СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТУРБИННОГО КОМПРЕССОРА Российский патент 2021 года по МПК F01D17/16 F01D9/04 F02C7/42 F04D27/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение в целом относится к газотурбинным двигателям и, более конкретно, относится к усовершенствованию сжатия и, следовательно, мощности газотурбинного двигателя в определенных условиях.

Уровень техники

Газотурбинные двигатели содержат следующие секции: компрессор, отсек сгорания и турбину. Секция компрессора содержит входные направляющие лопатки, а секция турбины содержит сопло силовой турбины третьей ступени. Топливная система обычно подает топливо в отсек сгорания. Система управления может управлять углом входных направляющих лопаток и количеством топлива, доставляемого в отсек сгорания топливной системой.

Когда турбинный компрессор и линия рабочих режимов стационарного двигателя (заданная указанной пропускной способностью горячей секции) работают при более жарких условиях окружающей среды, аэродинамическая приведенная скорость на входе (или акустическая частота вращения) может снижаться до расчетной скорости. Это может вынуждать передние ступени компрессора работать ближе к связанной со срывом потока стороне их характеристик, в то время как задние ступени могут быть вынуждены работать ближе к связанной с дросселированием стороне их характеристик потока. Это может обуславливать субоптимальные рабочие характеристики и сниженную выходную мощность.

Настоящее изобретение направлено на преодоление одной или нескольких проблем, выявленных авторами изобретения, или известных из уровня техники.

Сущность изобретения

В одном аспекте настоящего изобретения предлагается способ модернизации газотурбинного двигателя для получения улучшенных характеристик при температуре окружающей среды, превышающей 35°С. Газотурбинный двигатель может иметь множество ступеней компрессора, причем каждая ступень компрессора из множества ступеней компрессора имеет венец лопаток ротора и венец лопаток статора. Способ может включать снятие первого выбранного венца лопаток статора с множества ступеней компрессора. Первый выбранный венец лопаток статора может иметь первый угол закручивания на входе и содержать первое множество неподвижных лопаток статора. Каждая лопатка статора из первого множества неподвижных лопаток статора может иметь первый угол лопатки статора относительно центральной оси газотурбинного двигателя. Способ также может включать предоставление первого усовершенствованного венца лопаток статора для замены первого выбранного венца лопаток статора. Первый усовершенствованный венец лопаток статора может иметь второе множество неподвижных лопаток статора. Каждая лопатка статора из второго множества неподвижных лопаток статора может иметь второй угол лопатки статора, который меньше первого угла лопатки статора. Способ также может включать установку первого усовершенствованного венца лопаток статора вместо первого выбранного венца лопаток статора. Первый усовершенствованный венец лопаток статора может иметь второй угол закручивания на входе, который меньше первого угла закручивания на входе, для получения повышенной степени сжатия и повышенной пропускной способности по сравнению с первым выбранным венцом лопаток статора.

Второй угол лопатки статора может быть на три градуса более открыт, чем первый угол лопатки статора.

Снятие и установку выполняют для каждого венца лопаток статора, состоящего из множества неподвижных лопаток статора.

Способ может дополнительно включать:

снятие второго выбранного венца лопаток статора с множества ступеней компрессора, причем второй выбранный венец лопаток статора имеет третий угол закручивания на входе и содержит третье множество неподвижных лопаток статора, причем каждая лопатка статора из третьего множества неподвижных лопаток статора имеет третий угол лопатки статора относительно центральной оси газотурбинного двигателя;

предоставление второго усовершенствованного венца лопаток статора для замены второго выбранного венца лопаток статора, причем второй усовершенствованный венец лопаток статора имеет четвертое множество неподвижных лопаток статора, причем каждая лопатка статора из четвертого множества неподвижных лопаток статора имеет четвертый угол лопатки статора, который меньше третьего угла лопатки статора;

установку второго усовершенствованного венца лопаток статора вместо второго выбранного венца лопаток статора, причем второй усовершенствованный венец лопаток статора имеет четвертый угол закручивания на входе, который меньше третьего угла закручивания на входе, для получения повышенной степени сжатия и повышенной пропускной способности по сравнению со вторым выбранным венцом лопаток статора.

Первый усовершенствованный венец лопаток статора и второй усовершенствованный венец лопаток статора выполняют из верхней части сборочного кольца и нижней части сборочного кольца.

В другом аспекте настоящего изобретения предлагается усовершенствованный пакет лопаток статора для повышения КПД компрессора газотурбинного двигателя. Компрессор может иметь первый пакет лопаток статора, выбранный для замены. Первый пакет лопаток статора может иметь первое множество неподвижных лопаток статора. Каждая неподвижная лопатка статора из первого множества неподвижных лопаток статора может иметь первый угол лопатки относительно центральной оси газотурбинного двигателя. Усовершенствованный пакет лопаток статора может иметь усовершенствованное сборочное кольцо статора, имеющее центральную ось, окруженную внутренней поверхностью, образующей цилиндрическую поверхность вращения. Усовершенствованный пакет лопаток статора также может иметь множество перфорационных отверстий, выполненных вокруг внутренней окружности усовершенствованного сборочного кольца статора. Усовершенствованный пакет лопаток статора также может иметь второе множество лопаток статора для вставки во множество перфорационных отверстий, причем каждая лопатка статора из второго множества лопаток статора имеет второй угол лопатки, который меньше первого угла лопатки, при вставке во множество перфорационных отверстий. Компрессор может обеспечивать повышенный коэффициент мощности и повышенную пропускную способность при использовании усовершенствованного пакета лопаток статора вместо первого пакета лопаток статора.

Усовершенствованное сборочное кольцо статора может иметь верхнюю часть сборочного кольца и нижнюю часть сборочного кольца, идентичную верхней части сборочного кольца.

Второе множество лопаток статора может быть присоединено пайкой во множество перфорационных отверстий.

Усовершенствованный пакет лопаток статора улучшает КПД компрессора, коэффициент мощности и пропускную способность в условиях окружающей среды, которые жарче, чем расчетные параметры для компрессора с установленным первым пакетом лопаток статора.

Второй угол лопатки статора на три градуса может быть меньше первого угла лопатки статора.

Краткое описание графических материалов

На фиг. 1 представлено схематическое изображение иллюстративного газотурбинного двигателя;

на фиг. 2 представлен вид в перспективе кольца статора в сборе турбины, показанной на фиг. 1;

на фиг. 3 представлен вид в перспективе части кольца статора в сборе, показанного на фиг. 2;

на фиг. 4 представлен увеличенный вид части верхней части сборочного кольца, показанного на фиг. 3;

на фиг. 5 представлен подробный вид сверху части сборочного кольца, показанного на фиг. 3;

на фиг. 6 представлена блок-схема способа обслуживания газотурбинного двигателя, показанного на фиг. 1, для повышения выходной мощности газотурбинного двигателя.

Подробное описание

Системы и способы, описанные в настоящем документе, предусматривают газотурбинный двигатель, содержащий многоступенчатый компрессор с регулируемыми входными направляющими лопатками, отсек сгорания и турбину с несколькими ступенями, содержащую сопло турбины и ротор турбины в сборе. Компрессор может иметь регулируемые направляющие лопатки (VGV) и/или входные направляющие лопатки (IGV) в передних ступенях компрессора. Компрессор также может иметь множество ступеней неподвижных лопаток статора (FSV) в задней части компрессора. Газотурбинный двигатель также содержит систему управления, которая может использоваться для управления, помимо прочего, углом вращения входных направляющих лопаток и количеством топлива, доставляемого в отсек сгорания. В вариантах осуществления угол закручивания на входе в ротор конкретной ступени из множества ступеней компрессора может быть изменен за счет замены неподвижных лопаток статора в одной или нескольких ступенях компрессора неподвижными лопатками статора с другим установочным углом лопатки (углом установки лопатки). Установочный угол лопатки или угол установки лопатки может быть реализован без дополнительных изменений статоров, таких как, например, форма аэродинамического профиля, конструкция ступени и т.д. Изменения угла закручивания на входе в ротор конкретной ступени имеют непосредственное (положительное или отрицательное) влияние на пропускную способность через ротор, степень сжатия (PR), а также КПД и запас по помпажу при заданной скорости. Они также могут иметь соответствующее влияние на характеристики конкретной ступени. Когда такое изменение в совокупности и надлежащим образом оказывается на многоступенчатый компрессор, может быть достигнуто целевое изменение общих характеристик компрессора. Как описано в настоящем документе, усовершенствования угла лопатки статора могут повысить характеристики компрессора и, таким образом, КПД двигателя, во время жаркого дня или повышенных параметров окружающей среды, в которой работает двигатель. В контексте настоящего документа в термин «условия окружающей среды, характерные для жаркого дня» может относиться ко дню, в течение которого температуры окружающей среды превышают стандартные нормальные условия, указанные как условия согласно ISO (Международная организация по стандартизации). Также могут быть выполнены аналогичные модификации для работы в условиях холодного дня для повышения КПД компрессора газотурбинного двигателя, если это является желаемой целью.

Промышленные газовые турбины рассчитаны на обеспечение конкретных целевых характеристик двигателя (выходной мощности двигателя и теплового КПД двигателя) при условиях окружающей среды согласно ISO. Эти условия представляют собой международный стандарт, в котором предусмотрено давление окружающей среды на высоте на уровне моря (Po = 101325,38 Па (14,696 фунта/кв. дюйм), абсолютное) и температура окружающей среды (To = 15°С (59°F)). Характеристики газовой турбины, независимо от ее конструкции, существенно варьируют при различных температурах окружающей среды. В отрасли это называется «вертикальный градиент температуры окружающей среды» мощности и теплового КПД двигателя. Кривые вертикального градиента температуры относятся к техническим характеристикам двигателя, которые предоставляются в опубликованном виде изготовителями газовых турбин покупателям и которые являются уникальными для каждой модели двигателя. Хотя вертикальный градиент температуры окружающей среды двигателя определяется непрерывными кривыми как функция от температуры окружающей среды, некоторые значения температур окружающей среды иногда указываются в таблицах характеристик или контракте. Такие условия, обычно называемые температурами окружающей среды, помимо условия согласно ISO (15°С (59°F)): жаркий день = 35°С (95°F), очень жаркий день = 50°С (122°F), невероятно жаркий (нереальный) день = 60°С (140°F). Низкие температуры окружающей среды доходят до 0°С (32°F), -17,78°С (0°F) и минусовых уровней.

На фиг. 1 представлено схематическое изображение иллюстративного газотурбинного двигателя. Некоторые поверхности были опущены или преувеличены (на этой и на других фигурах) для ясности и простоты объяснения. Кроме этого, настоящее раскрытие может ссылаться на переднее и заднее направление. В целом, все ссылки на «передний» и «задний» связаны с направлением потока первичного воздуха (т.е. воздуха, используемого в процессе сгорания), если не указано иное. Например, передний является «расположенным выше по потоку» по отношению к потоку первичного воздуха, и задний является «расположенным ниже по потоку» по отношению к потоку первичного воздуха.

Кроме того, описание может в целом ссылаться на центральную ось 95 вращения газотурбинного двигателя, которая может в целом быть определена продольной осью его вала или валов (удерживаемых несколькими блоками 150 подшипников). Центральная ось 95 может быть общей или совместной с различными другими концентричными компонентами двигателя. Все ссылки на радиальное, осевое и окружное направления и измерения относятся к центральной оси 95, если не указано иное, и такие термины, как «внутренний» и «наружный», в целом указывают на меньшую или большую удаленность в радиальном направлении, при этом радиус 96 может проходить в любом направлении, перпендикулярном центральной оси 95 и отходящем наружу от нее.

Газотурбинный двигатель 100 может иметь впуск 110, компрессор 200, отсек 300 сгорания, турбину 400, выпуск 500 для отработавших газов и муфту 600 для передачи выходной мощности.

Компрессор 200 содержит ротор компрессора в сборе 210, неподвижные лопатки 250 компрессора и входные направляющие лопатки 255. Как показано, ротор компрессора в сборе 210 представляет собой ротор осевого потока в сборе. Ротор компрессора в сборе 210 содержит один или несколько дисков компрессора в сборе 220. Каждый диск компрессора в сборе 220 содержит диск ротора компрессора, который по окружности заполнен лопастями ротора компрессора. Неподвижные лопатки 250 компрессора содержат один или несколько пакетов 260 лопаток статора. Каждый из пакетов 260 лопаток статора может следовать в осевом направлении за каждым из дисков компрессора в сборе 220. Каждый диск компрессора в сборе 220, спаренный со смежными неподвижными лопатками 250 компрессора, которые следуют за диском компрессора в сборе 220, считается ступенью компрессора. Компрессор 200 может иметь множество ступеней компрессора.

Входные направляющие лопатки 255 в осевом направлении предшествуют ступеням компрессора. Входные направляющие лопатки 255 представляют собой регулируемые направляющие лопатки. Каждая из входных направляющих лопаток 255 может поворачиваться вокруг оси входной направляющей лопатки 255. Наряду с входными направляющими лопатками 255, первые несколько ступеней неподвижных лопаток 250 компрессора также могут представлять собой регулируемые направляющие лопатки. В изображенном варианте осуществления компрессор 200 содержит три ступени неподвижных лопаток 250 компрессора, которые содержат регулируемые направляющие лопатки, расположенные в осевом направлении сзади от входных направляющих лопаток 255, причем три ступени статоров представляют собой первые три ступени компрессора 200.

Отсек 300 сгорания содержит один или несколько топливных инжекторов 310 и содержит одну или несколько камер 390 сгорания. Топливные инжекторы 310 могут быть расположены по кругу относительно центральной оси 95.

Турбина 400 содержит ротор турбины в сборе 410 и сопла 450 турбины. Как показано, ротор турбины в сборе 410 представляет собой ротор осевого потока в сборе. Ротор турбины в сборе 410 может содержать один или несколько дисков турбины в сборе. Каждый диск турбины в сборе содержит диск турбины, который по окружности заполнен лопатками турбины.

Сопла 450 турбины в осевом направлении предшествуют каждому из дисков турбины в сборе. Каждый диск турбины в сборе, спаренный со смежным соплом 450 турбины, которое предшествует диску турбины в сборе, считается ступенью турбины. Турбина 400 содержит множество ступеней турбины.

Турбина 400 также содержит секцию 420 турбокомпрессора и секцию силовой турбины. Каждая из секции 420 турбокомпрессора и секции силовой турбины может содержать одну или несколько ступеней турбины.

Газотурбинный двигатель 100 может иметь конфигурацию с одним валом или с двумя валами. В изображенном варианте осуществления газотурбинный двигатель 100 содержит вал 120 турбокомпрессора и вал 125 силовой турбины. Вал 120 турбокомпрессора механически соединен с ротором компрессора в сборе 210 и дисками турбины в сборе в секции 420 турбокомпрессора. Вал 125 силовой турбины соединен с дисками турбины в сборе в секции силовой турбины. Вал 125 силовой турбины также может содержать муфту 600 для передачи выходной мощности.

Выпуск 500 для отработавших газов содержит диффузор 520 отработавших газов и коллектор отработавших газов.

На фиг. 2 представлен вид в перспективе пакета лопаток статора турбины, показанной на фиг. 1. Неподвижные лопатки 250 компрессора (фиг. 1), также называемые в настоящем документе как неподвижные лопатки статора (FSV), могут быть выполнены в виде множества пакетов 260 лопаток статора. Каждый пакет 260 лопаток статора, состоящий из неподвижных лопаток 250 компрессора, может быть уникальным для каждой ступени многоступенчатого компрессора 200. Пакеты 260 лопаток статора также могут называться в настоящем документе как венец лопаток статора. Каждая ступень компрессора может иметь пакет 260 лопаток статора, который следует за ротором компрессора в сборе 220 вдоль центральной оси 95. Соответственно, центральная ось 95 может проходить через пакет 260 лопаток статора и каждый смежный диск ротора в сборе 220.

Каждый пакет 260 лопаток статора может иметь сборочное кольцо 262 статора и множество лопаток 264 статора, распределенных в радиальном направлении вокруг внутренней поверхности 265 сборочного кольца 262 статора. Только одна из лопаток 264 статора обозначена для удобства понимания. В отличие от регулируемых входных направляющих лопаток 255, лопатки 264 статора постоянно прикреплены к сборочному кольцу 262 статора в положении установки под постоянным углом. Внутренняя поверхность 265 может перекрывать внутреннюю окружность сборочного кольца 262 статора. В некоторых вариантах осуществления сборочное кольцо 262 статора может представлять собой цилиндрическую конструкцию, имеющую множество перфорационных отверстий (фиг. 4), выполненных или пробитых в сборочном кольце 262 статора, причем каждое из них имеет подходящий размер для входа хвостовика 267 лопатки 264 статора. Во время изготовления каждая лопатка 264 статора может быть установлена в перфорационном отверстии в сборочном кольце 262 статора и присоединена пайкой или иным образом закреплена на месте с образованием пакета 260 лопаток статора.

Сборочное кольцо 262 статора может иметь верхнюю часть 270 сборочного кольца и нижнюю часть 280 сборочного кольца. Каждая из верхней части 270 сборочного кольца и нижней части 280 сборочного кольца может иметь первый конец 266 и второй конец 268. Верхняя часть 270 сборочного кольца и нижняя часть 280 сборочного кольца могут быть выполнены аналогично и соединены вместе на первом конце 266 и втором конце 268 с образованием пакета 260 лопаток статора, и окружать центральную ось 95 при установке в газотурбинном двигателе 100. Соответственно, верхняя часть 270 сборочного кольца и нижняя часть 280 сборочного кольца могут представлять собой две половины кольца статора в сборе 260. Верхняя часть 270 сборочного кольца и нижняя часть 280 сборочного кольца могут быть соединены вместе посредством направляющих штифтов (не показаны). В некоторых примерах пакет 260 лопаток статора может быть изготовлен как целое кольцо за счет вставки отдельных лопаток 264 статора и прочного соединения их пайкой с образованием целого сборочного кольца 262 статора. В конце процесса готовое сборочное кольцо 262 статора может быть точно разрезано на две половины (например, верхнюю часть 270 сборочного кольца и нижнюю часть 280 сборочного кольца) для простоты сборки/снятия с корпуса компрессора во время сборки двигателя.

На фиг. 3 представлен вид в перспективе верхней части сборочного кольца пакета лопаток статора, показанного на фиг. 2. Как упомянуто выше, пакет 260 лопаток статора может иметь верхнюю часть 270 сборочного кольца и нижнюю часть 280 сборочного кольца. Две части могут быть изготовлены в виде целого пакета 260 лопаток статора, а затем его разрезают напополам, как упомянуто выше. В других вариантах осуществления две части могут быть изготовлены по отдельности для упрощения сборки газотурбинного двигателя 100. Верхняя часть 270 сборочного кольца и нижняя часть 280 сборочного кольца могут быть выполнены из одной или нескольких горизонтальных цилиндрических секций.

На фиг. 4 представлен увеличенный вид части верхней части сборочного кольца, показанного на фиг. 3. Множество перфорационных отверстий 402 могут быть получены штамповкой или иным образом выполнены в сборочном кольце 262 статора. Перфорационные отверстия могут быть получены штамповкой посредством пробивного инструмента в форме, напоминающей специальную форму аэродинамического профиля лопатки (например, лопаток 264 статора), и расположены в соответствии с желаемым установочным углом или углом установки лопатки. Перфорационные отверстия 402 могут быть немного больше отдельных лопаток 264 статора, чтобы обеспечить возможность вставки лопатки перед пайкой. Перфорационные отверстия 402 могут быть равномерно разнесены вокруг внутренней поверхности 265 и в них может входить хвостовик 267 лопаток 264 статора. Количество перфорационных отверстий 402 равно желаемому расчетному количеству лопаток 264 статора для каждой конкретной ступени компрессора. В некоторых вариантах осуществления пробивной инструмент в виде штампа или пресса может использоваться для выполнения перфорационных отверстий 402 в сборочном кольце 262 статора. Штамп или пресс может создавать точные и одинаковые перфорационные отверстия 402 по окружности сборочного кольца 262 статора.

Все лопатки 264 статора из первого пакета 260 лопаток статора имеют одинаковую геометрическую форму и размер. Однако эта геометрическая форма и размер могут отличаться от геометрической формы и размера лопаток 264 статора из второго пакета лопаток статора в другой ступени компрессора. Пакет 260 лопаток статора каждой ступени может иметь уникальную форму аэродинамического профиля статора, угол установки лопатки и количество лопаток с аэродинамическим профилем в зависимости от конструкции конкретной ступени компрессора. Эти характеристики также могут отличаться для каждой ступени компрессора в зависимости от проектных требований к аэродинамике и конструкции. Лопатки 264 статора могут иметь различные размеры и формы. Лопатки 264 статора показаны как имеющие аэродинамический профиль с относительно равномерной длиной хорды. Однако лопатки 264 статора могут иметь различные геометрические формы и размеры, включая варьирующую длину хорды по направлению размаха и варьирующие углы осевого и тангенциального наклона, прогиб и/или закрутку по размаху или ось укладки лопатки 264 статора. Лопатки 264 статора могут иметь другие сложные трехмерные формы аэродинамического профиля в зависимости от конструкции компрессора. Лопатки 264 статора расположены симметрично и равномерно по окружности (например, внутренней поверхности 265) целого сборочного кольца 262 статора.

На фиг. 5 показан подробный вид сверху части сборочного кольца, показанного на фиг. 3. Показана часть сборочного кольца 262 статора, которая содержит контуры трех перфорационных отверстий 402. Контуры трех перфорационных отверстий 402 показаны пунктирными линиями. На этом виде лопатки 264 статора не установлены в перфорационных отверстиях 402. Контуры показаны в качестве ориентира для усовершенствованных перфорационных отверстий 520, описанных ниже.

Показана ориентирная линия 502, разделяющая на две части сечение сборочного кольца 262 статора в горизонтальном направлении. Ориентирная линия 502 параллельна центральной оси 95 (фиг. 1) и совпадает с внутренней поверхностью 265. Ориентирная линия 502 может использоваться в настоящем документе в качестве ориентира для описания угла лопатки. В контексте настоящего документа угол лопатки, угол установки лопатки или установочный угол лопатки представляет собой меру угла между хордой 504 перфорационных отверстий 402 и ориентирной линией 502, и, за счет удлинения посредством радиальной линии 96, центральной осью 95. Хорда 504 представляет собой воображаемую линию, проходящую через передний край 506 и задний край 508 перфорационных отверстий 402. Соответственно, первый угол 510 лопатки (например, угол установки лопатки) может описывать угол между ориентирной линией 502 и хордой 504. Угол установки лопатки (например, первый угол 510 лопатки) может быть задан так, чтобы предусматривать удержание лопаток 264 статора в конкретном абсолютном угловом положении в неподвижной хвостовой части (например, хвостовике 267) лопатки (например, хвостовике 267) в сборочном кольце 262 статора.

Все лопатки 264 статора в данном пакете 260 лопаток статора имеют одинаковый первый угол 510 лопатки. Он может определять угол закручивания потока на входе (не показан), который описывает влияние лопаток 264 статора на рабочее вещество (например, воздух 10), которое падает на передний край лопаток 264 статора. Он также называется углом притекания (углом набегающего потока) или углом атаки ротора с аэродинамическим профилем, который расположен непосредственно ниже по потоку от данного пакета 260 лопаток статора. За счет изменения угла 510 лопатки можно непосредственно влиять на угол закручивания потока на входе в венец лопаток ротора с аэродинамическими профилями (например, диск компрессора в сборе 220), расположенный непосредственно ниже по потоку от венца лопаток статора, что приводит к изменению аэродинамических характеристик венца лопаток ротора и, таким образом, ступени компрессора, а также КПД компрессора 200 и характеристик газотурбинного двигателя 100 в целом. Следует понимать, что любое изменение венца лопаток (ротора и/или статора) в многоступенчатом компрессоре может привести к изменению всех общих аэродинамических характеристик компрессора, что приводит к соответствующему изменению конкретного венца лопаток, но и, что более важно, к цепной реакции изменений всех венцов лопаток системы многоступенчатого компрессора в целом.

В некоторых вариантах осуществления определенные усовершенствования воздушного потока компрессора, степени сжатия и КПД компрессора могут быть реализованы за счет изменения угла лопаток 264 статора. Например, штамп или пробойник, используемые для выполнения перфорационных отверстий 402, могут быть немного изменены, чтобы сделать угол лопатки закрытым или открытым относительно ориентирной линии 502. За счет увеличения установочного угла или угла установки лопатки можно закрыть лопатки 264 статора с перемещением угла установки лопатки или угла лопатки дальше от осевого направления (например, оси 95) и уменьшением угла атаки на расположенном ниже по потоку диске компрессора в сборе 220. Это может привести к работе расположенного ниже по потоку диска компрессора в сборе 220 ближе к «связанной с дросселированием» стороне эксплуатационных характеристик. Аналогично, закрытые лопатки 264 статора могут работать ближе к их связанной с дросселированием стороне эксплуатационных характеристик. Эффективным образом, перекачивающая способность всей ступени компрессора (например, диска компрессора в сборе 220 и пакета 260 лопаток статора) может снижаться с повышением запаса по помпажу ступени. Это также может влиять на КПД данной ступени компрессора. И наоборот, при уменьшении установочного угла или угла установки лопатки, лопатки 264 статора могут открыться, с увеличением угла атаки отдельных лопаток 264 статора и смещением ступени компрессора от связанной с дросселированием стороны (и к связанной со срывом потока стороне) ее эксплуатационных характеристик. Это может увеличивать перекачивающую способность ступени компрессора.

Соответственно, множество усовершенствованных перфорационных отверстий 520 могут быть выполнены в сборочном кольце 262 статора. Усовершенствованные перфорационные отверстия 520 показаны сплошной черной линией с небольшим угловым отклонением от перфорационных отверстий 402. В некоторых вариантах осуществления усовершенствованные перфорационные отверстия 520 могут иметь угол 522 лопатки между хордой 512 усовершенствованных перфорационных отверстий 520 и ориентирной линией 502. Усовершенствованные перфорационные отверстия 520 также имеют отличие 524 угла лопатки от первого угла 510 лопатки. В некоторых примерах отличие 524 угла лопатки может составлять от двух до 10 градусов в направлении открытия или закрытия в зависимости от конкретной конструкции. В некоторых других вариантах осуществления отличие угла лопатки может составлять 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 или 10 градусов и любую долю угла между этими значениями. В некоторых областях применения изменение угла лопатки и соответствующего угла закручивания потока на входе может быть достаточно небольшим (например, на 3 градуса более открытым), чтобы не оказывать отрицательного воздействия на одну (модифицированную) ступень, но при этом оно может обеспечивать значительный кумулятивный эффект при применении ко множеству ступеней компрессора с FSV (например, неподвижными лопатками 250 компрессора). Кумулятивный эффект может быть достаточно сильным, чтобы сдвигать передние ступени компрессора, контролирующие срыв потока, от соответствующего состояния, близкого к срыву потока, при более низких скорректированных скоростях компрессора (например, в условиях жаркого дня). При таких низких скоростях происходит повышение характеристик передней ступени(-ей) компрессора в сторону максимального КПД, совпадающее с существенным повышением пропускной способности, минимальным снижением степени сжатия и существенным повышением КПД ступени и запасом по помпажу ступени. Это приводит к результирующему усовершенствованию всего компрессора при более низкой скорости и работе в условиях более жаркого дня. Повышение степени сжатия всех усовершенствованных ступеней компрессора при помощи модифицированных перфорационных отверстий 502 более чем компенсирует минимальное снижение степени сжатия передней ступени(-ей) компрессора. Таким образом, весь компрессор 200 может работать с более высокой общей перекачивающей способностью, КПД и запасом по помпажу при нерасчетных условиях, таких как более низкая приведенная скорость, и в условиях жаркого дня.

То же отличие 524 угла лопатки может применяться ко всем лопаткам 264 статора для одного или более выбранных пакетов 260 лопаток статора во множестве ступеней компрессора. В некоторых примерах все из ступеней компрессора с FSV могут быть усовершенствованы за счет применения отличия 524 угла лопатки. Новые сборочные кольца 262 статора могут быть изготовлены с использованием усовершенствованного угла 520 лопатки вместо первого угла 510 лопатки. Новые кольца статора в сборе затем могут быть установлены в компрессоре 200 для модернизации газотурбинного двигателя 100 в целях получения повышенных характеристик в условиях жаркого дня. Ступени компрессора, модернизованные с использованием пакетов 260 лопаток статора, имеющих усовершенствованные перфорационные отверстия 520, могут называться в настоящем документе «усовершенствованные пакеты лопаток статора», «усовершенствованные венцы лопаток статора», «модифицированные ступени компрессора» или «усовершенствованные ступени компрессора».

Конструкция компрессора, включая изменения углов лопатки от передней части компрессора к задней части компрессора, может быть оптимизирована под определенные рабочие условия. Например, некоторые компрессоры оптимизированы под холодные условия окружающей среды и не работают при максимальном КПД в случае повышения температуры окружающей среды. Аналогично, компрессоры, разработанные для жарких условий окружающей среды, могут не работать согласно расчетным характеристикам в более холодных условиях окружающей среды.

Когда данный компрессор 200 и линия рабочих режимов стационарного двигателя (заданная указанной пропускной способностью горячей секции) работают при более жарких чем обычно условиях окружающей среды, его аэродинамическая приведенная скорость на входе (или акустическая частота вращения) снижается относительно его расчетной скорости. Это может вынуждать передние ступени компрессора 200 работать ближе к связанной со срывом потока стороне их характеристик, в то время как задние ступени вынуждены работать ближе к связанной с дросселированием стороне их характеристик. В некоторых примерах лопатки с регулируемым установочным углом (статоры) в передних ступенях, такие как, например, входные направляющие лопатки 255 или другие регулируемые направляющие лопатки (VGV), могут смягчать эти воздействия в осевых компрессорах. При более низких приведенных скоростях эти лопатки (например, входные направляющие лопатки 255) перемещаются в более закрытое положение, снижая перекачивающую способность этих ступеней и (снижая все характеристики пропускной способности), таким образом, сглаживая совпадение характеристик в состоянии, близком к срыву потока. За счет этого может поддерживаться пригодность к надежной эксплуатации (запас по помпажу) ступени/компрессора в счет более низкой пропускной способности/мощности двигателя. При более низких приведенных скоростях передние ступени компрессора 200 становятся дозвуковыми ступенями и их характеристические диапазоны пропускной способности от связанной с дросселированием стороны к связанной со срывом потока стороне становятся значительно шире, чем при расчетных условиях согласно ISO, при которых эти передние ступени являются околозвуковыми. Ударные нагрузки при прохождении в околозвуковых ступенях поддерживают пропускную способность практически постоянной, по мере перемещения нагрузки на ступень от связанного с дросселированием состояния к связанному со срывом потока состоянию. Аэродинамические потери ряда аэродинамических профилей повышаются в направлении сторон их характеристик, связанных с дросселированием и срывом потока, с областью минимальных потерь в некотором месте, равноудаленном от этих условий. КПД ступени (например, диска компрессора в сборе 220 и соответствующего пакета 260 лопаток статора) принимает максимальное значение, когда характеристики обоих венцов лопаток сходятся в их области минимальных потерь.

На фиг. 6 представлена блок-схема способа обслуживания газотурбинного двигателя, показанного на фиг. 1, для повышения выходной мощности газотурбинного двигателя. Способ 600 может использоваться для модернизации газотурбинного двигателя для повышения КПД при работе при высоких температурах окружающей среды. В контексте настоящего документа высокие температуры окружающей среды могут относиться к условиям жаркого дня или условиям с температурой выше 35°С (95 градусов по Фаренгейту).

В блоке 605 первый выбранный венец лопаток статора может быть снят с множества ступеней компрессора. Первый выбранный венец лопаток статора может иметь первый угол закручивания на входе и первое множество неподвижных лопаток статора. Каждая лопатка статора в первом выбранном венце лопаток может иметь первый угол лопатки статора относительно центральной оси газотурбинного двигателя.

В блоке 610 согласно способу 600 может быть предоставлен первый усовершенствованный венец лопаток статора или усовершенствованный пакет лопаток статора. Первый усовершенствованный пакет лопаток статора (венец лопаток) может заменять первый выбранный венец лопаток статора. Каждая лопатка статора в первом усовершенствованном пакете лопаток статора может быть вставлена в перфорационное отверстие в сборочном кольце статора. Перфорационное отверстие может описывать второй угол лопатки статора, который меньше первого угла лопатки статора.

В блоке 615 способ 600 может включать установку первого усовершенствованного венца лопаток статора вместо первого выбранного венца лопаток статора. Способ 600 может быть повторен несколько раз для замены второго выбранного венца лопаток статора вторым усовершенствованным венцом лопаток статора и т. д. Угол лопатки статора усовершенствованных венцов лопаток статора может быть на два, три, четыре, пять или более градусов более открытым, чем угол лопатки заменяемого венца лопаток статора. Аналогично, угол потока на входе в ступени компрессора, имеющие усовершенствованные венцы лопаток статора, также может быть более открытым (например, ближе к связанному со срывом потока состоянию), чем заменяемые венцы лопаток. За счет замены множества венцов лопаток статора в компрессоре 200 можно повысить КПД компрессора, пропускную способность и коэффициент мощности в газотурбинном двигателе 100 во время работы при более жарких условиях, чем при нормальных температурах окружающей среды. В некоторых примерах такие температуры окружающей среды могут представлять собой условия жаркого дня согласно ISO, с температурой свыше 35°С (95 градусов по Фаренгейту).

Один или несколько из вышеуказанных компонентов (или их составляющих) может быть выполнен из нержавеющей стали и/или долговечных высокотемпературных материалов, известных как «суперсплавы». Суперсплав или сплав с высокими прочностными характеристиками представляет собой сплав, который характеризуется очень высокой механической прочностью и сопротивлением ползучести при высоких температурах, надлежащей стабильностью поверхности и стойкостью к коррозии и окислению. Суперсплавы могут включать такие материалы, как HASTELLOY, INCONEL, WASPALOY, сплавы RENE, сплавы HAYNES, INCOLOY, MP98T, сплавы TMS и монокристаллические сплавы CMSX.

Промышленная применимость

Газотурбинные двигатели могут подходить для различных промышленных применений, например, различных аспектов нефтегазовой отрасли (включающих передачу, сбор, хранение, извлечение и подъем нефти и природного газа), энергетической промышленности, отрасли производства электрической и тепловой энергии, аэрокосмической отрасли и других транспортных отраслей.

Как показано на фиг. 1, газ (как правило, воздух 10) поступает на впуск 110 как «рабочее вещество» и проходит через входные направляющие лопатки 255. Входные направляющие лопатки 255 могут регулировать количество рабочего вещества, которое поступает в компрессор 200. Затем рабочее вещество сжимается компрессором 200. В компрессоре 200 рабочее вещество сжимается по пути 115 кольцевого потока посредством ряда дисков компрессора в сборе 220. В частности, воздух 10 сжимается в пронумерованных «ступенях», при этом ступени связаны с каждым диском компрессора в сборе 220. Например, «воздух 4-й ступени» может быть связан с 4-м диском компрессора в сборе 220 в расположенном ниже по потоку или «заднем» направлении, проходящем от впуска 110 к выпуску 500 для отработавших газов. Ступени, которые содержат неподвижные лопатки 250 компрессора с регулируемыми направляющими лопатками, также могут регулировать количество рабочего вещества, которое поступает в компрессор 200.

После сжатия воздух 10 покидает компрессор 200 и поступает в отсек 300 сгорания, где он распыляется. Воздух 10 и топливо впрыскиваются в камеру 390 сгорания через топливный инжектор 310 и сжигаются. Энергию получают за счет реакции сгорания при помощи турбины 400 посредством каждой ступени, состоящей из ряда дисков турбины в сборе. Отработавшие газы 90 могут быть затем распылены в диффузоре 520 отработавших газов, собраны и перенаправлены. Отработавшие газы 90 покидают систему через коллектор отработавших газов и могут быть дополнительно обработаны (например, чтобы снизить выбросы вредных веществ и/или чтобы рекуперировать тепло от отработавших газов 90).

Конструкция турбинного двигателя и результирующие характеристики могут зависеть, по меньшей мере частично, от рабочих условий. Конструкция компрессора 200, например, может быть оптимизирована под сжатие рабочего вещества (например, воздух 10) при заданном наборе условий окружающей среды. Например, определенные двигатели могут быть разработаны для работы в условиях стандартного дня (т.е. 15°С или 59 градусов по Фаренгейту на уровне моря), условиях жаркого дня (35 °С или 95 градусов по Фаренгейту), условиях очень жаркого дня (50°С или 122 градуса по Фаренгейту) или условиях холодного дня (0°С или 32 градуса по Фаренгейту). Возможны другие типы условий.

Однако газотурбинный двигатель 100 может не всегда работать в окружающей среде, под которую он был разработан или для использования в которой он предназначен. Климатические условия также могут меняться. Соответственно, определенные модернизации для существующих компрессоров могут повышать степень сжатия и пропускную способность в определенных вариантах реализации, работающих в условиях окружающей среды, отличающихся от расчетных, например, в окружающей среде, более жаркой, чем обычно.

В некоторых вариантах осуществления за счет внедрения небольших изменений угла закручивания на входе, как показано на фиг. 5, во множестве последовательных ступеней компрессора 200, можно повысить характеристики двигателя в условиях жаркого дня. Изменения угла лопатки могут быть реализованы в одной или нескольких ступенях компрессора, начиная со ступеней, расположенных на несколько ступеней ниже по потоку от передних ступеней, и вплоть до последней ступени многоступенчатого осевого компрессора. Турбинный двигатель 100 может иметь более 10 ступеней компрессора. Новый угол лопатки статора (например, угол 522 лопатки) может быть реализован, например, ниже по потоку от передних околозвуковых ступеней компрессора.

Изменение угла закручивания на входе в ротор осуществляется за счет уменьшения угла лопатки (например, перемещения в сторону осевого направления) неподвижных лопаток 264 статора этих ступеней. Было продемонстрировано, что изменение на два, три или четыре градуса может привести к увеличению угла набегающего потока на входе в ротор (или угла атаки в относительной системе координат), которое выражается в увеличении перекачивающей способности данной ступени с соизмеримым повышением пропускной способности и степени сжатия. Как показано на фиг. 5, это изменение может быть внедрено в пакет 260 лопаток статора путем использования усовершенствованных перфорационных отверстий 520. Это незначительное изменение является достаточно небольшим, чтобы не приводить к нежелательным отрицательным последствиям на одной усовершенствованной/модифицированной ступени, но повышает перекачивающую способность каждой выбранной ступени компрессора, имеющей пакет 260 лопаток статора с усовершенствованными перфорационными отверстиями 520. Данная компоновка может быть преимущественной при высоком количестве ступеней компрессора в промышленных газотурбинных компрессорах, причем эффект многократно увеличивается с каждой ступенью компрессора. Хотя в каждой усовершенствованной или модифицированной ступени компрессора по отдельности может быть реализовано небольшое изменение, кумулятивный эффект всех ступеней, работающих вместе, может иметь очень значительное влияние на передние ступени компрессора, работающие в условиях срыва потока или ограниченные по помпажу (с ограничением в условиях жаркого дня/низкой скорости), вынуждая их выходить из связанного со срывом потока состояния. Это может заставлять регулируемые передние ступени уходить от их стороны характеристик, близкой к срыву потока, ближе к максимальному КПД.

По мере повышения температуры окружающей среды к условиям жаркого дня и условиям более низкой приведенной скорости, уменьшенный угол усовершенствованных перфорационных отверстий 520 может уменьшать аэродинамическую нагрузку на передние ступени компрессора. Ступени компрессора, расположенные спереди от модифицированных ступеней компрессора, в этом случае могут работать в дозвуковых условиях и их характеристики снова сходятся при сильном воздушном потоке и незначительно более низкой степени сжатия, более высоком КПД ступени и повышенном запасе по помпажу ступени. За счет совместного повышения степени сжатия, ступени с модифицированными лопатками статора более чем компенсируют потерю степени сжатия в передних ступенях компрессора. Когда задние ступени компрессора уходят от связанных с дросселированием условий, передние ступени не ограничены в плане пропускания более значительного потока через весь компрессор. Таким образом, многоступенчатый осевой компрессор в целом будет характеризоваться более высокой пропускной способностью, более высокой степенью сжатия, более высоким КПД и повышенным запасом по помпажу при более высоких температурах окружающей среды и условиях работы с более низкой приведенной скоростью.

При расчетной скорости (в условиях согласно ISO), модификация пакета лопаток статора оказывает минимальное или нулевое влияние на пропускную способность компрессора в целом, поскольку на таких скоростях передние ступени являются околозвуковыми и их характеристики практически ровно вертикальные. Учитывая, что эти ступени почти сходятся на связанной с дросселированием стороне их характеристик, они будут сходиться дальше на вертикальной линии скорости, что приводит к более низкому КПД на этих ступенях. Снижение КПД в нескольких передних ступенях при условиях согласно ISO оказывает меньшее взвешенное воздействие на общий КПД компрессора, поскольку КПД модифицированных венцов лопаток статора не претерпевает значительных изменений при таких условиях. Таким образом, возможно небольшое компромиссное ухудшение характеристик компрессора при условиях согласно ISO при впечатляющем повышении характеристик при более жарких условиях окружающей среды. Ухудшение характеристик усугубляется при более холодных условиях окружающей среды и может быть существенным при экстремальных температурах окружающей среды.

В результате обслуживания или модификаций, описанных в настоящем документе, может быть обеспечено относительно недорогое повышение существующего коэффициента мощности и КПД компрессора 200 газотурбинного двигателя 100 за счет модификации угла закручивания на входе неподвижных лопаток статора во множестве ступеней компрессора. Обслуживание может включать, помимо прочего, капитальный ремонт, модификацию в полевых условиях, модернизацию или переделку газотурбинного двигателя 100.

Специалистам в данной области техники будет очевидно, что различные иллюстративные логические блоки, модули, узлы и этапы алгоритма, описанные в связи с вариантами осуществления, раскрытыми в настоящем документе, часто могут быть реализованы как электронное аппаратное обеспечение, компьютерное программное обеспечение или их комбинация. Чтобы явно отобразить такую взаимозаменяемость аппаратного обеспечения и программного обеспечения, различные иллюстративные компоненты, блоки, модули и этапы были описаны выше в общих чертах в отношении их функциональных возможностей. Реализация таких функциональных возможностей как аппаратного обеспечения или программного обеспечения зависит от конкретных ограничений, накладываемых на систему в целом. Специалисты в данной области техники могут реализовать описанные функциональные возможности различными способами для каждой конкретной системы, но такие решения по реализации не должны рассматриваться, как находящиеся вне пределов объема настоящего изобретения. Кроме того, группировка такой функции в пределах узла, модуля, блока или этапа представлена для простоты описания. Конкретные функции или этапы могут быть перемещены из одного узла, модуля или блока без отхода от объема настоящего изобретения.

Предыдущее подробное описание является лишь иллюстративным по своей природе и не предназначено для ограничения настоящего изобретения или заявки и способов применения настоящего изобретения. Описанные варианты осуществления не ограничены применением в сочетании с конкретным типом газотурбинного двигателя. Следует понимать, что газотурбинный двигатель в соответствии с настоящим изобретением может быть реализован в различных других конфигурациях. Более того, нет намерения привязываться к какой-либо теории, представленной в предыдущем уровне техники или подробном описании. Также следует понимать, что изображения могут иметь преувеличенные размеры для лучшей наглядности показываемых ссылочных элементов и не являются ограничивающими, если явно не будет указано так.

Описываются способ и устройство для модернизации газотурбинного двигателя для получения улучшенных характеристик при температуре окружающей среды более 35°С. Способ модернизации включает снятие первого выбранного венца лопаток статора с множества ступеней компрессора, причем первый выбранный венец лопаток статора имеет первый угол закручивания на входе и содержит первое множество неподвижных лопаток статора. Каждая лопатка статора из первого множества неподвижных лопаток статора имеет первый угол лопатки статора. Способ также включает предоставление первого усовершенствованного венца лопаток статора для замены первого выбранного венца лопаток статора. Первый усовершенствованный венец лопаток статора имеет второе множество неподвижных лопаток статора, каждая из которых имеет второй угол лопатки статора, который меньше первого угла лопатки статора. Способ также включает замену первого выбранного венца лопаток статора первым усовершенствованным венцом лопаток статора с получением повышенной степени сжатия и пропускной способности по сравнению с первым выбранным венцом лопаток статора. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ модернизации газотурбинного двигателя для получения улучшенных характеристик при температуре окружающей среды, превышающей 35°С, причем газотурбинный двигатель имеет множество ступеней компрессора, причем каждая ступень компрессора из множества ступеней компрессора имеет венец лопаток ротора и венец лопаток статора, причем способ включает:

снятие первого выбранного венца лопаток статора с множества ступеней компрессора, причем первый выбранный венец лопаток статора имеет первый угол закручивания на входе и содержит первое множество неподвижных лопаток статора, причем каждая лопатка статора из первого множества неподвижных лопаток статора имеет первый угол лопатки статора относительно центральной оси газотурбинного двигателя;

предоставление первого усовершенствованного венца лопаток статора для замены первого выбранного венца лопаток статора, причем первый усовершенствованный венец лопаток статора имеет второе множество неподвижных лопаток статора, причем каждая лопатка статора из второго множества неподвижных лопаток статора имеет второй угол лопатки статора, который меньше первого угла лопатки статора;

установку первого усовершенствованного венца лопаток статора вместо первого выбранного венца лопаток статора, причем первый усовершенствованный венец лопаток статора имеет второй угол закручивания на входе, который меньше первого угла закручивания на входе, с получением повышенной степени сжатия и повышенной пропускной способности по сравнению с первым выбранным венцом лопаток статора.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что второй угол лопатки статора на три градуса более открыт, чем первый угол лопатки статора.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что снятие и установку выполняют для каждого венца лопаток статора, состоящего из множества неподвижных лопаток статора.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно включает:

снятие второго выбранного венца лопаток статора с множества ступеней компрессора, причем второй выбранный венец лопаток статора имеет третий угол закручивания на входе и содержит третье множество неподвижных лопаток статора, причем каждая лопатка статора из третьего множества неподвижных лопаток статора имеет третий угол лопатки статора относительно центральной оси газотурбинного двигателя;

предоставление второго усовершенствованного венца лопаток статора для замены второго выбранного венца лопаток статора, причем второй усовершенствованный венец лопаток статора имеет четвертое множество неподвижных лопаток статора, причем каждая лопатка статора из четвертого множества неподвижных лопаток статора имеет четвертый угол лопатки статора, который меньше третьего угла лопатки статора;

установку второго усовершенствованного венца лопаток статора вместо второго выбранного венца лопаток статора, причем второй усовершенствованный венец лопаток статора имеет четвертый угол закручивания на входе, который меньше третьего угла закручивания на входе, для получения повышенной степени сжатия и повышенной пропускной способности по сравнению со вторым выбранным венцом лопаток статора.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что первый усовершенствованный венец лопаток статора и второй усовершенствованный венец лопаток статора выполняют из верхней части сборочного кольца и нижней части сборочного кольца.

6. Усовершенствованный пакет лопаток статора для повышения КПД компрессора газотурбинного двигателя, причем компрессор имеет первый пакет лопаток статора, выбранный для замены, причем первый пакет лопаток статора имеет первое множество неподвижных лопаток статора, причем каждая неподвижная лопатка статора из первого множества неподвижных лопаток статора имеет первый угол лопатки относительно центральной оси газотурбинного двигателя, причем усовершенствованный пакет лопаток статора содержит:

усовершенствованное сборочное кольцо статора, имеющее центральную ось, окруженную внутренней поверхностью, образующей цилиндрическую поверхность вращения и имеющей множество перфорационных отверстий, выполненных вокруг внутренней окружности усовершенствованного сборочного кольца статора;

второе множество лопаток статора для вставки во множество перфорационных отверстий, причем каждая лопатка статора из второго множества лопаток статора имеет второй угол лопатки, который меньше первого угла лопатки, при вставке во множество перфорационных отверстий, и

причем компрессор обеспечивает повышенный коэффициент мощности и повышенную пропускную способность при использовании усовершенствованного пакета лопаток статора вместо первого пакета лопаток статора.

7. Усовершенствованный пакет лопаток статора по п. 6, отличающийся тем, что усовершенствованное сборочное кольцо статора имеет верхнюю часть сборочного кольца и нижнюю часть сборочного кольца, идентичную верхней части сборочного кольца.

8. Усовершенствованный пакет лопаток статора по п. 6, отличающийся тем, что второе множество лопаток статора присоединено пайкой во множество перфорационных отверстий.

9. Усовершенствованный пакет лопаток статора по п. 6, отличающийся тем, что усовершенствованный пакет лопаток статора улучшает КПД компрессора, коэффициент мощности и пропускную способность в условиях окружающей среды, которые жарче, чем расчетные параметры для компрессора с установленным первым пакетом лопаток статора.

10. Усовершенствованный пакет лопаток статора по п. 6, отличающийся тем, что второй угол лопатки статора на три градуса меньше первого угла лопатки статора.