Газовая турбина, содержащая корпус компрессора с впускным отверстием для охлаждения корпуса компрессора, и использование указанной газовой турбины

Изобретение относится к энергетике. Газовая турбина, содержащая ротор в сборе и корпус компрессора. При этом корпус компрессора содержит внутреннюю камеру корпуса компрессора для размещения ротора в сборе и внешнюю камеру для охлаждения корпуса компрессора. Внутренняя камера корпуса компрессора и внешняя камера корпуса компрессора отделены друг от друга с помощью разделительной стенки корпуса, а внешняя камера корпуса компрессора содержит граничную стенку корпуса. Граничная стенка корпуса содержит впускное отверстие для подачи входящего потока охлаждающего газа с охлаждающим газом во внешнюю камеру корпуса компрессора для охлаждения корпуса компрессора таким образом, что градиенты температур материала в тангенциальном направлении в корпусе компрессора уменьшаются по сравнению с неохлаждаемым корпусом компрессора. Также представлен способ эксплуатации газовой турбины. Изобретение позволяет уменьшить вероятность возникновения механического повреждения газовой турбины, связанного с температурным воздействием на ротор в сборе на внутренней поверхности корпуса компрессора. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к газовой турбине, содержащей корпус компрессора, а также к использованию такой газовой турбины.

Уровень техники

Газовая турбина содержит ротор в сборе (по меньшей мере, одну подвижную часть) и корпус компрессора (по меньшей мере одну неподвижную часть). Ротор в сборе, который приводится во вращение с помощью рабочего тела, проходящего через газовую турбину, размещен внутри корпуса компрессора. В промышленных газовых турбинах во внутренних камерах (внутренних полостях) корпуса компрессора обычно наблюдается температурная неравномерность. Этот эффект можно наблюдать во многих случаях вскоре после остановки газовой турбины. В корпусе по результатам измерений могут быть выявлены градиенты температуры. Указанные градиенты температур приводят к поперечной деформации корпуса компрессора относительно ротора в сборе газовой турбины. Поэтому может происходить повреждение внутренней поверхности корпуса.

Сущность изобретения

Задача настоящего изобретения заключается в создании газовой турбины, для которой вероятность возникновения механического повреждения ротора в сборе на внутренней поверхности корпуса компрессора, связанного с температурным воздействием, уменьшена по сравнению с известными в уровне техники решениями.

Другая задача заключается в обеспечении использования газовой турбины.

Эти задачи решаются с помощью настоящего изобретения, охарактеризованного в пунктах формулы изобретения. Изобретением обеспечивается газовая турбина, содержащая по меньшей мере один ротор в сборе; и по меньшей мере один корпус компрессора; при этом корпус компрессора содержит по меньшей мере одну внутреннюю камеру корпуса компрессора для размещения ротора в сборе и по меньшей мере одну внешнюю камеру корпуса компрессора для охлаждения корпуса компрессора; внутренняя камера корпуса компрессора и внешняя камера корпуса компрессора отделены друг от друга разделительной стенкой корпуса; внешняя камера корпуса компрессора содержит по меньшей мере одну граничную (ограничивающую) стенку корпуса; указанные разделительная стенка корпуса и граничная стенка корпуса расположены на определенном расстоянии напротив друг друга с образованием внешней камеры корпуса компрессора; граничная стенка корпуса содержит по меньшей мере одно входное отверстие для ввода охлаждающего потока газа с охлаждающим газом во внешнюю камеру корпуса компрессора, в результате чего изменение температуры материала корпуса компрессора в тангенциальном направлении уменьшается по сравнению с корпусом компрессора при отсутствии охлаждения корпуса. Поток охлаждающего газа представляет собой струю охлаждающего газа. Это газовая струя охлаждающего газа направлена вдоль поверхности корпуса компрессора, например, вдоль поверхности граничной стенки корпуса или вдоль поверхности стенки внутренней камеры компрессора. В результате вдоль поверхности граничной стенки корпуса или вдоль поверхности стенки внутренней камеры компрессора градиенты температуры скомпенсированы.

За счет этого вероятность возникновения «горячих пятен» в корпусе компрессора уменьшается. Таким образом, отмеченная выше проблема, связанная с температурной неравномерностью в газовых турбинах, смягчается. Указанное повреждение поверхности не происходит.

Предпочтительно для эффективного уменьшения проблемы температурной неравномерности вдоль внутренней поверхности граничной стенки корпуса распределено некоторое количество впускных отверстий.

Ротор в сборе может приводиться во вращение с помощью рабочего тела. Рабочим телом является газ. Предпочтительно этот газ представляет собой продукты сгорания процесса сжигания топлива.

Камера, образованная внутри корпуса компрессора, пространственно ограничена внутренней разделительной стенкой корпуса и внешней граничной стенкой корпуса. С помощью впускного отверстия входящий поток охлаждающего газа может быть направлен в камеру внутри корпуса компрессора. Охлаждающий газ, в частности воздух, может быть инжектирован в камеру внутри корпуса компрессора. С помощью входящего потока охлаждающего газа происходит охлаждение корпуса компрессора. Указанное охлаждение предпочтительно является отводом тепла от корпуса компрессора. Благодаря циркуляции возникновения температурной неравномерности уменьшается. Кроме того, достигаемым результатом будет поглощение тепловой энергии молекулами газа, содержащимися во входящем потоке охлаждающего потока охлаждающего газа вероятность газа, и распределение этой поглощаемой тепловой энергии вдоль стенки корпуса компрессора. Градиенты температуры в пределах корпуса компрессора, которые, в особенности, могут появляться при нахождении газовой турбины в положении остановки, уменьшаются, что приводит к снижению вероятности возникновения температурных деформаций корпуса компрессора. Ротор в сборе может быть надлежащим образом установлен во внутренней камере корпуса компрессора с возможностью вращения в указанной внутренней камере корпуса компрессора и приводится во вращение с помощью рабочего газа. Повреждение поверхности, обусловленное температурной деформацией корпуса компрессора, происходить не будет.

При этом конструкция обеспечивает полное разделение охлаждающего газа и рабочего газа. Охлаждающая текучая среда, например охлаждающий газ, и рабочий газ турбины не перемешиваются. Полное разделение обеспечивается с помощью разделительной стенки корпуса.

Охлаждающий газовый поток может содержать различные газы или смеси газов. В предпочтительном воплощении охлаждающим газом служит воздух. Воздух является весьма эффективным и неограниченным по доступности охлаждающим газом. В качестве альтернативы возможно использование других газов или газовых смесей. Например, охлаждающим газом может быть азот.

Граничная стенка корпуса может содержать по меньшей мере одно выпускное отверстие для отвода выходящего потока охлаждающего газа из внешней камеры корпуса компрессора. Но это не является необходимым. Поток охлаждающего газа может поступать в газовый тракт компрессора через щель отбора воздуха из компрессора, а не через внешнюю камеру корпуса компрессора.

Предпочтительно, чтобы охлаждение не было неконтролируемым процессом. Поэтому предпочтительно используется по меньшей мере одно устройство для регулирования потока входящего охлаждающего газа. При наличии выпускных отверстий предпочтительно также регулировать выходящий поток охлаждающего газа. Поэтому имеются устройства для регулирования выходящего потока охлаждающего газа.

Предпочтительно устройство регулирования потока охлаждающего газа содержит, по меньшей мере, один клапан и/или, по меньшей мере, одно сопло. Например, устройство регулирования потока охлаждающего газа представляет собой сопло, которое встроено в граничную стенку корпуса. Предпочтительно это сопло встроено с тангенциальным расположением в продольном направлении. Сопло ориентировано тангенциально. При этом ориентация канала сопла и направление камеры образуют между собой угол в интервале от 45° до 85°. Например, этот угол составляет приблизительно 50°. В результате охлаждающий газ инжектируют во внешнюю камеру в тангенциальном направлении. Кроме того, могут быть использованы дополнительные устройства, подобные вентилятору и/или воздуходувке.

В предпочтительном воплощении охлаждающий газ может быть инжектирован во внешнюю камеру корпуса компрессора так, что молекулы охлаждающего газа движутся по окружности и/или в тангенциальном направлении вдоль внутренней поверхности граничной стенки корпуса и/или вдоль внутренней поверхности внутренней разделительной стенки. Благодаря этому весьма эффективно достигается выравнивание температуры. В этом случае не наблюдаются пики температуры. Внешний воздух инжектируется, например, через стенку корпуса таким образом, что достигается круговое движение воздуха внутри полости (внешней камеры корпуса компрессора). При этом тангенциальное расположение используемого сопла (см. выше: сопло с тангенциальным расположением) и угол струи инжектируемого воздуха выбирают так, что струя воздуха будет ударять и тем самым охлаждать стенку корпуса в центре зоны с самой высокой температурой материала, т.е. в верхней по вертикали координате камеры корпуса компрессора. В результате температурная неравномерность внутри камеры корпуса компрессора эффективно уменьшается.

Впускное отверстие используется в газотурбинном двигателе. При этом молекулы охлаждающего газа инжектируют в камеру внутри корпуса компрессора через входное сопло во время, по меньшей мере, при нахождении газотурбинного двигателя в одном рабочем положении. Рабочее положение выбирают из группы, включающей запуск газотурбинного двигателя и остановку газотурбинного двигателя. Предпочтительно для формирования струи охлаждающего газа используют воздух.

Краткое описание чертежа

Другие особенности и преимущества изобретения следуют из описания примера воплощения со ссылкой на чертеж. На чертеже схематически показано поперечное сечение газовой турбины.

Подробное описание изобретения

Объектом настоящего изобретения является турбина 1, которая содержит по меньшей мере один ротор в сборе 10 и по меньшей мере один корпус 11 компрессора. Турбина представляет собой газовую турбину. В качестве рабочего тела газовой турбины, приводящего во вращение ротор в сборе 10 турбины 1, используются газообразные продукты сгорания.

Корпус компрессора содержит по меньшей мере одну внутреннюю камеру 1112 корпуса компрессора для размещения ротора в сборе и по меньшей мере одну внешнюю камеру 1113 для отбора воздуха из компрессора. Ротор в сборе размещен во внутренней камере корпуса компрессора таким образом, что ротор в сборе и корпус компрессора расположены соосно друг другу. Эти элементы имеют общую ось 12 вращения.

Внутренняя камера 1112 корпуса компрессора и внешняя камера 1113 корпуса компрессора отделены друг от друга с помощью разделительной стенки 1101 корпуса. Внешняя камера 1113 корпуса компрессор содержит, по меньшей мере, одну граничную стенку корпуса 110. Граничная стенка 110 корпуса и разделительная стенка 1101 корпуса находятся напротив друг друга на определенном расстоянии с образованием внешней камеры 1113 корпуса компрессора.

Граничная стенка 110 корпуса содержит по меньшей мере одно впускное отверстие 1100 для ввода охлаждающего газового потока 1115 с охлаждающим газом во внешнюю камеру 1113 корпуса компрессора для охлаждения корпуса компрессора. Используется по меньшей мере одно регулирующее устройство для регулирования потока входящего охлаждающего газа. Устройство для регулирования потока входящего охлаждающего газа представляет собой сопло 11001.

Сопло 11001 ориентировано тангенциально, при этом направление 11003 канала 11002 сопла 11001 и радиальное направление 112 камеры 11 образуют угол 113 приблизительно равный 45°.

Посредством входного отверстия и сопла соответственно струя охлаждающего газа с молекулами газа может быть инжектирована во внешнюю камеру корпуса компрессора. Указанная струя охлаждающего газа содержит воздух с азотом и кислородом в качестве молекул охлаждающего газа.

Струя охлаждающего газа может быть инжектирована таким образом, что обуславливает движение молекул газа в струе охлаждающего газа по окружности 1114. Кроме того, струю охлаждающего газа инжектируют во внешний корпус 1113 так, что в струе охлаждающего газа происходит тангенциальное движение молекул газа вдоль внутренней поверхности 1111 граничной стенки корпуса.

Газовая турбина используется в газотурбинном двигателе. При ее использовании молекулы охлаждающего газа инжектируют во внешнюю камеру 1113 корпуса компрессора через впускные отверстия 1100 при нахождении газотурбинного двигателя по меньшей мере в одном рабочем положении. Рабочим положением является остановка газотурбинного двигателя. За счет инжекции охлаждающего газа во внешнюю камеру корпуса компрессора градиенты температуры в тангенциальном направлении снижаются (температура выравнивается). Это приводит к меньшей температурной деформации корпуса компрессора по сравнению с газовой турбиной без использования струи охлаждающего газа.

1. Газовая турбина (1), содержащая

по меньшей мере один ротор (10) в сборе; и

по меньшей мере один корпус (11) компрессора; при этом

корпус (11) компрессора содержит по меньшей мере одну внутреннюю камеру (1112) корпуса компрессора для размещения ротора (10) в сборе и по меньшей мере одну внешнюю камеру (1113) для охлаждения корпуса (11) компрессора;

при этом внутренняя камера (1112) корпуса компрессора и внешняя камера (1113) корпуса компрессора отделены друг от друга с помощью разделительной стенки (1101) корпуса;

внешняя камера (1113) корпуса компрессора содержит по меньшей мере одну граничную стенку (110) корпуса;

граничная стенка (110) корпуса и разделительная стенка (1101) корпуса находятся напротив друг друга на определенном расстоянии с образованием внешней камеры (1113) корпуса компрессора; и

граничная стенка (110) корпуса содержит по меньшей мере одно впускное отверстие (1100) для подачи входящего потока (1115) охлаждающего газа во внешнюю камеру (1113) корпуса компрессора для охлаждения корпуса (11) компрессора, в результате чего изменение температуры материала в тангенциальном направлении в корпусе компрессора уменьшается по сравнению с неохлаждаемым корпусом (11) компрессора,

при этом газовая турбина выполнена с возможностью инжектирования охлаждающего газа во внешнюю камеру корпуса так, что это приводит к движению (1114) молекул охлаждающего газа по окружности и/или движению молекул охлаждающего газа в тангенциальном направлении вдоль внутренней поверхности (1111) граничной стенки (110) камеры и/или вдоль внутренней поверхности внутренней разделительной стенки.

2. Газовая турбина по п. 1, в которой используется по меньшей мере одно устройство для регулирования входящего потока охлаждающего газа.

3. Газовая турбина по п. 2, в которой указанное устройство для регулирования потока охлаждающего газа содержит по меньшей мере один клапан и/или по меньшей мере одно сопло (11001).

4. Газовая турбина по любому из пп. 1-3, в которой внешняя камера корпуса компрессора охватывает снаружи внутреннюю стенку, по меньшей мере, частично.

5. Газовая турбина по любому из пп. 1-3, в которой охлаждающим газом является воздух.

6. Способ эксплуатации газовой турбины по любому из пп. 1-5 в газотурбинном двигателе, характеризующийся тем, что молекулы охлаждающего газа инжектируют во внешнюю камеру корпуса (1113) через впускные отверстия (1100) при нахождении газотурбинного двигателя по меньшей мере в одном рабочем состоянии.

7. Способ эксплуатации газовой турбины по п. 6, характеризующийся тем, что указанным рабочим состоянием является запуск или остановка газотурбинного двигателя.

8. Способ эксплуатации газовой турбины по п. 6 или 7, характеризующийся тем, что в качестве охлаждающего газа используют воздух.