Термоуправляемый узел для газотурбинной системы (варианты) и способ управления каналом для потока охлаждающего воздуха
THERMO-CONTROLLED UNIT FOR GAS-TURBINE SYSTEM (VERSIONS) AND METHOD OF MANAGING THE CHANNEL FOR COOLANT FLOW

ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Настоящее изобретение относится к газотурбинным системам и, в частности, к термоуправляемому узлу для управления каналом для потока охлаждающего воздуха.
[0002] Газотурбинные системы имеют многочисленные зоны, которые являются термочувствительными в зависимости от материалов составных частей и схем повышения эффективности. Такие зоны часто отделяются и могут снабжаться источником охлаждения для обеспечения надлежащего регулирования температуры для сохранения срока службы и увеличения производительности газотурбинной системы в целом. Таким источником охлаждения часто является компрессор газотурбинной системы, при этом для выполнения функции охлаждения отбирается поток из компрессора из того объема потока, который передается от компрессора турбине для выполнения работы, которая преобразуется в энергию. Такие отборы из потока считаются убыточными потерями потока, поэтому желательно сокращение таких потерь.
[0003] Примером термочувствительной зоны газотурбинной системы является зона вблизи ротора и дисков турбинных лопаток, функционально связанных с ним. Вблизи таких зон часто находится полость венца, которая нуждается в охлаждающем потоке для продувки горячего газа из пути прохождения горячего газа, который движется в относительно радиально расходящемся положении над статорными лопатками и турбинными лопатками. Вблизи ротора и в пределах пути, ведущего в полость венца, обычно содержится уплотнение, например щеточное уплотнение, однако это уплотнение постепенно изнашивается в течение срока службы газотурбинной системы, при этом в процессе износа увеличивается объемная скорость потока охлаждающего воздуха от источника охлаждения, который поступает в полость венца. В начале срока службы уплотнения при более низкой объемной скорости потока, проходящего по указанному пути, обеспечивается проход для охлаждающего потока, который позволяет охлаждающему потоку достигать полости венца. Поскольку уплотнение изнашивается, неоправданно большое количество охлаждающего потока достигает полости венца, и общий КПД газовой турбины падает.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] В соответствии с одним из аспектов изобретения термоуправляемый узел для узла газовой турбины газотурбинной системы содержит элемент теплопередачи, имеющий первую часть и вторую часть, при этом первая часть расположена внутри первой полости, имеющей первую температуру, а вторая часть расположена во второй полости, имеющей вторую температуру, причем элемент теплопередачи проходит через полую стенку, и первая температура больше, чем вторая температура. Также используется термочувствительный элемент, расположенный внутри второй полости и функционально связанный с элементом теплопередачи. Также используется устройство регулирования потока, расположенное внутри второй полости и выполненное с возможностью смещения в ответ на изменение температуры в первой полости.
[0005] В соответствии с другим аспектом изобретения термоуправляемый узел для газотурбинной системы содержит первую полость, имеющую первую температуру. Также имеется вторая полость, имеющая вторую температуру, при этом первая температура больше, чем вторая температура, причем первая полость и вторая полость разделены полой стенкой. Также имеется элемент теплопередачи, проходящий через полую стенку и имеющий первый конец, расположенный в первой полости, и второй конец, расположенный во второй полости. Также имеется термочувствительный элемент, расположенный внутри второй полости и выполненный с возможностью удаленного обнаружения изменений первой температуры путем функционального взаимодействия с элементом теплопередачи. Также имеется устройство регулирования потока, расположенное внутри второй полости и выполненное с возможностью увеличения и ограничения прохода для охлаждающего потока, при этом устройство регулирования потока приводится в действие в ответ на обнаружение изменения температуры в первой полости с помощью термочувствительного элемента.
[0006] В соответствии с еще одним аспектом изобретения предлагается способ управления каналом для потока охлаждающего воздуха для газотурбинной системы. Способ включает контроль изменения температуры в первой полости с помощью элемента теплопередачи. Способ также включает удаленное обнаружение изменения температуры с помощью термочувствительного элемента, расположенного во второй полости и функционально связанного с элементом теплопередачи. Способ также включает приведение в действие устройства регулирования потока в ответ на обнаружение изменения температуры, при этом устройство регулирования потока расположено во второй полости.
[0007] Эти и другие преимущества и отличительные особенности изобретения станут более понятными из последующего описания и прилагаемых чертежей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0008] Изобретение охарактеризовано в формуле изобретения, которая следует после описания. Указанные выше и другие признаки и преимущества изобретения будут понятны из последующего подробного описания и прилагаемых чертежей.
[0009] На фиг.1 представлен вид сбоку в вертикальном разрезе термоуправляемого узла для газотурбинной системы в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения, установленным на полой стенке, при этом термоуправляемый узел находится в рабочем состоянии с первой температурой.
[0010] На фиг.2 представлен вид сбоку в вертикальном разрезе термоуправляемого узла, показанного на фиг.1, в рабочем состоянии со второй температурой.
[0011] На фиг.3 представлен вид сбоку в вертикальном разрезе термоуправляемого узла в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения, установленным на полой стенке, при этом термоуправляемый узел находится в рабочем состоянии с первой температурой.
[0012] На фиг.4 представлен вид сбоку в вертикальном разрезе термоуправляемого узла, показанного на фиг.3, в рабочем состоянии со второй температурой.
[0013] На фиг.5 представлен вид сбоку в вертикальном разрезе термоуправляемого узла в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения, установленным в удаленном местоположении.
[0014] На фиг.6 представлена блок-схема, иллюстрирующая способ управления каналом для потока охлаждающего воздуха газотурбинной системы.
[0015] В подробном описании изобретения объясняются варианты осуществления изобретения, а также преимущества и отличительные особенности изобретения, посредством примеров со ссылкой на чертежи.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0016] В соответствии с фиг.1, газотурбинная система (не показана) содержит термоуправляемый узел, который обозначен позицией 10. Термоуправляемый узел 10 используется для любой зоны газотурбинной системы, которая содержит смежные объемы с различными условиями эксплуатации, такими как, например, температура и давление. В частности, полая стенка 12 отделяет первую полость 14 от второй полости 16, при этом первая полость 14 имеет первую температуру и первое давление, а вторая полость 16 имеет вторую температуру и второе давление. В показанном примере изобретения первая температура больше, чем вторая температура, и второе давление больше, чем первое давление, что делает в результате первую полость 14 относительно горячей полостью, а вторую полость относительно холодной полостью. Примером зоны газотурбинной системы, где может быть расположен термоуправляемый узел 10, является зона вблизи пространства рабочего колеса турбины. Пространство рабочего колеса турбины предназначено для работы при температуре ниже, чем температура зон, которые подвергаются воздействию преобладающего потока горячего газа, проходящего над лопатками статора и турбинными лопатками. Происходит вторжение потока горячего газа в зоны, например полость венца, которая называется первой полостью 14, или горячей полостью, при этом охлаждающий поток 18 подается в ответ на возрастание температуры, как будет подробно описано ниже. Хотя указанный пример пространства рабочего колеса турбины является только примером местоположения, в котором может использоваться термоуправляемый узел 10, как указывалось выше, этот термоуправляемый узел 10, может использоваться во многих других рассматриваемых зонах газотурбинной системы.
[0017] В первом примере осуществления термоуправляемого узла 10 элемент 20 теплопередачи содержит тепловую трубку, которая проходит через полую стенку 12 и содержит первую часть 22, расположенную в первой полости 14, и вторую часть 24, расположенную во второй полости 16. Элемент 20 теплопередачи находится непосредственно вблизи термочувствительного элемента 26 и/или функционально связан с этим элементом, который удаленно воспринимает температуру первой полости 14 косвенно посредством элемента 20 теплопередачи. Термочувствительный элемент 26 включает любой элемент, который смещается в ответ на изменения температуры, и может включать, например, терможидкость, биметаллический компонент или пружину. В случае терможидкости корпус 28 привода заключает в себе терможидкость. Независимо от используемого конкретного термочувствительного элемента 26, термочувствительный элемент 26 размещен внутри второй полости 16 и связан со штоком 30 клапана, который проходит между термочувствительным элементом 26 и устройством регулирования потока, например тарелкой 32 клапана. Тарелка 32 клапана размещена во второй полости непосредственно вблизи прохода 34 для охлаждающего потока и увеличивает или уменьшает объемную скорость охлаждающего потока 18 из второй полости 16 в первую полость 14 по пути 36 охлаждения, который проходит через полую стенку 12.
[0018] Охлаждающий поток 18 подается прямо или косвенно от компрессора (не показан) или от любого другого источника, либо внутреннего, либо внешнего по отношению к газовой турбине. Охлаждающий поток 18 движется по пути 36 охлаждения и естественно стремится во вторую полость 16 вследствие перепада давления между первой полостью 14 и второй полостью 16. Для предотвращения движения ненужного избыточного потока по пути 36 охлаждения, тарелка 32 клапана закрывается, когда термочувствительный элемент установлен в рабочее состояние с первой температурой (фиг.1), что приводит к эффективному сокращению или предотвращению убыточных потерь охлаждающего потока 18. В этом состоянии охлаждающий поток 18 течет с первой объемной скоростью, которая может быть равна нулю, когда тарелка 32 клапана полностью закрыта. Рабочее состояние с первой температурой возникает, когда термочувствительный элемент 26 воспринимает температуру ниже температуры срабатывания узла.
[0019] В соответствии с фиг.2 тарелка 32 клапана смещается в рабочее состояние со второй температурой, что приводит ко второй объемной скорости охлаждающего потока 18 в ответ на рост первой температуры первой полости 14. Рабочее состояние со второй температурой возникает, когда термочувствительный элемент 26 воспринимает температуру выше температуры срабатывания узла. Так как первая температура уменьшается, тарелка 32 клапана смещается для уменьшения объемной скорости охлаждающего потока 18. Смещение тарелки 32 клапана активируется термочувствительным элементом 26 при удаленном обнаружении изменения температуры в первой полости 14 посредством элемента 20 теплопередачи. Как показано на фиг.1 и 2, рост температуры в первой полости 14 удаленно передается термочувствительному элементу 26 и ведет к расширению термочувствительного элемента 26, заставляя шток 32 клапана смещать в осевом направлении тарелку 32 клапана. Смещение в осевом направлении тарелки 32 клапана в ответ на рост температуры в первой полости 14 дает возможность большему количеству охлаждающего потока 18 поступать в проход 34 для охлаждающего потока и двигаться по пути 36 потока охлаждающего воздуха в первую полость 14.
[0020] Размещение термочувствительного элемента 26, штока 30 клапана и тарелки 32 клапана во второй полости 16 (например, более холодной полости) обеспечивает работу компонентов в относительно более холодной среде, чем среда первой полости 14 (например, горячей полости), предоставляя возможность пассивного удаленного обнаружения изменений температуры в первой полости 14. Схема удаленного обнаружения особенного полезна для вариантов осуществления термочувствительного элемента 26, содержащего материалы или вещества, которые могут функционировать неадекватно, если они подвергаются воздействию первой температуры первой полости 14, которая может превысить 1000°F (538°C). Размещение термочувствительного элемента 26 во второй полости 16 уменьшает термическое напряжение, которому подвергается термочувствительный элемент 26. Элемент 20 теплопередачи служит в качестве посредника для снижения температуры, при которой должен функционировать термочувствительный элемент 26. Более того, шток 30 клапана и тарелка 32 клапана подвергаются еще более низкой рабочей температуре, чем термочувствительный элемент, при этом только элемент 20 теплопередачи и термочувствительный элемент 26 подвергаются воздействию повышенной температуры.
[0021] На фиг.3 и 4 показан второй пример осуществления термоуправляемого узла 10. Второй пример осуществления узла подобен по конструкции и функциям первому примеру осуществления узла, подробно описанному выше. В показанном варианте осуществления изобретения элементом 20 теплопередачи является тепловой стержень, который входит в корпус 28 привода и находится в прямом или косвенном контакте с термочувствительным элементом 26.
[0022] На фиг.5 показан третий пример осуществления термоуправляемого узла 10. В отличие от описанных выше первого варианта осуществления узла (фиг.1 и 2) и второго варианта осуществления узла (фиг.3 и 4), каждый из которых установлен непосредственно на полой стенке 12, третий вариант осуществления узла установлен в удаленном местоположении 50, таком как, например, узел статора газовой турбины. Кроме того, как и во всех вариантах осуществления термоуправляемого узла 10, вблизи тарелки 32 клапана может быть установлена пружина 52 для дополнительного регулирования характеристик сил смещения тарелки 32 клапана.
[0023] В любом из ранее описанных вариантов осуществления изобретения также может быть включен храповой узел 60 (показан только на фиг.5), который предоставляет возможность тарелке 32 клапана втягиваться и тем самым уменьшать объемную скорость охлаждающего потока 18, но при этом запрещает растяжение, которое увеличило бы проход 34 для охлаждающего потока и объемную скорость охлаждающего потока 18. Храповой узел 60 содержит по меньшей мере один первый элемент 62 зацепления, но возможно и множество первых элементов 62 зацепления, которые выполнены с возможностью зацепления с по меньшей мере одним вторым элементом зацепления 64, но возможно и множеством вторых элементов зацепления 64. Храповой узел 60 особенно полезен для функции обхода межступенчатого уплотнения, которая требует меньшего охлаждающего потока 18 в первую полость 14, по мере того как уплотнение, например щеточное уплотнение, изнашивается и позволяет увеличенному охлаждающему потоку протекать в первую полость 14 через вторичный проход, который закрыт с помощью упомянутого уплотнения.
[0024] В соответствии с фиг.6 предлагается способ управления каналом 70 для потока охлаждающего воздуха с помощью термоуправляемого узла 10. Термоуправляемый узел 10 был описан ранее, поэтому конкретные структурные компоненты не нуждаются в дополнительном подробном описании. Способ управления каналом 70 для потока охлаждающего воздуха включает контроль изменения температуры в первой полости 72 с помощью элемента 20 теплопередачи. Изменение температуры в первой полости 14 удаленно обнаруживается 74 с помощью термочувствительного элемента 26, который расположен во второй полости 16, при этом удаленное обнаружение достигается посредством функциональной связи между термочувствительным элементом 26 и элементом 20 теплопередачи. После удаленного обнаружения изменения температуры в первой полости 14 термочувствительный элемент 26 приводит в действие устройство регулирования потока, например тарелку 32 клапана, в зависимости от того, является ли изменение температуры увеличением температуры или уменьшением температуры 76. Если изменение температуры, обнаруженное удаленно, является увеличением температуры в первой полости 14, когда тепло передается 78 термочувствительному элементу 26, проход 34 для охлаждающего потока увеличивается для увеличения объемной скорости 80 охлаждающего потока 18. И наоборот, если изменение температуры, обнаруженное удаленно, является уменьшением температуры в первой полости 14, когда тепло отбирается 82 от термочувствительного элемента 26, проход 34 для охлаждающего потока ограничивается для уменьшения объемной скорости 84 охлаждающего потока 18.
[0025] Хотя изобретение было подробно описано в связи только с ограниченным количеством вариантов его осуществления, следует понимать, что изобретение не ограничено такими раскрытыми вариантами. Напротив, изобретение может быть модифицировано для включения любых вариантов, изменений, замен или эквивалентных конфигураций, не описанных здесь, но соответствующих сущности изобретения. Кроме того, хотя были описаны различные варианты осуществления изобретения, следует понимать, что аспекты изобретения могут включать только некоторые из описанных вариантов. Соответственно, изобретение не ограничено приведенным выше описанием, а определяется только прилагаемой формулой изобретения.