PL225191B1

PL225191B1 - Układ silnika turbiny gazowej zawierającej zespół sterowania strumieniem spalin i zespół sterowania strumieniem spalin w układzie silnika turbiny gazowej

Info

Publication number: PL225191B1
Application number: PL401926A
Authority: PL
Inventors: Balakrishnan Ponnuraj; Przemysław Sebastian Drezek; Fernando Lopez-Parra
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2012-12-06
Filing date: 2012-12-06
Publication date: 2017-03-31
Also published as: US20140157778A1; PL401926A1; US9085996B2

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ silnika turbiny gazowej zawierającej zespół sterowania strumieniem spalin i zespół sterowania strumieniem spalin w układzie silnika turbiny gazowej.

Tego typu układy stosowane są zwłaszcza do sterowania strumieniem spalin z silników turbin gazowych podczas wentylowania obudów, które otaczają silniki turbin gazowych.

Znane jest różne zastosowanie turbin gazowych. Na przykład, turbogeneratory gazowe są często wykorzystywane do wytwarzania elektryczności dla sieci energetycznej. Turbogeneratory gazowe są zwykle jednostkami stacjonarnymi, usytuowanymi w elektrowniach, takich jak elektrownia ze zintegrowanym zgazowywaniem paliwa (IGCC - Integrated Gasification Combined Cycle). Jednakże turbogeneratory gazowe mogą być stosowane również w urządzeniach mobilnych, na przykład na dużych przyczepach. W każdej konfiguracji, turbogenerator gazowy może mieścić się w obudowie z systemem wentylacyjnym. System wentylacyjny usuwa ciepło z obudowy i może kierować usuwane ciepło do komina wydechowego, wykorzystywanego do usuwania spalin turbiny gazowej. Komin może zawierać sekcję tłumika, dostosowaną do redukcji hałasu, emitowanego przez turbinę gazową. Ze względu na wysokie temperatury i duże prędkości w kolektorze wydechowym, materiał zawarty w przegrodach tłumika może ulegać gwałtownemu pogorszeniu lub uszkodzeniu. Z tego powodu zalecane jest minimalizowanie, na ile to możliwe, prędkości przepływu w tej sekcji.

Z opisu patentowego US 20070068167 znana jest turbina gazowa zawierająca obudowę przeznaczoną do doprowadzania chłodzącego powietrza do turbiny gazowej i wokół niej. Jest ona również przewidziana do mieszania powietrza chłodzącego z gazami spalinowymi emitowanymi z turbiny gazowej w celu obniżenia temperatury spalin przed ich przejściem do komina.

Z opisu patentowego US 20120102910 znana jest pompa strumieniowa zawierająca komorę spalin silnika turbinowego, z wlotem komory wydechowej, który odbiera spaliny z silnika turbinowego oraz wylotom komory spalin, który odprowadza spaliny silnika w celu ustalenia przepływu spalin przez komorę spalin silnika. Komora powietrzna z wlotem powietrza przekazuje powietrze z otoczenia do turbinowego silnika spalinowego. Urządzenie zawiera również przegrodę mieszającą, która łączy k omorę powietrzną z komorą spalin silnika, zawierającą pierwszy bok przylegający do komory powietrznej, i drugi bok sąsiadujący z komorą spalin. Przegroda mieszająca ma wiele otworów przez które rozciągają się od pierwszej strony na drugą stronę.

Natomiast z opisu US 5,129,226 znane jest zastosowanie dopalacza stabilizatora płomienia dla silnika turbiny gazowej mającego wiele prostokątnych klapek o równym zasięgu i ścianek bocznych leżących w jednej płaszczyźnie stabilizatora płomienia. Klapki na przeciwległych ściankach bocznych naprzemiennie wprowadzają wir współprądowo i poprzecznie w płynącym gazie. Powstałe wiry współprądowe mają tendencję do redukcji rezonansu wahań drgań wiru (piszczenie) i konieczności zastosowania wkładki akustycznej w celu powstrzymania piszczenia.

Układ silnika turbiny gazowej zawierający zespół sterowania strumieniem spalin, według wynalazku, składa się z obudowy i silnika turbiny gazowej, usytuowany w obudowie turbiny gazowej, zaś z obudową turbiny gazowej jest połączony komin wydechowy, przy czym silnik turbiny gazowej jest połączony z wylotem strumienia spalin oraz z pompą strumieniową układu sterowania strumieniem spalin, usytuowaną w obudowie, charakteryzuje się tym, że pompa strumieniowa jest uformowana przez obudowę turbiny gazowej oraz elementy silnika turbiny gazowej i ma usytuowanie, względem powierzchni obudowy turbiny i silnika turbiny gazowej, przy którym jest napędzana strumieniem spalin i wymusza przepływ powietrza przez i poza obudowę turbiny gazowej, zaś połączony z obudową tu rbiny gazowej komin wydechowy zmieszanych strumieni spalin i powietrza zawiera płytę dyfuzora układu sterowania strumieniem spalin, do równomiernego rozkładu przepływu zmieszanych strumieni za płytą dyfuzora, przy czym płyta dyfuzora jest usytuowana wewnątrz komina wydechowego.

Korzystnie płyta dyfuzora zawiera otwory, a w szczególności płyta dyfuzora jest w postaci dwóch oddzielnych, perforowanych płyt, które korzystnie są usytuowane z odstępem względem siebie w kierunku poprzecznym do kierunku przepływu gazów przez komin wydechowy. Korzystnie dwie oddzielne perforowane płyty dyfuzora są ustawione względem siebie w kształt litery V, przy czym szerokość kształtu V rośnie w kierunku przepływu wzdłuż komina wydechowego.

Korzystnie płyta dyfuzora zawiera parę prętów podtrzymujących, zamontowanych do zawietrznej strony każdej płyty perforowanej, a w szczególności płyta dyfuzora jest skonfigurowana do redukcji prędkości przepływu zmieszanych strumieni, zachowując poziomy ciśnienia statycznego potrzebne do działania napędzanej spalinami pompy strumieniowej.

PL 225 191 B1

Komin wydechowy zawiera sekcję tłumika, mającą liczne przegrody tłumika, a płyta dyfuzora jest usytuowana przed sekcją tłumika, w szczególności płyta dyfuzora jest skonfigurowana do redukcji hałasu, emitowanego z sekcji tłumika. Korzystnie komin wydechowy jest usytuowany za obudową turbiny gazowej. Płyta dyfuzora jest usytuowana wewnątrz komina wydechowego za miejscem gdzie mieszają się gazy spalinowe i powietrze tworząc mieszaninę gazów.

Zespół sterowania strumieniem spalin w układzie silnika turbiny gazowej, według wynalazku, który składa się z komina wydechowego połączonego do obudowy turbiny gazowej i zakończonego sekcją tłumika oraz pompy strumieniowej charakteryzuje się tym, że pompa strumieniowa jest uformowana przez obudowę turbiny gazowej oraz elementy silnika turbiny gazowej i ma usytuowanie względem powierzchni obudowy turbiny i silnika turbiny gazowej przy którym jest napędzana strumieniem spalin i wymusza przepływ powietrza przez i poza obudowę turbiny gazowej, przy czym za napędzaną spalinami pompą strumieniową i przed sekcją tłumika komina wydechowego jest umieszczona, wewnątrz komina wydechowego, płyta dyfuzora do równomiernego rozkładu przepływu spalin przez sekcję tłumika.

Korzystnie pompa strumieniowa jest usytuowana w obudowie turbiny gazowej w której jest umieszczony silnik turbiny gazowej wydalania strumienia spalin.

Korzystnie płyta dyfuzora zawiera otwory, a w szczególności płyta dyfuzora jest w postaci dwóch oddzielnych, perforowanych płyt, usytuowanych z odstępem względem siebie w kierunku poprzecznym w stosunku do kierunku przepływu gazów przez komin wydechowy.

Dwie oddzielne perforowane płyty są ustawione w kształt litery V, przy czym szerokość kształtu V rośnie w kierunku przepływu gazów wzdłuż komina wydechowego. Płyta dyfuzora korzystnie przykrywa w przybliżeniu od 30 do 90 procent pola powierzchni przekroju poprzecznego komina wydechowego. Płyta dyfuzora jest skonfigurowana do redukcji prędkości i poprawienia jednorodności przepływu między napędzaną spalinami pompą strumieniową a sekcją tłumika. Komin wydechowy jest połączony z obudową turbiny gazowej, przy czym sekcja tłumika komina wydechowego, ma liczne przegrody tłumika do wydalania zmieszanych strumieni spalin i powietrza. Płyta dyfuzora jest usytuowana wewnątrz komina wydechowego zarówno za pompą strumieniową jak i obudową turbiny gazowej, w szczególności płyta dyfuzora jest zamontowana wewnątrz komina wydechowego za miejscem gdzie mieszają się gazy spalinowe i powietrze tworząc mieszaninę gazów.

Zespół sterowania strumieniem spalin w układzie silnika turbiny gazowej, według innego przykładu składa się z komina wydechowego połączonego do obudowy turbiny gazowej, zakończonego sekcją tłumika i charakteryzuje się tym, że wewnątrz komina wydechowego jest umieszczona płyta dyfuzora mająca liczne otwory, do równomiernego rozkładu przepływu za płytą dyfuzora dla zmieszanych strumieni spalin z turbiny gazowej i strumieni powietrza wentylacyjnego, napędzanych przez napędzaną spalinami pompę strumieniową.

Korzystnie płyta dyfuzora składa się z dwóch oddzielnych płyt perforowanych, ułożonych w kształt litery V, przy czym dwie oddzielne perforowane płyty są usytuowane z odstępem od siebie w kierunku poprzecznym do kierunku przepływu zmieszanych strumieni przez komin wydechowy. W szczególności płyta dyfuzora przykrywa w przybliżeniu od 30 do 90 procent pola powierzchni przekroju poprzecznego komina wydechowego, zaś kształt V dwóch oddzielnych płyt perforowanych ma kąt w przybliżeniu od 110 do 160 stopni. Korzystnie płyta dyfuzora jest usytuowana wewnątrz komina wydechowego zarówno za pompą strumieniową jak i obudową turbiny gazowej.

Proponowana konstrukcja układu silnika jak i zespołu sterowania strumieniem spalin minimalizuje na ile to możliwe, prędkości przepływu w przegrodach tłumika. Jest to ważna zaleta, gdyż ze względu na wysokie temperatury i duże prędkości w kolektorze wydechowym, materiał zawarty w przegrodach tłumika może ulegać gwałtownemu pogorszeniu lub uszkodzeniu.

W celu uniknięcia akumulacji ciepła wokół silnika turbiny gazowej wewnątrz obudowy, układ turbiny gazowej może zawierać system wentylacyjny, służący do usuwania ciepła i produktów spalania z obudowy turbiny gazowej. Układ turbiny gazowej zawiera również pompę strumieniową, która działa jako główny system wentylacyjny, służący do zasysania gorących gazów wewnątrz obudowy turbiny gazowej i wydychania produktów spalania z kolektora wydechowego turbiny gazowej do komina wydechowego z sekcją tłumika. W przedstawionych przykładach wykonania, komin wydechowy zawiera płytę dyfuzora, usytuowaną przed sekcją tłumika i za pompą strumieniową, która redukuje prędkość zmieszanych strumieni, które zawierają strumień powietrza wentylacyjnego z obudowy turbiny gazowej i strumień spalin z silnika turbiny gazowej, przy zachowaniu poziomu ciśnienia statycznego, który zapewnia efektywną pracę pompy strumieniowej. Płyta dyfuzora zapewnia również równomierny

PL 225 191 B1 rozkład przepływu zmieszanych strumieni za płytą dyfuzora do sekcji tłumika. W pewnych przykładach wykonania, płyta składa się z pary oddzielnych płyt perforowanych, ustawionych w kształt litery V, przy czym szerokość kształtu V rośnie (np. perforowane płyty rozchylają się) w kierunku przepływu wzdłuż komina wydechowego. Para prętów podtrzymujących, przymocowana do strony zawietrznej każdej płyty perforowanej, jest dostosowana do podtrzymywania płyty dyfuzora wewnątrz sekcji wydechowej. Każda perforowana płyta zawiera liczne otwory, mające taką samą średnicę. Systemy te są dostosowane do wykorzystywania napędzanej spalinami pompy strumieniowej bez istotnego pogarszania parametrów pompy strumieniowej, przy zwiększaniu trwałości przegród w sekcji tłumika, redukowaniu hałasu, emitowanego przez sekcję tłumika i zwiększaniu efektywności tłumika i generatora turbiny gazowej.

Przedmiot wynalazku jest opisany w przykładach wykonania przedstawionych na rysunku na którym fig. 1 przedstawia schematycznie widok z boku przykładu wykonania turbogeneratora gazowego z płytą dyfuzora usytuowaną w kominie wydechowym, fig. 2 przedstawia schematycznie szczegółowy widok przykładu wykonania systemu wentylacyjnego i zespołu sterowania strumieniem spalin w systemie turbiny gazowej, fig. 3 przedstawia perspektywiczny widok od góry płyty dyfuzora, usytuowanej w kominie wydechowym, zaś fig. 4 przedstawia perspektywiczny widok od dołu płyty dyfuzora, usytuowanej w kominie wydechowym.

Figura 1 przedstawia schematycznie widok z boku przykładu wykonania turbogeneratora gazowego 10 (np. układu silnika turbiny gazowej), zawierającego zespół sterowania strumieniem spalin w postaci sekcji dyfuzora, np. płyty 12 dyfuzora, usytuowanej w kominie wydechowym 36 oraz pompę 34 strumieniową. Płyta 12 dyfuzora, w różnych przykładach wykonania, może być stosowana w dowolnej turbinie gazowej, włącznie ze stacjonarnymi i mobilnymi jednostkami generacji energii przy pomocy turbiny gazowej. Generator 10 z turbiną gazową zawiera mobilną jednostkę generacji energii z turbiną gazową. Jednostka 10 generacji energii zawiera przyczepę 16, obudowę 18 turbiny gazowej, która mieści silnik 20 turbiny gazowej na przyczepie 16 i generator elektryczny 19, napędzany przez silnik 20 turbiny gazowej na przyczepie 16. Zbiornik wyrównawczy 17, połączony z obudową 18 turbiny gazowej, tworzy pierwszy port 21 dopływu (np. pierwszy port dopływu powietrza, lub dopływ powietrza turbiny). Obudowa 18 turbiny gazowej tworzy drugi port 22 dopływu (np. drugi port dopływu powietrza lub dopływ wentylacji obudowy) i port wyjściowy 24 (np. wyjście kolektora wydechowego). Pierwszy port 21 dopływu jest połączony z systemem 26 dopływu powietrza spalania, usytuowanym przed silnikiem 20 turbiny gazowej. System 26 dopływu powietrza spalania zawiera jeden lub większą liczbę filtrów 28, służących do filtrowania powietrza, dostarczanego do silnika 20 turbiny gazowej. Pierwszy port 21 dopływu kieruje powietrze do silnika 20 turbiny gazowej przez zbiornik wyrównawczy 17. Na przykład, pierwszy port 21 dopływu może kierować powietrze do sprężarki silnika 20 turbiny gazowej. Na przykład, silnik 20 turbiny gazowej może sprężać powietrze z portu 21, mieszać powietrze z paliwem i spalać mieszaninę powietrza i paliwa, w celu napędzania jednej lub większej liczby turbin. Drugi port 22 dopływu jest połączony z systemem 14 dopływu powietrza wentylacyjnego. Układ 14 dopływu powietrza wentylacyjnego zawiera jeden lub większą liczbę filtrów 30, w celu filtrowania powietrza dostarczanego do obudowy 18 turbiny gazowej 20. Układ 14 dopływu powietrza wentylacyjnego dostarcza powietrze do obudowy 18 przy pomocy jednego lub większej liczby wentylatorów 32 tylko podczas wyłączania silnika. Kiedy silnik 20 pracuje, wentylatory 32 są wyłączone i powietrze wentylacyjne przepływa przez sekcję obejściową, w celu redukcji oporów przepływu, które musi pokonywać system pompy strumieniowej. Drugi port 22 dopływu kieruje powietrze do obudowy 18, otaczającej turbinę gazową 20, w celu zewnętrznego chłodzenia turbiny 20 i/lub otaczającej objętości obudowy 18. Obudowa 18 zawiera pompę strumieniową 34, w celu wciągania lub zasysania strumienia powietrza z systemu 14 dopływu powietrza wentylacyjnego przez i poza obudowę 18 w sąsiedztwie portu wyjściowego 24, wykorzystując strumień spalin, generowanych przez turbinę gazową 20. Port wyjściowy 24 jest połączony z kominem wydechowym 36, w celu usuwania z obudowy 18 gazów spalinowych z turbiny gazowej 20 i powietrza wentylacyjnego. Komin 36 wydechowy zawiera sekcję tłumika 38, służącą do zmniejszania hałasu, związanego z działaniem turbogeneratora gazowego 10 i płytę 12 dyfuzora, usytuowaną przed sekcją tłumika 38 wewnątrz komina wydechowego 36. Turbina gazowa 20 zawiera wał 37 napędowy, który wystaje poza obudowę 18 i łączy się z generatorem 19.

Chociaż stosowanie napędzanej spalinami pompy 34 strumieniowej umożliwia usuwanie ciepła i produktów wydechowych z obudowy 18, otaczającej silnik 20 turbiny gazowej, duża prędkość strumienia spalin, wpływającego do komina 36 wydechowego, w celu napędzania pompy 34 strumieniowej, może negatywnie wpływać na sekcję tłumika 38 i cały turbogenerator gazowy 10. Jak opisano

PL 225 191 B1 poniżej, przedstawione przykłady wykonania zespołu sterowania strumieniem spalin zawierają płytę 12 dyfuzora, w celu redukcji prędkości i energii kinetycznej zmieszanych strumieni (tj. strumienia powietrza wentylacyjnego i strumienia spalin) wewnątrz komina 36 wydechowego, przy utrzymywaniu poziomu ciśnienia statycznego (tj. bez wywoływania efektu ciśnienia wstecznego), w celu zapewnienia wydajnego działania pompy 34 strumieniowej. Płyta 12 dyfuzora zapewnia również równomierny rozkład przepływu dla zmieszanych strumieni za płytą 12 dyfuzora do sekcji tłumika 38. Płyta 12 dyfuzora zapewnia również kontrolowany rozkład przepływu, który jest optymalny dla sekcji tłumika 38. Płyta 12 dyfuzora może zawierać parę oddzielnych płyt perforowanych, tworzących kształt litery V, przy czym szerokość kształtu V rośnie w kierunku przepływu wzdłuż komina 36 wydechowego. Para prętów podtrzymujących, przymocowana od strony zawietrznej do każdej perforowanej płyty, może podtrzymywać płytę 12 dyfuzora wewnątrz sekcji wydechowej 36. Każda płyta perforowana zawiera liczne otwory, mające tę samą średnicę. Płyta 12 dyfuzora pozwala, aby układ 10 silnika turbiny gazowej wykorzystywał napędzaną spalinami pompę 34 strumieniową bez istotnego pogarszania działania pompy 34 strumieniowej, przy zwiększaniu trwałości przegród w sekcji tłumika 38, redukowaniu hałasu, emitowanego przez sekcję tłumika 38 i zwiększaniu efektywności sekcji tłumika 38.

Figura 2 przedstawia dodatkowe szczegóły odnośnie ogólnego działania systemu wentylacyjnego 48 i zespołem 50 sterowania strumieniem spalin, w połączeniu z układem 10 silnika turbiny gazowej. Fig. 2 przedstawia schematycznie szczegółowy widok przykładu wykonania systemu wentylacyjnego 48 i zespołem 50 sterowania strumieniem spalin dla układu 10 silnika turbiny gazowej. System wentylacyjny 48 zawiera system 14 dopływu powietrza wentylacyjnego i pompę 34 strumieniową. Zespół 50 sterowania strumieniem spalin zawiera komin 36 wydechowy i jego komponenty (np. płytę 12 dyfuzora i sekcję tłumika 38). Układ 10 silnika turbiny gazowej zawiera silnik 20 turbiny gazowej, usytuowany w obudowie 18. Powietrze przepływa przez otwór 52 do systemu 26 dopływu powietrza spalania, jak wskazuje strzałka 54 i przepływa przez liczne filtry 28, dostosowane do filtrowania powietrza. Powietrze dopływa do obudowy 18 przez pierwszy port 21 dopływu powietrza, jak wskazuje strzałka 56. Zbiornik wyrównawczy 17 kieruje powietrze 58 do silnika 20 turbiny gazowej. Silnik 20 turbiny gazowej pobiera powietrze 58 w sprężarce 60, która spręża powietrze i kieruje sprężone powietrze 62 do jednego lub większej liczby dysz paliwowych 64 i komór spalania 66. Dysze paliwowe 64 pobierają mieszaninę paliwa i sprężonego powietrza 62 i kierują mieszaninę powietrza i paliwa w odpowiednim stosunku do jednej lub większej liczby komór spalania 66, w celu spalania. W pewnych przykładach wykonania, każda komora 66 spalania zawiera jedną lub większą liczbę dysz paliwowych 64. Mieszanina paliwowo powietrzna jest spalana wewnątrz każdej komory 66 spalania, wytwarzając w ten sposób gorące, sprężone gazy spalinowe. Każda komora spalania 66 kieruje gazy spalinowe przez turbinę 68 w stronę sekcji wydechowej 70, jak wskazują strzałki 72. Sekcja wydechowa 70 kieruje gazy spalinowe w kierunku komina 36 wydechowego, jak wskazuje strzałka 74, przez port wyjściowy 24 (np. wyjście kolektora wydechowego). W pewnych przykładach wykonania, aby pompa strumieniowa mogła pracować, port wyjściowy 24 ma profil typu dyszy, w celu wywoływania dużej prędkości przepływu spalin z sekcji wydechowej 70 do komina 36 wydechowego. Kiedy gazy wylotowe przepływają przez turbinę 68, powodują, że łopatki turbiny obracają wał 76 wzdłuż osi silnika 20 turbiny gazowej. Jak pokazano, wał 76 może być połączony z różnymi komponentami silnika 20 turbiny gazowej, włącznie ze sprężarką 60. Sprężarka 60 zawiera również łopatki, połączone z wałem 76. Kiedy wał 76 obraca się, łopatki wewnątrz sprężarki 60 również obracają się, sprężając w ten sposób powietrze, płynące z dopływu powietrza (przez system 26 dopływu powietrza spalania) przez sprężarkę 60 do dysz paliwa 64 i/lub komór spalania 66. Wał 76 może być również połączony z obciążeniem, na przykład generatorem elektrycznym w elektrowni.

Powietrze dostaje się do obudowy 18 turbiny gazowej również przez drugi port 22 dopływu powietrza, przez system 14 dopływu powietrza wentylacyjnego, połączony z obudową 18 turbiny gazowej. Jak pokazano na fig. 2, powietrze przepływa przez otwór 78 do systemu 14 dopływu powietrza wentylacyjnego, jak wskazuje strzałka 80 i przepływa przez liczne filtry 30, dostosowane do filtrowania powietrza. Powietrze przepływa do przynajmniej jednego wentylatora 32, jak wskazuje strzałka 82. Jak wspomniano powyżej, system 14 dopływu powietrza wentylacyjnego może zawierać jeden lub większą liczbę wentylatorów 32. Każdy wentylator 32 zawiera silnik 84, przeznaczony do napędzania łopatek 86, w celu wymuszania przepływu powietrza przez każdy wentylator 32, chociaż pracują one tylko podczas wyłączania silnika. Podczas operacji wentylowania, przeznaczonych do usuwania z obudowy 18 turbiny gazowej ciepła i produktów spalinowych, system wentylacyjny 48 bazuje na powietrzu wciąganym przez system pompy strumieniowej przez kanał obejściowy, w celu minimalizacji

PL 225 191 B1 strat ciśnienia w wyniku ograniczonych przekrojów poprzecznych i blokady wentylatorów. W przypadkach, kiedy występuje wysoka temperatura otoczenia, jeśli graniczne wartości temperatury są przekroczone wewnątrz obudowy 18 turbiny gazowej, strumień 88 powietrza wentylacyjnego może być przyspieszany również przez pompę 34 strumieniową, w połączeniu z jednym z wentylatorów 32.

Strumień powietrza z jednego lub większej liczby wentylatorów 32 dostaje się do obudowy turbiny gazowej przez drugi port 22 dopływu powietrza, jak wskazuje strzałka 90. Łopatka prowadząca 92 kieruje strumień powietrza 90 do obudowy 18 turbiny gazowej. Wewnątrz obudowy 18 napędzana spalinami pompa 34 strumieniowa przepuszcza strumień powietrza (np. strumień powietrza wentylacyjnego), jak wskazują strzałki 94, przez obudowę 18. Obudowa 18 turbiny gazowej i komponenty silnika 20 turbiny gazowej (np. turbina 68 i sekcja wydechowa 70) tworzą wąskie przestrzenie między silnikiem 20, a obudową 18 turbiny gazowej w pobliżu komina 36 wydechowego. Wspomniane wąskie przestrzenie tworzą pompę 34 strumieniową, dostosowaną do wciągania lub zasysania strumienia powietrza 94 przez i poza obudowę 18 turbiny gazowej do komina 36 wydechowego podczas operacji wentylowania, przy wykorzystywaniu energii kinetycznej strumienia spalin. W szczególności, gazy spalinowe 96, wypływające z obudowy 18 turbiny gazowej do komina 36 wydechowego przez port wyjściowy 24, wytwarzają próżnię (np. w wyniku efektu Venturi'ego), która przyspiesza strumień 94 powietrza, znajdujący się wewnątrz komory 18 przez pompę 34 strumieniową i do strumienia 96 gazów spalinowych, jak wskazuje strzałka 98 strumienia powietrza wentylacyjnego, wewnątrz komina 36. Zatem strumień spalin napędza pompę 34 strumieniową, przeznaczoną do wentylowania obudowy 18 turbiny gazowej podczas działania silnika 20 turbiny gazowej. W pewnych przykładach wykonania, wentylatory 32 mogą być używane do wentylowania, kiedy turbina gazowa jest wyłączona, uruchamiana, lub wyłączana, zaś pompa 34 strumieniowa może być wykorzystywana do wentylowania podczas normalnej pracy turbiny gazowej 20.

Strumień 96 spalin i strumień 94 powietrza wentylacyjnego są mieszane, tworząc zmieszane strumienie o dużej prędkości (np. przekraczającej 152.4 m/s), jak wskazuje strzałka 100. Komin 36 wydechowy zawiera płytę 12 dyfuzyjną, usytuowaną tuż poniżej dolnej krawędzi licznych przegród 102 tłumiących sekcji tłumika 38 (tj. przed sekcją tłumika 38). Kiedy zmieszane strumienie 100 trafiają na płytę 12 dyfuzora, płyta 12 dyfuzora zmniejsza pęd i prędkość (np. prędkość płynu) zmieszanych strumieni 100 (tj. absorbuje część energii kinetycznej płynu zmieszanych strumieni 100), przy utrzymywaniu poziomu ciśnienia statycznego, w celu podtrzymywania działania pompy 34 strumieniowej. Inaczej mówiąc, redukcja prędkości zmieszanych strumieni 100 nie wywołuje efektu ciśnienia wstecznego. Ponadto, płyta 12 dyfuzora zapewnia równomierny rozkład przepływu zmieszanych strumieni 100 do kanałów 104 między przegrodami, jak wskazują strzałki 106. Zarówno redukcja prędkości, jak i wytwarzanie równomiernego rozkładu (tj. kontrolowanego rozkładu, optymalnego dla sekcji tłumika 38) przepływu zmieszanych strumieni 100 przez płytę 12 dyfuzora, nie wpływają na ogólne działanie pompy 34 strumieniowej. Sekcja tłumika 38 komina 36 wydechowego ustala przepływ zmieszanych strumieni, jak wskazuje strzałka 107. Płyta 12 dyfuzora, przez redukcję prędkości i wytwarzanie równomiernego rozkładu przepływu zmieszanych strumieni 100, redukuje hałas, emitowany przez sekcję tłumika 38. Płyta 12 dyfuzora pomaga również chronić sekcję tłumika 38 przed wysokimi prędkościami, dużymi fluktuacjami i niejednorodnością strumienia 100.

Konfiguracja, kształt i położenie płyty 34 dyfuzora umożliwiają realizację powyższych funkcji płyty 12 dyfuzora. Płyta 12 dyfuzora zawiera dwie oddzielne perforowane płyty 108, 110. Jak opisano dokładniej poniżej, każda płyta 108, 110 zawiera liczne otwory. Ponadto, każda płyta 108, 110 zawiera tę samą liczbę otworów, rozmieszczonych w ten sam sposób (np. w rzędach). Ponadto, każdy otwór każdej płyty 108, 110 ma taką samą średnicę. Płyty 108, 110 są ustawione w konfiguracji w kształcie litery V, w celu umożliwienia ustawienia otworów pod kątem względem szybkich zmieszanych strumieni 100. Zatem szybkie zmieszane strumienie 100 zderzają się z ustawionymi pod kątem płytami 108, 110, tracą pewną część energii kinetycznej i przepływają przez otwory i obok płyt 108, 110 i są częściowo odchylane do ścian komina 36 wydechowego. Szerokość 111 konfiguracji kształtu V rośnie (np. płyty 108, 110 rozchylają się) w kierunku przepływu 112 wzdłuż komina 36 wydechowego (tj. od podstawy do wierzchołka konfiguracji kształtu V). W celu utworzenia konfiguracji kształtu V płyt 12 dyfuzora, płyty 108, 110 są ustawione pod kątem 113. Kąt 113 może wahać się od około 90° do 170° lub od 110° do 160°, zależnie od układu silnika 10 turbiny gazowej. Na przykład, kąt 113 może być równy w przybliżeniu 90°, 95°, 100°, 105°, 110°, 115°, 120°, 125°, 130°, 135°, 140°, 145°, 150°, 155° lub 160°, lub dowolną wartość pośrednią. W pewnych przykładach wykonania, kąt 113 między płytami 108, 110 jest większy niż lub równy około 140°. W konfiguracji kształtu V, płyta 12

PL 225 191 B1 dyfuzora przykrywa tylko centralną część komina 36 wydechowego. W pewnych przykładach wykonania, płyta 12 dyfuzora może przykrywać około 30% do 90% pola powierzchni przekroju poprzecznego 114 komina 36 wydechowego. Na przykład, płyta 12 dyfuzora może przykrywać około 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, lub 90%, lub dowolną wartość między nimi, pola powierzchni przekroju poprzecznego 114 komina 36 wydechowego.

Płyta 12 dyfuzora jest zamontowana przy pomocy prętów 116 podtrzymujących wewnątrz komina 36 wydechowego. Każda płyta 108, 110 zawiera parę prętów 116 podtrzymujących, połączoną od strony 118 zawietrznej (tj. skierowanej w stronę sekcji tłumika 38) płyty 108, 110. Lokalizacja prętów podtrzymujących 116 od strony zawietrznej 118 minimalizuje wytwarzanie niepożądanych zaburzeń przepływu zmieszanych strumieni 100 wewnątrz komina 36 wydechowego. Płyta 12 dyfuzora jest zamontowana lub usytuowana dostatecznie daleko wzdłuż komina 36 wydechowego od portu wyjściowego 24, aby zapewnić dostateczną długość komina na wymieszanie strumienia 96 spalin i strumienia 94 powietrza wentylacyjnego, jak również uniknąć nadmiernego blokowania drogi przepływu. Ponadto, usytuowanie płyty 12 dyfuzora jest dostatecznie daleko przed lub poniżej sekcją tłumika 38, aby umożliwić równomierny rozkład (tj. kontrolowany rozkład, optymalny dla sekcji tłumika 38) przepływu zmieszanych strumieni 100 przez sekcję tłumika 38. W pewnych przykładach wykonania, płyta 12 dyfuzora może być usytuowana w odległości 120 wzdłuż komina 36 wydechowego od portu wyjściowego 24, przy czym odległość 120 jest równa od około 60% do 80% długości 122 komina 36 wydechowego. Na przykład, odległość 120 wzdłuż komina 36 wydechowego od portu wyjściowego 24 może być równa około 60%, 65%, 70%, 75%, lub 80%, lub dowolny inny pośredni procent długości 122 komina 36 wydechowego. Ogólna konfiguracja, kształt i konstrukcja płyty 12 dyfuzora pozwala, aby układ 10 wykorzystywał zalety napędzanej spalinami pompy 34 strumieniowej bez znacznego pogarszania działania pompy 34 strumieniowej, zwiększając jednocześnie trwałość przegród 102 w sekcji tłumika 38, redukując hałas, emitowany z sekcji tłumika 38 i zwiększając efektywność sekcji tłumika 38.

Figury 3 i 4 przedstawiają widoki perspektywiczne płyty 12 dyfuzora, usytuowanego w kominie 36 wydechowym. Ogólnie, płyta 12 dyfuzora jest opisana w odniesieniu do fig. 1 i 2. Jak przedstawiono, płyta 12 dyfuzora zawiera perforowane płyty 108, 110, ustawione w konfiguracji w kształcie litery V wewnątrz komina 36 wydechowego, poniżej, lub przed sekcją tłumika 38, jak opisano powyżej. Płyta 12 dyfuzora jest zamontowana przy pomocy prętów 116 podtrzymujących wewnątrz komina 36 wydechowego. Każda płyta 108, 110 zawiera parę prętów 116 podtrzymujących, połączonych od strony zawietrznej 118 (tj. skierowanej w stronę sekcji tłumika 38) płyty 108, 110. Jak wspomniano powyżej, usytuowanie prętów 116 podtrzymujących od strony zawietrznej 118 minimalizuje wytwarzanie niepożądanych zaburzeń w przepływie zmieszanych strumieni 100 wewnątrz komina 36 wydechowego. Każdy pręt 116 podtrzymujący biegnie wzdłuż szerokości 132 komina 36 wydechowego. Zatem długość 134 każdego pręta 116 podtrzymującego jest zależna od szerokości 132 komina 36 wydechowego, która może wahać się między różnymi układami 10 turbin gazowych.

Każda płyta 108, 110 ma długość 136 i szerokość 138. Długości 136 i szerokości płyt 108, 110 są takie same, w celu zapewnienia równomiernego rozkładu przepływu zmieszanych strumieni 100. Długość 136 i szerokość 138 każdej płyty 108, 110 zależy od powierzchni przekroju poprzecznego 114 (patrz fig. 2) komina 36 wydechowego. Jak wspomniano wcześniej, płyta 12 dyfuzora przykrywa tylko centralną część komina 36 wydechowego. W pewnych przykładach wykonania, płyta 12 dyfuzora może przykrywać w przybliżeniu od 30% do 90% pola powierzchni 114 przekroju poprzecznego komina 36 wydechowego. Na przykład, płyta 12 dyfuzora może przykrywać około 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 75%, 80%, 85% lub 90%, lub dowolny procent pośredni, pola powierzchni 114 przekroju poprzecznego komina 36 wydechowego.

Ponadto, każda płyta 108, 110 zawiera liczne otwory 140. Liczba otworów 140 w każdej płycie 108, 110 może być taka sama. Liczba otworów 140 w każdej płycie 108, 110 może być równa od 20 do 100, lub dowolnej innej liczbie, zależnie od układu 10 turbiny gazowej. Jak opisano, otwory 140 w każdej płycie 108, 110 mają jednakową średnicę 142. Jednakowa średnica 142 otworów 140 umożliwia uzyskanie równomiernego rozkładu przepływu zmieszanych strumieni 100 przed sekcją tłumika 38. Ponadto, układ otworów 140 jest taki sam w płytach 108, 110. Jak pokazano, każda płyta 108, 110 zawiera cztery rzędy 144 z 13 otworami 140 w każdym, przy czym otwory 140 sąsiednich rzędów 144 są przesunięte jeden względem drugiego. Taki sam układ otworów 140 w rzędach 144 i w płytach 108, 110 również umożliwia uzyskania równomiernego rozkładu (tj. kontrolowanego rozkładu, optymalnego dla sekcji tłumika 38) przepływu zmieszanych strumieni 100 przed sekcją tłumika 38.

PL 225 191 B1

Jak wspomniano wcześniej, zmieszane strumienie 100 o dużej prędkości uderzają w pochylone płyty 108, 110, tracą część energii kinetycznej i przepływają przez otwory 140 do sekcji tłumika 38. Ogólna konfiguracja, kształt i konstrukcja płyty 12 dyfuzora pozwalają, aby układ 10 wykorzystywał zalety napędzanej spalinami pompy strumieniowej 34 bez istotnego pogarszania działania pompy 34 strumieniowej, zwiększając przy tym trwałość przegród 102 w sekcji tłumika 38, redukując hałas, emitowany z sekcji tłumika 308 i zwiększając efektywność sekcji tłumika 38.

Techniczne korzyści z ujawnionych przykładów wykonania obejmują dostarczenie zespołów sterowania strumieniem spalin z silników 20 turbin gazowych, podczas wentylowania obudów 18 turbiny gazowej, które otaczają silniki 20 turbin gazowych. Układ 10 silnika turbiny gazowej zawiera pompę 34 strumieniową, która działa w połączeniu z systemem wentylacyjnym 48, w celu usuwania ciepła i produktów wydechowych z obudowy 18 turbiny gazowej do komina 36 wydechowego. Komin 36 wydechowy zawiera płytę 12 dyfuzora, usytuowaną przed sekcją tłumika 38 komina 36 wydechowego, która redukuje prędkość zmieszanych strumieni 100, które obejmują strumień 94 powietrza wentylacyjnego z obudowy 18 turbiny gazowej i strumień 96 spalin z silnika 20 turbiny gazowej, przy zachowywaniu poziomów ciśnienia statycznego, które zapewniają efektywne działanie pompy 34 strumieniowej. Płyta 12 dyfuzora zapewnia również równomierny rozkład przepływu (tj. kontrolowany rozkład, optymalny dla sekcji tłumika 38) dla zmieszanych strumieni 100 za płytą 12 dyfuzora i przed sekcją tłumika 38. W pewnych przykładach wykonania, płyta 12 dyfuzora zawiera parę oddzielnych perforowanych płyt 108, 110, z licznymi otworami 140, przy czym płyty 108, 110 są ustawione w kształcie litery V, przy czym szerokość 111 kształtu V rośnie, np. płyty 108, 110 rozchylają się w kierunku przepływu zmieszanych strumieni 100 wzdłuż komina 36 wydechowego. Płyty 12 dyfuzora pozwalają, aby układ 10 turbiny gazowej wykorzystywał zalety napędzanej spalinami pompy 34 strumieniowej bez istotnego pogarszania parametrów pompy 34 strumieniowej, zwiększając trwałość przegród 102 w sekcji tłumika 38, redukując hałas, emitowany z sekcji tłumika 38 i zwiększając efektywność sekcji tłumika 38.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Układ silnika turbiny gazowej zawierający zespół sterowania strumieniem spalin, składa się z obudowy (18) i silnika (20) turbiny gazowej, usytuowany w obudowie (18) turbiny gazowej, zaś z obudową (18) turbiny gazowej jest połączony komin wydechowy (36), przy czym silnik (20) turbiny gazowej jest połączony z wylotem strumienia spalin oraz z pompą (34) strumieniową układu sterowania strumieniem spalin, usytuowaną w obudowie (18), znamienny tym, że pompa (34) strumieniowa jest uformowana przez obudowę (18) turbiny gazowej oraz elementy silnika (20) turbiny gazowej i ma usytuowanie względem powierzchni obudowy (18) turbiny i silnika (20) turbiny gazowej przy którym jest napędzana strumieniem spalin i wymusza przepływ powietrza przez i poza obudowę (18) turbiny gazowej, zaś połączony z obudową (18) turbiny gazowej komin (36) wydechowy zmieszanych strumieni spalin i powietrza zawiera płytę (12) dyfuzora układu sterowania strumieniem spalin, do równomiernego rozkładu przepływu zmieszanych strumieni za płytą (12) dyfuzora, przy czym płyta (12) dyfuzora jest usytuowana wewnątrz komina (36) wydechowego.
2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że płyta (12) dyfuzora zawiera otwory.
3. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że płyta (12) dyfuzora jest w postaci dwóch oddzielnych, perforowanych płyt (108, 110).
4. Układ według zastrz. 3, znamienny tym, że dwie oddzielne perforowane płyty (108, 110) są usytuowane z odstępem względem siebie w kierunku poprzecznym do kierunku przepływu gazów przez komin (36) wydechowy.
5. Układ według zastrz. 3, znamienny tym, że dwie oddzielne perforowane płyty (108, 110) płyty (12) dyfuzora są ustawione względem siebie w kształt litery V, przy czym szerokość kształtu V rośnie w kierunku przepływu wzdłuż komina (36) wydechowego.
6. Układ według zastrz. 5, znamienny tym, że płyta (12) dyfuzora zawiera parę prętów (116) podtrzymujących, zamontowanych do zawietrznej strony każdej płyty (108, 110) perforowanej.
7. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że płyta (12) dyfuzora jest skonfigurowana do redukcji prędkości przepływu zmieszanych strumieni, zachowując poziomy ciśnienia statycznego potrzebne do działania napędzanej spalinami pompy (34) strumieniowej.

PL 225 191 B1
8. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że komin (36) wydechowy zawiera sekcję tłumika (38), mającą liczne przegrody (102) tłumika, a płyta (12) dyfuzora jest usytuowana przed sekcją tłumika (38).
9. Układ według zastrz. 8, znamienny tym, że płyta (12) dyfuzora jest skonfigurowana do redukcji hałasu, emitowanego z sekcji tłumika (38).
10. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że komin (36) wydechowy jest usytuowany za obudową (18) turbiny gazowej.
11. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że płyta (12) dyfuzora jest usytuowana wewnątrz komina (12) wydechowego za miejscem gdzie mieszają się gazy spalinowe i powietrze tworząc mieszaninę gazów.
12. Zespół sterowania strumieniem spalin w układzie silnika turbiny gazowej, który składa się z komina wydechowego (36) połączonego do obudowy (18) turbiny gazowej i zakończonego sekcją tłumika (38) oraz pompy (34) strumieniowej, znamienny tym, że pompa (34) strumieniowa jest uformowana przez obudowę (18) turbiny gazowej oraz elementy silnika (20) turbiny gazowej i ma usytuowanie względem powierzchni obudowy (18) turbiny i silnika (20) turbiny gazowej przy którym jest napędzana strumieniem spalin (94) i wymusza przepływ powietrza przez i poza obudowę (18) turbiny gazowej, przy czym za napędzaną spalinami pompą (34) strumieniową i przed sekcją tłumika (38) komina (36) wydechowego jest umieszczona, wewnątrz komina (36) wydechowego, płyta (12) dyfuzora do równomiernego rozkładu przepływu spalin przez sekcję tłumika (38).
13. Zespół według zastrz. 12, znamienny tym, że pompa (34) strumieniowa jest usytuowana w obudowie (18) turbiny gazowej w której jest umieszczony silnik (20) turbiny gazowej wydalania strumienia spalin.
14. Zespół według zastrz. 12, znamienny tym, że płyta (12) dyfuzora zawiera otwory.
15. Zespół według zastrz. 12, znamienny tym, że płyta (12) dyfuzora jest w postaci dwóch oddzielnych, perforowanych płyt (108, 110), usytuowanych z odstępem względem siebie w kierunku poprzecznym w stosunku do kierunku przepływu gazów przez komin (36) wydechowy.
16. Zespół według zastrz. 15, znamienny tym, że dwie oddzielne perforowane płyty (108, 110) są ustawione w kształt litery V, przy czym szerokość kształtu V rośnie w kierunku przepływu gazów wzdłuż komina (36) wydechowego.
17. Zespół według zastrz. 12, znamienny tym, że płyta (12) dyfuzora przykrywa w przybliżeniu od 30 do 90 procent pola powierzchni przekroju poprzecznego komina (36) wydechowego.
18. Zespół według zastrz. 12, znamienny tym, że płyta (12) dyfuzora jest skonfigurowana do redukcji prędkości i poprawienia jednorodności przepływu między napędzaną spalinami pompą (34) strumieniową a sekcją tłumika (38).
19. Zespół według zastrz. 12, znamienny tym, że komin (36) wydechowy jest połączony z obudową (18) turbiny gazowej, przy czym sekcja tłumika komina (36) wydechowego (38), ma liczne przegrody (102) tłumika do wydalania zmieszanych strumieni spalin i powietrza.
20. Zespół według zastrz. 12, znamienny tym, że płyta (12) dyfuzora jest usytuowana wewnątrz komina (36) wydechowego zarówno za pompą (34) strumieniową jak i obudową (18) turbiny gazowej.
21. Zespół według zastrz. 12, znamienny tym, że płyta (12) dyfuzora jest zamontowana wewnątrz komina (36) wydechowego za miejscem gdzie mieszają się gazy spalinowe i powietrze tworząc mieszaninę gazów.
22. Zespół sterowania strumieniem spalin w układzie silnika turbiny gazowej, który składa się z komina wydechowego (36) połączonego do obudowy (18) turbiny gazowej, zakończonego sekcją tłumika (38), znamienny tym, że wewnątrz komina (36) wydechowego jest umieszczona płyta (12) dyfuzora mająca liczne otwory, do równomiernego rozkładu przepływu za płytą (12) dyfuzora dla zmieszanych strumieni spalin z turbiny gazowej i strumieni powietrza wentylacyjnego, napędzanych przez napędzaną spalinami pompę (34) strumieniową.
23. Zespół według zastrz. 22, znamienny tym, że płyta (12) dyfuzora składa się z dwóch oddzielnych płyt (108, 110) perforowanych, ułożonych w kształt litery V, przy czym dwie oddzielne perforowane płyty (108, 110) są usytuowane z odstępem od siebie w kierunku poprzecznym do kierunku przepływu zmieszanych strumieni przez komin (36) wydechowy.
24. Zespół według zastrz. 22, znamienny tym, że płyta (12) dyfuzora przykrywa w przybliżeniu od 30 do 90 procent pola powierzchni przekroju poprzecznego komina (36) wydechowego, zaś

PL 225 191 B1 kształt V dwóch oddzielnych płyt (108, 110) perforowanych ma kąt (113) w przybliżeniu od 110 do 160 stopni.
25. Zespół według zastrz. 22, znamienny tym, że płyta (12) dyfuzora jest usytuowana wewnątrz komina (36) wydechowego zarówno za pompą (34) strumieniową jak i obudową (18) turbiny gazowej.