Результат интеллектуальной деятельности: ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА

Изобретение относится к газотурбинным установкам для привода электрогенератора или для механического привода.

Известна газотурбинная установка, статор турбины которой выполнен двухслойным и состоящим из наружного цельного корпуса и внутреннего корпуса, ограничивающего проточную часть турбины, причем внутренний корпус состоит из секторов разрезных колец, внутренние полости которых заполнены теплоизоляцией, а наружные полости соединены между собой осенаправленными каналами в единую систему (патент РФ №2151886, F01D 11/24, 25/14, 2000 г.).

Недостатком такой конструкции является ее сложность и высокая стоимость.

Наиболее близкой к заявляемой является газотурбинная установка, внешний корпус переходного канала между турбинами в которой выполнен двухстенным, состоящим из наружного и внутреннего цельных корпусов (патент РФ №2198311, F02C 7/052, 2003 г.).

Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является ее низкая надежность из-за повышенной температуры наружного корпуса переходного между турбинами канала, а также отсутствие на наружном корпусе клапанов перепуска газа, что снижает надежность газотурбинной установки при ее запуске.

Технической задачей изобретения является снижение стоимости и повышение надежности газотурбинной установки путем снижения температуры наружного корпуса переходного между турбинами канала и перепуска части газа из переходного канала на режимах запуска газотурбинной установки.

Сущность изобретения заключается в том, что в газотурбинной установке, включающей компрессор, камеру сгорания, турбину высокого давления и силовую свободную турбину, а также переходный между турбинами канал с наружным корпусом, согласно изобретению наружный корпус выполнен трехстенным, состоящим из внешнего, среднего и внутреннего цельных корпусов, между внутренним и средним корпусами размещена теплоизоляция, а между внешним и средним корпусами выполнена кольцевая воздушная полость, соединенная на входе в передней по потоку газа части корпусов с промежуточной ступенью компрессора и на выходе - с проточной частью переходного канала, средний корпус передней частью жестко соединен с внешним корпусом и телескопически в осевом направлении - с задней по потоку частью, а внутренний корпус установлен относительно внешнего корпуса телескопически в радиальном направлении на радиальных втулках термопар, причем на внешнем корпусе установлены клапаны перепуска газа, соединенные на входе с проточной частью переходного канала через группы отверстий во внутреннем корпусе, число групп отверстий равно числу клапанов, а отверстия в группе размещены преимущественно с внешней стороны от проекции запорной части клапана на внутренний корпус и отделены от полости с теплоизоляцией замкнутой по контуру уплотнительной лентой, при этом n=Z+2,

где n - число втулок термопар;

Z - число жаровых труб камеры сгорания газотурбинной установки.

Выполнение наружного корпуса переходного между турбинами канала трехстенным, состоящим из внешнего, среднего и внутреннего цельных корпусов с размещением в кольцевой полости между средним и внутренним корпусами теплоизоляции, а также выполнение между внешним и средним корпусами кольцевой воздушной полости, соединенной на входе с промежуточной ступенью компрессора и на выходе - с проточной частью переходного канала позволяет за счет уменьшения подвода тепла и охлаждения воздухом из-за промежуточной ступени компрессора существенно снизить температуру силового внешнего корпуса, а также среднего корпуса с соответствующим повышением надежности внешнего корпуса с одновременным снижением его стоимости из-за применения менее жаропрочных и более дешевых марок сталей и сплавов при его изготовлении.

Соединение среднего корпуса передней по потоку газа своей частью жестко с внешним корпусом и телескопически в осевом направлении задней по потоку частью, позволяет исключить вибрацию среднего корпуса, наклеп и износ его посадочных поверхностей, а также образование дополнительных напряжений при взаимных термических осевых перемещениях внешнего и среднего корпусов, что повышает надежность среднего корпуса.

Установка внутреннего цельного корпуса относительно внешнего корпуса телескопически в радиальном направлении на радиальных втулках термопар, позволяет исключить при работе газотурбинной установки образование на внутреннем корпусе дополнительных напряжений при взаимной термической деформации корпусов, что повышает надежность внутреннего корпуса. Одновременно повышается надежность термопар за счет их защиты от внешних воздействий со стороны корпусов и теплоизоляции с помощью толстостенных втулок.

Установка на внешнем корпусе клапанов перепуска газа, соединенных на входе с проточной частью переходного канала через группы отверстий во внутреннем корпусе позволяет снизить окружную неравномерность потока газа на входе в свободную силовую турбину, а также уменьшить температуру газа перед турбиной высокого давления при запуске газотурбинной установки, что повышает ее надежность и снижает стоимость ее эксплуатации.

Выполнение числа групп отверстий, равным числу клапанов, и размещение отверстий в группе преимущественно с внешней стороны от проекции запорной части клапана на внутренний корпус, а также отделение отверстий от полости с теплоизоляцией замкнутой по контуру уплотнительной лентой позволяет снизить гидравлическое сопротивление газа на входе в клапаны перепуска и исключить попадание теплоизоляции в силовую свободную турбину и в клапаны перепуска при работе газотурбинной установки, что повышает ее надежность.

Выполнение числа n втулок термопар, равным числу Z жаровых труб плюс 2, позволяет размещать во втулках термопары, контролирующие поле температур на выходе из каждой жаровой трубы. Две дополнительные термопары предназначены для контроля розжига камеры сгорания при запуске, что повышает надежность запуска и работы газотурбинной установки.

На фиг.1 показан продольный разрез газотурбинной установки, на фиг.2 - элемент I на фиг.1 в увеличенном виде. На фиг.3 показано сечение А-А на фиг.2, а на фиг.4 - сечение Б-Б на фиг.3. На фиг.5 представлен вид В на фиг.2.

Газотурбинная установка 1 состоит из компрессора 2, камеры сгорания 3 с жаровыми трубами 4, турбины высокого давления 5, которая служит для привода компрессора 2, силовой свободной турбины 6 и переходного между турбинами 5 и 6 канала 7 с наружным корпусом 8, на котором установлены клапаны перепуска 9 газа из переходного канала 7.

Наружный корпус выполнен трехстенным и состоящим из внешнего 10, среднего 11 и внутреннего 12 цельных корпусов, причем между внешним 10 и средним 11 корпусами выполнена кольцевая воздушная полость 13, соединенная на входе в передней по потоку газа 14 части 15 корпусов 10, 11 с промежуточной ступенью 16 компрессора 2, а на выходе - с проточной частью 17 переходного канала 7. В кольцевой полости 18 между средним 11 и внутренним 12 корпусами размещена теплоизоляция 19, уменьшающая тепловой поток к внешнему 10 и среднему 11 корпусам переходного канала 7.

Средний корпус 11 соединен с внешним корпусом 10 передней своей частью 20 жестко с помощью болтового соединения 21, и телескопически в осевом направлении задней 22 по потоку частью.

Внутренний корпус 12 установлен относительно внешнего корпуса 10 телескопически в радиальном направлении на радиальных втулках 23 термопар 24, с радиальными зазорами 25 и 26 по переднему 27 и заднему 28 установочным фланцам относительно среднего корпуса 11 и внешнего корпуса 10.

Каналы перепуска 9, установленные на наружном корпусе 8 переходного канала 7, соединены на входе с проточной частью 17 канала 7 через группы 29 отверстий 30 во внутреннем корпусе 12, причем отверстия 30 размещены с внешней стороны от проекции 31 запорной части 32 клапана 9 на внутренний корпус 12 и отделены от кольцевой полости 18 с теплоизоляцией 19 замкнутой по контуру уплотнительной лентой 33.

При открытом положении клапана перепуска 9 газа шток 34 с запорной частью 32 клапана 9 устанавливается в положение 35, а при закрытом клапане - в положение 36.

Работает данное устройство следующим образом.

При запуске газотурбинной установки 1 для снижения гидравлического сопротивления газа на выходе из переходного канала 7 клапаны 9 открываются путем установки штока 34 в положение 35 и часть газа из проточной части 17 переходного канала 7 в обход силовой свободной турбины 6 перепускается в атмосферу, что уменьшает время запуска и снижает температуру газа перед турбиной высокого давления 5 с соответствующим повышением ее надежности и газотурбинной установки 1.

Размещение отверстий 30 преимущественно с внешней стороны от проекции 31 запорной части 32 клапана 9 на внутренний корпус 12 снижает гидравлическое сопротивление потока газа 14 при втекании во внутренние полости канала 9, что способствует снижению давления газа в проточной части 17 канала 7, увеличению перепада давления на турбине высокого давления 5 и понижению температуры газа перед турбиной 5 на запуске, что повышает надежность газотурбинной установки 1.

Уплотнительная лента 33, ограничивающая по замкнутому контуру группу 29 отверстий 30 от кольцевой полости 18 с теплоизоляцией 19, препятствует разрушению теплоизоляции 19. После осуществления запуска шток 34 клапана 9 устанавливается в положение 36 и поток газа 14 полностью истекает через турбину 6.

При повышении режима работы газотурбинной установки 1 температура внутреннего корпуса 12 повышается из-за температурной деформации радиальные зазоры 25 и 26 по переднему 27 и заднему 28 установочным фланцам уменьшаются «выбираются», и внутренний корпус 12 центрируется по среднему 11 и внешнему 10 корпусам, что повышает надежность наружного корпуса 8 из-за уменьшения вибрации внутреннего корпуса 12.

Одновременно охлаждающий воздух из-за промежуточной ступени 16 компрессора 2 протекает в воздушной кольцевой полости 13, снижая таким образом температуру внешнего корпуса 10, что повышает его надежность и позволяет изготавливать корпус 10 из менее жаропрочных и жаростойких материалов с соответствующим снижением его стоимости.