КОМПОНЕНТ ТУРБИНЫ С ЛИСТОВЫМИ УПЛОТНЕНИЯМИ И СПОСОБ УПЛОТНЕНИЯ ОТ УТЕЧКИ МЕЖДУ ЛОПАТКОЙ И НЕСУЩИМ ЭЛЕМЕНТОМ
TURBINE COMPONENT WITH PLATE SEALS AND METHOD OF SEALING AGAINST LEAK BETWEEN BLADE AND CARRYING ELEMENT

Изобретение относится к компоненту турбины. Кроме того, оно относится к способу уплотнения от утечки между лопаткой и несущим элементом компонента турбины.
Утечку воздуха между осевой поверхностью турбинной лопатки и соответствующей поверхностью несущего кольца необходимо уменьшать до минимума. Турбинная лопатка и несущие кольца подвергаются термическим и механическим нагрузкам, которые приводят к искажениям формы и относительному движению. Поэтому может происходить утечка между турбинной лопаткой и соответствующей поверхностью несущего кольца.
До настоящего времени, утечка воздуха минимизировалась с помощью непосредственно контакта поверхности с поверхностью, однако отмечалась склонность к неизвестной степени утечки во время работы.
В US 4815933 раскрыто безболтовое турбинное сопло и узел опоры сопла, который содержит установочный фланец турбинного сопла, посаженный в седло для сопла, образующее часть опоры сопла. Приводимое в действие давлением гибкое уплотнение закреплено на турбинном сопле вблизи соплового седла, с целью обеспечения уплотнения поперек всего узла.
В ЕР 1340885 А2 приведено описание опоры листового уплотнения для лопатки сопла газотурбинного двигателя. Узел турбинного сопла включает несколько сегментов, соединенных друг с другом с образованием наружного обода, и несколько сегментов, соединенных друг с другом с образованием внутреннего обода. По меньшей мере один аэродинамический профиль расположен между наружным и внутренним ободом. Листовое уплотнение закреплено на каждом сегменте внутреннего обода с помощью по меньшей мере одного штифтового элемента, и листовое уплотнение закреплено на каждом сегменте наружного обода с помощью по меньшей мере одного штифтового элемента.
В US 5118120 раскрыто устройство для обеспечения уплотнения между двумя структурными компонентами турбомашины или аналогичного устройства. Устройство содержит листовое уплотнение, расположенное в пространстве между двумя компонентами.
В US 5797723 и ЕР 0526058 А1 раскрыто турбинное уплотнение. Турбинное уплотнение включает первый дуговой сегмент, задающий границу пути прохождения потока между газообразными продуктами сгорания и воздухом, и включает проходящее радиально наружу ограждение на одном своем конце. Второй дуговой сегмент расположен коаксиально первому сегменту для задания продолжения границы пути прохождения. Он имеет радиально проходящую поверхность, примыкающую к ограждению. Листовое уплотнение перекрывает ограждение и поверхность для устранения утечки между ними. Несколько штифтов проходят через листовое уплотнение для обеспечения установки ограждения.
В ЕР 1445537 А2 приведено описание узла для обеспечения уплотнения на заднем конце внутренней облицовки камеры сгорания газотурбинного двигателя. Уплотнительный узел включает по существу кольцевой первый уплотнительный элемент, расположенный между задней частью опорного элемента и задним концом внутренней облицовки для посадки на предназначенной части поверхности заднего конца внутренней облицовки. По существу кольцевой второй уплотнительный элемент расположен между опорным элементом задней части и турбинным соплом, расположенным дальше вниз по потоку за задним концом внутренней облицовки для посадки на предназначенную часть поверхности задней части опорного элемента. Первый и второй уплотнительные элементы удерживаются в своих соответствующих положениях посадки при перемещениях задней части опорного элемента в радиальном направлении или в осевом направлении относительно заднего конца внутренней облицовки и в радиальном направлении и в осевом направлении относительно турбинного сопла. Первый и второй уплотнительные элементы обеспечивают возможность осевого и радиального движения соседних компонентов.
В DE 10306915 А1 раскрыта уплотнительная система для газовых турбин. Указанный уплотнительный элемент содержит несколько отверстий, через которые текучая среда может проходить через уплотнительный элемент.
В WO 2005/033558 А1 раскрыто уплотнение, которое содержит первый и второй компонент. Уплотнение применяется в камере сгорания газовой турбины. Оно содержит пружинную нагрузку, которая обеспечивает уплотнение также в случае вибраций в камере сгорания. Кроме того, уплотнение применяется для герметизации между соседними стационарными платформами лопаток в газовых турбинах. Уплотнение содержит несколько отверстий для направления текучей среды через уплотнение.
В US 5343694 раскрыто турбинное сопло, включающее несколько сегментов сопла, имеющих лопатки сопла, опирающиеся на внутренние и наружные сегменты бандажа. Наружный сегмент бандажа включает проходящую в основном в осевом направлении платформу с выступающим по окружности уплотнительным элементом, закрепленным на верхнем по потоку ее конце для уплотнения с фланцем внутренней облицовки камеры сгорания от утечки между ними. Кроме того, проходящий радиально окружной выступ закреплен на нижнем по потоку конце платформы для обеспечения поверхности взаимодействия для уплотнения, с целью предотвращения утечки между наружным корпусом ротора и сегментом бандажа.
В WO 2009/085949 А1 и US 2009/0169370 А1 раскрыт сегмент турбинного сопла, включающий обруч, имеющий несколько проушин. Приведено описание аэродинамического профиля, проходящего от обруча и опорной структуры, закрепленной на проушинах. Опорная структура имеет несколько смещающих структур.
В US 2009/0074562 А1 раскрыта направляющая лопатка турбинного сопла с проходами, ведущими от полого сердечника к соответствующим уплотнительным ленточным щелям для подачи охлаждающего воздуха к стыковым поверхностям на каждом конце лопатки.
В ЕР 2180143 А1 раскрыта система турбинного сопла. Она содержит по меньшей мере одну уплотнительную ленту, которая находится между радиально наружной поверхностью секции несущего кольца и внутренней поверхностью внутренней платформы и содержит отверстия для обеспечения прохождения охлаждающей текучей среды через уплотнительную ленту.
В ЕР 1296023 А1 раскрыто устройство для удерживания ленточных уплотнительных прокладок на сопле турбомашины.
В WO 2009/158554 А2 приведено описание уплотнения для герметизации жидкостей или газов во время высокотемпературных применений.
В US 5118120 с названием «Листовое уплотнение» раскрыто устройство для обеспечения уплотнения между структурными компонентами турбомашины, содержащее листовое уплотнение, расположенное в пространстве между двумя компонентами, и пружину, которая непрерывно смещает листовое уплотнение в уплотняющее положение с компонентом, независимо от разницы давления на листовом уплотнении.
Первой задачей данного изобретения является создание компонента турбины с уменьшенной утечкой между лопаткой и несущим элементом. Второй задачей данного изобретения является создание способа уплотнения от утечки между лопаткой и несущим элементом компонента турбины.
Первая задача решена с помощью компонента в соответствии с пунктом 1 формулы изобретения. Вторая задача решена с помощью способа в соответствии с пунктом 9 формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения задают другие усовершенствования изобретения.
Компонент согласно изобретению турбины содержит лопатку, несущий элемент и по меньшей мере четыре поверхности раздела между лопаткой и несущим элементом. По меньшей мере четыре поверхности раздела уплотнены с помощью листовых уплотнений. Например, компонент может содержать по меньшей мере четыре листовых уплотнения для соединения лопатки и несущего элемента по меньшей мере на четырех поверхностях раздела. Уплотнение всех четырех поверхностей раздела имеет то преимущество, что может быть эффективно уменьшена утечка между лопаткой и несущим элементом, например несущим кольцом. Одновременно, конструкция согласно изобретению обеспечивает возможность относительного движения между лопаткой и несущим элементом при одновременном сохранении известных уплотнительных характеристик. Предпочтительно, листовые уплотнения являются уплотнениями из листового металла.
Турбина может содержать несущее кольцо, которое содержит несущий элемент. В качестве альтернативного решения, несущий элемент может быть выполнен в виде несущего кольца.
Обычно, листовые уплотнения могут быть соединены с лопаткой и/или несущим элементом. Предпочтительно, листовые уплотнения могут быть соединены с лопаткой и/или с несущим элементом так, что возможно движение между лопаткой и несущим элементом. Например, турбина может содержать ось вращения. По меньшей мере одно листовое уплотнение может быть соединено с лопаткой и/или с несущим элементом так, что возможно движение между лопаткой и несущим элементом в осевом направлении, и/или в тангенциальном направлении, и/или в радиальном направлении относительно оси вращения. Предпочтительно, по меньшей мере одно листовое уплотнение может быть соединено с лопаткой и/или с несущим элементом с помощью по меньшей мере одного установочного штифта. По меньшей мере одно листовое уплотнение может обеспечивать свободное движение за счет использования установочных штифтов, например, с осевым или тангенциальным зазором.
По меньшей мере одно листовое уплотнение может содержать средства для направления текучей среды через уплотнение. Например, по меньшей мере одно листовое уплотнение может содержать по меньшей мере одно отверстие, предпочтительно несколько отверстий, для направления текучей среды через уплотнение. Лопатка может содержать платформу с нижней стороной, где лопатка соединена с несущим элементом, и которая может быть открыта для горячих газов. Например, может допускаться утечка через одно из уплотнений, которая имеет большую величину по сравнению с одним из других уплотнений, с целью подачи охлаждающего воздуха к нижней стороне платформы лопатки. Это позволяет охлаждать нижнюю сторону платформы.
Турбина может содержать ось вращения, а лопатка может иметь заднюю кромку, переднюю кромку, радиально наружную платформу со стороной передней кромки и стороной задней кромки и радиально внутреннюю платформу со стороной передней кромки и стороной задней кромки. Первая поверхность раздела может быть расположена на стороне передней кромки радиально наружной платформы. Вторая поверхность раздела может быть расположена на стороне передней кромки радиально внутренней платформы. Третья поверхность раздела может быть расположена на стороне задней кромки радиально наружной платформы. Четвертая поверхность раздела может быть расположена на стороне задней кромки радиально внутренней платформы. Эти четыре поверхности раздела могут быть уплотнены каждая с помощью указанного выше листового уплотнения.
Обычно, турбина может быть газовой турбиной или паровой турбиной.
Способ согласно изобретению уплотнения от утечки между лопаткой и несущим элементом турбинного компонента относится к турбинному компоненту, который содержит по меньшей мере четыре поверхности раздела между лопаткой и несущим элементом. По меньшей мере четыре поверхности раздела уплотняют с помощью листовых уплотнений. Способ согласно изобретению может быть реализован с помощью поясненного выше компонента согласно изобретению. Поэтому способ согласно изобретению имеет те же преимущества, что и компонент согласно изобретению.
Обычно, по меньшей мере четыре поверхности раздела могут содержать указанные выше первую поверхность раздела, и/или вторую поверхность раздела, и/или третью поверхность раздела, и/или четвертую поверхность раздела.
Предпочтительно, текучая среда проходит через листовое уплотнение, например, через отверстия листового уплотнения. Предпочтительно, воздух, в частности охлаждающий воздух, может проходить через листовое уплотнение. Это обеспечивает эффективное охлаждение уплотненных частей, в частности, нижней стороны платформы лопатки.
В контексте данного изобретения понятие «листовое уплотнение» используется с тем же значением, что и в представляющих уровень техники публикациях, например в US 5118120, WO 2009/085949 А1 или US 2009/0169370 А1. Листовое уплотнение может быть, например, уплотнением вершины ротора, уплотняющей поверхностью, уплотнительной лентой, манжетным уплотнением, сальником или уплотнительной шайбой.
В данном изобретении понятием «несущий элемент» определяется элемент, с которым соединена лопатка. Несущий элемент может удерживать лопатку в ее правильном положении, например, в турбине. Лопатка может быть обычно соединена по меньшей мере с двумя несущими элементами. Лопатка может содержать радиально внутреннюю платформу, аэродинамическую часть и радиально наружную платформу. Аэродинамическая часть расположена между двумя платформами. Предпочтительно, каждая платформа соединена с несущим элементом.
Другие признаки, свойства и преимущества данного изобретения следуют из приведенного ниже описания со ссылками на прилагаемые чертежи. Все упомянутые признаки являются предпочтительными по отдельности или в любой комбинации друг с другом. На чертежах схематично изображено:
фиг. 1 - газовая турбина;
фиг. 2 - разрез компонента, согласно изобретению, турбины;
фиг. 3 - листовое уплотнение, соединенное с платформой лопатки, в изометрической проекции.
Ниже приводится описание варианта выполнения данного изобретения со ссылками на фиг. 1-3.
На фиг. 1 схематично показана газовая турбина. Газовая турбина содержит ось вращения с ротором. Ротор содержит вал 107. Вдоль ротора расположена секция всасывания, содержащая компрессор 101, часть 151 сгорания, турбину 105 и выпускную часть с корпусом 190.
Часть 151 сгорания соединена с каналом для потока горячего газа, который может иметь, например, круглое поперечное сечение. Турбина 105 содержит несколько турбинных ступеней. Каждая турбинная ступень содержит кольца турбинных лопаток. В направлении потока горячего газа в канале для горячего газа за кольцом турбинных направляющих лопаток 117 следует кольцо турбинных роторных лопаток 115. Турбинные направляющие лопатки 117 соединены с внутренним корпусом статора. Турбинные роторные лопатки 115 соединены с ротором. Ротор соединен, например, с генератором.
Во время работы газовой турбины воздух всасывается и сжимается с помощью компрессора 101. Сжатый воздух направляется в часть 151 сгорания и смешивается с топливом. Затем смесь воздуха и топлива сгорает. Полученный горячий газ сгорания проходит через канал для потока горячего воздуха к турбинным направляющим лопаткам 117 и турбинным роторным лопаткам 115 и приводит во вращение ротор. Ось вращения турбины обозначена позицией 102.
На фиг. 2 схематично показана в разрезе часть турбины. Осевое направление обозначено позицией 50, радиальное направление обозначено позицией 51, и тангенциальное направление обозначено позицией 52. На фиг. 2 лопатка 117 соединена с несколькими несущими элементами 6, 7, 8, 9. Лопатка 117 содержит переднюю кромку 4 и заднюю кромку 5. Направление потока рабочей среды, например газа или пара, обозначено стрелкой 1.
Лопатка 117 содержит радиально наружную платформу 2 и радиально внутреннюю платформу 3. Радиально наружная платформа 2 содержит сторону 45 передней кромки, соответствующую передней кромке 4 лопатки 117, и сторону 47 задней кромки, соответствующую задней кромке 5 лопатки 117. Радиально внутренняя платформа 3 содержит сторону 46 передней кромки, соответствующую передней кромке 4 лопатки 117, и сторону 48 задней кромки, соответствующую задней кромке 5 лопатки 117. За счет соединения лопатки 117 с несколькими несущими элементами 6, 7, 8, 9 образуется несколько поверхностей раздела между лопаткой 117 и несущими элементами 6, 7, 8, 9.
Радиально наружная платформа 2 содержит первый выступ 41, который расположен на стороне 45 передней кромки радиально наружной платформы 2, и второй выступ 43, который расположен на стороне 47 задней кромки радиально наружной платформы 2. Радиально внутренняя платформа 3 содержит первый выступ 42 на стороне 46 передней кромки и второй выступ 44 на стороне 48 задней кромки.
Первая поверхность раздела образована между радиально наружной поверхностью 31 первого выступа 41 радиально наружной платформы 2 и соответствующей поверхностью 21 несущего элемента 7. Эта первая поверхность раздела уплотнена с помощью первого листового уплотнения 11.
Вторая поверхность раздела образована между радиально внутренней поверхностью 32 первого выступа 42 радиально внутренней платформы 3 и соответствующей поверхностью 22 несущего элемента 9. Эта вторая поверхность раздела уплотнена с помощью второго листового уплотнения 12.
Третья поверхность раздела образована между радиально наружной поверхностью 33 второго выступа 41 радиально наружной платформы 2 и соответствующей поверхностью 23 несущего элемента 6. Эта третья поверхность раздела уплотнена с помощью третьего листового уплотнения 13.
Четвертая поверхность раздела образована между радиально внутренней поверхностью 34 второго выступа 44 радиально внутренней платформы 3 и соответствующей поверхностью 24 несущего элемента 8. Эта четвертая поверхность раздела уплотнена с помощью четвертого уплотнения 14.
Первое листовое уплотнение 11 может быть соединено с несущим элементом 7 и/или с радиально наружной платформой 2, предпочтительно с первым выступом 41 радиально наружной платформы 2, с помощью удерживающих штифтов 15. Второе листовое уплотнение 12 может быть соединено с несущим элементом 9 и/или с радиально внутренней платформой 3, предпочтительно с первым выступом 42 радиально внутренней платформы 3, с помощью удерживающих штифтов 15. Третье листовое уплотнение 13 может быть соединено с несущим элементом 6 и/или с радиально наружной платформой 2, предпочтительно со вторым выступом 43 радиально наружной платформы 2, с помощью удерживающих штифтов 15. Четвертое листовое уплотнение 14 может быть соединено с несущим элементом 8 и/или с радиально внутренней платформой 3, например со вторым выступом 44 радиально внутренней платформы 3, с помощью удерживающих штифтов 15.
Все листовые уплотнения 11, 12, 13, 14 могут быть предпочтительно листовыми уплотнениями из листового металла. Предпочтительно, удерживающие штифты или установочные штифты 15, которые используются для соединения листовых уплотнений 11, 12, 13, 14 с платформами 2, 3 и/или несущими элементами 6, 7, 8, 9, выполнены так, что возможно свободное движение между платформами 2, 3 и несущими элементами 6, 7, 8, 9. Предпочтительно, используются установочные штифты с осевым и тангенциальным зазором. Удерживающие штифты или установочные штифты 15 обеспечивают возможность относительного движения между лопаткой 117 и соответствующими несущими элементами 6, 7, 8, 9 при сохранении уплотнительной характеристики.
Обычно, несущие элементы 6, 7, 8, 9 могут быть частью несущих колец. Например, несущий элемент 6 и/или несущий элемент 7 могут быть частью радиально наружного несущего кольца. Несущий элемент 8 и/или несущий элемент 9 могут быть частью радиально внутреннего несущего кольца.
Радиально снаружи радиально наружной платформы 2 образовано пространство 10 над радиально наружной платформой 2. Радиально внутри радиально внутренней платформы 3 образовано пространство 20 под радиально внутренней платформой 3. Листовые уплотнения 11, 12, 13, 14 эффективно предотвращают утечку горячих газов из камеры сгорания газовой или паровой турбины в пространства 10 и 20 над платформой 2 и под платформой 3. В то же время возможно движение между лопаткой 117 и несущим элементом 6, 7, 8, 9, например, вследствие вибраций при одновременном сохранении уплотнительной функции листовых уплотнений 11, 12, 13, 14.
На фиг. 3 схематично показано в изометрической проекции листовое уплотнение, соединенное с платформой лопатки. На фиг. 3 показана в качестве примера сторона 48 задней кромки радиально внутренней платформы 3. Листовое уплотнение 14 соединено со вторым выступом 44 радиально внутренней платформы 3 с помощью удерживающих штифтов или установочных штифтов 15.
Дополнительно к этому показано несколько отверстий 17, которые расположены в отражательной пластине на нижней стороне платформы 3. Эти отверстия 17 можно использовать для охлаждения нижней стороны платформы 3 и/или для охлаждения лопатки 117.
Листовое уплотнение 14 дополнительно содержит отверстия 16. Эти отверстия 16 предпочтительно имеют меньший диаметр, чем отверстия 17 в отражательной пластине на нижней стороне платформы 3. Отверстия 16 листового уплотнения 14 можно использовать для подачи охлаждающего воздуха или другой охлаждающей среды к нижней стороне платформы 3. Предпочтительно, можно допускать большую величину утечки через одно из уплотнений 11, 12, 13, 14 с целью подачи охлаждающего воздуха к нижней стороне платформы 3.
Показанная на фиг. 3 система имеет то преимущество, что обеспечивается уплотнение от утечки горячих газов сгорания, в то время как одновременно можно выполнять охлаждение нижней стороны платформы 3.
Другие три листовых уплотнения 11, 12, 13 могут быть выполнены и соединены так же, как показано на фиг. 3.