ГАЗОТУРБИННАЯ СИСТЕМА Российский патент 2012 года по МПК F01D25/30 

Данное изобретение относится к газотурбинной системе.

В частности, данное изобретение относится к газотурбинной системе, содержащей кольцевой в поперечном сечении канал для направления газов сгорания; расположенные в канале турбинные лопатки для приведения во вращения газами сгорания; кольцевой по форме диффузор для рассеивания газов сгорания после их прохождения через турбинные лопатки и коллектор для сбора газов сгорания, рассеиваемых диффузором, при этом коллектор содержит кольцевую основную часть и расположенную вокруг кольцевой основной части выходную насадку, при этом при использовании газотурбинной системы газы сгорания, собираемые с помощью коллектора, направляются вокруг кольцевой основной части коллектора в противоположных направлениях для прихода в выходную насадку коллектора с прохождением в противоположных направлениях.

Одна такая известная газотурбинная система показана на фиг. 1-4. На фиг. 1 показан разрез системы в изометрической проекции, на фиг. 2 показан частичный продольный разрез системы, на фиг. 3 схематично показано прохождение газов сгорания через систему и на фиг. 4 показан разрез по линии IV-IV на фиг. 3.

Как показано на фиг. 1-4, газотурбинная система содержит кольцевой в поперечном сечении канал 1 для направления газов сгорания; расположенные в канале 1 турбинные лопатки 3 для приведения во вращения газами сгорания; диффузор 5 для рассеивания газов сгорания после их прохождения через турбинные лопатки 3; и коллектор 7 для собирания газов сгорания, рассеиваемых диффузором 5, при этом коллектор 7 содержит кольцевую основную часть 9 и расположенную вокруг кольцевой основной части 9 выходную насадку 11.

При использовании газотурбинной системы газы сгорания проходят по каналу 1, приводят во вращение турбинные лопатки 3, рассеиваются диффузором 5 и собираются коллектором 7. Газы сгорания при выходе из диффузора 5 образуют внутри коллектора 7 имеющие противоположные направления первый и второй вихревые потоки 13а, 13b, как показано на фиг. 4. Эти вихревые потоки 13а, 13b образуются за счет отделения потока газов сгорания от бандажного обода 15 диффузора 5 и закручивания по стрелкам 17, как показано на фиг. 3. Затем поток распространяется вокруг кольцевой основной части 9 коллектора 7, образуя имеющие противоположные направления первый и второй вихревые потоки 13а, 13b. Эти потоки 13а, 13b встречаются у верхней выходной насадки 11 коллектора 7 с прохождением в противоположных направлениях.

Отделение потока газов сгорания с бандажного обода 15 и соединение вихревых потоков 13а, 13b в выходной насадке 11 приводят к образованию значительной энтропии в потоке. Это отрицательно сказывается на эффективности газотурбинной системы.

Согласно данному изобретению предлагается газотурбинная система, содержащая имеющий кольцевое поперечное сечение канал для направления газов сгорания; расположенные в канале турбинные лопатки, подлежащие приведению во вращение газами сгорания; имеющий кольцевую форму диффузор для рассеивания газов сгорания после прохождения через турбинные лопатки; и коллектор для сбора рассеиваемых диффузором газов сгорания, при этом коллектор содержит кольцевую основную часть и расположенную вокруг кольцевой основной части выходную насадку, при этом при использовании газотурбинной системы газы сгорания, собранные коллектором, направляются вокруг кольцевой основной части коллектора в противоположных направлениях, так что они достигают выходную насадку коллектора с прохождением в противоположных направлениях, при этом выходная насадка коллектора включает разделительное устройство, за счет которого имеющие противоположные направления потоки у выходной насадки удерживаются по существу раздельно.

В системе, указанной в предыдущем абзаце, предпочтительно, что турбинные лопатки вращаются вокруг центральной оси газотурбинной системы, разделительное устройство проходит параллельно центральной оси и выступает в радиальном направлении от центральной оси.

В системе, указанной в предыдущем абзаце, предпочтительно, что диффузор имеет раскрыв, через который газы сгорания покидают диффузор и входят в коллектор, при этом разделительное устройство содержит первую часть, которая выступает над раскрывом, и вторую часть, которая выступает к одной стороне раскрыва, при этом вторая часть выступает в радиальном направлении внутрь к положению, более близкому к центральной оси, чем раскрыв.

В системе, указанной в предыдущем абзаце, предпочтительно, что расстояние стороны первой части, которая обращена в радиальном направлении внутрь, от центральной оси увеличивается при увеличении расстояния от второй части.

В системе, указанной в любом из четырех предыдущих абзацев, предпочтительно, что разделительное устройство содержит плоскую пластину.

В системе, указанной в любом из пяти предыдущих абзацев, предпочтительно, что диффузор имеет изогнутый бандажный обод, на котором газы сгорания покидают диффузор и входят в коллектор, при этом бандажный обод имеет удлинение для увеличения восстановления давления в газотурбинной системе и удлинение содержит плоское удлинение обода, которое имеет в основном плоскую форму и образует нарушение непрерывности с изогнутым бандажным ободом.

В системе, указанной в любом из шести предыдущих абзацев, предпочтительно, что диффузор имеет изогнутый бандажный обод, на котором газы сгорания покидают диффузор и входят в коллектор, при этом бандажный обод имеет удлинение для увеличения восстановления давления в газотурбинной системе, и удлинение содержит спиральный обод, который продолжает кривую изогнутого бандажного обода с образованием спирали.

Ниже приводится в качестве примера описание изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

фиг. 1 - разрез известной газотурбинной системы, в изометрической проекции, как указывалось выше;

фиг. 2 - частичный продольный разрез системы согласно фиг. 1, как указывалось выше;

фиг. 3 - схема прохождения газов сгорания через систему согласно фиг. 1, как указывалось выше;

фиг. 4 - разрез по линии IV-IV на фиг. 3, как указывалось выше;

фиг. 5 - разрез газотурбинной системы согласно данному изобретению в изометрической проекции;

фиг. 6 - частичный продольный разрез системы согласно фиг. 5;

фиг. 7 - схема прохождения газов сгорания через систему согласно фиг. 5;

фиг. 8 - разрез по линии VIII-VIII на фиг. 7;

фиг. 9 - форма и расположение разделительной пластины системы согласно фиг. 5;

фиг. 10 - разделительная пластина, альтернативная разделительной пластине, показанной на фиг. 9;

фиг. 11 - возможные удлинения бандажного обода системы, согласно фиг. 5;

фиг. 12 - 14 - соответствующий поток газов сгорания в трех турбинных системах;

фиг. 15 - 17 - разделительное устройство согласно фиг. 12 - 14 на виде сверху;

фиг. 18 - 20 - разделительное устройство согласно фиг. 12 - 14 на виде сбоку;

фиг. 21 и 22 - разделительное устройство согласно фиг. 13 и 14 в изометрической проекции;

фиг. 23 - форма разделительного устройства, альтернативная плоским пластинам, показанным на предыдущих фигурах.

На фиг. 5-23 одинаковые с фиг. 1-4 элементы обозначены одинаковыми позициями.

Показанная на фиг. 5-8 система является одинаковой с системой, показанной на фиг. 1-4, за исключением того, что выходная насадка 11 коллектора 7 включает разделительное устройство в виде разделительной пластины 19, с помощью которой имеющие противоположные направления вихревые потоки 13а, 13b у выходной насадки 11 удерживаются по существу раздельными, т.е. разделительная пластина 19 изолирует вихревые потоки 13а, 13b друг от друга. Разделительная пластина 19 проходит параллельно центральной оси А газотурбинной системы и выступает в радиальном направлении от центральной оси А.

Предотвращение соединения вихревых потоков 13а, 13b уменьшает образование энтропии в потоке газов сгорания через газотурбинную систему и, следовательно, повышает эффективность системы. Разделительная пластина 19 имеет преимущество простоты конструкции, и ее можно устанавливать в существующие коллекторы газотурбинных систем.

На фиг. 9 показаны точная форма и расположение разделительной пластины 19 в системе согласно фиг. 5-8. Диффузор 5 имеет раскрыв 35, через который газы сгорания покидают диффузор 7 и входят в коллектор 7. Разделительная пластина 19 содержит первую часть 37, которая выступает над раскрывом 35, и вторую часть 39, которая выступает к одной стороне раскрыва 35. На фиг. 9 можно видеть, что вторая часть 39 выступает в радиальном направлении внутрь до положения 41, более близкого к центральной оси А, чем раскрыв 35. На фиг. 9 также показано, что расстояние стороны 43 первой части 37, которая обращена в радиальном направлении внутрь, от центральной оси А постепенно увеличивается при увеличении расстояния от второй части 39.

На фиг. 10 показана точная форма трех альтернативных разделительных пластин 21, 23, 25. Пластина 21 является такой же, как и пластина 19, за исключением того, что сторона 45 пластины 21, соответствующая стороне 43, остается на постоянном расстоянии от центральной оси А. Пластина 23 может быть получена из пластины 21 посредством удаления той части пластины 21, которая в радиальном направлении ближе к центральной оси А, чем сторона 45 пластины 21. Пластина 25 может быть получена из пластины 23 посредством удаления другой в радиальном направлении внутренней части пластины 23. Следует отметить, что в случае обеих пластин 23, 25 стороны 47 пластин 23, 25, которые обращены в радиальном направлении внутрь, остаются на постоянном расстоянии от центральной оси А. Следует также отметить, что стороны 47 расположены в радиальном направлении дальше от центральной оси А, чем раскрыв диффузора 5.

На фиг. 11 показаны возможные удлинения 29, 31 бандажного обода 15 диффузора 5 системы согласно фиг. 5-8. Удлинения 29, 31 предназначены для увеличения восстановления давления в газотурбинной системе, получаемого лишь при использовании разделительной пластины. Удлинения 29, 31 рассеивают поток газов сгорания более управляемым образом, ослабляя завихрения, образующиеся в коллекторе 7. Удлинение 29 содержит плоское удлинение обода и имеет в основном плоскую форму, образуя прерывание непрерывности с бандажным ободом 15. Удлинение 31 содержит спиральное удлинение обода и продолжает кривую бандажного обода 15 с образованием спирали.

На фиг. 12 показан поток газов сгорания в диффузоре 5 и коллекторе 7 известной газотурбинной системы согласно фиг. 1-4. Следует отметить, что сильные завихрения происходят в кольцевой основной части 9 коллектора 7, и смешивание вихревых потоков 13а, 13b происходит в выходной насадке 11 коллектора 7.

На фиг. 13 показан поток газов сгорания в диффузоре 5 и коллекторе 7 газотурбинной системы, включающей лишь разделительную пластину 19, т.е. без удлинений 29, 31 бандажного обода 15, как показано на фиг. 11. Следует отметить, что сильные завихрения все еще происходят в кольцевой основной части 9 коллектора 7, однако в выходной насадке 11 коллектора 7 не происходит смешивания вихревых потоков 13а, 13b.

На фиг. 14 показан поток газов сгорания в диффузоре 5 и коллекторе 7 газотурбинной системы, включающей разделительную пластину 19 и плоское удлинение 29 бандажного обода 15. Следует отметить, что лишь слабые завихрения происходят в кольцевой основной части 9 коллектора 7 и, дополнительно к этому, не происходит смешивание вихревых потоков 13а, 13b в выходной насадке 11 коллектора 7.

На фиг. 15 - 17 показано разделительное устройство согласно фиг. 12 - 14, соответственно, на виде сверху. Разделительная пластина 19 показана на фиг. 16 и 17. Плоское удлинение 29 обода показано на фиг. 17.

На фиг. 18 - 20 показано разделительное устройство согласно фиг. 12 - 14, соответственно, на виде слева. Разделительная пластина 19 показана на фиг. 19 и 20. Плоское удлинение 29 обода показано на фиг. 20.

На фиг. 21 и 22 показано разделительное устройство, соответствующее фиг. 13 и 14. Разделительная пластина 19 показана на фиг. 21 и 22. Плоское удлинение 29 обода показано на фиг. 22.

В приведенном выше описании разделительное устройство в выходной насадке 11 коллектора 7 имеет вид плоской пластины. Понятно, что разделительное устройство может принимать другие формы, которые обеспечивают требуемое разделение противоположно направленных вихревых потоков 13а, 13b в выходной насадке 11. На фиг. 23 показан пример альтернативного разделительного устройства 33, содержащего верхнюю плоскую пластинчатую часть 51 и нижнюю по существу треугольную в поперечном сечении часть 53, имеющую вогнутые стороны. Следует отметить, что поперечное сечение, показанное на фиг. 23, соответствует второй части 39 на фиг. 9, и что первая часть 37, показанная на фиг. 37, остается без изменения, т.е. плоской пластиной. Верхняя и нижняя части 51, 53 разделительного устройства 33 встречаются на высоте, соответствующей высоте тупого угла 55 на фиг. 9.

Газотурбинная система содержит кольцевой канал (1) для газов сгорания; турбинные лопатки (3); кольцевой диффузор (5) и коллектор (7) для сбора газов сгорания, рассеиваемых диффузором (5). Коллектор (7) содержит кольцевую основную часть (9) и выходную насадку (11). Газы сгорания, собираемые с помощью коллектора (7), направляются вокруг кольцевой основной части (9) коллектора (7) в противоположных направлениях для прихода в выходную насадку (11) коллектора (7). Выходная насадка (11) коллектора (7) включает разделительное устройство (пластину) (19), за счет которого имеющие противоположные направления потоки у выходной насадки (11) удерживаются по существу раздельно. Разделительное устройство (19) проходит параллельно центральной оси (А) газотурбинной системы и выступает в радиальном направлении от центральной оси (А). Диффузор (5) имеет раскрыв (35), через который газы сгорания покидают диффузор (5) и входят в коллектор (7). Разделительное устройство (19) содержит первую часть (37), которая выступает над раскрывом (35), и вторую часть (39), которая выступает к одной стороне раскрыва (35). Вторая часть выступает в радиальном направлении внутрь к положению (41), более близкому к центральной оси (А), чем раскрыв (35). Достигается уменьшение энтропии в потоке газов за счет предотвращения соединения вихревых потоков. 8 з.п. ф-лы, 23 ил.

1. Газотурбинная система, содержащая: кольцевой в поперечном сечении канал (1) для направления газов сгорания; расположенные в канале (1) турбинные лопатки (3) для приведения во вращение газами сгорания; кольцевой по форме диффузор (5) для рассеивания газов сгорания после их прохождения через турбинные лопатки (3); и коллектор (7) для сбора газов сгорания, рассеиваемых диффузором (5), при этом коллектор (7) содержит кольцевую основную часть (9) и расположенную вокруг кольцевой основной части (9) выходную насадку (11), при этом при использовании газотурбинной системы газы сгорания, собираемые с помощью коллектора (7), направляются вокруг кольцевой основной части (9) коллектора (7) в противоположных направлениях для прихода в выходную насадку (11) коллектора (7) с прохождением в противоположных направлениях,
в которой выходная насадка (11) коллектора (7) включает разделительное устройство (19), за счет которого имеющие противоположные направления потоки у выходной насадки (11) удерживаются, по существу, раздельно, в которой турбинные лопатки (3) вращаются вокруг центральной оси (А) газотурбинной системы, и разделительное устройство (19) проходит параллельно центральной оси (А) и выступает в радиальном направлении от центральной оси (А),
в которой диффузор (5) имеет раскрыв (35), через который газы сгорания покидают диффузор (5) и входят в коллектор (7), при этом разделительное устройство (19) содержит первую часть (37), которая выступает над раскрывом (35), и вторую часть (39), которая выступает к одной стороне раскрыва (35), и при этом вторая часть выступает в радиальном направлении внутрь к положению (41), более близкому к центральной оси (А), чем раскрыв (35).

2. Газотурбинная система по п.1, в которой расстояние стороны первой части (37), которая обращена в радиальном направлении внутрь, от центральной оси (А) увеличивается при увеличении расстояния от второй части (39).

3. Газотурбинная система по любому из пп.1 или 2, в которой разделительное устройство (19) содержит плоскую пластину.

4. Газотурбинная система по любому из пп.1 и 2, в которой диффузор (5) имеет изогнутый бандажный обод (15), на котором газы сгорания покидают диффузор (5) и входят в коллектор (7), при этом бандажный обод имеет удлинение (29) для увеличения восстановления давления в газотурбинной системе, и удлинение (29) содержит плоское удлинение обода, которое имеет в основном плоскую форму и образует нарушение непрерывности с изогнутым бандажным ободом (15).

5. Газотурбинная система по п.3, в которой диффузор (5) имеет изогнутый бандажный обод (15), на котором газы сгорания покидают диффузор (5) и входят в коллектор (7), при этом бандажный обод имеет удлинение (29) для увеличения восстановления давления в газотурбинной системе, и удлинение (29) содержит плоское удлинение обода, которое имеет в основном плоскую форму и образует нарушение непрерывности с изогнутым бандажным ободом (15).

6. Газотурбинная система по любому из пп.1 и 2, в которой диффузор (5) имеет изогнутый бандажный обод (15), на котором газы сгорания покидают диффузор (5) и входят в коллектор (7), при этом бандажный обод (15) имеет удлинение (31) для увеличения восстановления давления в газотурбинной системе, и удлинение (31) содержит спиральный обод, который продолжает кривую изогнутого бандажного обода (15) с образованием спирали.

7. Газотурбинная система по п.3, в которой диффузор (5) имеет изогнутый бандажный обод (15), на котором газы сгорания покидают диффузор (5) и входят в коллектор (7), при этом бандажный обод (15) имеет удлинение (31) для увеличения восстановления давления в газотурбинной системе, и удлинение (31) содержит спиральный обод, который продолжает кривую изогнутого бандажного обода (15) с образованием спирали.

8. Газотурбинная система по п.4, в которой диффузор (5) имеет изогнутый бандажный обод (15), на котором газы сгорания покидают диффузор (5) и входят в коллектор (7), при этом бандажный обод (15) имеет удлинение (31) для увеличения восстановления давления в газотурбинной системе, и удлинение (31) содержит спиральный обод, который продолжает кривую изогнутого бандажного обода (15) с образованием спирали.

9. Газотурбинная система по п.5, в которой диффузор (5) имеет изогнутый бандажный обод (15), на котором газы сгорания покидают диффузор (5) и входят в коллектор (7), при этом бандажный обод (15) имеет удлинение (31) для увеличения восстановления давления в газотурбинной системе, и удлинение (31) содержит спиральный обод, который продолжает кривую изогнутого бандажного обода (15) с образованием спирали.