Пристрій регулювання величини зазорів біля торців робочих лопаток ротора та турбомашина

1. Пристрій регулювання величини зазору біля торців робочих лопаток ротора газової турбіни, що містить: три кільцеві канали (14) циркуляції повітря, встановлені по колу навколо кільцевого корпусу (12) статора турбіни й призначені для подачі повітря на вказаний корпус (12) з метою зміни його температури; щонайменше один трубчастий повітророзподільник (20), щонайменше частина якого розташована навколо каналів (14) циркуляції повітря; щонайменше одну трубу (22) подачі повіт C2 2 (19) 1 3 ються, зокрема, на к.к.д. і тривалості терміну служби газової турбіни. Таким чином, задача, на рішення якої направлений даний винахід, полягає в послабленні зазначених недоліків шляхом розробки пристрою регулювання зазору біля торців лопаток газової турбіни, що забезпечує можливість балансування повітряних потоків в пристрої регулювання з метою обмеження термічної неоднорідності статора турбіни. Для вирішення поставленої задачі згідно з винаходом пропонується пристрій регулювання величини зазору біля торців робочих лопаток ротора газової турбіни, що містить щонайменше один кільцевий канал циркуляції повітря, встановлений по колу навколо кільцевого корпусу статора турбіни і призначений для подачі повітря на корпус з метою зміни його температури. Пристрій за винаходом містить також трубчастий повітророзподільник, щонайменше частина якого розташована навколо каналу або каналів циркуляції повітря, щонайменше одну трубу подачі повітря в трубчастий повітророзподільник і щонайменше один повітровід, сполучений з трубчастим повітророзподільником і з каналом (каналами) циркуляції повітря. Пристрій характеризується тим, що повітровід оснащений засобом, що обмежує напір повітря у повітроводі. Цей засіб, що обмежує напір повітря у повітроводі, переважно складається з діафрагми, яка може бути розташована, наприклад, на вході повітроводу. Таким чином, задання величини повітряного потоку через кожен повітровід, тобто балансування повітряного потоку, що проходить через повітроводи, дозволяє обмежити термічні неоднорідності в корпусі турбіни. Дійсно, можна визначити величини зниження напору (подачі повітря в канал або канали циркуляції повітря), необхідного для балансування повітряних потоків, і, отже, необхідні параметри відповідної діафрагми. В оптимальному варіанті діафрагма розташована на вході повітроводу так, щоб забезпечувати додаткове зниження напору. Вона може мати форму кільця з внутрішнім діаметром, що менший ніж внутрішній діаметр повітроводу. Якщо пристрій містить два трубчастих повітророзподільника, кожен з яких сполучений з трьома повітроводами, кожен з яких сполучений з трьома каналами циркуляції повітря, то в оптимальному варіанті кожен з повітроводів оснащений діафрагмою, що обмежує напір повітря у повітроводі. В цьому випадку параметри кожної з діафрагм переважно підібрані індивідуально відповідно до того, в якому з повітроводів встановлена дана діафрагма. Інші властивості і переваги даного винаходу стануть зрозумілі з нижченаведеного опису, що містить посилання на додані креслення, які ілюструють приклад виконання винаходу, що не вносить яких-небудь обмежень. На кресленнях: - Фіг.1 зображує в перспективі пристрій регулювання за винаходом; - Фіг.2 ілюструє розміщення засобів балансування повітряних потоків в пристрої за Фіг.1. 91667 4 Виконання винаходу На Фіг.1 і 2 зображено пристрій 10 регулювання за винаходом. Такий пристрій регулювання може бути застосований в будь-якій газовій турбіні, в якій потрібне регулювання величини зазорів біля торців робочих лопаток. Даний пристрій застосовується в окремому випадку в турбіні високого тиску турбомашини. Зображений на кресленнях пристрій 10 регулювання встановлений на кільцевому корпусі 12, що є частиною статора турбіни. Цей корпус 12 з повздовжньою віссю Х-Х оточує робочі лопатки (не представлені), що утворюють ротор турбіни. Пристрій 10 регулювання призначений для регулювання розміру зазорів, що є між торцями робочих лопаток турбіни і знаходяться навпроти них елементами статора. Робочі лопатки турбіни оточені кільцевими сегментами (не представлені), прикріпленими до корпусу 12 за допомогою перемичок (не представлені). Таким чином, елементи статора, що знаходяться навпроти торців робочих лопаток, утворені внутрішньою поверхнею кільцевих сегментів. Пристрій 10 регулювання за Фіг.1 і 2 містить три канали 14 циркуляції повітря: внутрішній канал 14а, центральний канал 14b і зовнішній канал 14с. Ці канали встановлені по колу зовнішньої поверхні корпусу 12 за допомогою кріпильних планок 16. Також може бути передбачений всього один канал циркуляції повітря. Канали 14 циркуляції повітря розташовані один від одного в аксіальному напрямку і, по суті, паралельні один до одного. Вони розташовані по обидві сторони від двох кільцевих виступів або ребер 18, виступаючих в радіальному напрямку назовні від корпусу 12 (див. Фіг.2). Канали 14 оснащені отворами 19, які розташовані з боку зовнішньої поверхні корпусу 12 і ребер 18. Ці отвори 19 забезпечують можливість надходження повітря, циркулюючого в каналах 14, на корпус 12 з метою зміни його температури. Крім того, як показано на Фіг.1, канали 14 циркуляції повітря можуть бути розділені на декілька кутових секторів, кожен з яких містить окремий канал (на Фіг.1 зображено шість таких секторів), регулярно розподілених по всьому колу корпусу 12. Пристрій 10 регулювання додатково містить щонайменше один трубчастий повітророзподільник 20, щонайменше частина якого оточує канали 14 циркуляції повітря. На Фіг.1 зображено два трубчастих повітророзподільника 20. Трубчастий повітророзподільник (трубчасті повітророзподільники) 20 призначений (призначені) для подачі повітря в канали 14 циркуляції повітря. В кожен з трубчастих повітророзподільників 20 повітря надходить з труби 22 подачі повітря. Труба 22 подачі повітря сполучена з тими зонами турбомашини, з яких повітря може бути забрано для подачі в пристрій 10 регулювання. Наприклад, зоною забору повітря може слугувати одна або декілька ступенів компресора турбомашини. Забір повітря з призначених для цього зон турбомашини може регулюватися за допомогою управляючого вентиля (не представлений), роз 5 ташованого між цими зонами забору повітря і трубою 22 подачі повітря. Такий вентиль дозволяє настроювати пристрій 10 регулювання відповідно до режиму роботи турбомашини. Пристрій 10 регулювання додатково містить щонайменше один повітровід 24, сполучений з трубчастим повітророзподільником 20 і з каналами 14 циркуляції повітря для подачі в них повітря. На Фіг.1 на кожен кутовий сектор каналів 14 циркуляції повітря передбачений один повітровід 24, тобто пристрій 10 регулювання містить шість повітроводів 24, регулярно розподілених по всьому колу корпусу 12. Оскільки пристрій 10 регулювання за Фіг.1 містить одну трубу 22 подачі повітря для його подачі в двох різних трубчастих повітророзподільників 20, то кожен трубчастий повітророзподільник 20 охоплює приблизно половину кола і, таким чином, подає повітря в три повітроводи 24. Введемо різні позначення для цих трьох повітроводів 24, відповідно позначивши їх: перший повітровод, розташований ближче за все до труби 22 подачі повітря, як 24а, другий повітровод, розташований наступним після першого повітроводу 24а щодо напрямку течії повітря в трубчастому повітророзподільнику 20, як 24b, і третій повітровод, розташований найдалі від труби 22 подачі повітря, як 24с. Кожен з повітроводів 24 має форму циліндра, виконаного, наприклад, з металу. Виступаючі в бічному напрямку частини 26 повітроводу входять в бічні отвори 28 каналів 14 циркуляції повітря. При цьому повітроводи 24 приварені до каналів 14 циркуляції повітря. Згідно з винаходом щонайменше один з повітроводів 24 оснащений засобом, що обмежує напір повітря у повітроводі і слугує для балансування повітряних потоків. Такий засіб в оптимальному варіанті має вид діафрагми 30, розташованої на вході повітроводу 24, тобто перед каналами 14 циркуляції повітря щодо напрямку течії повітря, яке надходить з трубчастого повітророзподільника 20. Точніше, діафрагма 30 розташована перед внутрішнім каналом 14а. Наявність цієї діафрагми 30 щонайменше в одному з повітроводів 24, а краще в кожному з повітроводів 24а, 24b і 24с забезпечує можливість балансування повітряних потоків, які надходять з трубчастого повітророзподільника 20 і проходять в канали 14 циркуляції повітря, з якими сполучений повітровод. Зображена на Фіг.2 діафрагма 30 має форму металевого кільця (або круглої шайби), яке може бути, наприклад, приварене до внутрішніх стінок повітроводу 24, причому його внутрішній діаметр d1, який відповідає поперечному перерізу повітряного потоку, менше ніж внутрішній діаметр d2 повітроводу 24. Параметри діафрагми 30 балансування рівнів витрат повітря (наприклад, відношення її внутрішнього діаметра d1 до внутрішнього діаметра d2 повітроводу 24) вибирають такими, щоб забезпечити на вході повітроводу 24, в який через дану діафрагму надходить повітря, додаткове зниження 91667 6 напору. Дійсно, оскільки падіння напору не однакові для кожного з повітроводів 24, повітря в які надходить з одного і того ж трубчастого повітророзподільника 20, параметри діафрагм 30 моделюють так, щоб забезпечити додаткове зниження напору на вході кожного повітроводу 24 і тим самим збалансувати розподіл повітряних потоків. Нижче описаний процес моделювання параметрів діафрагм, що потрібні для кожного з повітроводів 24, проведеного на основі моделювання повітряних потоків у відомому пристрої регулювання. Нижченаведена Таблиця І містить характерне для відомого (тобто не оснащеного засобами балансування повітряних потоків) пристрою регулювання розподілу повітряних потоків в трьох повітроводів 24а, 24b, 24с, повітря в які надходить з одного і того ж трубчастого повітророзподільника 20, і в кожному з каналів 14 циркуляції повітря одного і того ж сектора каналів, повітря в які надходить з кожного з цих повітроводів. Ці повітряні потоки змодельовані для оптимального робочого режиму турбомашини, турбіна високого тиску якої оснащена пристроєм регулювання величини зазору. Таблиця І - Потік в першому повітроводі 24а (г/с) Потік у внутрішньому каналі 14а (г/с) Потік в центральному каналі 14b (г/с) Потік в зовнішньому каналі 14с (г/с) - Потік в другому повітроводі 24b (г/с) Потік у внутрішньому каналі 14а (г/с) Потік в центральному каналі 14b (г/с) Потік в зовнішньому каналі 14с (г/с) - Потік в третьому повітроводі 24с (г/с) Потік у внутрішньому каналі 14а (г/с) Потік в центральному каналі 14b (г/с) Потік в зовнішньому каналі 14с (г/с) 32,43 4,11 7,76 4,35 34,03 4,31 8,16 4,54 34,42 4,36 8,26 4,59 Подані в Таблиці І результати ясно вказують на наявність різнорідності в розподілі повітряних потоків, з одного боку, на вході кожного з повітроводів 24а, 24b і 24с (до 6%) і, з другого боку, між різними секторами каналів циркуляції повітря (до 5,8%). В третьому повітроводі 24с напір повітря, що надходить, вище, ніж в двох інших повітроводах 24а, 24b, внаслідок зменшення швидкості перебігу повітря в трубчастому повітророзподільнику. В результаті неоднорідності повітряних потоків у повітроводах охолоджування корпусу 12 також виявляється неоднорідним. Внаслідок цього можуть виникати перепади температур, що призводять до механічної деформації. Виходячи з цих результатів, можна також змоделювати величини додаткового зниження напору, яке необхідно забезпечити для кожного з повітроводів 24 для досягнення однорідності розподілу повітряних потоків. Моделювання значень додаткового зниження напору дозволяє розрахувати параметри діафрагм 30 (зокрема, відношення їх внутрішніх діаметрів d1 до внутрішнього діаметра d2 кожного з повітроводів 24). 7 Наприклад, виходячи з даних моделювання, наведених у Таблиці І, можна помітити, що для другого повітроводу 24b необхідно забезпечити додаткове зниження напору порядку 3,8. Для створення такого зменшення напору слід встановити діафрагму, площа F1 отвору якої відповідає співвідношенню F1/F2 = 0,51, де F1 - площа отвору (поперечний переріз повітряного потоку через діафрагму), a F2 - поперечний переріз повітряного потоку у повітроводі 24b. Таким чином, при діаметрі d2 повітроводу 24b, приблизно рівному 39,8мм, діаметр d1 діафрагми 30, яку слід встановити на вході другого повітроводу 24b, приблизно рівний 28,4мм. Також виходячи з даних, наведених у Таблиці І, можна помітити, що для третього повітроводу 24с необхідно забезпечити додаткове зниження напору порядку 4,5. Для створення такого зменшення напору слід встановити діафрагму, площа F1 отвору якої відповідає співвідношенню F1/F2 = 0,49, де F1 - площа отвору (поперечний переріз повітряного потоку через діафрагму), а F2 - поперечное переріз повітряного потоку у повітроводі 24с. Таким чином, при діаметрі d2 повітроводу 24с, приблизно рівному 39,8мм, діаметр d1 діафрагми 30, яку слід встановити на вході третього повітроводу 24с, приблизно рівний 27,9мм Параметри кожної з діафрагм 30, встановлених в кожному з повітроводів 24, визначені описаним чином на основі моделювання необхідних величин додаткового зниження напору, підібрані індивідуально для кожного повітроводу. Результати встановлення таких діафрагм наведені в Таблиці II. 91667 8 Таблиця II - Потік в першому повітроводі 24а (г/с) Потік у внутрішньому каналі 14а (г/с) Потік в центральному каналі 14b (г/с) Потік в зовнішньому каналі 14с (г/с) - Потік в другому повітроводі 24b (г/с) Потік у внутрішньому каналі 14а (г/с) Потік в центральному каналі 14b (г/с) Потік в зовнішньому каналі 14с (г/с) - Потік в третьому повітроводі 24с (г/с) Потік у внутрішньому каналі 14а (г/с) Потік в центральному каналі 14b (г/с) Потік в зовнішньому каналі 14с (г/с) 32,59 4,14 7,82 4,37 32,67 4,12 7,78 4,35 32,52 4,13 7,79 4,36 З Таблиці II видно, що завдяки встановленню діафрагм у повітроводах 24а, 24b і 24с неоднорідність розподілу повітряних потоків між повітроводами не перевищує 1%, тобто нехтовно мала. Внаслідок цього досягається однорідність температур за об'ємом корпусу 12. Таким чином, існує можливість балансування повітряних потоків, циркулюючих в кожному кутовому секторі каналів 14 циркуляції повітря, шляхом додавання діафрагми, що забезпечує індивідуалізоване задання величини повітряного потоку на вході повітроводу, що виходить в даний кутовий сектор каналів циркуляції повітря. Іншими словами, балансування повітряних потоків може бути здійснено індивідуально для кожного сектора каналів 14 циркуляції повітря шляхом вибору поперечного перерізу діафрагми відповідно до потреб відповідного сектора каналів. Отже, кожен з повітроводів 24 може бути оснащений діафрагмою 30, параметри якої (визначаючі поперечний переріз повітряного потоку) варіюють від каналу до каналу. 9 Комп’ютерна верстка Л. Купенко 91667 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601