НАПРАВЛЯЮЩАЯ ЛОПАТКА ТУРБИНЫ
TURBINE GUIDE VANE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к статору турбины, в частности газовой турбины. Изобретение также относится к турбине, содержащей статор и направляющую лопатку статора.
Предшествующий уровень техники
Статор является существенным элементом турбины, причем статор содержит лопатки, направляющие поток текучей среды на лопатки ротора турбины, приводя, таким образом, их и, соответственно, ротор во вращение. Ось вращения ротора определяет осевое направление. Радиальное направление и направление вдоль окружности, каждое, определяются относительно осевого направления. Направляющие лопатки статора расположены рядами, причем каждый ряд содержит смежные в окружном направлении лопатки. Упомянутые направляющие лопатки имеют аэродинамический профиль, расположенный внутренним торцом в бандажной полке по внутреннему диаметру направляющей лопатки, причем термин «внутренний» используется применительно к радиальному направлению.
В случае газовой турбины текучей средой является расширяющийся газ, причем расширение достигается за счет сжигания упомянутого газа. Таким образом, направляющие лопатки статора подвергаются воздействию высоких температур, что в результате создает большую термодинамическую нагрузку на направляющие лопатки. Для уменьшения упомянутой нагрузки направляющие лопатки обычно содержат систему каналов для их охлаждения при помощи охлаждающего газа, тем самым используя упомянутый охлаждающий газ также для охлаждения бандажной полки, то есть система каналов соединена с полостью бандажной полки, причем упомянутая бандажная полка, в частности, разграничена боковыми стенками соответствующей бандажной полки. Термин «боковая стенка», таким образом, используется применительно к направлению вдоль окружности, причем каждая боковая стенка бандажной полки обращена в сторону боковой стенки бандажной полки смежной в окружном направлении направляющей лопатки. При подобном расположении направляющих лопаток статора между обращенными в сторону друг друга стенками образуется зазор.
Краткое изложение сущности изобретения
Цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить усовершенствованный или, по меньшей мере, альтернативный вариант осуществления статора упомянутого типа, который, в частности, отличается усовершенствованным уплотнением.
Согласно изобретению решение данной проблемы описано в независимых пунктах формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления статора по изобретению можно найти в зависимых пунктах формулы изобретения.
Изобретение основано на общей идее формирования промежуточной полости между боковыми стенками бандажных полок смежных в направлении вдоль окружности направляющих лопаток статора за счет использования зазора между упомянутыми боковыми стенками, причем бандажная полка направляющей лопатки расположена у внутреннего торца аэродинамического профиля соответствующей лопатки, а боковая стенка бандажной полки обращена в сторону боковой стенки бандажной полки смежной в направлении вдоль окружности лопатки, при этом боковые стенки разграничивают полость бандажной полки соответствующей бандажной полки. Кроме этого, каждая направляющая лопатка содержит систему каналов для охлаждения соответствующей направляющей лопатки при помощи охлаждающего газа, причем полость бандажной полки соединена с системой каналов и поэтому охлаждается упомянутым охлаждающим газом, а промежуточная полость отделена по текучей среде от соответствующих полостей бандажной полки, в частности, посредством боковых стенок. Промежуточная полость между смежными в направлении вдоль окружности бандажными полками, таким образом, в частности, прекращает или, по меньшей мере, уменьшает утечку текучей среды турбины через зазор между боковыми стенками. Направление вдоль окружности определяется относительно оси вращения ротора соответствующей турбины, в котором установлен статор. Радиальное направление, соответственно, определяется относительно оси вращения.
Согласно общей идее изобретения, по одному из вариантов осуществления, между обращенными друг к другу сторонами двух смежных в направлении вдоль окружности боковых стенок имеется зазор. В этом случае подобный зазор, закрытый, по меньшей мере, одной уплотнительной плитой, образует промежуточную полость. Упомянутая промежуточная полость, таким образом, разграничена в направлении вдоль окружности боковой стенкой и закрыта уплотнительной плитой/плитами. Промежуточная полость, таким образом, отделенная и, соответственно, изолированная по текучей среде, образует полость бандажной полки соответствующих бандажных полок. Подобное расположение уплотнительных плит, в частности, позволяет обеспечивать лучшее уплотнение промежуточной полости.
По одному из предпочтительных вариантов осуществления, по меньшей мере, одна из бандажных полок, содержащая боковую стенку, образующую промежуточную полость, содержит, по меньшей мере, одну канавку в районе промежуточной полости. Канавка, таким образом, проходит вокруг промежуточной полости, т.е. канавка окружает промежуточную полость. При наличии нескольких канавок подобные канавки предпочтительно расположены вокруг промежуточной полости и, в частности, распределены равномерно или непрерывно. Канавки, таким образом, выполнены в качестве секционных канавок, проходящих вокруг промежуточной полости. Упомянутая канавка/канавки дополнительно выполнены с возможностью установки в них, по меньшей мере, одной уплотнительной плиты, закрывающей промежуточную полость.
Уплотнительная плита, таким образом, входит в упомянутую канавку, причем канавка и, соответственно, уплотнительная плита проходят вокруг промежуточной полости. Следовательно, канавка/канавки могут быть сделаны внутри боковых стенок соответствующих бандажных полок. По одному из предпочтительных вариантов осуществления каждая из двух бандажных полок содержит одну из боковых стенок, образующих промежуточную полость, причем каждая из упомянутых боковых стенок содержит канавки, в которые помещается, по меньшей мере, одна уплотнительная плита. Канавки в упомянутых бандажных полках, таким образом, имеют взаимодополняющую конструкцию и/или форму. То есть, в частности, канавки соответствующих бандажных полок могут иметь аналогичную форму и конструкцию и располагаться непосредственно напротив друг друга. Они также могут иметь различную конструкцию, а уплотнение может обеспечиваться за счет определенного расположения уплотнительных плит. В случае если в каждой бандажной полке имеется несколько канавок, т.е. если имеются секционные канавки, секции в смежных бандажных полках могут быть расположены таким образом, чтобы они были обращены в сторону друг друга, т.е. секционные канавки бандажных полок, в частности, расположены одинаково. Секционные канавки могут быть смещены относительно друг друга, то есть они могут быть расположены по-другому. В последнем случае предпочтителен вариант осуществления, по которому вокруг каждой части промежуточной полости проходит, по меньшей мере, одна секция канавки. Следует отметить, что уплотнительные плиты также могут располагаться таким образом, чтобы они накладывались друг на друга. Подобное наложение может осуществляться за счет установки уплотнительных плит друг напротив друга и/или за счет расположения смежных уплотнительных плит в канавке/канавках одной из бандажных полок.
Подразумевается, что уплотнительные плиты соответствуют по форме и конструкции соответствующим канавкам. То есть уплотнительные плиты, в частности, выполнены таким образом, чтобы они входили и заполняли соответствующую канавку/канавки. Соответствующие условия внутри турбины, таким образом, требуют, чтобы уплотнительные плиты обладали соответствующими качествами, например термостойкостью. Поэтому в качестве материала для уплотнительных плит желательно использовать металлы и сплавы.
По дополнительному предпочтительному варианту осуществления уплотнительная плита/плиты образует периферийное уплотнение промежуточной полости. То есть, в частности, уплотнительная плита/плиты окружает промежуточную полость, тем самым, полностью или, по меньшей мере, по существу, герметизируя промежуточную полость в соответствующем направлении. Полное или, по меньшей мере, существенное уплотнение промежуточной полости, таким образом, обеспечивается боковыми стенками и уплотнительной плитой/плитами, причем уплотнительная плита/плиты соприкасается с соответствующими бандажными полками, в частности, в области канавки/канавок.
По особо предпочтительному варианту осуществления каждая из двух обращенных в сторону друг друга боковых стенок содержит канавку, причем упомянутые канавки имеют аналогичную форму и расположены в соответствующих боковых стенках симметрично. По данному варианту осуществления внутри подобных канавок расположены две уплотнительные плиты. Одна из уплотнительных плит расположена у нижней стороны соответствующей бандажной полки, причем нижняя сторона расположена оппозитно аэродинамическому профилю. Упомянутые уплотнительные плиты соприкасаются друг с другом у торцов соответствующих уплотнительных плит. Последняя уплотнительная плита расположена внутри остальной площади канавки, т.е., в частности, упомянутая уплотнительная плита проходит от задней стороны промежуточной полости до ее верхней стороны, примыкающей к аэродинамическому профилю, и далее до передней стороны промежуточной полости, соприкасаясь с первой уплотнительной плитой посредством торцов соответствующих уплотнительных плит. Передняя сторона и задняя сторона, таким образом, считаются по отношению к направлению потока текучей среды турбины. В этом смысле передняя сторона является стороной, расположенной по ходу спереди, а задняя сторона является стороной, расположенной по ходу сзади.
По дополнительному варианту осуществления периферийное уплотнение промежуточной полости содержит, по меньшей мере, одно отверстие. Упомянутое отверстие, таким образом, может быть выполнено за счет проделывания выреза в соответствующей уплотнительной плите/плитах и/или разрыва соответствующей уплотнительной плиты/плит. Отверстие, таким образом, предпочтительно расположено в нижней стороне промежуточной полости, т.е. отверстие сделано в части уплотнения, расположенного оппозитно аэродинамическому профилю. Кроме этого, упомянутое отверстие предпочтительно расположено в передней части промежуточной полости, т.е. в части промежуточной полости, расположенной по ходу спереди. Отверстие в данном случае, в частности, выступает в качестве впускного отверстия для сжатого газа. То есть повышенное давление в промежуточной полости создается за счет нагнетания сжатого газа в промежуточную полость через упомянутое отверстие. Повышенное давление в промежуточной полости, в частности, необходимо для улучшения герметизации промежуточной полости и исключения попадания текучей среды из турбины в промежуточную полость.
По предпочтительному варианту осуществления упомянутое отверстие отделено по текучей среде от системы каналов соответствующей направляющей лопатки. Другими словами, отверстие промежуточной полости изолировано по текучей среде от системы каналов, используемой для охлаждения направляющей лопатки и, в частности, бандажной полки посредством полости бандажной полки. То есть отверстие промежуточной полости отделено по текучей среде от полости бандажной полки, сохраняя разделение между двумя упомянутыми полостями. Таким образом, нагнетаемый газ и охлаждающий газ могут проходить через разные устройства подачи газа турбины и поэтому могут быть разными.
По дополнительному варианту осуществления направляющая лопатка содержит бандажную полку внешнего диаметра, причем бандажная полка внешнего диаметра расположена у внешнего, в радиальном направлении, торца аэродинамического профиля. То есть бандажная полка внешнего диаметра расположена у торца аэродинамического профиля, оппозитного торцу, соединенному с бандажной полкой. Бандажная полка внешнего диаметра дополнительно содержит полость бандажной полки внешнего диаметра, которая соединена с системой каналов. Бандажная полка внешнего диаметра предпочтительно также содержит впускное отверстие для охлаждающего газа, предназначенное для подачи охлаждающего газа в полость бандажной полки внешнего диаметра. Поэтому упомянутый охлаждающий газ используется для охлаждения бандажной полки внешнего диаметра, а также бандажной полки. Соответственно через аэродинамический профиль проходит система каналов, состоящая, в частности, по меньшей мере, из одного канала, причем упомянутый канал предпочтительно проходит от бандажной полки внешнего диаметра к бандажной полке, и наоборот. Таким образом, упомянутый охлаждающий газ также охлаждает аэродинамический профиль. Соответственно упрощается система подачи, с одной стороны, сжатого газа для повышения давления в промежуточной полости, а с другой стороны, подачи охлаждающего газа для охлаждения бандажной полки внешнего диаметра, аэродинамического профиля и бандажной полки.
Следует заметить, что отверстие в промежуточной полости может быть произвольного размера и формы. Между тем, симметричная форма, например круглая форма, предпочтительна, причем упомянутое круглое отверстие предпочтительно расположено на передней стороне промежуточной полости и, соответственно, в передней по ходу части направляющей лопатки и оппозитно аэродинамическому профилю, т.е. отверстие расположено на нижней стороне промежуточной полости. Размер отверстия, таким образом, не превышает ширину промежуточной полости в соответствующей области для того, чтобы обеспечивать разделение по текучей среде промежуточной полости от смежных полостей бандажной полки.
По другому предпочтительному варианту осуществления канавка в бандажной полке содержит, по меньшей мере, один разрыв, причем разрыв находится у отверстия промежуточной полости. Подобный разрыв, таким образом, выровнен с упомянутым отверстием и предпочтительно расположен на нижней стороне соответствующей бандажной полки. В случае нескольких канавок, подобные канавки предпочтительно расположены симметрично рядом и/или вокруг упомянутого отверстия. В случае если канавки обеих бандажных полок образуют промежуточную полость, упомянутые канавки также содержат симметрично расположенные разрывы, выровненные с отверстием или обращенные в сторону отверстия.
Для обеспечения достаточного уплотнения между направляющей лопаткой и несущим элементом направляющей лопатки направляющая лопатка содержит уплотнение у нижней плиты бандажной полки. Упомянутое уплотнение, таким образом, расположено в части бандажной полки, расположенной оппозитно аэродинамическому профилю, и выступает радиально внутрь. Примером подобного уплотнения является кольцевое уплотнение, в частности уплотнение Дель Матто, раскрытое, например, в US 4050702, которое включено в данное описание в качестве ссылки.
По другому варианту осуществления бандажная полка содержит, по меньшей мере, один газоотвод, причем упомянутый газоотвод, в частности, находится в верхней плите бандажной полки. Газоотводы, таким образом, в частности, расположены в части бандажной полки, обращенной в сторону аэродинамического профиля. Упомянутые газоотводы, таким образом, проходят через соответствующую стенку бандажной полки, создавая выпускные отверстия для выхода охлаждающего газа из полости бандажной полки. Газоотводы, таким образом, предпочтительно расположены в задней по ходу части бандажной полки, но могут также находиться и с/около передней стороны бандажной полки.
Поскольку направляющие лопатки и бандажные полки являются важной частью изобретения, подразумевается, что объем изобретения также охватывает статор с единственной направляющей лопаткой по изобретению.
Подразумевается, что идея использования промежуточной полости по изобретению также может быть реализована между направляющей лопаткой, содержащей бандажную полку с полостью бандажной полки, и направляющей лопаткой без полости бандажной полки, равно как между направляющей лопаткой, содержащей бандажную полку с полостью бандажной полки, и направляющей лопаткой без бандажной полки. При осуществлении промежуточной полости также могут использоваться комбинации соответствующих вариантов. Подобные варианты, таким образом, также входят в объем изобретения.
По дополнительному аспекту изобретения, турбина, в частности газовая турбина, содержит статор по изобретению. Упомянутая турбина, в частности, отличается повышенной эффективностью, в частности, за счет улучшенного уплотнения статора.
Подразумевается, что вышеупомянутые признаки, а также упоминаемые далее признаки применимы не только в соответствующей комбинации, но также и в других комбинациях, равно как и по отдельности, не выходя за объем изобретения.
Описанные выше, а также другие цели, признаки и преимущества изобретения станут более понятны из следующего описания его отдельных предпочтительных вариантов осуществления совместно с прилагаемыми чертежами.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет рассмотрено на примере одного из вариантов его осуществления, схематично изображенного на чертежах, а также будет рассмотрено далее более подробно со ссылкой на чертежи. На чертежах схематически показано:
на фиг.1 - вид в перспективе бандажной полки направляющей лопатки;
на фиг.2 - вид в продольном сечении турбины, и
на фиг.3 - вид в поперечном сечении бандажной полки направляющей лопатки.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Со ссылкой на фигуры с 1 по 3, направляющая лопатка 1 содержит аэродинамический профиль 2 и бандажную полку 3, причем внутренний торец аэродинамического профиля 2 установлен на верхней плите 4 бандажной полки 3. Термин «верхняя», таким образом, относится к радиальному направлению, обозначенному стрелкой 5, которое, в свою очередь, соотносится с осевым направлением вращения ротора 6 турбины 7, обозначенным стрелкой 8, причем турбина 7 содержит статор 9, в котором установлена изображенная направляющая лопатка 1.
Как показано на фиг.1, у верхней плиты 4 имеется плоский участок, затем она изгибается в сторону нижней плиты 10 бандажной полки 3 и соприкасается с нижней плитой 10 под острым углом в передней по ходу части бандажной полки 3, причем передняя по ходу часть или передняя сторона определяется по отношению к направлению потока текучей среды, проходящей через турбину 7, обозначенному стрелкой 11. Аэродинамический профиль 2 содержит отверстия 12, расположенные радиальными рядами вдоль аэродинамического профиля 2, которые служат в качестве выпускных отверстий для охлаждающего газа, проходящего через аэродинамический профиль 2, по каналам системы каналов. Система каналов соединена с полостью 13 бандажной полки 3, образована верхней плитой 4, нижней плитой 10, задней стенкой 14 и боковой стенкой 15 бандажной полки 3. Задняя стенка 14, таким образом, является стенкой задней по ходу части бандажной полки 3. Боковая стенка 15 проходит в осевом и радиальном направлениях и формирует полость 13 бандажной полки в направлении вдоль окружности, обозначенном стрелкой 16, и в направлении относительно оси вращения турбины 7, обозначенном стрелкой 8. Верхняя плита 4 бандажной полки 3 содержит газоотводы 17, расположенные рядами на поверхности верхней плиты 4 и соединенные с полостью 13 бандажной полки 3. Кроме этого, в передней области бандажной полки 3 имеются дополнительные отверстия 12, соединенные с полостью 13 бандажной полки 3, также используемые в качестве выпускных отверстий для охлаждающего газа. Дополнительные отверстия 12 в передней области бандажной полки 3 расположены в осевом направлении, т.е. в направлении потока.
Боковая стенка 15 направляющей лопатки 1 содержит канавку 18. Упомянутая канавка 18 начинается от передней стороны бандажной полки 3 и проходит вдоль и, в частности, повторяет контур верхней плиты 4. Канавка 18 проходит далее вдоль задней стенки 14 и повторяет контур изогнутой переходной части между верхней плитой 4 и задней стенкой 14 бандажной полки 3. Канавка 18 следует далее, изгибается вправо, проходит вдоль нижней плиты 10 бандажной полки 3 и останавливается, не доходя до передней стороны бандажной полки 3. То есть в канавке 18 имеется разрыв 19 в области нижней плиты 10, с передней стороны, соответственно, в передней по ходу части бандажной полки 3. Первая уплотнительная плита 20 расположена внутри части канавки 18, проходящей вдоль верхней плиты 4 и задней стенки 14. Упомянутая уплотнительная плита 20, таким образом, совпадает по форме с данной частью канавки 18. Уплотнительная плита 20, таким образом, имеет изогнутую переходную часть в переходной области между верхней плитой 4 и задней стенкой 14. Вторая уплотнительная плита 21 расположена в районе канавки 18, проходящей вдоль нижней плиты 10, причем упомянутая уплотнительная плита 21 соприкасается с первой уплотнительной плитой 20 в изогнутой вправо переходной области канавки 18, соответственно, в задней по ходу части бандажной полки 3. Вторая уплотнительная плита 21 содержит плоскую часть и заполняет всю остальную часть канавки 18, т.е., в частности, доходит до края разрыва 19. Обе уплотнительные плиты 20, 21, таким образом, выступают в сторону от боковой стенки 18 и, соответственно, в сторону боковой стенки 18 смежной в окружном направлении бандажной полки 3 направляющей лопатки 1. Подобные плиты 20, 21, таким образом, выполнены с возможностью их расположения в канавках обращенных в сторону друг друга боковых стенок 15 смежных бандажных полок 3. Канавка 18 противоположной бандажной полки 3 имеет взаимодополняющую форму, т.е., в частности, соответствующий разрыв, как у оппозитной канавки 18, что позволяет создавать промежуточную полость 22 между обращенными в сторону друг друга боковыми стенками 15. Упомянутая промежуточная полость 22, таким образом, разграничена обращенными в сторону друг друга боковыми стенками 15 смежных, в направлении вдоль окружности, направляющих лопаток 1, а также уплотнительными плитами 20, 21, как это показано на фиг.3. Уплотнительные плиты 20, 21, таким образом, создают периферийное уплотнение промежуточной полости 22. Соответствующие разрывы 19 в соответствующих канавках 18 дополнительно образуют отверстие 23 в периферийном уплотнении, причем упомянутое отверстие расположено на нижней стороне полости, т.е. на стороне, расположенной оппозитно аэродинамическому профилю 2, в передних по ходу частях направляющих лопаток 1. Выравнивание и симметричное расположение разрывов 19, таким образом, позволяет получить отверстия 23 симметричной, в частности, прямоугольной или круглой формы.
Изображенная направляющая лопатка 1 дополнительно содержит уплотнение 24 Дель Матто, соединенное с нижней плитой 10 бандажной полки 3 в центральной части нижней плиты и выступающее радиально внутрь, т.е. противоположно направлению, обозначенному стрелкой 5. Лопатка дополнительно содержит уплотнительный элемент 25, также соединенный с нижней плитой 10 и выступающий радиально внутрь, но расположенный в задней по ходу части бандажной полки 3. Упомянутый уплотнительный элемент 25 имеет ступенчатую форму и выполнен с возможностью создания лабиринтного уплотнения 26 с ребрами, расположенными по ходу сзади, смежной лопатки 28 ротора 6 турбины 7, как это показано на фиг.2. На фиг.2 также показана бандажная полка 29 внешнего диаметра направляющей лопатки 1, расположенная с внешнего торца аэродинамического профиля 2 относительно радиального направления, показанного стрелкой 5. Таким образом, бандажная полка 3 расположена у внутреннего торца аэродинамического профиля 2, тогда как бандажная полка 29 внешнего диаметра расположена у внешнего торца аэродинамического профиля 2. Бандажная полка 29 внешнего диаметра помимо этого содержит полость 30 бандажной полки 29 внешнего диаметра, соединенную с устройством 31 подачи охлаждающего газа посредством впускного отверстия 32 для газа в бандажной полке 29 внешнего диаметра.
На фиг.3 в поперечном сечении показан статор 9 турбины 7, причем сечение проходит по линии Е на фиг.2. Внизу, в центре видна полость 13 бандажной полки направляющей лопатки 1. Боковые стенки 15 упомянутой полости 13 бандажной полки обращены в сторону боковых стенок 15 смежных в направлении вдоль окружности полостей 13 бандажных полок. Промежуточные полости 22 расположены с обеих сторон от центральной полости 13 бандажной полки, причем упомянутые промежуточные полости 22 разграничены боковыми стенками 15 соответствующих смежных бандажных полок 3 и уплотнительными плитами 20, 21, расположенными в симметрично выполненных канавках 18 соответствующих смежных бандажных полок 3.
Перечень ссылочных позиций
1 Направляющая лопатка
2 Аэродинамический профиль
3 Бандажная полка
4 Верхняя плита
5 Стрелка, обозначающая радиальное направление
6 Ротор
7 Турбина
8 Стрелка, обозначающая осевое направление
9 Статор
10 Нижняя плита
11 Стрелка, обозначающая направление потока рабочей текучей среды
12 Отверстие
13 Полость бандажной полки
14 Задняя стенка
15 Боковая стенка
16 Стрелка, обозначающая направление вдоль окружности
17 Газоотвод
18 Канавка
19 Разрыв
20 Уплотнительная плита
21 Уплотнительная плита
22 Промежуточная полость
23 Отверстие
24 Уплотнение Дель Матто
25 Уплотнительный элемент
26 Лабиринтное уплотнение
27 Ребро
28 Лопатка
29 Бандажная полка внешнего диаметра
30 Полость бандажной полки внешнего диаметра
31 Устройство подачи охлаждающего газа
32 Впускное отверстие для газа