УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ РАДИАЛЬНЫХ ЗАЗОРОВ В ГАЗОВОЙ ТУРБИНЕ С БАЛАНСИРОВКОЙ ВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ
DEVICE TO ADJUST GAS TURBINE RADIAL GAPS WITH EQUALISATION OF AIRFLOWS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к общей области регулирования зазоров у торцов рабочих (подвижных) лопаток газовых турбин. Более конкретно, оно охватывает устройство регулирования для турбины высокого давления турбомашины, снабженное средствами, задающими величины воздушных потоков через воздуховоды (т.е. средствами балансировки этих потоков).
Уровень техники
Газовая турбина, например турбина высокого давления турбомашины, содержит рабочие (подвижные) лопатки, расположенные в канале течения горячих газов, поступающих из камеры сгорания. Рабочие лопатки турбины окружены кольцевым статором, охватывающим всю окружность турбины. Этот статор образует одну из стенок канала течения горячих газов через турбину.
Известный метод повышения к.п.д. турбины заключается в максимальном уменьшении зазора, существующего между торцами рабочих лопаток и находящимися напротив них элементами статора.
С этой целью были разработаны устройства регулирования зазора у торцов лопаток. Такие устройства обычно выполняют на основе кольцевых каналов, окружающих статор, в которых циркулирует воздух, поступающий из других частей турбомашины. Воздух подают на внешнюю поверхность статора с целью изменения его температуры в соответствии с режимом работы турбины, что приводит к тепловому расширению или сокращению корпуса и, следовательно, к изменению его диаметра. Известное устройство регулирования величины зазора, представляющее ближайший аналог настоящего изобретения, описано в патентном документе ЕР 1205637, МПК7 F01D 11/24, 25/12, 15.05.2002.
Известные на данный момент устройства регулирования не всегда позволяют добиться высокой степени однородности температуры на всей окружности статора. Недостаточная однородность температуры приводит к деформациям статора, которые негативно отражаются, в частности, на к.п.д. и длительности срока службы газовой турбины.
Раскрытие изобретения
Таким образом, задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в ослаблении указанных недостатков путем разработки устройства регулирования зазора у торцов лопаток газовой турбины, обеспечивающего возможность балансировки воздушных потоков в устройстве регулирования с целью ограничения термической неоднородности статора турбины.
Для решения поставленной задачи в соответствии с изобретением предлагается устройство регулирования величины зазора у торцов рабочих лопаток ротора газовой турбины, содержащее, по меньшей мере, один кольцевой канал циркуляции воздуха, установленный по окружности вокруг кольцевого корпуса статора турбины и предназначенный для подачи воздуха на корпус с целью изменения его температуры. Устройство по изобретению содержит также трубчатый воздушный распределитель, по меньшей мере, часть которого расположена вокруг канала или каналов циркуляции воздуха, по меньшей мере, одну трубу подачи воздуха в трубчатый воздушный распределитель и, по меньшей мере, один воздуховод, соединенный с трубчатым воздушным распределителем и с каналом (каналами) циркуляции воздуха. Устройство характеризуется тем, что воздуховод снабжен средством, ограничивающим напор воздуха в воздуховоде.
Это средство, ограничивающее напор воздуха в воздуховоде, предпочтительно состоит из диафрагмы, которая может быть расположена, например, на входе воздуховода.
Таким образом, задание величины воздушного потока через каждый воздуховод, т.е. балансировка воздушного потока, проходящего через воздуховоды, позволяет ограничить термические неоднородности в корпусе турбины. Действительно, можно определить величины снижения напора (подачи воздуха в канал или каналы циркуляции воздуха), необходимого для балансировки воздушных потоков, и, следовательно, требуемые параметры соответствующей диафрагмы.
В оптимальном варианте диафрагма расположена на входе воздуховода так, чтобы обеспечивать дополнительное снижение напора. Она может иметь форму кольца с внутренним диаметром, меньшим, чем внутренний диаметр воздуховода.
Если устройство содержит два трубчатых воздушных распределителя, каждый из которых соединен с тремя воздуховодами, каждый из которых соединен с тремя каналами циркуляции воздуха, то в оптимальном варианте каждый из воздуховодов снабжен диафрагмой, ограничивающей напор воздуха в воздуховоде. В этом случае параметры каждой из диафрагм предпочтительно подобраны индивидуально в соответствии с тем, в каком из воздуховодов установлена данная диафрагма.
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 перспективе устройство регулирования по изобретению;
- фиг.2 иллюстрирует размещение средств балансировки воздушных потоков в устройстве на фиг.1.
Осуществление изобретения
На фиг.1 и 2 изображено устройство 10 регулирования по изобретению. Такое устройство регулирования может быть применено в любой газовой турбине, в которой требуется регулирование величины зазоров у торцов рабочих лопаток. Данное устройство применяется в частном случае в турбине высокого давления турбомашины.
Изображенное на чертежах устройство 10 регулирования установлено на кольцевом корпусе 12, являющемся частью статора турбины. Этот корпус 12 с продольной осью Х-Х окружает рабочие лопатки (не представлены), образующие ротор турбины.
Устройство 10 регулирования предназначено для регулирования размера зазоров, имеющихся между торцами рабочих лопаток турбины и находящимися напротив них элементами статора.
Рабочие лопатки турбины окружены кольцевыми сегментами (не представлены), прикрепленными к корпусу 12 при помощи перемычек (не представлены). Таким образом, элементы статора, находящиеся напротив торцов рабочих лопаток, образованы внутренней поверхностью кольцевых сегментов.
Устройство 10 регулирования на фиг.1 и 2 содержит три канала 14 циркуляции воздуха: внутренний канал 14а, центральный канал 14b и внешний канал 14с. Эти каналы установлены по окружности внешней поверхности корпуса 12 при помощи крепежных планок 16. Также может быть предусмотрен всего один канал циркуляции воздуха.
Каналы 14 циркуляции воздуха отстоят друг от друга в аксиальном направлении и, по существу, параллельны друг другу. Они расположены по обе стороны от двух кольцевых выступов или ребер 18, выступающих в радиальном направлении наружу от корпуса 12 (см. фиг.2).
Каналы 14 снабжены отверстиями 19, расположенными со стороны внешней поверхности корпуса 12 и ребер 18. Эти отверстия 19 обеспечивают возможность подачи воздуха, циркулирующего в каналах 14, на корпус 12 с целью изменения его температуры.
Кроме того, как показано на фиг.1, каналы 14 циркуляции воздуха могут быть разделены на несколько угловых секторов, каждый из которых содержит отдельный канал (на фиг.1 изображено шесть таких секторов), регулярно распределенных по всей окружности корпуса 12.
Устройство 10 регулирования дополнительно содержит, по меньшей мере, один трубчатый воздушный распределитель 20, по меньшей мере, часть которого окружает каналы 14 циркуляции воздуха. На фиг.1 изображены два трубчатых воздушных распределителя 20. Трубчатый воздушный распределитель (трубчатые воздушные распределители) 20 предназначен (предназначены) для подачи воздуха в каналы 14 циркуляции воздуха.
В каждый из трубчатых воздушных распределителей 20 воздух подается из трубы 22 подачи воздуха. Труба 22 подачи воздуха соединена с теми зонами турбомашины, из которых воздух может быть забран для подачи в устройство 10 регулирования. Например, зоной забора воздуха может служить одна или несколько ступеней компрессора турбомашины.
Забор воздуха из предназначенных для этого зон турбомашины может регулироваться при помощи управляющего вентиля (не представлен), расположенного между этими зонами забора воздуха и трубой 22 подачи воздуха. Такой вентиль позволяет настраивать устройство 10 регулирования в соответствии с режимом работы турбомашины.
Устройство 10 регулирования дополнительно содержит, по меньшей мере, один воздуховод 24, соединенный с трубчатым воздушным распределителем 20 и с каналами 14 циркуляции воздуха для подачи в них воздуха.
На фиг.1 на каждый угловой сектор каналов 14 циркуляции воздуха предусмотрен один воздуховод 24, т.е. устройство 10 регулирования содержит шесть воздуховодов 24, регулярно распределенных по всей окружности корпуса 12.
Поскольку устройство 10 регулирования на фиг.1 содержит одну трубу 22 подачи воздуха для его подачи в два разных трубчатых воздушных распределителя 20, то каждый трубчатый воздушный распределитель 20 охватывает приблизительно половину окружности и, таким образом, подает воздух в три воздуховода 24. Введем различные обозначения для этих трех воздуховодов 24, соответственно обозначив их: первый воздуховод, расположенный ближе всего к трубе 22 подачи воздуха, как 24а, второй воздуховод, расположенный следующим после первого воздуховода 24а относительно направления течения воздуха в трубчатом воздушном распределителе 20, как 24b, и третий воздуховод, расположенный далее всего от трубы 22 подачи воздуха, как 24с.
Каждый из воздуховодов 24 имеет форму цилиндра, выполненного, например, из металла. Выступающие в боковом направлении части 26 воздуховода входят в боковые отверстия 28 каналов 14 циркуляции воздуха. При этом воздуховоды 24 приварены к каналам 14 циркуляции воздуха.
В соответствии с изобретением, по меньшей мере, один из воздуховодов 24 снабжен средством ограничивающим напор воздуха в воздуховоде и служащим для балансировки воздушных потоков.
Такое средство в оптимальном варианте имеет вид диафрагмы 30, расположенной на входе воздуховода 24, т.е. перед каналами 14 циркуляции воздуха относительно направления течения воздуха, поступающего из трубчатого воздушного распределителя 20. Точнее, диафрагма 30 расположена перед внутренним каналом 14а.
Наличие этой диафрагмы 30, по меньшей мере, в одном из воздуховодов 24, а предпочтительно в каждом из воздуховодов 24а, 24b и 24с обеспечивает возможность балансировки воздушных потоков, поступающих из трубчатого воздушного распределителя 20 и проходящих в каналы 14 циркуляции воздуха, с которыми соединен воздуховод.
Изображенная на фиг.2 диафрагма 30 имеет форму металлического кольца (или круглой шайбы), которое может быть, например, приварено к внутренним стенкам воздуховода 24, причем его внутренний диаметр d1, соответствующий поперечному сечению воздушного потока, меньше, чем внутренний диаметр d2 воздуховода 24.
Параметры диафрагмы 30 балансировки уровней расхода воздуха (например, отношение ее внутреннего диаметра d1 к внутреннему диаметру d2 воздуховода 24) выбирают такими, чтобы обеспечить на входе воздуховода 24, в который через данную диафрагму поступает воздух, дополнительное снижение напора. Действительно, поскольку падения напора не одинаковы для каждого из воздуховодов 24, воздух в которые подается из одного и того же трубчатого воздушного распределителя 20, параметры диафрагм 30 моделируют так, чтобы обеспечить дополнительное снижение напора на входе каждого воздуховода 24 и тем самым сбалансировать распределение воздушных потоков.
Ниже описан процесс моделирования параметров диафрагм, требуемых для каждого из воздуховодов 24, произведенного на основе моделирования воздушных потоков в известном устройстве регулирования.
Нижеприведенная Таблица I содержит характерное для известного (то есть не снабженного средствами балансировки воздушных потоков) устройства регулирования распределение воздушных потоков в трех воздуховодах 24а, 24b, 24с, воздух в которые подается из одного и того же трубчатого воздушного распределителя 20, и в каждом из каналов 14 циркуляции воздуха одного и того же сектора каналов, воздух в которые подается из каждого из этих воздуховодов. Эти воздушные потоки смоделированы для оптимального рабочего режима турбомашины, турбина высокого давления которой снабжена устройством регулирования величины зазора.
Таблица I
- Поток в первом воздуховоде 24а (г/с)
32,43
Поток во внутреннем канале 14а (г/с)
4,11
Поток в центральном канале 14b (г/с)
7,76
Поток во внешнем канале 14с (г/с)
4,35
- Поток во втором воздуховоде 24b (г/с)
34,03
Поток во внутреннем канале 14а (г/с)
4,31
Поток в центральном канале 14b (г/с)
8,16
Поток во внешнем канале 14с (г/с)
4,54
- Поток в третьем воздуховоде 24с (г/с)
34,42
Поток во внутреннем канале 14а (г/с)
4,36
Поток в центральном канале 14b (г/с)
8,26
Поток во внешнем канале 14с (г/с)
4,59
Приведенные в Таблице I результаты ясно указывают на наличие разнородности в распределении воздушных потоков, с одной стороны, на входе каждого из воздуховодов 24а, 24b и 24с (до 6%) и, с другой стороны, между различными секторами каналов циркуляции воздуха (до 5,8%). В третьем воздуховоде 24с напор подаваемого воздуха выше, чем в двух других воздуховодах 24а, 24b, вследствие уменьшения скорости течения воздуха в трубчатом воздушном распределителе. В результате неоднородности воздушных потоков в воздуховодах охлаждение корпуса 12 также оказывается неоднородным. Вследствие этого могут возникать перепады температур, вызывающие механические деформации.
Исходя из этих результатов можно также смоделировать величины дополнительного снижения напора, которое необходимо обеспечить для каждого из воздуховодов 24 для достижения однородности распределения воздушных потоков. Моделирование значений дополнительного снижения напора позволяет рассчитать параметры диафрагм 30 (в частности, отношения их внутренних диаметров d1 к внутреннему диаметру d2 каждого из воздуховодов 24).
Например, исходя из данных моделирования, приведенных в Таблице I, можно заметить, что для второго воздуховода 24b необходимо обеспечить дополнительное снижение напора порядка 3,8. Для создания такого уменьшения напора следует установить диафрагму, площадь F1 отверстия которой соответствует соотношению F1/F2=0,51, где F1 - площадь отверстия (поперечное сечение воздушного потока через диафрагму), a F2 - поперечное сечение воздушного потока в воздуховоде 24b. Таким образом, при диаметре d2 воздуховода 24b, приблизительно равном 39,8 мм, диаметр d1 диафрагмы 30, которую следует установить на входе второго воздуховода 24b, приблизительно равен 28,4 мм.
Также исходя из данных, приведенных в Таблице I, можно заметить, что для третьего воздуховода 24с необходимо обеспечить дополнительное снижение напора порядка 4,5. Для создания такого уменьшения напора следует установить диафрагму, площадь F1 отверстия которой соответствует соотношению F1/F2=0,49, где F1 - площадь отверстия (поперечное сечение воздушного потока через диафрагму), а F2 - поперечное сечение воздушного потока в воздуховоде 24с. Таким образом, при диаметре d2 воздуховода 24с, приблизительно равном 39,8 мм, диаметр d1 диафрагмы 30, которую следует установить на входе третьего воздуховода 24с, приблизительно равен 27,9 мм.
Параметры каждой из диафрагм 30, установленных в каждом из воздуховодов 24, определенные описанным образом на основе моделирования требуемых величин дополнительного снижения напора, подобраны индивидуально для каждого воздуховода. Результаты установки таких диафрагм приведены в Таблице II.
Таблица II
- Поток в первом воздуховоде 24а (г/с)
32,59
Поток во внутреннем канале 14а (г/с)
4,14
Поток в центральном канале 14b (г/с)
7,82
Поток во внешнем канале 14с (г/с)
4,37
- Поток во втором воздуховоде 24b (г/с)
32,67
Поток во внутреннем канале 14а (г/с)
4,12
Поток в центральном канале 14b (г/с)
7,78
Поток во внешнем канале 14с (г/с)
4,35
- Поток в третьем воздуховоде 24с (г/с)
32,52
Поток во внутреннем канале 14а (г/с)
4,13
Поток в центральном канале 14b (г/с)
7,79
Поток во внешнем канале 14с (г/с)
4,36
Из Таблицы II видно, что благодаря установке диафрагм в воздуховодах 24а, 24b и 24с неоднородность распределения воздушных потоков между воздуховодами не превышает 1%, т.е. пренебрежимо мала. Вследствие этого достигается однородность температур по объему корпуса 12.
Таким образом, существует возможность балансировки воздушных потоков, циркулирующих в каждом угловом секторе каналов 14 циркуляции воздуха, путем добавления диафрагмы, обеспечивающей индивидуализированное задание величины воздушного потока на входе воздуховода, выходящего в данный угловой сектор каналов циркуляции воздуха.
Другими словами, балансировка воздушных потоков может быть осуществлена индивидуально для каждого сектора каналов 14 циркуляции воздуха путем выбора поперечного сечения диафрагмы в соответствии с потребностями соответствующего сектора каналов. Следовательно, каждый из воздуховодов 24 может быть снабжен диафрагмой 30, параметры которой (определяющие поперечное сечение воздушного потока) варьируют от канала к каналу.