Система очистки канала турбомашины, турбомашина и способ фильтрации воздушного потока, проходящего от компрессора к турбине турбомашины
CLEANING SYSTEM OF TURBOMACHINERY CHANNEL, TURBOMACHINERY AND AIR FLOW FILTRATION SYSTEM, WHICH COMES FROM COMPRESSOR TO TURBINE

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Описанный в настоящем документе объект изобретения относится к турбомашинам и, в частности, к системе очистки канала турбомашины.
[0002] Турбомашины содержат компрессор, соединенный с турбиной. Турбина содержит лопатки, или рабочие лопатки, расположенные вдоль газового тракта. Лопатки поддерживаются рабочими колесами турбины, которые определяют ступени турбины. Образующиеся в узле камеры сгорания горячие газы проходят через переходной патрубок в направлении ступеней турбины. Кроме горячих газов, выходящих из узла камеры сгорания, отбираемый воздух, имеющий более низкую температуру, вытекает из компрессора в направлении турбины для охлаждения.
[0003] Желательно уменьшить загрязнения в отбираемом воздухе, которые могут засорить или закупорить каналы в узле камеры сгорания и/или в турбине. Как правило, компрессор содержит впускные фильтры грубой очистки, снижающие вероятность засасывания посторонних предметов. Так, из патента США №6152978 известна система очистки канала турбомашины, содержащая канал для воздушного потока, имеющий впускное отверстие, расположенное и выполненное с возможностью проточного соединения с компрессором, выпускное отверстие, расположенное и выполненное с возможностью проточного соединения с турбиной, и промежуточную часть, расположенную между впускным отверстием и выпускным отверстием, и фильтр грубой очистки, расположенный в промежуточной части. Но частицы посторонних предметов небольшого размера могут проходить через впускной фильтр грубой очистки. Кроме того, частицы посторонних предметов могут попасть в компрессор при замене впускного фильтра грубой очистки. В настоящее время через каналы с целью удаления или размельчения частиц посторонних предметов, пропущенных впускным фильтром грубой очистки, подают очищающую текучую среду под высоким давлением. Таким образом, требуется техническое решение, в котором отсутствуют упомянутые выше недостатки.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] В соответствии с одним аспектом иллюстративного варианта выполнения, система очистки канала турбомашины содержит первый канал для воздушного потока, имеющий первое впускное отверстие, выполненное и расположенное с возможностью проточного соединения с компрессором, первое выпускное отверстие, выполненное и расположенное с возможностью проточного соединения с турбиной, и первую промежуточную часть, расположенную между первым впускным отверстием и первым выпускным отверстием. Первый фильтр грубой очистки расположен в первой промежуточной части. Второй канал для воздушного потока проточно соединен с первым каналом для воздушного потока. Второй канал для воздушного потока содержит второе впускное отверстие, расположенное выше по потоку от первого впускного отверстия, второе выпускное отверстие, расположенное ниже по потоку от первого выпускного отверстия, и вторую промежуточную часть, расположенную между вторым впускным отверстием и вторым выпускным отверстием. Второй фильтр грубой очистки расположен во второй промежуточной части. Первый клапан расположен в первой промежуточной части, выше по потоку от первого фильтра грубой очистки и ниже по потоку от первого впускного отверстия, а второй клапан расположен во второй промежуточной части, выше по потоку от второго фильтра грубой очистки и ниже по потоку от второго впускного отверстия. Первый и второй клапаны включаются выборочно для управления потоком текучей среды, протекающим в соответствующий один канал для воздушного потока, первый или второй, для фильтрации воздуха, проходящего от компрессора к турбине турбомашины.
[0005] В соответствии с другим аспектом иллюстративного варианта выполнения, способ фильтрации воздушного потока, проходящего от компрессора к турбине турбомашины, включает направление воздушного потока в первый канал для воздушного потока, проточно соединяющий компрессор и турбину, пропускание воздушного потока через первый фильтр грубой очистки, расположенный в первом канале для воздушного потока, измерение воздушного потока, проходящего через первый фильтр грубой очистки, закрытие первого клапана для прекращения прохождения воздушного потока через первый канал для воздушного потока, когда воздушный поток, проходящий через первый фильтр грубой очистки, имеет первую заданную скорость, открытие второго клапана для направления воздушного потока во второй канал для воздушного потока, проточно соединяющий компрессор и турбину, и направление воздушного потока через второй фильтр грубой очистки, расположенный во втором канале для воздушного потока.
[0006] В соответствии с еще одним аспектом иллюстративного варианта выполнения, турбомашина содержит компрессор, турбину, механически соединенную с компрессором, узел камеры сгорания, проточно соединенный с компрессором и турбиной, и систему очистки канала турбомашины, проточно присоединенную между компрессором и турбиной. Система очистки канала турбомашины содержит первый канал для воздушного потока, имеющий первое впускное отверстие, выполненное и расположенное с возможностью проточного соединения с компрессором, первое выпускное отверстие, выполненное и расположенное с возможностью проточного соединения с турбиной, и первую промежуточную часть, расположенную между первым впускным отверстием и первым выпускным отверстием. Первый фильтр грубой очистки расположен в первой промежуточной части. Второй канал для воздушного потока проточно соединен с первым каналом для воздушного потока. Второй канал для воздушного потока содержит второе впускное отверстие, расположенное выше по потоку от первого впускного отверстия, второе выпускное отверстие, расположенное ниже по потоку от первого выпускного отверстия, и вторую промежуточную часть, расположенную между вторым впускным отверстием и вторым выпускным отверстием. Второй фильтр грубой очистки расположен во второй промежуточной части. Первый клапан расположен в первой промежуточной части, выше по потоку от первого фильтра грубой очистки и ниже по потоку от первого впускного отверстия, и второй клапан расположен во второй промежуточной части, выше по потоку от второго фильтра грубой очистки и ниже по потоку от второго впускного отверстия. Первый и второй клапаны включаются выборочно для управления текучей средой, проходящей в соответствующий один канал для воздушного потока, первый или второй, для фильтрации воздуха, проходящего от компрессора турбомашины к турбине турбомашины.
[0007] Эти и другие преимущества и признаки будут более понятны из последующего описания, рассмотренного совместно с чертежами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0008] Рассматриваемый объект изобретения детально описан и четко заявлен в формуле изобретения, приведенной в заключительной части описания изобретения. Вышеупомянутые и другие признаки и преимущества изобретения будут понятны из последующего подробного описания, рассмотренного совместно с прилагаемыми чертежами, на которых:
[0009] Фиг. 1 представляет собой схему турбомашины, содержащей систему очистки канала турбомашины, выполненную в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения.
[0010] Фиг. 2 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую регулятор для системы очистки канала турбомашины, показанной на Фиг. 1.
[0011] В подробном описании изложены варианты выполнения изобретения, наряду с преимуществами и признаками, посредством примера со ссылкой на чертежи.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0012] Со ссылкой на Фиг. 1, турбомашина, выполненная в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения, везде обозначена номером 2 позиции. Турбомашина 2 содержит 4 компрессор, механически соединенный с турбиной 6 посредством общего вала 8 компрессора/турбины. Узел 10 камер сгорания проточно соединен с компрессором 4 и турбиной 6. Узел 10 камер сгорания образован из нескольких расположенных по окружности камер сгорания, одна из которых обозначена номером 12 позиции. Конечно, следует принимать во внимание, что узел 10 камер сгорания может иметь другое расположение камер сгорания. В указанной конструкции компрессор 4 подает сжатый воздух в узел 10 камер сгорания. Сжатый воздух смешивается с горючей текучей средой для образования горючей смеси. Горючая смесь сжигается в камере 12 сгорания, образуя продукты сгорания, которые доставляются в турбину 6 через переходной патрубок (не показан). Продукты сгорания расширяются, проходя через турбину 6, приводя в действие, например, генератор, насос, транспортное средство и т.п. (также не показаны).
[0013] Кроме того, турбомашина 2 содержит канал 21 для выпуска воздушного потока, проточно соединяющий компрессор 4 с турбиной 6. При такой конструкции в дополнение к пропусканию сжатого воздуха к узлу 10 камер сгорания, компрессор 4 подает другой или отбираемый воздушный поток к турбине 6. Отбираемый воздушный поток обеспечивает охлаждение различных компонентов (не показаны) турбины 6. В процессе работы посторонние предметы могут попадать во впускное отверстие (отдельно не обозначено) компрессора 4. Посторонние предметы могут сжиматься компрессором 4 и проходить по каналу 21 для выпуска воздушного потока к турбине 6. Посторонние предметы, попадающие в турбину 6, могут привести к засорению каналов для выпуска воздушного потока и к недостаточному воздушному охлаждению компонентов турбины. При недостатке охлаждающего воздуха компоненты турбины могут выйти из строя, что потребует отключения турбомашины 2 для ремонта. Чтобы исключить повреждения, вызываемые попаданием посторонних предметов, турбомашина 2 содержит систему 27 очистки канала турбомашины.
[0014] В соответствии с иллюстративным вариантом выполнения, система 27 очистки канала содержит первый канал 30 для воздушного потока, проточно соединенный с каналом 21 для выпуска воздушного потока. Первый канал 30 содержит первое впускное отверстие 32, первое выпускное отверстие 33 и первую промежуточную часть 34. Первый фильтр 36 грубой очистки расположен вдоль первой промежуточной части 34. Первый фильтр 36 отфильтровывает отбираемый воздух, проходящий из компрессора 4 в турбину 6 по каналу 21 для выпуска воздушного потока. Первый клапан 38 расположен ниже по потоку от первого впускного отверстия 32. Как описано более подробно ниже, первый клапан 38 выборочно приводится в действие для управления потоком текучей среды, проходящим по первому каналу 30. Система 27 очистки канала также содержит второй канал 40 для воздушного потока, проточно соединенный с каналом 30 для выпуска воздушного потока. Второй канал 40 содержит второе впускное отверстие 42, расположенное выше по потоку от первого впускного отверстия 32, второе выпускное отверстие 43, расположенное ниже по потоку от первого выпускного отверстия 33, и вторую промежуточную часть 44. Второй фильтр грубой очистки или фильтр 46 расположен вдоль второй промежуточной части 44. Подобно описанному выше, второй клапан 48 расположен ниже по потоку от второго впускного отверстия 42. В случае забивания фильтров грубой очистки второй клапан выборочно приводится в действие для управления потоком текучей среды, проходящим по второму каналу 40, обеспечивая тем самым непрерывную подачу охлаждающего воздуха в турбину 6. Таким образом, в иллюстративном варианте выполнения исключается необходимость остановки турбомашины 2 для ремонта.
[0015] Кроме того, также в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения, система 27 содержит третий и первый датчики 54 и 55, расположенные вдоль первой промежуточной части 34. Третий датчик 54 расположен выше по потоку от первого фильтра 36 грубой очистки, а первый датчик 55 расположен ниже по потоку от первого фильтра 36. Третий датчик 54 измеряет поток, проходящий в первый фильтр 36, тогда как первый датчик 55 измеряет поток, выходящий из первого фильтра 36. Как описано более подробно ниже, третий и первый датчики 54 и 55 подают контролируемый сигнал о первом потоке для определения состояния первого фильтра 36. То есть, осуществляя контроль скорости потока, проходящего по первому каналу 30 для воздушного потока, можно определить, когда первый фильтр 36 необходимо очистить и/или заменить. Кроме того, система 27 очистки канала содержит четвертый и второй датчики 58 и 59, расположенные вдоль второй промежуточной части 44. Четвертый датчик 58 расположен выше по потоку от второго фильтра 46 грубой очистки, а второй датчик 59 расположен ниже по потоку от второго фильтра 46 грубой очистки. Четвертый датчик 58 измеряет поток, проходящий во второй фильтр 46, тогда как второй датчик 55 определяет поток, выходящий из второго фильтра 46. Как описано более подробно ниже, четвертый и второй датчики 58 и 59 подают контролируемый сигнал о втором потоке для определения состояния второго фильтра 46. То есть, осуществляя контроль скорости потока, проходящего по второму каналу 40 для воздушного потока, можно определить, когда второй фильтр 46 грубой очистки необходимо очистить и/или заменить.
[0016] Также в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения, система 27 очистки канала содержит регулятор 70, функционально соединенный с первым и вторым клапанами 38 и 48, а также с первым, вторым, третьим и четвертым датчиками 55 и 59, и 54 и 58. Регулятор 70 содержит центральный процессор или ЦПУ 73 и блок 75 памяти. Блок 75 памяти содержит систему команд, обеспечивающих регулятору 70 возможность осуществления контроля датчиков 54, 55, 58, 59 и управления первым и вторым клапанами 38 и 48. В частности, регулятор 70 осуществляет контроль потока текучей среды, проходящего через первый канал 30 для воздушного потока, а более конкретно, через первый фильтр 36. Если регулятор 70 определяет, что скорость потока, проходящего через первый фильтр 36, становится ниже заданной скорости, то регулятор 70 закрывает первый клапан 38, прерывая поток, проходящий через первый канал 30 для воздушного потока, и открывает второй клапан 48, обеспечивая возможность прохождения потока через второй канал 40 для воздушного потока. В это время может проводиться техническое обслуживание/очистка или замена первого фильтра грубой очистки. Регулятор 70 осуществляет контроль датчиков 58 и 59 для определения скорости потока, проходящего через второй канал 40. Если скорость потока, проходящего через второй канал 40, становится ниже заданной скорости, то регулятор 70 закрывает второй клапан 48 и открывает первый клапан 38, поворачивая тем самым поток через первый канал 30.
[0017] Также в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения, система 27 очистки канала содержит систему 90 впрыска пара. Система 90 впрыска пара содержит источник 94 пара, проточно соединенный с первым каналом 30 посредством третьего клапана 100, или же система 90 впрыска пара проточно соединена со вторым каналом 40 для воздушного потока. Клапан 100 соединен с регулятором 70 и выборочно приводится в действие для доставки очищающего потока пара в турбину 6. Следует понимать, что конкретная схема соединения системы 90 впрыска пара с системой 27 очистки канала может меняться и может включать непосредственное соединение с турбиной 6. Система 90 впрыска пара выборочно приводится в действие для введения потока пара высокого давления в турбину 6, для того, чтобы разрыхлять, удалять, измельчать или иным способом извлекать частицы, которые могли прилипнуть к внутренним поверхностям канала для охлаждающей текучей среды.
[0018] Система 90 впрыска пара может использоваться на различных режимах работы турбомашины 2, в зависимости от локальных условий эксплуатации, требований и/или технических условий. Пар высокого давления оказывает не только очищающее действие, он также охлаждает компоненты турбины. Таким образом, при необходимости регулятор 70 закрывает первый и второй клапаны 38 и 48 и открывает третий клапан 100, чтобы обеспечить протекание пара высокого давления из источника 94 пара в направлении турбины 6. Как отмечалось выше, пар высокого давления не только обеспечивает дополнительную очистку в контурах охлаждения турбины 6, но также оказывает охлаждающее действие. Пар будет вытекать из источника 94 пара до тех пор, пока регулятор 70 не закроет третий клапан 100 и не откроет либо первый 38, либо второй 48 клапан, обеспечивая возможность прохождения отбираемого воздуха из компрессора 4 в турбину 6.
[0019] Следует понимать, что данные иллюстративные варианты выполнения описывают систему очистки канала турбомашины, которая содержит параллельно расположенные фильтры грубой очистки, выборочно фильтрующие отбираемый воздух, поступающий из компрессора в турбину 6. В дополнение к фильтрации отбираемого воздуха, в системе очистки канала выборочно используется пар высокого давления, подающийся в турбину для дополнительной очистки и охлаждения. Конкретное размещение системы очистки канала может варьироваться. Кроме того, может меняться количество и местоположение датчиков. Также следует понимать, что датчики могут быть выполнены с возможностью измерения потока, давления и других характеристик, обеспечивая данные о потоке, проходящем через соответствующий фильтр грубой очистки. Таким образом, в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения, в системе очистки канала всегда используются несколько клапанов для регулирования и обеспечения непрерывной подачи отбираемого воздуха из компрессора во внутренние полости турбины. Применение нескольких клапанов обеспечивает непрерывный поток отбираемого воздуха и исключает необходимость остановки газотурбинной системы для устранения предполагаемого засорения/технического обслуживания каналов для охлаждающего воздуха.
[0020] Несмотря на то, что изобретение было подробно описано в отношении ограниченного числа вариантов выполнения, должно быть ясно, что изобретение не ограничивается данными описанными вариантами выполнения. Напротив, изобретение может быть усовершенствовано с учетом любого количества изменений, вариаций, замен или равноценных комбинаций, ранее не описанных, но соответствующих сущности и объему изобретения. Кроме того, хотя были описаны различные варианты выполнения изобретения, ясно, что аспекты изобретения могут включать в себя лишь некоторые из описанных вариантов выполнения. Таким образом, изобретение не должно ограничиваться приведенным выше описанием, оно ограничивается лишь объемом прилагаемой формулы изобретения.