CZ20001937A3 - Předpjatá a předběžně stlačená tryska plynové turbíny - Google Patents

Abstract

Řešení se týká způsobu zvyšování životnosti při únavě nízkého cyklu u trysky (10) turbíny, opatřené velkým množstvím stacionárních profilů (12), uspořádaných mezi radiálním vnitřním a vnějším prstencovým segmentem (16, 14). Způsob spočívá v uspořádání alespoň jednoho radiálního kanálu (22) v každém z uvedeného velkého množství profilů (12), instalování tyče (56) v tomto radiálním kanálu (22), uspořádané mezi radiálním vnitřním a vnějším prstencovým segmentem (16, 14) a upevnění jednoho konce této tyče (56) k jednomu vnitřnímu a vnějšímu prstenci, a v předepnutí tyče (56) pro stlačení profilu mezi vnitřním a vnějším prstencovým segmentem.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká pozemních nebo průmyslových plynových turbín, například na výrobu elektrické energie, přičemž se zejména týká mechanického předpínacího zařízení křídla trysky.

Dosavadní stav techniky

Únava nízkého cyklu (LCF) je jedním z hlavních režimů, omezujících životnost u trysek moderních průmyslových plynových turbín. Je způsobena cyklickými, tepelhými a mechanickými zatíženími, ke kterým dochází při cyklech spouštění plynové turbíny, jejího provozu a jejího odstavení. Účinky těchto cyklických režimů na životnost pří únavě nízkého cyklu se obecně mění mimo jiné v rámci „napěťového poměru A nebo poměru střídání hlavního namáhání.

Pro danou úroveň cyklického zatížení je nejvíce škodlivým cyklem životnosti při únavě nízkého cyklu ten, který zahrnuje období udržované komprese, obecně nazývané jako napěťový poměr A neboli poměr A namáhání při únavě nízkého cyklu o hodnotě -1. Naopak nejméně škodlivým cyklem životnosti při únavě nízkého cyklu je ten, který zahrnuje období udržování namáhání na nule, neboli napěťový poměr A namáhání při únavě nízkého cyklu o hodnotě +1. Problém • ·

spočívá v tom, že převažující podmínky únavy nízkého cyklu pro trysku v místě s omezenou životností při únavě nízkého cyklu panují obvykle při napěťovém poměru A o hodnotě -1, který způsobuje nízkou životnost.

V minulosti bylo zlepšení životnosti při únavě nízkého cyklu pro trysky hledáno tradičními přístupy, jako je optimalizace konstrukce za účelem snížení napětí při únavě nízkého cyklu a příslušných teplot, stejně jako volba nových materiálů se zlepšenými vlastnostmi pro únavu nízkého cyklu.

V současném průmyslu plynových turbín převažuje široký trend zvyšování spalovacích teplot a vývoj mnohem účinnějších zařízení na chlazení trysek, avšak namáhání a teploty konstruovaných trysek často přesahují možnosti dokonce těch nejpevnějších materiálů, které jsou v současné době k dispozici.

Podstata vynálezu

Předmět tohoto vynálezu je zaměřen na řešení problému životnosti při únavě nízkého cyklu prostřednictvím předpětí trysky tak, že poměry A namáhání v místech, kritických z hlediska životnosti, budou posunuty z -1 na +1, v důsledku čehož bude dosaženo vyšší životnosti při únavě nízkého cyklu.

U jednoho příkladného provedení je mechanické zařízení OEM určeno pro předepínání trysky, působícího proti zatížením únavy nízkého cyklu, v důsledku čehož dochází k prodloužení její životnosti za běžné materiálové limity v porovnání se známou tryskou. Konkrétně je do každé lopatky nebo profilu • * • · • · trysky vložena předpínací tyč, která je upevněna na jednom konci, a to s výhodou na radiálním vnitřním konci.

Předpínací ústrojí, kterým může být například závitová matice, našroubovaná na vnější závitem opatřený povrch tyče, je utahováno směrem dolů na tyči z vnější strany víka trysky, v důsledku čehož dochází ke stlačování profilu. Po utažení matice může být za účelem dosažení požadovaného předpětí uvedená tyč přivařena k radiálnímu vnějšímu víku trysky, v důsledku čehož je příslušné předpětí zafixováno. Tyč je s výhodou umístěna podél náběhové hrany profilu, neboť jde o nejkritičtější místo profilu z hlediska životnosti. Pokud je to výhodné, mohou však být přidány i další přídavné tyče do jiných míst profilu.

Proto byl v souladu s předmětem tohoto vynálezu vyvinut způsob zvyšování životnosti při únavě nízkého cyklu u trysky turbíny, opatřené velkým množstvím stacionárních profilů, uspořádaných mezi radiálním vnitřním a vnějšími prstencovitým segmentem, který obsahuje:

a) uspořádání alespoň jednoho radiálního kanálu v každém z uvedeného velkého množství profilů,

b) instalování tyče v uvedeném radiálním kanálu, uspořádané mezi uvedeným radiálním vnitřním a vnějším prstencovitým segmentem a upevnění jednoho konce uvedené tyče k jednomu uvedenému vnitřnímu a vnějšímu prstenci, a

c) předepnutí uvedené tyče pro stlačení uvedeného profilu mezi uvedeným vnitřním a vnějším prstencovitým segmentem.

Předmět tohoto vynálezu se rovněž týká trysky pro plynovou turbínu, která obsahuje velké množství profilů, uspořádaných mezi radiálním vnitřním a vnějším prstencovitým segmentem, přičemž každý profil je opatřen prostředky pro předpínání profilu stlačováním.

Přehled obrázků na výkresech

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

obr. 1 znázorňuje pohled v částečném řezu na lopatku trysky, zobrazující zařízení pro mechanické předpínání podle výhodného provedení předmětu tohoto vynálezu; a obr. 2 znázorňuje pohled v řezu a ve zvětšeném měřítku na dutinu náběhové hrany podle obr. 1.

Příklady provedení vynálezu

Na vyobrazení podle obr. 1 je znázorněn pohled v řezu na úsek trysky, který je obecně označen vztahovou značkou 10, a který tvoří jeden z velkého množství úseku 10 trysky, uspořádaných v obvodově umístěné soustavě a vytvářejících stupeň turbíny.

φφ φφφ

Každý úsek 10 trysky obsahuje lopatku nebo profil 12 a příslušné radiálně rozmístěné vnější a vnitřní stěny 14 a 16. Tyto vnější a vnitřní stěny 14 a 16 jsou uspořádány ve formě obvodově probíhajících dutých prstencovitých úseků, vymezujících společně s lopatkami 12 prstencovitou dráhu horkého plynu tryskami turbínového stupně.

U výhodného provedení úseku 10 trysky je radiálně umístěná vnější stěna nebo víko 14 neseno pláštěm turbíny (na vyobrazení neznázorněno), který z konstrukčního hlediska nese lopatky 12 a radiálně umístěnou vnitřní stěnu 16. Úseky 10 trysky jsou vzájemně vůči sobě utěsněny v rámci trysky daného stupně.

Lopatka nebo profil 12 zahrnuje velké množství dutin, rozprostírajících se v radiálním směru po délce lopatky 12 mezi příslušnou vnější stěnou 14 a vnitřní stěnou 16, kteréžto dutiny jsou rozmístěny postupně jedna za druhou od náběhové hrany 18 k zadní hraně 20. Směrem od náběhové hrany 18 k zadní hraně 20 tyto dutiny zahrnují dutinu 22 náběhové hrany 113, čtyři následující mezilehlé dutiny 24, 2 6, 28 a 30, dvojici mezilehlých dutin 32 a 34 a dutinu 36 zadní hrany.

Stěny, vymezující dutiny, znázorněné v řezu, leží mezi tlakovou boční stěnou a sací boční stěnou lopatky 12. Toto uspořádání je zřejmé na vyobrazení podle obr. 2 vzhledem ke stěně 38.

Potrubí nebo trubka 40 je připojena ke vstupu 42 páry, procházejícím vnější stěnou 14, pro účely přivádění chladicí páry do dvojice mezilehlých dutin 32 a 34. Výstup 44 páry je uspořádán skrze vnější stěnu 14 pro odvádění upotřebené chladicí páry z mezilehlých dutin 24, 26, 28 a 22· Jak dutina 22 náběhové hrany 22, tak dutina 36 zadní hrany 20 je příslušně opatřena samostatným vstupem 46 a 48 vzduchu.

Vložková objímka 50, opatřená velkým množstvím příčných otvorů 52, je uspořádána v dutině 22 náběhové hrany 18, přičemž je umístěna v určité vzdálenosti od jejích vnitřních stěn, jak je znázorněno na vyobrazeních podle obr. 1 a podle obr. 2.

Vzduch, proudící samostatným vstupem 46 vzduchu, proudí do vložkové objímky 50 a bočně směrem ven příčnými otvory 52, takže naráží na náběhovou hranu 22' ^v důsledku čehož je tato náběhová hrana 18 chlazena. Takto využitý chladicí vzduch poté proudí směrem ven přes otvory 54, které jsou vzájemně vůči sobě rozmístěny podél délky náběhové hrány 22' přičemž jsou rovněž rozmístěny v určitých bočních vzdálenostech vzájemně od sebe, jak je znázorněno na vyobrazení podle obr. 2.

Mezilehlé dutiny 24, 2 6, 22' 22' 32 a 34 jsou opatřeny obdobnými vložkovými objímkami, které není nutno pro účely předmětu tohoto vynálezu dále podrobněji popisovat. Další podrobnosti a detaily chladicího okruhu jsou popsány ve společně vlastněné projednávané patentové přihlášce neznámého čísla (číslo jednací zástupce 839-566), podané dne 10. května 1999. Zde je však nutno zdůraznit, že předmět tohoto vynálezu je stejně dobře využitelný i u jiných konstrukcí trysky, to znamená, že není omezen pouze na určité příkladné provedení trysky, které je zde popisováno.

• · · · · · * · · · • · · · · · · ·

Předpínací tyč 56 (s výhodou z vysoce pevné oceli) je vložena do vložkové objímky 50 v dutině 22 náběhové hrany 18 a probíhá mezi horní povrchovou plochou radiálně umístěné vnější stěny nebo víka 14 a spodní povrchovou plochou spodní nebo radiálně umístěné vnitřní stěny 16. Tato předpínací tyč 56 je přivařena ke spodní povrchové ploše 58 vnitřní stěny 16, přičemž příslušný svar je označen vztahovou značkou 60.

Předpínací tyč 56 probíhá směrem vzhůru vnitřní stěnou 16 a vložkovou objímkou 50 a vystupuje z radiálně umístěné vnější stěny nebo víka 14 svým závitovým volným koncem, vyčnívajícím nad horní povrchovou plochu víka 14. Předpínací ústrojí, které může být ve formě závitové matice 62 (nebo jím může být jakékoliv jiné známé předpínací ústrojí) , může být utahováno vzhledem k víku 14, čímž je uplatňováno tlačné předpínací zatížení na lopatku nebo profil 12.

Po dokončení tohoto předpětí může být předpínací tyč 56 připevněna na svém horním konci prostřednictvím svaru, označeného vztahovou značkou 64.

Jelikož je náběhová hrana 18 lopatky nebo profilu 12 nejkritičtější oblastí z hlediska životnosti, je nej účinně j ší, aby byla předpínací tyč 56 umístěna v dutině 22 náběhové hrany 18, nebo aby bylo podle potřeby použito větší množství předpínacích tyčí v jedné nebo ve více zbývajících dutinách.

Takovýmto předběžným předpětím lopatek nebo profilů trysky budou napěťové poměry A v oblastech náběhové hrany, * « · ·« · · * · · · · · · · · • · · · » » · · · · • ··· · · ··· · · · · • * · · » ···»*· • · · · ····· ···· ··· ·· ·«· ·· ·· kritických z hlediska životnosti, posunuty od -1 do +1, v důsledku čehož dojde k výraznému zlepšení životnosti při únavě nízkého cyklu v porovnávání se známými nepředpjatými tryskami. Zkušební testy prokázaly, že životnost při únavě nízkého cyklu může být zlepšena alespoň prostřednictvím součinitele 2, pokud je napěťový poměr Ά posunut od -1 do +1.

Přestože byl předmět tohoto vynálezu popsán ve spojitosti s jeho nej výhodnějším příkladným provedením, které je v současné době považováno za nejpraktičtější, je zcela pochopitelné, že předmět tohoto vynálezu není omezen pouze na popisované provedení, neboť je naopak určen k tomu, aby pokryl celou řadu různých modifikací a ekvivalentních uspořádání, spadajících do myšlenky a rozsahu následujících patentových nároků.

Claims (2)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob zvyšování životnosti při únavě nízkého cyklu u trysky turbíny, opatřené velkým množstvím stacionárních profilů (12), uspořádaných mezi radiálním vnitřním a vnějšími prstencovitým vyznačuj ící segmentem (16

   14) se tím, že obsahuje:

   d) uspořádání alespoň jednoho radiálního kanálu v každém z uvedeného velkého množství profilů (12),

   e) instalování tyče (56) v uvedeném radiálním kanálu, uspořádané mezi uvedeným radiálním vnitřním a vnějším prstencovitým segmentem a upevnění jednoho konce uvedené tyče k jednomu uvedenému vnitřnímu a vnějšímu prstenci, a

   f) předepnutí uvedené tyče (56) pro stlačení uvedeného profilu mezi uvedeným vnitřním a vnějším prstencovitým segmentem.
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že během kroku b) je spodní konec uvedené tyče (56) připevněn k uvedenému vnitřnímu prstencovitému segmentu (16) a volný konec uvedené tyče (56) prochází radiálně uvedeným profilem a uvedeným vnějším prstencovitým segmentem (14), přičemž je matice (62) v závitovém spojení s uvedenou tyčí (56) a je utahována proti uvedenému vnějšímu prstencovitému segmentu, takže předepíná uvedený profil (12) stlačováním.

   Φ Φ Φ « Φ Φ

   Φ Φ Φ φφ ···· φ φ φ φ φφφ φ φ • φ *4 ΦΦ·Φ • » · φ · ···

   Φ Φ Φ

   Φ φ φ φφ ΦΦΦ • Φ φφ

   3. Způsob podle nároku 2, vyznačuj í c í se tím, že po utažení matice (62) je tyč (56) přivařena k vnějšímu prstencovitému segmentu (14). 4. Způsob podle nároku 3, vyznačuj í c í se tím, že kroky a) , b) a c) se opakují pro každý profil trysky. 5. Způsob podle nároku 1, vyznačuj í c í se tím, že objímka (5Ό) je

   umístěna do uvedeného alespoň jednoho radiálního kanálu (22), přičemž uvedená tyč (56) prochází uvedenou objímkou (50) .

   6. Způsob podle se t (22) nároku 1, alespoň náběhové vyznačují jeden radiální hrany (18) trysky c í kanál (10) . í m je , že uvedený umístěn podél 7. Způsob podle nároku 6, vyznačuj í c í se t í m , že uvedený radiální kanál (22) obsahuje chladicí kanál. 8. Tryska pro plynovou turbínu, vyznačuj í c í se t í m , že obsahuje velké

   množství profilů (12), uspořádaných mezi radiálním vnitřním a vnějším prstencovitým segmentem (16, 14), přičemž je každý profil (12) opatřen prostředky (56, 62) pro předpínání uvedeného profilu (12) stlačováním.

   9. Tryska vyznačuj ící podle tím, nároku že každý

   8, uvedený

   99 99

   9 9 9 9

   9 9 9 9

   9 9 9 9

   9 9 9 9

   9 9 · 9 • 4» ··»·

   9 · • 9 99 • 9

   9 9 »· 9999

   9 9 9

   9 9 · 9 9

   9 9 9

   9· 9

   99 9« 9 alespoň jeden radiální kanál (22), probíhající mezi uvedeným vnitřním a vnějším prstencovitým přičemž uvedené prostředky pro předpínání profilu zahrnují tyč, procházející uvedeným kanálem.

   profil má v podstatě segmentem, uvedeného radiálním

   10. Tryska podle nároku 9, vyznačující se tím, že uvedený radiální kanál probíhá podél náběhové hrany uvedeného profilu.

   11. Tryska podle nároku 9, vyznačující se tím, že uvedená tyč je připevněna k uvedenému radiálnímu vnitřnímu prstencovitému segmentu, přičemž uvedené předpínání je uplatňováno na uvedeném radiálním vnějším prstencovitém segmentu.

   12. Tryska pro plynovou turbínu, vyznačující se tím, že obsahuje velký počet profilů, ležících mezi radiálním vnitřním a vnějším prstencovitým segmentem, přičemž je každý profil opatřen předpínací tyčí, která jím radiálně prochází, uvedená předpínací tyč má jeden konec připevněn k jednomu z uvedených radiálních vnitřních a vnějších prstencovitých segmentů, a opačný závitem opatřený volný konec je opatřen závitovou maticí, přičemž je uvedený profil stlačován v důsledku utahování uvedené závitové matice proti uvedenému radiálnímu vnějšímu prstencovitému segmentu.

   13. Tryska podle nároku 12, vyznačující se tím, že uvedená předpínací tyč probíhá radiálně podél náběhové hrany uvedeného profilu.