RU2562682C2 - Турбина, включающая систему клапанов уплотнительного воздуха - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к энергетике. Турбина, содержащая ротор, гидродинамический подшипник для опоры с возможностью вращения ротора, систему подающих воздух каналов для подачи воздуха к гидродинамическому подшипнику, систему отводных каналов для отвода части подаваемого воздуха; систему управления, предназначенную для изменения количества воздуха, отводимого через систему отводных каналов, на основе рабочего режима турбины. Изобретение позволяет предотвратить выход текучей среды подшипника, а также повысить эффективность турбины. 16 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Данное изобретение относится к турбине, в частности к газовой турбине. В частности, данное изобретение относится к турбине, содержащей систему отводных труб и систему управления, предназначенную для изменения количества воздуха, отводимого через систему отводных труб.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известна газовая турбина, содержащая ротор или турбинный вал, который опирается с возможностью вращения на подшипник, компрессор, включающий роторные лопатки, установленные на роторе для сжатия воздуха, камеру сгорания для сжигания смеси топлива и сжатого воздуха, и турбинную часть, которая преобразует энергию, содержащуюся в сжигаемой смеси топлива и сжатого воздуха, в механическую энергию для привода ротора. Газовая турбина может, например, использоваться для генерирования электрической энергии посредством привода генератора с использованием механической энергии.

Из US 2007/0107438 А1 известна газовая турбина, в которой ротор опирается с возможностью вращения на подшипники, включающие смазочное масло. Вблизи подшипников предусмотрены уплотнительные кольца, так что смазочное масло не вытекает из подшипников. Дополнительно к этому, уплотнительный воздух, который отводится из компрессора, подается в уплотнительные кольца, так что смазочное масло не просачивается из подшипников. Турбинный компрессор или вспомогательный источник воздуха можно использовать для обеспечения уплотнительного воздуха. Предусмотрена система клапанов для переключения между внутренним источником воздуха газовой турбины и вспомогательным источником воздуха.

В GB 702931 раскрыта роторная машина, в которой воздух, отбираемый из компрессора высокого давления, используется для исключения попадания смазочного масла в проходы для потока воздуха компрессора.

В GB 2111607 А раскрыта система герметизации полости подшипника, в которой чувствительный к давлению клапан управляет подачей воздуха в подшипник из источников, имеющих различные уровни давления внутри газовой турбины.

В ЕР 0354422 В1 раскрыта газовая турбина, в которой клапан управляет давлением в полости подшипника турбины в зависимости от параметров, представляющих рабочие условия.

В FR 2698406 раскрыт процесс герметизации смазочного отсека турбины, в котором управление потоком осуществляется с помощью клапана.

Было установлено, что в обычной турбине не обеспечивается при всех рабочих условиях турбины предотвращение выхода смазочного масла, содержащегося в полости подшипника для опоры ротора, из полости подшипника в направлении других компонентов турбины. Кроме того, было установлено, что при определенных рабочих условиях потребность в воздухе, поставляемом внешним компрессором, является относительно высокой, что значительно увеличивает стоимость, а также уменьшает эффективность всей системы.

Задачей данного изобретения является создание турбины, имеющей небольшую потребность в уплотнительном воздухе из внешнего компрессора, имеющей тем самым более высокую эффективность, при одновременном обеспечении предотвращения выхода текучей среды подшипника, в частности масла, из полости подшипника.

Другой задачей данного изобретения является создание турбины, улучшенной, в частности, во время определенных рабочих условий, таких как горячее выключение, когда турбина быстро останавливается, например, посредством выключения подачи топлива в случае эксплуатационного отказа.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно одному аспекту выполнения, предлагается турбина, которая содержит ротор; гидродинамический подшипник для опоры с возможностью вращения ротора; систему труб подачи воздуха для подачи воздуха к гидродинамическому подшипнику; систему отводных труб для отвода части подаваемого воздуха; и систему управления, предназначенную для изменения количества воздуха, отводимого через систему отводных труб, на основе рабочего состояния турбины.

В контексте данной заявки система подающих воздух труб называется также системой подающих воздух каналов, а система отводных труб называется также системой отводных каналов. Таким образом, труба в контексте данного изобретения не обязательно имеет трубообразную или трубчатую форму, а может иметь любую форму или же может быть структурой, подходящей для направления или канализации текучей среды, в частности, воздуха.

В частности, турбина может быть газовой турбиной. Турбина может содержать единственный ротор или два ротора, которые отделены друг от друга. При опоре на гидродинамический подшипник ротор способен вращаться вокруг оси вращения, проходящей в осевом направлении. Гидродинамический подшипник может содержать любую газовую текучую среду или жидкую текучую среду, в частности, масло. Текучая среда может подаваться под давлением, например, посредством нагнетания текучей среды, в частности масла, в полость гидродинамического подшипника. За счет этого тонкий слой текучей среды может заполнять зазор между опорной поверхностью ротора, называемой также цапфой ротора или вала, и опорной поверхностью статорной части турбины внутри опорной полости гидродинамического подшипника. Текучая среда может непрерывно нагнетаться в полость подшипника для сохранения тонкого слоя текучей среды между опорными поверхностями, вращающимися относительно друг друга.

Система подающих воздух труб для подачи воздуха к гидродинамическому подшипнику может содержать одну или несколько подающих воздух труб в различных осевых положениях и/или в различных окружных положениях турбины. Система подающих воздух труб может называться также подачей уплотнительного воздуха. Воздух из различных источников может подаваться в систему подающих воздух труб. Например, воздух, отбираемый из компрессора турбины, или воздух, генерируемый внешним компрессором, можно подавать в систему подающих воздух труб. С использованием одного или нескольких клапанов, воздух из этих различных источников можно также смешивать или комбинировать для достижения желаемого давления, температуры, объема в единицу времени и/или массы в единицу времени, поставляемой в систему подающих воздух труб, в частности, в зависимости от рабочего состояния турбины.

Воздух, подаваемый к гидродинамическому подшипнику с использованием системы подающих воздух труб, может выполнять функцию предотвращения выхода текучей среды из подшипника или по меньшей мере предотвращения входа текучей среды в другие части турбины, такие как выход компрессора, где из компрессора выходит имеющий высокую температуру, высокое давление воздух, подлежащий смешиванию с топливом и сгоранию в камере сгорания турбины. Ввод текучей среды, в частности масла, в выходной проход компрессора, может приводить к проблемам, таким как карбонизация и загрязнение, что приводит к уменьшению стойкости и/или эффективности турбины.

При нормальных рабочих условиях, дополнительный, имеющий высокую температуру и высокое давление воздух, отбираемый с выхода компрессора, можно подавать к гидродинамическому подшипнику для предотвращения выхода текучей среды из полости гидродинамического подшипника.

Система отводных труб для отвода части подаваемого воздуха, может содержать несколько отводных труб, расположенных в различных осевых положениях и/или различных окружных положениях турбины. Система отводных труб может отводить избыточный воздух, подаваемый к гидродинамическому подшипнику, в частности воздух, который слишком горячий, с целью предотвращения дополнительной, обусловленной температурой деградации текучей среды подшипника, в частности, масла. Система отводных труб может вести в атмосферу и/или в выпускной канал турбины.

Система управления предназначена для изменения количества воздуха, отводимого через систему отводных труб, при этом количество может быть расходом, таким как объем воздуха в единицу времени, масса воздуха или объем воздуха или масса воздуха, отводимого внутри определенного интервала времени, такого как 1 секунда, 10 секунд, 1 минута или 5 минут. Система управления может содержать механические компоненты, такие как один или несколько клапанов, одно или несколько чувствительных устройств для измерения количества воздуха, отводимого через систему отводных труб, а также управляющие модули программного или аппаратного обеспечения для считывания измеряемых чувствительными устройствами величин и для регулирования одного или нескольких клапанов. При этом чувствительные устройства, в частности их зонды, могут быть расположены в одном или нескольких местах внутри системы отводных труб. Кроме того, один или несколько клапанов могут быть расположены в одной или нескольких отводных трубах, содержащихся в системе отводных труб, и в частности, в общей отводной трубе, ведущей к выходу снаружи турбины.

Рабочий режим турбины может характеризоваться подачей топлива в одну или несколько камер сгорания турбины, скоростью вращения ротора, количеством воздуха, выходящим из компрессора турбины и/или комбинацией указанных выше параметров. В частности, система управления может содержать один или несколько измерительных зондов для определения рабочего режима турбины. Система управления может быть предназначена для обработки измеряемых величин и регулирования одного или нескольких клапанов посредством приведения в действие одного или нескольких исполнительных механизмов. В частности, система управления может быть предназначена для обнаружения неисправности турбины и условия быстрого выключения турбины, такого как горячее выключение.

Согласно одному варианту выполнения, система управления предназначена для уменьшения количества воздуха, отводимого через систему отводных труб, если скорость вращения ротора меньше заданного значения. В этом случае подача воздуха, отбираемого с выхода компрессора, может быть уменьшена, а также может быть уменьшено количество воздуха, отбираемого из осевого положения компрессора турбины выше по потоку, который подается в систему подающих воздух труб. Это может быть непосредственным результатом уменьшенной скорости вращения ротора. Таким образом, может быть необходимо, с целью предотвращения выхода текучей среды из гидродинамического подшипника, дополнительно подавать воздух, генерированный с помощью внешнего компрессора, в систему подающих воздух труб для подачи воздуха к гидродинамическому подшипнику. Одновременно может отпадать необходимость отвода избытка воздуха, подаваемого к гидродинамическому подшипнику с использованием системы отводных труб. В любом случае количество воздуха, отводимого через систему отводных труб, может быть по меньшей мере уменьшено, с целью уменьшения потребности в воздухе, подаваемом в систему подающих воздух труб с использованием внешнего компрессора. За счет этого может быть улучшена эффективность всей системы и уменьшена стоимость.

Согласно одному варианту выполнения, турбина содержит внешний компрессор для подачи воздуха в систему подающих воздух труб. Внешний компрессор могут быть устройством, отдельным от турбины, которое может содержать ротор, имеющий роторные лопатки, отличные от ротора и роторных лопаток турбины. В качестве альтернативного решения, может быть предусмотрена подача производственного сжатого воздуха. Воздух, подаваемый к гидродинамическому подшипнику с помощью внешнего компрессора, может требоваться для предотвращения выхода текучей среды из полости подшипника или по меньшей мере для уменьшения количества выходящей текучей среды во время выключения турбины.

Согласно одному варианту выполнения, система управления дополнительно предназначена для изменения количества воздуха, подаваемого с помощью внешнего компрессора в систему подающих воздух труб. В частности, система управления может быть предназначена для изменения количества воздуха, подаваемого с помощью внешнего компрессора в систему подающих воздух труб, на основе рабочего режима турбины. В частности при нормальных рабочих условиях, воздух не генерируется или лишь небольшая доля воздуха, подаваемого к гидродинамическому подшипнику, генерируется внешним компрессором, и основная часть воздуха, подаваемого к гидродинамическому подшипнику, может генерироваться компрессором турбины в промежуточном осевом положении (промежуточной ступени) компрессора турбины по потоку выше выхода компрессора. Однако во время выключения, в частности горячего выключения турбины, может требоваться увеличение количества воздуха, подаваемого с помощью внешнего компрессора в систему подающих воздух труб, с целью предотвращения выхода текучей среды из гидродинамического подшипника или достижения прохода для воздуха компрессора.

Поэтому в контексте данного изобретения поток воздуха через компрессор турбины задает направление потока от выше по потоку к ниже по потоку с обеспечением возможности задания относительных осевых положений (положений вдоль оси вращения ротора или турбинного вала) двух элементов.

Согласно одному варианту выполнения, гидродинамический подшипник содержит полость гидродинамического подшипника и трубу подачи текучей среды подшипника для подачи текучей среды в полость гидродинамического подшипника. Текучая среда подшипника может заполнять зазор между опорной поверхностью ротора и опорной поверхностью полости подшипника для обеспечения плавного вращения ротора относительно полости подшипника на смазке опорных поверхностей. Кроме того, текучая среда подшипника может способствовать отводу тепла от ротора. Текучую среду подшипника можно непрерывно нагнетать через трубу подачи текучей среды подшипника в полость подшипника. Труба подачи текучей среды подшипника может быть окружена кольцевой возвратной трубой для возврата избыточной текучей среды, в частности, масла. Текучую среду подшипника можно подавать в полость гидродинамического подшипника через трубу подачи текучей среды подшипника при нормальных рабочих условиях, а также во время горячего выключения, с целью отвода тепла, в частности остаточного тепла, от ротора.

Согласно одному варианту выполнения, турбина дополнительно содержит турбинный компрессор, содержащий множество роторных лопаток, закрепленных на роторе в различных осевых положениях, при этом система управления предназначена для подачи воздуха, отбираемого предпочтительно из промежуточного осевого положения турбинного компрессора, в систему подающих воздух труб. В частности, система управления может быть предназначена для подачи воздуха, отбираемого из промежуточного осевого положения компрессора турбины в систему подающих воздух труб при нормальных рабочих условиях. Промежуточное осевое положение компрессора турбины может быть расположено между входом компрессора для впуска подлежащего сжатию воздуха и выходом компрессора, где сжатый воздух выходит из компрессора. В частности, промежуточное осевое положение компрессора турбины может быть расположено по потоку перед осевым положением выхода компрессора. За счет этого при нормальных рабочих условиях нет необходимости подавать воздух в систему подающих воздух труб с использованием внешнего компрессора. Поэтому уменьшается потребность в воздухе, генерируемом внешним компрессором, что приводит к снижению стоимости и улучшению эффективности всей системы.

Согласно одному варианту выполнения, турбина дополнительно содержит статорную часть турбины, в которой расположена полость гидродинамического подшипника, при этом между ротором и статорной частью турбины образован кольцевой зазор, соединенный с возможностью прохождения, в частности, воздуха или текучей среды, с выходом компрессора турбины, расположенным по потоку после промежуточного осевого положения, при этом кольцевой зазор также соединен, в частности с возможностью прохождения текучей среды, с полостью гидродинамического подшипника. Кольцевой зазор может называться также кольцевым просветом, ограниченным поверхностью ротора на одной стороне и поверхностью статора на другой стороне. Поверхность ротора, а также поверхность статора может иметь нерегулярную форму и может иметь, в частности, не плоскую или цилиндрическую форму, а может иметь ступенчатую форму, имея тем самым различные диаметры в различных осевых положениях.

Поскольку кольцевой зазор или кольцевой просвет соединен с выходом компрессора турбины, сжатый воздух, отбираемый с выхода компрессора, может входить в кольцевой просвет и может тем самым подаваться к и/или в полость гидродинамического подшипника. За счет этого, в частности при нормальных рабочих условиях турбины, предотвращается вход текучей среды, содержащейся внутри полости гидродинамического подшипника, в кольцевой просвет или по меньшей мере в выходной проход компрессора турбины, что в противном случае может оказывать отрицательное влияние на работу турбины.

Согласно одному варианту выполнения, кольцевой зазор образован с помощью нескольких лабиринтных уплотнений. Лабиринтные уплотнения предназначены для обеспечения вращения ротора относительно статорной части турбины при одновременном уменьшении количества текучей среды, выходящей из полости гидродинамического подшипника, что улучшает работу турбины.

Согласно одному варианту выполнения, система отводных труб соединена с кольцевым зазором. За счет этого обеспечивается возможность отвода избытка воздуха, подаваемого к гидродинамическому подшипнику через кольцевой зазор, или по меньшей мере частично проходящего внутри кольцевого зазора, через систему отводных труб. Отвод избытка воздуха может быть необходим, в частности, во время нормальных рабочих условий турбины. В противоположность этому, во время горячего выключения, система управления может закрывать систему отводных труб или по меньшей мере уменьшать скорость потока воздуха, отводимого через систему отводных труб, с целью уменьшения потребности в воздухе, генерируемом с помощью внешнего источника воздуха, такого как внешний компрессор, который может требоваться для включения, в частности, во время горячего выключения.

Согласно одному варианту выполнения, система подающих воздух труб соединена с кольцевым зазором. За счет этого обеспечивается возможность подачи воздуха, подаваемого в систему подающих воздух труб, по меньшей мере частично через кольцевой зазор к гидродинамическому подшипнику. В частности, система подающих воздух труб может быть соединена с кольцевым зазором по потоку после выхода компрессора турбины, но по потоку перед гидродинамическим подшипником. Дополнительно к этому, система подающих воздух труб может быть соединена с кольцевым зазором по потоку после гидродинамического подшипника.

Система отводных труб может быть соединена с кольцевым зазором по потоку после выхода компрессора и перед гидродинамическим подшипником. Дополнительно к этому или в качестве альтернативного решения, система отводных труб может быть соединена с кольцевым зазором по потоку после гидродинамического подшипника. Соединение системы отводных труб с кольцевым зазором может быть реализовано посредством предусмотрения одного или нескольких отводных труб в различных осевых положениях и/или различных окружных положениях.

В частности, система подающих воздух труб может содержать кольцевую полость, расположенную в положении радиально снаружи кольцевого зазора в соответствующем осевом положении. Из этой кольцевой полости могут выходить одна или несколько подающих воздух труб радиально внутрь к кольцевому зазору. Воздух может подаваться к кольцевой полости, откуда воздух направляется через одну или несколько подающих воздух труб к кольцевому зазору и оттуда в направлении гидродинамического подшипника, в частности, к полости гидродинамического подшипника, содержащей текучую среду подшипника. За счет этого текучая среда может эффективно удерживаться внутри полости подшипника.

Согласно одному варианту выполнения, система управления дополнительно предназначена для регулирования количества воздуха, подаваемого через систему подающих воздух труб к гидродинамическому подшипнику, и для регулирования количества воздуха, отводимого через систему отводных труб, так что предотвращается прохождение текучей среды подшипника через зазор к выходу компрессора турбины. Кроме того, система управления может быть предусмотрена для минимизации потребности в воздухе, подаваемом внешним компрессором, посредством запирания системы отводных труб или по меньшей мере уменьшения скорости потока воздуха, отводимого через систему отводных труб, при одновременном предотвращении прохождения текучей среды подшипника через кольцевой зазор к выходу компрессора турбины. Таким образом, может быть улучшена надежность и эффективность всей системы.

Согласно одному варианту выполнения, система отводных труб содержит первый комплект, второй комплект, третий комплект и четвертый комплект отводных труб, при этом первый комплект и второй комплект расположены в осевом направлении на различных расстояниях от гидродинамического подшипника в первом осевом направлении, проходящем вдоль оси вращения ротора, а третий комплект и четвертый комплект расположены в осевом направлении на различных расстояниях от гидродинамического подшипника во втором осевом направлении, противоположном первому осевому направлению. За счет этого первый комплект, второй комплект, третий комплект и четвертый комплект могут содержать каждый одну или несколько отводных труб, которые могут быть расположены на расстоянии друг от друга в окружном направлении. Первый комплект и четвертый комплект могут содержать совместно множество отводных труб, расположенных в двух различных осевых положениях и расположенных в нескольких различных окружных положениях.

Согласно одному варианту выполнения, первый комплект и четвертый комплект отводных труб ведут к одной общей отводной трубе, а второй комплект и третий комплект отводных труб ведут к другой общей отводной трубе. За счет этого первый комплект и четвертый комплект отводных труб могут быть расположены на большем расстоянии от гидродинамического подшипника, чем второй комплект и третий комплект отводных труб. Общая отводная труба, а также другая общая отводная труба могут содержать каждая отверстие, выход или соединительный элемент, который доступен из пространства снаружи турбины, что обеспечивает возможность контролируемого отвода возможно загрязненного текучей средой подшипника воздуха.

Согласно одному варианту выполнения, система управления содержит клапан, расположенный в системе отводных труб. Система управления может содержать один или несколько клапанов. В частности, один или несколько клапанов могут быть расположены в общей отводной трубе и/или в другой общей отводной трубе и/или в одной или нескольких отводных трубах системы отводных труб. В частности, один клапан может быть расположен в точке выхода общей отводной трубы из турбины, и один клапан может быть расположен в точке выхода другой общей отводной трубы из турбины.

За счет этого нет необходимости в изменении системы труб для отвода избытка воздуха, а можно использовать ее без изменения, за исключением предусмотрения клапана в выходе на периферии турбины.

Во время горячего выключения требуется количество воздуха, генерируемого внешним компрессором, для предотвращения выхода текучей среды из гидродинамического подшипника около 70 нормализованных м³/ч. При этом нормализованный объем является объемом, который занимает подаваемый внешним компрессором воздух, если воздух имеет давление 1 атмосферу и температуру 0°С. За счет предусмотрения системы управления для изменения количества воздуха, отводимого через систему отводных труб, можно экономить значительную часть этого требуемого количества воздуха. Оценка с помощью компьютерного моделирования показывает, что более 50% воздуха, генерируемого внешним компрессором и подаваемого к гидродинамическому подшипнику, может быть сэкономлена при закрывании потока через систему отводных труб во время выключения.

Согласно одному варианту выполнения, клапан пневматически управляется с помощью воздуха, подаваемого внешним компрессором. Согласно одному варианту выполнения, клапан может быть дросселирован тем больше, чем больше количество воздуха, подаваемого внешним компрессором. В качестве альтернативного решения или дополнительно к этому, клапаном можно управлять на основе других параметров или измерительных величин рабочего режима турбины.

Согласно одному варианту выполнения, система подачи воздуха содержит два комплекта подающих воздух труб в двух различных осевых положениях, одно из которых расположено на расстоянии от гидродинамического подшипника в осевом направлении, а другое из которых расположено на осевом расстоянии от гидродинамического подшипника в противоположном осевом направлении. Как указывалось выше, подающие воздух трубы могут быть соединены с кольцевым зазором и с кольцевой полостью, расположенной в статорной части турбины радиально дальше наружу, чем кольцевой зазор в соответствующем осевом положении.

Любые признаки, раскрытые в контексте указанных выше вариантов выполнения турбины, применимы по отдельности и/или в комбинации также в вариантах выполнения способа управления турбиной.

Согласно одному аспекту изобретения, предлагается способ работы турбины, при этом способ содержит вращение ротора, опирающегося на гидродинамический подшипник; подачу воздуха к гидродинамическому подшипнику через систему подающих труб; отвод части подаваемого воздуха через систему отводных труб; изменение на основе рабочего режима турбины количества воздуха, отводимого через систему отводных труб, с использованием системы управления.

Согласно одному варианту выполнения, способ дополнительно содержит уменьшение количества воздуха, отводимого через систему отводных труб во время быстрого выключения турбины. Быстрое выключение турбины может происходить, например, когда прерывается или останавливается подача топлива в камеры сгорания турбины. Прерывание подачи топлива может быть необходимо, например, при проявлении неисправности системы.

Следует отметить, что описание вариантов выполнения изобретения было приведено относительно различных предметов изобретения. В частности, описание некоторых вариантов выполнения приведено относительно способа, в то время как описание других вариантов выполнения дано относительно устройства. Однако для специалистов в данной области техники из приведенного выше и последующего описания понятно, если не указано другое, что дополнительно к любой комбинации признаков, относящихся к одному предмету изобретения, возможна также любая комбинация между признаками, относящимися к различным предметам изобретения, в частности, между признаками относящихся к способу пунктов формулы изобретения и признаками относящихся к устройству пунктов формулы изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Указанные выше аспекты и другие аспекты данного изобретения следуют из приведенного ниже описания не имеющих ограничительного характера примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых схематично изображено:

фиг.1 - разрез части газовой турбины, согласно одному варианту выполнения, включая пути подачи воздуха к полости подшипника;

фиг.2 - разрез части газовой турбины, показанной на фиг.1, включая пути отвода воздуха от полости подшипника.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Изображения на чертежах схематичны. Следует отметить, что на различных фигурах аналогичные или идентичные элементы обозначены одинаковыми позициями или позициями, которые отличаются от соответствующей позиции лишь первой цифрой.

На фиг.1 показана в разрезе часть газовой турбины 1, согласно одному варианту выполнения. Газовая турбина 1 содержит ротор 2, который вращается вокруг оси 3 вращения. На роторе 2 закреплено множество держателей 4 роторных лопаток, между которыми зажато множество роторных лопаток 5. В других вариантах выполнения ряд роторных лопаток не должен зажиматься между двумя держателями роторных лопаток, а может быть закреплен на единственном держателе лопаток. Держатель роторных лопаток может быть выполнен в виде диска с прорезями для подлежащих установке роторных лопаток. При вращении ротора 2, роторные лопатки 5 вращаются внутри воздушного прохода 10 турбинного компрессора 7, включенного в газовую турбину 1. Кроме того, компрессор 7 содержит множество направляющих лопаток 6, которые закреплены на статорной части турбины 1. Воздух входит в компрессор 7 через вход 9 компрессора. Воздух, входящий в компрессор 7, проходит внутри воздушного прохода 10 в направлении, обозначенном стрелкой 11. Стрелка 11 задает направление от выше по потоку к ниже по потоку. Направление стрелки 11 по меньшей мере приблизительно соответствует осевому направлению 13, проходящему параллельно оси 3 вращения.

Вдоль этого прохода через компрессор 7 сжимается воздух, входящий у входа 9, за счет вращения роторных лопаток 5, и выходит из компрессора 7 у выхода 15 компрессора. Затем сжатый воздух подается в камеру 17 сгорания, содержащуюся в камерах сгорания 19. Внутри камеры 17 сгорания сжатый воздух смешивается с топливом и сжигается. Затем имеющая высокую температуру и высокое давление сожженная смесь топлива и сжатого воздуха подается в турбинную часть 21 газовой турбины 1, которая лишь частично показана на фиг.1. Турбинная часть 21 содержит множество направляющих лопаток 23, из которых на фиг.1 показан лишь один комплект направляющих лопаток 23, которые направляют имеющую высокую температуру и высокое давление текучую среду, выходящую из камеры 17 сгорания, к множеству роторных лопаток 25, из которых на фиг.1 показан лишь один комплект роторных лопаток 25, которые соединены через держатели 27 роторных лопаток с ротором 2. За счет этого ротор приводится во вращение так, что роторные лопатки 5 компрессора вращаются для сжатия воздуха.

Для того чтобы ротор 2 мог плавно вращаться относительно статорной части 8 (см. фиг.2) турбины 1, ротор 2 опирается на несколько подшипников. В показанном на фиг.1 варианте выполнения схематично изображены два подшипника, при этом подшипник 29 расположен приблизительно в осевом положении входа 9 компрессора, а подшипник 31 (называемый также выходным подшипником компрессора турбины) расположен по потоку после выхода 15 турбинного компрессора 7.

Часть фиг.1 показана на фиг.2, за счет чего более детально показан подшипник 31. Подшипник 31 является гидродинамическим подшипником, при этом в качестве текучей среды предпочтительно используется масло. При нормальных рабочих условиях турбины 1, масло непрерывно нагнетается в полость 33 подшипника через не изображенную трубу подачи масла. Масло, содержащееся под давлением внутри полости 33 гидродинамического подшипника, используется для заполнения просвета 35 между опорной поверхностью 37 ротора 2 и опорной поверхностью 39 статорной части турбины внутри полости 33 гидродинамического подшипника. Пленка масла, присутствующая внутри просвета 35, обеспечивает плавное вращение ротора 2 относительно статорной части турбины 1 при уменьшенном трении. Полость 33 гидродинамического подшипника частично ограничена поверхностью статорной части 8 турбины 1 и частично ограничена поверхностью 37 ротора 2.

Ниже по потоку (справа на фиг.2) и выше по потоку (слева на фиг.2) от гидродинамического подшипника 31 расположено множество лабиринтных уплотнений 41 между статорной частью 8 и ротором 2. Лабиринтные уплотнения 41 образуют кольцевой зазор или кольцевой просвет между статорной частью 8 и ротором 2. С одной стороны, уплотнения 41 обеспечивают возможность вращения ротора 2 относительно статорной части 8 и, с другой стороны, уплотнения 41 частично предотвращают выход находящегося под давлением масла, содержащегося внутри полости 33 гидродинамического подшипника, из полости 33 гидродинамического подшипника. Однако уплотнения 41 не могут полностью предотвращать выход масла из полости 33 гидродинамического подшипника, поскольку вращение ротора 2 относительно статорной части 8 требует некоторого просвета между этими двумя частями, а масло находится под высоким давлением.

Поскольку лабиринтные уплотнения 41 не могут обеспечивать абсолютно герметичную функцию уплотнения, то создается буфер давления посредством введения части сжатого воздуха, поставляемого компрессором 7, в выход 15 компрессора вдоль направления, обозначенного стрелкой 43. В показанном варианте выполнения сжатый воздух отводится из воздушного прохода 10 компрессора 7 по потоку слегка перед выходом 15 компрессора 7. В других вариантах выполнения часть сжатого воздуха направляется из воздушного прохода компрессора в другой ступени компрессора, например, дальше вверх по потоку или дальше вниз по потоку. Сжатый воздух, направляемый из воздушного прохода 10 компрессора вдоль направления 43, может иметь температуру между 300°С и 450°С, в зависимости от варианта выполнения. Горячий воздух высокого давления подается к полости гидродинамического подшипника через множество лабиринтных уплотнений 41, образующих кольцевой просвет. За счет этого сжатый, имеющий высокую температуру воздух, распространяющийся в направлении 43, способствует предотвращению выхода масла из полости 33 гидродинамического подшипника и попадания в воздушный проход 10 компрессора. Вся эта система может быть предназначена для работы под полной нагрузкой и/или при постоянной скорости вращения и/или при постоянном крутящем моменте, обеспечиваемым ротором (внутри данного документа это рассматривается в качестве нормального режима или нормальной работы газовой турбины).

Для реализации этой функции предотвращения выхода масла предусмотрена система подающих воздух труб для подачи воздуха к гидродинамическому подшипнику 31. Система подающих воздух труб содержит подающие воздух трубы, из которых лишь две трубы, а именно, подводящий канал 45 и подводящий канал 47 показаны на фиг.2. В частности, в этом канале 45 и канале 47 могут быть выполнены отверстия в статоре 8. Множество других подающих воздух труб расположены в том же осевом положении, что и подводящий канал 45, на расстоянии друг от друга в окружном направлении, и множество других подающих воздух труб в том же осевом положении, что и подводящий канал 47, предусмотрено во множестве окружных положений. Подающие воздух трубы, расположенные в осевом положении подводящего воздух канала 45, соединены с кольцевой полостью 49, и множество подающих воздух труб в осевом положении подводящего воздух канала 47 соединено с кольцевой полостью 51.

Различные источники воздуха могут подавать воздух в кольцевые полости 49 и 51. Как схематично показано на фиг.1, воздух может подаваться через трубу 53 из промежуточной ступени компрессора 7, которая поставляет воздух с более низкой температурой и более низким давлением, чем вблизи выхода 15 турбинного компрессора 7. Клапан 55 может управлять количеством воздуха, подаваемого из промежуточной ступени компрессора 7 в кольцевые полости 49 и 51. Воздух из промежуточной ступени компрессора 7 обычно используется во время нормальных условий работы турбины для подачи воздуха в кольцевые полости 49 и 51 и тем самым через подводящие воздух каналы 45 и 47 к гидродинамическому подшипнику 31, с целью улучшения предотвращения выхода масла из полости 33 гидродинамического подшипника, а также обеспечения охлаждения. В целом турбина 1 может содержать 8 подающих воздух труб, расположенных по окружности турбины 1, лишь две из которых, а именно, канал 45 и канал 47 показаны на фиг.2.

Во время этих нормальных рабочих условий избыток воздуха, вводимого в направлении 43 через множество лабиринтных уплотнений 41 и вводимого чрез подводящие воздух каналы 45 и 47, отводится с использованием системы отводных труб, содержащей множество отводных труб, из которых лишь отводные каналы 57, 59, 61 и 63 показаны на фиг.2. В частности, каналы могут быть выполненными в статоре в виде отверстий или щелей. Отводные каналы 576, 59, 61 и 63 соединены с кольцевым зазором, включающим уплотнения 41, и проходят в радиальном направлении для отвода избытка воздуха наружу. Отводные трубы, расположенные в осевых положениях, соответствующих отводным каналам 57 и 63, могут вести к общей отводной трубе 65, в которой расположен клапан 67. Аналогичным образом, отводные трубы, расположенные в осевых положениях, соответствующих отводным каналам 59 и 61, могут вести к другой общей отводной трубе 69, в которой расположен клапан 71. Посредством регулирования или управления клапанами 67 и 71 можно управлять количеством воздуха, отводимого через систему отвода воздуха, содержащую отводные каналы 57, 59, 61 и 63 и другие отводные каналы, не изображенные на фиг.2, и в частности, уменьшать при не нормальных рабочих условиях, таких как во время горячего выключения.

Во время горячего выключения количество сжатого воздуха, обеспечиваемого в промежуточном положении компрессора 7 и направляемого через трубу 53, может быть недостаточным для эффективного предотвращения выхода масла из полости 33 гидродинамического подшипника. Поэтому во время горячего выключения необходимо подавать воздух дополнительно или исключительно с помощью внешнего компрессора 73, как показано на фиг.1. Воздух, генерируемый внешним компрессором 73, направляется через трубу 75, и его количество управляется с помощью клапана 77, предназначенного для подачи воздуха через трубу 46 в подводящие воздух каналы 45 и 47.

Клапаны 67 и 71 системы отводных труб можно регулировать, например, с помощью управляющего и обрабатывающего модуля, через линии 74 и 76 управления, соответственно. В то время как клапаны 67 и 71 могут быть открыты во время нормальных рабочих условий газовой турбины 1, клапан 67 и клапан 71 могут быть закрыты или по меньшей мере дросселированы во время выключения газовой турбины 1. За счет этого теряется меньше воздуха, генерируемого внешним компрессором 73 и вводимого через подводящие воздух каналы 45 и 47, через систему отводных труб, включающую отводные каналы 57, 598, 61 и 63. За счет этого уменьшается потребность в воздухе, генерируемом внешним компрессором 73, что приводит к уменьшению стоимости и улучшению эффективности всей системы.

Во время горячего выключения масло может непрерывно подаваться в гидродинамический подшипник 31 с целью отвода остаточного тепла из турбины 1. Это может предотвращать появление термических повреждений, однако уплотнительный (буферный) воздух, подаваемый через подводящие воздух каналы 45 и 47, может еще требоваться для сохранения массового потока через лабиринтные уплотнения 41 и в полость 33 подшипника для предотвращения тем самым вхождения масла в уплотнения и отводные каналы 57, 59, 61 и 63.

Общая отводная труда 65 и другая общая отводная труба 69 выходят из турбины и обеспечивают простую установку клапанов 67 и 71. Таким образом, эффективность всей системы можно увеличивать без необходимости изменения существующей системы отводных труб внутри оболочки турбины. Клапаны 67 и/или 71 могут работать подпружиненным в сторону открывания образом. При выходе из строя клапанов они выходят из строя в открытом положении, обеспечивая сохранение рабочих условий. Когда клапаны 67, 71 закрываются при низкой скорости ротора 2 или статичных условиях, то требуется значительно меньше воздуха для сохранения массового потока через уплотнения 41 в полость 33 подшипника. Клапанами 67, 71 можно управлять пневматически с помощью воздуха, генерируемого внешним компрессором 73. В качестве альтернативного решения, ими можно управлять с использованием электронного управляющего блока.

С помощью поясненного выше изобретения можно выполнять, в частности, следующее:

1) Когда двигатель работает в режиме полной нагрузки, то компрессор поставляет более чем достаточно воздуха. Однако, когда двигатель работает с малой скоростью, то воздух поставляется внешним компрессором в оба подшипника. Предпочтительно, давление, обеспечиваемое внешним компрессором, может быть значительно уменьшено за счет использования управляющих клапанов для закрывания вентиляционных каналов (предусмотренных для вентиляции избытка горячего воздуха) во время работы с низкой скоростью или при статичных условиях, когда все еще требуется масло внутри подшипников. Это предотвращает выход воздуха через вентиляционные каналы (которые в противном случае являются наиболее легким выходом), что позволяет снижать требования к воздушному уплотнению. Один из признаков для реализации этого состоит в расположении двух управляющих клапанов в точке выхода труб из оболочки.

2) Изобретение обеспечивает возможность продолжения использования уже существующей подачи масла, однако значительно уменьшается потребность во вспомогательном воздухе и тем самым обеспечивается возможность применения более подходящего размера накопителя воздуха и/или снижается зависимость от объема вспомогательного воздуха, создаваемого с помощью вспомогательного компрессора. Это достигается посредством временного закрывания каналов во время горячего выключения, за счет чего вся уменьшенная подача буферного воздуха претерпевает ограничение потока в лабиринтных уплотнениях, при этом уменьшенная подача вспомогательного воздуха еще обеспечивает ограничение потока масла в зоны. Каналы должны быть также дросселированы для улучшения оптимальной возможности вентиляции буферного воздуха, загрязненного маслом подшипников, обратно в бак и управления вспениванием масла в основных дренажных каналах, с целью достижения компромисса с желанием минимизировать зависимость от подачи вспомогательного воздуха.

Следует отметить, что понятие «содержащий» не исключает другие элементы или стадии, а неопределенный артикль не исключает множественности. Можно также комбинировать элементы, указанные в связи с различными вариантами выполнения. Следует также отметить, что указание позиций в формуле изобретения не следует понимать как ограничение объема формулы изобретения.

Claims (17)

1. Турбина, содержащая:
ротор (2);
гидродинамический подшипник (31) для опоры с возможностью вращения ротора;
систему (45, 47) подающих воздух каналов для подачи воздуха к гидродинамическому подшипнику;
систему (57, 59, 61, 63) отводных каналов для отвода части подаваемого воздуха;
систему (67, 71) управления, предназначенную для изменения количества воздуха, отводимого через систему отводных труб, на основе рабочего режима турбины.

2. Турбина по п.1, в которой система управления предназначена для уменьшения количества воздуха, отводимого через систему отводных каналов, если скорость вращения ротора меньше заданного значения.

3. Турбина по п.1, дополнительно содержащая внешний компрессор (73) для подачи воздуха в систему подающих воздух каналов.

4. Турбина по п.2, дополнительно содержащая внешний компрессор (73) для подачи воздуха в систему подающих воздух каналов.

5. Турбина по п.3, в которой система управления дополнительно предназначена для изменения количества воздуха, подаваемого с помощью внешнего компрессора в систему подающих воздух каналов.

6. Турбина по п.4, в которой система управления дополнительно предназначена для изменения количества воздуха, подаваемого с помощью внешнего компрессора в систему подающих воздух каналов.

7. Турбина по любому из пп.1-6, в которой гидродинамический подшипник содержит полость (33) гидродинамического подшипника и трубу подачи текучей среды подшипника для подачи текучей среды подшипника в полость гидродинамического подшипника.

8. Турбина по любому из пп.1-6, дополнительно содержащая турбинный компрессор (7), содержащий множество роторных лопаток (5), закрепленных на роторе в различных осевых положениях, при этом система управления предназначена для подачи воздуха, отбираемого из промежуточного осевого положения турбинного компрессора, в систему подающих воздух каналов.

9. Турбина по п.8, дополнительно содержащая статорную часть (8) турбины, в которой расположена полость гидродинамического подшипника, при этом между ротором и статорной частью турбины образован кольцевой зазор (41), соединенный с выходом (15) турбинного компрессора, расположенным по потоку после промежуточного осевого положения, а также с полостью (33) гидродинамического подшипника.

10. Турбина по п.9, в которой кольцевой зазор образован с помощью нескольких лабиринтных уплотнений (41).

11. Турбина по п.9, в которой система отводных каналов (57, 59, 61, 63) соединена с кольцевым зазором.

12. Турбина по п.9, в которой система подающих воздух каналов (45, 47) соединена с кольцевым зазором.

13. Турбина по п.9, в которой система управления дополнительно предназначена для регулирования количества воздуха, подаваемого через систему подающих воздух каналов к гидродинамическому подшипнику, и для регулирования количества воздуха, отводимого через систему отводных каналов, так что предотвращается прохождение текучей среды подшипника через зазор к выходу турбинного компрессора.

14. Турбина по любому из пп.1-6, в которой система отводных каналов содержит первый комплект (57), второй комплект (59), третий комплект (61) и четвертый комплект (63) отводных каналов, при этом первый комплект и второй комплект расположены в осевом направлении на различных расстояниях от гидродинамического подшипника в первом осевом направлении, проходящем вдоль оси вращения ротора, а третий комплект и четвертый комплект расположены в осевом направлении на различных расстояниях от гидродинамического подшипника во втором осевом направлении (13), противоположном первому осевому направлению.

15. Турбина по п.14, в которой первый комплект и четвертый комплект отводных каналов ведут к одному общему отводному каналу (65), а второй комплект и третий комплект отводных каналов ведут к другому общему отводному каналу (69).

16. Турбина по любому из пп.1-6, в которой система управления содержит клапан (67, 71), расположенный в системе отводных каналов.

17. Турбина по п.16, в которой клапан пневматически управляется с помощью воздуха, подаваемого внешним компрессором.

Images