СОСТАВНАЯ ЧАСТЬ МАШИНЫ И ГАЗОВАЯ ТУРБИНА
COMPOSITE PART OF MACHINE AND GAS TURBINE

Изобретение относится к составной части машины для газовой турбины с основной частью, изготовленной из исходного материала, которая в частичной области своей поверхности снабжена футеровкой из наносимого материала с большей твердостью и/или вязкостью по сравнению с исходным материалом. Далее оно относится к газовой турбине с некоторым количеством составных частей машины этого рода.
Турбины, в частности газовые турбины, применяются во многих областях для привода генераторов или рабочих машин. При этом для приведения во вращение вала турбины используется энергетический ресурс топлива. Для этого топливо сжигается в камере сгорания, причем от воздушного компрессора подводится сжатый воздух. При этом рабочее тело, полученное в камере сгорания благодаря сгоранию топлива, имеющее высокую температуру и находящееся под высоким давлением, направляется через турбинный блок, подключенный к камере сгорания, где оно расширяется, выполняя работу.
Для получения вращательного движения турбинного вала на нем расположено несколько рабочих лопаток, обычно сгруппированных, или ряды лопаток, которые благодаря переносу импульса из рабочего тела приводят в движение турбинный вал. Для направления рабочего тела в турбинный блок к тому же обычно между смежными рядами рабочих лопаток располагаются ряды направляющих лопаток, соединенные с корпусом турбины.
Турбина такого рода включает большое количество конструктивных элементов или составных частей машины, которые при соблюдении заданной массы, формы и/или допусков надлежащим образом позиционированы в турбине. Во многих случаях при этом может быть желательно минимизировать контакт друг с другом смежных составных частей машины или конструктивных элементов, чтобы таким образом сделать особенно низким износ имеющихся конструктивных элементов. Однако, при работе турбины вследствие теплового расширения или также вследствие колебаний, возникающих при работе, или нечто подобного всегда на деле имеет место нежелательный контакт между конструктивными элементами такого рода, так что возникает определенный износ подобного рода деталей. Например, в качестве подобного рода составных частей машины в зоне камеры сгорания газовой турбины обычно по соседству друг с другом расположены так называемая жаровая труба, смесительная камера и внутренний корпус. Они имеют такие обусловленные типом конструкции большие деформации и критические допуски, что при работе газовой турбины местный контакт этих частей неизбежен. Из-за этого контакта возникает нежелательный и, в частности, при длительном сроке службы возможно даже критический износ, так что названные конструктивные элементы должны проверяться через регулярные промежутки времени и при необходимости заменяться/ремонтироваться.
Чтобы в подобного рода ситуациях удержать износ рассматриваемых конструктивных элементов или составных частей машины на особенно низком уровне, составные части машины могут быть изготовлены в так называемом футерованном исполнении, причем области, особенно поражаемые ожидаемым износом или относящиеся к тем, которые могут подвергнуться контакту со смежными составными частями, имеют защитное покрытие, состоящее из футеровки. Подобного рода футеровка при этом может быть образована из наносимого материала, который по сравнению с исходным материалом соответствующего компонента обладает большей механической твердостью и/или вязкостью, так что уже благодаря подобного рода соответствующему выбору материала может быть уменьшен износ, возникающий вследствие контакта. Кроме этого с помощью подходящих различных химических составов исходного и/или наносимого материала может достигаться повышенная коррозионная стойкость составных частей компонентов машины.
Однако из-за обычно большей для подобной цели применения твердости и/или вязкости наносимого материала он является более хрупким, чем соответствующий исходный материал основной части составной части машины. Дальнейшая обработка основной части, снабженной наносимым материалом, например гибкой или подобным образом, возможна при этом только ограниченно.
Далее при тепловом расширении основной части, снабженной наносимым материалом, вследствие различного поведения при тепловом расширении возможно образование трещин и других повреждений. Отсюда непосредственно для применения в районах, имеющих сравнительно высокую тепловую нагрузку, как, например, во внутренней зоне камеры сгорания газовой турбины, подобного рода футерованные составные части машины пригодны только ограниченно.
Но так как составная часть машины для принципиальной возможности использования в газовой турбине при соблюдении условий работы, обеспечивающих низкий износ, должна снабжаться соответствующей футеровкой и для предотвращения возможных недостатков, связанных с футеровкой, боковое расширение футеровки должно удерживаться на особенно низком уровне. Чтобы, однако, иметь возможность покрытия достаточно большой частичной области поверхности, отдельные зоны футеровки выполняются с разъединением друг от друга, чтобы получить таким образом достаточную податливость в отношении тепловой деформации и нечто подобного. Это достигается благодаря тому, что футеровка выполнена в виде сегментов и образована несколькими сегментами футеровки.
Сегменты футеровки могут быть нанесены на основную часть составной части машины с помощью соответствующей техники. Преимущественным образом сегменты футеровки наносятся на основу с помощью накладного приваривания, так что достигается особое внутреннее соединение с основной частью и таким образом высокая стойкость составной части машины в целом.
Правда, при сегментированном исполнении футеровки процесс сварки должен часто начинаться и заканчиваться, из-за чего может возникнуть коробление основной части в результате воздействия высоких рабочих температур при наплавке. К тому же в большинстве случаев применения на наружную зону основной части направляется охлаждающий воздух. Благодаря наличию сегментов охлаждающий воздух вдувается в предусмотренные каналы в тракт горячего газа, тем самым на образовавшихся при сегментировании пересечениях создаются теплые и холодные места. Далее с сегментированием элементов футеровки при известных условиях связано снижение поперечной устойчивости и жесткости на скручивание колец, образующих основную часть.
Из публикации DE 1020040172 А очевидна составная часть машины в форме лопатки газовой турбины с рабочей, нижней стороной лопатки и с вершиной лопатки. Лопатка состоит из исходного материала, причем в подобласти поверхности лопатки, а именно вершины лопатки, нанесена футеровка. Футеровка представляет собой керамическое покрытие, причем керамическое покрытие является боле жестким, чем исходный материал лопатки.
Публикация WO 96/04511 А1 представляет цилиндрическую топочную камеру, которая внутри облицована теплозащитным экраном. Теплозащитный экран состоит из керамического материала.
В связи с этим задачей изобретения является создание такой составной части машины для газовой турбины названного выше рода, при нанесении футеровки на которую достигается максимально возможная по величине устойчивость при одновременной возможности дальнейшей обработки, а также при низкой нагрузке составной части машины при способе нанесения. К тому же в значительной степени предотвращается возникновение теплых и холодных мест. Далее задача изобретения состоит в создании газовой турбины с несколькими подобными составными частями машины.
Согласно изобретению эта задача решается благодаря тому, что футеровка образована несколькими элементами футеровки, которые в своем продольном направлении нанесены на основную часть с наклоном к направлению главного потока проходящего через основную часть горячего газа, так что элементы футеровки основного корпуса проходят спиралеобразно.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.
При этом изобретение исходит из идеи, что нагрузка из-за частого начала и остановки процесса при наплавке может быть предотвращена, если процесс сварки осуществляется всплошную. Далее с помощью соответствующего расположения элементов футеровки может достигаться особенно высокая поперечная устойчивость, а также благодаря соответствующему направлению охлаждающего воздуха в значительной мере может предотвращаться отрицательное воздействие охлаждающего воздуха на поведение основной части при тепловом воздействии.
Чтобы обеспечить расположение элементов футеровки на основе спирали и таким образом особенно высокую устойчивость основы, а также уменьшение точек начала и остановки при процессе сварки с наносимым материалом, предпочтительным образом предусмотрено образование элементов футеровки с углом наклона больше нуля и меньше 90° между направлением главного потока горячего газа, проходящего по основе, и продольным направлением элементов футеровки, за счет чего форма элемента футеровки получается в виде параллелограмма, но также возможны и другие геометрические основные формы.
При особенно предпочтительном осуществлении изобретения угол опрокидывания рассчитан таким, что элементы футеровки располагаются таким образом, что канал охлаждающего воздуха, образованный выполненной косой геометрией футеровки, в, по меньшей мере, не самом сложном исполнении огибает основную часть и охлаждающий воздух благодаря этому закручивается относительно направления потока горячего газа, вследствие чего может достигаться в значительной мере равномерное распределение охлаждающего воздуха.
Для обеспечения по возможности большей гибкости составной части машины с нанесенной футеровкой при дальнейшей обработке, элементы футеровки, установленные на основе с углом наклона более нуля и меньше 90° между направлением главного потока горячего газа, проходящего по основной части, и продольным направлением элемента футеровки, расположены на основе предпочтительно не сплошными, а в виде сегментов, т.е. с некоторым количеством промежутков между привариваемым покрытием.
Для исключения дополнительной обработки выступов сварных швов, которые могут появиться при процессах сварки, необходимых при создании футеровки, и соблюдении при этом границ допусков, а также гомогенизации поверхности составной части машины, установка элементов футеровки предусмотрена предпочтительно с помощью нанесения порошка лазерной наплавкой, однако, возможно нанесение покрытия с помощью других способов сварки или нанесение с помощью напыления.
Преимущества, достигаемые с помощью изобретения, состоят, в частности, в том, что благодаря расположению элементов футеровки достигается особенно высокая поперечная устойчивость и жесткость на скручивание колец, образующих основную часть, а также особо предпочтительное направление охлаждающего воздуха при одновременной гибкости основной части при дальнейшей обработке.
Пример осуществления изобретения более подробно поясняется с помощью чертежа. Где показывают:
фиг.1 - продольный разрез газовой турбины;
фиг.2 - разрез по камере сгорания газовой турбины на фиг.1;
фиг.3-5 - соответственно составные части газовой турбины на фиг.1;
фиг.6 - основная часть составной части машины с элементами футеровки в графическом изображении; и
фиг.7 - расположение элементов футеровки в схематическом изображении.
Одинаковые части на всех фигурах снабжены одними и теми же самыми позициями.
Газовая турбина 1 согласно фиг.1 имеет компрессор 2 для дутьевого воздуха, камеру 4 сгорания, а также турбину 6 для привода компрессора 2 и не показанные генератор или рабочую машину. Для этого турбина 6 и компрессор 2 расположены на общем, называемом также рабочим колесом турбинном валу 8, с которым соединены также генератор или рабочая машина, и которая установлена с возможностью вращения вокруг ее средней оси 9.
Камера 4 сгорания оборудована некоторым количеством горелок 10 для сжигания жидкого или газообразного топлива. Далее она на своей внутренней стенке снабжена подробно не показанными элементами тепловой защиты.
Турбина 6 имеет некоторое количество соединенных с валом 8 турбины вращающихся рабочих лопаток 12. Рабочие лопатки 12 расположены в виде венца на валу 8 турбины и образуют таким образом некоторое количество рядов рабочих лопаток. Далее турбина 6 включает некоторое количество неподвижных направляющих лопаток 14, которые также в виде венцов при образовании рядов направляющих лопаток закреплены на внутреннем корпусе 16 турбины 6. Рабочие лопатки 12 служат при этом для привода вала 8 турбины за счет передачи импульса рабочего тела М, проходящего через турбину 6. Направляющие лопатки 14 служат напротив для направления потока рабочего тела М между соответственно двумя следующими один за другим, если смотреть в направлении потока рабочего тела М, рядами рабочих лопаток или венцов рабочих лопаток. Следующая одна за другой пара из венца направляющих лопаток 14 или ряда направляющих лопаток и из венца рабочих лопаток 12 или ряда рабочих лопаток при этом называется также ступенью турбины.
Каждая направляющая лопатка 14 имеет платформу 18, которая для фиксации соответствующей направляющей лопатки 14 расположена на внутреннем корпусе 16 турбины 6 в виде стенового элемента. Платформа 18 является при этом относительно сильно термически нагружаемым конструктивным элементом, который образует наружное ограничение канала горячего воздуха для рабочего тела М, проходящего через турбину 6. Каждая рабочая лопатка 12 аналогичным образом с помощью платформы 20, называемой также основанием лопатки, закреплена на валу 8 турбины.
Между расположенными на расстоянии друг от друга платформами 18 направляющих лопаток двух соседних рядов направляющих лопаток на внутреннем корпусе 16 турбины 6 расположено направляющее кольцо 21. Внутренняя поверхность каждого направляющего кольца 21 при этом также подвергается воздействию горячего проходящего через турбину 6 рабочего тела М и в радиальном направлении находится на расстоянии зазора 24 от наружного конца 22 противолежащих ему рабочих лопаток 12 одного ряда рабочих лопаток.
Этот принцип применим для всех газовых турбин, т.е., например, с корпусом в виде кольца, или кольцевых камер сгорания или шахтных камер сгорания. Под газовыми турбинами следует подразумевать прежде всего газовые турбины с шахтными камерами сгорания. Тем не менее это изобретение применимо для всех газовых турбин.
Как можно видеть на увеличенном изображении на фиг.2, каждая из камер 4 сгорания в своей области поступления, к которой присоединены не показанные подробно подводящие трубопроводы для сред, как-то топлива, воздуха для горения, оборудована так называемой жаровой трубой 30, внутри которой происходит горение топлива. Через точно также расположенный внутри корпуса 32 соответствующей горелки 10, называемый смесительной камерой переходной элемент 34 жаровая труба 30 на стороне выхода соединена с внутренним корпусом 36 камеры 4 сгорания.
Жаровая труба 30, переходной элемент 34 и внутренний корпус 36 при этом наподобие вдвинутых друг в друга труб соединены друг с другом, так что обеспечивается надежное направление потока среды от жаровой трубы 30 во внутренний корпус 36 камеры 4 сгорания. Соответственно вставленные друг в друга концы труб при этом позиционированы при соблюдении заданного размера и допусков по возможности без контакта, так что по возможности исключен износ по причине нахождении в контакте и трущихся друг о друга составных частей. Правда, не может исключаться обусловленный работой газовой турбины 1 периодический контакт этих составных частей, так что в любом случае следует рассчитывать на остаточный износ. Чтобы учесть этот износ, в рамках работ по обслуживанию и контролю необходимы регулярная проверка и при необходимости замена этих составных частей.
Чтобы удержать на низком уровне производственные затраты на газовую турбину 1 и в значительной степени упростить требуемые работы по обслуживанию и контролю, составные части газовой турбины 1 по возможности рассчитаны на небольшой износ. Чтобы при этом учесть износ, обусловленный контактом составных частей: жаровой трубы 30, переходного элемента 34 и внутреннего корпуса 36 и этот износ при возникающих контактах составных частей друг с другом удержать на особо низком уровне, названные составные части выполнены в виде футерованных составных частей. Для этого каждая из составных частей машины: жаровая труба 30, переходной элемент 34 и внутренний корпус 36, выполнен из основной части 40, изготовленной из исходного материала, которая в соответственно в изображенной на фиг.3-5 частичной области своей поверхности снабжена футеровкой 42 из наносимого материала. Наносимый материал при этом выбран таким образом, что он в сравнении с исходным материалом имеет более высокую твердость и/или вязкость, так что имеет место повышенная сопротивляемость к механической, а также тепловой нагрузке. Наносимый материал при этом нанесен соответственно с помощью наплавки на основную часть 40.
Чтобы с помощью футеровки 42 предотвратить отрицательное воздействие изготовления, монтажа, а также работы соответствующих составных частей машины, которое могло бы проявиться вследствие различного поведения при тепловом расширении в виде связанного с этим образования трещин при собственно процессе сварки или также при работе при повышенной тепловой нагрузке, футеровка 42 соответствующей составной части машины выполнена сегментированной. Для этого футеровка 42 включает большое количество сегментов 44 футеровки, причем выбор размеров сегментов 44 футеровки в отношении размеров собственно составной части машины и примененного материала осуществлен таким образом, что предотвращено слишком большое отрицательное воздействие основной части 40 вследствие различного поведения при тепловом расширении и тому подобного.
Как можно видеть на фиг.3, сегменты 44 футеровки установлены в предназначенные углубления в основной части 40. Углубления могут быть при этом получены с помощью подходящих способов обработки, как, например, фрезерования, сверления или шлифования. Размеры при этом могут в принципе устанавливаться таким образом, что после нанесения элементов футеровки на плоскую поверхность основной части 40 между ними образуются углубления, соответствующие их толщине. При образовании сегментов 44 футеровки, однако, их изготовление может осуществляться также таким образом, как это показано на фиг.3-5, что наружная поверхность сегментов 44 футеровки с наружной поверхностью перемычки 46 основной части 40, проходящей между наружными сегментами 44 футеровки, образуют сплошную и таким образом плоскую поверхность. Далее сегменты 44 футеровки могут наноситься также на ровную не имеющую углублений поверхность.
При этом в качестве готовой составной части машины получается конструктивный элемент, который в части своего формообразования, размеров и сохранения заданной точности в значительной мере соответствуют первоначально предусмотренному конструктивному элементу и имеет, в частности соответственно гладкую и ровную поверхность.
На фиг.4 показано, что также изогнутое кольцо 50 для охлаждающего воздуха может быть выполнено в виде, по меньшей мере, частично футерованной составной части машины названного рода. Кольцо 50 для охлаждающего воздуха при этом на своей поверхности точно также снабжено сегментами 44 футеровки, которые вставлены в соответствующие углубления основной части 40, образующей кольцо 50 для охлаждающего воздуха, В основной части 40 кольца 50 для охлаждающего воздуха при этом дополнительно предусмотрены каналы 52 для охлаждающего воздуха, которые образованы соответствующими отверстиями. Благодаря формированию углублений, также называемых карманами, в которых при этом расположены сегменты 44 футеровки, причем названные углубления не должны образовываться в виде карманов, а возможна здесь не показанная огибающая канавка, может сохраняться желательная геометрия кольца 50 для охлаждающего воздуха. Тем не менее, даже при применении сегментов 44 футеровки получается почти гладкая и таким образом способствующая потоку поверхность и плоский переход к основной части 40. Благодаря этому обеспечивается увеличенное снижение износа и повышенное сцепление между используемыми материалами.
На фиг.5 показано, что в качестве подобным образом футерованных составных частей машины выполнены, в частности, в их областях нахлестки переходной элемент 34 и жаровая труба 30 газовой турбины 1. Футеровка 42 этих составных частей машины предусмотрена при этом соответственно на сегментах поверхности, обращенных друг к другу. При подобно рода смежном расположении двух подобным способом футерованных составных частей машины к тому же, как это в данном случае предусмотрено для переходного элемента 34 и жаровой трубы 30, с помощью соответствующего выбора материала для футеровки 42 становится возможным направленное фокусирование износа одной из обеих составных частей машины, в частности, более легко заменяемой составной части машины. Для этого в данном случае направленно предусмотрено выбирать наносимый материал для футеровки 42 жаровой трубы с меньшей твердостью и/или вязкостью, чем материал для футеровки 42 переходного элемента 34. Но также может иметь смысл и обратное расположение, когда наносимый материал для футеровки 42 переходного элемента 34 предусмотрен с более низкой твердостью и/или вязкостью, чем для футеровки 42 жаровой трубы 30.
На фиг.6 показана основная часть 40 с каналами 52 для охлаждающего воздуха и нанесенными элементами 54 футеровки, причем в этом осуществлении угол между направлением 56 главного потока, проходящего вдоль стенок основной части 40 горячего газа, и продольным направлением элементов 54 футеровки выбран особенно малым. Элементы 54 футеровки окружают основную часть 40 в подобного рода осуществлении в форме завитка, причем угол наклона следует выбирать в зависимости от требований в диапазоне больше 0 и менее 90.
Благодаря этому элементы 54 футеровки, нанесенные на основную часть 40 преимущественно с помощью процесса нанесения порошка лазерной сваркой, могут наноситься при сплошном процессе сварки без остановки и возобновления работы и уменьшаются риски, связанные с соответствующим перерывом и новым началом сварочного процесса, в частности, подверженность сбоям при процессе сварки. Также с помощью сплошного сварочного процесса в значительной мере может предотвращаться отрицательное тепловое воздействие и таким образом нагрузки на материал основной части 40 и на наносимый материал.
Равным образом сегментирование футеровки 42 также и в этом осуществлении, также возможно с помощью прерывания процессов наплавки. Благодаря этому может достигаться повышение гибкости составной части машины.
Напротив на фиг.7 показаны элементы 54 футеровки, нанесенные на основную часть 40 с большим по сравнению с представленным на фиг.6 углом между направлением 56 главного потока газа и продольным направлением элементов футеровки 54. Это может быть сравнимо с формой шагов резьбы винта или стержня с резьбой, причем подъем шага определен осуществлением футеровки 42, образованной элементами футеровки 54, сравнимым с резьбой названного вида, с помощью угла опрокидывания. При соответственно малом параметре угла опрокидывания благодаря ориентировке элементов 54 футеровки образуется только один путь, т.е. один оборот элементов 54 футеровки, образованных наплавкой, вокруг основной части и таким образом только один канал для, например, направления охлаждающего воздуха.
Чем большим принят угол опрокидывания, который на фиг.7 составляет 45°, тем больше будет оборотов элементов 54 футеровки вокруг основной части 40. Благодаря показанной установке элементы 54 футеровки многократно огибают основную часть 40, вследствие чего создается разделение футеровки на сегменты 44 и сегменты 44 футеровки могут наноситься за несколько процессов сварки.
Отдельные сегменты 44 футеровки используются для поперечного усиления основной части 40, причем благодаря сегментированию элементов 54 футеровки далее становится возможной последующая обработка основной части 40, снабженной наносимым материалом, например гибка или нечто подобное.
Благодаря углу опрокидывания между направлением 56 главного потока газа и продольным направлением элементов 54 футеровки образуются каналы, причем в случае проходящего в каналах охлаждающего воздуха он испытывает закрутку к направлению 56 потока проходящего через основную часть 40 горячего газа и таким образом охлаждающий воздух распределяется более равномерно, чем, например, при сегментировании футеровки в прямоугольной форме на периметре основной части 40. Благодаря этому в соответствии с параметрами канала могут уменьшаться разность температур и напряжений и чрезмерное образование холодных и теплых мест, создающее нагрузки на составные части машины.