Устройство отвода выхлопных газов газотурбинного двигателя

Изобретение относится к выхлопным патрубкам и может применяться в составе газотурбинных установок газоперекачивающих агрегатов. Устройство содержит корпус с входным отверстием, расположенным вокруг оси вращения турбины, диффузор, включающий осевую и радиальную части, образованные соответственно внутренней и наружной трактовыми стенками, расположенными внутри корпуса вокруг оси вращения турбины, и расположенное в наружной стенке корпуса выходное отверстие. Передняя стенка выполнена наклонной, а задний торец наружной трактовой стенки выполнен кососрезанным. Дополнительно в конструкцию введены двухсторонний делитель потока, газоотбойник и двухскатный дефлектор. Изобретение позволяет снизить гидравлические сопротивления, расход топливного газа, термические напряжения на элементах конструкции газоотводного тракта, и также снизить шум газоотводного тракта. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к вспомогательным устройствам газотурбинных установок, а именно к выхлопным патрубкам, и может применяться в составе газотурбинных установок газоперекачивающих агрегатов. Из всех элементов газоотводного тракта улитка отвода выхлопных газов, расположенная ниже по потоку после свободной силовой турбины, чаще всего выходит из строя. Это обусловлено тем, что она является самым теплонапряженным и наиболее нагруженным узлом газоотводного тракта, имеет сложную форму и подвержена низкочастотным колебаниям высокой интенсивности от генерируемых вихрей.

Из уровня техники известен ряд технических решений, обеспечивающих повышение эксплуатационных характеристик улиток, особенности конструкций некоторых из них рассмотрены ниже.

Известна выхлопная улитка, предназначенная для плавного торможения и поворота на 90° потока выхлопных газов двигателя. В состав улитки входят осерадиальный диффузор, газосборник, левая и правая рамы. В улитке кольцевая струя выхлопных газов перестраивается в струю прямоугольного сечения с направлением потока вверх [Гриценко Е.Л., Данильченко В.П., Лукачев С.В., Резник В.Е., Цыбизов Ю.И. Конвертирование авиационных ГТД в газотурбинные установки наземного применения. - Самара: СНЦ РАН, 2004. - 266 с.: ил.].

Недостатками выхлопной улитки являются повышенное гидравлическое сопротивление, увеличенная пульсация газового потока на выходе улитки, и, как следствие, ее недостаточная прочность и низкая надежность.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению и выбранным в качестве прототипа признано выхлопное устройство турбомашины [RU 2504665, МПК F01D 25/30, опубликовано 10.06.2012]. Выхлопное устройство содержит корпус с входным отверстием, расположенным вокруг оси вращения турбины, диффузор, включающий осевую и радиальную части, образованные соответственно внутренней и наружной трактовыми стенками, расположенными внутри корпуса вокруг оси вращения турбины, и расположенное в наружной стенке корпуса выходное отверстие. При этом в корпусе устройства, параллельно его стенкам, перпендикулярным оси вращения турбины, в поперечном сечении, соответствующем максимальному диаметру наружной трактовой стенки радиальной части диффузора, смонтирована дополнительная перегородка, имеющая периметр, равный периметру параллельных ей стенок корпуса, в которой выполнены одно отверстие и два сквозных паза. В нижней части дополнительной перегородки выполнены симметрично и зеркально относительно вертикальной оси указанной перегородки сквозные пазы. По периметру сквозных пазов неподвижно и герметично установлены полые короба, выполненные в виде усеченных пирамид с двумя криволинейными гранями.

Недостатком известного устройства является его низкая надежность, что обусловлено наличием в нижней части дополнительной перегородки полых коробов сложной геометрической формы. Упомянутые коробы приводят к появлению внутри корпуса двух мощных вихревых потоков, вращающихся в противоположных относительно друг друга направлениях и локализующихся в верхней части осевого диффузора, что может привести к разрушению дополнительной перегородки.

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является снижение гидравлических сопротивлений в радиальной части выхлопного тракта с одновременным повышением технологичности конструкции улитки.

Указанная техническая задача решена тем, что устройство содержит корпус с входным отверстием, расположенным вокруг оси вращения турбины, диффузор, включающий осевую и радиальную части, образованные соответственно внутренней и наружной трактовыми стенками, расположенными внутри корпуса вокруг оси вращения турбины, и расположенное в наружной стенке корпуса выходное отверстие. Отличает устройство от известных аналогов то, что радиальная часть образована полукруглой боковой стенкой с плоским дном, прикрепленной к ней плоской вертикальной задней стенкой и плоской наклонной передней стенкой, при этом задний торец наружной трактовой стенки выполнен кососрезанным. Углы наклона передней стенки и заднего торца наружной трактовой стенки направлены в сторону противоположную направлению газового потока продуктов сгорания турбины, а угол среза заднего торца наружной трактовой стенки больше угла наклона передней стенки. В нижнем пространстве осевой части к плоскому дну и внутренней трактовой стенке соосно оси газотурбинного двигателя прикреплен двухсторонний делитель потока, к заднему торцу наружной трактовой стенки прикреплен газоотбойник, а в верхнем пространстве осевой части между плоской наклонной передней стенкой и упомянутым газоотбойником на наружной трактовой стенке закреплен двухскатный дефлектор. Устройство установлено на прямоугольной раме, оборудованной узлами крепления, соединяющими ее с рамой газоперекачивающего агрегата. Рама снабжена четырьмя стойками, соединенными штифтами с полукруглой боковой стенкой корпуса, и четырьмя подъемными колесами, выполненными с возможностью их фиксации в нижнем и верхнем положениях во время монтажа и демонтажа улитки.

Положительным техническим результатом, обеспечиваемым раскрытой выше совокупностью конструктивных признаков устройства является уменьшение гидравлических потерь от вихреобразования за счет уменьшения объема радиальной части улитки, что достигнуто выполнением передней стенки плоской и наклонной. Снижение образования вихревых потоков достигается также за счет применения в конструкции улитки двухстороннего делителя газового потока и газоотбойника, что позволяет разделить воздушный поток на три части и направить его в каналы с заданной степенью диффузорности, при этом двухскатный дефлектор препятствует отрыву газового потока и возникновению донного разряжения, которое возникает при вертикальном обтекании газовым потоком внешней цилиндрической трактовой стенки. Дополнительным техническим результатом, достигаемым за счет конструктивных особенностей устройства, является повышение ее технологичности, что достигается установкой устройства на раме, снабженной четырьмя подъемными колесами, выполненными с возможностью их фиксации в нижнем и верхнем положениях во время монтажа и демонтажа, что позволяет осуществлять ее выкатку с переходником внутри моторного отсека и быструю замену через снятую крышу моторного отсека газоперекачивающего агрегата ГПА-Ц-16.

Конструкция устройства поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен ее общий вид в изометрической проекции; на фиг. 2 - вид сверху; на фиг. 3 - вид в разрезе по А-А на фиг. 1; на фиг. 4 - вид в разрезе по Б-Б на фиг. 1

Устройство отвода выхлопных газов газотурбинного двигателя имеет следующую конструкцию.

Устройство содержит корпус 1 с входным отверстием 2, расположенным вокруг оси вращения турбины, диффузор, включающий осевую 3 и радиальную части 4, образованные соответственно внутренней 5 и наружной 6 трактовыми стенками, расположенными внутри корпуса 1 вокруг оси вращения турбины, и расположенное в наружной стенке корпуса выходное отверстие 7. Радиальная часть 4 образована полукруглой боковой стенкой 8 с плоским дном 9, прикрепленной к ней плоской вертикальной задней стенкой 10 и плоской наклонной передней стенкой 11, при этом задний торец 12 наружной трактовой стенки 6 выполнен кососрезанным. Углы наклона передней стенки 11 и заднего торца 12 наружной трактовой стенки 6 направлены в сторону противоположную направлению газового потока продуктов сгорания турбины, а угол среза заднего торца наружной трактовой стенки 6 от 3° до 12° больше угла наклона передней стенки 11. Плоская вертикальная задняя стенка 10 и плоская наклонная передняя стенка 11 прикреплены к полукруглой боковой стенке 8 с плоским дном 9, преимущественно сварным соединением.

В нижнем пространстве осевой части 3 к плоскому дну 9 и внутренней трактовой стенке 5 соосно оси газотурбинного двигателя прикреплен двухсторонний делитель потока 13, к заднему торцу 12 наружной трактовой стенки 6 прикреплен газоотбойник 14, а в верхнем пространстве осевой части 4 между плоской наклонной передней стенкой 11 и упомянутым газоотбойником 14 на наружной трактовой стенке 6 закреплен двухскатный дефлектор 15. Двухсторонний делитель потока 13, газоотбойник 14 и двухскатный дефлектор 15 выполнены в виде пластин и прикреплены к плоскому дну 9, внутренней и наружной трактовым стенкам 5 и 6, а также заднему торцу 12 наружной трактовой стенки 6, преимущественно, сварным соединением.

Устройство установлено на прямоугольной раме 16, оборудованной узлами крепления 17, соединяющими ее с рамой газоперекачивающего агрегата. Рама 16 снабжена четырьмя стойками 18, соединенными штифтами 19 с полукруглой боковой стенкой 8 корпуса 1, и четырьмя подъемными колесами 20, выполненными с возможностью их фиксации в нижнем и верхнем положениях во время монтажа и демонтажа улитки.

Устройство отвода выхлопных газов газотурбинного двигателя используют следующим образом.

Первоначально устройство собирают, устанавливая на верхний фланец 21 корпуса 1 переходник 22 и монтируя ее на раме 16, закрепляя, например, сваркой, штифты 19 на поверхности полукруглой боковой стенки 8 так, как это показано на фиг. 4, и соединяя их со стойками 18 рамы 16. Затем снимают крышу моторного отсека газоперекачивающего агрегата, закатывают в отсек устройство по направляющим и монтируют ее с помощью креплений 17 на раме газоперекачивающего агрегата, после чего последний готов к работе.

Во время работы газоперекачивающего агрегата газовый поток, поступающий от свободной силовой турбины, подается во входное отверстие 2, где за счет монотонно увеличивающейся площади кольцевого сечения, расположенной между внешней трактовой стенкой 5 и внутренней трактовой стенкой 6 скорость его течения уменьшается, а давление увеличивается. Проходя через кососрезанную выходную кромку 12 заднего торца внешней трактовой стенки 6, газовый поток поступает в радиальную часть 4 устройства. Основная часть потока, вытекающего из верхней части входного отверстия 2, расположенной выше оси газотурбинного двигателя, отбивается от плоской задней стенки 10 радиальной части 4 в виде веерной струи и, отбиваясь от поверхностей полукруглой боковой стенки 8, совершает поворот вверх, преимущественно вертикально, принимая направление к выходному отверстию 7 (фиг. 4).

Другая часть потока, вытекающего из нижней части входного отверстия 2, расположенной ниже оси газотурбинного двигателя, двухсторонним делителем потока 13 делится на две части и совершает поворот на 90 градусов в горизонтальной плоскости, справа и слева от вертикальной плоскости, проходящей через ось устройства. Каждый из разделенных потоков движется далее вдоль плоского дна 9 справа и слева от продольной оси корпуса 1 устройства (фиг. 2), после чего отбивается от поверхностей полукруглой боковой стенки 8 радиальной части 4 улитки еще на 90 градусов, приобретая при этом направление, противоположное основному потоку, входящему в отверстие 2 (фиг. 4).

Через окна 23, расположенные в нижней части газоотбойника 14 этот возвратный газовый поток поступает в пристеночные каналы, расположенные за плоскостью среза заднего торца 12 наружной трактовой стенки 6, и отбивается от внешней плоской наклонной передней стенки 11, изменяя горизонтальное направление движения на вертикальное. При дальнейшем движении в пристеночных каналах скорость газового потока снижается, а давление возрастает, одновременно с этим двухскатный дефлектор 15 препятствует отрыву газового потока, возникновению турбулентности и связанного с ней эффекта донного разряжения, проявляющегося при вертикальном обтекании газовым потоком внешней цилиндрической трактовой стенки 6.

При выходе из отверстия 7 потоки газов из двух пристеночных каналов и основная часть потока, смешиваются и выравнивают свои скорости, после чего направляются в проточную часть переходника 22. За счет того, что угол наклона плоской наклонной передней стенки 11 и угол передней стенки переходника 22 равны и представляют собой единую проточную часть, газовый поток движется равномерно по всему объему переходника без образования вихрей.

Таким образом, предложенное в настоящей заявке техническое решение позволяет увеличить надежность отвода газов, за счет увеличения жесткости конструкции устройства и предотвращения возникновения образования вихрей, а также осуществлять ее монтаж и демонтаж с помощью обычного автокрана с грузоподъемностью от 10 до 20 тонн без снятия остальных элементов шахты выхлопа установленных на силовых стойках, а именно диффузора, шумоглушителя, утилизатора и выхлопного патрубка.

К положительным результатам от применения, раскрытого в настоящей заявке изобретения, кроме упомянутых выше, можно дополнительно отнести следующие эффекты: снижение гидравлических сопротивлений, снижение расхода топливного газа, снижение термических напряжений на элементах конструкции газоотводного тракта, снижение шума газоотводного тракта.

1. Устройство отвода выхлопных газов газотурбинного двигателя, содержащее корпус с входным отверстием, расположенным вокруг оси вращения турбины, диффузор, включающий осевую и радиальную части, образованные соответственно внутренней и наружной трактовыми стенками, расположенными внутри корпуса вокруг оси вращения турбины, и расположенное в наружной стенке корпуса выходное отверстие, отличающееся тем, что радиальная часть образована полукруглой боковой стенкой с плоским дном, прикрепленной к ней плоской вертикальной задней стенкой и плоской наклонной передней стенкой, при этом задний торец наружной трактовой стенки выполнен кососрезанным; углы наклона передней стенки и заднего торца наружной трактовой стенки направлены в сторону, противоположную направлению газового потока продуктов сгорания турбины, а угол среза заднего торца наружной трактовой стенки больше угла наклона передней стенки; в нижнем пространстве осевой части к плоскому дну и внутренней трактовой стенке соосно оси газотурбинного двигателя прикреплен двухсторонний делитель потока, к заднему торцу наружной трактовой стенки прикреплен газоотбойник, а в верхнем пространстве осевой части между плоской наклонной передней стенкой и упомянутым газоотбойником на наружной трактовой стенке закреплен двухскатный дефлектор; улитка установлена на прямоугольной раме, оборудованной узлами крепления, соединяющими ее с рамой газоперекачивающего агрегата; рама снабжена четырьмя стойками, соединенными штифтами с полукруглой боковой стенкой корпуса, и четырьмя подъемными колесами, выполненными с возможностью их фиксации в нижнем и верхнем положениях во время монтажа и демонтажа улитки.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что плоская вертикальная задняя стенка и плоская наклонная передняя стенка прикреплены к полукруглой боковой стенке с плоским дном сварным соединением.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что угол среза заднего торца наружной трактовой стенки от 3° до 12° больше угла наклона передней стенки.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что двухсторонний делитель потока, газоотбойник и двухскатный дефлектор выполнены в виде пластин и прикреплены к плоскому дну, внутренней и наружной трактовым стенкам, а также заднему торцу наружной трактовой стенки сварным соединением.