СИСТЕМА ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 1995 года по МПК F01D25/08 

Изобретение относится к теплоэнергетическим турбомашинам и может использоваться в технологических газотурбинных установках с охлаждаемой воздухом газовой турбиной и двумя каскадами сжатия, первый из которых предназначен для компримирования воздуха, а второй - технологического газа.

Использование технологического газа высокого давления для целей охлаждения деталей турбины не представляется возможным, так как газ является агрессивным, вызывающим интенсивную коррозию поверхностей охладительного тракта.

Указанный недостаток устранен в системах охлаждения с дожимным компрессором охлаждающего воздуха.

Известна система воздушного охлаждения газовой турбины технологической газотурбинной установки с дожимным компрессором охлаждающего воздуха, содержащее отбор воздуха из воздушного осевого компрессора и дожимной компрессор охлаждающего воздуха с приводом от вала установки через мультипликатор. Воздушный осевой компрессор является первым каскадом сжатия рабочего тела в установке и включает в себя статор, вал, проточную часть и думмис. Дожимной компрессор расположен у свободного конца установки и имеет корпус, ходовую часть и центробежное колесо с рабочими каналами. Вход в дожимной компрессор сообщен трубопроводом с отбором из осевого компрессора, а выход - с охлаждаемыми элементами турбины. Благодаря дожимному компрессору давление охлаждающего воздуха перед охлаждаемыми элементами достаточно для обеспечения необходимого расхода его через охлаждаемые элементы и, следовательно, для эффективного охлаждения их.

Недостаток известной системы заключается в сложности конструкции вследствие наличия ходовой части и мультипликатора привода дожимного компрессора, а также трубопровода, сообщающего вход дожимного компрессора с отбором воздуха из осевого компрессора.

Целью изобретения является упрощение конструкции.

Указанная цель достигается тем, что в известной системе воздушного охлаждения газовой турбины технологической газотурбинной установки, содержащей отбор воздуха из воздушного осевого компрессора, являющегося первым каскадом сжатия рабочего тела в установке и включающего в себя статор, вал, проточную часть и думмис, и дожимной компрессор охлаждающего воздуха, имеющий корпус и центробежное колесо с рабочими каналами, при этом вход в дожимной компрессор с названным отбором, а выход - с охлаждаемыми элементами турбины, дожимной компрессор в осевом направлении расположен между проточной частью и думмисом осевого компрессора, причем корпус дожимного компрессора образует одно целое со статором осевого компрессора, центробежное колесо дожимного компрессора установлено на валу осевого компрессора и своим входом непосредственно примыкает к отбору, а последний выполнен в виде осевого канала кольцевого проходного сечения и образован наружной поверхностью вала осевого компрессора и концентричной ей расточкой в статоре.

Дополнительно к этому центробежное колесо может быть выполнено в виде кольца с поднутрением на стороне входа, а рабочие каналы колеса - в виде прямых отверстий круглого сечения.

Кроме того, прямые отверстия круглого сечения могут быть выполнены коническими, причем диаметр каждого из них увеличивается в направлении от центра колеса к периферии, а угол конусности в градусах не превосходит величины (3,7 + 13n^-0,83), где n - отношение площадей выходного и входного сечения отверстия.

При этом оси всех прямых отверстий круглого сечения в плоскости вращения центробежного колеса дожимного компрессора могут быть отклонены от радиальных направлений в сторону, противоположную направлению вращения.

Сверх этого количество прямых отверстий круглого сечения равно ближайшему меньшему целому числу к величине πD₁sin β₁/d₁, где D₁ - диаметр окружности входа в отверстия; d₁ - диаметр входного сечения отверстия; β₁ - входной угол ориентации отверстий относительно окружного направления.

Дополнительно к этому центробежное колесо может быть выполнено за одно целое с думмисом.

Кроме того, канал отбора может быть выполнен диффузорным за счет постепенного уменьшения в направлении к центробежному колесу внутреннего диаметра канала.

Помимо этого наружный диаметр канала отбора может уменьшаться в направлении к центробежному колесу.

На фиг.1 изображена часть системы воздушного охлаждения газовой турбины технологической газотурбинной установки, включающая отбор воздуха из осевого компрессора и дожимной компрессор; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - центробежное колесо дожимного компрессора при выполнении его в виде кольца с поднутрением на стороне входа и с рабочими каналами в виде прямых отверстий постоянного круглого сечения; на фиг.4 и 5 - разрез Б-Б на фиг.3 соответственно радиальном и нерадиальном направлении осей отверстия в колесе; на фиг. 6 и 7 - центробежное колесо с коническими прямыми отверстиями круглого сечения, оси которых направлены соответственно радиально и нерадиально; на фиг.8 - узел I на фиг.7; на фиг.9 - центробежное колесо, выполненное за одно целое с думмисом; на фиг.10 и 11 - варианты выполнения канала отбора воздуха из осевого компрессора.

Предлагаемая система содержит отбор 1 воздуха из воздушного осевого компрессора 2 и дожимной компрессор 3 охлаждающего воздуха. Компрессор 2 является первым каскадом сжатия рабочего тела в установке и включает в себя статор 4, вал 5, проточную часть 6 и думмис 7. Компрессор 3 имеет корпус 8 и центробежное колесо 9 с рабочими каналами 10. Вход 11 в дожимной компрессор 3 сообщен с отбором 1. Выход 12 из дожимного компрессора 3 сообщен с охлаждаемыми элементами турбины.

Дожимной компрессор 3 в осевом направлении расположен между проточной частью 6 и думмисом 7 осевого компрессора 2. При этом корпус 8 компрессора 3 образует одно целое со статором 4 осевого компрессора 2, а центробежное колесо 9 дожимного компрессора 3 установлено на валу 5 осевого компрессора 2 и своим входом 13 непосредственно примыкает к отбору 1. Отбор 1 выполнен в виде осевого канала кольцевого проходного сечения и образован наружной поверхностью 14 вала 5 осевого компрессора 2 и концентричной поверхности 14 расточкой 15 в статоре 4.

Центробежное колесо 9 дожимного компрессора 3 может быть выполнено в виде кольца с поднутрением 16 на стороне входа 13 в колесо 9 и с рабочими каналами 10 в виде прямых отверстий 17 круглого сечения (фиг.3-5).

Прямые отверстия 17 круглого сечения могут быть коническими (фиг.6 и 7), причем диаметр d каждого конического отверстия 18 увеличивается в направлении от центра колеса 9 к периферии, а угол конусности α в градусах не превосходит величины (3,7 + 13n^-0,83), где n - отношение площади выходного сечения 19 отверстия 18 к площади входного сечения 20 отверстия 18.

Оси a-b всех прямых отверстий 17 и 18 в плоскости вращения центробежного колеса 9 могут быть отклонены от радиальных направлений o-r в сторону, противоположную направлению вращения ω (фиг.5 и 7).

Количество прямых отверстий 17 или 18 равно ближайшему меньшему числу к величине πD₁sin β₁/d₁, где D₁ - диаметр окружности входа в отверстие 17 или 18;
d₁ - диаметр входного сечения 20 отверстия 17 или 18;
β₁ - входной угол ориентации отверстия 17 или 18 относительно окружного направления.

При выполнении центробежного колеса 9 в виде кольца с рабочими каналами 10, представляющими собой прямые отверстия 17 или 18 круглого сечения, оно может быть выполнено за одно целое с думмисом 7 (фиг.9).

Канал отбора воздуха из осевого компрессора 2 может быть выполнен диффузорным за счет постепенного уменьшения в направлении к центробежному колесу 9 внутреннего диаметра D_в канала отбора (фиг.10).

Наружный диаметр D_н канала отбора может уменьшаться в направлении к центробежному колесу 9 (фиг.11).

Предлагаемая система работает следующим образом.

Охлаждающий воздух, попадая в систему охлаждения из проточной части 6 осевого компрессора 2, последовательно проходит отбор 1, выполненный в виде осевого канала кольцевого проходного сечения, вход 13 во вращающееся вместе с валом 5 центробежное колесо 9 дожимного компрессора 3, рабочие каналы 10 центробежного колеса 9 в направлении от центра к периферии, неподвижные элементы 21 дожимного компрессора 3 и выход 12 из дожимного компрессора 3. Далее воздух направляется в охлаждаемые элементы турбины, сообщенные с выходом 12 из дожимного компрессора 3. При прохождении охлаждающего воздуха через дожимной компрессор 3 происходит повышение его давления благодаря вращению центробежного колеса 9, давление охлаждаемого воздуха перед охлаждаемыми элементами турбины становится достаточным для обеспечения нужного расхода охлаждающего воздуха и, следовательно, для эффективного охлаждения охлаждаемых элементов. Вследствие трения воздуха о поверхности, а также из-за вихреобразования течение охлаждающего воздуха от проточной части 6 осевого компрессора 2 до охлаждаемых элементов турбины сопровождается потерей части давления.

Расположение дожимного компрессора 3 в осевом направлении между проточной частью 6 и думмисом 7 осевого компрессора 2, причем так, что корпус 8 дожимного компрессора 3 образует одно целое со статором 4 осевого компрессора 2, центробежное колесо 9 дожимного компрессора 3 установлено на валу 5 осевого компрессора 2 и своим входом 13 непосредственно примыкает к отбору 1, а последний выполнен в виде осевого канала кольцевого проходного сечения и образован наружной поверхностью 14 вала 5 осевого компрессора 2 и концентричной поверхности 14 расточкой 15 статора 4, упрощает конструкцию, так как позволяет исключить из конструкции ходовую часть и мультипликатор привода дожимного компрессора 3, а также трубопровод, сообщающий дожимной компрессор 3 с отбором 1 из осевого компрессора 2.

Выполнение центробежного колеса 9 в виде кольца с поднутрением 16 на стороне входа 13 в колесо 9 и с рабочими каналами 10 в виде прямых отверстий 17 круглого сечения упрощает конструкцию, поскольку центробежное колесо 9 превращается из сложного узла в одну деталь.

Выполнение прямых отверстий 17 круглого сечения коническими, причем такими, что диаметр d каждого конического отверстия 18 увеличивается в направлении от центра колеса 9 к периферии, а угол конусности α в градусах не превосходит величины (3,7 + 13n^-0,83), где n - отношение площади выходного сечения 19 отверстия 18 к площади входного сечения 20 отверстия 18, уменьшает потери давления в рабочих каналах 10 центробежного колеса 9 ввиду того, что
а) потери давления в неподвижных каналах уменьшаются, если каналы имеют не постоянное, а медленно увеличивающееся в направлении потока сечение;
б) согласно фиг.12 выражение 3,7 + 13n^-0,83 представляет собой достаточно точную аппроксимацию экспериментальной зависимости оптимального угла конусности α_опт в градусах неподвижного конического диффузора от отношения n площадей его выходного и входного сечений;
в) оптимальный угол конусности конического диффузора, вращающегося вокруг оси, перпендикулярной оси диффузора, меньше, чем неподвижного, так как при таком вращении диффузора в нем возникают местные диффузорные зоны, накладывающиеся на общую диффузорность.

Отклонение осей a-b прямых отверстий 17 или 18 в плоскости вращения центробежного колеса 9 от радиальных направлений o-r в сторону, противоположную направлению вращения ω, превышает КПД дожимного компрессора 3 благодаря уменьшению угла атаки на входе в отверстие 17 или 18; уменьшению стеснения потока в центробежном колесе 3 вследствие уменьшения толщины δ перемычек 22 между прямыми отверстиями 17 или 18; уменьшению выходного угла β₂ ориентации отверстий 17 или 18 относительно окружного направления.

Равенство количества Z прямых отверстий 17 или 18 ближайшему меньшему целому числу к величине πD₁sin β₁/d₁ увеличивает КПД центробежного колеса 9, поскольку обеспечивает при прочих равных условиях минимальную толщину δ перемычек 22 между отверстиями 17 или 18. Это следует из фиг.8, в соответствии с которой толщина δ₁ перемычки 22 на входе в отверстия 17 или 18
snβ₁)-d₁=
откуда, пологая δ₁ = δ_1опт = 0, имеем
Z_оп = πD₁sin β₁/d₁. Отсюда, принимая во внимание, что количество Z прямых отверстий 17 или 18 должно быть целым числом, причем не большим Z_опт (чтобы не получить отрицательную δ₁), приходим к заключению, что количество прямых отверстий 17 или 19 целесообразно иметь равным ближайшему меньшему целому числу к величине πD₁sin β₁/d₁.

Выполнение центробежного колеса 9 за одно целое с думмисом 7 осевого компрессора 2 (в тех же случаях, когда колесо 9 представляет собой кольцо с рабочими каналами 10 в виде прямых отверстий 17 или 18 круглого сечения) упрощает конструкцию благодаря замене двух деталей (колеса 9 и думмиса 7) одной общей деталью.

Выполнение канала отбора диффузорным за счет постепенного уменьшения в направлении к центробежному колесу 9 внутреннего диаметра D_в канала отбора, во-первых, позволяет уменьшить потери давления в нем, так как выполнение любого канала диффузороным приводит к уменьшению потерь давления, если площадь проходного сечения возрастает постепенно, во-вторых, благодаря снижению окружных скоростей точек наружной поверхности 14 вала 5 осевого компрессора 2 уменьшаются потери мощности на трение поверхности 14 о воздух, движущийся по каналу отбора.

Уменьшение наружного диаметра D_н канала отбора в направлении к центробежному колесу 9 повышает КПД последнего. Это объясняется следующим: при уменьшении D_н становится меньше диаметр D₁ входа в рабочие каналы 10 центробежного колеса 9, значит также меньше - окружная скорость U₁ на этом диаметре; с уменьшением U₁ снижается относительная скорость W₁ воздуха на входе в рабочие каналы 10, поскольку, как это следует из треугольника скоростей на фиг. 8, W₁= ; снижение W₁ приводит к уменьшению потерь в рабочих каналах 10 (так как эти потери пропорциональны W₁²) и, следовательно, - к увеличению КПД центробежного колеса 9.

Использование: к теплоэнергетическим турбомашинам в технологических газотурбинных установках с воздушным охлаждением газовой турбины и двумя каскадами сжатия, в первом из которых сжимается воздух, а во втором - технологический газ. Сущность: дожимной компрессор в осевом направлении расположен между проточной частью и думмисом осевого компрессора, причем корпус дожимного компрессора образует одно целое со статором осевого компрессора, центробженое колесо дожимного компрессора установлено на валу осевого компрессора и своим входом непосредственно примыкает к отбору, а последний выполнен в виде осевого канала кольцевого проходного сечения и образован наружной поверхностью вала и концентричной ей расточкой в статоре. 7 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. СИСТЕМА ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ, содержащая устройство отбора воздуха от осевого компрессора установки, имеющего статор и вал, на котором установлено рабочее колесо дожимного центробежного компрессора охлаждающего воздуха, причем вход центробежного компрессора сообщен с устройством отбора охлаждающего воздуха, а выход - с охлаждаемыми элементами турбины, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности и упрощения конструкции при выполнении осевого компрессора с думмисом, в статоре осевого компрессора выполнены кольцевая полость, в которой размещено рабочее колесо дожимного центробежного компрессора, и кольцевая расточка, причем устройство отбора охлаждающего воздуха выполнено в виде осевого канала кольцевого проходного сечения, образованного наружной поверхностью вала и поверхностью кольцевой расточки. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что рабочее колесо дожимного центробежного компрессора выполнено в виде кольца с поднутрением со стороны входа и с прямыми отверстиями круглого сечения, образующими рабочие каналы компрессора. 3. Система по п.2, отличающаяся тем, что прямые отверстия круглого сечения выполнены коническими с большим основанием, расположенным на выходе из рабочих каналов, и углом конусности, определяемым из выражения
α≅ (3,7+13n^-0,89)^°,
где n - отношение площадей выходного и входного сечений рабочего канала. 4. Система по пп.2 и 3, отличающаяся тем, что ось каждого рабочего канала в плоскости вращения рабочего колеса отклонена от радиального направления в сторону, противоположную направлению вращения. 5. Система по пп.2 - 4, отличающаяся тем, что количество рабочих каналов равно ближайщему меньшему целому числу к величине, определяемой из отношения
πD₁·sinβ₁/d₁,
где d₁ - диаметр входного сечения канала;
D₁ - диаметр расположения входных сечений каналов;
β₁ - входной угол ориентации рабочих каналов относительно направления вращения. 6. Система по пп.2 - 5, отличающаяся тем, что рабочее колесо дожимного центробежного компрессора выполнено за одно целое с думмисом. 7. Система по п.1, отличающаяся тем, что вал в зоне осевого канала кольцевого проходного сечения выполнен коническим, а его меньшее основание обращено в сторону дожимного центробежного компрессора. 8. Система по п.7, отличающаяся тем, что расточка выполнена конической, а ее меньшее основание обращено в сторону дожимного центробежного компрессора с образованием диффузорного осевого канала кольцевого проходного сечения.