ВЫПУСКНОЕ УСТРОЙСТВО МАШИНЫ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ПОТОКА Российский патент 2003 года по МПК F01D25/30 

Изобретение касается выпускного устройства машины для передачи потока согласно преамбуле п.1 формулы изобретения.

Далее изобретение будет описано относительно газовой турбины. Однако, следует отметить, что изобретение также может применяться для других типов машин для передачи потока, например для насосов, компрессоров и т.п.

Обычно газовые турбины содержат диффузор, расположенный ниже по потоку турбины и имеющий форму канала с кольцеобразным поперечным сечением и увеличивающейся площадью поперечного сечения в направлении потока. Назначение диффузора состоит в снижении скорости выходящего из турбины потока и преобразовании по возможности большей части кинетической энергии потока в полезную энергию давления. Ниже по потоку от диффузора имеется так называемый выпускной корпус, назначение которого состоит в том, чтобы направлять поток из диффузора к выпускному каналу, выполненному для направления потока из турбины, часто по существу перпендикулярно относительно оси вращения турбины. Известно, что для направления потока из диффузора в выпускной корпус нужно, чтобы диффузор оканчивался в кольцеобразном устройстве направляющих лопаток, направляющем поток наружу в радиальном направлении от диффузора. Чтобы сделать возможным сбор и перенаправление направленного наружу потока в выпускной корпус без каких-либо значительных потерь давления, выпускной корпус должен иметь определенный размер, то есть радиус, по меньшей мере, в боковом направлении, существенно превышающий радиус диффузора и турбины. Большой поперечный радиус, то есть ширина выпускного корпуса, означает, что для газотурбинной установки требуется много места.

В патенте США А 5188510 показано выпускное устройство для газовой турбины, содержащее расширяющийся канал диффузора для потока от газовой турбины и выпускной корпус, расположенный ниже по потоку канала диффузора и направляющий поток наружу в направлении, по существу перпендикулярном оси вращения газовой турбины. Выпускной корпус содержит выпускной дефлектор и направляющую лопатку, проходящую в направлении по окружности, что обеспечивает деление потока на множество разных частичных потоков через выпускной корпус для приспособления формы выпускного корпуса к различным величинам кинетической энергии разных частичных потоков.

Задачей настоящего изобретения является решение вышеупомянутой проблемы и обеспечение выпускного устройства, которое имеет выпускной корпус с уменьшенным радиусом, по меньшей мере, в одном направлении при сохранении его характеристик.

Поставленная задача достигается посредством устройства, первоначально определенного и отличающегося тем, что устройство направляющих лопаток расположено так, чтобы перенаправлять наружу первый частичный поток общего потока из канала в первую камеру выпускного корпуса, при этом выпускное устройство содержит, по меньшей мере, один обходной канал, проходящий от канала через устройство направляющих лопаток и выполненный так, чтобы направлять второй частичный поток общего потока для обхождения устройства направляющих лопаток к второй камере выпускного корпуса. Благодаря такому обходному каналу, проходящему через устройство направляющих лопаток, радиус или ширину выпускного корпуса можно уменьшить в области, где проходит обходной канал, поскольку в этой области никакой поток не будет направлен наружу, а будет проходить назад во вторую камеру выпускного корпуса. Под обратным направлением подразумевается направление к выходу машины для передачи потока, а под прямым направлением подразумевается направление к входу машины для передачи потока.

В соответствии с вариантом осуществления изобретения первая камера и вторая камера соединены общим выпускным каналом для первого и второго частичных потоков. Таким образом, оба частичных потока можно снова соединять в общий выходной поток.

В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения обходной канал содержит, по меньшей мере, одну направляющую лопатку, расположенную так, чтобы направлять, по меньшей мере, часть второго частичного потока через вторую камеру к выпускному каналу. Таким образом, во второй камере можно получить требуемое направление потока. Кроме того, первую камеру и вторую камеру можно расположить для направления первого и второго частичных потоков соответственно в выпускной канал таким образом, что направления течения частичных потоков через выпускной канал будут расположены по существу параллельными. Вследствие этого обычно можно обеспечивать выходной поток по существу без завихрений.

В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения обходной канал проходит по существу прямо через устройство направляющих лопаток. Благодаря такому обходному каналу радиальное расширение обходного канала можно снизить до минимума. Тем не менее, корпус может иметь такую форму, что поток из его верхней половины может проходить вверх без дросселирования.

В соответствии еще с одним вариантом осуществления изобретения выпускное устройство содержит элемент задней стенки канала, в котором выполнено устройство направляющих лопаток на стороне элемента стенки, обращенной к каналу, а вторая камера выполнена на стороне, обращенной от канала. Следовательно, можно увеличить длину выпускного устройства в качестве компенсации уменьшения ширины. При этом обходной канал проходит через элемент задней стенки.

В соответствии еще с одним вариантом осуществления изобретения канал в поперечном разрезе имеет по существу кольцеобразную форму. Выпускное устройство преимущественно может содержать два обходных канала, которые, как видно в разрезе через каналы, выполнены по существу в диаметральном направлении относительно друг друга. Такая симметричная конструкция выпускного устройства является предпочтительной с точки зрения потока.

В соответствии еще с одним вариантом осуществления изобретения устройство направляющих лопаток расположено так, чтобы перенаправить наружу первый частичный поток и, по меньшей мере, частично вперед в, по меньшей мере, одной первой области расширения устройства направляющих лопаток в периферическом направлении. Направляя таким образом поток вперед, можно существенно снизить образование завихрений в первой камере выпускного корпуса. В некоторых применениях может оказаться предпочтительным осуществить расположение устройства направляющих лопаток так, чтобы перенаправлять наружу первый частичный поток во второй области расширения устройства направляющих лопаток в периферическом направлении. При этом вторая область может быть расположена на стороне канала, которая обращена к выпускному каналу, а первая область на стороне канала, которая обращена от выпускного канала.

В соответствии еще с одним вариантом осуществления изобретения канал содержит опорные элементы, проходящие в канале радиально наружу, и выполнена по существу плоская пластина по существу параллельно осевой плоскости выше или ниже по потоку каждого из опорных элементов. С помощью такой пластины можно управлять течением потока через канал по существу в осевом направлении.

Далее настоящее изобретение будет описано более подробно посредством различных вариантов осуществления изобретения, показанных в качестве примера, и со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Фиг.1 представляет изображение в перспективе газовой турбины с выпускным устройством согласно изобретению.

Фиг.2 представляет вид сзади в разрезе по линии II-II на фиг.3 выпускного устройства, соответствующего варианту осуществления изобретения.

Фиг.3 показывает вид выпускного устройства в разрезе по линии III-III на фиг.2.

Фиг.4 показывает вид в разрезе по линии IV-IV на фиг.3
Фиг. 5 показывает вид выпускного устройства в разрезе по линии V-V на фиг.2.

Фиг.6 показывает вид в разрезе по линии VI-VI на фиг.4.

На фиг. 1 схематично изображена машина для передачи потока выше газовой турбины 1 и газового канала 2, проходящего от газовой турбины 1 и выполненного так, чтобы направлять газ из газовой турбины 1 к выпускному устройству 3 в соответствии с настоящим изобретением.

Далее будет описано более подробно выпускное устройство 3 со ссылкой на фиг. 2-6. Выпускное устройство 3 содержит канал 4 в форме канала диффузора с расширяющейся областью поперечного сечения, который виден, в частности, на фиг. 3. Впускной конец канала 4 диффузора (на фиг.3 слева) выполнен так, чтобы подсоединяться к газовому каналу 2. Ниже по потоку канала 4 диффузора выполнено устройство 5 направляющих лопаток, которое обеспечивает перенаправление первого частичного потока общего потока по каналу 4 диффузора в выпускной корпус 6 и, в частности, в первую камеру 7 выпускного корпуса 6. Кроме того, выпускное устройство 3 содержит два по существу прямых обходных канала 8, каждый из которых проходит от канала 4 диффузора через устройство 5 направляющих лопаток к второй камере выпускного корпуса 6 и каждый из которых ограничен стенкой канала, которая закрывает обходной канал 4. Следовательно, обходные каналы 8 расположены так, чтобы направлять второй частичный поток общего потока через канал 4 диффузора, обходя направляющее устройство 5, и во вторую камеру 9 в основном направлении общего потока по каналу 4 диффузора. Кроме того, каждый из обходных каналов 8 содержит две направляющие лопатки 10, выполненные так, чтобы направлять, по меньшей мере, часть второго частичного потока, который выходит по существу из прямого обходного канала 4, вверх через вторую камеру 9 (см., в частности, фиг.6). Эти направляющие лопатки 10 оказывают влияние на поток во второй камере 9 и могут способствовать образованию потока по существу без завихрений и направленного вверх через вторую камеру 9. Первая камера 7 и вторая камера 9 отделены друг от друга посредством элемента 11 задней стенки. Устройство 5 направляющих лопаток выполнено на стороне элемента стенки, которая обращена к каналу 4 диффузора, а вторая камера 9 выполнена на стороне элемента 11 стенки, которая обращена от канала 4 диффузора. Первая камера 7 и вторая камера 9 соединены друг с другом над элементом 11 стенки в общем выпускном канале 12 для первого частичного потока и второго частичного потока, которые, следовательно, вновь соединяются в выпускном канале 12 (см., в частности, фиг.3).

Как видно на фиг.5 и 6, обходные каналы 8 проходят через элемент 11 задней стенки. Как видно, в частности, на фиг.2 и 4, обходные каналы 8 расположены симметрично и по существу в диаметральном направлении относительно друг друга, как видно на радиальном разрезе через обходные каналы 8.

Как видно на фиг. 3, устройство 5 направляющих лопаток выполнено так, чтобы перенаправлять первый частичный поток из канала 4 диффузора наружу и, по меньшей мере, частично вперед, то есть в направлении, по существу противоположном направлению основного потока в канале 4 диффузора, или, другими словами, по существу на 180^o. Следовательно, показанное на фиг.2-6 устройство 5 направляющих лопаток является симметричным, то есть оно имеет одну и ту же форму по всей окружности, конечно, за исключением обходных каналов 8. Также можно сконструировать устройство 5 направляющих лопаток в области, а именно в верхней части устройства 5 направляющих лопаток, расположенной на стороне канала 4 диффузора, которая обращена к выпускном каналу 12, таким образом, что первый частичный поток направляется по существу радиально, то есть прямо к выпускному каналу 12.

Как видно на фиг.3 и 5, в канале 4 диффузора выполнены опорные элементы 13, которые проходят в канале 4 диффузора по существу радиально наружу. Количество опорных элементов 13 в канале 4 диффузора может изменяться от двух до девяти, например может быть равно пяти. Перед каждым из опорных элементов 13, то есть выше по потоку, расположена по существу плоская пластина 14, по существу параллельно осевой плоскости. В показанном варианте осуществления плоская пластина 14 имеет по существу треугольную форму в осевом сечении через пластину 14. Следует отметить, что плоские пластины 14 также можно расположить ниже по потоку от опорных элементов 13, в частности, если опорные элементы 13 расположены очень близко к впускному отверстию 4 диффузора.

Настоящее изобретение не ограничено описанными выше вариантами осуществления и его можно изменять и модифицировать, не выходя при этом за рамки объема притязаний нижеследующей формулы изобретения. Изобретение может применяться в ряде различных типов машин для передачи потока, а не только к газовым турбинам, например к компрессорам, насосам и т.п. В этих случаях канал 4 не нужно конструировать как канал диффузора с площадью поперечного сечения, увеличивающейся в направлении потока, и он может иметь другую форму. Следует отметить, что в пределах объема притязаний настоящего изобретения выпускное устройство может содержать только один обходной канал 8 или, возможно, больше двух таких каналов. Обходные каналы 8 также могут содержать меньше или больше показанных двух направляющих лопаток 10.

Настоящее изобретение может применяться в осевых диффузорах, радиальных диффузорах, а также в их комбинации. В случае с радиальными диффузорами задний элемент 11 стенки можно считать задней стенкой радиального диффузора.

Выпускное устройство машины для передачи потока 1 содержит канал 4 для потока от машины и устройство 5 направляющих лопаток, расположенное ниже по потоку от канала 4 и соединяющее канал 4 с выпускным корпусом 6. Устройство 5 направляющих лопаток выполнено так, чтобы перенаправлять наружу первый частичный поток общего потока из канала 4 в первую камеру выпускного корпуса 6. Выпускное устройство дополнительно содержит, по меньшей мере, один обходной канал 8, проходящий из канала 4 через устройство 5 направляющих лопаток и выполненный так, чтобы направлять второй частичный поток общего потока для обхода устройства 5 направляющих лопаток во вторую камеру 9 выпускного корпуса 6. Изобретение позволяет уменьшить радиус выпускного корпуса, по меньшей мере, в одном направлении. 13 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Выпускное устройство машины (1) для передачи потока, содержащее канал (4) для потока из машины (1) и устройство (5) направляющих лопаток, расположенное ниже по потоку канала (4) и соединяющее канал (4) с выпускным корпусом (6), отличающееся тем, что устройство (5) направляющих лопаток выполнено так, чтобы перенаправлять наружу первый частичный поток общего потока из канала (4) в первую камеру (7) выпускного корпуса (6), а выпускное устройство (3) содержит, по меньшей мере, один обходной канал (8), проходящий из канала (4) через устройство (5) направляющих лопаток и выполненный так, чтобы направлять второй частичный поток общего потока в обход устройства (5) направляющих лопаток во вторую камеру (9) выпускного корпуса (6). 2. Выпускное устройство по п.1, отличающееся тем, что первая камера (7) и вторая камера (9) соединены общим выпускным каналом (12) для первого и второго частичных потоков. 3. Выпускное устройство по п.2, отличающееся тем, что обходной канал (8) содержит, по меньшей мере, одну направляющую лопатку (10), выполненную так, чтобы направлять, по меньшей мере, часть второго частичного потока через вторую камеру (9) к выпускному каналу (12). 4. Выпускное устройство по любому из пп.2 и 3, отличающееся тем, что первая камера (7) и вторая камера (9) расположены так, чтобы направлять первый и второй частичные потоки соответственно в выпускной канал (12) таким образом, что направления частичных потоков через выпускной канал (12) являются, по существу, параллельными. 5. Выпускное устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что обходной канал (8) проходит, по существу, прямо через устройство (5) направляющих лопаток. 6. Выпускное устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что в элементе (11) задней стенки канала (4) расположено устройство (5) направляющих лопаток на стороне элемента стенки, которая обращена к каналу (4), а вторая камера (9) расположена на стороне, которая обращена от канала (4). 7. Выпускное устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что обходной канал (8) проходит через элемент (11) задней стенки. 8. Выпускное устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что канал (4) в поперечном сечении имеет, по существу, кольцеобразную форму. 9. Выпускное устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что содержит два обходных канала (8), которые, если смотреть на поперечный разрез канала (4), расположены, по существу, диаметрально относительно друг друга. 10. Выпускное устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что устройство (5) направляющих лопаток выполнено так, чтобы перенаправлять наружу первый частичный поток и, по меньшей мере, частично вперед в, по меньшей мере, одной первой области расширения устройства направляющих лопаток в периферическом направлении. 11. Выпускное устройство по п.10, отличающееся тем, что устройство (5) направляющих лопаток выполнено так, чтобы перенаправлять наружу первый частичный поток во второй области расширения устройства направляющих лопаток в периферическом направлении. 12. Выпускное устройство по п.11, отличающееся тем, что вторая область расположена на стороне канала (4), которая обращена к выпускному каналу (12), а первая область расположена на стороне канала (4), которая обращена от выпускного канала (12). 13. Выпускное устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что канал (4) содержит опорные элементы (13), проходящие радиально наружу в канале (4), и, по существу, плоскую пластину (14), расположенную, по существу, параллельно осевой плоскости выше или ниже по потоку от каждого из опорных элементов (13). 14. Выпускное устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что канал (4) имеет увеличивающуюся площадь поперечного сечения в направлении потока.