СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОТКЛЮЧЕНИЯ ТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ВСПРЫСКИВАЮЩИМ СОПЛОМ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
GAS TURBINE ENGINE SHUTDOWN TEMPERATURE CONTROL SYSTEM WITH INJECTION NOZZLE FOR GAS TURBINE ENGINE

Предпосылки изобретения
Настоящее изобретение в основном относится к турбинным двигателям и, более конкретно, к системам, обеспечивающим пуск из неостывшего состояния газотурбинных двигателей без риска столкновения лопатки турбины с радиально наружными уплотняющими поверхностями.
Предпосылки изобретения
Обычно, газотурбинные двигатели включают в себя компрессор для сжатия воздуха, камеру сгорания для смешивания сжатого воздуха с топливом и воспламенения смеси и узел лопаток турбины для производства энергии. Камеры сгорания часто работают при высоких температурах, которые могут превышать 2500°F. В обычных конфигурациях камеры сгорания турбины узлы лопаток турбины подвергаются этим высоким температурам. Вследствие массы этих больших газотурбинных двигателей, двигателям требуется много времени для охлаждения после отключения. Многие из элементов охлаждаются с разными скоростями, и в результате возникают столкновения между различными элементами. Зазор между концами лопаток турбины и лопаточными венцами турбины, расположенными непосредственно радиально снаружи от лопаток турбины имеет такую конфигурацию, в которой часто возникает столкновение. Элемент кожуха охлаждается с разными скоростями сверху вниз вследствие естественной конвекции. В результате кожухи охлаждаются быстрее в нижней части по сравнению с верхней частью, и кожухи имеют деформированную форму во время отключения перед полным охлаждением. Более горячая верхняя поверхность кожуха по сравнению с более холодной нижней поверхностью заставляет кожух термически изгибаться или сгибаться вверх. Если двигатель подвергается повторному запуску, в течение времени кожух деформируется, концы лопаток будут иметь тенденцию сталкиваться в нижнем местоположении вследствие изгиба вверх. Таким образом, если необходимо запустить газовую турбину перед полным охлаждением, существует существенный риск повреждения лопаток турбины вследствие истирания турбинных лопаток в результате столкновения между концами лопаток турбины и обоймы турбины в нижней части двигателя вследствие деформированной формы наружного кожуха. Таким образом, существует необходимость в уменьшении размера обоймы турбины и охлаждении обоймы турбины после отключения.
Краткое описание настоящего изобретения
Раскрыта система регулирования температуры отключения турбинного двигателя, выполненная с возможностью ограничения создания температурных градиентов в наружном кожухе, окружающем узел лопаток турбины во время отключения газотурбинного двигателя. Посредством уменьшения температурных градиентов, вызванных выталкивающей силой воздуха в полостях средней области в наружном кожухе, может быть предотвращен дугообразный и вогнутый изгиб наружного кожуха, таким образом, уменьшая вероятность истирания концов лопаток и возможное повреждение лопаток во время повторного пуска газотурбинного двигателя из неостывшего состояния. Система регулирования температуры отключения газотурбинного двигателя также может изменять локальные вертикальные температурные градиенты для оптимизации сильной деформации кожуха и зазоров между концами лопаток турбины. Система регулирования температуры отключения газотурбинного двигателя может работать во время процесса отключения, в котором ротор все еще приводится в действие газообразными продуктами сгорания или во время работы системы поворотного механизма после выключения газотурбинного двигателя, или во время и того и другого, для обеспечения равномерного охлаждения сверху вниз наружного кожуха. В других вариантах осуществления система регулирования температуры отключения газотурбинного двигателя может работать во время нормальной работы газотурбинного двигателя.
Система регулирования температуры отключения турбинного двигателя может быть выполнена из узла лопаток турбины, имеющего множество рядов лопаток турбины, проходящих радиально наружу от ротора турбины. Наружный кожух, окружающий узел лопаток турбины, может иметь множество смотровых отверстий в наружном кожухе над горизонтальной осью, образующей верхнюю половину наружного кожуха, в результате чего наружный кожух может частично образовывать, по меньшей мере, одну полость области среднего ряда. Система регулирования температуры отключения газотурбинного двигателя может включать в себя одно или более сопел, расположенных в наружном кожухе и расположенных радиально снаружи от области среднего ряда узла лопаток турбины. Область среднего ряда может быть расположена вниз по потоку от области переднего ряда и вверх по потоку от области ряда вниз по потоку. Полость области среднего ряда может находиться радиально снаружи от третьего ряда лопаток турбины. Кроме того, полость области среднего ряда может находиться радиально снаружи от четвертого ряда лопаток турбины. Сопло может обеспечивать угол распыла струи меньше ширины, по меньшей мере, одной полости области среднего ряда. Сопло может иметь высокоскоростное, малообъемное сопло, которое выполнено с возможностью выпуска текучей среды в полость области среднего ряда.
Сопло может быть смещено по окружности от верхней опорной точки наружного кожуха. В, по меньшей мере, одном варианте осуществления сопло может быть смещено от верхней опорной точки и может быть расположено где угодно в верхней части кожуха. В другом варианте осуществления сопло может быть смещено по окружности от верхней опорной точки наружного кожуха, так что сопло расположено на угловом расстоянии от 45 до 75 градусов от верхней опорной точки наружного кожуха. Сопло может быть расположено так, что текучая среда, вышедшая из сопла, сталкивается с внутренней поверхностью наружного кожуха. В частности, сопло может быть расположено так, что текучая среда, вышедшая из сопла, сталкивается с внутренней поверхностью наружного кожуха в верхней опорной точке. Сопло может быть расположено так, что текучая среда, вышедшая из сопла, создает окружной поток текучей среды в полости области среднего ряда в наружном кожухе.
Система регулирования температуры отключения турбинного двигателя может использоваться для модернизации газотурбинных двигателей или в новых газотурбинных двигателях. В, по меньшей мере, одном варианте осуществления сопло может быть соединено с наружным кожухом в люке для бороскопа, другом имеющемся ранее существующем отверстии или может быть соединено с отверстием, образованным только для сопла. Более конкретно, сопло может быть соединено с возможностью съема с наружным кожухом в люке для бороскопа. Система регулирования температуры отключения газотурбинного двигателя может включать в себя подачу окружающего воздуха в сообщении с, по меньшей мере, одним соплом для подачи окружающего воздуха в сопло.
В, по меньшей мере, одном варианте осуществления система регулирования температуры отключения турбинного двигателя может включать в себя, по меньшей мере, одно сопло, выполненное из первого сопла, проходящего от наружного кожуха в полость области среднего ряда на первой стороне верхней опорной точки наружного кожуха, и второго сопла, проходящего от наружного кожуха в полость области среднего ряда на второй стороне верхней опорной точки наружного кожуха. Вторая сторона может быть противоположной стороной от первой стороны. Первое и второе сопла могут быть направлены к верхней опорной точке наружного кожуха.
Преимуществом системы регулирования температуры отключения турбинного двигателя является то, что система ограничивает температурные градиенты, вызванные выталкивающей силой горячего воздуха в полостях области среднего ряда в наружном кожухе, дугообразный или вогнутый изгиб наружного кожуха может быть предотвращен, таким образом, уменьшая вероятность истирания концов лопаток и возможное повреждение лопаток во время повторного пуска газотурбинного двигателя из неостывшего состояния.
Другим преимуществом системы регулирования температуры отключения турбинного двигателя является то, что система может изменять локальные вертикальные температурные градиенты наружного кожуха для оптимизации сильной деформации кожуха и зазоров между концами лопаток турбины.
Еще одним преимуществом системы регулирования температуры отключения турбинного двигателя является то, что система может быть установлена в существующих в настоящее время газотурбинных двигателях, таким образом, делая газотурбинные двигатели, которые используются в настоящее время, более эффективными за счет обеспечения пусков из неостывших состояний, которые имеют место, а не дней ожидания для охлаждения газотурбинных двигателей, достаточного для надежного пуска.
Другим преимуществом системы регулирования температуры отключения турбинного двигателя является то, что система способствует уменьшению вертикальных температурных градиентов в наружном кожухе.
Эти и другие варианты осуществления описаны более подробно ниже.
Краткое описание чертежей
Сопроводительные чертежи, которые включены и образуют часть описания, изображают варианты осуществления раскрытого изобретения и вместе с описанием раскрывают принципы настоящего изобретения.
Фиг.1 - вид в разрезе сбоку газотурбинного двигателя, включающего в себя систему регулирования температуры отключения газотурбинного двигателя;
фиг.2 - аксиальный вид наружного кожуха с системой регулирования температуры отключения газотурбинного двигателя по линии 2-2 сечения на фиг.1;
фиг.3 - вид сверху верхней половины наружного кожуха, удаленного с газотурбинного двигателя;
фиг.4 - частичный вид в разрезе сопла, вставленного в полость области среднего ряда радиально снаружи от узла третьего ряда лопаток турбины;
фиг.5 - частичный вид в разрезе сопла, вставленного в полость области среднего ряда радиально снаружи от узла четвертого ряда лопаток турбины;
фиг.6 - аксиальный вид наружного кожуха с системой регулирования температуры отключения газотурбинного двигателя по линии 6-6 сечения на фиг.1;
фиг.7 - аксиальный вид наружного кожуха с другим вариантом осуществления системы регулирования температуры отключения газотурбинного двигателя по линии 6-6 сечения на фиг.1;
фиг.8 - подробный вид в разрезе многопоточного сопла, как показано на фиг.7.
Подробное описание изобретения
Как показано на фиг.1-8, раскрыта система 10 регулирования температуры отключения газотурбинного двигателя, выполненная с возможностью ограничения создания температурных градиентов в наружном кожухе 12, окружающем узел 14 турбинных лопаток, во время выключения газотурбинного двигателя 16. Посредством уменьшения температурных градиентов, вызванных выталкивающей силой горячего воздуха в полостях 18 средней области в наружном кожухе 12, может быть предотвращен дугообразный и вогнутый изгиб наружного кожуха 12, таким образом, уменьшая вероятность истирания концов лопаток, и возможное повреждение лопаток, во время повторного пуска газотурбинного двигателя 16 из неостывшего состояния. Система 10 регулирования температуры отключения газотурбинного двигателя может также изменять локальные вертикальные температурные градиенты наружного кожуха для оптимизации сильной деформации кожуха и зазоров между концами лопаток турбины. Система 10 регулирования температуры отключения газотурбинного двигателя может работать во время процесса выключения, в котором ротор все еще приводится в движение газообразными продуктами сгорания, или во время работы системы поворотного механизма после выключения газотурбинного двигателя 16, или и во время того и другого, для обеспечения равномерного охлаждения наружного кожуха 12 сверху вниз. В других вариантах осуществления система 10 регулирования температуры отключения газотурбинного двигателя может работать во время нормальной работы газотурбинного двигателя.
Система 10 регулирования температуры отключения газотурбинного двигателя может включать в себя узел 20 лопаток турбины, имеющий множество рядов 22 лопаток 24 турбины, проходящих радиально снаружи от ротора 26 турбины. Наружный кожух 12 может образовывать внутреннюю полость 28 между наружным кожухом 12 и лопаточными венцами. Наружный кожух 12, окружающий узел 14 лопаток турбины, имеющий множество смотровых отверстий 30 в наружном кожухе 12 над горизонтальной осью 32, образующей верхнюю половину 33 наружного кожуха 12. Наружный кожух 12 может, по меньшей мере, частично образовывать, по меньшей мере, одну полость 18 области среднего ряда. Полость 18 области среднего ряда может быть расположена радиально снаружи от третьего ряда 34 лопаток турбины, как показано на фиг.1 и 4, или четвертого ряда 36 лопаток турбины, как показано на фиг.1 и 5, или и то и другое. Полость 18 средней области может проходить по окружности вокруг узла 14 лопаток турбины и может быть расположена в наружном кожухе 12. Наружный кожух 12 может быть одиночной свободной полостью 28, как показано на фиг.2, или может включать в себя множество перегородок, образующих разделенные полости в наружном кожухе 12.
Как показано на фиг.2-5, система 10 регулирования температуры отключения газотурбинного двигателя может включать в себя одно или более сопел 38, расположенных в наружном кожухе газотурбинного двигателя 16. Сопла 38 могут проходить в полость 18, расположенную в любом соответствующем положении, радиально снаружи от узла 14 лопаток турбины в газотурбинном двигателе 16. В, по меньшей мере, одном варианте осуществления одно или более сопел 38 могут быть расположены в наружном корпусе 12 и расположены радиально снаружи от области 40 среднего ряда узла 14 лопаток турбины. Область 40 среднего ряда может быть расположена вниз по потоку от области 42 переднего ряда и вверх по потоку от области 44 ряда вниз по потоку. Сопла 38 могут быть выполнены с возможностью выпуска текучих сред, таких как, но, не ограничиваясь этим, воздух, под высоким давлением и с низким объемом. В одном варианте осуществления подача 62 окружающего воздуха может находиться в сообщении с соплами 38 для подачи воздуха в сопло 38. Температура воздуха может быть холоднее температуры наружного кожуха 12. Сопло 38 может быть высокоскоростным, малообъемным соплом 38, которое выполнено с возможностью выпуска текучей среды в полость 18 области среднего ряда в наружном кожухе 12. В, по меньшей мере, одном варианте осуществления сопло 38 может быть высокоскоростным, малообъемным соплом 38, которое выполнено с возможностью выпуска текучей среды в полость 18 области среднего ряда в наружном кожухе 12 при отношении давлений 6:1 во время работы поворотного механизма при 120 оборотах в минуту. В других вариантах осуществления могут быть использованы другие отношения давлений и скорости.
Сопло 38 может быть расположено так, что текучая среда, вышедшая из сопла 38, сталкивается с внутренней поверхностью 46 наружного кожуха 12. В, по меньшей мере, одном варианте осуществления сопло 38 может быть расположено так, что текучая среда, вышедшая из сопла 38, сталкивается с внутренней поверхностью 46 наружного кожуха 12 в верхней опорной точке 48 наружного кожуха 12. Сопло 38 может обеспечивать угол распыла струи текучей среды меньше ширины полости 18 области среднего ряда. Предпочтительно, чтобы текучая среда, вышедшая из сопла 38, сталкивалась с наружным кожухом 12, а не с лопаточными венцами и другими элементами радиально внутрь наружного кожуха 12 для предотвращения возникновения температурных градиентов внутри этих элементов из-за излишнего охлаждения. Сопло 38 может быть расположено для разбрызгивания текучей среды по окружности в полости 18 для создания картины окружного потока в ней.
В, по меньшей мере, одном варианте осуществления, как показано на фиг.2, сопло 38 может быть смещено по окружности от верхней опорной точки 48 наружного кожуха 12. В частности, сопло 38 может быть смещено по окружности от верхней опорной точки 48 наружного кожуха 12, так что сопло 38 расположено на угловом расстоянии от 45 до 75 градусов от верхней опорной точки 48 наружного кожуха 12. В одном варианте осуществления сопло 38 может быть смещено по окружности от верхней опорной точки 48 наружного кожуха 12, так что сопло 38 расположено на угловом расстоянии около 60 градусов от верхней опорной точки 48 наружного кожуха 12. Сопло 38 может быть расположено так, что текучая среда, вышедшая из сопла 38, образует окружной поток текучей среды в полости 18 области среднего ряда в наружном кожухе 12.
В другом варианте осуществления, как показано на фиг.6, сопло 38 может быть образовано из первого сопла 50, проходящего от наружного кожуха 12 в полость 18 области среднего ряда на первой стороне 52 верхней опорной точки 48 наружного кожуха 12, и второго сопла 54, проходящего от наружного кожуха 12 в полость 18 области среднего ряда на второй стороне 56 верхней опорной точки 48 наружного кожуха 12. Вторая сторона 56 может быть расположена на противоположной стороне от первой стороны 52. Первое и второе сопла 50, 54 могут быть направлены к верхней опорной точке 48 наружного кожуха 12. В одном варианте осуществления первое сопло 50 может быть смещено по окружности от верхней опорной точки 48 наружного кожуха 12 так, что первое сопло 50 расположено на угловом расстоянии от 45 до 75 градусов от верхней опорной точки 48 наружного кожуха 12. В другом варианте осуществления первое сопло 50 может быть смещено по окружности от верхней опорной точки 48 наружного кожуха 12, так что первое сопло 50 расположено на угловом расстоянии около 60 градусов от верхней опорной точки 48 наружного кожуха 12. Подобным образом, второе сопло 54 может быть смещено по окружности от верхней опорной точки 48 наружного кожуха 12, так что второе сопло 54 расположено на угловом расстоянии от 45 до 75 градусами от верхней опорной точки 48 наружного кожуха 12. В другом варианте осуществления второе сопло 54 может быть смещено по окружности от верхней опорной точки 48 наружного кожуха 12, так что второе сопло 54 расположено на угловом расстоянии около 60 градусов от верхней опорной точки 48 наружного кожуха 12. Первое и второе сопла 50, 54 могут быть расположены как зеркальные отображения друг от друга вокруг верхней опорной точки 48 наружного кожуха 12. В качестве альтернативы, первое и второе сопла 50, 54 могут быть расположены в разных ориентациях относительно верхней опорной точки 48 наружного кожуха 12.
В другом варианте осуществления, как показано на фиг.7, первое сопло 50 может проходить от наружного кожуха 12 в полость 18 области среднего ряда на первой стороне 52 верхней опорной точки 48 наружного кожуха 12, и второе сопло 54 может проходить от наружного кожуха 12 в полость 18 области среднего ряда на второй стороне 56 верхней опорной точки 48 наружного кожуха 12. Вторая сторона 56 может быть расположена на противоположной стороне от первой стороны 52. Первое и второе сопла 50, 54 могут быть направлены от верхней опорной точки 48 наружного кожуха 12. Многопоточное сопло 70 может проходить в одну или более полостей в наружном кожухе 12, таких как, но, не ограничиваясь этим, полость 18 области среднего ряда. Многопоточное сопло 70 может включать в себя два или более выпускных отверстий 72, которые расположены для выпуска текучей среды из сопла 70. Выпускные отверстия 72 многопоточного сопла 70 могут быть обращены обычно друг от друга и могут быть расположены для выпуска текучей среды обычно перпендикулярно к продольной оси газотурбинного двигателя 16. В, по меньшей мере, одном варианте осуществления, как показано на фиг.7, выпускные отверстия 72 могут выпускать текучую среду под небольшим углом 78 к оси 74, перпендикулярной к продольной оси 76 многопоточного сопла 70. В другом варианте осуществления, как показано на фиг.8, выпускные отверстия 72 могут выпускать текучую среду перпендикулярно к продольной оси 76 многопоточного сопла 70. В одном варианте осуществления многопоточное сопло 70 может использоваться в сочетании с первым и вторым соплами 50, 54. В другом варианте осуществления многопоточное сопло 70 может использоваться без первого и второго сопел 50, 54. Многопоточное сопло 70 может быть расположено в верхней опорной точке 48 наружного кожуха 12, как показано на фиг.7, или может быть расположено в других местоположениях в наружном кожухе 12.
Как показано на фиг.8, многопоточное сопло 70 может включать в себя направляющую 80 потока, расположенную на проксимальном конце 82 многопоточного сопла 70, для направления текучей среды в выпускные отверстия 72. Направляющая 80 потока может иметь любую соответствующую конфигурацию. В, по меньшей мере, одном варианте осуществления направляющая 80 потока может быть выполнена в модифицированной конической форме, имеющей удлиненный конец 86, который переходит в широкое основание 84. Направляющая 80 потока может также иметь неконическую конфигурацию, образованную от первой и второй сторон 88, 90, которые могут быть изогнуты или иначе выполнены, для направления текучей среды в выпускные отверстия 72. Выпускные отверстия 72 могут иметь любую соответствующую форму.
Сопло 38 может быть расположено в отверстии 30 в наружном кожухе 12. Отверстие 30 может быть обычно круглым или иметь любую соответствующую форму. В, по меньшей мере, одном варианте осуществления система 10 регулирования температуры отключения газотурбинного двигателя может быть использована для усовершенствования существующего газотурбинного двигателя 16 или в новых газотурбинных двигателях. В таком варианте осуществления, как показано на фиг.3, сопло 38 может быть соединено с наружным кожухом 12 в люке 60 для бороскопа, другом имеющемся ранее существующем отверстии или может быть соединено с отверстием, образованным только для сопла 38. В частности, сопло 38 может быть соединено с возможностью съема с наружным кожухом 12 в люке 60 для бороскопа.
Система 10 регулирования температуры отключения газотурбинного двигателя может приводиться в действие во время процесса выключения, когда ротор все еще приводится в движение газообразными продуктами сгорания или во время работы системы поворотного механизма после выключения газотурбинного двигателя, или во время и того и другого. В одном варианте осуществления система 10 регулирования температуры отключения газотурбинного двигателя может приводиться в действие системой поворотного механизма газотурбинного двигателя 16. Системы поворотных механизмов могут приводиться в действие после выключения газотурбинного двигателя и во время процесса охлаждения, в котором газотурбинный двигатель охлаждается без повреждения вследствие термического сжатия элементов с разными скоростями. Одно или более сопел 38 системы 10 регулирования температуры отключения турбинного двигателя могут выпускать текучую среду, такую как воздух, в полость 18 области среднего ряда для ограничения создания температурных градиентов между верхней опорной точкой 48 и нижними сторонами наружного кожуха 12. Чем медленнее работа системы поворотного механизма, тем больше требуется объем воздуха. Такая работа предотвращает изгиб наружного кожуха 12, не включающего в себя дугообразный изгиб и вогнутый изгиб. Система 10 регулирования температуры отключения газотурбинного двигателя может работать в течение десяти или более часов. Работа системы 10 регулирования температуры отключения газотурбинного двигателя в течение более десяти часов не вызывает повреждение наружного кожуха 12 или других элементов газотурбинного двигателя 16.
Вышеупомянутое приведено для иллюстрации, объяснения и описания вариантов осуществления настоящего изобретения. Модификации и изменения этих вариантов осуществления должны быть понятны специалистам в данной области техники и возможны без отхода от объема или сущности настоящего изобретения.