ВСТРОЕННАЯ СИСТЕМА ПРОМЫВКИ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2018 года по МПК F02C7/52 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Варианты выполнения предложенного в настоящем документе изобретения относятся к системам промывки, газотурбинным двигателям и к способам промывки осевых компрессоров.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Газовые турбины широко используются для генераторов энергии, для сжатия газа и, в целом, для всех применений, где требуется вращающийся механический привод. Основным элементом газотурбинного двигателя является компрессор, через который во время эксплуатации протекает и сжимается огромное количество воздуха. Горелки сообщают тепло сжатому воздуху, и расширяющиеся газообразные продукты сгорания приводят в движение турбину, от которой может быть отобрана полезная мощность. При этом качество воздуха, поступающего в компрессор, является очень важным фактором для срока эксплуатации и эффективности газовой турбины. Так, подобный воздух содержит вещества различных типов в виде аэрозолей, например, грязи и коррозийных частиц. Даже если большинство частиц выходит из газовой турбины с выхлопными газами, некоторая часть данных частиц все равно может оседать на рабочих и направляющих лопатках компрессора, особенно на переднем конце, где в конце концов они накапливаются, ухудшая, в результате, аэродинамику и снижая, таким образом, эффективность и эксплуатационные характеристики машины, что приводит к большим экономическим потерям для пользователя. Приток вредных частиц также приводит к другим проблемам, например, к FOD (Foreign Object Damage, повреждение инородными объектами) и коррозии. В связи со всеми указанными причинами необходимо принимать меры для контроля качества воздуха, поступающего в газовую турбину. Как правило, вход газовой турбины выполнен с воздушными фильтрами, которые блокируют, по меньшей мере, частицы, имеющие размеры, превышающие определенный минимум. При этом достаточное количество частиц с меньшими размерами по-прежнему может проходить через фильтровальную систему, прилепляясь и накапливаясь на рабочих и направляющих лопатках компрессора. Описываемое явление, называемое "обрастанием", вызывает необходимость выполнения регулярной периодической промывки газотурбинного компрессора для устранения отложений из указанных частиц на рабочих и направляющих лопатках, и попытки, таким образом, восстановить, по большей части, первоначальные эксплуатационные характеристики компрессора. Промывку газового тракта компрессора обычно выполняют распылением промывочных текучих сред через группу форсунок, распыляющих подобные текучие среды во входное отверстие компрессора, при вращении ротора для обеспечения протекания промывочных текучих сред через компрессор до их выхода в конце машины. Как правило, операции промывки выполняют в одном из двух режимов, в так называемом "неавтономном" режиме, когда очищение выполняют при работающей машине, в то время как другой способ промывки требует выключения машины и, соответственно, называется "автономным". Промывка в "неавтономном" режиме считается менее эффективной, чем "автономная" промывка, поскольку машину эксплуатируют при полной нагрузке, и имеются ограничения на положения форсунок. Действительно, вследствие очень высокой скорости воздуха обычно форсунки размещают в положениях, где воздушный поток имеет низкую скорость, и промывочная жидкость может проникать в центр воздушного потока. В противном случае, вследствие турбулентности воздушного потока и центробежной силы будет происходить перемещение промывочной жидкости к периферии от лопаток. Кроме этого, высокая температура стремится испарить промывочные жидкости. С другой стороны, преимущество "неавтономного" способа состоит в том, что можно продолжать эксплуатировать машину. В свою очередь, в "автономных" способах требуется временная остановка производственного процесса, поскольку в данном случае машина работает только с пускателем и всего на несколько процентов от нормальной скорости полной нагрузки. При "автономной" промывке форсунки, выполненные для распыления промывочных текучих сред, обычно установлены перед лопатками первой ступени низкого давления компрессора. В случае "автономной" промывки во время операции промывки двигатель вращается только для того, чтобы придать промывочным текучим средам достаточно энергии для смывания наростов без вызывания турбулентности и сообщения текучей среде значительных центробежных сил, которые могут выталкивать текучую среду по направлению к корпусу компрессора от промываемых лопаток. Выбор конкретного позиционирования и сборки системы промывки является важным для эффективности промывки, а также для целостности газовой турбины.

Согласно решению, известному из существующего уровня техники, распыляющие форсунки устанавливают внутри раструба газовой турбины в положении таким образом, что распыление направлено прямо на вход компрессора в направлении, почти параллельном воздушному потоку. Недостаток данного решения состоит в том, что в случае поломки форсунки могут вызвать повреждение газовой турбины.

В другом решении, известном из уровня техники, для машин с радиальным входом форсунки фиксируют на внутренней радиальной улитке.

Недостаток указанных обоих решений состоит в том, что форсунки, расположенные внутри проточного тракта в пределах машины, могут создавать искажения потока, влияющие на эксплуатационные характеристики машины.

Таким образом, существует необходимость в усовершенствованной системе промывки, в которой могут быть устранены указанные недостатки.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Встраивание устройства из форсунок и трубопроводов для распыления промывочной жидкости в опорную конструкцию входного фильтра на входе для воздушного потока осевого компрессора обеспечивает создание очень эффективного решения.

В первом аспекте изобретение относится к системе промывки.

Система промывки предназначена для газотурбинного двигателя с осевым компрессором и содержит:

входной фильтр, расположенный на входе для воздушного потока осевого компрессора и предназначенный для защиты компрессора от повреждения инородными объектами, причем входной фильтр содержит опорную конструкцию и фильтровальную сетку, зафиксированную на опорной конструкции,

устройство из форсунок и трубопроводов,

систему подачи промывочной жидкости, соединенную с указанным устройством,

при этом указанное устройство встроено в указанную опорную конструкцию.

Во втором аспекте предложенное изобретение относится к газотурбинному двигателю.

Газотурбинный двигатель содержит:

осевой компрессор,

сборную камеру, размещенную на входе для воздушного потока осевого компрессора,

входной фильтр, расположенный в сборной камере и предназначенный для защиты компрессора от повреждения инородными объектами, причем входной фильтр содержит опорную конструкцию и фильтровальную сетку, зафиксированную на опорной конструкции,

устройство из форсунок и трубопроводов, и

систему подачи промывочной жидкости, соединенную с указанным устройством и встроенную в указанную опорную конструкцию.

В третьем аспекте предложенное изобретение относится к способу промывки осевого компрессора газотурбинного двигателя.

В соответствии с упомянутым способом входной фильтр размещают на входе для воздушного потока осевого компрессора, и систему подачи промывочной жидкости встраивают в упомянутый входной фильтр.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Прилагаемые чертежи, которые включены в настоящее описание и составляют его часть, предназначены для иллюстрации примеров вариантов выполнения предложенного изобретения и совместно с подробным описанием поясняют упомянутые варианты выполнения.

На чертежах:

фиг. 1 изображает продольный разрез газотурбинного двигателя;

фиг. 2 изображает продольный разрез раструба газотурбинного двигателя, выполненного в соответствии с существующим уровнем техники;

фиг. 3 изображает продольный разрез входной зоны газотурбинного двигателя, выполненного в соответствии с существующим уровнем техники;

фиг. 4 изображает аксонометрическую проекцию входной зоны одного варианта выполнения газотурбинного двигателя (в частности, показан FOD фильтр в сборной камере);

фиг. 5 изображает, в покомпонентном виде, некоторые компоненты газотурбинного двигателя, показанного на фиг. 4;

фиг. 6 изображает аксонометрическую проекцию варианта выполнения FOD фильтра, соответствующего фильтру, показанному на фиг. 4 и 5;

фиг. 7 изображает участок ребра, формирующего опорную конструкцию FOD фильтра, показанного на фиг. 6;

фиг. 8 изображает поперечный разрез ребра, показанного на фиг. 7.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В следующем описании примеров вариантов выполнения предложенного изобретения ссылка сделана на прилагаемые чертежи.

Следующее описание не ограничивает предложенное изобретение. Напротив, объем правовой защиты предложенного изобретения определяется независимыми пунктами формулы изобретения.

Во всем описании ссылка на «один вариант выполнения» или «вариант выполнения» означает, что отдельный признак, конструкция или характеристика, описанная в связи с вариантом выполнения, содержится в по меньшей мере одном варианте выполнения предложенного изобретения. Таким образом, по всему описанию фраза "в одном варианте выполнения" или "в варианте выполнения", встречающаяся в различных местах описания, необязательно относится к одному и тому же варианту выполнения. Кроме этого, отдельные признаки, конструкции или характеристики могут быть скомбинированы любым подходящим образом в одном или более варианте выполнения.

На фиг. 1 изображен газотурбинный двигатель на базе авиационного газотурбинного двигателя, обозначенный в целом номером 100 позиции. Стрелка 1 показывает воздушный поток, поступающий в раструб двигателя 100. Основными элементами газотурбинного двигателя являются компрессор 3, камеры 4 сгорания и турбина 5. Газотурбинный двигатель 100 также содержит вал 2, который приводит лопатки компрессора 3 в движение. Сжатый воздух нагревают в камерах 4 сгорания, и получаемые в результате горячие газы расширяются, приводя лопатки турбины 5 в движение, вращая, таким образом, вал 2. В состав двигателя 100 также входит пусковой двигатель (не показан), предназначенный для работы газотурбинного двигателя при пуске и, как указано выше, во время процедур автономной промывки.

Через газотурбинные двигатели протекает огромное количество воздуха, содержащего частицы, которые могут загрязнять рабочие и направляющие лопатки компрессора. До поступления в газотурбинный двигатель воздух должен быть профильтрован для удаления максимальной части содержащихся в воздухе частиц, которые могут вносить свой вклад в обрастание. На входе в газотурбинный двигатель в сборной камере 8 расположен FOD фильтр для остановки указанных частиц, которые могут повреждать, в первую очередь, рабочие и направляющие лопатки компрессора 3.

Несмотря на использование фильтров, затруднительно полностью избежать осаждения и накопления частиц на рабочих и направляющих лопатках компрессора, что вызывает необходимость выполнения периодических операций промывки для восстановления первоначальных уровней эффективности.

Операции промывки выполняют посредством группы форсунок, выполненных с возможностью впрыска распыленной промывочной текучей среды, обычно воды, внутри газотурбинного двигателя.

На фиг. 2 и 3 изображены узлы систем промывки, выполненных в соответствии с существующим уровнем техники.

На фиг. 2 форсунки 7 установлены в раструбе 6 газотурбинного двигателя, в частности, в зоне, обозначенной цифровой позицией.

На фиг. 3 изображена входная часть газотурбинного двигателя, где воздух поступает радиально (исходя из верхнего отверстия), и форсунки 7 установлены на внутренней радиальной улитке (радиально напротив раструба 6). При этом форсунки расположены таким образом, что промывочная текучая среда может поступать и проникать в компрессор, перемещаясь через него к выходу из машины и смывая нарастания вследствие того факта, что во время операции промывки происходит вращение ротора: 1) на низкой скорости при приводе от пускового двигателя в случае автономной промывки или 2) при полной нагрузке в случае неавтономной промывки.

Недостатки описанных известных решений возникают вследствие того, что форсунки, установленные на входных боковых поверхностях, не только создают значительное искажение входного воздушного потока, но также могут вызывать серьезное повреждение рабочих и направляющих лопаток компрессора в случае открепления форсунок от установочных поверхностей.

Альтернативное решение заключается в закреплении форсунок на входной стенке сборной камеры. В этом случае промывочную текучую среду впрыскивают в осевой компрессор с обеспечением ее прохождения через входной фильтр. Такое решение имеет свой недостаток, состоящий в низкой эффективности промывки, поскольку отсутствует поток промывочной текучей среды, непосредственно входящий в компрессор.

На фиг. 4 и 5 изображен входной FOD фильтр 30, расположенный на входе в двигатель 100, причем фильтр 30 расположен в сборной камере 8.

На фиг. 5 изображен входной фильтр 30, раструб 6, а также пулевидный нос, размещаемый перед компрессором 3 газотурбинного двигателя.

На фиг. 6 более подробно изображена аксонометрическая проекция фильтра 30.

Фильтр 30 имеет основание, расположенное на входе для воздушного потока осевого компрессора 3. Фильтр 30 также имеет боковую поверхность, проходящую от основания.

Фильтр 30 имеет осесимметричную форму. В рамках настоящего описания словосочетание "осесимметричная форма" подразумевает любую форму, имеющую плоскую симметрию относительно любого количества осевых плоскостей. В соответствии с настоящим описанием любая плоскость, содержащая центральную ось компрессора, определена как "осевая плоскость".

Фильтр 30 предпочтительно имеет трехмерную форму, имеющую основание и боковую поверхность, для повышения фильтровальной способности относительно площади основания. Боковая поверхность и основание содержат фильтровальную сетку 19, соединенную с опорной конструкцией.

В соответствии с первым вариантом выполнения изобретения фильтровальная сетка 19 зафиксирована только на основании входного фильтра 30 на удалении от входа для воздушного потока осевого компрессора 3. В соответствии со вторым вариантом выполнения сетка 19 может быть также зафиксирована на боковой поверхности входного фильтра 30.

Более предпочтительно, фильтр 30 имеет форму цилиндрической чаши, как показано на фиг. 6, и образован фильтровальной сеткой и ее опорной конструкцией. При этом опорная конструкция содержит первое опорное кольцо 10, расположенное по периферии основания цилиндрической чаши рядом со входом для воздушного потока осевого компрессора 3, и второй опорное кольцо 11, расположенное по периферии другого основания цилиндрической чаши на удалении от входа для воздушного потока осевого компрессора 3. Опорная конструкция завершена группой L-образных ребер 12. Ребра 12 сформированы набором первых реберных сегментов 14, соединяющих два кольца 10 и 11, перпендикулярных данным сегментам, и набором вторых реберных сегментов 15, расположенных в плоскости, заданной основанием 11 цилиндрической чаши. Преимущество конструкции описанного типа состоит в том, что она имеет очень ограниченное влияние на воздушный поток, который может проходить через нее без искажения.

Указанная конструкция удерживает фильтровальную сетку (19 на фиг. 8), зафиксированную на ней посредством смолы. При этом фильтровальная сетка выполнена с возможностью остановки опасных объектов, которые могут поступать в компрессор вместе с воздушным потоком.

В некоторых вариантах выполнения изобретения форсунки и трубопроводы для промывочной текучей среды установлены на кольцах и ребрах, образующих опорную конструкцию входного FOD фильтра 30.

В соответствии с фиг.6 кольцо 10 несет трубопровод 13 для промывочной текучей среды, который проходит вдоль кольца 10, помещенный в смолу, которая также фиксирует фильтровальную сетку 19. Кроме этого, от указанного трубопровода 13 вдоль обода реберной конструкции отходит набор труб 17 для промывочной текучей среды, которые доставляют промывочную текучую среду к форсункам. При этом трубы 17 достигают только серединной точки сходящихся вторых реберных сегментов 15, где они оканчиваются форсункой 18 или парой форсунок 18 (как изображено на фиг. 7).

На фиг. 8 изображена часть (в разрезе) первого реберного сегмента 14, несущего трубу 17 для промывочной текучей среды. При этом первые реберные сегменты 14 (так же как и вторые реберные сегменты 15) имеют U-образный профиль и заполнены смолой 20, причем сетка 19 зафиксирована в смоле 20 концами сетки, как показано на фиг. 8, при этом труба 17 для промывочной текучей среды полностью размещена в смоле 20.

Встраивание системы промывки, то есть форсунок и трубопроводов, в опорную конструкцию входного фильтра имеет преимущество по сравнению с существующим уровнем техники, состоящее в том, что такая система промывки не добавляет дополнительных преград для входного потока текучей среды и не искажает его. Система промывки расположена перед компрессором 3, в частности перед его входом.

Форсунки выполнены с возможностью впрыска промывочной текучей среды непосредственно в компрессор и, при необходимости, в том же осевом направлении воздушного потока и параллельно оси осевого компрессора.

Кроме этого, некоторые из указанных форсунок могут быть выполнены в виде распылительных форсунок. При этом распылительные форсунки могут быть выполнены с возможностью впрыскивания промывочной жидкости в распыленном виде. Другие форсунки могут представлять собой струйные форсунки, выполненные с возможностью создания непрерывного потока промывочной жидкости. В соответствии с описанными вариантами выполнения изобретения распылительные форсунки используют для неавтономной промывки, а струйные форсунки используют для автономной промывки.

Размещение форсунок и трубопроводов в смоле обеспечивает очень малую вероятность открепления форсунки или трубопровода.

Как правило, трубопроводы соединены с системой подачи воды, которая может содержать отфильтрованную воду, в конечном итоге дистиллированную, обработанную и смешанную с очищающими химическими реагентами.

Часть промывочной воды, выходящей из газотурбинного двигателя, может быть собрана и переработана для повторного использования, после очищения от собранных наростов и обработки, совместно со свежей водой в качестве чистой промывочной воды.

Входной фильтр и встроенная система промывки повышают эффективность процесса промывки, не оказывают влияние на воздушный поток и устраняют риск попадания инородных тел в осевой компрессор и его повреждения.

Такая система снижает время простоя газотурбинного двигателя и увеличивает процент восстановления эффективности (после промывки) с очевидной экономической выгодой.

Предложена система промывки для газотурбинного двигателя с осевым компрессором (3), содержащая входной фильтр (30) на входе для воздушного потока осевого компрессора (3) для защиты от повреждения инородными объектами, устройство из форсунок и трубопроводов для впрыска промывочной жидкости и систему подачи промывочной жидкости, соединенную с указанным устройством. Входной фильтр (30) содержит опорную конструкцию (10, 11, 12) и фильтровальную сетку (19), зафиксированную на опорной конструкции (10, 11, 12), а указанное устройство из форсунок и трубопроводов встроено в указанную опорную конструкцию входного фильтра. Технический результат: система снижает время простоя газотурбинного двигателя и увеличивает процент восстановления эффективности (после промывки) с экономической выгодой. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Система промывки для газотурбинного двигателя (100) с осевым компрессором (3), содержащая:

входной фильтр (30), расположенный на входе для воздушного потока осевого компрессора (3), предназначенный для защиты компрессора (3) от повреждения инородными объектами и содержащий опорную конструкцию (10, 11, 12) и фильтровальную сетку (19), зафиксированную на опорной конструкции (10, 11, 12),

устройство из форсунок (18) и трубопроводов (13, 17), встроенное в указанную опорную конструкцию (10, 11, 12),

систему (16) подачи промывочной жидкости, соединенную с указанным устройством (13, 17, 18),

при этом входной фильтр (30) содержит основание, расположенное на входе для воздушного потока осевого компрессора (3), и боковую поверхность, проходящую от первого основания и имеющую осесимметричную форму.

2. Система по п. 1, в которой указанная боковая поверхность имеет осесимметричную форму относительно центральной оси компрессора.

3. Система по п. 1, в которой фильтровальная сетка (19) зафиксирована только на основании входного фильтра (30) на удалении от входа для воздушного потока осевого компрессора (3).

4. Система по п. 1, в которой фильтровальная сетка (19) зафиксирована на основании входного фильтра (30) на удалении от входа для воздушного потока осевого компрессора (3), а также зафиксирована на указанной боковой поверхности указанного входного фильтра (30).

5. Система по п. 1, в которой фильтровальная сетка (19) зафиксирована смолой на опорной конструкции (10, 11, 12).

6. Система по п. 5, в которой форсунки (18) и трубопроводы (13, 17) размещены в упомянутой смоле (20).

7. Система по п. 1, в которой входной фильтр (30) имеет форму цилиндрической чаши, при этом опорная конструкция (10, 11, 12) содержит:

первое опорное кольцо (10), расположенное по периферии основания цилиндрической чаши рядом с входом для воздушного потока осевого компрессора (3),

второе опорное кольцо (11), расположенное по периферии основания цилиндрической чаши на удалении от входа для воздушного потока осевого компрессора (3),

набор L-образных ребер (12), причем короткие сегменты (14) указанных ребер (12) выполнены параллельными и на расстоянии друг от друга и соединяют указанные кольца (10, 11), а длинные сегменты (15) указанных ребер (12) расположены радиально в указанном втором опорном кольце (11) и соединены в центре упомянутого второго кольца.

8. Система по п. 1, в которой форсунки (18) расположены с возможностью впрыска промывочной жидкости в направлении, по существу, параллельном воздушному потоку к входу для воздушного потока осевого компрессора (3) и оси осевого компрессора (3).

9. Система по п. 1, в которой некоторые форсунки представляют собой распылительные форсунки, выполненные с возможностью впрыска промывочной жидкости в распыленном виде, при этом некоторые форсунки представляют собой струйные форсунки, выполненные с возможностью создания непрерывного потока промывочной жидкости.

10. Система по п. 9, в которой указанные распылительные форсунки расположены и выполнены только для неавтономной промывки, а указанные струйные форсунки расположены и выполнены только для автономной промывки.

11. Система по п. 1, в которой система (16) подачи промывочной жидкости содержит блок для фильтрования и/или обработки воды и/или блок для смешивания воды с очищающим веществом.

12. Система по любому из предыдущих пунктов, в которой система (16) подачи промывочной жидкости содержит систему рециркуляции для рециркуляции по меньшей мере части воды, выходящей из газотурбинного двигателя.

13. Система по п. 12, в которой система (16) подачи воды содержит блок для очищения рециркулированной воды.

14. Газотурбинный двигатель, содержащий:

осевой компрессор (3),

сборную камеру (8), расположенную на входе для воздушного потока осевого компрессора (3),

входной фильтр (30), расположенный в сборной камере (8), предназначенный для защиты компрессора (8) от повреждения инородными объектами и содержащий опорную конструкцию (10, 11, 12) и фильтровальную сетку (19), зафиксированную на опорной конструкции (10, 11, 12),

устройство из форсунок (18) и трубопроводов (13, 17),

систему (16) подачи промывочной жидкости, соединенную с указанным устройством (13, 17, 18) и встроенную в указанную опорную конструкцию (10, 11, 12).

15. Газотурбинный двигатель по п. 14, содержащий систему промывки по любому из пп. 1-13.

16. Способ промывки осевого компрессора (3) газотурбинного двигателя (100), в котором входной фильтр (30) располагают на входе для воздушного потока осевого компрессора (3), при этом в указанный входной фильтр (30) встраивают систему (16) подачи промывочной жидкости.

17. Способ по п. 16, в котором систему (16) подачи промывочной жидкости используют для неавтономной промывки и/или для автономной промывки.