КОЛЬЦЕВОЙ КОРПУС СТАТОРА ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ И СЕГМЕНТ КОЛЬЦЕВОГО КОРПУСА
GAS TURBINE STATOR CIRCULAR HOUSING AND CIRCULAR HOUSING SEGMENT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области неподвижных кольцевых компонентов (узлов) газовых турбин. Более конкретно, оно охватывает неподвижные кольцевые компоненты корпусов турбин высокого давления турбомашин, состоящие из сегментов, соединенных встык с использованием вводимых в них уплотняющих перемычек.
Уровень техники
В газовой турбине, например в турбине высокого давления турбомашины, рабочие (подвижные) лопатки, образующие ротор, окружены неподвижным кольцевым корпусом, образующим оболочку ротора. Таким образом, неподвижный кольцевой корпус образует одну из стенок канала течения горячих газов, поступающих из камеры сгорания турбомашины и протекающих через турбину.
Неподвижный кольцевой корпус может представлять собой неподвижное кольцо турбины, прикрепленное к статору турбины при помощи перемычки. Как правило, кольцо и перемычка такого неподвижного кольцевого корпуса выполнены сборными, т.е. состоят из нескольких сегментов, соединенных встык.
Поскольку данный неподвижный кольцевой компонент (т.е. сборный кольцевой корпус) находится в непосредственном контакте с горячими газами, поступающими из камеры сгорания, необходимо обеспечить охлаждение составляющих его сегментов. С этой целью воздух, забираемый из другой части камеры, циркулирует в контуре охлаждения, предусмотренном в каждом из сегментов неподвижного кольцевого компонента, и выводится в канал течения газов перед рабочими лопатками турбины.
Кроме того, необходимо обеспечить герметичность соединения смежных сегментов неподвижного кольцевого компонента, чтобы исключить утечки воздуха, которые привели бы к снижению эффективности охлаждения этих сегментов. Известная технология для решения этой задачи (описанная, например, в US 5709530, МПК F01D 11/00, 1998, фиг.1-4) заключается в использовании уплотняющих вставок, введенных между соседними сегментами.
Известен также неподвижный кольцевой компонент, образующий оболочку, охватывающую ротор газовой турбины и содержащий сегменты, смежные боковые грани которых соединены встык через средства уплотнения (см. ЕР 0147354 А1, МПК F01D 11/00, 1985, фиг.1-4). Данный компонент и любой из составляющих его сегментов являются ближайшими аналогами заявленной группы изобретений. В известном компоненте уплотняющие вставки введены в осевые и радиальные пазы, предусмотренные одни напротив других в смежных боковых гранях сегментов. Они позволяют перекрыть зазоры, существующие между двумя смежными сегментами, и уменьшить утечки воздуха при любом тепловом расширении этих сегментов. При этом, как можно видеть из фиг.2 и 4, радиальная уплотняющая вставка (26) имеет ширину, большую, чем ширина осевой уплотняющей вставки (18). Соответственно глубина радиального паза (60) сделана превышающей глубину осевого паза (58).
Радиальные и осевые пазы, в которых размещают уплотняющие вставки, сделаны смежными, т.е. сообщающимися между собой. Такое расположение необходимо, поскольку уплотняющие вставки должны перекрывать максимальную поверхность боковых граней сегментов для обеспечения оптимального уровня герметичности.
Тем не менее, на практике оказывается, что такое расположение пазов приводит к возникновению значительных утечек воздуха в местах соединения осевых и радиальных пазов. Эти утечки проиллюстрированы на фиг.5. На этом чертеже частично изображены два сегмента 100, 100' известного неподвижного кольцевого компонента, каждый из которых снабжен осевым пазом 102, 102' и радиальным пазом 104, 104'. Уплотняющие вставки 106, 108 расположены соответственно в осевых и радиальных пазах. Наличие между вставками и пазами зазора 110 обусловлено тем, что вследствие воздействия на сегменты горячих газов, поступающих из камеры сгорания, сегменты подвергаются тепловым расширениям и сжатиям, которые сказываются на размерах зазора 112, существующего между двумя соседними сегментами.
Вследствие распределения давления в контуре охлаждения сегментов 100, 100' в местах соединения осевых пазов 102, 102' и радиальных пазов 104, 104' возникают утечки воздуха (на чертеже эти утечки изображены пунктирными линиями). Такие утечки, в частности, негативно сказываются на охлаждении сегментов и на к.п.д. турбины.
Раскрытие изобретения
Таким образом, задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в устранении указанных недостатков и в предложении неподвижного кольцевого компонента газовой турбины, составляющие сегменты которого характеризуются особой геометрией пазов и уплотняющих вставок, позволяющей уменьшить утечки воздуха между соседними сегментами.
Для решения поставленной задачи предлагается неподвижный кольцевой компонент, образующий оболочку ротора газовой турбины и содержащий сегменты, смежные боковые грани которых соединены встык через средства уплотнения. Средства уплотнения содержат, по меньшей мере, одну осевую уплотняющую вставку и, по меньшей мере, одну радиальную уплотняющую вставку, расположенные соответственно в, по меньшей мере, одном осевом пазу и в, по меньшей мере, одном радиальном пазу, предусмотренных друг напротив друга в смежных боковых гранях сегментов. Радиальный паз при этом примыкает, по меньшей мере, одним из своих концов к осевому пазу. Кольцевой сегмент по изобретению характеризуется тем, что осевой паз каждого сегмента имеет глубину, большую, чем глубина радиального паза, а осевая уплотняющая вставка имеет ширину, большую, чем ширина радиальной уплотняющей вставки.
Размещение осевой уплотняющей вставки в более глубоком пазу позволяет перекрыть каналы утечек, обнаруженные в известных конструкциях. Таким образом, можно уменьшить утечки воздуха между двумя смежными сегментами, что позволяет улучшить их охлаждение. Кроме того, появляется возможность сократить необходимый расход охлаждающего воздуха при том же уровне охлаждения и, следовательно, повысить к.п.д. турбины.
Другое преимущество изобретения заключается в том, что предотвращение утечек воздуха достигается без добавления дополнительных деталей (например, уголков), которое привело бы к увеличению массы кольцевого компонента, не требует существенных модификаций пазов и вставок и не создает дополнительных трудностей в обслуживании.
Неподвижный кольцевой компонент может образовывать кольцо турбины высокого давления турбомашины. В этом случае боковые грани каждого кольцевого сегмента могут содержать по два осевых паза, которые расположены со стороны внутренней стенки и внешней стенки и в которых расположены осевые вставки, и по два радиальных паза, которые расположены со стороны передней стенки и задней стенки и в которых расположены радиальные вставки.
Неподвижный кольцевой компонент может также представлять собой перемычку турбины высокого давления турбомашины. В этом случае боковые грани каждого сегмента перемычки могут содержать по одному осевому пазу, в котором расположена осевая вставка, и, по меньшей мере, по три радиальных паза (два из которых расположены со стороны передней стенки и задней стенки), в которых расположены радиальные вставки.
Настоящее изобретение также охватывает сегмент вышеописанного неподвижного кольцевого компонента газовой турбины.
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 неподвижный кольцевой корпус турбины высокого давления турбомашины по изобретению;
- фиг.2 изображает в перспективе сегмент перемычки неподвижного кольцевого корпуса по изобретению;
- фиг.3 изображает в перспективе часть внутреннего устройства двух сегментов перемычки по фиг.2, соединенных встык;
- на фиг.4 представлен разрез плоскостью IV-IV, показанной на фиг.3;
- фиг.5, описанная выше, иллюстрирует недостатки известного неподвижного кольцевого корпуса, приводящие к утечкам.
Осуществление изобретения
Как показано на фиг.1, турбина 2 высокого давления турбомашины с продольной осью Х-Х содержит, в частности, рабочие (подвижные) лопатки 4, образующие ротор и расположенные в кольцевом канале 6 течения горячих газов, поступающих из камеры сгорания (не представлена). Направляющие (неподвижные) лопатки 8, образующие направляющий аппарат высокого давления, также расположены в канале 6 течения газов перед рабочими лопатками 4 относительно направления 10 течения газов.
Рабочие лопатки 4 окружены неподвижным кольцевым компонентом 12, образующим оболочку. Этот неподвижный кольцевой компонент представляет собой кольцо турбины, прикрепленное к статору 14 турбины при помощи сегментов 18 перемычки. Точнее, кольцо турбины состоит из нескольких кольцевых сегментов 16, соединенных встык. Например, два кольцевых сегмента 16 могут быть установлены на одном сегменте 18 перемычки.
Определенный таким образом неподвижный кольцевой компонент 12 содержит контур циркуляции воздуха, позволяющий охлаждать кольцевые сегменты 16 и сегменты 18 перемычки, подверженные воздействию горячих газов, поступающих из камеры сгорания.
С этой целью неподвижный кольцевой компонент 12 оборудован контуром охлаждения. Отверстие 20, предусмотренное в передней радиальной стенке 22а каждого из сегментов 18 перемычки, выходит в полость 24, образованную между статором 14 и сегментом 18 перемычки. Воздух, распределяемый в этой полости 24, поступает из другой части камеры и попадает затем в контур охлаждения сегмента 18 перемычки и кольцевого сегмента или кольцевых сегментов 16, установленных на нем. Затем воздух выводится в канал 6 течения горячих газов перед рабочими лопатками 4 турбины.
Кроме того, поскольку кольцо и перемычка неподвижного кольцевого компонента 12 разделены на сегменты, следует ограничить утечки воздуха между двумя соседними сегментами 16, 18.
С этой целью между двумя соседними кольцевыми сегментами 16 и между двумя сегментами 18 перемычки введены уплотняющие элементы. Эти элементы образованы уплотняющими вставками, размещенными в осевых и радиальных пазах, предусмотренных одни напротив других в смежных боковых гранях сегментов 16, 18.
Под осевыми пазами подразумеваются пазы, ориентированные, по существу, в осевом направлении, т.е. вдоль продольной оси Х-Х турбины 2 высокого давления. Аналогичным образом под радиальными пазами подразумеваются пазы, ориентированные, по существу, в радиальном направлении, т.е. перпендикулярно продольной оси Х-Х.
Таким образом, каждый из кольцевых сегментов 16 снабжен, по меньшей мере, одним осевым пазом 26 и, по меньшей мере, одним радиальным пазом 28, которые расположены на его боковых гранях 30.
На фиг.1 каждая из боковых граней 30 кольцевого сегмента содержит два осевых паза 26 и два радиальных паза 28. Осевые пазы могут быть расположены, например, со стороны внутренней стенки 32а и внешней стенки 32b кольцевого сегмента 16. Радиальные же пазы 28 могут быть расположены, например, со стороны передней осевой стенки 34а и задней осевой стенки 34b кольцевого сегмента 16.
Такое расположение осевых пазов 26 и радиальных пазов 28 позволяет уплотняющим вставкам покрыть большую поверхность боковых граней 30 кольцевого сегмента 16 для обеспечения оптимального уровня герметичности между двумя соседними кольцевыми сегментами.
Кроме того, из этого оптимального расположения следует, что два радиальных паза 28 примыкают обоими своими концами к осевым пазам 26. Также можно предусмотреть конфигурацию, в которой радиальные пазы 28 примыкают к осевым пазам только одним своим концом.
Аналогичным образом каждый сегмент 18 перемычки снабжен, по меньшей мере, одним осевым пазом 36 и, по меньшей мере, одним радиальным пазом 38, которые расположены на его боковых гранях 40.
На фиг.1 и 2 каждая из боковых граней 40 сегмента 18 перемычки содержит один осевой паз 36 и три радиальных паза 38, два из которых расположены со стороны его передней радиальной стенки 22а и задней радиальной стенки 22b.
Вследствие необходимости обеспечения оптимального распределения осевых пазов 36 и радиальных пазов 38 по всей поверхности боковых граней 40 сегмента 18 перемычки два из радиальных пазов 38 примыкают одним из своих концов к осевому пазу 36.
В осевых пазах 26, 36 и в радиальных пазах 28, 38 кольцевых сегментов 16 и сегментов 18 перемычки расположены уплотняющие вставки, позволяющие частично перекрыть зазор, существующий между двумя соседними сегментами, для ограничения утечек воздуха.
Однако утечки воздуха возникают также в точках соединения некоторых осевых и радиальных пазов. В частности, утечки возникают на кольцевых сегментах 16 в точках соединений А и А' (фиг.1) двух радиальных пазов 28 и осевого паза 26, предусмотренного со стороны внешней стенки 32b. Аналогичным образом, утечки возникают на сегментах 18 перемычки в точках соединений В и В' (фиг.1) двух радиальных пазов 38 и осевого паза 36.
Для ограничения таких утечек в соответствии с изобретением предусмотрена конструкция, в которой осевой паз или осевые пазы 26, 36 боковых граней 30, 40 каждого кольцевого сегмента 16 и сегмента 18 перемычки имеют большую глубину, чем радиальный паз или радиальные пазы 28, 38, а уплотняющие вставки, расположенные в каждом из осевых пазов, имеют большую ширину, чем уплотняющие вставки, расположенные в каждом из радиальных пазов.
Под глубиной паза подразумевается глубина прорезки паза в материале соответствующего сегмента. Под шириной вставки подразумевается размер вставки, заключенный между двумя ее боковыми сторонами, которыми вставка вводится в пазы.
Это свойство, в частности, проиллюстрировано на фиг.2, которая изображает сегмент 18 перемычки. На этом чертеже хорошо видно, что в точке соединения В осевой паз 36 имеет глубину  большую, чем глубина  радиального паза 38, примыкающего к осевому пазу 36. Разумеется, это свойство относится также и к точкам соединения В' сегмента 18 перемычки, и к точкам соединения А и А' кольцевого сегмента 16 (фиг.1).
На фиг.3 изображены два соседних сегмента 18, 18' перемычки, соединенные встык, а также соединение В осевого паза 36 и радиального паза 38. Уплотняющая вставка 42 расположена в осевом пазе 36, а уплотняющая вставка 44 - в радиальном пазе 38.
Из фиг.3 и 4 хорошо видно, что осевая уплотняющая вставка 42 имеет ширину  большую, чем ширина  радиальной уплотняющей вставки 44. Разумеется (хотя это и не проиллюстрировано на чертеже), данное утверждение относится также и к точке соединения В' сегмента 18 перемычки, и к точкам соединения А и А' кольцевого сегмента 16 (фиг.1).
Таким образом, можно устранить утечки воздуха в точках соединений осевых пазов 26, 36 и радиальных пазов 28, 38 кольцевых сегментов 16 и сегментов 18 перемычки. В частности, в отношении сегментов 18 перемычки можно отметить, что давление воздуха, поступающего в их контур охлаждения, выше со стороны полостей 24 (фиг.1), чем со стороны канала 6 течения газов. Поэтому воздух, циркулирующий между двумя соседними сегментами 18, 18' (фиг.3), прижимает осевую уплотняющую вставку 42 к поверхностям осевого паза 36, на которые она опирается, предупреждая тем самым утечку воздуха через радиальные пазы 38 в точке их соединения с осевым пазом. Таким образом, возможность утечки исключается.
Разумеется, эта особенность также относится к кольцевым сегментам 16, для которых давление воздуха, поступающего в их контур охлаждения, выше со стороны их внешней стенки 32b, чем со стороны их внутренней стенки 32а (фиг.1).
Следует также отметить, что, как видно из фиг.4, между вставками 42, 44 и осевыми пазами 36 и радиальными пазами 38 существует зазор . Этот зазор необходим для учета тепловых расширений и сокращений соседних сегментов 18, 18' перемычки (и соответственно кольцевых сегментов).
Описанный неподвижный кольцевой компонент является частью турбины высокого давления турбомашины. Разумеется, настоящее изобретение также относится к любым другим типам сегментированных колец, в которых необходимо обеспечить герметичность между соседними сегментами, например в направляющем аппарате высокого давления турбомашины.