УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ОХЛАЖДАЮЩИХ ПОТОКОВ ГАЗОВЫХ ТУРБИН Российский патент 2006 года по МПК F02C7/12 F01D5/08 

Настоящее изобретение относится к устройству для регулирования охлаждающих потоков газовых турбин.

Как известно, газовые турбины содержат компрессор, к которому воздух подают из окружающей среды и подвергают его сжатию.

Воздух под давлением поступает в ряд камер сгорания, которые оканчиваются форсунками, и в каждую форсунку инжектором подают топливо, смешивающееся с воздухом с образованием топливовоздушной смеси, которую сжигают.

В турбине энтальпию газов, сжигаемых в камере сгорания, превращают в механическую энергию, пригодную для использования ее потребителем.

Настоящее изобретение относится, в частности, к выпускной зоне компрессора газовой турбины.

Говоря о порядке постановки технических проблем, решаемых настоящим изобретением, следует отметить, что постоянные попытки повышения эффективности газовых турбин обусловлены требованием оптимизации всех потоков внутри турбинных двигателей.

В частности, воздух, подаваемый от ступеней сжатия, с учетом того, что это производится со значительными затратами (в показателях цикла термодинамики) должен быть использован в возможно большей степени для обеспечения сжигания топлива, вместо выполнения функций охлаждения или ограничения, что, помимо прочего, требуется в большинстве горячих зон, работающих в критических условиях.

Проблема, поставленная в этом контексте, заключается, таким образом, в правильном дозировании потоков воздуха в различных зонах, с учетом того, что количество требующегося воздуха необходимо регулировать в зависимости от рабочих условий, срока службы и степени износа или загрязненности турбинного двигателя, его компонентов и колебаний размеров компонентов во время переходных процессов.

В действительности, при неудовлетворительном воздушном потоке последствия, в лучшем случае, могут заключаться в значительном сокращении продолжительности срока службы компонентов с возможностью разрушения лопаток и возгорания.

Здесь следует отметить, между прочим, что эти факторы могут приводить к негативным результатам, приводящим к увеличению затрат потребителей.

Для более полного понимания технических проблем, затрагиваемых в настоящем изобретении, следует сделать ссылки, прежде всего, на Фиг.1-3, на которых изображено соответственно: поперечное сечение газовой турбины известной конструкции, обозначенной в общем позицией 20; вид в увеличенном масштабе выпускной зоны компрессора 21 газовой турбины 20 и обычное решение проблемы регулирования охлаждающих потоков газовой турбины 20, в котором могут быть предусмотрены фиксированные отверстия 22 в обечайке 50 внутреннего полого цилиндра 23.

На Фиг.1 показана более подробно газовая турбина 20 (такая, как, например, описанная в патенте США №4668162 А, 26.05.1987, кл. F 01 D 25/08), оснащенная компрессором 21, с которым связаны внутренний полый цилиндр 23 и опора 24, несущая нагрузку; на Фиг.1 показаны также, помимо прочего, роторы 25 и 26 турбины 20.

Рассматривая более подробно Фиг.2, можно заметить корпус 27 и лопатки 28, составляющие часть компрессора 21; выпускной диффузор 29 компрессора 21; выпускной патрубок 33 опоры 24, несущей нагрузку; воздушные уплотнения 30 и 31 внутреннего полого цилиндра 23; на Фиг.2 показана также часть ротора 32.

Решения, используемые в настоящее время для правильного дозирования воздушных потоков, предназначенных для охлаждения и обеспечения уплотнения, заключаются в специальном расчете отверстий в подающих трубах/каналах и определении величины биения между вращающимися компонентами и лабиринтами, образованными в ответных компонентах статора.

Отверстия и лабиринты (см. Фиг.3), таким образом, взаимозависимы с точки зрения конструктивного исполнения, и их точно определяют во время финишной отладки прототипа так, что могут быть безошибочно выявлены экстремальные ситуации и отклонения в конструкции.

Это означает, что, такие регулировки и допуски, следовательно, определяются изготовителем во время сборки.

Однако необходимость в повышении эффективности машин, с точки зрения потребителя, привела к уменьшению воздушных потоков до необходимого абсолютного минимума путем применения уплотнений, которые становятся все более эффективными, часто даже слишком, с возникновением серьезных рисков, выше.

В частности, имела место тенденция сокращать количество воздуха, вытекающего из компрессора 21 и попадающего в глубинные внутренние части машины 20 (см. Фиг.1-2), в частности, в зону внутреннего полого цилиндра 23.

Этот воздух, пройдя через первый барьер лабиринтных уплотнений, затем выходит из воздуховода опоры 24 компрессора 21, несущей нагрузку, и проходит через переднее промежуточное пространство первого ротора турбины, через лабиринт, образованный угловыми крыльями хвостовиков лопаток, и через стационарные уплотнения, установленные в корпусе.

Функция этого воздуха, таким образом, заключается в обеспечении уплотнения от проникновения испарений масла в опоре 24, и от проникновения горячих газов в турбины 20, охлаждение диска турбины и отвод теплоты, выделяющейся в результате трения при движении воздуха во внутреннем полом цилиндре 23.

Опыт показал, что часто, из-за отсутствия возможности регулирования, компромисс между необходимостью повышения эффективности и надежностью машины приводил к неожиданному снижению надежности машины.

Задачей настоящего изобретения является, таким образом, создание устройства для регулирования охлаждающих потоков газовых турбин, с помощью которого можно обеспечить возможность варьирования воздушных потоков, поступающих во внутренний полый цилиндр, без необходимости замены последнего.

Более конкретно, задачей изобретения является исключение необходимости в каком-либо демонтаже наиболее важных компонентов турбинного двигателя и, в то же самое время, обеспечение возможности регулирования потоков воздуха, поступающих во внутренний полый цилиндр.

Другой задачей изобретения является создание устройства для регулирования охлаждающих потоков газовых турбин, с помощью которого можно осуществлять регулирование путем подгонки и повторного регулирования с течением времени простым остановом машины и выполнением простых операций, включающих выбор и замену соответствующих частей компонентов.

Еще одной финальной задачей изобретения является создание устройства для регулирования охлаждающих потоков газовых турбин, обладающего преимуществами с точки зрения повышения экономической эффективности.

Хотя и последней, но не менее важной задачей изобретения является создание по существу безопасного и надежного устройства для регулирования охлаждающих потоков газовых турбин.

Эти и другие задачи решены посредством создания устройства для регулирования охлаждающего потока газовой турбины, содержащего: компрессор, имеющий внутренний полый цилиндр с цилиндрической обечайкой и множество отверстий в цилиндрической обечайке внутреннего полого цилиндра, сообщающихся с нагнетаемым компрессором воздухом, через которые нагнетаемый компрессором воздух проходит во внутренний полый цилиндр; множество заменяемых сопел, имеющих внутренние каналы различных диаметров относительно друг друга и выполненных с возможностью установки в упомянутые отверстия, для обеспечения возможности выборочного регулирования потока нагнетаемого компрессором воздуха, поступающего во внутренний полый цилиндр, путем подбора и замены, по меньшей мере, некоторых сопел другими соплами с отличающимся внутренним каналом, имеющим соответствующий диаметр, направляющую трубку и гаечный ключ с магнитной головкой, причем компрессор имеет наружный корпус, через отверстие в котором вставляют направляющую трубку, при этом направляющая трубка ввинчена в отверстие в корпусе и содержит дальний конец для соединения с обечайкой внутреннего полого цилиндра для образования удерживающего и направляющего канала, причем сопла вставлены через упомянутый канал для резьбового соединения с отверстиями в обечайке внутреннего полого цилиндра.

Предпочтительно, каждое из сопел имеет резьбовую часть для резьбового соединения с соответствующей внутренней резьбовой частью соответствующего отверстия, выполненного в обечайке внутреннего полого цилиндра.

Преимущественно, каждое из заменяемых сопел имеет цилиндрическую часть, диаметр которой меньше диаметра наружной резьбовой части сопла.

Кроме того, каждое из заменяемых сопел может иметь пару шлицев для зацепления с гаечным ключом с магнитной головкой.

Предпочтительно, отверстие в упомянутом корпусе имеет охватывающую резьбу, причем направляющая трубка имеет заплечик с охватываемой резьбой для резьбового соединения с охватывающей резьбой отверстия корпуса.

Дополнительно, при работе газовой турбины отверстия заглушены запирающими средствами, которые вставлены в отверстия через наружный корпус после удаления направляющей трубки для закрытия отверстий наружного корпуса.

Как вариант, сопла могут быть накернены к обечайке внутреннего полого цилиндра посредством использования кернера для выдавливания лунки, вводимого по направляющей трубке.

Дополнительные отличительные особенности изобретения определены в формуле изобретения согласно настоящей заявке на патент.

Дополнительные задачи и преимущества настоящего изобретения, а также его структурные и функциональные отличительные особенности станут понятными после ознакомления с последующим описанием и прилагаемыми чертежами, приведенными лишь в качестве примера и не ограничивающими объем данного изобретения, на которых:

Фиг.1 - разрез газовой турбины (прототип);

Фиг.2 - разрез в увеличенном масштабе выпускной зоны компрессора газовой турбины, представленной на Фиг.1;

Фиг.3 - обычное решение для регулирования охлаждающих потоков газовой турбины, в котором предусмотрены фиксированные каналы в обечайке внутреннего полого цилиндра;

Фиг.4 - частичный разрез сопла, составляющего часть устройства для регулирования охлаждающих потоков газовой турбины согласно настоящему изобретению;

Фиг.5 - вид сверху сопла, представленного на Фиг.4;

Фиг.6 - частичный разрез устройства для регулирования охлаждающих потоков газовой турбины согласно настоящему изобретению во время первого этапа сборки;

Фиг.7 - частичный разрез устройства для регулирования охлаждающих потоков газовой турбины согласно настоящему изобретению в собранном рабочем состоянии.

Устройство для регулирования охлаждающих потоков газовой турбины согласно настоящему изобретению обозначено в общем поз.10 (см. Фиг.6 и 7).

Устройство 10 содержит множество заменяемых сопел 11, которые можно устанавливать в соответствующие отверстия 14, выполненные в обечайке 50 внутреннего полого цилиндра 23.

Сопло 11 (см. Фиг.4, 5) снабжено резьбовой частью 12, которую можно сопрягать с соответствующей резьбовой частью 13 с внутренней резьбой, имеющейся в отверстии 14.

Сопло 11 также снабжено цилиндрической частью 16, диаметр которой меньше диаметра резьбовой части 12 и диаметра внутренней гладкой части отверстия 14, и парой шлицев 15 для зацепления с гаечным ключом с магнитной головкой. Изобретением также предусмотрено использование специального инструмента, выполненного в виде направляющей трубки 17, и гаечного ключа с магнитной головкой.

Предусмотрено также использование кернера для выдавливания лунки.

Направляющая трубка 17 также содержит резьбовой заплечик 18, с помощью которого обеспечивают сопряжение трубки с соответствующим отверстием 19, имеющимся в корпусе 27 компрессора 21.

Отверстие 19 для этого содержит часть 40 с внутренней резьбой.

Что касается сказанного выше, то операции по обработке, которые следует выполнить на газовой турбине 20, включают сверление и нарезание резьбы в наружном корпусе 27 компрессора 21 и сверление и нарезание резьбы в обечайке внутреннего полого цилиндра 23.

После определения площади полезного сечения для прохождения номинально правильного количества воздуха, которое должно быть допущено во внутренний полый цилиндр 23, эту площадь делят на подходящее число сопел 11 с живым поперечным сечением соответствующего диаметра, чтобы сопло можно было ввернуть в радиальном направлении в соответствующие резьбовые отверстия 14 в цилиндрической обечайке 50 внутреннего полого цилиндра 23.

Против этих отверстий 14 в корпусе 27 компрессора 21 изготавливают соответствующее количество резьбовых радиальных отверстий, назначение которых заключается в обеспечении доступа снаружи к заменяемым соплам 11.

Во время работы газовой турбины 20 эти отверстия 19 находятся в заглушенном состоянии винтами 41 или другими сходными запирающими средствами.

Заменяемые сопла 11 имеют внутренние каналы 51 соответствующего диаметра.

Заменяемые сопла 11 в действительности поставляют в виде комплектов, или наборов, с различными диаметрами внутреннего канала 51, среднее значение которых соответствует номинальному оптимальному диаметру согласно конструкции.

Если газовую турбину 20 запустили в работу, используя эти сопла с первоначально определенным диаметром, то затем выбирают наиболее подходящий диаметр, определенный на основании показаний, получаемых путем определения эффективности работы машины.

Специальный инструмент для установки заменяемых сопел состоит, как уже было сказано выше, из направляющей трубки 17 и вставляемого гаечного ключа, снабженного специальной магнитной крестовой головкой.

Направляющая трубка 17 имеет два конца с торцами, перпендикулярными оси, резьбовой заплечик 18 на одном конце и резьбу, аналогичную резьбе в отверстиях 19 для обеспечения доступа к корпусу 27 компрессора 21.

Что касается порядка выполнения работы, то направляющую трубку 17 вставляют в отверстие 19 корпуса 27 и продвигают до тех пор, пока ее резьбовой заплечик 18 не будет ввинчен в соответствующее резьбовое отверстие корпуса 27.

В ходе выполнения этой операции конец направляющей трубки внутри машины вводят в контакт с внутренним полым цилиндром 23 так, чтобы образовать удерживающий и направляющий канал, по которому может быть пропущено сопло 11, которое следует ввернуть в обечайку 50 внутреннего полого цилиндра 23.

Таким образом, после введения гаечного ключа с магнитной головкой, сопла 11 вытаскивают и вставляют.

После того как операция по замене завершена, замененные сопла 11 должны быть зафиксированы путем кернения с использованием трубки из комплекта специального инструмента, т.е. направляющей трубки 17, используемой в качестве направляющей для кернера.

После завершения выполнения этой операции, направляющую трубку 17 вывинчивают, и вместо трубок в отверстия 19 ввинчивают винты 41, используя резьбу 40.

Гаечный ключ снабжен магнитной головкой для того, чтобы можно было легко выполнять операции при любом угле наклона.

Теоретические и экспериментальные результаты оказались на столько удовлетворительными, что подтвердили целесообразность применения системы на газовых турбинах, широко используемых в различных областях техники.

Таким образом, задачей предложенного решения является обеспечение возможности регулирования потока воздуха, поступающего во внутренний полый цилиндр 23, без необходимости замены последнего или, во всяком случае, без разборки какого-либо важного компонента турбинного двигателя, а путем простого обеспечения доступа к заменяемым соплам 11 с использованием специального инструмента, т.е. направляющей трубки 17, через отверстия 19, которые в нормальном рабочем состоянии заглушены.

Эту задачу решают благодаря обеспечению возможности регулирования, выполняемого путем подгонки и повторного регулирования с течением времени простым остановом машин 20 и замены соответствующих калиброванных сопел 11.

Из описания, в котором приведены отличительные особенности устройства для регулирования охлаждающих потоков газовых турбин, составляющего предмет настоящего изобретения, четко следует, как обеспечить полезные свойства предложенного устройства.

Последующие заключительные пояснения и наблюдения приведены здесь для того, чтобы с большей точностью и ясностью определить преимущества.

В результате применения описанного изобретения можно регулировать поток воздуха, поступающего во внутренний полый цилиндр 23, простым обеспечением доступа к заменяемым соплам 11, используя специальный инструмент, через отверстия 19, которые в нормальных условиях заглушены.

Эта отличительная особенность позволяет производить регулировку, выполняемую путем подгонки и повторного регулирования с течением времени простым остановом машин и заменой сопел соответствующими калиброванными соплами.

Очевидно, что можно произвести ряд изменений устройства для регулирования охлаждающих потоков газовых турбин согласно изобретению без отклонения от новых отличительных особенностей изобретения, описанных выше.

И наконец, очевидно, что в конкретном варианте исполнения изобретения, материалы, формы и размеры частей, изображенных на чертежах, могут быть любого вида, в зависимости от требований, и перечисленные элементы могут быть заменены другими элементами, эквивалентными с технической точки зрения.

Объем изобретения определен в прилагаемой формуле изобретения.

Устройство для регулирования охлаждающего потока газовой турбины содержит компрессор, множество заменяемых сопел, направляющую трубку и гаечный ключ с магнитной головкой. Компрессор имеет внутренний полый цилиндр с цилиндрической обечайкой и множество отверстий в цилиндрической обечайке внутреннего полого цилиндра, сообщающихся с нагнетаемым компрессором воздухом. Через отверстия в цилиндрической обечайке нагнетаемый компрессором воздух проходит во внутренний полый цилиндр. Заменяемые сопла имеют внутренние каналы различных диаметров относительно друг друга и выполненных с возможностью установки в упомянутые отверстия для обеспечения возможности выборочного регулирования потока нагнетаемого компрессором воздуха, поступающего во внутренний полый цилиндр. Выборочное регулирование осуществляют путем подбора и замены, по меньшей мере, некоторых сопел другими соплами с отличающимся внутренним каналом, имеющим соответствующий диаметр. Компрессор имеет наружный корпус, через отверстие в котором вставляют направляющую трубку. Сопла вставлены через удерживающий и направляющий канал для резьбового соединения с отверстиями в обечайке внутреннего полого цилиндра. Удерживающий и направляющий канал образован направляющей трубкой, ввинченной в отверстие в корпусе и содержащей дальний конец для соединения с обечайкой внутреннего полого цилиндра. Изобретение позволяет регулировать поток воздуха, поступающего во внутренний полый цилиндр без его замены. 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство для регулирования охлаждающего потока газовой турбины, содержащее компрессор, имеющий внутренний полый цилиндр с цилиндрической обечайкой и множество отверстий в цилиндрической обечайке внутреннего полого цилиндра, сообщающихся с нагнетаемым компрессором воздухом, через которые нагнетаемый компрессором воздух проходит во внутренний полый цилиндр; множество заменяемых сопел, имеющих внутренние каналы различных диаметров относительно друг друга и выполненных с возможностью установки в упомянутые отверстия для обеспечения возможности выборочного регулирования потока нагнетаемого компрессором воздуха, поступающего во внутренний полый цилиндр, путем подбора и замены, по меньшей мере, некоторых сопел другими соплами с отличающимся внутренним каналом, имеющим соответствующий диаметр, направляющую трубку и гаечный ключ с магнитной головкой, причем компрессор имеет наружный корпус, через отверстие в котором вставляют направляющую трубку, при этом направляющая трубка ввинчена в отверстие в корпусе и содержит дальний конец для соединения с обечайкой внутреннего полого цилиндра для образования удерживающего и направляющего канала, причем сопла вставлены через упомянутый канал для резьбового соединения с отверстиями в обечайке внутреннего полого цилиндра.2. Устройство по п.1, в котором каждое из сопел имеет резьбовую часть для резьбового соединения с соответствующей внутренней резьбовой частью соответствующего отверстия, выполненного в обечайке внутреннего полого цилиндра.3. Устройство по п.2, в котором каждое из заменяемых сопел имеет цилиндрическую часть, диаметр которой меньше диаметра наружной резьбовой части сопла.4. Устройство по п.2, в котором каждое из заменяемых сопел имеет пару шлицев для зацепления с гаечным ключом с магнитной головкой.5. Устройство по п.1, в котором отверстие в упомянутом корпусе имеет охватывающую резьбу, причем направляющая трубка имеет заплечик с охватываемой резьбой для резьбового соединения с охватывающей резьбой отверстия корпуса.6. Устройство по п.5, в котором при работе газовой турбины отверстия заглушены запирающими средствами, которые вставлены в отверстия через наружный корпус после удаления направляющей трубки для закрытия отверстий наружного корпуса.7. Устройство по п.1, в котором сопла накернены к обечайке внутреннего полого цилиндра посредством использования кернера для выдавливания лунки, вводимого по направляющей трубке.