CZ2001192A3 - Segment trysky plynové turbíny - Google Patents

Description

Oblast techniky

Vynález se týká segmentů trysky pro plynové turbiny, přičemž se zejména týká parou chlazených plynových turbin, opatřených kryty trysky, vzdálenými od stěny trysky, vymezující dráhu horkých plynů, a dále sloupky v segmentech trysky pro vzájemné spojení stěny trysky a víka pro snížení tlakem vyvolávaného napětí.

Dosavadní stav techniky ϋ současných konstrukcí pbynových turbín jsou segmenty trysky obvykle uspořádány v prstencovité soustavě kolem osy otáčení turbíny. Tato soustava segmentů vytváří vnější a vnitřní pás, přičemž mezi těmito pásy leží větší počet lopatek. Tyto pásy a lopatky vymezují částečně dráhu horkých plynů, proudících plynovou turbínou. Každý segment trysky obsahuje část vnějšího pásu a část vnitřního pásu, přičemž mezi částí vnějšího pásu a částí vnitřního pásu leží jedna nebo více lopatek trysky.

U současných konstrukcí plynových turbín je chladicí médium, například pára, přiváděno do každého ze segmentů trysky. Pro zajištění parního chlazení zahrnuje každá část pásu stěnu trysky, která částečně vymezuje dráhu horkých

plynů turbinou, kryt, radiálně vzdálený od stěny trysky a vymezující s touto, stěnou trysky komoru, a nárazovou desku, umístěnou v této komoře. Každá nárazová deska vymezuje s krytem první dutinu na jedné straně pro přivádění chladicí páry ze vstupu chladicí páry, přičemž rovněž vymezuje druhou dutinu na opačné straně společně se stěnou trysky.

Každá nárazová deska je opatřena velkým množstvím otvorů pro průtok chladicí páry z první dutiny do druhé dutiny pro účely nárazového chlazení přidružené stěny trysky. Chladicí pára z druhé dutiny části vnějšího pásu proudí radiálně směrem dovnitř přes dutiny v lopatce nebo v lopatkách, z nichž jsou některé opatřeny vložkami s otvory pro nárazové chlazení bočních stěn lopatky.

Chladicí pára poté vstupuje do radiálně vnitřní první dutiny v části vnitřního pásu a obrací směr svého proudění, takže proudí radiálně směrem ven přes nárazovou desku do přidružené—druhé—dutiny—prcr—úceíy—rrára-ΖΌ váho—chiuzeni—stěny trysky vnitřního pásu. Upotřebené chladicí médium se vrací přes dutinu v lopatce do výstupního kanálu segmentu trysky, umístěného radiálně směrem ven z části vnějšího pásu.

Kryt, kterým je opatřena jak část vnějšího pásu, tak i část vnitřního pásu, je s výhodou přivařen k příslušné stěně segmentu trysky podél bočních okrajů segmentu trysky, to znamená podél předního náběžného okraje, zadního okraje a podél bočního okraje segmentu. V důsledku toho je vytvořen uzavřený chladicí systém v segmentu trysky, ve kterém chladicí médium, například pára pod tlakem, proudí přes části pásu a lopatky.

Α

Pára je však obsažena v komorách při různých tlakových hladinách v porovnáni s tlakem v dráze horkých plynů a s prouděním z výtlaku kompresoru do částí pevného pláště turbíny, obklopujícího část vnějšího pásu. Tento tlakový rozdíl může způsobit vysoké napětí v segmentu trysky, a to zejména ve spojovací oblasti mezi krytem a stěnou trysky. Toto napětí má snahu vyboulit kryt a stěnu trysky vzájemně od sebe, přičemž dochází k ohnutí svařovaného spoje podél okrajů krytu a stěny trysky.

Toto tlakem způsobované napětí může vyvolávat místní vysoké napětí ve spoji a v zaoblených rohových oblastech aerodynamického přechodu mezi stěnou trysky a lopatkou. Toto vysoké místní napětí může vést ke snížení životnosti při únavě nízkého cyklu u těchto součástí. Přestože je možno použít silnější stěny nebo zdokonaleného chlazení za účelem odstranění některých z těchto problémů, tak každý z těchto způsobů má vážné nedostatky. Silnější stěna může například ~způsObit~vys'oký^tepeťtný^spáxi, který má nepříznivý účinek nar životnost při únavě nízkého cyklu daných součástí. Zvýšené chlazení není, možno vždy zajistit, přičemž může být velice nákladné z hlediska výkonu turbíny.

Podstata vynálezu

V souladu s výhodným provedením předmětu tohoto, vynálezu je jeden nebo více konstrukčních prvků, například sloupků, uspořádáno mezi krytem a stěnou trysky pro účely konstrukčního vyztužení nebo podpírání těchto součástí trysky, a pro účely snížení napětí, vyvolávaného v důsledku tlakových rozdílů v chladicím systému turbíny s uzavřenou smyčkou. Snížením těchto napětí dochází ke zvýšení životnosti

při únavě nízkého cyklu u shora uvedených vysoce zatížených součástí.

Za účelem splnění shora uvedeného úkolu je uspořádán jeden nebo více konstrukčních sloupků, vzájemně spojujících kryt a stěnu trysky v místech v komoře, vymezené mezi krytem a stěnou trysky. Tyto sloupky jsou vzdáleny od bočních okrajů segmentu trysky, přičemž jsou umístěny v jedné nebo ve více oblastech za účelem zamezení tomu, aby docházelo k podstatnému vyboulení stěny segmentu trysky a víka vzájemně od sebe, a to v důsledku vnitřních a vnějších tlakových rozdílů.

Uvedené sloupky jsou s výhodou ve formě kolíků, které mohou mít vhodný průřez, jako například kruhový, vícestranný nebo podélný průřez. Kolíky jsou s výhodou odlity spolu se stěnou trysky a lopatkou v jediném odlitku, přičemž vzdálené konce sloupků procházejí otvory v nárazových deskách a jsou uloženy v otvorech—ve—víkách. Vzdálené—konce—jsou přivařeny k víkům prostřednictvím svařování v ochranné atmosféře inertního plynu nebo svařováním pomocí paprsků E, a to zvnějšku segmentu.

Alternativně mohou být sloupky odlity na víku a přivařeny k pásu trysky, nebo mohou sestávat ze samostatných sloupků, přivařených na obou koncích ke stěně trysky a k víku. Sloupky jsou s výhodou umístěny na každé z protilehlých stran otvoru v lopatce přes stěnu trysky, to znamená mezi otvory lopatky trysky a bočními okraji segmentu.

V souladu s výhodným provedením předmětu tohoto vynálezu byl vyvinut segment trysky pro plynovou turbínu, který

5' obsahuje část vnějšího pásu, část vnitřního pásu a alespoň jednu lopatku, ležící mezi uvedenými částmi pásu, alespoň jedna z uvedených částí pásu zahrnuje stěnu trysky, vymezující částečně dráhu horkých plynů turbínou, kryt, radiálně vzdálený od uvedené stěny trysky, přičemž uvedený kryt a uvedená stěna trysky jsou spolu vzájemně spojeny podél svých okrajů a vymezují mezi sebou komoru, nárazovou desku, upevněnou v uvedeném segmentu a umístěnou v uvedené komoře pro vymezení spolu s uvedeným krytem první dutiny na své jedné straně pro přivádění chladicího média, uvedená nárazová deska na protilehlé straně od uvedené první dutiny vymezuje s uvedenou stěnou trysky druhou dutinu, uvedená nárazová deska je opatřena velkým množstvím průchozích otvorů pro proudění chladicího média z uvedené první dutiny do uvedené druhé dutiny pro nárazové chlazení uvedené stěny trysky, a alespoň jeden konstrukční prvek, vzájemně spojující uvedený kryt a uvedenou stěnu trysky směrem dovnitř od uvedených okrajů pro podstatné zabránění pohybu uvedeného krytu a uvedené—stěny—trysky vzájemně—vůči—sobě—v^obecně rarďřáŤtrrím směru, uvedená nárazová deska je opatřena průchozím otvorem pro uložení uvedeného konstrukčního prvku, přičemž uvedený prvek a uvedený otvor leží bočně směrem ven od spoje mezi lopatkou a stěnou trysky.

Segment trysky podle tohoto vynálezu s výhodou zahrnuje druhý konstrukční prvek, vzájemně spojující uvedený kryt a uvedenou stěnu trysky směrem uvnitř od boční stěny uvedeného segmentu a bočně směrem ven od uvedeného spoje.

Uvedený konstrukční prvek s výhodou obsahuje kolíky, ležící mezi uvedenou stěnou trysky a uvedeným krytem a procházející uvedenou nárazovou deskou.

/

Uvedená lopatka, uvedená stěna trysky a uvedené konstrukční prvky s výhodou tvoři integrální část odlitku uvedeného segmentu trysky.

Uvedené konstrukční prvky jsou s výhodou přivařeny k uvedenému krytu.

Uvedené konstrukční prvky mohou být s výhodou přivařeny na protilehlých koncích uvedené stěny trysky a uvedeného krytu.

Segment trysky podle tohoto vynálezu s výhodou zahrnuje prodloužení lopatky, ležící mezi uvedenou stěnou trysky a uvedeným krytem, přičemž uvedené prvky jsou umístěny mezi okrajem uvedeného segmentu a uvedeným prodloužením lopatky.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude v dalším podrobněji objasněn na příkladech jeho konkrétního provedení, jejichž popis bude podán s přihlédnutím k přiloženým obrázkům výkresů, kde:

obr, 1 znázorňuje rozložený axonometrický a schématický pohled na. segment, . trysky, zkonstruovaný v souladu s výhodným provedením předmětu tohoto vynálezu, přičemž jsou zde zobrazeny konstrukční sloupky;

obr. 2 znázorňuje axonometrický pohled, znázorňující především část vnějšího pásu, a z ní vystupující sloupky, přičemž jsou kryt a nárazová deska odstraněny; a

• *	• ·	• ·	• ·	•
• 9 ·	•	• · ·	* *	• ·
• · ·	•	• ·	• ·	9
é · · · ·	• b	• 9	• b ♦	•
• ♦	to	9 ·	t ·	•
• · *	4 ·		• ·	9 99

obr. 3 znázorňuje pohled v řezu na provedeni podle obr. 2, zobrazující konstrukční sloupek, vzájemně spojující kryt a stěnu trysky.

Příklady provedení vynálezu « Na obrázcích výkresů je znázorněn segment trysky, který i je obecně označen vztahovou značkou 10 a který tvoří část prstencovité soustavy segmentů, uspořádaných kolem osy plynové turbíny.

Každý segment 10 trysky zahrnuje část 12 vnějšího pásu, část 14 vnitřního pásu, mezi nimiž leží jedna nebo více lopatek 16, které mají náběžnou hranu 17 a zadní hranu 19. Pokud jsou segmenty 10 trysky uspořádány v prstencovité soustavě, potom části 12 vnějšího pásu, části 14 vnitřního pásu a lopatky 16 vymezují prstencovitou dráhu horkých plynů v plynové turbíně a vytvářejí část stupně turbíny, což je ----------všeobecně—známo.--—------------------------------------—

Část 12 vnějšího pásu, část 14 vnitřního pásu a lopatky 16 jsou chlazeny prostřednictvím proudění chladicího média, například páry, komorou v části 12 vnějšího pásu a radiálně směrem dovnitř přes dutiny v lopatkách, dále komorou v části 14 vnitřního pásu a radiálně směrem ven přes lopatky pro návrat chladicího média do výstupního kanálu 23 podél části 12 vnějšího pásu.

Jak je podrobněji formou příkladného provedení znázorněno na vyobrazeních podle obr. 1 a podle obr. 3, tak část 12 vnějšího pásu obsahuje vnější stěnu 18 trysky a vnější kryt 20, který je umístěn nad vnější stěnou 18 trysky,

• ·		··	··	9
• ·	*	• ♦	•		• 9 9	9 9
•	• ·	• ·			9 9 9	9
•	'· · ··	9 » t		•	• · 9	9
•	•	t» »	9		9 9	«
··»	•	··	• ·	•	9 9 9	9 9

a který je k ni přivařen za účelem vymezeni komory 21 (obr. 3) mezi těmito součástmi. V této komoře 21 je umístěna nárazová deska 22.

Nárazová deska 22 vymezuje spolu s vnějším krytem 20 segmentu 10 trysky první dutinu 24 (viz obr. 3), přičemž na protilehlé straně vymezuje spolu s vnější stěnou 18 trysky druhou dutinu 26. Vstupní kanál 27 chladicího média (viz obr. 1) je uspořádán ve vnějším krytu 20 pro přivádění chladicího média, například páry, do segmentu 10 lopatky 16 trysky, přičemž je upotřebená chladicí pára odváděna se segmentu 10 výstupním kanálem 23.

Chladicí pára je přiváděna do první dutiny 24 vstupním kanálem 27, načež prochází přes velké množství otvorů 29 v nárazové desce 22 pro účely nárazového chlazení boční stěny 18.

-----Lopatka—nebo—íopab-ky—Í6—j-sou—opat-řen-y—dutí-n-am-i—-307—32, 34, 36, 38 a 40, procházejícími lopatkou nebo lopatkami 16 mezi částí 12 vnějšího pásu a částí 14 vnitřního pásu, přičemž jsou uvedené dutiny uspořádány postupně od náběžné hrany 17 k zadní hraně 19 lopatky 16.

Dutina 30 lopatky 16 se otevírá do druhé dutiny 26 segmentu 10 trysky, zatímco zbývající dutiny lopatky se otevírají do nekonečného prodloužení 42 lopatky 16 (viz obr. 1), propojeného s výstupním kanálem 23.

Nárazová chladicí pára proudí z druhé dutiny 2 6 segmentu 10 trysky do první dutiny 30 lopatky 16 a do vložky v první dutině lopatky (na vyobrazeních neznázorněno) pro

účely nárazového chlazeni bočních stěn lopatky. Chladicí pára poté proudí do komory v části 14 vnitřního pásu, a zejména do radiálně vnitřní dutiny pro průtok přes otvory v nárazové desce 22 v komoře v části 14 vnitřního pásu pro nárazové chlazení boční stěny části 14 vnitřního pásu.

Upotřebená chladicí pára poté proudí dutinami 32, 34, 36, 38 a 4 0 v lopatce 16 a přes otvory ve vložkách (na vyobrazeních neznázorněno) v těchto dutinách pro účely nárazového chlazení bočních stěn lopatky nebo lopatek 16. Upotřebená chladicí pára je poté vyprazdňována do výstupního kanálu 27 v části 12 vnějšího pásu.

Úplný popis provedení shora uvedeného chladicího okruhu je obsažen v patentovém spise US 5 634 766 stejného majitele, jeho obsah je zde uváděn ve formě odkazu.

Jak již bylo shora uvedeno, existují podstatné rozdíly mezi—tlakem v komorách částí pásů trysky na jedné—straně,—a tlakem tekutiny v dráze horkých plynů a tlakem vzduchu v pevné části pláště turbíny, obklopující segmenty trysky, na straně druhé. Tyto tlakové rozdíly způsobují místní napětí a to zejména podél okrajů segmentů, podél kterých jsou provedeny svařované spoje mezi krytem a částmi pásu trysky. K místním napětím rovněž dále dochází v zaoblených rohových oblastech 50 aerodynamického přechodu mezi stěnou trysky a lopatkou nebo lopatkami (viz obr. 3).

Za účelem zajištění konstrukční opěry segmentů trysky pro účely podstatného snížení nebo odstranění místních napětí, vznikajících v důsledku tlakových rozdílů, je jeden nebo více konstrukčních prvků, například sloupků nebo « · 33 ·· '·* · • · · · 3 · · · 3 · · • * · · · · '· · * ······ 3 · · · '· · 3 • i 3 3 3 3 3» ··· · ·· ···· ·· ··· kolíků 44, uspořádáno v komorách částí vnitřního a vnějšího pásu, například v komoře 21, znázorněné na obr. 3, kteréžto sloupky nebo kolíky 44 vzájemně spojují stěnu trysky a kryt části 12 vnějšího pásu.

Konstrukční prvky 44 jsou s výhodou vytvořeny ve tvaru kolíků, vzdálených od okolních bočních stěn částí pásů segmentů trysky. Kolíky 44 jsou s výhodou odlity integrálně se stěnou trysky nebo s krytem, přičemž jsou protilehlé vzdálené nebo volné konce kolíků 44 přivařeny k protilehlému krytu nebo stěně trysky.

Jak je znázorněno na vyobrazení podle obr. 3, mohou kolíky 44 tvořit integrální odlitek s vnější boční stěnou 18 trysky. Jejich protilehlý konec je přivařen k víku 20 prostřednictvím svařování v ochranné atmosféře inertního plynu nebo prostřednictvím svařování s pomocí paprsků E.

-----Stejně—tak—může—být—provedeno—obrácené—uspořádání^—to znamená, že kolíky 44 mohou být odlity integrálně spolu s krytem, například s vnějším krytem 20, a jejich vzdálené konce mohou být přivařeny k vnější boční stěně 18 trysky. V souladu s další alternativou je možno použít samostatných kolíků a přivařit tyto kolíky k protilehlým koncům stěny trysky a krytu.

Jak je zřejmé z vyobrazení podle obr. 2, jsou prvky 44 umístěny bočně uvnitř od boční stěny 47 a od zadní stěny 49 bočních okrajů 48 části pásu segmentu trysky bočně směrem ven od otvorů v dutinách lopatky přes stěnu trysky. Prvky 44 jsou tedy umístěny bočně směrem ven od spoje lopatky a stěny trysky, to znamená směrem ven od zaoblených rohových oblasti aerodynamického přechodu mezi lopatkou a stěnou trysky.

S výhodou je dvojice protilehlých stran první v blízkosti náběžné hrany prvků 44 dutiny 30 lopatky, s výhodou umístěn uvnitř délky lopatky lopatky pro vzájemné spojení krytu a umístěna v blízkosti lopatky, to

Třetí prvek a na konvexní stěny trysky znamená je straně v této oblasti. Zde je nutno zdůraznit, že v nárazové desce 22 jsou uspořádány otvory 45 pro uložení těchto prvků 44.

S pomocí konstrukčních prvků 44, vzájemně spojujících kryt a stěnu trysky, jsou veškeré tendence tlakového rozdílu způsobit vyboulení krytu a stěny trysky vzájemně od sebe zmenšeny nebo odstraněny. V důsledku toho pak svařované spoje 46 podél bočních okrajů 4 8 segmentu trysky, spojující kryty a stěny trysky vzájemně k sobě, mají snížené místní napětí a minimální ohybové momenty.

Kromě toho zaoblené rohové oblasti 50 aerodynamického přechodu mezi stěnou trysky a lopatkou nebo lopatkami mají obdobně snížená místní napětí. V důsledku toho pak umístěním konstrukčních prvků pro účely zamezení vzájemného posuvu krytu a stěny trysky v důsledku uvedených tlakových rozdílů dochází k výraznému zvýšení životnosti součástí při únavě nízkého cyklu.

Přestože byl předmět tohoto vynálezu popsán ve spojitosti s jeho příkladným provedením, které je v současné době považováno za nejpraktičtější, je zcela pochopitelné, že předmět tohoto vynálezu se neomezuje pouze na shora popsané provedení, neboť je naopak určen k pokrytí různých modifikací

ί	•	··	• ·	·♦ ·
	•		*	•	• ·	•		1»	• ·
•	•	•	•	•	•	•		•
•	• · · ·	• é	•	•	• ·
•		*	•	•	•			•
·· ·		•		• ·	·♦··				• ·

a ekvivalentních uspořádání, které spadají do myšlenky a rozsahu přiložených patentových nároků.

• ·	·*	• ·		·-·	•
·· ·	• ·	• ·	é	*	··
• ····	• ·		•	• ·	•	•
• *		•	•	•	>	•
·· · ·	• ·	• · ··		• ·	·· ·

Claims (4)

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Segment trysky pro plynovou turbinu, vyznaču j ící část vnějšího pásu, lopatku, ležící mezi z uvedených částí pásu částečně dráhu horkých obsahuj e pásu a alespoň jednu uvedenými částmi pásu, alespoň jedna zahrnuje stěnu trysky, vymezující plynů turbínou, kryt, radiálně se tím, část vnitřního že vzdálený od. uvedené stěny trysky, přičemž uvedený kryt a uvedená stěna trysky jsou spolu vzájemně spojeny podél svých okrajů a vymezují mezi sebou komoru, nárazovou desku, upevněnou v uvedeném segmentu a umístěnou v uvedené komoře pro vymezení spolu s uvedeným krytem první dutiny na své jedné straně pro přivádění chladicího média, uvedená nárazová deska na protilehlé straně od uvedené první dutiny vymezuje s uvedenou stěnou trysky druhou dutinu, uvedená nárazová deska je opatřena velkým- množstvím průchozích otvorů pro proudění chladicího média z uvedené první dutiny do uvedené druhé—dtrtřny—pro—nárazové—chTazení—uvedené—stěny—trys-k-yj:—ar alespoň jeden konstrukční prvek, vzájemně spojující uvedený kryt a uvedenou stěnu trysky směrem dovnitř od uvedených okrajů pro podstatné zabránění pohybu uvedeného krytu a uvedené stěny trysky vzájemně vůči sobě v obecně radiálním směru, uvedená nárazová deska je opatřena průchozím otvorem pro uložení uvedeného konstrukčního prvku, přičemž uvedený

prvek a,uvedený otvor leží bočně směrem lopatkou a stěnou trysky. ven od spoje mezi 2. Segment trysky podle nároku 1, vyznačuj í c i se tím, že zahrnuj e druhý

konstrukční prvek, vzájemně spojující uvedený kryt a uvedenou • · '·*·· ·· * ·· · · · · · ♦ * ·· ··· ·· · i # · ·····»· · · · · * • · » » · · B · ··· · ·· ···· ·· ··· stěnu trysky směrem uvnitř od boční stěny uvedeného segmentu a bočně směrem ven od uvedeného spoje.

2/3

3. Segment trysky podle nároku 2, vyznačující se tím, že uvedený konstrukční prvek obsahuje kolíky, ležící mezi uvedenou stěnou trysky a uvedeným krytem a procházející uvedenou nárazovou deskou.

4. Segment trysky podle nároku 2, vyznačující se tím, že uvedená lopatka, uvedená stěna trysky a uvedené konstrukční prvky tvoří integrální část odlitku uvedeného segmentu trysky.

5. Segment trysky podle nároku 2, vyznačující se tím, že uvedené konstrukční prvky jsou přivábeny k uvedenému krytu.

6. Segment trysky podle nároku 2,

-v—y—z—n—a^-ě—u—j—t—e—í s—e t—i—m—, že uvedené kons-tru-kčn-íprvky jsou přivařeny na protilehlých koncích uvedené stěny trysky a uvedeného krytu.

7. Segment trysky podle nároku 2, vyznačující se tím, že zahrnuje prodloužení lopatky, ležící mezi uvedenou stěnou trysky a uvedeným krytem, přičemž uvedené prvky jsou umístěny mezi i

okrajem uvedeného segmentu a uvedeným prodloužením lopatky.

.fax-

4 4 ·· · • 4» • 4 · • · 44 · • 4 4 4 t 4444 • · • 4 4 · • • 4 44 · 4 • • • 4 4 'Λ · · · • • 44 4 4