CZ20004335A3

CZ20004335A3 - Vloľka dutiny trysky, mající oblasti pro nárazové a konvekční chlazení

Info

Publication number: CZ20004335A3
Application number: CZ20004335A
Authority: CZ
Inventors: Yufeng Phillip Yu; Gary Michael Itzel; Sarah Osgood
Original assignee: General Electric Company
Priority date: 2000-05-16
Filing date: 2000-11-21
Publication date: 2002-01-16
Also published as: EP1156187A2; EP1156187B1; DE60122050T2; DE60122050D1; JP4778621B2; KR20010105148A; US6468031B1; EP1156187A3; ATE335916T1; JP2001323801A

Description

Vložka dutiny trysky, mající oblasti pro nárazové a konvekční chlazení

Oblast techniky

Vynález se obecně týká plynových turbín, například na výrobu elektrické energie, přičemž se zejména týká chlazení trysek prvního stupně u takovýchto turbín. Vynález se obzvláště týká tvaru a konstrukce vložky pro dutinu trysky plynové turbíny, která slouží jak pro konvekční, tak i pro nárazové chlazení.

Dosavadní stav techniky

Tradiční přístup ke chlazení lopatek a trysek turbíny představovalo odebírání vysokotlakého chladicíhó, vzduchu ze zdroje, například z mezilehlého a z koncového stupně turbínového kompresoru. U takového systému je obvykle využíváno série vnitřních průtokových kanálů pro dosažení požadovaného množství průtokové hmoty pro chlazení lopatek turbíny. Naproti tomu je využíváno vnějšího potrubí pro přivádění vzduchu k tryskám, přičemž bývá obvykle využíváno chlazení vrstvičkou filmu chladicího média, přičemž je vzduch vypouštěn do proudu horkých plynů v turbíně.

U moderních konstrukcí plynových turbín bylo zjištěno, že teplota horkých plynů, proudících přes součásti turbíny, může být vyšší, než je teplota tání kovu těchto součástí.

Bylo proto nezbytné ustanovit chladicí schéma na ochranu součástí, ležících v dráze horkých plynů, během provozu turbíny.

Pára byla ustanovena jako výhodné chladicí médium pro chlazení trysek plynové turbíny (lopatek statoru), a to zejména u zařízení s kombinovaným okruhem, jak je popsáno například v patentovém spise US 5 253 976, jehož popis je zde uváděn ve formě odkazu.

Pro úplný popis parou chlazených lopatek je možno odkázat na obsah patentového spisu US 5 536 143, jehož popis je zde uváděn ve formě odkazu.

Pro úplný popis parního (nebo vzduchového) chladicího, okruhu pro přivádění chladicího média k lopatkám prvního a druhého stupně přes rotor je možno odkázat na patentový spis US 5 593 274, jehož popis je zde uvádět ve formě odkazu.

Jelikož má pára mnohem větší tepelnou kapacitu, než; spalovací plyny, je považováno za neúčinné umožnit směšování chladicí páry s proudem horkých plynů. V důsledku toho pak u známých parou chlazených lopatek bylo považováno za žádoucí udržovat chladicí páru uvnitř součástí v dráze horkých plynů v uzavřeném okruhu.

Nicméně však určité oblasti součástí v dráze horkých plynů nemohou být prakticky chlazeny s pomocí páry v uzavřeném okruhu. Například poměrně tenká konstrukce zadních hran tryskových lopatek zcela vylučuje parní chlazení těchto hran. Proto je tedy pro chlazení těchto částí tryskových lopatek využíváno vzduchového chlazení.

Pro úplný popis parou chlazených trysek se vzduchovým chlazením podél zadní hrany je možno odkázat na patentový spis US 5 634 766, jehož obsah je zde uváděn ve formě odkazu. Průtok chladicího vzduchu v dutině zadní hrany jako takové je předmětem patentového spisu US 5 611 662, jehož obsah je zde uváděn ve formě odkazu.

V systému uzavřeného okruhu je uspořádáno velké množství segmentů lopatek trysky, z nichž každý obsahuje jednu nebo více lopatek trysky, ležících mezi vnitřní boční stěnou a vnější boční stěnou. Tyto lopatky mají velké množství dutin, které jsou propojeny s oddíly ve vnitřní boční stěně, a ve vnější boční stěně pro proudění chladicího média v uzavřeném okruhu pro účely chlazení vnější stěny a vnitřní stěny, jakož i lopatek jako takových.

V důsledku toho může být chladicí médium přiváděno do přetlakového prostoru ve vnější stěně segmentu pro jeho distribuci do komor v tomto segmentu a pro průchod přes otvory pro nárazové chlazení v nárazové desce pro účely nárazového chlazení plochy vnější stěny segmentu. Upotřebené chladicí médium z nárazového chlazení proudí do dutiny náběžné hrany a do zadní dutiny, které probíhají v radiálním směru v lopatce. Alespoň jedna vratná či mezilehlá dutina pro chladicí tekutinu se rozprostírá radiálně a leží mezi dutinou náběžné hrany a zadní dutinou. Rovněž může být uspořádána samostatná dutina zadní hrany.

Obvykle jsou v každé z dutin, tj. v dutině náběžné hrany, mezilehlých dutinách a v zadní dutině, uspořádána pouzdra, která jsou opatřena nárazovými průtokovými otvory.

• ·	• · • • · ·	« · • · ·	• • •	• · • •	• •	• ·
• •	• •	• •	•
•								•
•	•	• ·	• ·		•	•	•	•
•	•	• ·	• · · · ·	• ·	• «		·«

Takže nárazové chlazení bývá obvykle uplatňováno v dutině náběžné hrany a v zadní dutině lopatky, stejně jako ve vratných dutinách lopatky trysky prvního stupně. Vložky v přední a v zadní dutině sestávají z pouzder, opatřených na jejich vstupních koncích límci pro spojení s integrálně odlitými límci na vnější stěně, a jsou uspořádány v dutinách v určité vzdálenosti od jejich stěn.

Vložky jsou opatřeny otvory pro nárazové chlazení naproti stěnám dutiny, přičemž pára nebo vzduch, proudící do vložek, proudí směrem ven přes otvory pro nárazové chlazení pro účely nárazového chlazení stěn lopatky. Obdobně jsou vložky ve vratných mezilehlých dutinách opatřeny otvory pro nárazové chlazení pro proudění nárazového chladicího média na boční stěny lopatky.

Podstata vynálezu

Problém, týkající se známých lopatek turbíny s uzavřeným chladicím okruhem, ať již je jako chladivá použito vzduchu nebo páry, spočívá v tom, že chladivo po nárazovém chlazení může začít proudit příčně, v důsledku čehož dochází ke snížení účinnosti nárazového chlazení směrem dolů po proudu. Rovněž to způsobuje neurčitost při výpočtech, použitých pro stanovení účinku příčného proudění na základě koeficientu přestupu tepla v dutině.

Jiný problém, týkající se známých systémů pro nárazové chlazení dutiny trysky, spočívá v tom, že v důsledku výrazného ponárazového příčného proudění v malé dutině dpchází k velkému tlakovému poklesu pro dosažení přiměřených koeficientů přestupu tepla. Tento velký tlakový pokles má za

·· 0	•	0 · 0	• · · 0 0 0 0	0 0 0	0	0	0 0 0
•	0	0 0 0	0 0	0	0	0	0
0							0
•	0	• 0	• 0	0	0	0	0
00		• 0	0 0 0 0000	0 0			0«

důsledek mnohem složitější konstrukci ostatních částí chladicího okruhu trysky, aby mohl být vyrovnáván pokles tlaku z jiných větví uzavřeného okruhu.

V mnoha případech není nadměrný pokles tlaku u chladicího průtoku možný v důsledku dalších omezení v konstrukci. Snížení tohoto tlakového poklesu byl umožnilo použít mnohem jednodušší konstrukce na jiných místech průtokového okruhu. Rovněž může být vyžadováno pro účely účinného provozu daného systému.

Jedním ze způsobů částečného řešení uvedených problémů příčného toku je vytvoření žeber, orientovaných obecně příčně vůči radiálnímu rozsahu dutin trysky, takže chladivo po nárazovém chlazení proudí ve směru tětivy chladicího průtokového kanálu pro průchod do radiálně vnitřní stěny segmentu lopatky. Bylo by však žádoucí řešit shora uvedené problémy, týkající se známé konstrukce vložky trysky, takovým způsobem, který by zjednodušil konstrukci dutiny lopatky a konstrukci vložky, snížil nebo zcela odstranil účinek příčného toku a snížil neurčitost, spjatou s touto konstrukcí.

Bylo zjištěno, že snížením množství nárazů, nebo změnou nárazového chlazení na konvekční chlazení je možno snížit nebo odstranit účinek příčného toku a rovněž snížit neurčitost, spjatou s touto konstrukcí. Konkrétněji řečeno pak předmět tohoto vynálezu poskytuje novou konstrukci vložky dutiny, kde je množství nárazového proudění sníženo tak, že chlazení, prováděné podél části délky dutiny trysky, se změní z nárazového chlazení na konvekční chlazení. Tím dochází ke

4 4 4 9 4 4 · · · ♦ • · 4 4 · 4 4 » · 4 4

4 4 4 4 4 4 4444 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 • 444 4 4 4 4 4 4

44 444 4444 44 44 snížení nebo k celkovému odstranění účinku příčného toku a ke snížení neurčitosti, spjaté s touto konstrukcí.

Proto byl v souladu s jedním provedením předmětu tohoto vynálezu vyvinut segment lopatky statoru turbíny s uzavřeným okruhem, který obsahuje:

radiálně vnitřní stěnu a vnější stěnu, které jsou od sebe vzájemně vzdáleny, lopatku, ležící mezi vnitřní stěnou a vnější stěnou a mající náběžnou hranu a zadní hranu a tlakovou a sací stranu, přičemž lopatka je opatřena velkým množstvím oddělených dutin mezi náběžnou hranou a zadní hranou, které probíhají podélně v lopatce pro proudění chladicího média, a vložkové pouzdro v jedné dutině, vzdálené od ploch vnitřních stěn dutiny, přičemž toto vložkové pouzdro má vstup pro proudění chladicího média do vložkového pouzdra, první část vložkového pouzdra je opatřena velkým množstvím průchozích otvorů pro proudění chladicího média přes tyto otvory pouzdra do prostoru mezi pouzdrem a plochami vnitřní stěny pro narážení na plochu vnitřní stěny lopatky, druhá část vložkového pouzdra dolů ve směru proudění chladivá od první části je v podstatě neperforovaná, takže vymezuje konvekční chladicí část, druhá část vložkového pouzdra a plocha vnitřní stěny lopatky vymezují mezi sebou kanál, který je průtokově propojen s prostorem pro přijímání chladicího média, proudícího do tohoto prostoru.

Ve vnější stěně je s výhodou vymezen přetlakový prostor, a lopatka má alespoň první otvor propojen s tímto přetlakovým

• 4	4 4	'4 4 4	4 4	4 4
•	• 4	4 4 4 4	4 ·	4 4
•	4 444	4 4	4 4	4 4
•
•	4 4 9	• 4	4 4	4 4
• ·	44	444 4444	• 4	44

prostorem pro umožnění průchodu chladicího média mezi přetlakovým prostorem vnější stěny a alespoň jednou z uvedených dutin.

Otvory pro nárazové chlazení jsou s výhodou vymezeny v první a druhé stěně vložkového pouzdra, které leží příslušně proti tlakové a sací straně lopatky, přičemž otvory pro nárazové chlazení alespoň jedné první nebo druhé stěny jsou vymezeny podél v podstatě pouze první části vzhůru proti proudu uvedené příslušné stěny.

Otvory pro nárazové chlazení ve druhé stěně, ležící proti sací straně lopatky, se s výhodou rozprostírají podél menšího rozsahu této stěny, než otvory pro nárazové chlazení v první stěně.

Pouzdro je s výhodou umístěno v zadní dutině uvedené lopatky.

Otvory pro nárazové chlazení v první stěně, ležící proti tlakové straně lopatky, se s výhodou rozprostírají podél zhruba 80 % délky lopatky.

Otvory pro nárazové chlazení ve druhé stěně, ležící proti sací straně lopatky, se s výhodou rozprostírají podél zhruba 45 % délky lopatky.

Pouzdro je s výhodou umístěno v dutině náběžné hrany uvedené lopatky.

V souladu s dalším aspektem předmětu tohoto vynálezu byl rovněž vyvinut segment lopatky turbíny, který obsahuje:

♦ ·		• ·	9 ti		• ·		• ·
•	•	•	·· · ·	•	•	9	•
•	•	• · ♦		•	•	9	9
•							9
•	•	• ·	• ♦	•	9	9	9
• ·			• · * · · · ·		9 *		• 9

vnitřní stěnu a vnější stěnu, které jsou od sebe vzájemně vzdáleny, lopatku, ležící mezi uvedenou vnitřní stěnou a uvedenou vnější stěnou a mající náběžnou hranu a zadní hranu, a tlakovou stranu a sací stranu, přičemž uvedená lopatka obsahuje vzájemně oddělené dutiny mezi náběžnou hranou a zadní hranou, a to dutinu náběžné hrany, mezilehlé dutiny, zadní dutinu a dutinu zadní hrany, které probíhají podélně v uvedené lopatce pro proudění chladicího média, a vložkové pouzdro v alespoň jedné z uvedených dutin, vzdálené od ploch vnitřních stěn dutiny, přičemž tobo vložkové pouzdro má vstup pro proudění chladicího média do uvedeného vložkového pouzdra otvory pro nárazové chlazení jsou vymezeny v první a druhé stěně vložkového pouzdra, které leží příslušně proti tlakové a sací straně lopatky, přičemž otvory pro nárazové chlazení v alespoň jedné první nebo druhé stěně jsou vymezeny podél v podstatě pouze první části vzhůru proti proudu, přičemž chladicí proudění je převážně nárazové chlazení podél první oblasti, odpovídající uvedené první části vzhůru proti proudu, a chladicí proudění je převážně konvekční chlazení podél druhé oblasti, odpovídající druhé části dolů po proudu uvedené alespoň jedné stěny uvedeného vložkového pouzdra.

Část dolů po proudu uvedené alespoň jedné stěny uvedeného vložkového pouzdra s výhodou vymezuje chladicí kanál s menšími rozměry s vnitřní stěnou lopatky pro přijímání upotřebeného nárazového chladivá z uvedené první oblasti pro zvýšení koeficientu přestupu tepla.

• 0 • ····

Otvory pro nárazové chlazení jak v první stěně, tak ve druhé stěně vložkového pouzdra se s výhodou rozprostírají podél v podstatě pouze příslušných prvních částí vzhůru proti proudu, takže je zde přechod ke konvenčnímu chlazení podél obou uvedených stěn.

V souladu s dalším aspektem předmětu tohoto vynálezu byl dále rovněž vyvinut segment lopatky statoru, který obsahuje:

vnitřní stěnu a vnější stěnu, které jsou od sebe vzájemně vzdáleny, lopatku, ležící mezi uvedenou vnitřní stěnou a uvedenou vnější stěnou a mající náběžnou hranu a zadní hranu, přičemž uvedená lopatka je opatřena velkým množstvím oddělených dutin, a to dutinou náběžné hrany, mezilehlými dutinami, zadní dutinou a dutinou zadní hrany, které probíhají podélně v uvedené lopatce, uvedená vnitřní stěna a uvedená vnější stěna vymezují příslušné přetlakové prostory, přičemž je v každém uvedeném přetlakovém prostoru umístěna nárazová deska, vstup do uvedené vnější stěny pro proudění páry do přetlakového prostoru vnější stěny a přes nárazovou desku v uvedeném přetlakovém prostoru vnější stěny pro nárazové parní chlazení další plochy uvedené vnější stěny, první vložkové pouzdro v jedné z uvedených dutin pro přijímání upotřebené nárazové páry z uvedené vnější stěny, a opatřené otvory pro nárazové chlazení pro nasměrování páry, přicházející z uvedené vnější stěny, proti plochám vnitřní

• · · · • 9 9 · · · · • ·

stěny uvedené jedné dutiny kolem uvedené jedné dutiny, pro nárazové chlazení lopatky uvedená vnitřní stěna má otvor pro přijímání upotřebené nárazové páry z uvedené jedné dutiny do přetlakového prostoru vnitřní stěny pro proudění přes nárazovou desku a pro nárazové chlazení vnitřní stěny, druhé vložkové pouzdro v další z uvedených dutin pro přijímání upotřebené nárazové páry z uvedené vnitřní stěny, opatřené otvory pro nárazové chlazení pro nasměrování páry, přicházející z uvedené vnitřní stěny, na plochy vnitřní stěny uvedené další dutiny pro nárazové chlazení lopatky kolem uvedené další dutiny, a výstup pro přijímání upotřebené nárazové páry z uvedené další dutiny, přičemž pára proudí přes uvedenou vnitřní stěnu a vnější stěnu, přičemž uvedená jedna dutina a uvedená další dutina představují uzavřený okruh v uvedené lopatce, přičemž otvory pro nárazové chlazení v alespoň jednom prvním nebo druhém vložkovém pouzdru jsou vymezeny podél první části vzhůru proti proudu vložkového pouzdra, přičemž druhá část vložkového pouzdra dolů po proudu ve směru proudění chladivá od uvedené první části je v podstatě neperforovaná, takže vymezuje konvekčnš chlazenou část, uvedená druhá část uvedeného vložkového pouzdra a uvedená plocha vnitřní stěny uvedené lopatky vymezují mezi sebou kanál pro přijímání chladicího média, které proudí otvory pro nárazové chlazení v vedené první části.

·· ··

9 «

9 4

Otvory pro nárazové chlazení jsou s výhodou vymezeny v první a druhé stěně uvedeného vložkového pouzdra, které příslušně leží proti tlakové a sací straně lopatky, přičemž otvory pro nárazové chlazení ve druhé stěně alespoň jednoho prvního nebo druhého vložkového pouzdra se rozprostírají podél menšího rozsahu stěny, než otvory pro nárazové chlazení v první stěně.

Segment lopatky turbíny podle tohoto vynálezu dále s výhodou obsahuje třetí vložkové pouzdro ve třetí z uvedených dutin pro přijímání upotřebené nárazové páry z uvedené vnější stěny, opatřené otvor pro nárazové chlazení pro nasměrování páry, přicházející z uvedené vnější stěny, na plochy vnitřní stěny uvedené jedné dutiny pro nárazové chlazení lopatky kolem uvedené třetí dutiny, přičemž otvory pro nárazové chlazení v uvedeném třetím vložkovém pouzdru jsou vymezeny podél první části vložkového pouzdra vzhůru proti proudu, zatímco jeho druhá část dolů ve směru proudění chladivá od uvedené první části je v podstatě’ neperforovaná, takže vymezuje konvekčně chlazenou část, uvedená druhá část uvedeného vložkového pouzdra a uvedená plocha vnitřní stěny uvedené lopatky vymezují mezi sebou kanál pro přijímání chladicího média, které proudí přes otvory pro nárazové chlazení v uvedené první části, uvedená vnitřní stěna je opatřena otvorem pro přijímání upotřebené nárazové páry z uvedené třetí dutiny do přetlakového prostoru vnitřní stěny pro proudění přes nárazovou desku a pro nárazové chlazení vnitřní stěny.

444 •

·«

99 49

9 4 4 4

4 4 4 4

4 4 4 4 4 • 4 4 9 4

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 schematický pohled v řezu na příkladné provedení lopatky trysky prvního stupně podle tohoto vynálezu;

obr. 2 znázorňuje schematický rozložený axonometrický pohled na lopatku trysky prvního stupně s vložkovými pouzdry s otvory pro nárazové chlazení, umístěnými v dutinách lopatky, což ztělesňuje provedení předmětu tohoto vynálezu,obr. 3 znázorňuje axonometrický pohled na jiné vložkové pouzdro, ztělesňující předmět tohoto vynálezu, a obr. 4 znázorňuje schematický pohled ve svislém řezu na ještě další vložkové pouzdro, ztělesňující předmět tohoto vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Jak již bylo shora uvedeno, týká se předmět tohoto vynálezu zejména chladicích okruhů pro trysky prvního stupně turbíny, přičemž se poukazuje na shora uvedené patentové spisy, kde jsou vysvětleny různé další aspekty turbíny, její konstrukce a způsobů provozu.

Na vyobrazení podle obr. 1 je schematicky v řezu znázorněna lopatka 10, obsahující jeden z velkého množství ·· 4 ·· ·· 44

4 4 4*· 4 4 4 4 4 4

44444 4 4 4444

444 44 4 444 44 4 • 44 4 4 4 4444

4 44 444444 4 44 44 obvodově uspořádaných segmentů trysky prvního stupně. Zde je nutno zdůraznit, že tyto segmenty jsou vzájemně k sobě připojeny pro účely vytvoření prstencovité soustavy segmentů, vymezující dráhu horkých plynů, vedoucí lopatkou prvního stupně turbíny.

Každý segment obsahuje radiálně umístěnou vnější stěnu 12 a vnitřní stěnu 14, mezi nimiž leží jedna nebo více lopatek 10 trysky. Segmenty jsou upevněny kolem vnitřního pláště turbíny (na vyobrazeních neznázorněno), přičemž jsou sousední segmenty vzájemně k sobě těsně připevněny. Je proto nutno zdůraznit, že vnější stěna 12, vnitřní stěna 14 a lopatky 10, ležící mezi nimi, jsou zcela neseny vnitřním pláštěm turbíny a jsou odnímatelné s polovinami vnitřního, pláště turbíny po odejmutí vnějšího pláště, jak je uvedeno v patentovém spise US 5 685 693. Pro účely tohoto popisu bude lopatka 10 popisována tak, že tvoří jedinou lopatku segmentu.

Jak je schematicky znázorněno na vyobrazení podle obr. 1, je lopatka 10 opatřena náběžnou hranou 18, zadní hranou 20 a vstupním otvorem 22 chladicí páry do vnější stěny 12. Výstupní otvor 24 vratné páry je rovněž propojen se segmentem trysky. Vnější stěna 12 zahrnuje vnější boční stěnu 26, náběžnou stěnu 28 a zadní stěnu 30, které vymezují přetlakový prostor 32 s horní plochou 34 stěny, přičemž je ve vnitřní stěně 12 uspořádána nárazová deska 36. (Výrazy směrem ven a směrem dovnitř nebo vnější a vnitřní se obecně týkají radiálního směru.)

Mezi nárazovou deskou 36 a vnitřní plochou 38 vnější stěny 12 je uspořádáno velké množství nosných žeber 40, ležících mezi bočními stěnami 26, náběžnou stěnou 28 a zadní stěnou 30. Nárazová deska 36 překrývá nosná žebra 40 přes celý rozsah přetlakového prostoru 32. V důsledku toho pára, vstupující vstupním otvorem 22 chladicí páry do přetlakového prostoru 32, prochází otvory v nárazové desce 36 pro účely nárazového chlazení vnitřní plochy 38 vnější stěny 12.

U tohoto příkladného provedení je lopatka 10 trysky prvního stupně opatřena velkým množstvím dutin, například dutinou 42 náběžné hrany 18, dvěma zadními dutinami 52 a 54, čtyřmi mezilehlými vratnými dutinami 44, 46, 48 a 50, a rovněž dutinou 56 zadní hrany.

Dutina 42 náběžné hrany 18 a zadní dutiny 52 a 54 jsou příslušně opatřeny vložkovými pouzdry 58, 60 a 62, přičemž každá z mezilehlých vratných dutin 44, 4 6, 48 a 50 je obdobně příslušně^! opatřena vložkovým pouzdrem 64, 66, 68 a 70:. Všechna uvedená vložková pouzdra mají obecný tvar dutého pouzdra a jsou opatřena perforacemi, jak bude podrobněji popsáno v dalším. Vložková pouzdra jsou s výhodou tvarována tak, aby jejich tvar odpovídal tvaru příslušné dutiny, ve které má být pouzdro uloženo, přičemž jsou strany vložkových pouzder opatřeny větším množstvím otvorů pro nárazové chlazení, a to podél částí vložkových pouzder, které leží proti stěnám dutiny, které mají být chlazeny prostřednictvím nárazového chlazení.

Jak je například znázorněno na vyobrazení podle obr. 2, bude dutina 42 náběžné hrany 18 pro vložkové pouzdro 58 obloukovitá, přičemž boční stěny budou obecně odpovídat tvaru bočních stěn dutiny 42, přičemž tyto stěny vložkového pouzdra budou opatřeny otvory pro nárazové chlazení podél části jejich délky, jak bude podrobněji popsáno v dalším. Zadní ·· ··

9 · • · · · · « 9 9 9 9 • 9 9 9

9 9 9 strana vložkového pouzdra 58, umístěná proti žebru 72, oddělujícímu dutinu 42 od dutiny 44, však nebude opatřena otvory pro nárazové chlazení.

Obdobně budou v zadních dutinách 52 a 54 boční stěny vložkových pouzder 60 a 62 opatřeny otvory pro nárazové chlazení podél části jejich délky, jak bude rovněž podrobněji popsáno v dalším, zatímco přední a zadní stěny vložkových pouzder 60 a 62 budou z pevného neperforovaného materiálu.

Zde je nutno zdůraznit, že vložková pouzdra, uložená v dutinách 42, 44, 46, 48, 50, 52 a 54, jsou oddálena od stěn dutin pro umožnění proudění chladicího média, například páry, otvory pro nárazové chlazení a pro narážení na vnitřní povrchy stěn dutin, čímž dochází ke chlazení těchto ploch stěn.

U známých konstrukcí vložkového pouzdra jsou otvory pro nárazové chlazení vymezeny podél celé délky .vložkového pouzdra, ačkoliv jsou otvory obecně omezeny na strany vložkového pouzdra, směřující k vnějším stěnám lopatky, jak již bylo shora uvedeno. Pokud dojde ke zvýšení přenosu tepla v dutině, ve které jsou taková vložková pouzdra umístěna, a to v důsledku nárazů, vyvolávaných prostřednictvím takových vložkových pouzder, jak již bylo shora uvedeno, dochází k velkému poklesu tlaku v dutině, což vede k mnohem složitější konstrukci v uspořádání trysky. Kromě toho, jak nahromaděné chladivo po nárazu proudí směrem dolů z horního konce dutiny, úbytek příčného toku se zvyšuje. To způsobuje jak nižší koeficient přestupu tepla, tak i vyšší neurčitost při výpočtu tohoto koeficientu.

• 4 44

4 4 • 4 44 4

4 4 · 4 • 4 4 4

44

Předmět tohoto vynálezu byl vyvinut za účelem snížení poklesu tlaku podél délky dutiny, což umožňuje dosáhnout mnohem jednodušší konstrukce trysky. Předmět tohoto vynálezu byl dále vyvinut za účelem snížení neurčitosti při odhadování koeficientů přenosu tepla. Předmět tohoto vynálezu byl rovněž vyvinut za účelem zvýšení životnosti při únavě nízkého cyklu (LCF) v dutině pro splnění konstrukčních požadavků.

Vložkové pouzdro, vytvořené jako jedno provedení předmětu tohoto vynálezu, je opatřeno otvory pro nárazové chlazení, umístěnými na straně vzhůru proti proudu na části vložky. Druhá část vložkového pouzdra směrem dolů po proudu je v podstatě bez perforací, takže není opatřena otvory pro nárazové chlazení, avšak spíše působí jako blokovací, mechanizmus pro zvýšení koeficientu přenosu tepla prostřednictvím snížení průtokové plochy chladivá v dutině k mezeře mezi vložkovým pouzdrem a vnitřní stěnou dutiny. Tato konstrukce snižuje nežádoucí příčný průtok chladivá po nárazovém chlazení, umožňuje mnohem přesnější odhad koeficientů přenosu tepla, a rovněž umožňuje snížení poklesu tlaku od vstupu do dutiny k jejímu výstupu.

Obecný tvar příkladného vložkového pouzdra, které ztělesňuje předmět tohoto vynálezu, je znázorněn na vyobrazeních podle obr. 2 až obr. 4.

Obr. 2 znázorňuje příkladné vložkové pouzdro pro dutinu náběžné hrany, zatímco obr. 3 znázorňuje příkladné vložkové pouzdro pro jednu z mezilehlých vratných dutin a obr. 4 znázorňuje příkladné uspořádání otvorů pro nárazové chlazení pro zadní dutinu.

Vft ft· · ftft ·· *· ··· ftft ftft «ftftft • · ·· ft · · ftftftft ····· · ······ • ftftft ·· ftftftft • ft ftft ftftft ftftftft ftft ftft

Vložkové pouzdro, znázorněné na vyobrazeních podle obr. 2 a obr. 3,' například vložkové pouzdro 64, sestává z podélného pouzdra 78, majícího otevřený spodní nebo radiálně vnější konec, opatřený okrajovou přírubou 8 0 pro spojení s okrajovou přírubou (na vyobrazeních neznázorněno) kolem otvoru odpovídající dutiny, například mezilehlé vratné dutiny 44 . Boční stěny 82 a 84 podélného pouzdra 7 8 jsou příslušně opatřeny velkým množstvím otvorů 8 6 a 88 pro nárazové chlazení.

Jak je znázorněno, jsou otvory 86 a 88 pro nárazové chlazení vymezeny podél prvních horních částí 87 a 89 tohoto pouzdra 78 vzhůru proti proudu, a to pro proudění chladicího média do prostorů mezi pouzdrem 78 a vnitřními plochami stěn lopatky, které mají být chlazeny prostřednictvím nárazového chlazení.

Druhé části 90 a 92 podélného pouzdra 78 směrem dolů po proudu nejsou opatřeny otvory pro nárazové chlazení. Namísto toho tyto spodní části snižují průtokovou plochu chladivá v dutině 42 vymezením kanálů, které přijímají průtok chladivá po nárazu z prostorů, vymezených vedle prvních částí pouzdra s otvory pro nárazové chlazení, v důsledku čehož dochází ke zvětšení koeficientu přenosu tepla. Tato konstrukce snižuje nežádoucí příčný průtok chladivá (vzduchu nebo páry) po nárazovém chlazení, umožňuje mnohem přesnější stanovení koeficientu přenosu tepla, a rovněž umožňuje snížení poklesu tlaku od vstupu do dutiny k jejímu výstupu.

Jak je dále znázorněno na vyobrazení podle obr. 3, tak rozsah částí pouzdra, kde jsou otvory 86 a 88 pro nárazové chlazení příslušně provedeny, je dále závislý u tohoto • · výhodného provedení předmětu tohoto vynálezu na tom, zda boční stěna vložkového pouzdra směřuje k tlakové straně nebo k sací straně profilu. Jelikož rozsah otvorů pro nárazové chlazení může být na každé straně měněn, což je považováno za nezbytné nebo za žádoucí pro dosažení úkolů předmětu tohoto vynálezu, je zcela zřejmé, že rozsah nárazového chlazení je s výhodou větší na tlakové straně 82 podélného pouzdra 78, než na jeho sací straně 84.

Jak je znázorněno na vyobrazení podle obr. 4, je obdobný typ vložkového pouzdra 60 uspořádán v zadní dutině 52 lopatky.

Jak je znázorněno například na vyobrazení podle obr. 2, tak obvodová obrysová čára vložkového pouzdra 60 sleduje obrys tvaru dutiny 52. Vložkové pouzdro je opatřeno otvory 21 a 96 pro nárazové chlazení na svých bočních stěnách 98 a 100, takže chladivo, ať již jde o páru nebo o vzduch, směřující do vložkového pouzdra 60 z přetlakového prostoru 62 (viz obr. 1), proudí směrem ven otvory 94 a 96 pro nárazové chlazení, a to pro účely nárazového chlazení vnějších stěn lopatky na protilehlých stranách dutiny 52.

Rozsah části vložkového pouzdra 60, na které jsou otvory 94 a 96 pro nárazové chlazení příslušně uspořádány, je dále závislý u tohoto příkladného provedení předmětu tohoto vynálezu na tom, zda boční stěna vložkového pouzdra směřuje k tlakové straně nebo k sací straně profilu. Z tohoto hlediska, jelikož může být rozsah otvorů pro nárazové chlazení na každé straně měněn, což je považováno za nezbytné nebo za žádoucí pro dosažení úkolů předmětu tohoto vynálezu, je zřejmé, že rozsah otvorů pro nárazové chlazení je • ·

s výhodou větší na tlakové straně 98 vložkového pouzdra 60, než na jeho sací straně 100.

Otvory 94 a 96 pro nárazové chlazení jsou opět umístěny v prvních částech 102 a 104 vložkového pouzdra 60 směrem vzhůru proti proudu, zatímco druhé části 106 a 108 vložkového pouzdra 60 směrem dolů po proudu nejsou otvory pro nárazové chlazení opatřeny.

Namísto toho tyto spodní části snižují průtokovou plochu chladivá v dutině 52, čímž dochází ke zvýšení koeficientu přenosu tepla. Stejně jako u vložkového pouzdra v dutině náběžné hrany a v zadních dutinách tato konstrukce vložkového pouzdra snižuje nežádoucí příčný průtok chladivá (vzduchu nebo páry) po nárazovém chlazení, umožňuje mnohem přesněj'ší stanovení koeficientu přenosu tepla, a rovněž umožňuje snížení poklesu tlaku od vstupu do dutiny k jejímu výstupu.

Pro stanovení koeficientů přenosu tepla a tlakového poklesu v obou oblastech dutiny, tj. jak v nárazově chlazené oblasti, tak i v konvekčně chlazené oblasti, bylo použito softwaru pro průtokovou analýzu. Tato analýza prokázala snížení tlakového poklesu současně se zvýšením koeficientu přenosu tepla při použití shora popsané konstrukce.

Například pro šestou dutinu 52 trysky prvního stupně u příkladného turbínového systému s lopatkou 10 o délce zhruba 6,32 palce, přičemž otvory 94 pro nárazové chlazení mají rozsah zhruba 5,05 palce (80 %) a otvory 96 pro nárazové chlazení mají rozsah zhruba 2,88 palce (45 %), bylo zjištěno, že jsou vykazovány přiměřené koeficienty přenosu tepla jak na • · • · • « tlakové straně, tak i na sací straně, přičemž je rovněž vykazován minimální tlakový pokles v dutině.

Jak je znázorněno na vyobrazení podle obr. 1, tak chladicí pára, upotřebená při nárazovém chlazení, proudí do přetlakového prostoru 73, vymezeného vnitřní stěnou 14 a spodní krycí deskou 7 6. Konstrukční výztužná žebra 7 5 jsou odlita integrálně spolu s vnitřní stěnou 14 . Radiálně směrem dovnitř od výztužných žeber 75 je uspořádána nárazová deska 74 . V důsledku toho je nutno zdůraznit, že upotřebená chladicí pára z nárazového chlazení, proudící z dutin 42, 52 a 54, proudí do přetlakového prostoru 73 pro průtok přes otvory pro nárazové chlazení v nárazové desce 74 pro účely nárazového chlazení vnitřní stěny 14.

Upotřebená chladicí pára proudí ve směru výztužných^ žeber 75 směrem k otvorům (na vyobrazeních podrobněji neznázorněny) pro vratné proudění přes příslušné dutiny 44, 46, 48 a 50 do výstupního otvoru 24 vratné páry. V dutinách 44, 48 a 50 jsou umístěna vložková pouzdra 64, 66, 68 a 7 0, a to v určité vzdálenosti od bočních stěn a žeber, vymezujících příslušné dutiny. Otvory pro nárazové chlazení leží na protilehlých stranách vložkových pouzder pro průtok chladicího média, například páry, z vnitřního prostoru vložkových pouzder přes otvory pro nárazové chlazení pro účely nárazového chlazení bočních stěn lopatky, jak již bylo shora obecně popsáno. Upotřebená chladicí pára poté proudí z mezer mezi vložkovými pouzdry a stěnami mezilehlých dutin do výstupního otvoru 24 vratné páry, odkud se navrací do přívodu chladivá, například páry.

• ·

·· · ·

Okruh vzduchového chlazení dutiny 56 zadní hrany 20 u kombinovaného parního a vzduchového chladicího okruhu lopatky, což je znázorněno na vyobrazení podle obr. 1, obecně odpovídá řešení podle patentového spisu US 5 634 766, a proto zde nebude podrobněji popisován.

Přestože byl předmět tohoto vynálezu popsán ve spojitosti s jeho příkladným provedením, které je v současné době považováno za nejpraktičtější a nejvýhodnější, je zcela pochopitelné, že předmět tohoto vynálezu není nikterak omezen pouze na toto shora popsané provedení, neboť je naopak určen k tomu, aby pokrýval veškeré různé modifikace a ekvivalentní uspořádání, která spadají do myšlenky a rozsahu přiložených patentových nároků.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Segment lopatky turbíny, vyznačující se tím, že obsahuje:

vnitřní stěnu a vnější stěnu, které jsou od sebe vzájemně vzdáleny, lopatku, ležící mezi uvedenou vnitřní stěnou a uvedenou vnější stěnou a mající náběžnou hranu a zadní hranu, přičemž uvedená lopatka je opatřena velkým množstvím oddělených dutin mezi náběžnou hranou a zadní hranou, které probíhají podélně v uvedené lopatce pro proudění chladicího média, a vložkové pouzdro v jedné uvedené dutině, vzdálené od ploch vnitřních stěn dutiny, přičemž toto vložkové pouzdro má vstup pro proudění chladicího média do uvedeného vložkového pouzdra, první část uvedeného vložkového pouzdra je opatřena velkým množstvím průchozích otvorů pro proudění chladicího média přes uvedené otvory pouzdra do uvedeného prostoru mezi uvedeným pouzdrem a uvedenými plochami vnitřní stěny pro narážení na uvedenou plochu vnitřní stěny uvedené lopatky, druhá část uvedeného vložkového pouzdra dolů ve směru proudění chladivá od uvedené první části je v podstatě neperforovaná, takže vymezuje konvekční chladicí část, uvedená druhá část uvedeného vložkového pouzdra a uvedená plocha vnitřní stěny uvedené lopatky vymezují mezi sebou kanál, který je průtokově propojen s uvedeným prostorem pro přijímání chladicího média, proudícího do uvedeného prostoru.
2. Segment lopatky turbíny podle nároku 1, vyznačující tím, že v uvedené vnější • · · · · · stěně je vymezen přetlakový prostor, a uvedená lopatka má alespoň první otvor propojen s uvedeným přetlakovým prostorem pro umožnění průchodu chladicího média mezi uvedeným přetlakovým prostorem vnější stěny a alespoň jednou z uvedených dutin.
3. Segment lopatky turbíny podle nároku 1, vyznačující se tím, že uvedené otvory pro nárazové chlazení jsou vymezeny v první a druhé stěně vložkového pouzdra, které leží příslušně proti tlakové a sací straně lopatky, přičemž otvory pro nárazové chlazení alespoň jedné první nebo druhé stěny jsou, vymezeny podél v podstatě pouze první části vzhůru proti proudu uvedené příslušné stěny.
4. Segment lopatky turbíny podle nároku 3, vyznačující se tím, že otvory pro nárazové chlazení ve druhé stěně, ležící proti sací straně lopatky, se rozprostírají podél menšího rozsahu této stěny, než otvory pro nárazové chlazení v první stěně.
5. Segment lopatky turbíny podle nároku 3, vyznačující se tím, že uvedené pouzdro je umístěno v zadní dutině uvedené lopatky.
6. Segment lopatky turbíny podle nároku 5, vyznačující se tím, že uvedené otvory pro nárazové chlazení v první stěně, ležící proti tlakové straně lopatky, se rozprostírají podél zhruba 80 % délky lopatky.
7. Segment lopatky turbíny podle nároku 5, vyznačující se tím, že uvedené otvory pro nárazové chlazení ve druhé stěně, ležící proti sací straně lopatky, se rozprostírají podél zhruba 45 % délky lopatky.
8. Segment lopatky turbíny podle nároku 1, vyznačující se t i m , že uvedené pouzdro je umístěno v dutině náběžné hrany uvedené lopatky.
9. Segment lopatky turbíny, vyznačující se tím, že obsahuje:

vnitřní stěnu a vnější stěnu, které jsou od sebe vzájemně vzdáleny, lopatku, ležící mezi uvedenou vnitřní stěnou a uvedenou vnější stěnou a mající náběžnou hranu a zadní hranu, a tlakovou stranu a sací stranu, přičemž uvedená lopatka obsahuje vzájemně oddělené dutiny mezi náběžnou hranou a zadní hranou, a to dutinu náběžné hrany, mezilehlé dutiny, zadní dutinu a dutinu zadní hrany, které probíhají podélně v uvedené lopatce pro proudění chladicího média, a vložkové pouzdro v alespoň jedné z uvedených dutin, vzdálené od ploch vnitřních stěn dutiny, přičemž toto vložkové pouzdro má vstup pro proudění chladicího média do uvedeného vložkového pouzdra otvory pro nárazové chlazení jsou vymezeny v první a druhé stěně vložkového pouzdra, které leží příslušně proti tlakové a sací straně lopatky, přičemž otvory pro nárazové chlazení v alespoň jedné první nebo druhé stěně jsou vymezeny podél v podstatě pouze první části vzhůru proti proudu, přičemž chladicí proudění je převážně nárazové chlazení podél první oblasti, odpovídající uvedené první části vzhůru proti proudu, a chladicí proudění je převážně konvekční chlazení podél druhé oblasti, odpovídající druhé

části dolů po proudu uvedené alespoň jedné stěny uvedeného vložkového pouzdra. 10. Segment lopatky turbíny podle nároku 9, vyznačující se tím, že uvedená část dolů

po proudu uvedené alespoň jedné stěny uvedeného vložkového pouzdra vymezuje chladicí kanál s menšími rozměry s vnitřní stěnou lopatky pro přijímání upotřebeného nárazového chladivá

z uvedené první tepla. oblasti pro zvýšení koeficientu přestupu 11. Segment lopatky turbíny podle nároku 9, vyznačuj ící se tím, že otvory pro nárazové chlazení jak v první stěně, tak ve druhé stěně vložkového

pouzdra se rozprostírají podél v podstatě pouze příslušných prvních částí vzhůru proti proudu, takže je zde přechod ke konvenčnímu chlazení podél obou uvedených stěn.
12. Segment lopatky turbíny podle nároku 11, vyznačující se tím, že otvory pro nárazové chlazení ve druhé stěně, ležící proti sací straně lopatky, se rozprostírají podél menšího rozsahu této stěny, než otvory pro nárazové chlazení v první stěně.
13. Segment lopatky turbíny podle nároku 9, vyznačující se tím, že uvedené pouzdro je umístěno v zadní dutině uvedené lopatky.
14. Segment lopatky turbíny podle nároku 13, vyznačující se tím, že uvedené otvory pro » · · nárazové chlazení v první stěně, ležící proti tlakové straně lopatky, se rozprostírají podél zhruba 80 % délky lopatky.
15. Segment lopatky turbíny podle nároku 13, vyznačující se tím,že uvedené otvory pro nárazové chlazení ve druhé stěně, ležící proti sací straně lopatky, se rozprostírají podél zhruba 45 % délky lopatky.
16. Segment lopatky turbíny podle nároku 9, vyznačující se tím, že uvedené pouzdro je umístěno v dutině náběžné hrany uvedené lopatky.
17. Segment lopatky statoru, který obsahuje:

vnitřní stěnu a vnější stěnu, které jsou od sebe vzájemně vzdáleny, lopatku, ležící mezi uvedenou vnitřní stěnou a uvedenou vnější stěnou a mající náběžnou hranu a zadní hranu, přičemž uvedená lopatka je opatřena velkým množstvím oddělených dutin, a to dutinou náběžné hrany, mezilehlými dutinami, zadní dutinou a dutinou zadní hrany, které probíhají podélně v uvedené lopatce, uvedená vnitřní stěna a uvedená vnější stěna vymezují příslušné přetlakové prostory, přičemž je v každém uvedeném přetlakovém prostoru umístěna nárazová deska, vstup do uvedené vnější stěny pro proudění páry do přetlakového prostoru vnější stěny a přes nárazovou desku v uvedeném přetlakovém prostoru vnější stěny pro nárazové parní chlazení další plochy uvedené vnější stěny, ·· ·· první vložkové pouzdro v jedné z uvedených dutin pro přijímání upotřebené nárazové páry z uvedené vnější stěny, a opatřené otvory pro nárazové chlazení pro nasměrování páry, přicházející z uvedené vnější stěny, proti plochám vnitřní stěny uvedené jedné dutiny pro nárazové chlazení lopatky kolem uvedené jedné dutiny, uvedená vnitřní stěna má otvor pro přijímání upotřebené nárazové páry z uvedené jedné dutiny do přetlakového prostoru vnitřní stěny pro proudění přes nárazovou desku a pro nárazové chlazení vnitřní stěny, druhé vložkové pouzdro v další z uvedených dutin pro přijímání upotřebené nárazové páry z uvedené vnitřní stěny, opatřené otvory pro nárazové chlazení pro nasměrování páry, přicházející z uvedené vnitřní stěny, na plochy vnitřní stěny uvedené další dutiny pro nárazové chlazení lopatky kolem uvedené další dutiny, a výstup pro přijímání upotřebené nárazové páry z uvedené další dutiny, přičemž pára proudí přes uvedenou vnitřní stěnu a vnější stěnu, přičemž uvedená jedna dutina a uvedená další dutina představují uzavřený okruh v uvedené lopatce, vyznačující se tím, že otvory pro nárazové chlazení v alespoň jednom prvním nebo druhém vložkovém pouzdru jsou vymezeny podél první části vzhůru proti proudu vložkového pouzdra, přičemž druhá část vložkového pouzdra dolů po proudu ve směru proudění chladivá od uvedené první části je v podstatě neperforovaná, takže vymezuje konvekčně chlazenou část, uvedená druhá část uvedeného vložkového pouzdra a uvedená plocha vnitřní stěny uvedené lopatky • 4 4 4 4 4 4 • 4 4 4 · 4 4 · • · 4 4 4 4 • 4 4 4 4 4 4

4 4 4 4 4 4

44 4. 4444 44 44 vymezují mezi sebou kanál pro přijímání chladicího média, které proudí otvory pro nárazové chlazení v vedené první části.
18. Segment lopatky turbíny, podle nároku 17, vyznačující se tím, že uvedené otvory pro nárazové chlazení jsou vymezeny v první a druhé stěně uvedeného vložkového pouzdra, které příslušně leží proti tlakové a sací straně lopatky, přičemž otvory pro nárazové chlazení ve druhé stěně alespoň jednoho prvního nebo druhého vložkového pouzdra se rozprostírají podél menšího rozsahu stěny, než otvory pro nárazové chlazení v první stěně.
19. Segment lopatky turbíny podle nároku 17, který dále obsahuje třetí vložkové pouzdro ve třetí z uvedených dutin pro přijímání upotřebené nárazové páry z uvedené vnější stěny, opatřené otvor pro nárazové chlazení pro nasměrování páry, přicházející z uvedené vnější stěny, na plochy vnitřní stěny uvedené jedné dutiny pro nárazové chlazení lopatky kolem uvedené třetí dutiny, vyznačující se tím, že otvory pro nárazové chlazení v uvedeném třetím vložkovém pouzdru jsou vymezený podél první části vložkového pouzdra vzhůru proti proudu, zatímco jeho druhá část dolů ve směru proudění chladivá od uvedené první části je v podstatě neperforovaná, takže vymezuje konvekčně chlazenou část, uvedená druhá část uvedeného vložkového pouzdra a uvedená plocha vnitřní stěny uvedené lopatky vymezují mezi sebou kanál pro přijímání chladicího média, které proudí přes otvory pro nárazové chlazení v uvedené první části, uvedená vnitřní stěna je opatřena otvorem pro přijímání upotřebené nárazové páry

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0

0·0 0000

00 00 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 z uvedené třetí dutiny do přetlakového prostoru vnitřní stěny pro proudění přes nárazovou desku a pro nárazové chlazení vnitřní stěny.