ВЫХЛОПНОЕ УСТРОЙСТВО ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2014 года по МПК F01D25/30 

Изобретение относится к области турбостроения и предназначено для отвода выходящих из турбины продуктов сгорания углеводородного топлива в выхлопную систему турбомашины.

Известно газоотводное устройство газотурбинной установки, содержащее осерадиальный диффузор, сообщенный с выхлопной трубой, который выполнен таким образом, что в поперечном сечении имеет ω-образный (омега образный) профиль, при этом указанный осерадиальный диффузор разделен перегородками, установленными эквидистантно обводам наружной стенки диффузора (см. патент RU №2226610 С2, МПК⁷ F01D 25/30 от 07.02.2001 г.).

Недостатком указанного устройства является повышенное гидравлическое сопротивление обусловленное тем, что наличие большого числа дополнительных ω-образных (омега образных) перегородок, установленных в осерадиальном диффузоре увеличивают потери на трение при прохождении газового потока по данному устройству. Кроме того, приведенная конструкция ω-образного (омега образного) профиля не устраняет гидравлических потерь, вызванных двумя симметричными вихрями, которые имеют место во всех осерадиальных диффузорах от нижней их (скругленной) части до периферийного выходного сечения устройства.

Известно выхлопное устройство турбомашины, содержащее корпус с входным отверстием, расположенным вокруг оси вращения турбины, диффузор, включающий осевую и радиальную части, образованные соответственно внутренней и наружной трактовыми стенками, расположенными внутри корпуса вокруг оси вращения турбины, установленный в корпусе устройства дефлектор, и расположенное в наружной стенке корпуса выходное отверстие (см. патент RU №2220285 С2, МПК⁷ F01D 25/30 от 20.02.2002 г.) По совокупности существенных признаков данное устройство принято в качестве ближайшего аналога изобретения (прототипа). Различные варианты выполнения дефлектора в корпусе указанного устройства предназначены для снижения уровня гидравлических потерь.

К недостаткам данного устройства следует отнести тот факт, что выполнение дефлектора в различных вариантах не способствует устранению вихреобразований в газовом потоке от нижней части устройства к ее периферии и в ряде случаев наоборот - схема с дефлектором в виде резонатора Гельмгольца увеличивает местную скорость газового потока и соответственно уровень потерь.

Технической задачей изобретения является снижение уровня гидравлических потерь в выхлопном устройстве турбомашины за счет устранения двух симметричных вихрей, которые имеют место от нижней их (скругленной) части диффузора до периферийного выходного сечения устройства.

Поставленная задача решается за счет того, что выхлопное устройство турбомашины, содержащее корпус с входным отверстием, расположенным вокруг оси вращения турбины, диффузор, включающий осевую и радиальную части, образованную соответственно внутренней и наружной трактовыми стенками, расположенными внутри корпуса вокруг оси вращения турбины и расположенное в наружной стенке корпуса выходное отверстие, при этом в корпусе устройства, параллельно его стенкам, перпендикулярным оси вращения турбины, в поперечном сечении, соответствующем максимальному диаметру наружной трактовой стенки радиальной части диффузора, смонтирована дополнительная перегородка, имеющая периметр равный периметру параллельных ей стенок корпуса, в которой выполнены одно отверстие и два сквозных паза, причем отверстие в дополнительной перегородке, диаметром, равным максимальному диаметру наружной радиальной части трактовой стенки диффузора, с возможностью выполнения неподвижного герметичного соединения между контуром данного отверстия и указанным контуром наружной радиальной части диффузора, выполнено коаксиально оси вращения турбины, а сквозные пазы выполнены симметрично и «зеркально» относительно вертикальной оси дополнительной перегородки, при этом, верхняя и нижняя кромки каждого сквозного паза параллельны между собой и параллельны горизонтальной оси отверстия в дополнительной перегородке, а боковые, ближние к вертикальной оси перегородки, кромки сквозных пазов выполнены в виде участка дуги (или эквидистантно) окружности максимального диаметра наружной радиальной части трактовой стенки диффузора, причем боковые, дальние от вертикальной оси дополнительной перегородки, кромки сквозных пазов выполнены в виде участков кривых линий (или эквидистантно) обвода внешнего контура дополнительной перегородки, а к кромкам сквозных пазов, по всему их периметру, со стороны передней, относительно входного отверстия устройства, стенки корпуса, с возможностью образования неподвижного герметичного соединения, прикреплены полые короба, выполненные в виде усеченных пирамид, две противоположные криволинейные грани, каждой из которых, образованы поверхностями параллельного переноса кривых, образующих боковые ближние и соответственно дальние кромки сквозных пазов, а две другие грани усеченных пирамид выполнены в виде плоских поверхностей, образованных параллельным переносом соответствующих, параллельных горизонтальной оси дополнительной перегородки, кромок сквозных пазов, при этом, большие полые основания усеченных пирамид выполнены равными по площадям и по периметрам аналогичным параметрам сквозных пазов в дополнительной перегородке, а меньшее основание каждой усеченной пирамиды выполнено в виде криволинейной поверхности, образованной параллельным переносом линейчатых образующих, параллельных прямым кромкам сквозных пазов, по траекториям, соответствующим кромкам криволинейных граней, образующих периметр указанного меньшего основания, причем в нижней, относительно оси вращения турбины, части выхлопного устройства, в канале, образованном внутренней и наружной трактовыми стенками, выполнен симметричный, относительно указанной вертикальной оси, двухсторонний ω-образный (омега образный) стекатель, вершина которого расположена на вертикальной оси выхлопного устройства, в сечении, соответствующем начальному сечению радиального диффузора, а боковые криволинейные поверхности со - образного (омега образного) стекателя выполнены в виде поверхностей симметричных наклонных конусов, имеющих общий участок образующей в его вершине, и плавно переходящих в плоские наклонные поверхности, выполненные с возможностью сопряжения с нижними горизонтальными кромками сквозных пазов, по всей их длине, ограниченные с остальных сторон: криволинейными внешними и внутренними поверхностями радиальной части диффузора и боковой поверхностью криволинейной части корпуса выхлопного устройства, а между верхним горизонтальным участком стенки корпуса устройства с входным отверстием, и расположенной в плоскости перпендикулярной оси вращения турбины и аналогичным участком дополнительной перегородки, до границы выходного отверстия выполнена, с возможностью неподвижного герметичного соединения, плоская стенка, ограниченная со сторон не смежных с указанными горизонтальными участками передней стенки и аналогичным участком дополнительной перегородки, кромками боковой поверхности корпуса устройства.

Выполнение в корпусе устройства дополнительной перегородки с отверстием, позволяет устранить зону обратных токов газового потока в выходном, соответствующем максимальному диаметру наружной радиальной части трактовой стенки диффузора, сечении.

Выполнение в дополнительной перегородке, наряду с указанным отверстием, симметричных, относительно вертикальной оси отверстия, зеркально расположенных сквозных пазов, позволяет разместить в нижней части устройства дополнительные объемы, выполненные в виде полых коробов, представляющих из себя усеченные пирамиды с двумя криволинейными и двумя плоскими гранями, с возможностью образования неподвижного герметичного соединения между торцами граней большего основания пирамид и кромками сквозных пазов, позволяет устранить перетечки газа, а в образованных полыми коробами дополнительных объемах снизить скорость газа при развороте по направлению к выходному отверстию устройства. Это мероприятие способствует устранению условий образования указанных выше вихревых течений и в значительной мере снижает уровень гидравлических потерь.

Выполнение в нижней, относительно оси вращения турбины, части выхлопного устройства, в канале, образованном внутренней и наружной трактовыми стенками, симметричный, относительно указанной вертикальной оси, двухсторонний ω-образный (омега образный) стекатель, вершина которого расположена на вертикальной оси выхлопного устройства, в сечении, соответствующем начальному сечению радиального диффузора, а боковые криволинейные поверхности ω-образного (омега образного) стекателя выполнены в виде поверхностей симметричных наклонных конусов, имеющих общий участок, образующей в его вершине, и плавно переходящих в плоские наклонные поверхности, выполненные с возможностью сопряжения с нижними горизонтальными кромками сквозных пазов, по всей их длине, ограниченные с остальных сторон: криволинейными внешними и внутренними поверхностями радиальной части диффузора и боковой поверхностью криволинейной части корпуса выхлопного устройства, способствует разделению и плавному направлению газового потока в полые короба, выполненные в виде указанных усеченных пирамид.

Выполнение между верхним горизонтальным участком стенки корпуса устройства с входным отверстием и расположенной в плоскости перпендикулярной оси вращения турбины, и аналогичным участком дополнительной перегородки, до границы выходного отверстия, с возможностью неподвижного герметичного соединения, плоской стенки, ограниченной со сторон не смежных с указанными горизонтальными участками передней стенки и аналогичным участком дополнительной перегородки, кромками боковой поверхности корпуса устройства, способствует повышению жесткости устройства и устранению вредных перетечек газа.

Перечисленные выше мероприятия в совокупности позволили снизить уровень гидравлических потерь в выхлопном устройстве турбомашины (как будет показано ниже) на 30%.

На фигуре 1 представлен продольный разрез общего вида выхлопного устройства турбомашины, на фигуре 2 представлено трехмерное изображение выхлопного устройства с прозрачной боковой и верхней стенками корпуса (вид слева при направлении вращения вала турбины против часовой стрелки), на фигуре 3 представлено трехмерное изображение устройства с прозрачной боковой и верхней стенками корпуса (вид справа при направлении вращения вала турбины против часовой стрелки).

Представленное на фиг.1 выхлопное устройство турбомашины содержит корпус 1, входное отверстие 2, ось вращения турбины 3, осевую часть 4 диффузора, радиальную часть 5 диффузора, внутреннюю трактовую стенку 6 диффузора, наружную трактовую стенку 7 диффузора, выходное отверстие 8 корпуса 1 устройства, плоская стенка 17 корпуса 1.

На фиг.2 и 3 представлена дополнительная перегородка 9 (соответственно вид слева и справа), отверстие 10 в дополнительной перегородке 9, левый сквозной паз 11 и правый сквозной паз 12 в дополнительной перегородке 9, левый полый короб 13, правый полый короб 14 и соответственно левая стенка 15 ω-образного (омега образного) стекателя и правая стенка 16 ω-образного (омега образного) стекателя. Пунктирными линиями на рисунках 2 и 3 обозначены линии невидимого контура элементов конструкции.

Устройство, представленное на фиг.1, 2, 3 работает следующим образом: газовый поток продуктов сгорания турбины поступает в осерадиальный диффузор устройства, образованный внутренней трактовой стенкой 6 и наружной трактовой стенкой 7, через входное отверстие 2. Газовый поток проходит осевую часть 4 диффузора, где за счет увеличения площадей поперечного сечения снижается его скорость. Затем газовый поток поступает в радиальную часть 5 диффузора. При этом в радиальной части 5 диффузора, в верхней его части, относительно плоскости горизонтального сечения устройства, газовый поток разворачивается и через выходное отверстие 8 корпуса 1 поступает за пределы устройства. В нижней, относительно плоскости горизонтального сечения устройства, на границе осевой части 4 диффузора и радиальной части 5 диффузора газовый поток посредством ω-образного (омега образного) стекателя, образованного левой стенкой 15 и правой стенкой 16 разделяется на две части, каждая из которых через сквозные пазы 11 и 12 поступает соответственно в левый полый короб 13 и правый полый короб 14, где указанные части газового потока разворачиваются без образования вихревых течений, и направляются к выходному отверстию 8 корпуса 1 устройства. Через выходное отверстие 8 выхлопные газы удаляются за пределы устройства.

По представленной на фиг.1, 2, 3 устройства, была выполнена конструкция опытного образца выхлопного устройства и испытана в натурных условиях в составе газотурбинной установки на газоперекачивающем агрегате ГПА-Ц-16 на компрессорной станции «Ныдинская» компании «Газпром трансгаз Югорск». Результаты проведенных испытаний показали, что снижение гидравлического сопротивления составило величину 225 мм.вод ст.. До внедрения указанного выхлопного устройства гидравлическое сопротивление выхлопного устройства составляло 575 мм.вод.ст. После внедрения предлагаемого по настоящей заявке устройства гидравлическое сопротивление составило величину 350 мм.вод.ст., что позволило увеличить (восстановить) к.п.д. газоперекачивающего агрегата на 30% (относительных). Копия акта испытаний прилагается к материалам данной заявки.

Выхлопное устройство турбомашины содержит корпус с входным отверстием, расположенным вокруг оси вращения турбины, диффузор, расположенное в наружной стенке корпуса выходное отверстие и дополнительную перегородку. Диффузор включает осевую и радиальную части, образованные соответственно внутренней и наружной трактовыми стенками, расположенными внутри корпуса вокруг оси вращения турбины. Дополнительная перегородка выполнена внутри корпуса устройства в плоскости, перпендикулярной оси вращения турбины, с периметром равным периметру параллельных ей стенок корпуса устройства. В дополнительной перегородке выполнено коаксиально оси вращения турбины отверстие, диаметр которого равен максимальному диаметру наружной трактовой стенки радиальной части диффузора. В нижней части дополнительной перегородки выполнены симметрично и «зеркально», относительно вертикальной оси указанной перегородки сквозные пазы. По периметру сквозных пазов неподвижно и герметично установлены полые короба, выполненные в виде усеченных пирамид с двумя криволинейными гранями. Меньшие по площади основания указанных усеченных пирамид направлены в сторону турбины устройства, пространство от верхней кромки дополнительной перегородки до верхней кромки стенки корпуса, содержащей входное отверстие устройства, закрыто герметичной плоской стенкой. Изобретение позволяет повысить эффективность устройства и к.п.д. газотурбинной установки. 3 ил.

Выхлопное устройство турбомашины, содержащее корпус с входным отверстием, расположенным вокруг оси вращения турбины, диффузор, включающий осевую и радиальную части, образованные соответственно внутренней и наружной трактовыми стенками, расположенными внутри корпуса вокруг оси вращения турбины, и расположенное в наружной стенке корпуса выходное отверстие, отличающееся тем, что, в корпусе устройства, параллельно его стенкам, перпендикулярным оси вращения турбины, в поперечном сечении, соответствующем максимальному диаметру наружной трактовой стенки радиальной части диффузора, смонтирована дополнительная перегородка, имеющая периметр, равный периметру параллельных ей стенок корпуса, в которой выполнены одно отверстие и два сквозных паза, причем отверстие в дополнительной перегородке диаметром, равным максимальному диаметру наружной радиальной части трактовой стенки диффузора, с возможностью выполнения неподвижного герметичного соединения между контуром данного отверстия и указанным контуром наружной радиальной части диффузора выполнено коаксиально оси вращения турбины, а сквозные пазы выполнены симметрично и «зеркально» относительно вертикальной оси дополнительной перегородки, при этом верхняя и нижняя кромки каждого сквозного паза параллельны между собой и параллельны горизонтальной оси отверстия в дополнительной перегородке, а боковые ближние к вертикальной оси перегородки кромки сквозных пазов выполнены в виде участка дуги (или эквидистантно) окружности максимального диаметра наружной радиальной части трактовой стенки диффузора, причем боковые дальние от вертикальной оси дополнительной перегородки кромки сквозных пазов выполнены в виде участков кривых линий (или эквидистантно) обвода внешнего контура дополнительной перегородки, а к кромкам сквозных пазов, по всему их периметру, со стороны передней, относительно входного отверстия устройства, стенки корпуса, с возможностью образования неподвижного герметичного соединения, прикреплены полые короба, выполненные в виде усеченных пирамид, две противоположные криволинейные грани, каждой из которых, образованы поверхностями параллельного переноса кривых, образующих боковые ближние и соответственно дальние кромки сквозных пазов, а две другие грани усеченных пирамид выполнены в виде плоских поверхностей, образованных параллельным переносом соответствующих параллельных горизонтальной оси дополнительной перегородки кромок сквозных пазов, при этом большие полые основания усеченных пирамид выполнены равными по площадям и по периметрам, аналогичным параметрам сквозных пазов в дополнительной перегородке, а меньшее основание каждой усеченной пирамиды выполнено в виде криволинейной поверхности, образованной параллельным переносом линейчатых образующих, параллельных прямым кромкам сквозных пазов, по траекториям, соответствующим кромкам криволинейных граней, образующих периметр указанного меньшего основания, причем в нижней относительно оси вращения турбины части выхлопного устройства, в канале, образованном внутренней и наружной трактовыми стенками, выполнен симметричный относительно указанной вертикальной оси двухсторонний сообразный (омега-образный) стекатель, вершина которого расположена на вертикальной оси выхлопного устройства, в сечении, соответствующем начальному сечению радиального диффузора, а боковые криволинейные поверхности сообразного (омега-образного) стекателя выполнены в виде поверхностей симметричных наклонных конусов, имеющих общий участок образующей в его вершине и плавно переходящих в плоские наклонные поверхности, выполненные с возможностью сопряжения с нижними горизонтальными кромками сквозных пазов, по всей их длине, ограниченные с остальных сторон криволинейными внешними и внутренними поверхностями радиальной части диффузора и боковой поверхностью криволинейной части корпуса выхлопного устройства, а между верхним горизонтальным участком стенки корпуса устройства с входным отверстием, и расположенной в плоскости, перпендикулярной оси вращения турбины, и аналогичным участком дополнительной перегородки, до границы выходного отверстия выполнена с возможностью неподвижного герметичного соединения плоская стенка, ограниченная со сторон, не смежных с указанными горизонтальными участками передней стенки и аналогичным участком дополнительной перегородки, кромками боковой поверхности корпуса устройства.