Роторное колесо, ротор газовой турбины и способ продувки ротора газовой турбины

Роторное колесо для ротора газовой турбины имеет первую сторону, имеющую изогнутые лопатки, разделенные изогнутыми канавками, и вторую сторону, имеющую радиальные лопатки, разделенные радиальными канавками. Способ продувки ротора газовой турбины включает подачу потока сжатого воздуха между смежными роторными колесами ротора в радиальном нижнем направлении на первой стороне каждого колеса и в радиальном верхнем направлении на второй стороне каждого колеса, обеспечение прохождения указанного потока через изогнутые канавки на первой стороне каждого роторного колеса и обеспечение прохождения указанного потока через радиальные канавки на второй стороне каждого роторного колеса. Указанные роторные колеса, содержащие изогнутые лопатки и канавки со стороны продувочного потока в радиальном нижнем направлении, а также радиальные лопатки и канавки со стороны продувочного потока в радиальном верхнем направлении, улучшают характеристики потока путем преобразования напора тангенциальной скорости в статическое давление. Указанные роторные колеса также увеличивают срок службы ротора и улучшают вибрационные характеристики путем регулирования температуры роторного колеса благодаря улучшенной передаче тепла к отверстиям колес. Радиальные канавки со стороны потока в радиальном направлении вверх обеспечивают уменьшение себестоимости станочной обработки и время производственного цикла с одновременным уменьшением потери давления продувочного потока. Углубленные части радиальных канавок и изогнутые лопатки снижают вес роторных колес и улучшают температурную характеристику указанных отверстий роторных колес. Указанная продувочная система ротора также улучшает возможность работы газовой турбины в режиме быстрого запуска. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Данное изобретение относится к устройству и способу продувки ротора газовой турбины.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] Во время режима пуска или останова некоторый локальный объем отдельного роторного колеса подвергается воздействию более высокой или более низкой температуры, чем основная масса указанного колеса. Это обстоятельство создает большой перепад температур, который приводит в результате к большому локальному термическому напряжению наряду с образованием изгиба колеса, которые ухудшают не только малоцикловую усталость и устойчивость к повреждениям указанного колеса, но также переходный режим колеса. Для уменьшения перепада температур для узла роторных колес требуется вторичная проточная система, обеспечивающая охлаждение/нагревание массы колеса во время переходного режима.

[0003] В газовой турбине указанный роторный узел во время полного рабочего диапазона испытывает воздействие температур более высоких, чем это допускает теплоемкость материала. По сути, указанные компоненты ротора подвержены малоцикловой усталости, возникновению хрупкости и пластической деформации, которые ухудшают эксплуатационные характеристики указанной системы. Для роторных колес роторного узла требуется система терморегулирования, обеспечивающая охлаждение/нагревание колес во время всего рабочего диапазона.

[0004] В газотурбинных двигателях обычно обеспечивают отведение воздуха из компрессора (компрессоров) и его подачу к турбине (турбинам) газотурбинного двигателя для создания уплотнения и регулирования температуры турбины (турбин). Указанный отводимый воздух должен подаваться к турбине (турбинам) из компрессора (компрессоров) с минимальной потерей давления, так что он имеет давление, достаточное для того, чтобы обеспечить подачу охлаждающего воздуха и создание уплотнения у турбины (турбин).

[0005] В одном выпускном устройстве указанный выпускаемый воздух отводится из компрессора (компрессоров) в целом в радиально внутреннем направлении и затем подается ниже по потоку через центральную часть двигателя, например через приводные валы или другие подходящие средства, к турбине (турбинам). Воздух проводят, как правило, в радиальном направлении через устройство для ослабления завихрения, чтобы свести к минимуму потери давления в воздухе. Осевой компрессор содержит ротор, имеющий ступени из разнесенных в окружном направлении и проходящих в радиально наружном направлении роторных лопаток, а также корпус, окружающий указанный ротор и роторные лопатки на расстоянии от них. Указанный ротор содержит по меньшей мере два смежных в осевом направлении роторных диска, ограничивающих между собой камеру, и воздухоотвод, составляющий с ротором одно целое и предназначенный для отведения части воздуха из компрессора и подачи его в радиально внутреннем направлении к указанной камере. Указанные два смежных роторных диска имеют противоположные проходящие в радиальном направлении поверхности, по меньшей мере одна из которых выполнена с формой по контуру, обеспечивающей направление указанного воздуха в радиально внутреннем направлении для предотвращения образования свободного завихрения внутри указанной камеры с уменьшением тем самым потерь давления в воздухе, проходящем через указанную камеру. Так, в патенте США №5593274, который можно принять за ближайший аналог, раскрывается роторный диск, имеющий радиальные канавки, расположенные с обеих сторон диска, для пропускания через них потока, соответственно, вверх и вниз, чтобы свести к минимуму потери давления.

[0006] Контур по меньшей мере одной из проходящих в радиальном направлении поверхностей может содержать разнесенные в окружном направлении и проходящие в радиальном направлении лопатки. Указанные лопатки проходят в осевом направлении от по меньшей мере одной из указанных противоположных проходящих в радиальном направлении поверхностей по существу на небольшую часть осевого расстояния между указанными противоположными поверхностями смежных роторных дисков.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0007] В соответствии с одним вариантом выполнения изобретения роторное колесо для ротора газовой турбины имеет первую сторону, имеющую изогнутые лопатки, разделенные изогнутыми канавками, и вторую сторону, имеющую радиальные лопатки, разделенные радиальными канавками. Первая сторона выполнена с обеспечением воздействия на нее потока сжатого воздуха, проходящего через ротор в радиальном нижнем направлении роторного колеса, а вторая сторона выполнена с обеспечением воздействия на нее потока сжатого воздуха, проходящего через ротор в радиальном верхнем направлении от роторного колеса.

[0008] В соответствии с другим вариантом выполнения изобретения способ продувки ротора газовой турбины включает подачу потока сжатого воздуха между смежными роторными колесами в радиальном нижнем направлении на первую сторону каждого колеса и в радиальном верхнем направлении на вторую сторону каждого колеса, обеспечение прохождения указанного потока через изогнутые канавки на первой стороне каждого роторного колеса и прохождение указанного потока через радиальные канавки на второй стороне каждого роторного колеса.

Таким образом, благодаря предложенной конструкции роторного колеса, обеспечивается не только уменьшение потери давления продувочного потока за счет радиальных канавок, но и повышается относительная скорость потока у отверстия колеса, за счет изогнутых канавок, с увеличением завихрения потока у указанного отверстия для повышения передачи тепла к отверстиям колеса. Тем самым обеспечивается эффективная система терморегулирования.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0009] Фиг. 1 изображает ротор газовой турбины, содержащий роторные колеса, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения изобретения;

[0010] фиг. 2 изображает роторное колесо со стороны потока в радиальном верхнем направлении в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения изобретения;

[0011] фиг. 3 изображает радиальную лопатку роторного колеса, показанного на фиг. 2, со стороны потока в радиальном верхнем направлении;

[0012] фиг. 4 изображает роторное колесо со стороны потока в радиальном нижнем направлении в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения данного изобретения; и

[0013] фиг. 5 изображает изогнутую лопатку роторного колеса, показанного на фиг. 4, со стороны потока в радиальном нижнем направлении.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0014] В соответствии с фиг. 1 ротор 2 газовой турбины содержит роторные колеса 4, выровненные в осевом направлении. Между противоположными радиальными поверхностями R1, R2, R3 колес 4 обеспечивается подача продувочного потока 6. В соответствии с фиг. 2 радиальная поверхность R1 колеса 4 расположена на нем со стороны потока в радиальном верхнем направлении, так как продувочный поток 6 проходит в радиальном направлении вверх или наружу относительно отверстия колеса 4. Колесо 4 со стороны потока в радиальном верхнем направлении содержит радиальные лопатки 8, которые имеют радиальные канавки 12 (фиг. 3), проходящие между радиальными лопатками 8.

[0015] Радиальные лопатки 8 могут иметь углубления 10, которые могут быть, например, получены механической обработкой или вырезаны из радиальных канавок 8 для снижения веса колес 4 и улучшения температурной характеристики отверстий колес. Радиальные канавки 12 могут быть выполнены, например, фрезерованием. Такое решение обеспечивает уменьшение себестоимости станочной обработки и время производственного цикла. Радиальные канавки 12 также уменьшают потерю давления продувочного потока 6. Кроме того, канавки 12 могут быть более простыми в изготовлении, чем изогнутые канавки 18. Например, радиальные канавки 12 могут быть выполнены фрезерованием за один проход, тогда как изогнутые канавки 18 могут потребовать несколько проходов, например 3-4 прохода.

[0016] В соответствии с фиг. 4 и 5 колесо 4 со стороны потока в радиальном нижнем направлении, например радиальная поверхность R3, содержит изогнутые лопатки 14, которые разделены изогнутыми канавками 18. Продувочный поток 6 проходит в радиальном нижнем направлении, так как продувочный поток 6 проходит в радиальном направлении вниз или внутрь относительно отверстия колеса 4. Кроме того, изогнутые лопатки 14 могут иметь углубления 16, которые могут быть, например, получены механической обработкой или вырезаны из изогнутых канавок 14. Каждая из изогнутых канавок 18 имеет вход 20 лопатки и выход 22, расположенный под углом к отверстию роторного колеса и в направлении вращения роторного колеса. Указанная изогнутая канавка имеет 6 конструктивных параметров, включающих угол θ₁ входа, радиусы кривизны R₁, R₂ канавки, ширину W канавки, глубину D канавки и угол θ₂ выхода, которые могут быть выполнены с возможностью сведения к минимуму потерь при вхождении продувочного потока 6 и преобразования тангенциальной скорости потока 6 в статическое давление путем создания завихрения у входа 20 лопатки. Указанный выход 22, расположенный под углом, повышает относительную скорость потока у отверстия колеса 4 и увеличивает завихрение потока у указанного отверстия для повышения передачи тепла к отверстиям колеса.

[0017] Указанные роторные колеса, содержащие изогнутые лопатки и канавки со стороны продувочного потока в радиальном нижнем направлении, а также радиальные лопатки и канавки со стороны продувочного потока в радиальном верхнем направлении, улучшают характеристики указанного потока путем преобразования напора тангенциальной скорости в статическое давление. Указанные роторные колеса также увеличивают срок службы ротора и улучшают вибрационные характеристики путем регулирования температуры роторного колеса благодаря улучшенной передачи тепла к отверстиям колес. Указанные радиальные канавки со стороны потока в радиальном направлении вверх обеспечивают уменьшение себестоимости станочной обработки и время производственного цикла с одновременным уменьшением потери давления продувочного потока. Указанные углубленные части радиальных канавок и изогнутые лопатки снижают вес роторных колес и улучшают температурную характеристику указанных отверстий роторных колес. Указанная продувочная система ротора также улучшает возможность работы газовой турбины в режиме быстрого запуска.

[0018] Хотя данное изобретение описано в отношении считающихся в настоящее время наиболее практичными и предпочтительными вариантами выполнения, следует понимать, что данное изобретение не ограничивается рассмотренными вариантами выполнения. Подразумевается, что данное изобретение распространяется на различные модификации и эквивалентные конструкции, подпадающие под сущность и объем прилагаемой формулы изобретения.

1. Роторное колесо для ротора газовой турбины, имеющее

первую сторону, имеющую изогнутые лопатки, разделенные изогнутыми канавками, и

вторую сторону, имеющую радиальные лопатки, разделенные радиальными канавками, причем первая сторона выполнена с обеспечением воздействия на нее потока сжатого воздуха, проходящего через ротор в радиальном нижнем направлении роторного колеса, а вторая сторона выполнена с обеспечением воздействия на нее потока сжатого воздуха в радиальном верхнем направлении роторного колеса.

2. Роторное колесо по п. 1, в котором каждая их указанных изогнутых канавок имеет выход, расположенный под углом к отверстию роторного колеса и выполненный с обеспечением завихрения продувочного потока и увеличения передачи тепла между указанным отверстием роторного колеса и продувочным потоком.

3. Роторное колесо по п. 1, в котором каждая из изогнутых лопаток и каждая из радиальных лопаток имеет углубление.

4. Роторное колесо по п. 3, в котором каждое углубление выполнено путем механической обработки.

5. Роторное колесо по п. 4, в котором каждое углубление выполнено путем фрезерования.

6. Роторное колесо по п. 1, в котором каждая из радиальных канавок и каждая из изогнутых канавок выполнена путем механической обработки.

7. Роторное колесо по п. 6, в котором каждая из радиальных канавок и каждая из изогнутых канавок выполнена путем фрезерования.

8. Ротор газовой турбины, содержащий роторные колеса по п. 1.

9. Способ продувки ротора газовой турбины, включающий

обеспечение прохождения потока сжатого воздуха между смежными роторными колесами в радиальном нижнем направлении на первой стороне каждого колеса и в радиальном верхнем направлении на второй стороне каждого колеса,

обеспечение прохождения указанного потока через изогнутые канавки на первой стороне каждого роторного колеса и

обеспечение прохождения указанного потока через радиальные канавки на второй стороне каждого роторного колеса.

10. Способ по п. 9, в котором при обеспечении прохождения потока через изогнутые канавки преобразуют динамический напор за счет тангенциальной скорости указанного потока на входе каждой изогнутой канавки в статическое давление.

11. Способ по п. 10, в котором при обеспечении прохождения потока через изогнутые канавки направляют указанный поток из изогнутых канавок под углом к отверстию роторного колеса и в направлении вращения роторного колеса.

12. Способ по п. 9, в котором указанные изогнутые канавки выполнены между изогнутыми лопатками на первой стороне каждого роторного колеса.

13. Способ по п. 12, в котором указанные радиальные канавки выполнены между радиальными лопатками на второй стороне каждого роторного колеса.

14. Способ по п. 13, в котором каждая из изогнутых лопаток и каждая из радиальных лопаток имеет углубление.