Способ эксплуатации газотурбинного двигателя, включающего в себя систему рециркуляции воздуха оболочки камер сгорания

Изобретение относится к энергетике. Способ эксплуатации газотурбинного двигателя, при котором во время работы газотурбинного двигателя при полной нагрузке клапанную систему поддерживают в закрытом положении для того, чтобы по существу предотвратить проход воздуха через систему трубопроводов системы рециркуляции воздуха оболочки. При инициировании операции перехода к работе при неполной нагрузке, которую выполняют для перевода двигателя в состояние проворачивания или выключенное состояние, клапанную систему открывают для обеспечения возможности прохода воздуха через систему трубопроводов. Изобретение позволяет создать более равномерное распределение температуры воздуха в оболочке камеры сгорания. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Настоящее изобретение относится к системе рециркуляции воздуха оболочки камер сгорания в газотурбинном двигателе, при этом система рециркуляции выполнена с возможностью функционирования во время работы при нагрузке меньшей, чем полная нагрузка, для создания более равномерного распределения температур воздуха в оболочке камер сгорания.

Во время работы газотурбинного двигателя, такого как описанного в патенте США №7329084, давление воздуха повышается в компрессорной секции, затем воздух смешивается с топливом и сжигается в секции сжигания для образования горячих газообразных продуктов сгорания. В газотурбинном двигателе с расположенными по кольцу трубчатыми камерами сгорания секция сжигания содержит упорядоченный ряд расположенных по кольцу устройств для сжигания, иногда называемых «жаровыми трубами» или «камерами сгорания», каждое из которых обеспечивает подачу горячих газообразных продуктов сгорания в турбинную секцию двигателя, в которой горячие газообразные продукты сгорания расширяются для выделения энергии из них для получения выходной мощности, которая, в свою очередь, используется для выработки электричества.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения создан способ эксплуатации газотурбинного двигателя, имеющего продольную ось, определяющую аксиальное направление двигателя, при этом способ включает:

во время первого режима работы двигателя:

сжатие воздуха в компрессорной секции;

смешивание, по меньшей мере, части сжатого воздуха с топливом и сжигание смеси в секции сжигания для образования горячих газообразных продуктов сгорания;

расширение горячих газообразных продуктов сгорания в турбинной секции для выделения энергии из газообразных продуктов сгорания, при этом, по меньшей мере, часть выделенной энергии используется для обеспечения вращения ротора турбины; и

поддержание клапанной системы в закрытом положении для того, чтобы по существу предотвратить проход воздуха через систему трубопроводов системы рециркуляции воздуха оболочки, при этом система рециркуляции воздуха оболочки связана с частью кожуха двигателя, расположенной вокруг секции сжигания, и содержит:

по меньшей мере, один выпускной элемент, образованный в указанной части кожуха двигателя;

по меньшей мере, один впускной элемент, образованный в указанной части кожуха двигателя;

систему трубопроводов, которая обеспечивает сообщение по текучей среде между указанным, по меньшей мере, одним выпускным элементом и указанным, по меньшей мере, одним впускным элементом;

воздуходувку, предназначенную для отвода воздуха из внутреннего объема указанной части кожуха двигателя через указанный, по меньшей мере, один выпускной элемент и для перемещения отведенного воздуха к указанному, по меньшей мере, одному впускному элементу; и

клапанную систему, которая избирательно обеспечивает возможность прохода воздуха и предотвращает проход воздуха через систему трубопроводов; и

при инициировании операции перехода к работе при неполной нагрузке, которую выполняют для перевода двигателя в одно из состояния проворачивания и выключенного состояния:

уменьшение количеств воздуха и топлива, сжигаемых в секции сжигания, для уменьшения количества горячих газообразных продуктов сгорания, образуемых в секции сжигания;

расширение уменьшенного количества горячих газообразных продуктов сгорания в турбинной секции для выделения энергии из уменьшенного количества газообразных продуктов сгорания, при этом, по меньшей мере, часть выделенной энергии используется для обеспечения вращения ротора турбины;

открытие клапанной системы для обеспечения возможности прохода воздуха через систему трубопроводов системы рециркуляции воздуха оболочки; и

приведение в действие воздуходувки для:

отвода воздуха из внутреннего объема указанной части кожуха двигателя через указанный, по меньшей мере, один выпускной элемент;

перемещения отведенного воздуха к указанному, по меньшей мере, одному впускному элементу; и

вдувания воздуха во внутренний объем указанной части кожуха двигателя через указанный, по меньшей мере, один впускной элемент для обеспечения циркуляции воздуха в указанной части кожуха двигателя,

причем указанная часть кожуха двигателя содержит стенку кожуха, которая имеет верхнюю часть стенки, образующую верхнюю мертвую точку, левую и правую боковые части стенки и нижнюю часть стенки, образующую нижнюю мертвую точку, при этом указанный, по меньшей мере, один выпускной элемент образован в нижней части стенки и указанный, по меньшей мере, один впускной элемент образован в верхней части стенки;

причем указанный, по меньшей мере, один впускной элемент содержит две разнесенные в направлении вдоль окружности впускные части, расположенные по существу в одном и том же месте в аксиальном направлении;

при этом впускные элементы выполнены с такой конфигурацией, что воздух, вдуваемый посредством них, имеет составляющую вектора скорости, направленную в направлении вдоль окружности;

причем впускные элементы выполнены с такой конфигурацией, что воздух, вдуваемый посредством них, проходит от верхней части стенки, представляющей собой стенку кожуха, вниз вдоль левой и правой боковых частей стенки, представляющей собой стенку кожуха, к нижней части стенки, представляющей собой стенку кожуха.

Предпочтительно, способ дополнительно включает - при достижении двигателем указанного одного из состояния проворачивания и выключенного состояния - поддержание клапанной системы в открытом положении для обеспечения возможности прохода воздуха через систему трубопроводов системы рециркуляции воздуха оболочки и продолжение работы воздуходувки для:

отвода воздуха из внутреннего объема указанной части кожуха двигателя через указанный, по меньшей мере, один выпускной элемент;

перемещения отведенного воздуха к указанному, по меньшей мере, одному впускному элементу; и

вдувания воздуха в указанную часть кожуха двигателя через указанный, по меньшей мере, один впускной элемент для обеспечения циркуляции воздуха в указанной части кожуха двигателя.

Предпочтительно, первый режим работы двигателя представляет собой работу при полной нагрузке.

Предпочтительно, операцию перехода к работе при неполной нагрузке выполняют для перевода двигателя в состояние проворачивания, и дополнительно включающий блокировку работы воздуходувки при переходе двигателя в выключенное состояние после завершения состояния проворачивания.

Предпочтительно, впускные элементы выполнены с такой конфигурацией, что они обеспечивают вдувание воздуха по меньшей мере частично в направлениях друг к другу и к верхней мертвой точке стенки кожуха, которая расположена в направлении вдоль окружности между впускными элементами.

Предпочтительно, впускные элементы выполнены с такой конфигурацией, что воздух, вдуваемый посредством них, имеет составляющую вектора скорости, направленную в аксиальном направлении.

Предпочтительно, впускные элементы выполнены с такой конфигурацией, что воздух, вдуваемый посредством них, вдувается в аксиальном направлении к компрессорной секции и от турбинной секции.

Предпочтительно, способ дополнительно включает во время первого режима работы двигателя вдувание пара высокого давления во внутренний объем указанной части кожуха двигателя через, по меньшей мере, один из указанного, по меньшей мере, одного выпускного элемента и указанного, по меньшей мере, одного впускного элемента.

Предпочтительно, способ дополнительно включает во время первого режима работы двигателя вдувание пара высокого давления во внутренний объем указанной части кожуха двигателя через каждый из выпускных и впускных элементов.

Согласно второму объекту настоящего изобретения создан способ эксплуатации газотурбинного двигателя, имеющего продольную ось, определяющую аксиальное направление двигателя, при этом способ включает:

во время работы двигателя при полной нагрузке:

сжатие воздуха в компрессорной секции;

смешивание, по меньшей мере, части сжатого воздуха с топливом и сжигание смеси в секции сжигания для образования горячих газообразных продуктов сгорания;

расширение горячих газообразных продуктов сгорания в турбинной секции для выделения энергии из газообразных продуктов сгорания, при этом, по меньшей мере, часть выделенной энергии используется для обеспечения вращения ротора турбины; и

поддержание клапанной системы в закрытом положении для того, чтобы по существу предотвратить проход воздуха через систему трубопроводов системы рециркуляции воздуха оболочки, при этом система рециркуляции воздуха оболочки связана с частью кожуха двигателя, расположенной вокруг секции сжигания, и содержит:

по меньшей мере, один выпускной элемент, образованный в указанной части кожуха двигателя;

по меньшей мере, один впускной элемент, образованный в указанной части кожуха двигателя;

систему трубопроводов, которая обеспечивает сообщение по текучей среде между указанным, по меньшей мере, одним выпускным элементом и указанным, по меньшей мере, одним впускным элементом;

воздуходувку, предназначенную для отвода воздуха из внутреннего объема указанной части кожуха через указанный, по меньшей мере, один выпускной элемент и для перемещения отведенного воздуха к указанному, по меньшей мере, одному впускному элементу; и

клапанную систему, которая избирательно обеспечивает возможность прохода воздуха и предотвращает проход воздуха через систему трубопроводов;

при инициировании операции перехода к работе при неполной нагрузке, которую выполняют для перевода двигателя в состояние проворачивания:

уменьшение количеств воздуха и топлива, сжигаемых в секции сжигания, для уменьшения количества горячих газообразных продуктов сгорания, образуемых в секции сжигания;

расширение уменьшенного количества горячих газообразных продуктов сгорания в турбинной секции для выделения энергии из уменьшенного количества газообразных продуктов сгорания, при этом, по меньшей мере, часть выделенной энергии используется для обеспечения вращения ротора турбины;

открытие клапанной системы для обеспечения возможности прохода воздуха через систему трубопроводов системы рециркуляции воздуха оболочки; и

приведение в действие воздуходувки для:

отвода воздуха из внутреннего объема указанной части кожуха через указанный, по меньшей мере, один выпускной элемент;

перемещения отведенного воздуха к указанному, по меньшей мере, одному впускному элементу; и

вдувания воздуха во внутренний объем указанной части кожуха двигателя через указанный, по меньшей мере, один впускной элемент для обеспечения циркуляции воздуха в указанной части кожуха двигателя; и

при переводе двигателя в состояние проворачивания посредством операции перехода к работе при неполной нагрузке:

прекращение подачи топлива в секцию сжигания для прекращения образования горячих газообразных продуктов сгорания в секции сжигания;

использование внешнего источника питания для обеспечения вращения ротора турбины;

поддержание клапанной системы в открытом положении для обеспечения возможности прохода воздуха через систему трубопроводов системы рециркуляции воздуха оболочки; и

продолжение приведения в действие воздуходувки для:

отвода воздуха из внутреннего объема указанной части кожуха через указанный, по меньшей мере, один выпускной элемент;

перемещения отведенного воздуха к указанному, по меньшей мере, одному выпускному элементу; и

вдувания воздуха во внутренний объем указанной части кожуха двигателя через указанный, по меньшей мере, один впускной элемент для обеспечения циркуляции воздуха в указанной части кожуха двигателя.

Предпочтительно, способ дополнительно включает блокировку работы воздуходувки при переходе двигателя в выключенное состояние после завершения состояния проворачивания.

Предпочтительно, указанный, по меньшей мере, один впускной элемент выполнен с такой конфигурацией, что воздух, вдуваемый посредством него, проходит от верхней части стенки, представляющей собой стенку кожуха, вниз вдоль левой и правой боковых частей стенки, представляющей собой стенку кожуха, к нижней части стенки, представляющей собой стенку кожуха.

Предпочтительно, указанный, по меньшей мере, один впускной элемент выполнен с такой конфигурацией, что воздух, вдуваемый посредством него, вдувается в аксиальном направлении к компрессорной секции и от турбинной секции.

Предпочтительно, способ дополнительно включает во время работы двигателя при полной нагрузке вдувание пара высокого давления во внутренний объем указанной части кожуха через, по меньшей мере, один из выпускных и впускных элементов.

Несмотря на то, что описание завершается формулой изобретения, конкретно указывающей на настоящее изобретение и четко описывающей настоящее изобретение, полагают, что настоящее изобретение будет лучше понято из нижеприведенного описания в сочетании с сопровождающими фигурами чертежей, на которых аналогичные ссылочные позиции обозначают аналогичные элементы и в которых:

фиг. 1 - выполненный с частичным разрезом вид сбоку газотурбинного двигателя, включающего в себя систему рециркуляции воздуха оболочки камер сгорания в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;

фиг. 2 - схематическая иллюстрация системы рециркуляции воздуха оболочки камер сгорания, показанной на фиг.1; и

фиг. 3 - сечение части системы рециркуляции воздуха оболочки камер сгорания в соответствии с другим аспектом изобретения.

В нижеприведенном подробном описании предпочтительных вариантов осуществления сделана ссылка на сопровождающие чертежи, которые образуют часть описания и в которых в качестве иллюстрации, а не в качестве ограничения, показаны определенные предпочтительные варианты осуществления, в которых изобретение может быть реализовано на практике. Следует понимать, что могут быть использованы другие варианты осуществления и что могут быть выполнены изменения без отхода от сущности и объема настоящего изобретения.

На фиг. 1 показан газотурбинный двигатель 10, выполненный с конструкцией в соответствии с настоящим изобретением. Двигатель 10 включает в себя компрессорную секцию 12, секцию 14 сжигания, включающую в себя множество камер 16 сгорания, также называемых в документе «устройствами для сжигания», и турбинную секцию 18. Следует отметить, что на фиг. 1 для ясности проиллюстрирована только одна камера 16 сгорания, но двигатель 10 в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно содержит упорядоченный ряд расположенных по кольцу камер 16 сгорания, которые расположены вокруг продольной оси LA двигателя 10, которая определяет аксиальное направление в двигателе 10. Подобную конфигурацию обычно называют «системой трубчатых, расположенных по кольцу камер сгорания».

Компрессорная секция 12 обеспечивает всасывание и повышение давления входящего воздуха, по меньшей мере, часть которого направляется в оболочку 20 камер сгорания для подачи в камеры 16 сгорания. Воздух, находящийся в оболочке 20 камер сгорания, в дальнейшем назван «воздухом оболочки». Другие части воздуха по давлением могут быть отведены из секции 12 сжигания для охлаждения различных компонентов в двигателе 10.

При входе в камеры 16 сгорания сжатый воздух из компрессорной секции 12 смешивается с топливом и воспламеняется для образования имеющих высокую температуру газообразных продуктов сгорания, проходящих турбулентно и с высокой скоростью внутри соответствующей камеры 16 сгорания. Газообразные продукты сгорания в каждой камере 16 сгорания затем проходят по соответствующему переходному каналу 22 к турбинной секции 18, в которой газообразные продукты сгорания расширяются для выделения энергии из них. Энергия, выделенная из газообразных продуктов сгорания, используется для обеспечения вращения ротора 24 турбины, который простирается параллельно вращающемуся валу 26, который проходит в аксиальном направлении через двигатель 10.

Как показано на фиг. 1, кожух 30 двигателя предусмотрен для ограждения соответствующих секций 12, 14, 18 двигателя. Часть 30А кожуха 30, расположенная вокруг секции 14 сжигания, содержит стенку 32 кожуха, которая определяет границы оболочки 20 камер сгорания, то есть оболочка 20 камер сгорания образует внутренний объем внутри части 30А кожуха. Как показано на фиг. 2, стенка 32 кожуха включает в себя верхнюю часть 32А стенки, левую и правую боковые части 32В, 32С стенки и нижнюю часть 32D стенки. Верхняя часть 32А стенки образует верхнюю мертвую точку 34 стенки 32 кожуха, которая представляет собой самую верхнюю зону части 30А кожуха, и нижняя часть 32D стенки образует нижнюю мертвую точку 36 стенки 32 кожуха, которая представляет собой самую нижнюю зону части 30А кожуха.

Далее будет описана система 40 рециркуляции воздуха оболочки в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения. Как показано на фиг. 2, система 40 рециркуляции воздуха оболочки в показанном варианте осуществления содержит первый и второй выпускные элементы 42А, 42В, расположенные у нижней части 32D стенки, представляющей собой стенку 32 кожуха. Несмотря на то, что система 40 рециркуляции воздуха оболочки в соответствии с вариантом осуществления содержит первый и второй выпускные элементы 42А, 42В, может быть предусмотрено любое подходящее количество выпускных элементов, включая один выпускной элемент.

Как показано на фиг. 2, выпускные элементы 42А, 42В расположены на определенном расстоянии друг от друга по окружности и расположены по существу в одном и том же месте в аксиальном направлении, при этом нижняя мертвая точка 36 стенки 32 кожуха расположена между выпускными элементами 42А, 42В. В соответствии с одним аспектом изобретения, по меньшей мере, один из выпускных элементов 42А, 42В может также функционировать в качестве трубы для добавления пара, предназначенной для направления пара высокого давления в оболочку 20 камер сгорания для обеспечения увеличения выходной мощности двигателя 10, а именно посредством обеспечения более высоких скоростей прохода газообразных продуктов сгорания через турбинную секцию 18.

Система 40 рециркуляции воздуха оболочки дополнительно содержит систему 44 трубопроводов, которая предусмотрена для перемещения воздуха оболочки, который отводится из оболочки 20 камер сгорания через выпускные элементы 42А, 42В, к первому и второму впускным элементам 46А, 46В, которые расположены у верхней части 32А стенки, представляющей собой стенку 32 кожуха. Несмотря на то, что система 40 рециркуляции воздуха оболочки в соответствии с вариантом осуществления содержит первый и второй впускные элементы 46А, 46В, может быть предусмотрено любое подходящее количество впускных элементов, включая один впускной элемент.

Как показано на фиг. 2, впускные элементы 46А, 46В расположены на определенном расстоянии друг от друга по окружности и расположены по существу в одном и том же месте в аксиальном направлении, при этом первый впускной элемент 46А расположен рядом с левой боковой частью 32В стенки, представляющей собой стенку 32 кожуха, и второй впускной элемент 46В расположен рядом с правой боковой частью 32С стенки, представляющей собой стенку 32 кожуха. В соответствии с одним аспектом изобретения, по меньшей мере, один из впускных элементов 46А, 46В может также функционировать в качестве трубы для добавления пара, предназначенной для направления пара высокого давления в оболочку 20 камер сгорания.

Система 40 рециркуляции воздуха оболочки дополнительно содержит еще клапанную систему 48, содержащую первый и второй клапаны 48А, 48В в показанном варианте осуществления, и воздуходувку 50. Управляющее устройство 52 осуществляет управление клапанной системой 48 и воздуходувкой 50 для избирательного обеспечения возможности или предотвращения прохода воздуха оболочки через систему 44 трубопроводов из выпускных элементов 42А, 42В к впускным элементам 46А, 46В, как будет подробно описано ниже. Воздуходувка 50 предусмотрена для отвода воздуха оболочки из оболочки 20 камер сгорания через выпускные элементы 42А, 42В и для перемещения отведенного воздуха оболочки к впускным элементам 46А, 46В, когда клапанная система 48 открыта.

Далее будет описан способ использования системы 40 рециркуляции воздуха оболочки. Во время нормальной работы двигателя 10, также известной как работа при полной нагрузке или базисный режим работы и также называемой в документе первым режимом работы двигателя, первый и второй клапаны 48А, 48В закрыты, и воздуходувка 50 выключена или не функционирует по другой причине. Следовательно, клапанная система 48 по существу предотвращает прохождение воздуха оболочки через систему 44 трубопроводов. По меньшей мере, часть воздуха оболочки подается в камеры 16 сгорания для сжигания части воздуха вместе с топливом, как рассмотрено выше. Дополнительные части воздуха оболочки могут быть использованы для охлаждения различных компонентов в двигателе 10, как будет очевидно для специалистов в области техники.

При инициировании операции перехода к работе при неполной нагрузке, которая выполняется для обеспечения перевода двигателя 10 в выключенное состояние или состояние проворачивания, постепенно прекращается подача топлива и воздуха оболочки в камеры 16 сгорания, так что образование имеющих высокую температуру газообразных продуктов сгорания в камерах 16 сгорания постепенно уменьшается до нуля при переводе двигателя 10 к выключенному состоянию или состоянию проворачивания. Когда газообразные продукты сгорания больше не образуются в камерах 16 сгорания, невозможно будет осуществить вращение ротора 24 турбины за счет газообразных продуктов сгорания. В такой ситуации медленное вращение ротора 24 турбины может быть осуществлено за счет подвода энергии от внешнего источника (не показано), например, за счет пускового двигателя, в рабочем состоянии, называемом в документе состоянием проворачивания. В альтернативном варианте вращение ротора 24 турбины может быть полностью остановлено в рабочем состоянии, называемом в документе выключенным состоянием. В типовом двигателе 10 подобная операция перехода к работе при неполной нагрузке может занимать, по меньшей мере, приблизительно 10-15 минут для полного перевода двигателя 10 в состояние проворачивания, при этом в течение времени сжигание при постепенно снижающемся уровне продолжается в камерах 16 сгорания для образования имеющих высокую температуру, газообразных продуктов сгорания, которые перемещаются в турбинную секцию 18 для обеспечения вращения ротора 24 турбины. Подразумевается, что второй режим работы двигателя в используемом в документе смысле охватывает операцию перехода к работе при неполной нагрузке, состояние проворачивания или выключенное состояние двигателя 10.

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения при инициировании операции перехода к работе при неполной нагрузке для перевода двигателя 10 или в состояние проворачивания, или в выключенное состояние управляющее устройство 52 обеспечивает открытие первого и второго клапанов 48А, 48В так, что клапанная система 48 обеспечивает возможность прохода воздуха через систему 44 трубопроводов. Управляющее устройство 52 обеспечивает включение воздуходувки 50 во время второго режима работы для отвода воздуха оболочки от нижней части 32D стенки, представляющей собой стенку 32 кожуха, через выпускные элементы 42А, 42В. Воздуходувка 50 обеспечивает перемещение, то есть нагнетание отводимого воздуха оболочки через систему 44 трубопроводов так, что отведенный воздух оболочки вдувается к верхней части 32А стенки, представляющей собой стенку 32 кожуха, через впускные элементы 46А, 46В.

В соответствии с другим аспектом изобретения операция перехода к работе при неполной нагрузке может быть выполнена для обеспечения перехода двигателя 10 от работы при полной нагрузке в состояние проворачивания, которое может выполняться в течение заданного времени или до тех пор, пока один или несколько выбранных компонентов двигателя не достигнут заданной температуры, при этом в этот момент двигатель 10 может быть переведен в выключенное состояние. При конфигурации при состоянии проворачивания клапаны 48А, 48В удерживаются в открытых положениях, и работа воздуходувки 50 продолжается для отвода воздуха оболочки от нижней части 32D стенки, представляющей собой стенку 32 кожуха, через выпускные элементы 42А, 42В, для перемещения отведенного воздуха оболочки через систему 44 трубопроводов и для вдувания отведенного воздуха оболочки к верхней части 32А стенки, представляющей собой стенку 32 кожуха, через впускные элементы 46А, 46В. Однако при переходе двигателя 10 в выключенное состояние, то есть после завершения выполнения проворачивания, воздуходувка 50 может быть выключена или заблокирована иным образом для прекращения нагнетания воздуха оболочки через систему 44 трубопроводов. При выключенном состоянии клапаны 48А, 48В могут оставаться открытыми, или управляющее устройство 52 может обеспечить их закрытие, но они будут закрыты управляющим устройством 52 при инициировании процедуры запуска двигателя.

Как показано на фиг. 2, воздух, вдуваемый посредством впускных элементов 46А, 46В в оболочку 20 камер сгорания, проходит от верхней части 32А стенки, представляющей собой стенку 32 кожуха, вниз вдоль соответствующих левой и правой боковых частей 32В, 32С стенки к нижней части 32D стенки. Таким образом, система 40 рециркуляции воздуха оболочки функционирует для обеспечения циркуляции воздуха оболочки в оболочке 20 камер сгорания во время работы при нагрузке меньшей, чем полная нагрузка, для создания более равномерного распределения температур воздуха оболочки в оболочке 20 камер сгорания. В противном случае более горячий воздух оболочки будет стремиться к перемещению к верхней части 32А стенки, что приводит к более высоким температурам у верхней части 32А стенки, чем у нижней части 32D стенки. Кроме того, воздух оболочки у нижней части 32D стенки, который отводится через выпускные элементы 42А, 42В посредством воздуходувки 50 и вдувается через впускные элементы 46А, 46В, как правило, является более холодным, чем воздух оболочки у верхней части 32А стенки, что приводит к еще более равномерному распределению температур воздуха оболочки в пределах оболочки 20 камер сгорания.

Полагают, что более равномерное распределение температур воздуха оболочки в пределах оболочки 20 камер сгорания, обеспечиваемое посредством системы 40 рециркуляции воздуха оболочки, уменьшает остроту проблем или предотвращает проблемы, которые могли бы возникнуть в результате того, что компоненты, находящиеся в пределах и вокруг оболочки 20 камер сгорания, подвергаются тепловому расширению с разными скоростями, такие как деформация кожуха 30 двигателя и/или трение вершин TT турбинных лопаток в турбинной секции 18 о кожух 30, в результате чего увеличивается продолжительность эксплуатации компонентов и сохраняется жестко ограниченный радиальный зазор между вершинами турбинных лопаток и стенкой кожуха во время работы при полной нагрузке для повышения КПД турбины. Следует отметить, что, поскольку система 40 рециркуляции воздуха оболочки в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает вдувание только воздуха оболочки в оболочку 20 камер сгорания и при этом воздух оболочки отводится от нижней части 32D стенки через выпускные элементы 42А, 42В посредством воздуходувки 50, уменьшаются стоимость и сложность системы 40 рециркуляции воздуха оболочки, например, по сравнению с системой, в которой используется такой конструктивный элемент, как эжектор, для вдувания воздуха высокого давления в оболочку 20 камер сгорания.

Как отмечено выше, один или несколько из выпускных и впускных элементов 42А, 42В, 46А, 46В могут также функционировать в качестве труб для добавления пара для направления пара высокого давления в оболочку 20 камер сгорания для обеспечения повышения выходной мощности двигателя 10. Подобный ввод пара, как правило, выполняется только во время работы при полной нагрузке. Если какие-либо из выпускных и впускных элементов 42А, 42В, 46А, 46В также функционируют в качестве труб для добавления пара, элементы 42А, 42В, 46А, 46В предпочтительно проходят прямолинейно в стенку 32 кожуха и заканчиваются на коротком расстоянии от нее в оболочке 20 камер сгорания, как показано на фиг. 1 и 2. Использование выпускных и впускных элементов 42А, 42В, 46А, 46В в качестве труб для добавления пара может быть особенно предпочтительным, если система 40 рециркуляции воздуха оболочки реализуется в существующем двигателе 10, то есть в модифицированной конструкции, поскольку не потребуются дополнительные трубы, которые проходят через стенку 32 кожуха, в результате чего уменьшается сложность монтажа системы 40 рециркуляции воздуха оболочки в существующем двигателе 10.

Если выпускные и впускные элементы 42А, 42В, 46А, 46В не должны функционировать в качестве труб для добавления пара, один или несколько из элементов 42А, 42В, 46А, 46В могут иметь концы с особой конфигурацией для изменения отвода воздуха оболочки из оболочки 20 камер сгорания и/или вдувания воздуха оболочки в оболочку 20 камер сгорания. Например, на фиг. 3 показана система 140 рециркуляции воздуха оболочки, выполненная с конструкцией в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, в которой конструктивные элементы, аналогичные конструктивным элементам, описанным выше со ссылкой на фиг. 1 и 2, имеют те же самые ссылочные номера, увеличенные на 100. Кроме того, только конструктивные элементы, которые отличаются от варианта осуществления, рассмотренного выше со ссылкой на фиг. 1 и 2, будут рассмотрены в документе для фиг. 3. В качестве исходного пункта вид системы 140 рециркуляции воздуха оболочки, показанной на фиг. 3, выполнен вдоль линии 3-3, проиллюстрированной на фиг. 1, и выбранные компоненты двигателя 110 и системы 140 рециркуляции воздуха оболочки были удалены из фиг. 3 для ясности.

В варианте осуществления выпускные элементы 142А, 142В имеют концы 142A1, 142B1 конической формы для увеличения количества воздуха оболочки, который может быть отведен посредством них.

Кроме того, впускные элементы 146А, 146В в соответствии с вариантом осуществления имеют концы 146A1, 146B1, которые имеют наклон в направлении вдоль окружности по направлению друг к другу и также имеют наклон в аксиальном направлении по направлению к компрессорной секции (не показано в варианте осуществления) и от турбинной секции (не показано в варианте осуществления). Таким образом, впускные элементы 146А, 146В в соответствии с вариантом осуществления выполнены с такой конфигурацией, что они обеспечивают вдувание воздуха оболочки, по меньшей мере, частично в направлении вдоль окружности по направлению друг к другу и к верхней мертвой точке 134 стенки 132 кожуха, которая расположена в направлении вдоль окружности между первым и вторым впускными элементами 146А, 146В, как показано на фиг. 3, то есть воздух оболочки, вдуваемый посредством впускных элементов 146А, 146В, имеет окружную составляющую вектора скорости.

После прохода к верхней мертвой точке 134 стенки 132 кожуха воздух, вдуваемый посредством впускных элементов 146А, 146В, проходит от верхней части 132А стенки, представляющей собой стенку 132 кожуха, вниз вдоль соответствующих левой и правой боковых частей 132В, 132С стенки к нижней части 132D стенки. Поскольку воздух, вдуваемый посредством впускных элементов 146А, 146В, в соответствии с вариантом осуществления проходит к верхней мертвой точке 134 стенки 132 кожуха, полагают, что гарантируется то, что воздух оболочки, находящийся у верхней мертвой точки 134 стенки 132 кожуха, который может представлять собой самый горячий воздух оболочки в пределах оболочки 120 камер сгорания, будет подвергаться циркуляции вместе с остальным воздухом оболочки. Кроме того, поскольку воздух оболочки, вдуваемый посредством впускных элементов 146А, 146В, в соответствии с вариантом осуществления также проходит в аксиальном направлении к компрессорной секции двигателя 110, то есть воздух оболочки, вдуваемый посредством впускных элементов 146А, 146В, имеет аксиальную составляющую вектора скорости, полагают, что гарантируется то, что большее количество воздуха оболочки в оболочке 120 камер сгорания будет подвергаться циркуляции.

Следует отметить, что выпускные и впускные элементы, описанные в документе, могут быть расположены в других местах в аксиальном направлении в части кожуха, отличающихся от мест, показанных на фиг. 1-3. Кроме того, несколько рядов выпускных и впускных элементов могут быть использованы для дополнительного улучшения циркуляции воздуха оболочки в оболочке камер сгорания.

Также следует отметить, что в случае использования только одного впускного элемента, то есть в отличие от использования первого и второго впускных элементов в вариантах осуществления, рассмотренных выше, единственный впускной элемент может быть выполнен с конфигурацией, обеспечивающей возможность вдувания воздуха вниз вдоль обеих, то есть левой и правой, боковых частей стенки, представляющей собой стенку кожуха. К примерам подобного впускного элемента относится впускной элемент с двумя концами, в котором первый конец направлен к левой боковой части стенки и правый конец направлен к правой боковой части стенки, или впускной элемент может иметь створки или ребра, которые предусмотрены для вдувания воздуха в заданных направлениях. Кроме того, подобный единственный впускной элемент может быть расположен у верхней мертвой точки стенки кожуха для обеспечения более эффективной циркуляции воздуха в оболочке камер сгорания. Кроме того, подобный единственный впускной элемент также может быть выполнен с такой конфигурацией, что воздух оболочки, вдуваемый посредством него, будет иметь аксиальную составляющую вектора скорости.

Несмотря на то, что определенные варианты осуществления настоящего изобретения были проиллюстрированы и описаны, специалистам в области техники будет очевидно, что различные другие изменения и модификации могут быть выполнены без отхода от сущности и объема изобретения. Следовательно, предусмотрено, что приложенная формула изобретения охватывает все подобные изменения и модификации, которые находятся в пределах объема изобретения.

1. Способ эксплуатации газотурбинного двигателя, имеющего продольную ось, определяющую аксиальное направление двигателя, при этом способ включает:

во время первого режима работы двигателя:

сжатие воздуха в компрессорной секции;

смешивание, по меньшей мере, части сжатого воздуха с топливом и сжигание смеси в секции сжигания для образования горячих газообразных продуктов сгорания;

расширение горячих газообразных продуктов сгорания в турбинной секции для выделения энергии из газообразных продуктов сгорания, при этом, по меньшей мере, часть выделенной энергии используется для обеспечения вращения ротора турбины; и

поддержание клапанной системы в закрытом положении для того, чтобы по существу предотвратить проход воздуха через систему трубопроводов системы рециркуляции воздуха оболочки, при этом система рециркуляции воздуха оболочки связана с частью кожуха двигателя, расположенной вокруг секции сжигания, и содержит:

по меньшей мере, один выпускной элемент, образованный в указанной части кожуха двигателя;

по меньшей мере, один впускной элемент, образованный в указанной части кожуха двигателя;

систему трубопроводов, которая обеспечивает сообщение по текучей среде между указанным, по меньшей мере, одним выпускным элементом и указанным, по меньшей мере, одним впускным элементом;

воздуходувку, предназначенную для отвода воздуха из внутреннего объема указанной части кожуха двигателя через указанный, по меньшей мере, один выпускной элемент и для перемещения отведенного воздуха к указанному, по меньшей мере, одному впускному элементу; и

клапанную систему, которая избирательно обеспечивает возможность прохода воздуха и предотвращает проход воздуха через систему трубопроводов; и

при инициировании операции перехода к работе при неполной нагрузке, которую выполняют для перевода двигателя в одно из состояния проворачивания и выключенного состояния:

уменьшение количеств воздуха и топлива, сжигаемых в секции сжигания, для уменьшения количества горячих газообразных продуктов сгорания, образуемых в секции сжигания;

расширение уменьшенного количества горячих газообразных продуктов сгорания в турбинной секции для выделения энергии из уменьшенного количества газообразных продуктов сгорания, при этом, по меньшей мере, часть выделенной энергии используется для обеспечения вращения ротора турбины;

открытие клапанной системы для обеспечения возможности прохода воздуха через систему трубопроводов системы рециркуляции воздуха оболочки; и

приведение в действие воздуходувки для:

отвода воздуха из внутреннего объема указанной части кожуха двигателя через указанный, по меньшей мере, один выпускной элемент;

перемещения отведенного воздуха к указанному, по меньшей мере, одному впускному элементу; и

вдувания воздуха во внутренний объем указанной части кожуха двигателя через указанный, по меньшей мере, один впускной элемент для обеспечения циркуляции воздуха в указанной части кожуха двигателя,

причем указанная часть кожуха двигателя содержит стенку кожуха, которая имеет верхнюю часть стенки, образующую верхнюю мертвую точку, левую и правую боковые части стенки и нижнюю часть стенки, образующую нижнюю мертвую точку, при этом указанный, по меньшей мере, один выпускной элемент образован в нижней части стенки и указанный, по меньшей мере, один впускной элемент образован в верхней части стенки;

причем указанный, по меньшей мере, один впускной элемент содержит две разнесенные в направлении вдоль окружности впускные части, расположенные по существу в одном и том же месте в аксиальном направлении;

при этом впускные элементы выполнены с такой конфигурацией, что воздух, вдуваемый посредством них, имеет составляющую вектора скорости, направленную в направлении вдоль окружности;

причем впускные элементы выполнены с такой конфигурацией, что воздух, вдуваемый посредством них, проходит от верхней части стенки, представляющей собой стенку кожуха, вниз вдоль левой и правой боковых частей стенки, представляющей собой стенку кожуха, к нижней части стенки, представляющей собой стенку кожуха.

2. Способ по п. 1, дополнительно включающий - при достижении двигателем указанного одного из состояния проворачивания и выключенного состояния - поддержание клапанной системы в открытом положении для обеспечения возможности прохода воздуха через систему трубопроводов системы рециркуляции воздуха оболочки и продолжение работы воздуходувки для:

отвода воздуха из внутреннего объема указанной части кожуха двигателя через указанный, по меньшей мере, один выпускной элемент;

перемещения отведенного воздуха к указанному, по меньшей мере, одному впускному элементу; и

вдувания воздуха в указанную часть кожуха двигателя через указанный, по меньшей мере, один впускной элемент для обеспечения циркуляции воздуха в указанной части кожуха двигателя.

3. Способ по п. 2, при котором первый режим работы двигателя представляет собой работу при полной нагрузке.

4. Способ по п. 3, при котором операцию перехода к работе при неполной нагрузке выполняют для перевода двигателя в состояние проворачивания, и дополнительно включающий блокировку работы воздуходувки при переходе двигателя в выключенное состояние после завершения состояния проворачивания.

5. Способ по п. 1, при котором впускные элементы выполнены с такой конфигурацией, что они обеспечивают вдувание воздуха по меньшей мере частично в направлениях друг к другу и к верхней мертвой точке стенки кожуха, которая расположена в направлении вдоль окружности между впускными элементами.

6. Способ по п. 1, при котором впускные элементы выполнены с такой конфигурацией, что воздух, вдуваемый посредством них, имеет составляющую вектора скорости, направленную в аксиальном направлении.

7. Способ по п. 6, при котором впускные элементы выполнены с такой конфигурацией, что воздух, вдуваемый посредством них, вдувается в аксиальном направлении к компрессорной секции и от турбинной секции.

8. Способ по п. 1, дополнительно включающий во время первого режима работы двигателя вдувание пара высокого давления во внутренний объем указанной части кожуха двигателя через, по меньшей мере, один из указанного, по меньшей мере, одного выпускного элемента и указанного, по меньшей мере, одного впускного элемента.

9. Способ по п. 1, дополнительно включающий во время первого режима работы двигателя вдувание пара высокого давления во внутренний объем указанной части кожуха двигателя через каждый из выпускных и впускных элементов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к турбостроению и может быть использовано в отраслях техники, где применяются газовые турбины, в частности в турбонасосных агрегатах жидкостных ракетных двигателей.

Предложена паровая турбина (100), которая может содержать турбинную секцию (101), содержащую ротор (102). Вокруг турбины (100) расположен внутренний корпус (122), имеющий верхний по потоку конец (130), нижний по потоку конец (132) и выпускное отверстие (134), расположенное у нижнего по потоку конца (132) и обеспечивающее возможность выпуска отработанного пара из внутреннего корпуса (122).

Турбоустановка содержит центральную секцию, детандер, компрессор, блок и электрический разъем. Центральная секция имеет внешний кожух с первым и вторым концами, причем детандер присоединен к ее первому концу, а компрессор - ко второму.

Турбина, в частности газовая турбина, содержит внутренний корпус, предназначенный для установки по меньшей мере одной статорной лопатки турбинной ступени, и наружный корпус, расположенный вокруг внутреннего корпуса таким образом, что образуется наружный охлаждающий канал между внутренним корпусом и наружным корпусом.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано при разработке или модернизации паровых турбин. Цилиндр паровой турбины с регулирующим отсеком, состоящим из наружного и внутреннего корпусов, патрубков паровпуска, кольцевой пароподводящей камеры подачи пара в проточную часть с однонаправленным движением парового потока, состоящую из нерегулируемых ступеней давления, обойм, устанавливаемых в наружном корпусе цилиндра.

Устройство для соединения корпусов двухконтурного газотурбинного двигателя содержит тяги, концы которых шарнирно прикреплены к корпусам, размещенные под углом к продольной оси двигателя.

Газовый канал для газовой турбины образован концентрическими внутренним и охватывающим его на расстоянии наружным корпусами. Внутренний корпус и наружный корпус взаимосвязаны посредством множества радиальных поддерживающих стоек.

Изобретение относится к области турбомашиностроения, а именно к конструкции компенсаторов относительных перемещений внутреннего и внешнего корпусов турбомашин.

При монтаже внутренних вставок корпуса турбины газоперекачивающего агрегата в корпус турбины через горизонтальный разъем и камеру сгорания устанавливают верхнюю и нижнюю внутренние вставки.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в выхлопном тракте газоперекачивающего агрегата или газотурбинной электростанции. Диффузор выхлопного тракта газотурбинной установки содержит обечайку с фланцами, кожух, охватывающий обечайку и звукоизоляцию, размещенную между обечайкой и кожухом.

Система инжекционного охлаждения для использования с фасонной поверхностью содержит камеру инжекционного охлаждения, пластину инжекционного охлаждения, обращенную к фасонной поверхности и имеющую прямолинейную форму, причем пластина инжекционного охлаждения имеет несколько спроецированных областей.

Изобретение относится к паровым и газовым турбинам. Турбина с нагревом проточной части, по меньшей мере, включает в себя корпус с каналом для газа или жидкости нагрева проточной части, ротор, рабочие лопатки; входной патрубок для газа или жидкости нагрева проточной части, выходной патрубок для газа или жидкости нагрева проточной части; входной патрубок рабочего тела, выходной патрубок рабочего тела, подшипниковый узел, концевое уплотнение.

Турбина содержит наружный кожух, внутренний кожух и трубу впуска пара, содержащуюся между наружным кожухом и внутренним кожухом, чтобы передавать пар к внутреннему кожуху.

Изобретение относится к охлаждению двигателя внутреннего сгорания. Многоотражательный многослойный комплекс выполнен для контактирования с поверхностью подлежащей охлаждению стенки плоско и с обеспечением теплопроводности и имеет множество перфорированных экранных слоев с множеством выполненных в качестве перфорированных экранов, расположенных с распределением по поверхности перфорированных экранных слоев сквозных отверстий и множество слоев перемычек, которые расположены попеременно друг над другом с перфорированными экранными слоями и имеют каждый множество перемычек, которые расположены с распределением по поверхности перфорированных экранных слоев и перемыкают их, при этом каждая перемычка одного слоя перемычек расположена на одной линии с одной из перемычек других слоев перемычек, и каждое сквозное отверстие одного перфорированного экранного слоя расположено со смещением относительно сквозных отверстий соседних перфорированных экранных слоев так, что когда многоотражательный многослойный комплекс на одной своей плоской стороне нагружается охлаждающей текучей средой, то охлаждающая текучая среда проходит через сквозные отверстия и затопляет расположенные между перемычками и перфорированными экранными слоями промежуточные пространства, за счет чего обеспечивается возможность отвода переносимого из стенки в перемычки теплового потока с помощью охлаждающей текучей среды.

Изобретение относится к турбомашине, включающей в себя ротор, размещенный вокруг ротора внутренний корпус, а также размещенный вокруг внутреннего корпуса внешний корпус, причем вокруг области внутреннего корпуса размещена герметизирующая замкнутая оболочка.

Изобретение относится к области газотурбиностроения и может быть использовано для охлаждения роторов и рабочих колес с охлаждаемыми лопатки, преимущественно высокотемпературных газовых турбин.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в охладительных системах тепловых и атомных электростанций. .

Вентилятор авиационного двигателя содержит ротор, имеющий множество лопаток из композитного материала, включающего тканые волокна, и систему для обнаружения деформации в результате столкновения тела с вентилятором.

Изобретение относится к энергетике. Способ эксплуатации газотурбинного двигателя, при котором во время работы газотурбинного двигателя при полной нагрузке клапанную систему поддерживают в закрытом положении для того, чтобы по существу предотвратить проход воздуха через систему трубопроводов системы рециркуляции воздуха оболочки. При инициировании операции перехода к работе при неполной нагрузке, которую выполняют для перевода двигателя в состояние проворачивания или выключенное состояние, клапанную систему открывают для обеспечения возможности прохода воздуха через систему трубопроводов. Изобретение позволяет создать более равномерное распределение температуры воздуха в оболочке камеры сгорания. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

Наверх