Система охолодження нерухомо встановленого стяжного кільця газової турбіни

1. Фіксоване стяжне кільце (4), розташоване навколо газового вікна (14) для проходження гарячих газів газової турбіни (1) і оточене зафіксованою кільцевою порожниною (2), що утворює кільцеву камеру охолодження (26), у яку ви ходить принаймні один впускний отвір (28), який проходить через кільцеву порожнину, при цьому стяжне кільце (4) складається з множини кільцевих сегментів (16), яке відрізняється тим, що кожний кільцевий сегмент (16) містить у собі внутрішню систему верхнього охолодження (А) і внутрішню систему нижнього охолодження (В, В'), незалежну від внутрішньої системи верхнього охолодження (А), радіально зміщену відносно неї, і містить у собі принаймні один впускний отвір подачі охолодного повітря (48) з камери охолодження (26). 2. Стяжне кільце за п. 1, яке відрізняється тим, що система верхнього охолодження (А) кожного кільцевого сегмента (16) містить у собі: - щонайменше одну внутрішню першу порожнину (32), яка розташовується під кутом між поздовжньо розташованими стінками (16с, 16d) кільцевого сегмента (16); - щонайменше одну внутрішню другу порожнину (34), яка розташовується під кутом між поздовжньо розташованими стінками (16с, 16d) кільцевого сегмента (16) і зверху, відносно осі першої порожнини; - щонайменше один впускний отвір подачі охолодного повітря (36), з'єднуючий камеру охолодження 2 (19) 1 3 83835 4 стінок (16с, 16d) кільцевого сегмента (16), а перший канал (50) системи нижнього охолодження (В) прокладений з боку іншої поздовжньо розташованої стінки (16d, 16с) кільцевого сегмента (16), що дозволяє збільшити тривалість циркуляції охолодного повітря. 6. Стяжне кільце за п. 1 чи п. 2, яке відрізняється тим, що система нижнього охолодження (В') кожного кільцевого сегмента (16) містить у собі: - щонайменше одну першу внутрішню порожнину (58), яка розміщена вздовж осі між верхньою, поздовжньо розташованою стінкою (16а) і нижньою, поздовжньо розташованою стінкою (16b) кільцевого сегмента (16), з боку однієї з поздовжньо розташованих стінок (16с, 16d) кільцевого сегмента (16); - щонайменше одну другу внутрішню порожнину (60), яка розміщена вздовж осі між верхньою, поздовжньо розташованою стінкою (16а) і нижньою, поздовжньо розташованою стінкою (16b) кільцевого сегмента (16) і має кутове зміщення відносно першої порожнини (58); - щонайменше одну третю внутрішню порожнину (62), яка розміщена вздовж осі між верхньою, поздовжньо розташованою стінкою (16а) і нижньою, поздовжньо розташованою стінкою (16b) кільцевого сегмента (16) і має кутове зміщення відносно другої порожнини (60); - щонайменше одну четверту вн утрішню порожнину (64), яка розміщена вздовж осі між верхньою, поздовжньо розташованою стінкою (16а) і нижньою, поздовжньо розташованою стінкою (16b) кільцевого сегмента (16) і має кутове зміщення відносно третьої порожнини (62); - щонайменше один перший (66) і один другий (68) впускні отвори подачі охолодного повітря, які ведуть з камери охолодження (26) у, відповідно, другу (60) і третю (62) порожнини з метою забезпечення вищевказаних др угої і третьої порожнин; - щонайменше перший (70) і другий (72) канали, з'єднуючі, відповідно, другу порожнину (60) з першою порожниною (58) і третю порожнину (62) з четвертою порожниною (64); - множину випускних отворів (74), які з'єднують першу порожнину (58) з газовим вікном (14) витікання гарячих газів на рівні поздовжньо розташованої стінки (16с, 16d) кільцевого сегмента (16), з боку якої розташовується перша внутрішня порожнина (58); - множину випускних отворів (76), які з'єднують четверту порожнину (64) з газовим вікном (14) витікання гарячих газів на рівні другої поздовжньо розташованої стінки (16d, 16с) кільцевого сегмента (16). 7. Стяжне кільце за п. 6, яке відрізняється тим, що друга (60) і третя (62) внутрішні порожнини системи нижнього охолодження (В') містять у собі джерела перешкод (78) для підвищення теплообміну. 8. Стяжне кільце за пп. 6, 7, яке відрізняється тим, що перший (66) і другий (68) вп ускні отвори забезпечення системи нижнього охолодження (В') просвердлені з боку однієї з поперечних стінок (16b, 16а) кільцевого сегмента (16), а перший (70) і другий (72) канали системи нижнього охолодження (В') просвердлені з боку іншої поперечної стінки (16а, 16b) кільцевого сегмента (16) для збільшення тривалості циркуляції охолодного повітря. Даний винахід стосується фіксованих стяжних кілець, розташованих навколо газових вікон газових турбін, зокрема процесу охолодження нерухомо встановлених стяжних кілець газової турбіни. Попередній рівень техніки Газова турбіна, зокрема турбіна високого тиску газотурбінного двигуна, має, як правило, велику кількість фіксованих лопаток, що чергуються з великою кількістю знімних лопаток, розташованих у газовому вікні проходження гарячих газів, що ви тікають з камери згоряння газотурбінного двигуна. Знімні лопатки турбіни знаходяться всередині охоплюючого їх нерухомо встановленого стяжного кільця, яке звичайно складається з цілої низки кільцевих сегментів. Зазначені кільцеві сегменти частково утворюють газове вікно, через яке витічні гарячі гази потрапляють на лопатки турбіни. Таким чином, кільцеві сегменти турбіни піддаються впливу високих температур гарячих газів, які витікають з камери згоряння газотурбінного двигуна. У зв'язку з цим у рамках розгляду питання про опір стяжного кільця турбіни механічному і термічному впливу кільцеві сегменти необхідно оснастити пристроями охолодження. Одним з відомих способів охолодження є подача охолодного повітря на контактну пластину, змонтовану на корпусі кільцевих сегментів. Пластина має велику кількість отворів, призначених для проходження через них повітря, яке, надходячи в результаті впливу різниці тисків, наявних на одній і другій стороні пластини, охолоджує кільцевий сегмент. Охолодне повітря надходить у газове вікно виводу гарячих газів через наявні в кільцевому сегменті отвори. Такий спосіб не дозволяє домогтися ефективного і рівномірного охолодження кільцевих сегментів, зокрема, у верхній частині кільцевого сегмента, яка являє собою зону, найбільш піддану впливу гарячих газів. Це, у свою чергу, впливає на термін експлуатації кільцевих сегментів. Крім того, така технологія вимагає значного відбору охолодного повітря, що веде до зниження характеристик турбіни. Задачею винаходу є усунення вищевказаних недоліків, властивих відомим способам. Об'єктом винаходу є нерухомо встановлене стяжне кільце газової турбіни, у якому кожен кільцевий сегмент постачений внутрішньою системою охолодження, що потребує незначної витрати повітря і дозволяє ефективно охолоджувати кільцевий сегмент за допомогою теплової конвекції. 5 83835 Для цього передбачається наявність нерухомо встановленого стяжного кільця, розташованого навколо газового вікна проходження гарячих газів газової турбіни; при цьому стяжне кільце оточене нерухомо встановленою кільцевою порожниною, що представляє собою кільцеву камеру охолодження, у яку ви ходить принаймні один впускний отвір подачі охолодного повітря; стяжне кільце складається з великої кількості кільцевих сегментів і відрізняється тим, що кожний кільцевий сегмент містить у собі внутрішню систему вер хнього охолодження і внутрішню систему нижнього охолодження, при цьому внутрішня система нижнього охолодження залишається незалежною від внутрішньої системи верхнього охолодження і радіально зміщена відносно системи верхнього охолодження. Внутрішні системи верхнього і нижнього охолодження використовують коефіцієнт підвищеного теплового обміну з метою забезпечення ефективного і рівномірного охолодження кожного кільцевого сегмента. Ці системи дозволяють, зокрема, здійснювати охолодження зон кільцевого сегмента, найбільш підданих впливу гарячих газів. Є також можливість зменшення витрати повітря, необхідного для охолодження кільцевих сегментів, навіть у складних термодинамічних умовах експлуатації турбіни. Таким чином, термін експлуатації нерухомо встановленого стяжного кільця турбіни може бути збільшений, а на характеристики турбіни не буде зроблено суттєвого впливу в результаті відбору повітря, призначеного для охолодження кільцевих сегментів. Система верхнього охолодження дозволяє, зокрема, забезпечити охолодження верхньої сторони кільцевого сегмента і підвищити ефективність системи нижнього охолодження. Система нижнього охолодження дозволяє здійснити охолодження внутрішньої поверхні кільцевого сегмента і, можливо, сусідніх кільцевих сегментів. Внутрішні системи верхнього і нижнього охолодження не залежать одна від одної, що являє собою перевагу в процесі розподілу охолодження, забезпечуваного кожною системою охолодження, і приведення у відповідність витрати повітря, що забезпечує кожну систему. Наприклад, у випадку верхньої системи з метою ефективного охолодження верхньої сторони кільцевого сегмента (є найбільш гарячою зоною) можна буде задіяти значні об'єми витрат, а у випадку нижньої системи потрібен менший об'єм витрат повітря. Автономність систем охолодження дозволяє також оптимізувати незалежний характер процесу охолодження. Короткий опис креслень Інші властивості й переваги даного винаходу будуть видні з нижченаведеного опису, супроводжуваного (як ілюстративні приклади) фігурами креслень, серед яких: - Фіг.1 схематично зображує частину газової турбіни, що показує розташування нерухомо встановленого стяжного кільця відносно знімних лопаток; 6 - Фіг.2 - поздовжній розріз кільцевого сегмента у відповідності до способу застосування винаходу; - Фіг.3 і 4 - вигляд у розрізі, відповідно, по лініях IH-III і IV-IV Фіг.2; - Фіг.5 - поздовжній розріз кільцевого сегмента відповідно до другого способу застосування винаходу; - Фіг.6 - вигляд у розрізі по лінії Vl-Vl Фіг.5. Детальний опис способу застосування Спочатку посилання робиться на Фіг.1, яка схематично зображує частину турбіни високого тиску 1 газотурбінного двигуна. Турбіна високого тиску 1 містить у собі, зокрема, нерухомо встановлену кільцеву порожнину 2, що утворює кожух газотурбінного двигуна. Нерухомо встановлене стяжне кільце 4 турбіни кріпиться до даної порожнини 2 і розташовується навколо великої кількості знімних лопаток 6 турбіни. Знімні лопатки 6 розміщені зверху фіксованих лопаток 8 відносно напрямку витікання 10 через турбіну гарячих газів з камери згоряння 12 газотурбінного двигуна. Таким чином, стяжне кільце 4 турбіни розташоване навколо газового вікна витікання гарячих газів. У цілому стяжне кільце 4 турбіни складається з великої кількості кільцевих сегментів, розташованих по периметру навколо осі (не показана) турбіни й утворюючих таким чином замкнуту колоподібну поверхню. Разом з тим можна також представити, що стяжне кільце турбіни буде складатися тільки з однієї єдиної деталі. Даний винахід застосовується незалежно від того, чи є єдине стяжне кільце турбіни чи кільцевий сегмент турбіни. На Фіг.2 видно, що кожен кільцевий сегмент 16, що утворює нерухомо встановлене стяжне кільце турбіни, являє собою внутрішню кільцеподібну поверхню 18 і зовнішню кільцеподібну поверхню 20, радіально зміщену відносно внутрішньої поверхні 18. Внутрішня поверхня 18 розглядається відносно газового вікна 14 витікання гарячих газів. Кожен кільцевий сегмент 16, крім того, являє собою на рівні верхньої поперечної стінки 16а верхній гак 22, а на рівні нижньої поперечної стінки 16b - нижній гак 24. Верхній 22 і нижній 24 гаки дозволяють забезпечити кріплення кільцевого сегмента 16 до нерухомо встановленої кільцевої порожнини 2 турбіни. Нерухомо встановлена кільцева порожнина 2 і стяжне кільце турбіни, що складається з кільцевих сегментів 16, утворюють кільцеву камеру охолодження 26, у яку надходить охолодне повітря через принаймні один отвір 28, який проходить через фіксовану кільцеву порожнину 2. Охолодне повітря, що надходить у камеру охолодження 26, як правило, частково являє собою повітря навколишнього середовища, що надходить через патрубок і обтікає камеру згоряння газотурбінного двигуна. Відповідно до винаходу кожен кільцевий сегмент 16 оснащений внутрішньою системою верхнього охолодження А і внутрішньою системою нижнього охолодження В, В'; при цьому вн утрішня система нижнього охолодження В, В', бувши незалежною від внутрішньої системи верхнього охолодження А, радіально зміщена відносно останньої. 7 83835 Внутрішні системи верхнього А и нижнього В, В' охолодження дозволяють забезпечити охолодження кільцевих сегментів за допомогою термічної конвекції. Більш точно, система верхнього охолодження А призначена для охолодження зовнішньої сторони кільцевої поверхні 20 і верхньої сторони кільцевого сегмента 16, що є стороною кільцевого сегмента, найбільш підданою впливу гарячих газів. Система нижнього охолодження В, В' дозволяє здійснити охолодження внутрішньої сторони кільцевої поверхні 18 кільцевого сегмента 16, яка найбільш піддана процесу витікання гарячих газів. Система верхнього охолодження А дозволяє також підвищити ефективність процесу охолодження, здійснюваного за допомогою системи нижнього охолодження В, В'. Спосіб застосування кільцевого сегмента, відповідно до винаходу, описуватиметься з посиланням на Фіг.2 і 4. На цих фігурах показана система верхнього охолодження А, що включає в себе, щонайменше, першу внутрішню порожнину 32, яка розташовується під кутом між поздовжньо розташованими стінками 16с і 16d кільцевого сегмента 16. Перша порожнина 32, на певному відрізку ширини кільцевого сегмента 16, що міститься між поперечно розташованими верхньою 16а і нижньою 16Ь стінками, розміщена паралельно осі. Система верхнього охолодження А містить у собі також, щонайменше, другу вн утрішню порожнину 34, яка розташовується під кутом між поздовжньо розташованими стінками 16с і 16d кільцевого сегмента 16. Друга порожнина 34 розташовується вздовж осі, над першою порожниною 32, тобто між верхньою, поперечно розташованою стінкою першої порожнини 32 і верхньою, поперечно розташованою стінкою 16а кільцевого сегмента 16. Ширина другої порожнини 34 (тобто відстань між її поперечно розташованими стінками) значно менша, ніж ширина першої порожнини 32. Принаймні один впускний отвір подачі охолодного повітря 36 з'єднує камеру охолодження 26 і першу порожнину 32 з метою забезпечення подачі охолодного повітря у верхню систему А. Точніше, цей отвір подачі 36 виходить у камеру охолодження 26 з нижньої сторони першої порожнини 32. Передбачається також множина пропускних отворів 38, які з'єднують першу порожнину 32 з другою порожниною 34. Ці пропускні отвори 38 дозволяють за допомогою повітря, що надходить, охолоджувати другу порожнину 34. Система верхнього охолодження А, крім того, містить у собі множину випускних отворів 40а, 40b, які з'єднують другу порожнину 34 з газовим вікном 14 для проходження гарячих газів 14 з верхньої сторони кільцевого сегмента 16. Охолодне повітря, циркулююче у верхній системі А, виводиться через ці випускні отвори 40а, 40b. Передбачається також перший ряд випускних отворів 40а, які виходять у газове вікно 14 витікання гарячих газів на рівні внутрішньої кільцеподібної поверхні 18 кільцевого сегмента 16, і другий ряд випускних отворів 40b, які виходять у газове 8 вікно 14 витікання гарячих газів на рівні верхньої, поперечно розташованої стінки 16а кільцевого сегмента. У зв'язку з цим випускні отвори 40а першого ряду можуть бути нахилені відносно напрямку витікання 10 гарячих газів, тоді як випускні отвори 40b другого ряду можуть бути розташовані паралельно відносно цього напрямку витікання газів. Можливий також варіант, коли система верхнього охолодження А являє собою другий ряд випускних отворів, що ви ходять у газове вікно витікання гарячих газів з верхньої сторони кільцевого сегмента 16. Слід також зазначити, що, як це показано на Фіг.3, випускні отвори 40а і 40b мають лінійне розташування вздовж напрямку осі відносно пропускних отворів 38, які з'єднують першу порожнину 32 з другою порожниною 34. Таке розміщення дозволяє зменшити втрати в завантаженні. В той же час можливий варіант, коли випускні отвори 40а і 40b не вирівняні разом із пропускними отворами 38. У показаному на Фіг.2 і 4 способі застосування внутрішня система нижнього охолодження В постачена принаймні трьома внутрішніми порожнинами 42, 44 і 46, які розміщені під кутом між поздовжньо розташованими стінками 16с, 16d кільцевого сегмента 16. Крім того, ці три порожнини 42, 44 і 46 радіально зміщені відносно першої порожнини 32 системи верхнього охолодження А, тобто вони розташовані між першою порожниною 32 верхньої системи А і внутрішньою кільцеподібною поверхнею 18 кільцевого сегмента 16. Більш точно, щонайменше, внутрішня перша порожнина 42 розташовується з нижньої сторони кільцевого сегмента 16. Внутрішня друга порожнина 44 розташовується вздовж осі, вище першої порожнини 42. Внутрішня третя порожнина 46 також розташовується вздовж осі, вище другої порожнини 44. На Фіг.2 і 4 видно, що ці три порожнини 42, 44 і 46 мають майже однакову ширину (відповідно, відстань між їхніми поперечно розташованими стінками) і розміщені практично на однаковій відстані одна від одної. Система нижнього охолодження В забезпечується охолодним повітрям, щонайменше, через один впускний отвір подачі повітря 48, що з'єднує камеру охолодження 26 з першою порожниною 42. Система нижнього охолодження В містить у собі також, щонайменше, перший канал, з'єднуючий першу порожнину 42 з другою порожниною 44, і, щонайменше, другий канал 52, який з'єднує другу порожнину 44 з третьою порожниною 46. Множина випускних отворів 54 з'єднує третю порожнину 46 з газовим вікном 14 витікання гарячих газів з верхньої сторони кільцевого сегмента 16 з метою його охолодження. Випускні отвори 54 просвердлюються з верхньої сторони кільцевого сегмента, на рівні внутрішньої кільцеподібної поверхні 18. Вони, зокрема, нахилені відносно напрямку витікання 10 гарячих газів. Охолодне повітря, що циркулює в нижній системі В, виводиться таким чином через випускні отвори 54. 9 83835 Краще, щоб др уга порожнина 44 системи нижнього охолодження В була постачена джерелом перешкод 56, що дозволяють підвищити теплообмін. Як це показано на Фіг.4, джерела перешкод 56 можуть бути виконані у вигляді подовжніх ребер жорсткості, розташованих перпендикулярно відносно напрямку циркуляції повітря в другій порожнині 44. Джерела перешкод, наприклад, можуть також мати форму клина або скоби. Бажано, щоб впускні отвори подачі повітря 48 і другий канал 52 системи нижнього охолодження В розташовувалися з боку однієї з поздовжньо розташованих стінок 16с (або 16d) кільцевого сегмента 16, а перший канал 50 системи нижнього охолодження В - з боку іншої поздовжньо розташованої стінки 16d (або 16с) кільцевого сегмента. Таке розміщення дозволяє збільшити тривалість циркуляції охолодного повітря в системі нижнього охолодження В' у цілях збільшення об'єму теплообміну. Нижче, з посиланням на Фіг.5 і 6, буде описаний інший спосіб застосування кільцевого сегмента відповідно до винаходу. У випадку застосування даного способу система верхнього охолодження А кільцевого сегмента аналогічна раніше описаній системі, а система нижнього охолодження В' має відмінності. Дана система нижнього охолодження В' містить у собі принаймні чотири внутрішні порожнини 58, 60, 62 і 64, розміщені вздовж осі між верхньою, поздовжньо розташованою стінкою 16а і нижньою, поздовжньо розташованою стінкою 16Ь кільцевого сегмента 16. Крім того, ці чотири порожнини 58, 60, 62 і 64 радіально зміщені відносно першої порожнини 32 системи верхнього охолодження А, тобто розташовані між першою порожниною 32 системи верхнього охолодження А і вн утрішньою кільцеподібною поверхнею 18 кільцевого сегмента 16. Перша порожнина 58 системи нижнього охолодження В' розміщена з боку однієї з поздовжньо розташованих стінок 16с (або 16d) кільцевого сегмента 16. Друга порожнина 60 має кутове зміщення відносно першої порожнини 58, третя порожнина 62 має кутове зміщення відносно другої, а четверта порожнина 64 має кутове зміщення відносно третьої порожнини. Ці порожнини розміщені таким чином, що четверта порожнина 64 розташовується з боку поздовжньо розташованої стінки 16d (або 16с), яка є зворотною стороною стінки першої порожнини 58. 10 Щонайменше, перший 66 і другий 68 впускні отвори подачі охолодного повітря ведуть з камери охолодження 26 у, відповідно, другу 60 і третю 62 порожнини з метою подачі в них охолодного повітря. Система нижнього охолодження В' містить у собі також, щонайменше, перший канал 70, з'єднуючий другу порожнину 60 з першою порожниною 58. Таким самим чином, щонайменше, другий канал 72 з'єднує третю порожнину 62 з четвертою порожниною 64. І нарешті, система нижнього охолодження В' постачена множиною випускних отворів 74 першого ряду, які з'єднують першу порожнину 58 з газовим вікном 14 витікання гарячих газів на рівні поздовжньо розташованої стінки 16с кільцевого сегмента 16, з боку якої розташовується перша порожнина 58. Аналогічно до цього передбачається також наявність множини випускних отворів 76 другого ряду, які з'єднують четверту порожнину 64 з газовим вікном 14 витікання гарячих газів на рівні іншої поздовжньо розташованої стінки 16d кільцевого сегмента 16. Таким чином, вдається одержати дві, не залежні одна від одної підсистеми нижнього охолодження. Як це показано на Фіг.6, ці підсистеми можуть розташовува тися майже симетрично відносно серединної поздовжньої осі кільцевого сегмента. Ці підсистеми нижнього охолодження забезпечуються повітрям автономно через впускні отвори 66, 68 і мають також випускні отвори 74, 76, які дозволяють охолоджувати сусідні з даним кільцевим сегментом кільцеві сегменти. Краще, щоб кожна друга 60 і третя 62 порожнини системи нижнього охолодження В' містили в собі, кожна, джерела перешкод 78, які дозволили б підвищити теплообмін. Ці джерела перешкод 78 можуть мати форму ребер жорсткості (як це показано на Фіг.5 і 6), клина чи скоби. Крім того, перше 66 і друге 68 впускні отвори системи нижнього охолодження В' переважно просвердлюються з боку однієї з поперечних стінок 16а, 16b кільцевого сегмента 16 (на Фіг.6 - з боку нижньої стінки 16b), а перший 70 і другий 72 канали системи нижнього охолодження В' просвердлюються з боку іншої поперечної стінки 16Ь, 16а кільцевого сегмента 16 (на Фіг.6 - з боку верхньої стінки 16а). Таке розташування дозволяє збільшити тривалість циркуляції охолодного повітря в другій системі нижнього охолодження В з метою збільшення об'єму теплообміну. 11 83835 12 13 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 83835 Підписне 14 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601