Газотурбинный двигатель, содержащий кожух с охлаждающими ребрами Российский патент 2020 года по МПК F01D25/12 F01D25/14 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Данная заявка и последующий патент относятся в целом к газотурбинным двигателям. Варианты выполнения, описанные в данном документе, относятся к газотурбинным двигателям для промышленных вариантов применения, например, для механического приведения в действие или выработки электроэнергии.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Обычно газотурбинные двигатели применяются в качестве пусковых двигателей в некоторых областях промышленности и воздухоплавания. К промышленным вариантам применения относятся, в частности, механические приводные конструкции, в которых газотурбинный двигатель используется для приведения в действие нагрузки, такой как ротационная турбомашина, например компрессор или блок компрессоров, насос или другое оборудование. К другим типичным промышленным вариантам применения относится выработка энергии, при которой газотурбинный двигатель используется для приведения в действие электрогенератора для производства электроэнергии.

Некоторые зоны газотурбинного двигателя подвержены высоким тепловым нагрузкам вследствие циркуляции горячих газов сгорания в турбомашине. В частности, это имеет место в зоне силовой турбинной секции и диффузора для отработавших газов. Перепады температуры в этих зонах могут привести к возникновению значительных механических напряжений вследствие тепловых градиентов в элементах машины.

Таким образом, существует постоянная необходимость в усовершенствовании конструкции горячих частей газотурбинного двигателя для улучшения рабочих режимов турбомашины, например, с точки зрения напряжений, вызванных нагревом.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Таким образом, в данной заявке и последующем патенте предложен газотурбинный двигатель, содержащий компрессорную секцию, топочную секцию и турбинную секцию. Компрессорная секция предназначена для сжатия воздуха горения, который подается в топочную секцию. Топливо смешивается со сжатым воздухом, и воздушно-топливная смесь воспламеняется в топочной секции с образованием высокотемпературных сжатых газов сгорания. Турбинная секция предназначена для прием горячих газов сгорания, находящихся под давлением, и расширения газов сгорания с образованием механической энергии. Турбинная секция может содержать ротор турбины, содержащий по меньшей мере одно рабочее колесо с лопатками, вращающееся вокруг оси вращения турбины. Турбинная секция может также содержать диффузор для отработавших газов и кожух, имеющий внутреннюю поверхность и наружную поверхность. В вариантах выполнения, описанных в данном документе, имеются охлаждающие ребра, расположенные на указанной наружной поверхности кожуха.

В некоторых вариантах выполнения охлаждающие ребра имеют кольцевую форму и окружают ось вращения ротора турбины. Кольцевая форма может способствовать улучшению циркуляции воздуха вокруг кожуха, в частности циркуляции воздуха в направлении от нижней части к верхней части кожуха. В других вариантах выполнения могут быть выполнены охлаждающие ребра, проходящие в осевом направлении, то есть параллельно оси вращения турбины. Кроме того, также может быть выполнена комбинация из кольцевых и осевых охлаждающих ребер.

Согласно некоторым вариантам выполнения охлаждающие ребра могут быть расположены круговым образом вокруг указанного по меньшей мере одного вращающегося рабочего колеса ротора турбины. Турбинная секция может содержать по меньшей мере один бандаж, окружающий указанное по меньшей мере одно рабочее колесо и соединенный с кожухом. Охлаждающие ребра могут быть расположены вокруг бандажа.

Иллюстративные варианты выполнения газотурбинного двигателя, описанные в данном документе, содержат кожух, имеющий турбинную часть и диффузорную часть, соединенные друг с другом по границе соединения или в области соединения. Охлаждающие ребра могут быть расположены в месте соединения между турбинной частью кожуха и диффузорной частью кожуха или вблизи указанного места соединения. Таким образом, может быть получен предпочтительный температурный профиль, что может способствовать уменьшению тепловых напряжений и деформации. В некоторых вариантах выполнения это может облегчить демонтаж частей кожуха.

Ниже описаны характерные особенности и варианты выполнения, которые изложены также в прилагаемой формуле изобретения, составляющей неотъемлемую часть данного описания. В вышеизложенном кратком описании приведены характерные особенности различных вариантов выполнения данного изобретения для лучшего понимания нижеследующего подробного описания и оценки вклада, вносимого в уровень техники. Разумеется, существуют и другие характерные особенности изобретения, которые описаны ниже и изложены в прилагаемой формуле изобретения. В связи с этим, прежде чем перейти к подробному объяснению некоторых вариантов выполнения изобретения, следует отметить, что различные варианты выполнения изобретения не ограничены в их применении элементами конструкции и расположением компонентов, указанными в нижеприведенном описании или изображенными на чертежах. Изобретение может иметь другие варианты выполнения и может быть реализовано на практике и осуществлено различными способами. Кроме того, следует понимать, что фразеология и терминология, используемые в данном документе, служат для описательных целей и не должны считаться ограничивающими.

По существу, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что принцип, на котором основано изобретение, может быть легко применен в качестве базы для разработки других конструкций, способов и/или систем для реализации некоторых целей данного изобретения. Таким образом, важно рассматривать формулу изобретения как охватывающую такие эквивалентные конструкции, если они не выходят за рамки сущности и объема данного изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Более полная оценка и понимание предложенных вариантов выполнения изобретения и многочисленных присущих им преимуществ могут быть получены при рассмотрении нижеприведенного подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг. 1 изображает блок-схему турбинной установки, содержащей газотурбинный двигатель и нагрузку,

фиг. 2 изображает схематический разрез газотурбинного двигателя, показанного на фиг. 1, и

фиг. 3 изображает увеличенную часть турбинной секции газотурбинного двигателя, показанного на фиг. 2.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Нижеследующее подробное описание иллюстративных вариантов выполнения приведено со ссылкой на прилагаемые чертежи. Одинаковые номера позиций на разных чертежах обозначают одинаковые или аналогичные элементы. Кроме того, чертежи не обязательно выполнены в масштабе. Более того, нижеприведенное подробное описание не ограничивает изобретение, объем которого определяется прилагаемой формулой изобретения.

Используемое на протяжении всего описания выражение «один вариант выполнения» или «вариант выполнения» означает, что конкретный признак, конструкция или характерная особенность, описанные в связи с вариантом выполнения, присущи по меньшей мере одному варианту выполнения рассматриваемого изобретения. Таким образом, фразы «в одном варианте выполнения», «в варианте выполнения» или «в некоторых вариантах выполнения», встречающиеся в разных местах на протяжении всего описания, не обязательно относятся к одному и тому же варианту выполнения (одним и тем же вариантам выполнения). Кроме того, конкретные признаки, конструкции или характерные особенности могут сочетаться любым соответствующим образом в одном или более вариантах выполнения.

На фиг. 1 изображена блок-схема газотурбинной установки 1, содержащей газотурбинный двигатель 3 и нагрузку 5, приводимую в действие двигателем 3. Нагрузка 5 может представлять собой ротационную турбомашину, например центробежный компрессор, электрогенератор или любую другую нагрузку, приводимую в действие с помощью механической энергии, вырабатываемой двигателем 3.

Газотурбинный двигатель 3 может содержать воздухозаборную секцию 7, проточно соединенную с компрессорной секцией 9. Компрессорная секция 9 обеспечивает всасывание воздуха 11, повышение его давления и передачу сжатого воздуха 13 в топочную секцию 15. Топливо 17 подается в топочную секцию 15 и смешивается с указанным сжатым воздухом. Воздушно-топливная смесь сжигается с образованием потока горячих газов 19 сгорания, находящихся под давлением. Газы 19 сгорания подаются в турбинную секцию 21, где происходит их расширение с образованием механической энергии, которая может быть снята с вала 23, присоединенного к нагрузке 5 с возможностью передачи приводного усилия. Наконец, отработавшие газы 25 выводятся через выпускную секцию 27. Вал 23 может быть выполнен из двух или более частей, соединенных друг с другом с образованием непрерывного вала или линии валов, проходящей от компрессорной секции 9 до нагрузки 5. Вдоль линии валов могут быть расположены соединительные разъемы или муфты, а также коробки передач (не показаны).

В варианте выполнения, схематически изображенном на фиг. 1, двигатель 3 представляет собой газотурбинный двигатель с одним валом, проходящим от компрессорной секции 9 к нагрузке 5. В других вариантах выполнения газотурбинный двигатель может представлять собой газотурбинный двигатель с несколькими валами, в котором первый вал соединяет, с возможностью передачи приводного усилия, турбинную секцию высокого давления с компрессорной секцией 9, а второй вал соединяет, с возможностью передачи приводного усилия, турбинную секцию низкого давления с нагрузкой 5.

На фиг. 2, со ссылкой на фиг. 1, изображен схематический разрез газотурбинного двигателя 3. Компрессорная секция 9 может содержать ротор 31 компрессора, который вращается вокруг оси А-А вращения газовой турбины. В иллюстративном варианте выполнения, изображенном на фиг. 2, секция 9 содержит осевой компрессор, содержащий ротор 31, образованный рабочими колесами 33. Каждое рабочее колесо 33 компрессора содержит вращающиеся лопатки 35, расположенные по периферии. Выше по потоку от каждого набора вращающихся лопаток 35 компрессора расположены неподвижные лопатки 37 или направляющие лопатки компрессора, причем каждая пара последовательно расположенных наборов неподвижных и вращающихся лопаток компрессора образует ступень компрессора.

Турбинная секция 21 может содержать ротор 41 турбины. Ротор 41 может содержать одно или более рабочих колес 43 турбины, выполненных с лопатками, например три таких колеса. В других вариантах выполнения может иметься другое количество рабочих колес 43 турбины, установленных на одном роторе или на нескольких механически независимых роторах разных турбинных секций. Каждое рабочее колесо 43 содержит набор вращающихся турбинных лопаток 45, расположенных по окружности. Выше по потоку от каждого набора вращающихся лопаток 45 расположены соответствующие наборы неподвижных турбинных лопаток или направляющих лопаток 47, расположенных по окружности. Одна или более неподвижных турбинных лопаток могут быть выполнены с возможностью регулирования их углового положения вокруг соответствующей радиальной оси для регулирования рабочих режимов газотурбинного двигателя. Каждая пара, состоящая из набора неподвижных лопаток 47 и соответствующего набора вращающихся лопаток 45, образует ступень турбины.

В некоторых вариантах выполнения ротор 41 турбины и ротор 31 компрессора образуют общий ротор газовой турбины. Расширение горячих газов сгорания, находящихся под давлением, в турбинной секции 21 обеспечивает образование механической энергии, которая может быть снята с ротора газовой турбины и частично расходуется на приведение ротора 31 во вращение для продолжения сжатия воздуха и, таким образом, поддержания процесса горения в топочной секции 15. Оставшаяся механическая энергия, образованная в результате расширения газа в турбинной секции и не используемая для приведения в действие компрессорной секции 9, может использоваться в качестве полезной энергии для приведения в действие нагрузки 5, которая может быть соединена с механической муфтой 51 на валу 23.

В иллюстративном варианте выполнения, изображенном на фиг. 1 и 2, нагрузка 5 присоединена к горячему концу газотурбинного двигателя 3. В других вариантах выполнения, не изображенных на чертежах, нагрузка 5 может быть присоединена к противоположному, холодному концу двигателя 3, то есть на его воздухозаборной стороне. В других вариантах выполнения, не изображенных на чертежах, соответствующие нагрузки могут быть механически присоединены на обоих концах двигателя 3.

Вышеописанные вращающиеся элементы турбомашины обычно расположены в корпусе, образованном одним или более кожухами. На фиг. 2 кожух турбинной секции схематически показан под номером 52 позиции.

На фиг. 3, со ссылкой на фиг. 2, изображена увеличенная часть турбинной секции 21 и относящегося к ней кожуха 52. На фиг. 3 под номером 45А позиции показан последний набор вращающихся турбинных лопаток. Под номером 47А позиции показаны соответствующие неподвижные турбинные лопатки. Неподвижные лопатки 47А и вращающиеся лопатки 45А образуют последнюю, то есть самую нижнюю по потоку ступень 48А турбины. Выше по потоку от ступени 48А еще один набор из вращающихся лопаток 45В и соответствующих неподвижных лопаток 47 В образует предпоследнюю ступень 48В турбины. На фиг. 3 не показаны другие ступени турбины, расположенные выше по потоку. Выражения «выше по потоку» и «ниже по потоку» в данном документе относятся к основному потоку газов сгорания через турбинную секцию 21, схематически показанному стрелкой F.

Вокруг вращающихся турбинных лопаток 45В может быть выполнен бандаж 53, который прикреплен к кожуху 52 с помощью крепежного средства 55. Смежно со средством 55 может быть выполнено крепежное устройство 57, которое присоединяет неподвижные лопатки 47А турбины к кожуху 52.

Аналогичным образом, вращающиеся турбинные лопатки 45А могут быть окружены соответствующим бандажом 59, который охватывает лопатки 45А и может быть установлен на кожухе 52 с помощью крепежного средства 61.

В вариантах выполнения, описанных в данном документе, каждый бандаж 53, 59 может быть образован частями, расположенными круговым образом вокруг оси А-А вращения ротора турбины. Бандажи 53, 59 могут иметь поверхность, ориентированную в радиально-внутреннем направлении и взаимодействующую с концами соответствующих вращающихся лопаток 45В, 45А. Конфигурация бандажей и вращающихся лопаток турбины такова, что лопатки могут свободно вращаться вокруг оси А-А, не задевая соответствующий бандаж. Зазор между концами вращающихся лопаток турбины и бандажами является достаточно малым, чтобы уменьшить протечки газа для повышения эффективности турбины.

Ниже по потоку относительно последней ступени 48А турбины отработавшие газы сгорания поступают в диффузор 65 для отработавших газов после их расширения в ступенях 48В, 48А турбины. Диффузор 65 проточно соединен с выпускной секцией 27, из которой отработавшие газы могут быть выпущены через выпускную трубу, не показанную на чертежах, или могут проходить через утилизационный теплообменник перед их выпуском в атмосферу.

Согласно иллюстративным вариантам выполнения, описанным в данном документе, кожух 52 может быть образован по меньшей турбинной частью 52А и диффузорной частью 52В. Турбинная часть кожуха и диффузорная часть кожуха соединены друг с другом в области соединения или по границе соединения. Согласно некоторым вариантам выполнения в области соединения турбинная часть 52А кожуха может иметь первый соединительный фланец 67, а диффузорная часть 52В кожуха может иметь второй соединительный фланец 69. Часть 52А и часть 52В могут быть соединены друг с другом при помощи болтов 71 с двусторонней резьбой, которые соединяют фланцы 67, 69 друг с другом.

В варианте выполнения, изображенном на фиг. 3, первый фланец 67 проходит в радиально-наружном направлении, тогда как второй фланец 69 проходит в радиально-внутреннем направлении. Болты 71 могут быть ввинчены в глухие резьбовые отверстия, выполненные во втором фланце 69, и проходить через сквозные отверстия в первом фланце 69. Могут использоваться другие конфигурации из фланцев и болтов, например, два фланца, проходящих в радиально-наружном направлении, или два фланца, проходящих в радиально-внутреннем направлении.

Согласно некоторым вариантам выполнения кожух 52 дополнительно содержит промежуточный кольцевой элемент 73, который может быть расположен между первым фланцем 67 и вторым фланцем 69. Промежуточный кольцевой элемент 73 кожуха может быть выполнен со сквозными отверстиями. Через указанные сквозные отверстия элемента 73 могут проходить болты 71.

Промежуточный кольцевой элемент 73 может иметь кольцевую фланцевую часть 73А, выступающую в наружном направлении и расположенную между первым фланцем 67 и вторым фланцем 69. Элемент 73 может также иметь по существу цилиндрическую внутреннюю часть 73В, образующую гнездо для установки бандажа 59. В некоторых вариантах выполнения часть 73В коаксиальна второму соединительному фланцу 69, который окружает, то есть охватывает ее.

Согласно вариантам выполнения, описанным в данном документе, кожух 52 турбины выполнен с охлаждающим ребром или охлаждающими ребрами, выполненными и расположенными с обеспечением улучшения теплообмена между кожухом 52 и воздухом, окружающим турбинную секцию 21. На фиг. 3 охлаждающие ребра показаны под номером 75 позиции и расположены на границе соединения между диффузорной частью 52В кожуха и турбинной частью 52А кожуха или вблизи указанной границы.

В некоторых вариантах выполнения ребра 75 образованы на наружной поверхности диффузорной части 52В кожуха. В вариантах выполнения, описанных в данном документе, охлаждающие ребра могут быть расположены вокруг второго соединительного фланца 69. Таким образом, ребра 75 расположены на (и вокруг) той части кожуха 52, которая имеет увеличенную толщину и соответствует осевому положению бандажа 59 последней, то есть самой нижней по потоку ступени 48А турбины.

Форма ребер 75 может быть выбрана для обеспечения оптимального переноса тепла к воздуху, окружающему газотурбинный двигатель 3. Если двигатель 3 расположен в оболочке или камере, может быть обеспечена принудительная циркуляция окружающего воздуха в оболочку и через нее для улучшения отвода тепла путем принудительной конвекции. Если оболочка отсутствует, воздух может циркулировать вокруг кожуха турбины, главным образом, вследствие естественной конвекции.

Форма ребер 75 может быть выбрана с обеспечением улучшения циркуляции воздуха вокруг кожуха и вдоль поверхностей ребер 75 для более эффективного отвода тепла от кожуха 52 турбины.

В некоторых вариантах выполнения ребра 75 имеют круговую форму и проходят вокруг оси А-А вращения двигателя 3, как схематически показано на фиг. 3. На чертеже изображены три круговых, то есть кольцевых охлаждающих ребра 75. Однако количество, а также осевой и радиальный размер ребер 75 могут быть другими в зависимости от конструктивных требований и ограничений. Кольцевые охлаждающие ребра 75 могут быть выполнены непрерывными. В других вариантах выполнения каждое кольцевое охлаждающее ребро может быть разделено на секции или части, каждая из которых проходит менее чем на 380° вокруг оси А-А.

В других вариантах выполнения, не показанных на чертежах, охлаждающие ребра могут проходить в осевом или по существу осевом направлении или могут быть расположены наклонно относительно оси А-А вращения. Также может использоваться комбинация из охлаждающих ребер разных форм, например осевых и кольцевых охлаждающих ребер.

Ниже по потоку от ребер 75 относительно направления F потока газов сгорания в диффузоре 65 может иметься один или более теплоизоляционных экранов 79, которые уменьшают теплообмен между наружной диффузорной частью 52В кожуха и внутренним потоком F отработавшего газа. Охлаждающие ребра 75, расположенные по меньшей мере частично выше по потоку от экранов 79, уменьшают перепад температуры в радиальном и осевом направлениях внутри кожуха 52 с уменьшением тем самым тепловых напряжений и тепловой деформации кожуха 52. Это, в свою очередь, уменьшает механические нагрузки, вызванные тепловыми деформациями.

Несмотря на то что раскрытые в данном документе варианты выполнения изобретения изображены на чертежах и полностью обстоятельно и подробно описаны выше в отношении нескольких иллюстративных вариантов выполнения, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что возможно выполнение множества модификаций, изменений и опущений без существенного отклонения от новых идей, принципов и концепций, изложенных в данном документе, и преимуществ изобретения, перечисленных в прилагаемой формуле изобретения. Соответственно, надлежащий объем раскрытых нововведений должен определяться только самым широким толкованием прилагаемой формулы изобретения с охватом всех таких модификаций, изменений и опущений. Кроме того, порядок или последовательность любых этапов процесса или способа может изменяться или переупорядочиваться в соответствии с альтернативными вариантами выполнения.

Газотурбинный двигатель (3) содержит компрессорную секцию (9), предназначенную для сжатия воздуха горения, топочную секцию (15) и турбинную секцию (21). Турбинная секция (21) содержит ротор (41), содержащий рабочее колесо (43) с лопатками, вращающееся вокруг оси (А-А) вращения турбины, диффузор (65) для выхлопных газов и кожух (52), имеющий внутреннюю поверхность и наружную поверхность. Кожух (52) также содержит охлаждающие ребра (75), расположенные на его наружной поверхности. Таким образом, может быть получен предпочтительный температурный профиль, что может способствовать уменьшению тепловых напряжений и деформации. В некоторых вариантах выполнения это может облегчить демонтаж частей кожуха. 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Газотурбинный двигатель (3), содержащий:

компрессорную секцию (9), предназначенную для сжатия воздуха для горения,

топочную секцию (15), предназначенную для приема потока сжатого воздуха (11) из компрессорной секции (9) и топлива (17) и для сжигания топливно-воздушной смеси с образованием потока горячих газов (19) сгорания, находящихся под давлением,

турбинную секцию (21), предназначенную для приема указанных горячих газов (19) сгорания, находящихся под давлением, и расширения газов сгорания с образованием механической энергии, причем турбинная секция (21) содержит ротор (41) турбины, содержащий по меньшей мере одно рабочее колесо (43) с лопатками, вращающееся вокруг оси (А-А) вращения турбины, диффузор (65) для выхлопных газов и кожух (52), имеющий внутреннюю поверхность и наружную поверхность,

при этом кожух (52) содержит турбинную часть (52А) и диффузорную часть (52В), соединенные друг с другом, и охлаждающие ребра (75), расположенные на наружной поверхности кожуха (52), причем охлаждающие ребра (75) расположены в месте соединения между турбинной частью (52А) кожуха и диффузорной частью (52В) кожуха или вблизи указанного места соединения.

2. Газотурбинный двигатель по п.1, в котором охлаждающие ребра (75) имеют кольцевую форму и окружают ось (А-А) вращения ротора (41) турбины.

3. Газотурбинный двигатель по п.1 или 2, в котором охлаждающие ребра (75) расположены круговым образом вокруг указанного по меньшей мере одного рабочего колеса (43) с лопатками.

4. Газотурбинный двигатель по п.1, 2 или 3, в котором турбинная секция (9) содержит по меньшей мере один бандаж (59), окружающий указанное по меньшей мере одно рабочее колесо (43) с лопатками и соединенный с кожухом (52), при этом охлаждающие ребра (75) расположены вокруг указанного бандажа (59).

5. Газотурбинный двигатель по любому из предыдущих пунктов, в котором турбинная часть (52А) кожуха и диффузорная часть (52В) кожуха соединены друг с другом в области соединения, при этом охлаждающие ребра (75) выполнены на диффузорной части (52В) кожуха в указанной области соединения или вблизи нее.

6. Газотурбинный двигатель по любому из предыдущих пунктов, в котором турбинная часть (52А) кожуха имеет первый соединительный фланец (67), а диффузорная часть (52В) кожуха имеет второй соединительный фланец (69), при этом указанные части (52В) и (52А) кожуха соединены друг с другом на указанных первом и втором соединительных фланцах.

7. Газотурбинный двигатель по п.6, в котором охлаждающие ребра (75) выполнены вокруг второго соединительного фланца (69).

8. Газотурбинный двигатель по п.6 или 7, в котором между первым соединительным фланцем (67) и вторым соединительным фланцем (69) расположен промежуточный кольцевой элемент (73) кожуха, при этом бандаж (59) прикреплен к указанному элементу (73) и поддерживается им.

9. Газотурбинный двигатель по п.8, в котором промежуточный кольцевой элемент (73) кожуха проходит по существу коаксиально с охлаждающими ребрами (75), при этом указанные охлаждающие ребра окружают по меньшей мере часть (73В) указанного элемента (73).

10. Газотурбинный двигатель по любому из предыдущих пунктов, в котором диффузор (65) для выхлопных газов содержит внутренний теплоизоляционный экран (79), расположенный ниже по потоку от охлаждающих ребер (75) относительно потока газов сгорания.

11. Газотурбинный двигатель по п.10, в котором внутренний теплоизоляционный экран (79) расположен на внутренней поверхности диффузорной части (52В) кожуха.