Компенсатор расширения для газовых турбин (варианты), а также способ обеспечения протекания текучих сред из выхлопного канала
Компенсатор расширения, установленный между каналом турбины и выхлопным каналом, включает фланец, прикрепленный к каналу турбины, гибкий элемент и множество пластин, прикрепленных к выхлопному каналу и проходящих к фланцу. Гибкий элемент размещен между фланцем канала турбины и выхлопным каналом и присоединен к ним. Множество пластин и фланец имеют между собой зазор, который является более узким в горячем состоянии канала турбины. В другом варианте множество пластин имеют множество отверстий, а пластины присоединены к выхлопному каналу при помощи болтов, размещенных в отверстиях, увеличенный сверх номинального диаметр каждого из которых превышает диаметр болтов, так чтобы обеспечивалось термическое расширение множества пластин. При обеспечении протекания текучих сред из выхлопного канала размещают множество пластин на выхлопном канале с зазором между каналом турбины и множеством пластин, присоединяют гибкий элемент к каналу турбины у зазора и к выхлопному каналу, нагревают канал турбины и расширяют канал турбины в направлении множества пластин для сужения зазора. Изобретения позволяют обеспечить плавный переход между каналом турбины и выхлопным каналом, а также снизить трудоемкость производства компенсатора. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.
Настоящее изобретение относится в основном к газовым турбинам и, в частности, к компенсатору расширения, используемому между каналом турбины и выхлопным каналом или в каком-либо другом месте.
Газовые турбины могут иметь компенсатор расширения, размещенный между фланцем канала турбины и выхлопным каналом. Выхлопной канал диффузора обеспечивает улучшение показателей работы турбины в целом, обеспечивая расширение выхлопных газов для получения оптимального аэродинамического давления. Большинство каналов турбины сильно нагреваются, причем они являются конструкционными элементами, требующими машинной обработки, тогда как большинство каналов диффузора представляют собой более дешевые по стоимости трубы, которые имеют внутреннюю изоляцию и остаются относительно холодными. Вследствие температурного несоответствия в месте этого соединения обычно используется компенсатор расширения для компенсирования сравнительно больших смещений между этими компонентами.
Известные в данной области техники компенсаторы расширения могут иметь различные формы. Если предполагается выполнение относительно больших осевых, вертикальных и горизонтальных перемещений, то компенсатор расширения может быть спроектирован с вертикально установленным гибким элементом. Этот тип конструкции требует обеспечения вертикального смещения между хвостовым фланцем канала турбины и передним фланцем канала диффузора. Это смещение обеспечивает место для присоединения каждого конца гибкого вертикального элемента и также обеспечивает желобок для сбора промывочной жидкости и/или жидкого топлива, которое может попасть в диффузор после ложного запуска. Один пример компенсатора расширения раскрыт в патенте США №1803665.
Однако открытый желобок прерывает непрерывное течение потока, что может привести к падению давления, а также негативно сказывается на общих показателях работы турбины и тепловой мощности. Кроме того, жидкое топливо, которое не полностью вытекает из системы сгорания, попадает в выхлопной канал диффузора. Если жидкое топливо должным образом не вытекло, то оно может впитаться в изоляцию, что является пожароопасным при запуске газовой турбины. Подобным же образом вода из промывочной жидкости турбины может попасть на изоляцию компенсатора расширения и протечь на землю. Для обеспечения дренажной системы, к турбине привинчен защитный козырек, служащий для защиты гибкого элемента. Однако защитный козырек должен выдерживать высокие переходные температурные нагрузки, и он не обеспечивает полной защиты от перепадов давления. В результате защитный козырек обычно приходится выполнять из дорогостоящих материалов.
Следовательно, существует потребность в компенсаторе расширения с улучшенными характеристиками, который бы обеспечил слив жидкостей, попадающих в выхлопной канал диффузора, ограничивая в то же время возможность повреждения внутренней изоляции. Предпочтительно, чтобы компенсатор расширения обеспечивал плавный аэродинамический переход между указанными каналами. Более предпочтительно, чтобы компенсатор расширения мог выполняться недорогостоящими производственными способами с использованием недорогих материалов, которые легко применять и обрабатывать.
Таким образом, согласно настоящему изобретению создан компенсатор расширения, используемый между каналом турбины и выхлопным каналом. Компенсатор расширения включает в себя фланец, прикрепленный к каналу турбины, и множество пластин, прикрепленных к выхлопному каналу и проходящих к фланцу. Множество пластин и фланец имеют между собой зазор, который является более узким, когда канал турбины нагрет, чем тогда, когда канал турбины является холодным.
Кроме того, компенсатор расширения может включать в себя гибкий элемент, расположенный между каналом турбины и выхлопным каналом. Гибкий элемент может быть выполнен из сплава на основе никеля. Кроме того, гибкий элемент может быть прикреплен к фланцу.
Упомянутые пластины могут содержать аустенитную сталь, стабилизированную титаном или ниобием. Кроме того, пластины могут иметь множество отверстий. Более того, пластины могут быть прикреплены к выхлопному каналу болтами, располагающимися внутри отверстий, при этом размер отверстий превышает размер болтов.
Зазор может составлять в ширину приблизительно от 3 до 7 дюймов (приблизительно от 76,2 до 177,8 мм), когда канал турбины является холодным, и приблизительно от 0,5 до 1 дюйма (приблизительно от 12,7 до 25,4 мм), когда канал турбины находится в горячем состоянии. Канал турбины расширяется в направлении пластин.
Дополнительно, согласно настоящему изобретению создан способ обеспечения протекания текучих сред из выхлопного канала, когда канал турбины является холодным, с обеспечением плавного аэродинамического перехода, когда канал турбины находится в горячем состоянии. Согласно способу осуществляют размещение на выхлопном канале множества пластин для образования зазора между каналом турбины и этими пластинами; нагрев канала турбины и расширение канала турбины в направлении пластин для сужения зазора. Расширение канала турбины может включать сужение зазора от приблизительно 4,5 дюйма (приблизительно 114,3 мм) до приблизительно 0,75 дюйма (приблизительно 19,05 мм).
Согласно настоящему изобретению компенсатор расширения используется между каналом турбины и выхлопным каналом. Этот компенсатор расширения может включать в себя множество пластин, прикрепленных к выхлопному каналу и проходящих к каналу турбины. Упомянутые пластины и канал турбины могут иметь между собой зазор, который является более узким, когда канал турбины находится в горячем состоянии, чем тогда, когда канал турбины находится в холодном состоянии.
При этом пластины могут содержать аустенитную сталь, стабилизированную титаном или ниобием. Упомянутый зазор может составлять в ширину приблизительно от 3 до 7 дюймов (приблизительно от 76,2 до 177,8 мм), когда канал турбины является холодным, и приблизительно от 0,5 до 1 дюйма (приблизительно от 12,7 до 25,4 мм), когда канал турбины находится в горячем состоянии. Канал турбины расширяется в направлении пластин. При этом канал турбины может содержать фланец и пластины, проходящие к фланцу.
Компенсатор расширения может дополнительно содержать гибкий элемент, размещаемый между каналом турбины и выхлопным каналом. Гибкий элемент может содержать никелевый сплав.
Кроме того, пластины могут иметь ряд отверстий. При этом пластины прикрепляются к выхлопному каналу болтами, располагающимися внутри этих отверстий. Размер отверстий может превышать размер болтов.
Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает оптимальное аэродинамическое давление в турбине, исключая падения давления и негативное влияние на общие показатели работы турбины и тепловую мощность. При этом обеспечивается плавный аэродинамический переход при протекании текучих сред из состояния, когда канал турбины является холодным, в состояние, когда канал турбины является горячим. Кроме того, исключается вероятность возникновения пожара из-за протечек в турбине при ее запуске и вероятность протечки промывочной жидкости турбины на изоляцию компенсатора или на землю.
Эти и другие отличительные признаки настоящего изобретения станут очевидными специалистам в данной области после прочтения подробного описания изобретения, приведенного со ссылкой на прилагаемые чертежи, и формулы изобретения.
Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - частичный вид сбоку, показывающий компенсатор расширения, размещенный между выхлопным каналом газовой турбины и прилегающим к нему выхлопным каналом диффузора, как это описано в данной заявке;
Фиг.2 - вид сбоку компенсатора расширения с фиг.1; и
Фиг.3 - вид спереди в перспективе пластин компенсатора расширения с фиг.1.
Следует отметить, что на всех предлагаемых чертежах идентичные элементы обозначены одинаковыми ссылочными позициями. На фиг.1-3 показан компенсатор 100 расширения. Компенсатор 100 расширения может содержать гибкий элемент 110. Гибкий элемент 110 фактически может представлять собой множество соединенных вместе относительно тонких гибких пластин. В частности, гибкий элемент 110 может иметь множество пластин различной толщины из никеля (сплав инконель представляет собой жаропрочный никелевый сплав, который обладает высокой устойчивостью к окислению и коррозии. Сплавы инконеля поставляются корпорацией Special Metals Corporation, Нью-Хартфорд, Нью-Йорк). Допустимо также использование других гибких и подобных им материалов.
Как показано, гибкий элемент 110 может быть прикреплен одним концом к каналу 120 турбины. Канал 120 турбины может иметь обычную конструкцию. Гибкий элемент 110 может быть прикреплен к каналу 120 турбины у радиального фланца 130 или в другом подобном месте. Гибкий элемент 110 может быть прикреплен к радиальному фланцу 130 множеством крепежных элементов. Гибкий элемент 110 может также быть прикреплен другим концом к выхлопному каналу 140 диффузора. Выхлопной канал 140 может иметь обычную конструкцию. Здесь могут использоваться и другие типы выхлопных каналов. Гибкий элемент 110 может быть размещен в паре фланцев 150 на выхлопном канале 140 или в другом подобном месте. Вокруг этой пары фланцев 150 выхлопного канала 140 может быть также помещен дренажный желоб 160 или другой подобный ему элемент.
Компенсатор 100 расширения может дополнительно содержать множество сегментированных пластин 170. Пластины 170 могут быть выполнены из аустенитной стали, стабилизированной титаном или ниобием. В качестве примера можно привести марки нержавеющей стали 321 и 347 или другие подобные им материалы. Пластины 170 могут быть изготовлены и установлены с использованием широко доступных производственных способов и деталей. Сегментированные пластины 170 могут быть прикреплены болтами к направленной вниз по потоку стороне компенсатора 100 расширения. В частности, пластины 170 могут быть привинчены к выхлопному каналу 140. Пластины 170 могут иметь множество увеличенных сверх номинального размера отверстий 180. Пластины 170 могут быть прикреплены к выхлопному каналу 140 несколькими болтами 190 и шайбами 200, имеющими увеличенный сверх номинального размер. В данном случае могут использоваться и другие типы крепежных средств. Пластины 170 проходят наружу от выхлопного канала 140 к радиальному фланцу 130 канала 120 турбины.
При эксплуатации зазоры 180 в пластинах 170 позволяют этим пластинам 170 термически расширяться по периферии и в осевых направлениях, оставаясь при этом надежно прикрепленными к выхлопному каналу 140 с помощью множества болтов 190. Поскольку выхлопной канал 140 обычно имеет внутреннюю изоляцию, то пластины 170 устанавливаются на хорошо амортизированную поверхность, где они не подвержены чрезмерному воздействию вибраций, возникающих в связи с возбуждением потока или от других подобных причин.
Когда компенсатор 100 расширения находится в холодном состоянии, а турбина не работает, на пути потока между пластинами 170 и радиальным фланцем 130 имеется зазор 210. Этот зазор 210 позволяет осуществить слив жидкого топлива в случае ошибочного запуска. Подобным же образом из турбины может сливаться промывочная вода. Однако когда газовая турбина работает и быстро нагревается, канал 120 турбины подвергается тепловому расширению. В результате радиальный фланец канала 120 турбины перемещается назад к выхлопному каналу 140. При этом зазор 210 между радиальным фланцем 130 и пластинами 170 сужается, чтобы обеспечить плавный аэродинамический переход. Когда зазор 210 закрывается, гибкий элемент 110 также является защищенным от перепадов давления.
Зазор 210 может составлять в ширину приблизительно от 3 до 7 дюймов (приблизительно от 76,2 до 177,8 мм), когда канал 120 турбины находится в холодном состоянии, и приблизительно от 0,5 до 1 дюйма (приблизительно от 12,7 до 25,4 мм), когда канал 120 турбины находится в горячем состоянии. Параметры в данном случае могут быть и другие. На фиг.2 радиальный фланец 130 в горячем состоянии показан в положении справа, а в холодном состоянии - в положении слева.
Таким образом, компенсатор 100 расширения согласно изобретению обеспечивает плавный аэродинамический переход. Такой плавный аэродинамический переход максимизирует восстановление давления, обеспечивая при этом защиту от перепадов давления. Пластины 170 могут компенсировать относительно большие смещения между фланцем 130 канала 120 турбины и выхлопным каналом 140. Таким образом, компенсатор 100 расширения в целом может компенсировать сравнительно большие осевые, вертикальные и горизонтальные смещения, возникающие вследствие теплового расширения между каналом 120 турбины и выхлопным каналом 140. Пластины 170 также не подвержены влиянию возбуждения потока. Более того, зазор 210 обеспечивает надежный способ слива всех жидкостей, которые могут попасть в выхлопной канал 140.
Из данного текста должно быть очевидно, что приведенное выше описание относится только к предпочтительным вариантам воплощения изобретения, изложенного в настоящей заявке, и что специалисты в данной области техники могут вносить в него многочисленные изменения и модификации, не отходя при этом от идеи и объема настоящего изобретения, определяемого только лишь формулой изобретения.
1. Компенсатор расширения, используемый между каналом турбины и выхлопным каналом, содержащий:
фланец, прикрепленный к каналу турбины;
гибкий элемент, размещенный между фланцем канала турбины и выхлопным каналом и присоединенный к ним; и
множество пластин, прикрепленных к выхлопному каналу и проходящих к фланцу;
при этом множество пластин и фланец имеют между собой зазор, который является более узким, когда канал турбины находится в горячем состоянии, чем тогда, когда канал турбины находится в холодном состоянии.
2. Компенсатор расширения по п.1, в котором гибкий элемент содержит сплав на основе никеля.
3. Компенсатор расширения по п.1, в котором множество пластин содержит аустенитную сталь, стабилизированную титаном или ниобием.
4. Компенсатор расширения по п.1, в котором множество пластин содержит множество отверстий.
5. Компенсатор расширения по п.1, в котором зазор составляет по ширине приблизительно от 3 до 7 дюймов (приблизительно от 76,2 до 177,8 мм), когда канал турбины находится в холодном состоянии, и приблизительно от 0,5 до 1 дюйма (приблизительно от 12,7 до 25,4 мм), когда канал турбины находится в горячем состоянии.
6. Компенсатор расширения по п.1, в котором канал турбины выполнен с возможностью расширения в направлении множества пластин.
7. Компенсатор расширения, используемый между каналом турбины и выхлопным каналом, содержащий:
фланец, прикрепленный к каналу турбины;
множество пластин, прикрепленных к выхлопному каналу и проходящих к фланцу;
при этом множество пластин и фланец имеют между собой зазор, который является более узким, когда канал турбины находится в горячем состоянии, чем тогда, когда канал турбины находится в холодном состоянии;
причем множество пластин содержит множество отверстий;
при этом множество пластин присоединено к выхлопному каналу при помощи болтов, размещенных во множестве отверстий, увеличенный сверх номинального диаметр каждого из которых превышает диаметр болтов, так чтобы обеспечивалось термическое расширение множества пластин.
8. Способ обеспечения протекания текучих сред из выхлопного канала, когда канал турбины находится в холодном состоянии, с обеспечением плавного аэродинамического перехода, когда канал турбины находится в горячем состоянии, при котором
размещают множество пластин на выхлопном канале для образования зазора между каналом турбины и множеством пластин;
присоединяют гибкий элемент к каналу турбины у зазора и к выхлопному каналу;
нагревают канал турбины и
расширяют канал турбины в направлении множества пластин для сужения зазора.
9. Способ по п.8, при котором расширение канала турбины включает сужение зазора от приблизительно 4,5 дюйма (приблизительно 114,3 мм) до приблизительно 0,75 дюйма (приблизительно 19,05 мм).
