СТАТОР ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ

Полезная модель относится к области турбостроения, в частности к устройству охлаждаемого статора турбины компрессора в газотурбинном двигателе, и может быть использована в транспортном и энергетическом машиностроении.
Турбина компрессора газотурбинного двигателя работает в жестких температурных условиях: температура газов перед турбиной составляет 1600…1800 К. От величины температуры газов перед турбиной впрямую зависит экономичность двигателя. Для поддержания в турбине компрессора самых высоких допустимых значений температуры деталей, при которых обеспечиваются достаточная механическая прочность конструкционных материалов и ресурс турбины, проводят их охлаждение. Обычно охлаждение осуществляют воздухом, отбираемым от подходящей по давлению ступени компрессора. При этом для уменьшения расхода охлаждающего воздуха стремятся уменьшить тепловое воздействие высокотемпературного газа на элементы конструкции турбины.
Одним из охлаждаемых элементов статора турбины компрессора является корпус турбины. Наряду с охлаждением корпус защищают от нагрева с помощью теплоотражательных экранов или теплоизоляционных элементов. Таким путем уменьшают усадку, коробление и растрескивание корпуса, а также изменение величины радиальных зазоров в турбине. Элементом, выполняющим наряду с другими функциями функцию теплоизоляционного элемента для корпуса, является надроторное кольцо. Во многих известных конструкциях статора газовой турбины предусматривается воздействие охлаждающего воздуха не только на корпус, но и на надроторное кольцо.
Известен статор газовой турбины, содержащий корпус и закрепленное в нем надроторное кольцо (пат. РФ №2210672, F01D 5/08, оп. 20.08.2003). В статоре производится заградительное охлаждение надроторного кольца со стороны проточной части турбины. Охлаждающий воздух к надроторному кольцу подается из наддуваемой камеры, размещенной в выступающих в проточную часть турбины полках сопловых лопаток. Отверстия для подачи воздуха к надроторному кольцу выполнены в полках таким образом, что их оси ориентированы вдоль внутренней поверхности надроторного кольца. Недостатком статора является его низкая эксплуатационная надежность по причине недостаточного охлаждения надроторного кольца.
Известен выбранный в качестве прототипа статор газовой турбины, содержащий корпус, укрепленное в нем надроторное кольцо и кольцевую заслонку с отверстиями (пат. РФ №2292466, F01D 11/24 и F01D 25/24, оп. 27.01.2007). Между корпусом и надроторным кольцом образована кольцевая камера, имеющая в своей периферийной части сообщение с источником охлаждающего воздуха. Надроторное кольцо выполнено с двумя кольцевыми радиальными выступами на внешней поверхности обода кольца. Выступы расположены по разные стороны от серединной линии внешней поверхности обода, со смещением к ней от кромок обода; они формируют на ободе между собой желоб. Заслонка с отверстиями установлена в камере над желобом таким образом, что ее часть, содержащая отверстия, размещена эквидистантно внутренней поверхности обода надроторного кольца. В передней части надроторного кольца выполнены каналы, соединяющие камеру, в донной части желоба надроторного кольца, с проточной частью турбины.
Недостаток статора заключается в обусловленном его конструктивными особенностями неэкономном расходе воздуха, который требуется в условиях работы газовой турбины для охлаждения статора. Необходимость большого расхода воздуха на охлаждение статора негативно отражается на экономичности турбины в целом.
Задачей полезной модели является снижение уровня расхода воздуха, требуемого для охлаждения статора, за счет обеспечения более эффективного охлаждения надроторного кольца.
Повышение эффективности охлаждения надроторного кольца достигается тем, что в статоре газовой турбины, содержащем корпус, укрепленное в нем надроторное кольцо, кольцевую заслонку с отверстиями, причем между корпусом и надроторным кольцом образована кольцевая камера, имеющая в своей периферийной части сообщение с источником охлаждающего воздуха, надроторное кольцо выполнено с двумя кольцевыми радиальными выступами на внешней поверхности обода кольца, расположенными по разные стороны от ее серединной линии, со смещением к ней от кромок обода, и формирующими между собой на ободе желоб, а кольцевая заслонка с отверстиями установлена в камере над желобом с размещением ее части, содержащей отверстия, эквидистантно внутренней поверхности обода составного надроторного кольца, согласно полезной модели, на ободе надроторного кольца, с внешней стороны, выполнена кольцевая выемка по радиусу, формирующая вогнутую поверхность дна желоба, при этом отверстия на кольцевой заслонке расположены в один ряд напротив серединной линии дна желоба, кроме того, в толще обода имеется два кольцевых ряда продольных каналов, соединяющих камеру, в донной части желоба надроторного кольца, с проточной частью турбины, в первом из которых каналы ориентированы в направлении от серединной линии дна желоба к передней кромке обода, а во втором - от серединной линии дна желоба к задней кромке обода. Также, дополнительно, отверстия на кольцевой заслонке могут быть выполнены с бортом со стороны дна желоба надроторного кольца. Внутренняя поверхность желоба может быть выполнена ребристой с выступающими поперек желоба частями.
Выполнение на внешней стороне обода надроторного кольца кольцевой выемки по радиусу, формирующей вогнутую поверхность дна желоба, уменьшает в этом месте толщину обода, при этом минимальная толщина проходит по серединной линии дна желоба. Известно, что уменьшение толщины стенки вызывает снижение ее термического сопротивления. По сравнению с ободом надроторного кольца статора-прототипа, который выполнен равнотолщинным, в предлагаемом статоре обод в месте расположения дна желоба будет охлаждаться воздухом до более низкой температуры, т.е. степень его охлаждения будет выше. Благодаря расположению отверстий на кольцевой заслонке в один ряд напротив серединной линии дна желоба, воздушные струи, выходящие из заслонки, ориентированы на более узкую кольцевую область дна, по которой проходит серединная линия дна и где стенка обода наиболее тонкая.
Два кольцевых ряда продольных каналов, размещенных в толще обода и соединяющих камеру, в донной части желоба надроторного кольца, с проточной частью турбины, в первом из которых каналы ориентированы в направлении от серединной линии дна желоба к передней кромке обода, а во втором - от серединной линии дна желоба к задней кромке обода, образуют внутристенную систему активного повсеместного теплообмена между материалом обода и охлаждающим воздухом, поступающим в эти каналы из придонной части камеры. При этом, воздух, выходящий из каналов первой группы, не смешивается с проходящим по проточной части высоконапорным газовым потоком, а, распределяясь под воздействием этого потока тонким равномерным слоем по внутренней поверхности обода надроторного кольца, устремляется, в том числе через зазор между надроторным кольцом и концами рабочих лопаток, в область меньшего давления, за рабочее колесо. Таким образом, в отличие от прототипа, защитный воздушный слой со стороны проточной части создается по всей ширине обода надроторного кольца, что также способствует снижению его температуры.
В случае выполнения на кольцевой заслонке отверстий с бортом со стороны дна желоба надроторного кольца обеспечивается подача охлаждающего воздуха к ободу надроторного кольца в виде четко оформленных компактных струй, точки столкновения которых с дном желоба оказываются на его серединной линии. Вогнутая форма дна желоба способствует получению равномерно распределенной придонной воздушной пленки, в которой движение воздуха, попавшего на серединную линию дна, осуществляется по скатам дна, от серединной линии к радиальным выступам. Наличие воздушной пленки также увеличивает эффективность охлаждения обода надроторного кольца.
Целесообразно для увеличения поверхности теплообмена внутреннюю поверхность желоба выполнять ребристой, с выступающими поперек частями. Высота, форма, частота размещения фигур, ограниченных выступающими частями внутренней поверхности желоба в вариантах исполнения надроторного кольца могут различаться.
Благодаря интенсивно охлаждаемому ободу надроторное кольцо в статоре препятствует передаче тепла от газового потока к корпусу статора.
В целом организация равномерного и глубокого охлаждение обода надроторного кольца, интенсифицирование процессов теплообмена в системе «обод надроторного кольца - охлаждающий воздух» делают охлаждение надроторного кольца по сравнению с прототипом более эффективным.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых представлены:
Фиг.1. Статор и рабочая лопатка в газовой турбине, фрагмент продольного разреза;
Фиг.2. Поперечный разрез А-А на фиг.1.
Статор газовой турбины содержит корпус 1, соосно установленное в нем с закреплением надроторное кольцо 2 и размещенную между ними кольцевую заслонку 3 с отверстиями 4.
Надроторное кольцо 2 выполнено составным и в конкретном примере исполнения состоит из тридцати шести скрепленных между собой сегментов - надроторных вставок; оно окружает ротор турбины и расположено напротив его рабочих лопаток 5.
Кольцевая заслонка 3 с отверстиями 4 выполнена цельной, в виде ленты. На один сегмент надроторного кольца приходится девять отверстий 4 кольцевой заслонки 3.
Между корпусом 1 и составным надроторным кольцом 2 образована кольцевая камера 6, имеющая в периферийной части сообщение с источником охлаждающего воздуха высокого давления. В качестве источника охлаждающего воздуха в газотурбинном двигателе использована последняя ступень компрессора.
Составное надроторное кольцо 2 имеет два кольцевых радиальных выступа 7 на внешней поверхности его обода 8. Выступы 7 расположены по разные стороны от серединной линии внешней поверхности обода 8, со смещением к ней от кромок обода 8, и формируют между собой на ободе 8 желоб. Кольцевая заслонка 3 установлена в камере 6 над желобом таким образом, что ее часть, содержащая отверстия 4 размещена эквидистантно внутренней поверхности обода 8 надроторного кольца 2.
На внешней стороне обода 8 выполнена кольцевая выемка 9 по радиусу. Выемка 9 является дном желоба.
В толще обода 8 выполнены два кольцевых ряда продольных каналов, соединяющих камеру 6, в донной части желоба составного надроторного кольца 2, с проточной частью турбины. В кольцевых рядах расстояние между двумя близлежащими каналами, так называемый шаг, составляет 1,5 мм. Каналы 10 первого ряда ориентированы в направлении от серединной линии дна желоба к передней кромке обода 8. Во втором ряду каналы 11 располагаются в направлении от серединной линии дна желоба к задней кромке обода 8.
Отверстия 4 кольцевой заслонки 3 выполнены с бортом 12 со стороны дна желоба. На кольцевой заслонке 3 отверстия 4 расположены в один ряд напротив серединной линии дна желоба.
Внутренняя поверхность желоба выполнена с выступающими поперек желоба частями 13, частично его перекрывающими и расположенными по одному посередине каждого из промежутков между осями двух соседних отверстий 4 заслонки 3. Кромки выступающих частей 13 размещены в желобе ниже кромок бортов 12.
В условиях работы газовой турбины охлаждение надроторного кольца, испытывающего наибольший нагрев в результате прямого контакта с перемещаемыми по проточной части рабочими газами, производится сжатым воздухом, поступающим из последней ступени компрессора. Воздух, попадая из компрессора в периферийную часть камеры 6, перемещается в сторону кольцевой заслонки 3, по пути охлаждая корпус 1 статора. Далее через отверстия 4, выполненные с бортом 12, воздух проходит в желоб составного надроторного кольца 2. Благодаря бортам 12, придающим проходам в кольцевой заслонке 3 трубчатую форму, воздушный поток преобразуется в четко оформленные струи. Воздушные струи, попадая на серединную линию дна желоба, растекаются по дну пленкой, в которой перемещение воздуха осуществляется от серединной линии к радиальным выступам 7, интенсивно охлаждая поверхность дна. Также воздух пленки омывает поверхности радиальных выступов 7 и скаты выступающих поперечных частей 13 поверхности желоба. Затем из пленки воздух перетекает в каналы 10 и 11, и, двигаясь по ним, изнутри производит охлаждение обода 8 составного надроторного кольца 2. Из каналов 10 и 11 охлаждающий воздух выходит в проточную часть газовой турбины. Воздух, выходящий в проточную часть из каналов 10, распределяясь под воздействием газового потока тонким равномерным слоем по внутренней поверхности обода 8, направляется в область меньшего давления, за рабочее колесо. Таким образом, в предлагаемом статоре газовой турбины обеспечивается охлаждение надроторного кольца, включающее процесс интенсивного пленочного охлаждения внутренней поверхности желоба его обода, повсеместное внутристенное охлаждение обода и воздушную защиту всей внутренней поверхности обода со стороны проточной части.