ПРИВОДНАЯ ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА С ПОДВОДОМ ВОЗДУХА В КОРПУС КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ЧЕРЕЗ СИСТЕМУ ВОЗДУХОВОДОВ Российский патент 2001 года по МПК F23R3/02 

Заявляемый объект относится к силовым устройствам турбинного типа. Возможно применение рассматриваемых устройств в качестве приводов различных силовых машин - в составе компрессорных установок (для газо- или нефтеперекачивающих станций магистральных трубопроводов), либо в составе электрогенераторов, а также судовых, турбовинтовых или воздушно-реактивных двигателей.

Известны приводные газотурбинные установки с различными по конструкции камерами сгорания [1, с. 167 - 171], [2, с. 22 - 30], [3], [4, с. 125 - 130] , [5, с. 15 - 27, с. 112 - 117], в том числе и переведенные на регенеративный цикл [2, с. 71 - 74]. Значительное распространение получили встроенные кольцевые и трубчато-кольцевые камеры сгорания. В этих камерах сгорания жаровые трубы соединены с горелками, по которым обеспечивается подача горючего (газообразного или жидкого), и с предсопловыми диффузорами (переходными патрубками). Воздух нагнетается в воздушный коллектор и далее поступает в кольцевые рубашки над жаровыми трубами или непосредственно в жаровые трубы. Через отверстия на боковой поверхности жаровой трубы, через отверстия и завихритель на торце жаровой трубы воздух поступает в зону горения. Внутри жаровой трубы по мере движения воздух (окислитель), перемешиваясь с горючим, вступает с ним в химическую реакцию с выделением тепла. Горячие газы из жаровой трубы по предсопловому диффузору поступают в сопло турбины (одно- или многоступенчатой).

На практике предпочтительными представляются газотурбинные установки с простейшими конструкциями камеры сгорания (одна жаровая труба, один предсопловой диффузор и т.п.). Известна газотурбинная установка [6], содержащая кольцевой коллектор, соединенный с подводящим воздуховодом, и камеру сгорания, содержащую внутри коллектора решетки. Назначение решеток - организация подачи в камеры сгорания потока воздуха, скорость которого выровнена по поперечному сечению кольцевого коллектора.

Однако в ряде случаев такая конструктивная схема оказывается неэффективной. Требования по сокращению массы газотурбинной установки, по сокращению ее продольных габаритов вынуждают использовать в составе газотурбинной установки комплекта из нескольких жаровых труб (с горелками и предсопловыми диффузорами). В частности, такие конструкции находят применение в стационарных нагнетательных (приводных) газотурбинных установках, в том числе и в установках с использованием рекуператоров для повышения коэффициента полезного действия тепловой машины [2 - 4, 7]. Для конструкции ГТУ, рассматриваемой в [6], важным является выравнивание только осевой составляющей скорости воздушного потока. Однако для конструкций, рассматриваемых в [7], а также для предлагаемой газотурбинной установки выравнивание только осевой составляющей скорости потока оказывается неприемлемым. Представляется необходимым произвести выравнивание поля давлений по объему воздушного коллектора, а значения скоростей воздушного потока в объеме коллектора должны быть близкими к нулю. В этом случае термоциклические нагрузки (динамические и тепловые), воздействующие на элементы конструкции газовой турбины, будут минимальны.

Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является приводная газотурбинная установка [7], содержащая до 12 жаровых труб, с тангенциальным и радиальным подводом воздуха в коллектор камеры сгорания (General Electric - Frame 3 (ГТК-10И) и Frame 5 (ГТК-25И)), переведенная на регенеративный цикл. Однако для этой установки характерно наличие неравномерности потока продуктов сгорания на выходе из различных жаровых труб. Как следствие, неравномерность потока продуктов сгорания на выходе из различных жаровых труб приводит к уменьшению ресурса (ускоренному выходу из строя) деталей турбины. Неравномерность потока продуктов сгорания на выходе из различных жаровых труб обусловлена неоднородными полями давлений и скоростей воздуха в коллекторе. Неоднородность распределения полей давления и скоростей в воздушном коллекторе приводит к тому, что условия работы в каждой из 12 жаровых труб и на выходе из них (по расходам компонентов, по уровням давления и прочее) также отличаются.

Задачей заявляемого устройства является снижение термоциклических нагрузок (динамических и тепловых), воздействующих на элементы конструкции газовой турбины.

Эта задача решается при следующих условиях. Внутри воздушного коллектора размещается решетка. В отличие от [6] назначением этой решетки является выравнивание потока воздуха в объеме коллектора и по давлению, и по скорости воздушного потока. В частности, уровни давлений и значения скоростей потока должны совпадать в окрестности каждой из жаровых труб (у входа в кольцевую рубашку). При этом обеспечивается наличие свободного пространства внутри воздушного коллектора между решеткой и подводящими воздух трубами, между решеткой и входом в камеры сгорания. В решетке выполнены отверстия, организующие равномерную подачу потока воздуха в камеры сгорания. Для более полного выравнивания воздушного потока по давлению отверстия в решетке могут быть выполнены с различной плотностью. Наименьшая плотность отверстий соответствует окрестности размещения подводящих воздух труб, а наибольшая плотность - наиболее удаленным от подводящих воздух труб сечениям воздушного коллектора.

Конструкция решетки позволяет выполнить предварительную очистку поступающего в коллектор воздуха от механических примесей. Применение фильтров в составе конструкции решетки обеспечивает дополнительное выравнивание воздушного потока в объеме воздушного коллектора по давлению и по скорости, а также существенно повышает степень очистки воздуха, поступающего после фильтров в жаровые трубы.

Дополнительно для большего выравнивания воздушного потока, поступающего в коллектор, в каждой из труб, подводящих к коллектору воздух, могут быть установлены диафрагмы изменяемого сопротивления (гидравлического, аэродинамического).

Сущность заявляемого устройства поясняется чертежами, где изображены на фиг. 1 - схема камеры сгорания приводной газотурбинной установки, на фиг. 2 - поперечное сечение А-А камеры сгорания ГТУ, на фиг. 3 - вариант сечения решетки с отверстиями, на фиг. 4 - вариант сечения решетки с выштампованными жалюзями, на фиг. 5 - размещение диафрагм в составе подводящих воздух труб, на фиг. 6 - связь камеры сгорания газотурбинной установки с горелками и предсопловыми диффузорами.

Устройство содержит следующие элементы:
1 - воздушный коллектор (корпус камеры сгорания);
2 - подводящие воздух трубы;
3 - камеры сгорания;
4 - пламяперекидные патрубки (трубы);
5 - выравнивающую решетку;
6 - диафрагмы;
7 - лопатки;
8 - валы;
9 - фильтр;
10 - горелку;
11 - предсопловой диффузор.

Приводная газотурбинная установка содержит воздушный коллектор 1 с корпусом, соединенный с подводящими воздух трубами 2, совокупность камер сгорания 3, состоящих из кольцевых рубашек и жаровых труб, соединенных с одной стороны с горелками 10, по которым обеспечивается подача горючего, а с другой стороны - с предсопловыми диффузорами 11, по которым продукты сгорания поступают на сопловые лопатки турбины. Пламяперекидные патрубки 4, входящие в состав газотурбинной установки, связывают жаровые трубы друг с другом. В состав установки входят решетки 5, размещенные внутри воздушного коллектора и в которых выполнены отверстия. В подводящих воздух трубах 2 могут быть размещены диафрагмы 6, изменяющие аэродинамическое сопротивление в трубах. Диафрагмы 6 могут содержать лопатки 7 для изменения площади проходного сечения подводящих воздух труб 2. Лопатки 7 закреплены на валах 8. Внутри воздушного коллектора 1 вместе с решетками 5 могут размещаться фильтры 9, обеспечивающие дополнительную очистку поступающего в коллектор 1 воздуха, а также обеспечивающие дополнительное выравнивание поля давлений и скоростей воздуха по внутреннему объему коллектора 1.

Устройство работает следующим образом. Воздушный поток поступает из воздушной магистрали во внутренний объем коллектора 1 по нескольким подводящим воздух трубам 2. Поступая в пространство перед решеткой 5, воздушные массы, приходящие из разных труб 2, перемешиваются. При этом значения давлений и скоростей воздушного потока в полости перед решеткой 5 выравниваются. Оставшаяся неравномерность параметров еще больше снижается после прохождения воздухом отверстий в решетке 5. Для этого отверстия могут быть расположены с различной плотностью (с наименьшей плотностью - в окрестности повышенных давлений воздуха - напротив подводящих воздух труб 2, с наибольшей плотностью - в окрестности пониженных давлений воздуха) и могут быть выполнены по различным технологиям (сверлением, прошивкой - фиг. 3, штамповкой - фиг. 4).

Конструкция решетки 5 обеспечивает инерционную и дополнительную очистку поступающего воздушного потока от механических примесей с помощью фильтра 9.

Увеличение степени выравнивания потоков, поступающих из разных подводящих воздух труб 2, обеспечивается диафрагмами 6, внутри которых размещаются лопатки 7, закрепленные на валах 8. Вращение лопаток вместе с валом 8 приводит к изменению площади проходного сечения диафрагмы 6. Свободное вращение лопаток 7 ограничивается, например, пружинным или рычажным механизмом. Кроме того, лопатки 7, закрепленные на диафрагмах и размещенные в различных подводящих воздух трубах, могут быть связаны друг с другом механической или другой связью таким образом, что их перемещение в любой из диафрагм приводит к согласованному перемещению данных элементов во всех остальных диафрагмах.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает снижение газодинамической и гидродинамической степени неравномерности параметров воздушных потоков, поступающих в разные камеры сгорания 3, и, как следствие, обеспечивает снижение степени неравномерности параметров продуктов сгорания, поступающих на лопатки турбины, и снижение термоциклических нагрузок. Кроме того, предлагаемое устройство позволяет выполнить дополнительную очистку воздушного потока от механических примесей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пчелкин Ю.М. Камеры сгорания газотурбинных двигателей. - М.: Машиностроение, 1973. - 392 с.

2. Соколов В.С. Газотурбинные установки. - М.: Высшая школа, 1986. - 215 с.

3. Щуровский В.А., Зайцев Ю.А. Газотурбинные газоперекачивающие агрегаты. - М.: Недра, 1994. - 192 с.

4. Ревзин Б.С. Газотурбинные газоперекачивающие агрегаты. - М.: Недра, 1986. - 215 с.

5. Моверман Г.С., Радчик И.И. Ремонт импортных газоперекачивающих агрегатов. М.: Недра, 1986. - 197 с.

6. C.T. Hewson. Guide vane assemblies in annular fluid ducts. Patent US 2795373. МПК F 01 D 9/04, 1957. 4 p.

7. Carlstrom L.A., Wilhelm C.F. General Electric Heavy duty Gas Turbine Design Philosophy. - GER-2483, 1978. - 14 p. (Прототип).

Приводная газотурбинная установка с подводом воздуха в корпусе камеры сгорания через систему воздуховодов содержит воздушный коллектор, соединенный с подводящими воздух трубами, совокупность камер сгорания, соединенных с одной стороны с горелками, по которым обеспечивается подача горючего, а с другой стороны - с предсопловыми диффузорами, по которым продукты сгорания поступают на сопловые лопатки турбины. Внутри воздушного коллектора размещается решетка, обеспечивающая наличие свободного пространства как между решеткой и подводящими трубами, так и между решеткой и камерами сгорания. В решетке выполнены отверстия, организующие подачу выровненного потока воздуха в камеры сгорания. Отверстия на решетке выполнены неравномерно. Наименьшая плотность отверстий соответствует окрестности размещения подводящих воздух труб, а наибольшая плотность - наиболее удаленным от подводящих воздух труб сечениям воздушного коллектора. Изобретение позволяет снизить термодинамические нагрузки, воздействующие на элементы конструкции газовой турбины. 4 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Приводная газотурбинная установка с подводом воздуха в корпус камеры сгорания через систему труб, содержащая воздушный коллектор, соединенный с подводящими воздух трубами, совокупность камер сгорания, соединенных с одной стороны с горелками, по которым обеспечивается подача горючего, а с другой стороны с предсопловыми диффузорами, по которым продукты сгорания поступают на сопловые лопатки турбины, отличающаяся тем, что внутри воздушного коллектора размещается решетка, обеспечивающая наличие свободного пространства как между решеткой и подводящими трубами, так и между решеткой и камерами сгорания, в решетке выполнены отверстия, организующие подачу выровненного потока воздуха в камеры сгорания, а отверстия на решетке выполнены неравномерно, причем наименьшая плотность отверстий соответствует окрестности размещения подводящих воздух труб, а наибольшая плотность - наиболее удаленным от подводящих воздух труб сечениям воздушного коллектора. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что размещение решетки в свободном объеме воздушного коллектора совмещено с размещением внутри воздушного коллектора фильтров очистки воздуха от механических примесей. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что в каждой из труб, подводящих воздух к воздушному коллектору, размещены диафрагмы. 4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что диафрагмы содержат лопатки для изменения площади проходного сечения, и лопатки обладают возможностью вращения относительно своих осей, а их свободное вращение ограничивается. 5. Установка по п.4, отличающаяся тем, что лопатки, закрепленные на диафрагмах и размещенные в различных подводящих воздух трубах, связаны друг с другом таким образом, что перемещение лопаток в любой из диафрагм приводит к согласованному перемещению аналогичных элементов в других диафрагмах.