CZ302320B6 - Plynová turbína - Google Patents

Abstract

Plynová turbína je opatrena kovovým vnejším vencem (12) a keramickým vnitrním vencem (10). Keramický vnitrní venec (10) je pripevnen k vnejšímu venci (12) s pomocí hácku (14, 16), nesených na vnejším venci (12). Hácky (14, 16) na vnejším venci (12) jsou potaženy povlakem tepelné bariéry. Soustava (18) cepu a pružiny je usporádána pro pridržování keramického vnitrního vence (10) proti prednímu hácku (14) vnejšího vence (12). Cep (26) proti otácení je usporádán pro uchycení zadního ohybu keramického vnitrního vence (10) proti zadnímu hácku (16) vnejšího vence (12). Plynová turbína je dále opatrena tlumicí soustavou (28) cepu a pružiny, usporádanou mezi tepelným štítem (22) na vnejším venci (12) a keramickým vnitrním vencem (10) pro zajištení tlumení vnitrního vence (10).

Description

Plynová turbína

Oblast techniky

Vynález se týká plynové turbíny, opatřené množinou vnitřních věnců a vnějších věnců, přičemž množina vnitřních věnců je vyrobena z keramického materiálu.

io Dosavadní stav techniky

Průmyslové plynové turbíny obvykle mají úsek prvního stupně turbíny, zkonstruovaný bez věnců pro vedení průtoku, připevněných k turbínovým profilům, přičemž statické turbínové věnce vykonávací významnou funkci při udržování horkých spalovacích plynů ve vhodné prstencovité oblasti, čímž je zabráněno tlaku v průtokové dráze, přičemž turbínový profil může řádně získávat energii. Věnec vykonává tuto funkci prostřednictvím přesné regulace vůle mezi vnitřní povrchovou plochou věnce a koncem turbínového profilu.

Běžný kovový turbínový věnec má teplotní omezení, které vyžaduje, aby provozní proudění vzduchu v plynové turbíně bylo chlazeno a udržováno pod kritickým teplotním limitem.

Zdroj tohoto chladicího vzduchu pochází z výtlaku kompresoru, který dosud nemá energii ze spalovací komory. Odebírání vzduchu pro chlazení kovového vnitřního věnce turbíny však snižuje účinnost plynové turbíny.

Kromě toho je nutno používat poměrně velký počet kovových vnitřních věnců, takže poměrně velký počet expanzních mezer mezi vnitřními věnci je schopen negovat účinky tepelné roztažnosti kovových vnitrních věnců.

Podstata vynálezu

V souladu s předmětem tohoto vynálezu byla proto vyvinuta plynová turbína, opatřená množinou vnitřních věnců a vnějších věnců, přičemž množina vnitřních věnců je vyrobena z keramického materiálu, přičemž každý z množiny vnějších věnců má přední háček a zadní háček pro připevnění určitého jednoho z množiny vnitřních věnců k jednomu z množiny vnějších věnců, přičemž předmětná plynová turbína obsahuje množinu soustav čepu a pružiny pro přidržování každého jednoho z množiny keramických vnitřních věnců proti přednímu háčku odpovídajícího jednoho z množiny vnějších věnců.

Keramickým materiálem je s výhodou kompozitní keramický materiál z kontinuálních vláken.

Množina vnějších věncuje s výhodou vyrobena z kovového materiálu, přičemž na rozhraních keramického a kovového materiálu je nanesen povlak tepelné bariéry.

Povrchové plochy předních háčků a zadních háčků jsou s výhodou potaženy povlakem tepelné bariéry.

Plynová turbína podle tohoto vynálezu dále s výhodou obsahuje množinu čepů proti otáčení pro připevnění každého jednoho z množiny keramických vnitřních věnců proti zadnímu háčku odpovídajícího jednoho z množiny vnějších věnců.

-1 CZ 302320 B6

Plynová turbína podle tohoto vynálezu dále rovněž s výhodou obsahuje tepelný Štít, uspořádaný v rámci každého jednoho z množiny vnějších věnců, a množinu tlumicích soustav čepu a pružiny, přičemž každá jedna z množiny tlumicích soustav Čepu a pružiny je uspořádána mezi vnitřní povrchovou plochou jednoho z množiny vnitřních věnců a tepelným štítem.

V souladu s dalším aspektem předmětu tohoto vynálezu byla rovněž vyvinuta plynová turbína, obsahující:

kovový vnější věnec, opatřený předním háčkem a zadním háčkem, keramický vnitřní věnec, i o přičemž plynová turbína obsahuje soustavu čepu a pružiny pro přidržování keramického vnitřního věnce proti přednímu háčku kovového vnějšího věnce, čep proti otáčení pro zajištění keramického vnitřního věnce proti zadnímu háčku kovového vnějšího věnce,a tlumicí soustavu čepu a pružiny, upevněnou mezi tepelným štítem, uspořádaným v kovovém vnějším věnci, a vnitřní povrchovou plochou keramického vnitřního věnce.

Keramický vnitřní věnec je s výhodou vytvořen z kompozitního keramického materiálu z kontinuálních vláken.

Na rozhraních keramického a kovového materiálu je s výhodou nanesen povlak tepelné bariéry.

Náhrada kovových vnitřních věnců vysokoteplotními keramickými vnitrními věnci podstatně snižuje nebo dokonce odstraňuje nutnost používat chladicí proudění vzduchu. Odstranění potřeby chladicího vzduchu pro snižování teploty věnců umožňuje, aby větší množství vzduchu vstupovalo do spalovací komory a při přidání energie paliva může turbínový úsek tuto energii získávat.

V důsledku tohoto mimořádného množství spalovacího vzduchu může plynová turbína získávat více energie pro pohánění generátoru, takže je vytvářeno více elektrické energie na výstupu aje dosahováno vyšší účinnosti plynové turbíny pri jednoduchém i kombinovaném cyklu. Takže náhrada běžných kovových vnitřních věnců vysokoteplotními kompozitními keramickými věnci slouží pro odstranění nebo snížení nutnosti používat chladicího vzduchu.

Používání keramických věnců, které mají schopnost pracovat při vyšších teplotách, může rovněž umožnit používání menšího počtu vnitřních věnců, než je tomu u dosavadních běžných kovových konstrukcí. Úspory, dosahované prostřednictvím předmětu tohoto vynálezu, mohou zahrnovat menší počet součástí, méně únikových drah a vyšší spalovací teplotu.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude v dalším podrobněji objasněn na příkladech jeho konkrétního provedení, jejichž popis bude podán s přihlédnutím k přiloženým obrázkům výkresů, kde:

obr. 1 znázorňuje pohled v řezu na příkladné provedení předmětu podle tohoto vynálezu;

obr. 2 znázorňuje částečný pohled v řezu, přičemž řez je veden podél čáry 2-2 z obr. 1; a obr. 3 znázorňuje obvodově rozšířený pohled v řezu podle obr. 2.

Příklady provedení vynálezu

Na vyobrazení podle obr. 2 je znázorněn pohled v řezu na konstrukci vnitřního věnce z kompozitního keramického materiálu podél směru proudění vzduchu v plynové turbíně.

Vnitrní věnec 10 je vyroben z kompozitního keramického materiálu z kontinuálních vláken (CFCC), a to s využitím výrobních postupů, které jsou odborníku z dané oblasti techniky známy. Vnější věnec J2 je vyroben z kovového materiálu. Přední konec a zadní konec vnitřního věnce JO jsou vyhnuty ven z dráhy proudění, která vede zleva doprava podél vnitřního věnce JO z obr. 1, zatímco tvar povrchové plochy podél dráhy proudění je totožný s profilem věnce prvního stupně plynové turbíny třídy „F“ firmy General Electric Corporation.

Jak je znázorněno na vyobrazeních podle obr. 2 a podle obr. 3, je obvykle více vnitřních věnců sdruženo s jedním vnějším věncem 12. Vnitřní věnce JJ) se vzájemně překrývají za účelem utěsio není proti pronikání horkých spalovacích plynů.

Na vyobrazeních podle obr. 3 jsou například znázorněny tři keramické vnitřní věnce JO pro každý kovový vnější věnec J2. ϋ předmětu tohoto vynálezu však může být v praxi používán menší počet, než jsou tri keramické vnitřní věnce 10 na jeden kovový vnější věnec 12. Vnější věnce 12 mají mezi sebou relativně větší mezeru, než vnitřní věnce 10, a to za účelem umožnění většího rozpínání kovových vnějších věnců 12.

Vnitřní věnec 10 je připevněn prostřednictvím předního háčku 14 a zadního háčku 16, připevněných k vnějšímu věnci J2. Povrchové plochy předního háčku J4 a zadního háčku 16, které jsou vystaveny působení prostředí v dráze proudění, jsou opatřeny povlakem tepelné bariéry (TBC) pro zajištění tepelné izolace. Tenký povlak tepelné bariéry (TBC) je rovněž nanesen na vnějším věnci (12), přičemž působí jako rozhraní stykové oblasti mezi kovovými součástmi a součástmi z kompozitního keramického materiálu z kontinuálních vláken (CFCC). To je nezbytné proto, aby bylo zabráněno poruchám a erozi kompozitního keramického materiálu z kompozitních vlá25 ken (CFCC) při styku s kovovými ionty.

Soustava 18 čepu a pružiny přidržuje vnitřní věnec 10 proti přednímu háčku 14 vnějšího věnce 12. Soustava J_8 čepu a pružiny obsahuje kovový čep 20, procházející vnějším věncem 12 a tepelným štítem 22 směrem dolů k horní povrchové ploše předního ohybu vnitřního věnce 10.

Hlava kovového čepu 20 je rovněž potažena povlakem tepelné bariéry (TBC) za účelem zajištění oddělení kovových a keramických ploch.

Soustava 18 čepu a pružiny obsahuje těsnicí kroužek 24, jehož funkce je obdobná, jako je funkce pístních kroužků v motoru automobilu, a to zabraňovat tomu, aby horké spalovací plyny se dos35 tály k pružinovému uspořádání. Tepelný štít 22 je nezbytný pro ochranu vnějšího věnce 12 z nízkoteplotní slitiny před horkými spalovacími plyny.

Kovový čep 26 proti otáčení zachycuje zadní ohyb vnitřního věnce J_0 proti zadnímu háčku J_6 vnějšího věnce 12. Kovový čep 26 proti otáčení prochází vnějším věncem J_2 a tepelným štítem

22, přičemž zapadá do zahloubení na vrcholu zadního konce vnitřního věnce 10, kteréžto zahloubení je opatřeno povlakem tepelné bariéry (TBC). Vložení kovového čepu 26 do uvedeného zahloubení zabraňuje bočnímu (obvodovému) pohybu vnitřního věnce 10.

Mezi středem tepelného štítu 22 a vnitřním věncem Π) je umístěna tlumicí soustava 28 čepu a pružiny, která zajišťuje tlumení vnitřního věnce JO.

Jak je znázorněno na vyobrazení podle obr. 2, tak tlumicí soustava 28 čepu a pružiny obsahuje čep 32, pružinu 34 a listové těsnění 36. Jak lze mnohem lépe vidět na vyobrazeních podle obr. 2 a podle obr. 3, je množina tlumicích soustav 28 čepu a pružiny uspořádána obvodově mezi vnitr50 nimi věnci 10 a tepelnými štíty 22.

Za účelem větší jasnosti a přehlednosti je listové těsnění 36 znázorněno pouze na vyobrazení podle obr. 2. Listové těsnění 36 je sdruženo s tlumicí soustavou 28 čepu a pružiny za účelem minimalizace obtoku horkých spalovacích plynů přes vrchol turbíny. Toto těsnění je stejného typu, jaký je používán u leteckých motorů firmy General Electric a u plynové turbíny 9/7H.

-3 CZ 302320 B6

Další přídavné funkce, které vykonává vnější věnec 12, spočívají v tom, že působí proti osovým zatížením od trysky prvního stupně (neznázorněno), a poskytuje těsnicí plochu pro pásové závěsné těsnění 30 trysky prvního stupně. Pásové závěsné těsnění 30 zabraňuje tomu, aby výfukové proudění z kompresoru pronikalo do proudu plynu.

Kromě vytváření předního háčku J_4 pro vnitřní věnec 12 pak pásové závěsné těsnění 30 vykonává funkci působení proti zatížením trysky prvního stupně na vnější věnec 12 a na vnější skříň. Pásové závěsné těsnění 30 rovněž poskytuje povrchovou plochu pro vnější věnec 12 pro jeho io utěsnění, přičemž je přišroubováno s pomocí šroubů se zápustnými hlavami a vytyčeno na svém místě (neznázorněno).

Přestože byl předmět tohoto vynálezu popsán ve spojitosti s jeho příkladným provedením, které je v současné době považováno za nejpraktičtější, je zcela pochopitelné, že předmět tohoto vynálezu se neomezuje pouze na shora popsané provedení, neboť je naopak určen k pokrytí různých modifikací a ekvivalentních uspořádání, které spadají do myšlenky a rozsahu přiložených patentových nároků.

Claims (9)

1. 25 1. Plynová turbína, opatřená množinou vnitřních věnců (10) a vnějších věnců (12), přičemž množina vnitřních věnců (10) je vyrobena z keramického materiálu, přičemž každý z množiny vnějších věnců (12) má přední háček (14) a zadní háček (16) pro připevnění určitého jednoho z množiny vnitřních věnců (10) k jednomu z množiny vnějších věnců (12),

   3o vyznačující se tím, že obsahuje množinu soustav (18) čepu a pružiny pro přidržování každého jednoho z množiny keramických vnitřních věnců (10) proti přednímu háčku (14) odpovídajícího jednoho z množiny vnějších věnců (12).

   35
2. 2. Plynová turbína podle nároku 1, vyznačující se tím, že keramickým materiálem je kompozitní keramický materiál z kontinuálních vláken.
3. 3. Plynová turbína podle nároku 1, vyznačující se tím, že množina vnějších věnců (12) je vyrobena z kovového materiálu, přičemž na rozhraních keramického a kovového mate40 riálu je nanesen povlak tepelné bariéry.
4. 4. Plynová turbína podle nároku 1, vyznačující se tím, že povrchové plochy předních háčků (14) a zadních háčků (16) jsou potaženy povlakem tepelné bariéry.

   45 5. Plynová turbína podle nároku 1, vyznačující se tím, že dále obsahuje množinu čepů (26) proti otáčení pro připevnění každého jednoho z množiny keramických vnitřních věnců (10) proti zadnímu háčku (16) odpovídajícího jednoho z množiny vnějších věnců (12).
5. 5 vyznačující se tím, že obsahuje soustavu (18) čepu a pružiny pro přidržování keramického vnitřního věnce (10) proti přednímu háčku (14) kovového vnějšího věnce (12), čep (26) proti otáčení pro zajištění keramického vnitřního věnce (10) proti zadnímu háčku (16) kovového vnějšího věnce (12), a io tlumicí soustavu (28) Čepu a pružiny, upevněnou mezi tepelným štítem (22), uspořádaným v kovovém vnějším věnci (12), a vnitřní povrchovou plochou keramického vnitřního věnce (10).
6. 6. Plynová turbína podle nároku 1, vyznačující se tím, že dále obsahuje tepelný štít

   50 (22), uspořádaný v rámci každého jednoho z množiny vnějších věnců (12), a množinu tlumicích soustav (28) čepu a pružiny, přičemž každá jedna z množiny tlumicích soustav (28) čepu a pružiny je uspořádána mezi vnitřní povrchovou plochou jednoho z množiny vnitřních věnců (10) a tepelným štítem (22).

   -4CZ 302320 B6
7. 7. Plynová turbína, obsahující:

   kovový vnější věnec (12), opatřený předním háčkem (14) a zadním háčkem (16), keramický vnitřní věnec (10),
8. 8. Plynová turbína podle nároku 7, vyznačující se tím, že keramický vnitřní věnec (10) je vytvořen z kompozitního keramického materiálu z kontinuálních vláken.
9. 9. Plynová turbína podle nároku 7, vyznačující se tím, že na rozhraních keramického a kovového materiálu je nanesen povlak tepelné bariéry.