Результат интеллектуальной деятельности: КОМПРЕССОР ДЛЯ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ

Изобретение относится к осевому компрессору для газовой турбины, содержащему кольцеобразный в сечении тракт течения для сжимаемой среды, причем тракт течения ограничен радиально снаружи наружной стенкой кольцеобразного сечения, корпус, который охватывает наружную стенку с образованием, по меньшей мере, одной промежуточной сборной камеры, по меньшей мере, одно отверстие отбора в наружной стенке для отвода в сборную камеру части протекающей по тракту течения среды и, по меньшей мере, одно отверстие в корпусе для удаления отведенной части среды из корпуса.

Известно, что газовые турбины содержат нагретые горячим газом детали в турбине или камере сгорания, охлаждаемые охлаждающим воздухом. Охлаждение деталей осуществляется для того, чтобы они в течение длительного времени выдерживали температуры горячего газа. В качестве охлаждающего воздуха используется, как известно, воздух компрессора, который в разных местах компрессора может отбираться от его главного потока. На фиг.3 в продольном разрезе изображен отбор охлаждающего воздуха со стороны корпуса в компрессоре 10 газовой турбины 12. Отбор сжатого воздуха 42 от протекающего по кольцеобразному тракту течения 14 воздуха 18 происходит через ряд отверстий отбора 40, которые расположены лучевидно в ограничивающей тракт течения 14 снаружи наружной стенке 26. Все отверстия отбора 40 заканчиваются в кольцевой камере 44, которая расположена вне наружной стенки 26, и в которой собирается отведенный воздух. Сама камера 44 окружена и тем самым ограничена снаружи корпусом 32 компрессора 10. В корпусе 32, в свою очередь, по периферии распределено небольшое число больших отверстий 64, например, три или четыре, из которых может удаляться подаваемая в кольцевую камеру 44 часть 42 сжатого воздуха, которая по дополнительным, проходящим вне газовой турбины трубам (не показаны) подается к турбине или камере сгорания, где отведенный воздух используется надлежащим образом в целях охлаждения нагретых горячим газом деталей.

В кольцеобразном тракте течения 14 компрессора 10 в виде венцов попеременно расположены направляющие 20 и рабочие 22 лопатки, причем направляющие лопатки 20 жестко закреплены со стороны корпуса, т.е. на наружной стенке 26, а рабочие лопатки 22 жестко закреплены на внутренней стенке 24 кольцеобразного тракта течения 14, т.е. на роторе 24. Вершины рабочих лопаток 22 с образованием зазора 36 противоположны наружной стенке тракта течения 14, а вершины свободно стоящих направляющих лопаток 20 - его внутренней стенке 24. Чтобы эти зазоры между ротором 24 и статором для каждого рабочего этапа были как можно меньше, необходимо термически максимально хорошо сбалансировать ротор 24 и статор.

Будучи системно-обусловленными, роторы из-за своей высокой массы и меньшего внутреннего протекания через них являются термически более медленными, чем корпуса, и соответственно медленнее расширяются. В частности, возникающие в неустановившихся эксплуатационных условиях, например во время холодного запуска или при выключении газовой турбины, радиальные или осевые расширения должны учитываться при расчете необходимых радиальных и осевых зазоров. Это негативно сказывается на необходимом конструктивном пространстве, жесткости расположения и, в частности, в целом, на КПД газовой турбины.

Кроме того, из US 5203162 известен осевой компрессор для самолетной газовой турбины с отбором воздуха. Перед расположенным в корпусе отверстием для отбора воздуха имеются две расположенные радиально друг над другом кольцевые камеры, отделенные друг от друга общей перегородкой. При этом внутренняя ограничительная стенка внутренней кольцевой камеры образована кольцевой стенкой, образующей тракт течения компрессора. Как в кольцевой стенке, так и в перегородке выполнены отверстия, через которые может выходить отведенная из компрессора часть потока. Отверстия в кольцевой стенке и в перегородке расположены с осевым смещением по отношению друг к другу для улавливания и отклонения захваченных главным потоком частиц, возникающих, например, в результате трения рабочих лопаток компрессора о корпус, поскольку следует избегать удара частиц о сравнительно тонкую внешнюю стенку корпуса.

Кроме того, из US 5160241 известен компрессор с несколькими отверстиями отбора, у которого отведенный от главного потока компрессора воздушный поток направляется дальше через кольцевую камеру. Во избежание разной термической нагрузки вдоль периферии на каждом отверстии отбора со стороны сборной камеры расположены дефлекторы, которые проходят в форме секторов в направлении периферии. При этом дефлекторы расположены соответственно лишь локально в зоне отверстий отбора. Дефлекторы позволяют избежать течения поступающего в сборную камеру воздуха вдоль внутренней поверхности корпуса, благодаря чему уменьшается опасность его неодинаковой термической нагрузки.

Также из US 4303371 известен направляющий кольцевой сегмент турбины, который подвергается ударному охлаждению с помощью расположенного в нем U-образного листа.

Задачей изобретения является создание компрессора для газовой турбины и газовой турбины с повышенным КПД.

Решение этой задачи предусматривает, что в сборной камере расположена перегородка, которая разделяет ее на радиально внутренний и радиально внешний отсеки.

В основе изобретения лежит тот факт, что до сих пор в сборных камерах, т.е. в камерах отбора, очень быстро возникают коэффициенты теплопередачи, которые приводят к быстрому нагреву и тем самым к быстрому, термически обусловленному расширению стенки корпуса, а нагрев ротора, напротив, до сих пор происходит существенно медленнее.

В газовых турбинах с установленным со стороны входа компрессора осевым подшипником для корпуса и ротора это приводило к тому, что все осевые расширения корпуса и ротора относятся к этой точке. В случае холодного запуска слишком быстрый нагрев корпуса в зоне компрессора приводил также к смещению корпуса в зоне турбинного блока. Поскольку, однако, ротор из-за своей термической инерционности нагревается медленнее, чем корпус, его осевое смещение вследствие тепловых расширений в зоне турбинного блока происходило в меньшей степени, чем у корпуса турбины. В сочетании с каналом для горячего газа турбинного блока, проходящим вдоль оси машины и конически расширяющимся в направлении течения горячего газа, это могло привести с сужению радиальных зазоров на рабочих лопатках турбины за счет корпуса, поскольку на этапе нагрева корпуса и ротора в направлении выхода турбины происходило осевое смещение корпуса турбины относительно участка ротора со стороны турбины, которое по окончании термического нагрева и расширения ротора было, однако, снова компенсировано. Поэтому, чтобы в значительной степени учитывать сужение, рассчитывались сравнительно большие радиальные зазоры в турбинном блоке, т.е. между рабочими лопатками турбины и противоположными их вершинам, неподвижными направляющими кольцами.

Согласно изобретению предложено, что за счет разделения сборной камеры на радиально внутренний и радиально внешний отсеки можно повлиять на скорость нагрева корпуса в зоне компрессора при холодном запуске. За счет предотвращения принудительной конвекции отобранной части потока вдоль внутренней стороны корпуса можно значительно уменьшить коэффициент теплопередачи между средой и стенкой корпуса. Внутренняя сторона корпуса непосредственно конвективно больше не обдувается отведенной и в большинстве случаев очень теплой частью потока. Напротив, между внутренней стороной корпуса и отобранным воздухом имеется большей частью, преимущественно полностью закрытая камера, а именно радиально внутренний отсек, в которой может возникнуть лишь свободная конвекция. Таким образом, внешний отсек служит в качестве изолирующей полости между внутренним отсеком и корпусом. Следовательно, перегородка является экранирующим элементом для корпуса, чтобы существенно уменьшить ввод тепла протекающей во внутреннем отсеке среды в корпус по сравнению со сборной камерой без перегородки.

В частности, коэффициент теплопередачи между протекающей в сборной камере средой и корпусом можно таким образом уменьшить, так что при холодном запуске корпус компрессора нагревается медленнее, чем в случае без перегородки. Благодаря этому может достигаться выравнивание термической характеристики ротора и статора. Уравнивание вызывает то, что нагрев ротора и статора может происходить одновременно и в равной мере.

Предложенная перегородка препятствует тому, чтобы большая часть отведенной от главного потока компрессора части текла вдоль внутренней стороны корпуса. Нагрев корпуса и его расширение в осевом направлении можно тем самым замедлить, что вызывает уравнивание термических характеристик или термических расширений корпуса и ротора. Таким образом, можно существенно сократить промежуток времени между обусловленными расширением осевыми смещениями корпуса и ротора.

Благодаря изобретению во время холодного запуска можно уменьшить описанное выше промежуточное осевое относительное смещение корпуса турбины и участка ротора со стороны турбины, т.е., в частности, рабочих лопаток турбины, поскольку, в частности, корпус компрессора нагревается инерционно аналогично ротору, и в соответствии с этим термически обусловленные расширения ротора и статора по времени согласованы между собой. За счет этого радиальные зазоры турбины (холодные зазоры) могут быть рассчитаны меньше, что в установившемся режиме уменьшает потери в радиальных зазорах и вследствие этого существенно повышает эффективность газовой турбины.

Точно так же за счет этого можно уменьшить предусмотренную по конструкции величину зазоров (холодных зазоров) между свободными концами лопаток компрессора и противоположными им стенками, что в установившемся режиме компрессора или газовой турбины выгодно сказывается на КПД.

В целях удаления отведенной части среды из корпуса и сборной камеры перегородка имеет сравнительно большое отверстие для удаления, которое через канал сообщено с отверстием в корпусе. За счет этого можно удалить протекающую во внутреннем отсеке часть среды из сборной камеры и из корпуса. При этом внешний отсек, если смотреть в направлении периферии, прерван тем каналом, который сообщает отверстие в корпусе с отверстием для удаления в перегородке. Разрыв может разделять внешний отсек, если смотреть в направлении периферии, также лишь частично.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в зависимых пунктах формулы.

Целесообразно, сборная камера, если смотреть в осевом направлении компрессора, ограничена двумя боковыми стенками, каждая из которых проходит от корпуса до наружной стенки. При этом каждая боковая стенка частично или полностью может быть образована корпусом и выступом наружной стенки, которые могут переходить друг в друга по типу паза и гребня. В целом, следовательно, сборная камера ограничена радиально снаружи корпусом, радиально внутри - наружной стенкой тракта течения, а с обеих сторон - двумя боковыми стенками. За счет этого по отношению к оси компрессора возникает кольцеобразная в сечении сборная камера.

Особенно просто сборная камера разделяется на радиально внутренний и радиально внешний отсеки тогда, когда перегородка выполнена листообразной, а обе боковые стенки имеют пазы, которые противоположны друг другу, и в которые вставлена листообразная перегородка. За счет обычно имеющегося разделения корпуса на нижнюю и верхнюю половины выполненная также из половин перегородка может быть для монтажа вставлена в оба паза каждой половины корпуса и фиксирована в центральной точке. Преимущественно сидит в обоих огибающих пазах с возможностью теплового перемещения. Это позволяет избежать напряжений в перегородке. При этом перегородка может быть образована двумя листовыми сегментами по 180°. Можно использовать также больше листовых сегментов, которые в этом случае имеют, разумеется, по отношению к оси машины меньшую дуговую протяженность чем 180°.

Преимущественно перегородка расположена ближе к внутренней стороне корпуса, чем к внешней стороне наружной стенки. В принципе, вся отведенная часть отобранной из тракта течения среды течет только во внутренней секции. Вследствие этого рассматриваемое поперек направления периферии сечение внутренней секции должно быть существенно больше, чем сечение внешней секции, поскольку через внутреннюю секцию должен направляться весь необходимый для охлаждения массовый поток охлаждающего воздуха. За счет соответствующего расчета, т.е. величины сечения внутренней секции, можно достичь ведения отведенного потока охлаждающего воздуха со сравнительно малыми потерями.

Согласно другому предпочтительному варианту осуществления изобретения перегородка может иметь равномерно распределенные отверстия маленького сечения по сравнению с отверстиями для удаления. Это препятствует тому, чтобы в корпусе за счет экранирования посредством перегородки возникали локально слишком высокие тепловые напряжения. Кроме того, благодаря расположению отверстий можно регулировать коэффициент теплопередачи между отобранной частью потока и корпусом в зависимости от числа отверстий, величины отверстий и их распределения вдоль периферии. За счет использования отверстий в перегородке возможно, чтобы из внутреннего отсека во внешний отсек переходила дополнительная часть отведенного воздуха, так что во внешнем отсеке возникает комбинация свободной и принудительной конвекций. Следовательно, можно регулировать коэффициент теплопередачи таким образом, чтобы избежать слишком высоких тепловых напряжений в материале корпуса. Однако протекать через внешний отсек всему отведенному воздушному потоку отверстия маленького сечения не позволяют, и этого следует также избегать.

Чтобы достичь максимально равномерного отбора отводимой части среды из тракта течения в сборную камеру, наружная стенка имеет большое число лучевидно расположенных отверстий отбора. В частности, благодаря этому возможен подвод к сборной камере, если смотреть вдоль периферии, равномерно отведенной среды.

Преимущественно сборная камера перекрывает только один осевой участок тракта течения. Следовательно, не весь кольцеобразный тракт течения вдоль своей протяженности имеет окружающую его сборную камеру, а только один его осевой участок. Особенно предпочтительно осевой участок предусмотрен на задних ступенях осевого компрессора. Из-за возрастающей при сжатии среды ее температуры изобретение может предпочтительно применяться, в частности, на том осевом участке компрессора, где температура среды особенно высокая. Это наблюдается на задних ступенях компрессора, предусмотренных на стороне его выхода. В частности, на этом осевом участке вследствие более высокой при холодном запуске разности температур отведенной среды и корпуса предпочтительно термически изолировать корпус от отведенной среды.

Целесообразно, компрессор может иметь несколько аксиально отстоящих друг от друга сборных камер, каждая из которых кольцеобразно окружает тракт течения. При этом предложенная перегородка может быть расположена соответственно в одной сборной камере, в нескольких или во всех.

Таким образом, применение изобретения не ограничено только задними ступенями компрессора, и оно может применяться также в его средних и передних ступенях, если это целесообразно.

Другие структурные признаки и преимущества приведены в нижеследующем описании чертежей, на которых изображают:

- фиг.1: фрагмент продольного разреза предложенного компрессора газовой турбины;

- фиг.2: фрагмент сечения компрессора из фиг.1;

- фиг.3: фрагмент продольного разреза известного из уровня техники компрессора газовой турбины.

На фиг.1 изображен участок компрессора 10 газовой турбины 12 со стороны выхода. По аналогии с компрессором 10 из уровня техники на фиг.3 он включает в себя тракт течения 14, проходящий вдоль оси 16 машины. Тракт течения 14 в сечении кольцеобразный (фиг.2). В тракте течения 14 вдоль оси 16 машины друг за другом в виде венцов попеременно расположены направляющие 20 и рабочие 22 лопатки. Тракт течения 14 радиально внутри ограничен поверхностью 23 ротора 24 газовой турбины 12, которая образована боковыми поверхностями прилегающих друг к другу роторных дисков 27. Радиально снаружи тракт течения 14 ограничен наружной стенкой 26 кольцеобразного сечения. Она является частью кольцеобразно охватывающего ротор 24 держателя 28, в который с периферийным сцеплением (не показано) вставлены направляющие лопатки 20 компрессора. Наряду со своей, в основном, цилиндрической протяженностью держатель 28 имеет также два огибающих выступа 30. Держатель 28 охвачен корпусом 32, который посредством двух аксиально отстоящих друг от друга, проходящих радиально внутрь выступов 34 соединен с проходящими радиально наружу выступами 30 держателя 28. Выступы 30, 34 попарно образуют соответственно одну боковую стенку 35. Аксиально между обеими боковыми стенками 35 и радиально между корпусом 32 и наружной стенкой 26 расположена сборная камера 44 кольцеобразного сечения, которая охватывает тракт течения 14 компрессора 10 концентрично оси 16 машины. Вместо составной конструкции из держателя 28 и корпуса 32 может быть предусмотрена также цельная конструкция. В этом случае сборная камера расположена в стенке комбинированной конструкции из держателя направляющих лопаток и корпуса.

В наружной стенке 26 держателя 28 лучевидно расположены несколько отверстий отбора 40 (фиг.2), из которых в продольном разрезе на фиг.1 изображено только одно. Через отверстие отбора 40 по стрелке 42 может отводиться часть сжимаемой в тракте течения 14 среды 18, а именно воздуха.

В сборной камере 44 расположена перегородка 46. Она разделяет сборную камеру 44 на расположенный радиально внутри 48 и расположенный радиально снаружи 50 отсеки. При этом понятия «радиально снаружи» и «радиально внутри» относятся к оси 16 машины. Обе боковые стенки 35 снабжены, в целом, кольцеобразными пазами 52, которые противоположны друг другу. Перегородка 46 может быть вставлена для монтажа в противоположные друг другу пазы 52 и установлена в них с возможностью теплового перемещения.

При этом радиальное расстояние между перегородкой 46 и внутренней стороной 54 корпуса 32 существенно меньше радиального расстояния между перегородкой 46 и внешней стороной 56 наружной стенки 26, т.е. внешней стороной 56 держателя 28. На фиг.2 перегородка 46 имеет сравнительно большое отверстие 60 для удаления, которое посредством канала 62 сообщено с расположенным в корпусе 32 отверстием 64. За счет этого можно удалить протекающую во внутреннем отсеке 48, отведенную часть 42 среды 18 по каналу 62 из корпуса 32 или сборной камеры 44 и направить ее оттуда по трубопроводам (не показаны) к деталям газовой турбины 12, которые для достижения особенно длительного срока службы во время ее эксплуатации должны постоянно охлаждаться.

Размещение перегородки 46 в сборной камере 44 компрессора 10, с одной стороны, препятствует тому, чтобы вся отведенная часть 42 потока текла вдоль внутренней стороны 54 корпуса 32, и чтобы при этом захваченное ею тепло особенно быстро подводилось к материалу корпуса 32. С другой стороны, это позволяет избежать того, чтобы протекающий радиально наружу через отверстия отбора 40 воздух ударялся непосредственно о внутреннюю сторону 54 корпуса 32, и он в результате этого особенно быстро нагревался. В целом, это позволяет избежать того, чтобы при холодном запуске корпус 32 нагревался быстрее, чем расположенный внутри газовой турбины 12 ротор 24. Термическую характеристику корпуса 32 можно за счет этого уравнять с термической характеристикой ротора 24, так что оба компонента 24, 32 в зоне этого осевого участка могут нагреваться приблизительно синхронно. Обусловленные конструкцией зазоры между вершинами направляющих лопаток 20 и поверхностью 23 ротора 24, и вершинами рабочих лопаток 22, и наружной стенкой 26 могут быть тем самым рассчитаны меньше, что в установившемся режиме газовой турбины 12 значительно уменьшает потери в зазорах. В то же время за счет уравненных термических характеристик статора и ротора 24 уменьшаются возникающие в неустановившемся режиме потери в радиальных зазорах турбинного блока. За счет уменьшения тепловых потерь и потерь в зазорах можно, в целом, достичь повышения КПД газовой турбины.

В зависимости от выполнения перегородки 46 и выбранного расстояния между внутренней стороной 54 корпуса 32 и внешней стороной 56 держателя 28 может оказаться, что имеющаяся во внешнем отсеке 50 свободная конвекция нагревает корпус 32 компрессора 10 медленнее по сравнению с ротором 24. В этом случае можно предусмотреть равномерно распределенные в перегородке 46, меньшие отверстия, чтобы, по меньшей мере, небольшую часть отведенного воздуха 42 тем не менее подвести к внешнему отсеку 50, или чтобы она протекала вдоль внутренней стороны 54 корпуса 32 для предотвращения слишком замедленного нагрева корпуса 32 по отношению к ротору 24.

В принципе, компрессор 10 может иметь не только одну сборную камеру 44, но и несколько аксиально отстоящих друг от друга сборных камер для отбора охлаждающего воздуха разных давления и температуры. В зависимости от требования возможно расположение перегородки 46 только в одной сборной камере 44, в нескольких из этих сборных камер или во всех, чтобы существенно ограничить контакт отведенного потока с внутренней стороной 54 корпуса 32 и тем самым замедлить теплопереход охлаждающего воздуха в корпус 32.

По возможности, внешний отсек 50 может быть герметично отделен перегородкой 46 от внутреннего отсека 48. Поскольку, однако, внешний отсек 50 служит только в качестве изолирующего пространства или для замедления нагрева корпуса 32, абсолютная герметизация не является обязательной.

В целом, изобретение касается меры по термическому согласованию корпуса 32 компрессора 10 стационарной газовой турбины 12 с его ротором 24, причем от воздушного потока 18 компрессора отводится часть 42 потока для охлаждения деталей газовой турбины. Контакт отведенной в компрессоре 10 части 42 потока с внутренней стороной 54 корпуса 32 существенно ограничен или даже предотвращен за счет расположения перегородки 46 в кольцеобразно охватывающей тракт течения 14 сборной камере 44, чтобы предотвратить преждевременный термический нагрев газовой турбины 12 или корпуса 32 при холодном запуске компрессора 10.