующих канала охлаждения могут быть наклонены к первой поверхности теплового экрана статора под углом между 20° и 40°, предпочтительно - между 25° и 35°, предпочтительнее - под углом 30°.
Каждый из упомянутых, по меньшей мере, двух соответствующих каналов охлаждения имеет центральную ось, причем центральные оси упомянутых, по меньшей мере, двух соответствующих каналов охлаждения предпочтительно смещены друг относительно друга таким образом, что центральные оси упомянутых, по меньшей мере, двух соответствующих каналов охлаждения не пересекаются в соответствующей полости. Наклоненные и смещенные каналы обеспечивают устойчивую циркуляцию охлаждающей текучей среды в полости.
Упомянутые, по меньшей мере, два канала охлаждения, по меньшей мере, одной полости предпочтительно пересекаются с каналами охлаждения других полостей с образованием пересечений двух соответствующих каналов охлаждения, причем каналы охлаждения сообщаются по текучей среде в этих пересечениях. Центральные оси упомянутых двух соответственно пересекающихся каналов охлаждения предпочтительно смещены друг относительно друга, так что они не расположены в одной общей плоскости. Помимо устойчивой циркуляции охлаждающей текучей среды в полости, эта компоновка обеспечивает дополнительный теплообмен в областях пересечений, а также высокую и постоянную скорость теплопередачи при охлаждении. Это обеспечивает внутреннюю сеть конвекционного охлаждения.
Для решения вышеупомянутых задач изобретений, может быть достаточно того, что упомянутые, по меньшей мере, два соответствующих канала охлаждения, связанные с соответствующей полостью, будут содержать точно два канала охлаждения, наклоненные друг к другу.
Центральные оси упомянутых двух каналов охлаждения могут быть смещенными, предпочтительно - смещенными на полдиаметра, друг относительно друга таким образом, что центральные оси упомянутых двух каналов охлаждения не будут пересекаться в соответствующей полости. Два канала, смещенных на половину диаметра, обеспечивают наиболее устойчивую циркуляцию охлаждающей текучей среды в полости.
В предпочтительном варианте осуществления, один из упомянутых двух каналов охлаждения одной полости пересекается с одним из двух каналов охлаждения соседней полости с образованием первого пересечения, причем каналы охлаждения, пересекающиеся в первом пересечении, сообщаются по текучей среде. Первое пересечение предпочтительно находится, по существу, между упомянутой одной полостью и упомянутой соседней полостью, если рассматривать в качестве проекции на первую поверхность. В более предпочтительном варианте, упомянутый один из двух соответствующих каналов охлаждения упомянутой одной полости пересекается с одним из двух каналов охлаждения, по меньшей мере, одной полости, расположенной рядом с упомянутой соседней полостью, с образованием, по меньшей мере, второго пересечения, при этом каналы охлаждения, пересекающиеся в упомянутом, по меньшей мере, втором пересечении, сообщаются по текучей среде. Центральные оси каналов охлаждения, пересекающиеся в соответствующем пересечении, смещены, предпочтительно - смещены на половину диаметра, друг относительно друга таким образом, что не будут пересекаться в одной общей полости. Два канала, смещенных на половину диаметра, обеспечивают наиболее устойчивую циркуляцию охлаждающей текучей среды в полости. Помимо устойчивой циркуляции охлаждающей текучей среды в полости, эта компоновка обеспечивает дополнительный теплообмен в областях пересечений, а также высокую и постоянную скорость теплопередачи при охлаждении. Это обеспечивает внутреннюю сеть конвекционного охлаждения. Изменение размеров каналов охлаждения и значения смещения обеспечивает весьма локальную оптимизацию скоростей теплопередачи при охлаждении.
Вообще говоря, циркуляция охлаждающей текучей среды возможна, когда оси упомянутых двух каналов охлаждения сходятся в соответствующей полости, если смотреть в плоскости, перпендикулярной первой поверхности теплового экрана статора.
Чтобы организовать сеть наружного равномерного охлаждения, можно расположить полости рядами, проходящими в продольном направлении теплового экрана статора, если смотреть со стороны первой поверхности, причем ряды полостей могут быть расположены в шахматном порядке.
Каналы охлаждения могут быть выполнены в виде конвекционных цилиндрических каналов или трубок.
Тепловой экран статора может быть изготовлен посредством легко перестраиваемого процесса, например, посредством литья, механической обработки, пайки твердым припоем, а также дополнительного способа изготовления, подобного селективной лазерной плавке (СЛП).
Предлагаемое решение также относится к газовой турбине, содержащей, по меньшей мере, один вышеописанный тепловой экран статора. Охлаждающей текучей средой, используемой в газовой турбине, может быть охлаждающий воздух.
Предлагаемое решение также относится к способу охлаждения теплового экрана статора,
причем тепловой экран статора имеет первую поверхность, выполненную с возможностью расположению обращенной к проточному каналу горячих газов газовой турбины;
вторую поверхность, противоположную первой поверхности;
каналы охлаждения, предназначенные для направления охлаждающей текучей среды от второй поверхности к первой поверхности;
полости, расположенные на первой поверхности, для приема охлаждающей текучей среды, по меньшей мере, из части каналов охлаждения;
при этом, по меньшей мере, часть из полостей имеют каждая, по меньшей мере, два соответствующих канала охлаждения, открывающихся в нее, причем упомянутые, по меньшей мере, два соответствующих канала охлаждения наклонены друг к другу;
при этом способ включает в себя этапы, на которых обеспечивают протекание охлаждающего воздуха по каналам охлаждения и инжекцию потока охлаждающего газа из двух каналов охлаждения в одну полость;
при этом упомянутые два канала охлаждения смещены таким образом, что в полости создается вихрь.
Все вышеупомянутые признаки могут быть объединены друг с другом для решения задач изобретений.
Задачи и аспекты изобретения также можно уяснить из нижеследующего описания изобретения.
Предлагаемое инновационное сетевое охлаждение ТЭС организовано за счет пересечения конвекционных каналов с отбором охлаждающего воздуха в специально профилированные полости, которые организуют устойчивую низкотемпературную циркуляцию в ТЭС снаружи. Это предложенное решение по охлаждению высокоэффективно и обеспечивает требуемый срок службы и/или возможности экономии хладагента. Это использование воздуха для охлаждения ТЭС приводит к снижению температуры смеси в области зазора законцовки лопатки, тем самым обеспечивая увеличение срока ее службы (или экономию хладагента для лопатки) и уменьшение аэродинамических потерь. Предложенное решение по охлаждению защищено от трения, устойчиво к внешним воздействиям и может обеспечить легкое изготовление материального эквивалента обычными или дополнительными способами изготовления.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 показано сечение сегмента теплового экрана статора, соответствующего предложенному решению, с совокупностью пересекающихся каналов охлаждения и удерживающих выпускных полостей, а также расположение потоков;
На фиг. 2 показан изометрический вид теплового экрана статора, изображенного на фиг. 1;
На фиг. 3 показан вид с первой поверхности (поверхности, подвергающейся воздействию горячих газов) теплового экрана статора, соответствующего изобретению, с расположением удерживающих выпускных полостей в шахматном порядке;
На фиг. 4 показано сечение сегмента теплового экрана статора, соответствующего предложенному решению, с совокупностью пересекающихся каналов охлаждения и удерживающих выпускных полостей, расположенных должным образом относительно лопатки ротора газовой турбины.
ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Обращаясь к фиг. 1, отмечаем, что тепловой экран 1 статора для газовой турбины, в частности - первой ступени, содержит первую поверхность 2, адаптированную к воздействию на нее горячих газов, текущих через газовую турбину во время работы газовой турбины, то есть, обращенную к проточному каналу горячих газов газовой турбины. Кроме того, тепловой экран 1 статора содержит вторую поверхность 3, противоположную первой поверхности 2. Вторая поверхность обращена в направлении от проточного канала горячих газов и соединена с источником охлаждающей текучей среды. Во время работы газовой турбины, вторая поверхность 3 подвергается воздействию охлаждающей текучей среды 4. Чтобы направить охлаждающую текучую среду 4 от второй поверхности 3 к первой поверхности 2, тепловой экран 1 статора имеет сквозные каналы охлаждения 5, 5ʹ. Каждый из каналов охлаждения 5, 5ʹ имеет питающий вход для приема охлаждающей текучей среды 4 и выход для выпуска струи охлаждающей текучей среды. На первой поверхности 2 предусмотрены полости 6, которые имеют специальный профиль с расширением к первой поверхности 2, омываемой горячим газом. Эти полости открываются в проточный канал горячих газов. Каждая полость 6 имеет два открывающихся в нее канала 5, 5ʹ охлаждения. Эти два канала 5, 5ʹ охлаждения наклонены друг к другу и расположены так, что обеспечивают циркуляцию 7 охлаждающей текучей среды в полости 6. Каналы 5, 5ʹ охлаждения могут быть наклонены к поверхности ТЭС под оптимальным углом 30°.
Полости 6 профилированы так, что обеспечивают циркуляцию 7 охлаждающей текучей среды в полостях 6. Благодаря циркуляции 7, охлаждающую текучую среду можно удерживать в полости 6 до всасывания из удерживающей полости 6, смешивать с горячим газом и сокращать время пребывания под воздействием температуры ниже по течению в ТЭС и области законцовки проходящей лопатки. Эта компоновка обеспечивает наружное охлаждение ТЭС и при этом ослабление влияния события трения, предотвращая тем самым закрывание выпускных отверстий.
Кроме того, каналы 5, 5ʹ охлаждения, проходящие через тело теплового экрана 1 статора, задают внутреннюю конвекционную систему охлаждения ТЭС. Поэтому, каналы 5, 5ʹ охлаждения могут быть предусмотрены как конвекционные каналы или трубки.
Чтобы усилить эффект внутреннего охлаждения, наклонные каналы 5, 5ʹ охлаждения одной полости 6 пересекаются с наклонными каналами 5, 5ʹ охлаждения другой полости 6 с образованием пересечений 8, 8ʹ. В этом предпочтительном варианте осуществления, один (5) из двух каналов 5, 5ʹ охлаждения, связанных с одной полостью 6, пересекается с одним (5ʹ) из двух каналов 5, 5ʹ охлаждения соседней полости 6 с образованием первого пересечения 8. Первое пересечение 8 находится, по существу, между упомянутой одной полостью 6 и упомянутой соседней полостью 6, если рассматривать в качестве проекции на первую поверхность 2. Упомянутый один (5) из двух каналов 5, 5ʹ охлаждения, связанных с одной полостью 6, может пересекаться также с одним (5ʹ) из двух каналов 5, 5ʹ охлаждения, по меньшей мере, одной полости, расположенной рядом с упомянутой соседней полостью, с образованием, по меньшей мере, второго пересечения 8ʹ. Каждое пересечение 8, 8ʹ включает в себя два пересекающихся канала 5, 5ʹ охлаждения.
Обращаясь теперь к фиг. 2, можно увидеть, что центральные оси двух каналов 5, 5ʹ охлаждения, открывающихся в одну и ту же полость 6, смещены, предпочтительно - смещены на полдиаметра, друг относительно друга, организуя вихревое взаимодействие между выпускаемыми струями охлаждающей текучей среды и тем самым - более устойчивую циркуляцию 7.
Помимо этого, как можно заметить на фиг. 2, канал 5 охлаждения одной полости 6 и канал 5ʹ охлаждения еще одной полости 6 пересекаются друг с другом таким образом, что их оси смещены, предпочтительно - смещены на полдиаметра, друг относительно друга, вследствие чего не располагаются в одной общей плоскости. Пересекающиеся каналы 5, 5ʹ охлаждения сообщаются по текучей среде в пересечениях 8, 8ʹ. Применительно к эффекту охлаждения, которым обладают каналы охлаждения, следует отметить, что пересечение и смещение каналов 5, 5ʹ охлаждения обеспечивает достижение высоких скоростей интенсивной теплопередачи с умеренными потерями давления.
Обращаясь теперь к фиг. 3, отмечаем, что полости 6 расположены в рядах, проходящих в продольном направлении теплового экрана 1 статора. Ряды полостей 6 расположены в шахматном порядке для организации сети наружного равномерного охлаждения. На фиг. 3 также можно увидеть смещение центральных осей пересекающихся каналов 5, 5ʹ охлаждения.
На фиг. 4 показан пример воплощения теплового экрана статора. В этом примере, тепловой экран статора обращен к ротору. На стороне теплового экрана статора, которая обращена к стороне потоков горячего газа, расположено множество полостей. Два канала охлаждения проходят от стороны подачи охлаждающего воздуха к стороне проточного канала горячих газов теплового экрана статора и отрываются в упомянутые полости.
Ясно, что изменение углов наклона каналов охлаждения, значений смещения каналов охлаждения, количества пересечений и профиля полости обеспечивает достижение лучшей циркуляции охлаждающей текучей среды в полостях, лучшее взаимодействие охлаждающей текучей среды в пересечениях и тем самым - эффекты лучшего охлаждения.
Следует понять, что описание и конкретные примеры, указывая предпочтительный вариант осуществления изобретения, предназначены лишь для иллюстрации и не предназначены для ограничения объема притязаний изобретения. Изменения, которые находятся в рамках существа изобретения, следует считать находящимися в рамках объема притязаний изобретения. Такие изменения не следует считать отступлением от рамок существа и объема притязаний изобретения.
Суммируя вышеизложенное, отметим, что основными аспектами предложенного решения, отличающими его от других решений, являются следующие:
- использование системы внутреннего охлаждения, построенной на основе высокоэффективных пересекающихся конвекционных каналов, предпочтительно - с двумя пересечениями, для достижения высоких и постоянных скоростей теплопередачи при охлаждении;
- использование наклонных выпускаемых струй со смещением в полшага (смещением в полдиаметра) и профилированных удерживающих полостей обеспечивает устойчивую циркуляцию охлаждающего воздуха, который выпускается в полости для наружного охлаждения;
- использование удерживающих полостей, расширяющихся к поверхности, омываемой горячими газами, обеспечивает смягчение события трения и обеспечивает минимизацию радиального зазора законцовок с целью повышения рабочих характеристик турбины;
- использование выпуска воздуха в проточный канал обеспечивает снижение температуры смеси горячих газов с хладагентом и улучшение тепловых граничных условий в области законцовок лопаток (увеличивая срок службы и/или сокращая потребление хладагента) и снижение аэродинамических потерь в зазоре законцовок;
- данное решение по охлаждению ТЭС обеспечивает весьма локальную оптимизацию скоростей теплопередачи при охлаждении (за счет изменения размеров конвекционных каналов и величины смещения) в связи с внешними факторами, такими, как осевое распределение давления и аэродинамические следы в горячих газах, с целью достижения максимального постоянства получаемых температур и механических напряжений в металле во всех местах и устранения всех критических зон и обеспечения максимального срока службы и/или возможностей экономии хладагента.