устройство для регулировки зазора в газовой турбине

Формула изобретения

1. Устройство для регулировки зазора между вершинами (4а) рабочих лопаток (4) и стационарным кольцевым узлом газовой турбины (2), содержащее круговой регулировочный блок (22), окружающий стационарный кольцевой узел, причем регулировочный блок (22) содержит по меньшей мере, два кольцевых канала (24а, 24b, 24с) циркуляции воздуха, взаимно разнесенные в аксиальном направлении, в каждом из которых имеются отверстия (26) для изменения температуры стационарного кольцевого узла путем его обдува воздухом, кольцевой канал (28) подачи воздуха в кольцевые каналы (24а, 24b, 24с) циркуляции воздуха, по меньшей мере, один воздуховод (30), снабжающий воздухом канал (28) подачи воздуха, отличающееся тем, что кольцевой канал (28) подачи воздуха пространственно отделен в радиальном направлении от кольцевых каналов (24а, 24b, 24с) циркуляции воздуха, при этом регулировочный блок (22) дополнительно содержит полые распределительные перемычки (32), соединяющие канал (28) подачи воздуха с каналами (24а, 24b, 24с) циркуляции воздуха для подачи в них воздуха при обеспечении возможности для воздуха, поданного для обдува стационарного кольцевого узла, течь в аксиальном направлении между каналом (28) подачи воздуха и каналами (24а, 24b, 24с) циркуляции воздуха с последующим выведением его из стационарного кольцевого узла.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что стационарный кольцевой узел содержит внутренний корпус (14), окруженный внешним корпусом (34) газовой турбины (2) с формированием между ними кольцевой камеры (38), в которой установлен регулировочный блок (22).

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что передний в аксиальном направлении край (22а) указанного регулировочного блока (22) плотно прилегает к наружному корпусу (34), а его задний в аксиальном направлении край (22b) плотно прилегает к внутреннему корпусу (14), ограничивая внутри указанной кольцевой камеры (38) переднюю полость (42а) нагнетания воздуха и заднюю полость (42b) выведения воздуха, герметично изолированную от передней полости (42а).

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что задний в аксиальном направлении край указанного внутреннего корпуса (14) содержит воздушное отверстие (44), выходящее в заднюю полость (42b) выведения воздуха для выведения воздуха, поданного для обдува стационарного кольцевого узла.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что внутренний корпус (14) содержит кольцевые ребра (18), причем форма каналов (24а, 24b, 24с) циркуляции воздуха, по существу, соответствует форме указанных ребер (18).

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что регулировочный блок (22) состоит из, по меньшей мере, двух раздельных угловых секторов (48).

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что полые распределительные перемычки (32), соединяющие канал (28) подачи воздуха с одним из каналов (24а, 24b, 24с) циркуляции воздуха, имеют угловое смещение относительно полых распределительных перемычек (32), соединяющих канал (28) подачи воздуха с, по меньшей мере, одним из остальных каналов (24а, 24b, 24с) циркуляции воздуха.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что полые распределительные перемычки (32), соединяющие канал (28) подачи воздуха с одним из каналов (24а, 24b, 24с) циркуляции воздуха, согласованы по угловому положению с полыми распределительными перемычками (32), соединяющими канал (28) подачи воздуха с остальными каналами (24а, 24b, 24с) циркуляции воздуха.

9. Устройство по любому из пп.1-8, отличающееся тем, что угловое расстояние между двумя соседними полыми распределительными перемычками (32) не превышает приблизительно 45°.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к системам регулировки радиального зазора между вершинами вращающихся лопаток и стационарным кольцевым узлом газовой турбины.

Уровень техники

Газовая турбина, например турбина высокого давления газотурбинного двигателя, обычно содержит неподвижные (направляющие) лопатки, расположенные поочередно с подвижными (рабочими) лопатками в канале течения горячих газов, выходящих из камеры сгорания газотурбинного двигателя. Рабочие лопатки турбины окружены по всей окружности турбины стационарным кольцевым узлом. Стационарный кольцевой узел определяет границы канала прохождения горячих газов через лопатки турбины.

Известный метод повышения к.п.д. такой турбины заключается в максимальном уменьшении радиального зазора, т.е. зазора между вершинами рабочих лопаток турбины и деталями стационарного кольцевого узла. Для этого были разработаны устройства, позволяющие изменять диаметр стационарного кольцевого узла. Известные устройства (например, устройство по патенту США № 6025929, МПК F 01 D 11/24, 14.03.2000) содержат кольцевые каналы, окружающие стационарный кольцевой узел, по которым проходит воздух, поступающий из других частей турбомашины. Этот воздух обдувает внешнюю поверхность стационарного кольцевого узла, расположенную с противоположной стороны от канала течения горячих газов, и вызывает расширение или сжатие стационарного кольцевого узла, приводящее к изменению его диаметра. В общем случае подобное термическое расширение или сжатие регулируется в зависимости от рабочей скорости газовой турбины при помощи клапана, позволяющего контролировать расход воздуха, подаваемого в каналы, и его температуру. Узел, образованный этими каналами и клапаном, представляет собой, таким образом, устройство регулировки зазора в районе вершин (торцов) лопаток.

Наиболее близким аналогом изобретения является устройство для регулировки зазора между вершинами рабочих лопаток и стационарным кольцевым узлом газовой турбины, описанное в документе GB 2217788, МПК F 01 D 11/24, 01.11.1989. Имеющийся в известном устройстве круговой регулировочный блок, окружающий стационарный кольцевой узел, содержит три кольцевых канала циркуляции воздуха, взаимно разнесенных в аксиальном направлении, причем в каждом из этих каналов циркуляции имеются отверстия для изменения температуры стационарного кольцевого узла путем его обдува воздухом. В составе регулировочного блока предусмотрен также кольцевой канал подачи воздуха в кольцевые каналы циркуляции воздуха, связанный с воздуховодом, снабжающим воздухом данный канал. Кольцевой канал подачи воздуха в известном устройстве непосредственно примыкает в радиальном направлении к каналам циркуляции воздуха и связан с ними отверстиями.

Известное устройство не позволяет обеспечить высокую эффективность работы блока регулировки зазора в районе вершин лопаток. Данный недостаток связан с тем, что воздух, подаваемый регулировочным блоком для обдувки внешней поверхности стационарного кольцевого узла, впоследствии должен быть выведен наружу. Это выведение воздуха должно осуществляться без значительных нарушений течения воздуха, обдувающего поверхность стационарного кольцевого узла. Однако в регулировочных блоках известных устройств (включая устройства, описанные в GB 2217788 и US 6025929) выводимый воздух нарушает течение обдувающего воздуха, что снижает указанную эффективность

Раскрытие изобретения

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается, следовательно, в устранении указанных недостатков путем создания устройства для регулировки радиального зазора, которое обеспечивает высокую степень однородности температуры стационарного кольцевого узла и исключает взаимные помехи потоков выводимого и обдувающего воздуха.

Для решения поставленной задачи согласно изобретению предлагается устройство для регулировки радиального зазора, т.е. зазора между вершинами (торцами) рабочих лопаток и стационарным кольцевым узлом газовой турбины, которое содержит круговой регулировочный блок, окружающий стационарный кольцевой узел. Регулировочный блок содержит, по меньшей мере, два кольцевых канала циркуляции воздуха, взаимно разнесенных в аксиальном направлении, в каждом из которых имеются отверстия для изменения температуры стационарного кольцевого узла путем его обдува воздухом, кольцевой канал подачи воздуха в кольцевые каналы циркуляции воздуха и, по меньшей мере, один воздуховод, снабжающий воздухом кольцевой канал подачи воздуха.

При этом данный блок дополнительно содержит полые распределительные перемычки, соединяющие канал подачи воздуха, выполненный пространственно отделенным в радиальном направлении от каналов циркуляции воздуха, с каналами циркуляции воздуха. Благодаря такому выполнению обеспечивается возможность для воздуха, поданного для обдува стационарного кольцевого узла, течь в аксиальном направлении между каналом подачи воздуха и каналами циркуляции воздуха с последующим выведением его из стационарного кольцевого узла.

Радиальное разнесение канала подачи воздуха и каналов циркуляции воздуха регулировочного блока обеспечивает пространство, необходимое для выведения воздуха, поданного для обдува стационарного кольцевого узла. Вследствие этого воздух, использованный для обдува, выводится, не нарушая течения воздуха, подаваемого для обдува стационарного кольцевого узла.

Это радиальное разделение также позволяет предотвратить теплообмен между каналом подачи и каналами циркуляции воздуха регулировочного блока, что повышает эффективность работы устройства для регулировки зазора.

Стационарный кольцевой узел предпочтительно содержит внутренний корпус, окруженный внешним корпусом газовой турбины с формированием между ними кольцевой камеры, в которой установлен регулировочный блок.

Передний в аксиальном направлении край регулировочного блока может плотно прилегать к наружному корпусу, а задний в аксиальном направлении край - к внутреннему корпусу, ограничивая внутри кольцевой камеры переднюю полость нагнетания воздуха и заднюю полость выведения воздуха, герметично изолированную от передней полости.

Варьирование расположения, количества и диаметра полых распределительных перемычек может быть использовано для регулировки интенсивности подачи воздуха в каналы циркуляции воздуха и, следовательно, для повышения степени однородности температуры по стационарному кольцевому узлу.

В частности, распределительные перемычки, соединяющие канал подачи воздуха с одним из каналов циркуляции воздуха, могут иметь угловое смещение относительно полых распределительных перемычек, соединяющих канал подачи воздуха с, по меньшей мере, одним из остальных каналов циркуляции воздуха, или быть согласованы с ними по угловому положению. При этом угловое расстояние между двумя соседними распределительными перемычками предпочтительно не превышает приблизительно 45°.

Краткое описание чертежей

Другие особенности и преимущества настоящего изобретения станут ясны из нижеследующего подробного описания, приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых представлен один из возможных вариантов осуществления изобретения, не налагающий каких-либо ограничений. На чертежах:

- фиг.1 изображает в продольном разрезе устройство для регулировки зазора по изобретению;

- фиг.2 изображает в разрезе и в перспективе устройство для регулировки зазора по фиг.1;

- фиг.3А и 3В изображают в поперечном разрезе части двух вариантов осуществления устройства для регулировки зазора по изобретению.

Осуществление изобретения

На фиг.1 изображена в продольном разрезе турбина 2 высокого давления газотурбинного двигателя, оборудованная устройством для регулировки зазора по изобретению. Однако настоящее изобретение также может быть применено к турбине низкого давления газотурбинного двигателя или к турбине любого другого типа, оборудованной устройством для регулировки зазора.

Турбина 2 высокого давления содержит, в частности, рабочие лопатки 4, расположенные в канале 6 протекания горячих газов, выходящих из камеры сгорания (не представлена) газотурбинного двигателя. Эти рабочие лопатки 4 расположены за стационарными (направляющими) лопатками 8 турбины в направлении 10 течения горячих газов в канале 6.

Рабочие лопатки 4 турбины 2 высокого давления окружены стационарными кольцевыми сегментами 12, расположенными по окружности, описанной вокруг оси турбины, и образующими непрерывную круговую поверхность. Эти кольцевые сегменты 12 прикреплены к внутреннему корпусу 14 газотурбинного двигателя при помощи перемычек 16. В дальнейшем описании узел, образованный стационарными кольцевыми сегментами 12, внутренним корпусом 14 и перемычками 16, именуется «стационарным кольцевым узлом».

Внутренний корпус 14 стационарного кольцевого узла оборудован кольцевыми выступами, или ребрами 18, имеющими форму диска, выступающего в радиальном направлении. Эти ребра 18, в основном, выполняют функцию теплообменников. На фиг.1 изображены два таких ребра 18. Однако может использоваться и большее количество ребер.

Стационарные кольцевые сегменты 12 имеют внутренние поверхности 12а, находящиеся в непосредственном контакте с горячими газами и частично ограничивающие канал 6 течения горячих газов.

Между внутренней поверхностью 12а каждого из кольцевых сегментов 12 и вершинами 4а рабочих лопаток 4 оставлен радиальный промежуток, позволяющий лопаткам вращаться. Этот радиальный промежуток определяет, таким образом, радиальный зазор 20, который должен быть сделан минимальным для повышения к.п.д. турбины.

Для уменьшения зазора 20 в районе вершин рабочих лопаток 4 предусмотрен круговой регулировочный блок 22, окружающий стационарный кольцевой узел, точнее его внутренний корпус 14.

В зависимости от рабочей температуры газотурбинного двигателя регулировочный блок может служить для охлаждения или нагревания ребер 18 внутреннего корпуса 14 путем обдува их воздухом. В результате такого обдува воздухом внутренний корпус 14 сжимается или расширяется, тем самым уменьшая или увеличивая диаметр стационарных кольцевых сегментов 12 турбины.

Согласно изобретению регулировочный блок 22 устройства для регулировки зазора содержит, по меньшей мере, два кольцевых канала 24 циркуляции воздуха, окружающих внутренний корпус 14 стационарного кольцевого узла.

Каждый из кольцевых каналов 24 циркуляции воздуха снабжен отверстиями 26 для нагнетания воздуха к ребрам 18 внутреннего корпуса 14. В варианте осуществления изобретения, представленном на фиг.1, отверстия 26 образуют в каждом канале 24 три ряда отверстий.

На фиг.1 изображены два ребра 18 внутреннего корпуса 14; соответственно, регулировочный блок 22 содержит три канала 24 циркуляции воздуха: центральный канал 24а, расположенный между двумя ребрами 18, а также передний канал 24b и задний канал 24с, расположенные соответственно перед центральным каналом 24а и позади него.

В оптимальном варианте форма и расположение каналов 24 циркуляции воздуха примерно соответствуют форме ребер 18. В частности, каждый из них имеет, по существу, прямоугольное поперечное сечение.

Регулировочный блок 22 содержит также кольцевой канал 28 подачи воздуха, обеспечивающий поступление воздуха в каналы 24 циркуляции воздуха. Канал 28 подачи воздуха окружает кольцевые каналы 24.

Кроме того, предусмотрен, по меньшей мере, один воздуховод 30 (фиг.3А и 3В), сообщающийся с каналом 28 подачи воздуха для снабжения этого канала воздухом. Воздух поступает в воздуховод 30 из других частей газотурбинного двигателя. Например, этот воздух может поступать из одной или нескольких ступеней компрессоров высокого и низкого давления газотурбинного двигателя или же от его вентилятора.

Поступление воздуха контролируется управляющим клапаном (не представлен), который позволяет подавать в регулировочный блок 22 в зависимости от режима работы газотурбинного двигателя воздух с более низкой или более высокой температурой.

Канал 28 подачи воздуха и каналы 24 циркуляции воздуха разнесены в радиальном направлении и соединены полыми распределительными перемычками 32.

Полые распределительные перемычки 32 подают воздух в каналы 24 циркуляции, что позволяет воздуху, нагнетаемому для обдува ребер 18 внутреннего корпуса 14, течь в аксиальном направлении между каналом 28 подачи воздуха и каналами 24 циркуляции воздуха и выводиться из них.

На фиг.2 более наглядно изображена траектория движения выводимого воздуха. На этом чертеже стрелки F1 указывают тангенциальные направления течения воздуха в канале 28 подачи воздуха и в каналах 24 циркуляции воздуха, а стрелка F2 - аксиальное направление движения воздуха, подаваемого для обдува ребер внутреннего корпуса.

Видно, что воздух, подаваемый для обдува ребер 18 внутреннего корпуса 14, не нарушает течения воздуха, проходящего через отверстия 26 каналов 24 циркуляции воздуха. Такая конструкция обеспечивает повышение эффективности работы устройства для регулировки зазора 20 в районе вершин рабочих лопаток 4 турбины.

Для обеспечения эффективного выведения воздуха, подаваемого для обдува ребер 18, за счет его протекания в аксиальном направлении между каналом 28 подачи воздуха и каналами 24 циркуляции воздуха турбина 2 в оптимальном варианте оборудована внешним корпусом 34, окружающим внутренний корпус 14 стационарного кольцевого узла. Передний (в аксиальном направлении) край наружного корпуса 34 прикреплен к внутреннему корпусу 14 при помощи соединения 36, состоящего из болта и гайки.

Внутренний корпус 14 и внешний корпус 34 формируют заключенную между ними кольцевую камеру 38, в которой установлен регулировочный блок 22 устройства для регулировки зазора по изобретению. Точнее, передний в аксиальном направлении край 22а регулировочного блока 22 прижат к внешнему корпусу 34, а его задний край 22b прижат к внутреннему корпусу 14. Зоны контакта переднего и заднего краев 22а, 22b с регулировочным блоком 22 предпочтительно выполнены герметичными с помощью уплотнительных прокладок 40.

Особенности расположения регулировочного блока 22 относительно внутреннего и внешнего корпусов 14 и 34 позволяют, таким образом, ограничить внутри кольцевой камеры 38 переднюю полость 42а, называемую «полостью нагнетания воздуха», и заднюю полость 42b, называемую «полостью выведения воздуха», герметично изолированную от передней полости 42а.

Таким образом, воздух, выходящий из каналов 24 циркуляции воздуха и, в частности, из переднего канала 24b, оказывается заключен в передней полости 42а нагнетания воздуха и может быть выведен только в результате его движения между каналом 28 подачи и каналами 24 циркуляции воздуха. Уплотнение, предусмотренное на переднем краю 22а регулировочного блока 22, не позволяет выводимому воздуху миновать регулировочный блок 22. Аналогичным образом, благодаря наличию уплотнения на заднем краю 22b регулировочного блока воздух, выходящий из заднего канала 24с, может быть выведен только в результате его движения между каналом 28 подачи и каналами 24 циркуляции.

Как показано на фиг.1, воздух, обдувающий ребра 18 внутреннего корпуса 14 и выводимый между каналом 28 подачи и каналами 24 циркуляции, оказывается заключенным в задней полости 42b выведения воздуха.

Задний в аксиальном направлении край внутреннего корпуса 14 предпочтительно содержит отверстие 44, открывающееся в заднюю полость 42b выведения воздуха для выведения заключенного там воздуха. Это отверстие 44, которое может быть оборудовано втулкой 46, служит для выведения воздуха, обдувающего ребра 18 внутреннего корпуса 14, например для подачи воздуха в сопловой аппарат первой ступени турбины низкого давления (не представлена) газотурбинного двигателя.

Ниже, со ссылками на фиг.3А and 3B, описаны две возможные конфигурации устройства для регулировки зазора по изобретению.

В этих двух конфигурациях регулировочный блок состоит из двух раздельных угловых секторов (секций) 48, каждый из которых имеет угловой размер, равный 180° (на фиг.3А и 3B представлен только один из таких секторов). Эти два сектора 48 прикреплены один к другому при помощи соединений, состоящих из пар болт-гайка и предусмотренных для них отверстий 50 (фиг.1), расположенных на каждом конце этих секторов.

Также можно использовать регулировочный блок, состоящий из более чем двух раздельных секторов, которые будучи состыкованы своими концами образуют блок, охватывающий угол в 360°.

Сектора 48 блока, изображенные на фиг.3А и 3В, закрыты с каждого конца таким образом, что воздух не может протекать из одного сектора в другой. Альтернативно, можно предусмотреть между секторами блоки соединения, позволяющие воздуху протекать из сектора в сектор.

Воздух в каждый сектор 48 регулировочного блока подается через индивидуальный воздуховод 30, сообщающийся с каналом 28 подачи воздуха в точке, расположенной посередине между концами сектора. Воздуховод может также сообщаться с одним из концов сектора регулировочного блока. Альтернативно, можно предусмотреть несколько воздуховодов в каждом секторе.

В варианте по фиг.3А для каждого сектора 48 регулировочного блока предусмотрено четыре полых распределительных перемычки 32, соединяющих канал 28 подачи воздуха с изображенным каналом 24 циркуляции воздуха. Эти полые распределительные перемычки 32 расположены вдоль полуокружности сектора 48 таким образом, что угловое расстояние между каждыми двумя соседними перемычками предпочтительно не превышает примерно 45°.

На фиг.3В канал 28 подачи воздуха с изображенным каналом 24 циркуляции воздуха соединяют пять полых распределительных перемычек 32. Точнее, на каждом конце сектора блока расположено по одной распределительной перемычке, а угловое расстояние между каждыми двумя соседними перемычками предпочтительно не превышает примерно 45°.

Следует отметить, что в обеих представленных конфигурациях воздух, проникающий в каждый канал 24 циркуляции воздуха через каждую из полых распределительных перемычек 32, течет в двух противоположных тангенциальных направлениях.

Также следует отметить, что количество и расположение полых распределительных перемычек может различаться для разных каналов циркуляции воздуха, принадлежащих одному и тому же сектору регулировочного блока.

Таким образом, в одном и том же секторе полые распределительные перемычки, соединяющие канал подачи воздуха с одним из каналов циркуляции воздуха, могут быть расположены с иным угловым шагом, чем полые распределительные перемычки, соединяющие канал подачи воздуха с, по меньшей мере, одним из остальных каналов циркуляции воздуха.

Относительное угловое смещение полых распределительных перемычек, относящихся к разным каналам циркуляции воздуха, позволяет добиться более высокой степени однородности температуры в регулировочном блоке и, таким образом, предотвратить возможную деформацию стационарного кольцевого узла.

Такое угловое смещение может быть получено, например, в пределах одного сектора регулировочного блока, содержащего три канала циркуляции воздуха, как показано на фиг.1 и 2. В этом примере центральный канал 24а (или, наоборот, любой из переднего и заднего каналов 24b и 24с) может иметь конфигурацию, изображенную на фиг.3А, а передний и задний каналы 24b и 24с (или, наоборот, центральный канал 24а) - конфигурацию, изображенную на фиг.3В.

В случае трех каналов 24а, 24b и 24с такое расположение соответствует расположению распределительных перемычек 32 с взаимным смещением, причем их расположение для переднего и заднего каналов 24b и 24с оказывается симметричным. Такое симметричное расположение позволяет добиться, по существу, идентичного термического расширения или сжатия двух ребер 18 внутреннего корпуса 14, что повышает однородность температуры во всем стационарном кольцевом узле.

В альтернативном варианте полые распределительные перемычки, соединяющие канал подачи воздуха в одном из секторов регулировочного блока с одним из каналов циркуляции воздуха, могут быть расположены с тем же угловым шагом, что и полые распределительные перемычки, соединяющие канал подачи воздуха с другими каналами циркуляции воздуха.

В данном варианте, когда один сектор регулировочного блока содержит три канала 24а, 24b и 24с циркуляции воздуха, как это показано на фиг.1 и 2, согласование угловых положений полых распределительных перемычек может быть осуществлено путем придания всем трем каналам циркуляции воздуха одинаковой конфигурации. Например, конфигурация всех трех каналов циркуляции воздуха может быть идентична конфигурации, представленной либо фиг.3А, либо на фиг.3В.

Также можно предусмотреть подачу воздуха в каждый канал циркуляции воздуха одного из секторов регулировочного блока через одну полую распределительную перемычку, соединенную с каналом подачи воздуха. При этом в случае, когда эта единственная полая распределительная перемычка расположена на одном из концов данного сектора, поток воздуха в канале циркуляции будет двигаться только в одном тангенциальном направлении.

Диаметр отверстий в каждой полой распределительной перемычке может быть различным для разных перемычек, связанных с одним и тем же каналом циркуляции воздуха. Изменение диаметра распределительных перемычек позволяет регулировать интенсивность подачи воздуха в канал циркуляции в зависимости от углового положения данной перемычки с целью повышения однородности температуры в стационарном кольцевом узле.

В общем случае и в зависимости от конкретных требований количество, диаметр отверстий и расположение распределительных перемычек могут варьироваться в пределах одного и того же канала циркуляции и в пределах одного и того же сектора регулировочного блока. Эти параметры подбираются таким образом, чтобы минимизировать деформации стационарного кольцевого узла.