СПОСОБ И УСТРОЙСТВО СНИЖЕНИЯ УТЕЧЕК ИЗ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ТУРБИНЫ Российский патент 1999 года по МПК F02C7/28 

Предлагаемое изобретение относится к газотурбинной технике и может быть использовано при создании турбин с высоким уровнем давления рабочего тела в проточной части, особенно в турбинах предназначенных для снижения давления природного газа на газораспределительных станциях (ГРС) и газораспределительных пунктах (ГРП).

Известен способ работы вихревого насоса, основанный на использовании центростремительного течения [БСЭ, т.4 стр.248, изд-во "Советская энциклопедия", 1971 год]. В вихревом вакуумном насосе за счет впрыска тангенциально направленной струи газа организуют центростремительное течение, которое приводит к образованию свободного вихря и понижают давление в рабочей камере насоса, в которую поступает отсасываемый насосом газ. Отсасываемый газ смешивают с рабочим газом и направляют в выходное устройство, где происходит повышение давления до необходимого значения (обычно соответствующего атмосферному давлению).

Недостатком данного аналога, по отношению к предлагаемому изобретению, является то, что способ работы, реализованный в аналоге, не может быть применен для снижения утечек газа из проточной части турбины.

Известно устройство для снижения утечек газа из проточной части турбины [Г. С. Скубачевский. Авиационные газотурбинные двигатели: конструкция и расчет деталей. - М.: Машиностроение, 1969 г., стр. 143, 144]. Устройство для снижения утечек из проточной части турбины реализовано на базе узла газовой турбины турбореактивного двигателя. Данное устройство для снижения утечек газа из проточной части содержит диск турбины с рабочими лопатками, кольцо с проточками (гребешками лабиринтного уплотнения), сопловой аппарат. Кольцо с проточками и внутреннее кольцо соплового аппарата образуют лабиринтное уплотнение. При работе устройства, газ из проточной части поступает в зазор между торцевой частью внутреннего кольца соплового аппарата и торцевой частью диска турбины, проходит через лабиринтное уплотнение, где на его пути создается большое гидравлическое сопротивление, в результате чего его расход из проточной части в полость с меньшим давлением, расположенную за уплотнением, снижается.

Недостатком данного аналога, по отношению к предлагаемому устройству, является то, что устройство, реализованное в аналоге, не обеспечивает требуемый в газовой промышленности уровень утечек газа из проточной части турбины.

Прототипом предлагаемого способа снижения утечек из проточной части турбины является способ, заключающийся в том, что в осевой газовой турбине на пути перетекающего газа создают гидравлическое сопротивление [О.Н. Емин. Турбохолодильные машины в системах охлаждения газотурбинных двигателей. - М. : Машиностроение, 1978 г., стр. 52].

Недостатком способа, принятого за прототип, является то, что с увеличением давления газа в проточной части турбины, для поддержания на постоянном уровне давления в полости за уплотнением, с помощью которого и создают гидравлическое сопротивление, необходимо увеличивать гидравлическое сопротивление на пути перетекающего газа, что приведет к усложнению конструкции и увеличению габаритов устройства, реализующего данный способ.

Известно устройство для снижения утечек газа из проточной части турбины [О.Н. Емин. Турбохолодильные машины в системах охлаждения газотурбинных двигателей. - М. : Машиностроение, 1978 г., стр. 52]. Техническое решение по прототипу реализуется на базе осевой холодильной турбины узла свободной турбохолодильной машины с турбиной подкрутки (ТХМСП). Указанное устройство содержит сопловой аппарат в корпусе, внутреннюю полость турбины, в которой размещены диск турбины с концентрическими отверстиями и с гребешками лабиринтного уплотнения в его верхней части, ВТУЛКУ лабиринта.

Недостатком устройства снижения утечек газа из проточной части турбины по прототипу является то, что устройство не обеспечивает требуемый в газовой промышленности уровень утечек газа из проточной части турбины.

Изобретение решает задачу снижения утечек газа из проточной части турбины за счет понижения давления газа перед лабиринтным уплотнением в турбине.

Указанная задача решается тем, что в проточной части турбины на пути перетекающего газа создают гидравлическое сопротивление, причем газ из проточной части турбины направляют в кольцевую полость, в которой его закручивают и организуют центростремительное течение по закону свободного вихря с увеличением скорости и понижением давления к центру полости, затем перепускают часть газа в смежную полость, где обеспечивают центробежное течение с повышением давления газа и выводят его в проточную часть турбины.

Данный способ реализуется с помощью устройства, которое включает сопловой аппарат в корпусе, внутреннюю полость турбины, в которой размещены диск турбины с концентрическими отверстиями и с гребешками лабиринтного уплотнения в его верхней части, втулку лабиринта, причем во внутренней полости турбины образованы несколько полостей, первая из которых, по направлению течения газа в устройстве, образована корпусом пневмозатвора и промежуточным диском, вторая - промежуточным диском и втулкой лабиринта, третья - втулкой лабиринта и диском турбины, четвертая - корпусом пневмозатвора и валом турбины, причем первая полость выполнена кольцевой и в ней установлены направляющие лопатки для закручивания потока, вторая полость связана с третьей полостью с помощью отверстий, выполненных во втулке лабиринта, причем сама втулка лабиринта жестко связана с промежуточным диском и сопловым аппаратом, в зоне расположения третьей полости на диске турбины выполнены гребешки, образующие лабиринтное уплотнение с втулкой лабиринта, а в зоне расположения четвертой полости размещено двухъярусное лабиринтное уплотнение, образованное корпусом пневмозатвора и выполненными на валу турбины гребешками.

Заявителю не известны технические решения, содержащие признаки, схожие с признаками, отличающими заявленное решение от прототипа, что позволяет считать предложенное решение патентоспособным.

Сущность данного предложения поясняется на чертеже, где представлена конструктивная схема устройства для осуществления предложенного способа.

Устройство содержит проточную часть турбины 1, рабочие лопатки 2, сопловой аппарат 3 (CA), диск турбины 4, лабиринтное уплотнение 5, втулку лабиринта 6, корпус пневмозатвора 7, промежуточный диск 8, вал турбины 9, направляющие лопатки 10 для закручивания потока, лабиринтное уплотнение 11, двухъярусное лабиринтное уплотнение 12, концентрические отверстия 13 в диске турбины, а также внутренние полости турбины I-IV.

Способ снижения утечек газа из проточной части турбины реализуется следующим образом. Основная масса газа, поступающего в проточную часть 1, направляется в СА 3, затем в лопаточный венец рабочего колеса (PK), состоящего из рабочих лопаток 2 и диска 4, после чего выводится из турбины. Часть газа из проточной части 1 перед CA 3 направляют в полость 1, образованную корпусом пневмозатвора 7 и промежуточным диском 8. В полости I газ проходит через каналы, образованные направляющими лопатками 10, закручивается и направляется к центру полости I с образованием центростремительного течения с увеличением скорости по закону свободного вихря и понижением давления к центру полости, затем одна часть газа поступает в лабиринтное уплотнение 12, а другая его часть направляется в полость II, образованную промежуточным диском 8 и втулкой лабиринта 6. В полости II осуществляют центробежное течение газа с повышением его давления до значения, равного значению давления газа в проточной части 1 за рабочими лопатками 2 (по направлению течения газа в проточной части 1). Из полости II газ поступает через отверстия во втулке лабиринта 6, в полость III, которая образована втулкой лабиринта 6 и диском турбины 4, в этой полости он смешивается с газом, протекающим в полость III из проточной части через лабиринтное уплотнение 5, затем часть газа из полости III через лабиринтное уплотнение 11 возвращается в полость II, а другая часть газа направляется в проточную часть за рабочими лопатками 2 через концентрические отверстия 13 в диске 4. Газ, прошедший через лабиринтное уплотнение 12, поступает в полость IV, образованную корпусом пневмозатвора 7 и валом турбины 9. Давление в полости IV меньше чем в центральной части полости 1. Газ из полости IV выводится в атмосферу.

Для определения эффективности представленного способа было проведено расчетное определение утечек газа из проточной части турбины, конструктивная схема которой представлена на чертеже, при следующих исходных данных:
газ, поступающий в проточную часть турбины - метан
температура газа перед CA - То=275 К
полное давление газа перед CA - P₀=28,5•10⁵ Па
температура газа перед PK - T₁=255 К
давление газа перед PK - P₁=19,4•10⁵ Па
температура газа за PK - Т₂=245 К
давление газа за PK-P₂=14,25•10⁵ Па
расход газа через турбину - G=10 кг/с
общее число гребешков в уплотнении 11 - Z₁=7
число гребешков в уплотнении 10 - Z₂=4
давление газа в полости IV - P_п4=2,5•10⁵ Па
давление газа на выходе из каналов, образованных направляющими лопатками 8 - P_к8=24,2•10⁵ Па
число каналов, образованных направляющими лопатками 8 - Z_к=18
площадь проходного сечения каналов, образованных направляющими лопатками 8 - F_к=2,6•10⁶=м²
коэффициент приведенной скорости истечения газа из каналов, образованных направляющими лопатками 8 в проекции на окружное направление - λ_и = 0,5
угол выхода потока из каналов, образованных направляющими лопатками 8, по отношению к окружному направлению - α_п = 15 град.

величина радиуса R_п1=0,13 м
величина радиуса R_п2=0,03 м
величина радиуса r_п3=0,026 м
величина радиуса R_п4=0,115 м
величина радиуса r_в1=0,03 м
величина радиуса r_в2=0,04 м
величина радиуса r_в3=0,03 м
Расчеты показали, что для обеспечения работы уплотнительной системы значение расхода газа, направляемого в полость I, равно 0,1 кг/с, что составляет 1,0% от расхода газа через проточную часть турбины. При этом значение давления газа в центральной части кольцевой полости I составляет 7,1•10⁵ Па, значение расхода газа через уплотнение 11 составляет 0,027 кг/с. Таким образом, расход газа, перетекающего в атмосферу из проточной части турбины, составляет 0,27% от общего расхода газа через проточную часть турбины. Если бы весь газ, поступающий в турбину, направлялся в CA (полость I перекрыта для доступа в нее газа из проточной части перед CA), т.е. предлагаемый способ в турбине не реализовывался бы, то в полостях I, II, III давление газа соответствовало бы Р₂ и значение расхода газа через уплотнение 11 составило бы 0,062 кг/с (0,62% от расхода газа через проточную часть). Таким образом, применение предлагаемого способа в турбине, конструктивная схема которой представлена на чертеже, позволяет снизить расход газа, перетекающего из проточной части в атмосферу, с 0,62% до 0,27% от общего расхода газа через проточную часть турбины.

В настоящее время заканчивается разработка устройства, реализующего данный способ, и планируется проведение его опытных испытаний в составе установки для получения холода и тепла - "УХТА-1" на объекте предприятия "Мострансгаз".

Способ и устройство предназначены для снижения утечек из проточной части турбины. Газ из проточной части турбины направляют в кольцевую полость, где его закручивают в каналах, образованных направляющими лопатками, и организуют центростремительное течение по закону свободного вихря с увеличением скорости и понижением давления к центру полости. Затем часть этого газа перетекает в атмосферу через гидравлическое сопротивление, в виде лабиринтного уплотнения. А оставшуюся его часть перепускают в полость, образованную промежуточным диском и втулкой лабиринта, и обеспечивают в этой полости центробежное течение с повышением давления. Газ из полости, образованной промежуточным диском и втулкой лабиринта, поступает в полость, которая образована втулкой лабиринта и диском турбины, где его смешивают с газом, перетекающим в эту полость через лабиринтное уплотнение из проточной части. Затем часть газа из этой полости через лабиринтное уплотнение возвращается в полость, образованную промежуточным диском и втулкой лабиринта, а другая часть газа направляется в проточную часть за рабочими лопатками через концентрические отверстия в диске. Использование предлагаемого изобретения позволит существенно снизить расход газа, перетекающего из проточной части турбины в атмосферу против существующих уплотнительных систем при одинаковых параметрах газа в проточной части турбины. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ снижения утечек из проточной части турбины, заключающийся в том, что на пути перетекающего газа создают гидравлическое сопротивление, отличающийся тем, что газ из проточной части турбины направляют в кольцевую полость, в которой его закручивают и организуют центростремительное течение по закону свободного вихря с увеличением скорости и понижением давления к центру полости, затем перепускают часть этого газа в смежную полость, где обеспечивают центробежное течение с повышением давления, и выводят газ в проточную часть турбины. 2. Устройство для снижения утечек из проточной части турбины, содержащее сопловой аппарат в корпусе, внутреннюю полость турбины, в которой размещены диск турбины с концентрическими отверстиями и с гребешками лабиринтного уплотнения в его верхней части, втулку лабиринта, отличающееся тем, что во внутренней полости турбины образованы несколько полостей, первая из которых, по направлению течения газа в устройстве, образована корпусом пневмозатвора и промежуточным диском, вторая - промежуточным диском и втулкой лабиринта, третья - втулкой лабиринта и диском турбины, четвертая - корпусом пневмозатвора и валом турбины, причем первая полость выполнена кольцевой и в ней установлены направляющие лопатки для закручивания потока, вторая полость связана с третьей полостью с помощью отверстий, выполненных во втулке лабиринта, причем сама втулка лабиринта жестко связана с промежуточным диском и сопловым аппаратом, в зоне расположения третьей полости на диске турбины выполнены гребешки, образующие лабиринтное уплотнение с втулкой лабиринта, а в зоне расположения четвертой полости размещено двухъярусное лабиринтное уплотнение, образованное корпусом пневмозатвора и выполненными на валу турбины гребешками.