СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ В ВЫХЛОПНОМ ТРАКТЕ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ И ОСЕРАДИАЛЬНЫЙ ДИФФУЗОР СИЛОВОЙ ТУРБИНЫ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2018 года по МПК F01D25/30 

Изобретение относится к области турбостроения и предназначено для отвода продуктов сгорания углеводородного топлива из силовых турбин газоперекачивающих агрегатов и энергетических установок в атмосферу.

Изобретение позволяет повысить эффективность газоотводных устройств за счет снижения гидравлического сопротивления выхлопного тракта газотурбинной установки. Снижение гидравлического сопротивления выхлопного тракта газотурбинной установки осуществляется комплексом мероприятий для снижения негативного влияния парного вихря и снижения потерь полного давления выхлопных газов в осерадиальном диффузоре при повороте потока газов в радиальной части диффузора в направлении, перпендикулярном оси силовой турбины в направлении выхлопа в атмосферу.

Уровень техники. Осерадиальный диффузор включает осевую и радиальную части. Оси газогенератора, силовой турбины и осерадиального диффузора совпадают. Кольцевой осевой диффузор располагается ниже по потоку от силовой турбины. Осевая часть осерадиального диффузора образована внутренней трактовой стенкой и наружной трактовой стенкой, совместно образующими кольцеобразный канал входа-выхода газов, площадь поперечного сечения которого монотонно увеличивается в направлении движения потока газов. Охватывающий кольцевую осевую часть корпус образует радиальную часть диффузора, причем осевая часть осерадиального диффузора расположена внутри этой радиальной части диффузора. Со стороны входа газов от свободной силовой турбины перпендикулярно оси газогенератора устанавливается плоская передняя стенка, а напротив нее (также перпендикулярно оси газогенератора) устанавливается задняя стенка. Для удобства монтажа осерадиальный диффузор имеет фланец прямоугольной формы, плоскость которого расположена над осью газогенератора и параллельна горизонтальной плоскости. Фланец соединяет четыре вертикальные стенки - переднюю стенку, заднюю стенку, две боковые стенки. На фланец устанавливается переходник диффузора, передняя стенка которого обращена в сторону силовой турбины и наклонена под углом к вертикали. Осерадиальный диффузор, оканчивающийся фланцем, в практике часто называют «улиткой выхлопа». Далее по потоку устанавливается переходник диффузора, который через компенсатор соединен с корпусом шумоглушителя с установленными внутри кассетами шумоглушения. Корпус шумоглушителя соединяется с выхлопным патрубком. Корпус шумоглушителя с установленными внутри кассетами шумоглушения и выхлопным патрубком в практике часто называют «шахтой выхлопа». Основное назначение осевого диффузора состоит в том, чтобы снизить скорость потока выхлопных газов и преобразовать как можно большую часть кинетической энергии в потенциальную энергию давления. Особенностью осевой части диффузора с кольцеобразным каналом входа и выхода газов является наличие так называемого «косого среза» на наружной трактовой стенке, плоскость которого обращена в сторону шахты выхлопа.

Ниже по потоку от осевой части осерадиального диффузора расположена радиальная часть. Назначение радиальной части состоит в том, чтобы перенаправить кольцевой поток газов, выходящих из осевой части диффузора преимущественно в осевом направлении на перпендикулярное направление, относительно оси силовой турбины, направленное в сторону шахты выхлопа.

Для того чтобы сделать возможным сбор и перенаправление потока отводимых выхлопных газов в шахту выхлопа без значительных потерь давления, необходимо, чтобы радиальная часть диффузора имела определенный диаметр. Однако большой поперечный диаметр означает, что осерадиальный диффузор будет занимать много места. Например, в патенте (5) Патент РФ RU 2504665, F01D 25/30 улитка отвода газов занимает всю ширину моторного отсека, что крайне неудобно с точки зрения эксплуатации и чрезвычайно дорого при модернизации ГПА.

Известно газоотводное устройство (ГОУ), (1) приведенное в книге: Бордовицына Ю.А., Вимба Л.А. и др. "Воздухоприемные и газоотводные устройства судовых ГТУ", Судостроение, 1969 г. Газоотводное устройство содержит кольцевой осерадиальный диффузор, размещенный в кожухе, сообщенном с выхлопной трубой. Недостатком этого устройства является то, что при движении газа в кожухе возникает неравномерное поле скоростей, и, как следствие, образуются вихревые зоны. Наличие вихревых зон в газовом потоке создает наибольшую составляющую гидравлического сопротивления.

Известно газоотводное устройство газотурбинной установки (2) Патент РФ RU №2226610 С2, МПК7 F01D 25/30 от 07.02.2001 г., 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. 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 скругленной части до периферийного выходного сечения устройства.

Известно выхлопное устройство турбомашины (3), Патент РФ RU №2220285 С2, МПК7 F01D 25/30 от 20.02.2002 г., 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. Дефлектор выполнен в виде наклоненной к срезу диффузора пластины, трактовая поверхность которой направлена по потоку на срезе диффузора. Дефлектор скреплен с наружной стенкой корпуса с образованием полости вне тракта и расположен напротив выходного отверстия перед наружной стенкой диффузора. Объем трактовой полости над пластиной дефлектора без объема диффузора в целое число раз превышает объем полости вне тракта. Полость вне тракта сообщена с трактовой полостью щелевыми каналами в месте сопряжения пластины дефлектора с наружной трактовой стенкой диффузора. Различные варианты выполнения дефлектора в корпусе указанного устройства предназначены для снижения уровня гидравлических потерь. Недостатком данного выхлопного устройства турбомашины является возможность возникновения акустических колебаний, связанных с объемом, отключенным от проточной части и соединенным с ним каналами, что образует резонатор Гельмгольца.

Известно газоотводное устройство газотурбинной установки (4). Патент РФ RU 2202697, F01D 25/30. Газоотводное устройство газотурбинной установки содержит кольцевой осерадиальный диффузор и охватывающий его кожух, сообщенный с выхлопной трубой. Выходной участок наружной оболочки кольцевого осерадиального диффузора выполнен кососрезанным. Плоскость кососрезанного участка наклонена в сторону расположения выхлопной трубы. По данному признаку устройство принято в качестве ближайшего аналога изобретения (прототип). Недостатком прототипа является усиление парного вихря, связанного с тем, что соударение вихревых трубок парного вихря у передней радиальной стенки диффузора приводит к возникновению локальной зоны с повышенным давлением, которая влияет на характер истечения потока газов из осевой части осерадиального диффузора и увеличивает окружную составляющую потока газов.

Чрезвычайно важно, чтобы при перенаправлении потока, выходящего из осевой части в радиальную часть, не возникал парный вихрь, который генерируется при движении горизонтальных встречных потоков в радиальной части диффузора. Парный вихрь - это устойчивая вихревая структура, состоящая из двух вихревых воронок-торнадо. Вихревые жгуты воронок-торнадо возникают от потоков газов, идущих в направлении, противоположном движению основного потока из осевой части диффузора и отраженных от плоской стенки радиальной части диффузора, при этом вихревые жгуты локализуются на срезе сопла осевой части диффузора справа и слева от оси. Площадь, занимаемая парным вихрем, является «паразитной» и не участвует в процессе расширения и торможения потока. Эти вихри имеют противоположное вращение друг к другу и на границе соприкосновения друг с другом образуют зону повышенного давления. Потоки газов, вытекающих из области повышенного давления, перетекая, «вклиниваются» в область разрежения (которая характерна для среза сопла и меняет картину истечения газа из сопла), чем усиливают вихреобразование. Результаты продувок моделей осерадиальных диффузоров на программном комплексе «Флоу-Вижн» показывают, что в центре вихря температура понижается на 2-3 градуса, т.е энергия газового потока расходуется на эффект Хильша-Ранка. Естественно, что нецелевое расходование энергии газового потока в радиальной части диффузора приводит к неэффективности работы оборудования в целом.

Задачей настоящего изобретения является снижение негативного воздействия от вихреобразования и снижение связанных с ним гидравлических сопротивлений осерадиального диффузора газоотводного устройства силовой турбины.

Поставленная задача решается путем увеличения вертикальной составляющей абсолютной скорости потока около передней стенки радиальной части осерадиального диффузора и сдува в вертикальном направлении мест начала вихреобразования на верхней части кососрезанного осевого диффузора.

Способ снижения гидравлических потерь в выхлопном тракте газотурбинной установки, заключающийся в снижении скорости потока выхлопных газов, горизонтально выходящих из силовой турбины в осевую часть осерадиального диффузора за счет расширения потока в кольцеобразном осевом канале, с последующим поворотом потока газов на 90 градусов в радиальной части, основанный на том, что поток выхлопных газов, выходящих из нижней половины осевой части осерадиального диффузора отражают от задней стенки радиальной части осерадиального диффузора и подают на наклонную газоотбойную пластину, установленную и закрепленную на кромке кососрезанного осевого диффузора, при помощи которой отражают поток газов в направлении выхода из шахты выхлопа, чем обеспечивают обдув мест возникновения и локализации вихревых трубок в верхней части осевого диффузора и снижают вихреобразование на его кромке; при этом для ликвидации вихреобразования в прямых углах передней стенки радиальной части осерадиального диффузора используют вертикально направленный поток, исходящий из щелевых каналов, расположенных у боковых стенок радиальной части осерадиального диффузора.

Осерадиальный диффузор силовой турбины для осуществления способа по п. 1, состоящий из радиальной части 1, с расположенным внутри нее кольцевым осевым диффузором 2, образованным внутренней трактовой стенкой 3 и внешней трактовой стенкой 4, кромка 5 которой выполнена кососрезанной, с плоскостью кососрезанного участка, наклоненной в сторону расположения выхлопной трубы с крайней верхней точкой А кососрезанной кромки 5 внешней трактовой стенки 4 осевого диффузора 2, расположенной на передней плоской стенке ПС радиальной части диффузора. К кососрезанной кромке 5, укреплена, например, при помощи сварки, газоотбойная пластина 6, которая сверху и снизу жестко зафиксирована к передней и нижней стенкам радиальной части 1 осерадиального диффузора. Около боковых вертикальных стенок 7 и 8 радиальной части диффузора 1 к газоотбойной пластине 6 закреплены две вертикальные стенки 9 и 10, установленные параллельно боковым стенкам 7 и 8 таким образом, что вместе с внешними боковыми стенками 7 и 8 образуют два пристеночных щелевых канала 11 и 12. Нижняя поверхность 13 щелевого канала 12, расположенная между двумя параллельными стенками 8 и 10, и нижняя поверхность 14 щелевого канала 11 (на Фиг. 1 не показана), расположенная между двумя параллельными стенками 7 и 9, выполнены по кривой второго порядка, например по параболе. Установка осерадиального диффузора на раму и его центровка осуществлена либо по стенкам 7 и 8, на которых жестко закреплены силовые элементы, либо по силовым фланцам 14 и 15, установленным на передней ПС и задней стенке ЗС радиальной части 1, причем для ориентации и фиксации осерадиального диффузора в вертикальной плоскости с шагом 4 градуса относительно оси газотурбинного двигателя на силовых фланцах 14 и 15 выполнено по 90 отверстий.

Использование заявляемого способа и устройства позволяет увеличить вертикальную составляющую скорости потока в местах локализации вихревых трубок (расположенных около передней стенки радиальной части осерадиального диффузора, которые локализуются) на верхней части среза осевой части диффузора. Эти мероприятия позволяют ликвидировать парный вихрь, возникающий на срезе в верхней осевой части осерадиального диффузора, и отдельные вихри, расположенные в прямых углах у плоской задней стенки радиальной части осерадиального диффузора, в результате чего обеспечивается снижение гидравлического сопротивления выхлопного тракта и снижается расход топлива.

Область применения заявляемого способа и устройства - для новых агрегатов и агрегатов, которые планируется подвергнуть комплексному восстановительному ремонту для увеличения ресурса ГПА или газовой электростанции.

Источники информации

1. Бордовицын Ю.А., Вимба Л.А. и др. "Воздухоприемные и газоотводные устройства судовых ГТУ", Судостроение, 1969 г.

2. Патент РФ RU №2226610 С2, МПК7 F01D 25/30 от 07.02.2001 г.

3. Патент РФ RU №2220285 С2, МПК7 F01D 25/30 от 20.02.2002 г.

4. Патент РФ RU 2202697, F01D 25/30.

5. Патент РФ RU 2504665, F01D 25/30.

Способ снижения гидравлических потерь в выхлопном тракте газотурбинной установки и осерадиальный диффузор силовой турбины для его осуществления, областью применения которого являются газоперекачивающие агрегаты и электростанции с газотурбинными двигателями, которые планируется подвергнуть комплексному восстановительному ремонту для увеличения ресурса ГПА. Заявляемый способ и устройство для его осуществления заключается в проведении комплекса мероприятий, которые позволяют увеличить вертикальную составляющую скорости потока в местах локализации вихревых трубок, расположенных около передней стенки радиальной части осерадиального диффузора, которые локализуются на верхней части среза осевой части диффузора. Реализация этих мероприятий позволяет ликвидировать парный вихрь, возникающий на срезе в верхней осевой части осерадиального диффузора и отдельные вихри, расположенные в прямых углах у плоской задней стенки радиальной части осерадиального диффузора, в результате чего обеспечивается снижение гидравлического сопротивления выхлопного тракта и снижается расход топлива. Использование заявляемого способа и осерадиального диффузора силовой турбины позволяет увеличить энергоэффективность оборудования за счет снижения потребляемого расхода топливного газа, обусловленного уменьшением гидравлического сопротивления выхлопного тракта при работе газотурбинного двигателя. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ снижения гидравлических потерь в выхлопном тракте газотурбинной установки, заключающийся в снижении скорости потока выхлопных газов, горизонтально выходящих из силовой турбины в осевую часть осерадиального диффузора за счет расширения потока в кольцеобразном осевом канале, с последующим поворотом потока газов на 90 градусов в радиальной части, отличающийся тем, что поток выхлопных газов, выходящих из нижней половины осевой части осерадиального диффузора, отражают от задней стенки радиальной части осерадиального диффузора и подают на наклонную газоотбойную пластину, установленную и закрепленную на кромке кососрезанного осевого диффузора, при помощи которой отражают поток газов в направлении выхода из шахты выхлопа, чем обеспечивают обдув мест возникновения и локализации вихревых трубок в верхней части осевого диффузора и снижают вихреобразование на его кромке; при этом для ликвидации вихреобразования в прямых углах передней стенки радиальной части осерадиального диффузора используют вертикально направленный поток, исходящий из щелевых каналов, расположенных у боковых стенок радиальной части осерадиального диффузора.

2. Осерадиальный диффузор силовой турбины для осуществления способа по п. 1, состоящий из радиальной части 1, с расположенным внутри нее кольцевым осевым диффузором 2, образованным внутренней трактовой стенкой 3 и внешней трактовой стенкой 4, кромка 5 которой выполнена кососрезанной, с плоскостью кососрезанного участка, наклоненной в сторону расположения выхлопной трубы, отличающийся тем, что крайняя верхняя точка А кососрезанной кромки 5 внешней трактовой стенки 4 осевого диффузора 2 расположена на передней плоской стенке ПС радиальной части диффузора, а к кососрезанной кромке 5 укреплена, например, при помощи сварки, газоотбойная пластина 6, которая сверху и снизу жестко зафиксирована к передней и нижней стенкам радиальной части 1 осерадиального диффузора, причем около боковых вертикальных стенок 7 и 8 радиальной части диффузора 1 к газоотбойной пластине 6 закреплены две вертикальные стенки 9 и 10, установленные параллельно боковым стенкам 7 и 8 таким образом, что вместе с внешними боковыми стенками 7 и 8 образуют два пристеночных щелевых канала 11 и 12, причем нижняя поверхность 13 щелевого канала 12, расположенная между двумя параллельными стенками 8 и 10, и нижняя поверхность щелевого канала, расположенная между двумя параллельными стенками 7 и 9, выполнены по кривой второго порядка, например по параболе; причем установка осерадиального диффузора на раму и его центровка осуществлена либо по стенкам 7 и 8, на которых жестко закреплены силовые элементы, либо по силовым фланцам 14 и 15, установленным на передней ПС и задней стенке ЗС радиальной части 1, причем для ориентации и фиксации осерадиального диффузора в вертикальной плоскости с шагом 4 градуса относительно оси газотурбинного двигателя на силовых фланцах 14 и 15 выполнено по 90 отверстий.