ГАЗОТУРБИННАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1997 года по МПК F02C7/12 F01D25/14 

Изобретение относится к газотурбостроению, точнее, к устройствам газотурбинных установок (ГТУ) для привода внешней нагрузки, преимущественно, генератора в составе передвижных и блочноконтейнерных электростанций малой мощности до 5 МВт.

Известна газотурбинная установка, содержащая корпус и расположенные в нем турбокомпрессор, свободную силовую турбину и выхлопной диффузор [1] Корпус снаружи обдувается системой принудительного обдува, включающей вентилятор с электроприводом.

Недостаток данной установки заключается в низкой эффективности системы охлаждения и ее значительных габаритах, что снижает общие эксплуатационные показатели установки.

Известна также газотурбинная установка, содержащая корпус, установленный в нем на передней и задней опорах ротор компрессора, и его турбину, силовую турбину, расположенную на консольное опоре, соединенной с корпусом полыми радиальными стойками, а также выхлопное устройство с затурбинным диффузором и тупиковой полостью [2] Установка содержит эжекторное выхлопное устройство для охлаждения как корпуса установки, так и силовой турбины.

В процессе работы известной установки создается разряжение в зоне всасывания эжекторного выхлопного устройства, что влечет за собой поступление песка, пыли, сажи из окружающей среды или бокса. Установка имеет низкую эффективность охлаждения корпуса. К недостаткам данной конструкции относится наличие встроенного редуктора, что не позволяет использовать ее, например, для доводки компрессоров высокого давления, где в ГТУ требуется мультипликатор.

Данная установка не может быть эффективно использована при низких температурах и в условиях резких перепадов температур с повышенной влажностью из-за возможности обледенения вала и корпуса агрегата внешней нагрузки.

Наиболее близкой к предлагаемой является конструкция стационарной газотурбинной энергетической установки для привода внешней нагрузки, преимущественно нагнетателей природного газа магистральных газопроводов, содержащая газотурбинный двигатель, в корпусе которого размещены турбокомпрессор, свободная силовая турбина, затурбинный диффузор и расположенный в непосредственной близости от установки агрегат внешней нагрузки [3]
Однако данная конструкция не обеспечивает эффективного охлаждения нагреваемых частей корпуса газотурбинного двигателя, имеет высокую стоимость на единицу мощности за счет потребности в охлаждающей воде.

Кроме того, антиобледенительная система известной конструкции установки в условиях Крайнего Севера не обладает высокой надежностью из-за необходимости обогрева вала внешней нагрузки, трудно осуществимого при низких температурах (-50^oC).

Таким образом, известная установка не обеспечивает удовлетворительных условий эксплуатации, в том числе для районов Крайнего Севера, особенно в случае использования ее в составе передвижных и блочно-контейнерных электростанций малой мощности.

Техническая задача, которую решает данное изобретение, заключается в улучшении условий эксплуатации энергетической установки путем повышения эффективности охлаждении нагреваемых частей корпуса газотурбинного двигателя, устранения вероятности взрывов и пожаров при пусках двигателя, а также исключения обледенения вала и корпуса внешней нагрузки при отрицательных температурах эксплуатации установки.

Технический эффект, используемый для решения указанной задачи, заключается в осуществлении эжекции окружающего воздуха в полости кожуха установки, осуществлении продувки тупиковых полостей при пусках, а также в использовании эжектируемого тепла, выделяемого вращающимися частями агрегата внешней нагрузки.

Техническая задача решается за счет того, что газотурбинная энергетическая установка, содержащая агрегат внешней нагрузки и газотурбинный двигатель, в корпусе которого размещены турбокомпрессор, свободная силовая турбина с валом привода внешней нагрузки, затурбинный диффузор, согласно изобретению, дополнительно содержит кожух, образующий с корпусом двигателя тупиковую со стороны вала привода кольцевую камеру, сообщающуюся с затурбинным диффузором, а в зоне компрессора через окна с окружающим воздухом, причем кольцевая камера изолирована от воздушного тракта компрессора регулируемыми патрубками, на внутренней поверхности кожуха в зоне турбины жестко установлен кольцевой дросселирующий элемент, образующий со стороны компрессора тупиковую полость, а со стороны корпуса турбины кольцевой канал.

Кроме того, корпус агрегата внешней нагрузки, преимущественно редуктора или мультипликатора, выполнен с дефлектором, герметично скрепленным с его стенкой, обращенной к компрессору, и образующим кольцевой проточный канал с валом привода внешней нагрузки.

Выполнение дополнительного кожуха, образующего с корпусом двигателя тупиковую со стороны вала привода кольцевую камеру, которая сообщается с затурбинным диффузором, позволяет эжектировать окружающий воздух и интенсивно охлаждать наиболее нагретую зону корпуса турбины.

Наличие в зоне компрессора окон в кожухе предназначено для исключения разряжения и подсоса пыли и твердых частиц в боксе или вблизи двигателя. К окнам можно подводить трубопроводы от зон забора чистого воздуха, подаваемого через воздушные фильтры. Кроме того, на окнах возможно выполнение заслонок для регулирования охлаждения корпуса турбины при отрицательных температурах (до -50^oC). Заслонки на окнах позволяют регулировать заполнение кольцевой камеры и тупиковых полостей при продувке чистым воздухом при пусках установки.

Изолирование кольцевой камеры в компрессорной зоне от воздушного тракта компрессора регулируемыми патрубками позволяет осуществлять отвод подогреваемого за счет сжатия воздуха (при +15^oC до +230^oC) в компрессоре за пределы кольцевой камеры. Этим достигается более эффективное охлаждение частей турбины в летнее время.

Выполнение патрубков с регулируемыми элементами позволяет часть воздуха, перепускаемого из проточной зоны направлять в холодное время года (например при -50^oC) в кольцевую камеру, регулируя степень охлаждения корпуса турбины. Кроме того, через регулируемые патрубки возможно осуществлять продувку воздухом при пусках установки.

Наличие кольцевого дросселирующего элемента, установленного на внутренней поверхности кожуха в зоне турбины, повышает эффективность охлаждения за счет уменьшения расходного сечения и более интенсивного смешения холодного и горячего воздушных потоков в кольцевом проточном канале, а также увеличения скорости истечения воздушных потоков.

Жесткое крепление кольцевого элемента с кожухом объясняется значительными вибрационными нагрузками и необходимостью сохранения геометрических обводов воздушного тракта.

Образование со стороны компрессора тупиковой полости с внутренний поверхности кожуха позволяет образовать зону обратных токов нагретого от стенок турбины воздушного потока и повысить эффективность теплоотдачи холодному воздушному потоку от корпуса турбины, преимущественно от ее первых ступеней.

Наличие дефлектора, герметично скрепленного со стенкой корпуса агрегата внешней нагрузки позволяет уменьшить аэродинамическое сопротивление при всасывании воздушного потока входным устройством компрессора и организовать кольцевой проточный канал относительно вращающихся частей вала и агрегата внешней нагрузки. Образование стенками дефлектора кольцевого проточного канала с валом или другими вращающимися частями вала, например, муфтами, фланцами или переходниками, обязательно для эжектирования воздушного потока на обогрев вала отбора мощности или элементов крепления с валом привода внешней нагрузки за счет тепла, выделяемого от нагрева вращающихся частей агрегата внешней нагрузки, например, корпуса редуктора.

Герметичное крепление дефлектора со стенкой, обращенной к компрессору с образованием тупиковой со стороны мест крепления полости, позволяет осуществлять обогрев вала отбора мощности и элементов крепления с валом привода внешней нагрузки без смешения холодного, всасываемого компрессором, воздушного потока и воздуха, нагретого от вращающихся частей редуктора. Это препятствует обледенению вала и корпуса нагрузки, а также обледенению самого дефлектора в условиях отрицательных температур эксплуатации.

На чертеже приведена схема предлагаемой газотурбинной энергетической установки.

Установка содержит корпус 1, размещенный в нем на двух опорах 2 турбокомпрессор, состоящий из компрессора 3 и турбины 4, связанных валом 5. На двух опорах 6 размещена свободная силовая турбина 7 с валом 9 привода внешней нагрузки. На схеме показан затурбинный диффузор 10 и расположенный в непосредственной близости от корпуса 1 агрегат внешней нагрузки, в частности, редуктор 11. Газотурбинный двигатель и редуктор 11 жестко установлены на раме (не показана). Вокруг корпуса 1 вдоль всей его длины установлен кожух 12, скрепленный с корпусом 1 глухой стенкой 13. Кожух 12 образует с корпусом 1 тупиковую со стороны вала 9 привода внешней нагрузки кольцевую камеру 14, сообщающуюся с затурбинным диффузором 10. Зона компрессора 3 через окна 15 сообщается с окружающим воздухом. В зоне камеры сгорания кожух 12 скреплен с корпусом 1 полыми радиальными стойками 16.

Кольцевая камера 14 в компрессорной зоне изолирована от воздушного тракта компрессора с помощью патрубков 17 с регулируемыми элементами 18. На внутренней поверхности 19 кожуха 12 в зоне турбины 4 и турбины 7 жестко установлен кольцевой дросселирующий элемент 20, образующий с внутренней поверхностью 19 кожуха 12 со стороны компрессора 3 тупиковую полость 21, а относительно охлаждаемых частей корпуса турбины 22 кольцевой проточный канал 23.

Стрелками показаны направления воздушных потоков.

Корпус агрегата внешней нагрузки 11 выполнен с дефлектором 24, герметично скрепленным с его стенкой 25, обращенной к компрессору 3 в месте крепления 26 и образующим тупиковую со стороны мест крепления 26 дефлектора 24 полость 27 с кольцевым проточным каналом 28 относительно вала 9 отбора мощности или элементов 29 крепления с валом 30 привода внешней нагрузки.

Регулируемый патрубок 31 служит для продувки тупиковых полостей воздухом при пусках. На схеме показаны также пусковой стартер 32 и входное устройство компрессора 33. Стрелкой 34 показана зона обратных токов нагретого воздушного потока относительно границ кольцевого дросселирующего элемента 20 в кольцевой камере.

Установка работает следующим образом.

Запуск двигателя начинают с продувки воздухом тупиковой камеры 14 через регулируемые патрубки 17 и 31. При этом окна 15 частично перекрываются заслонками (не показаны). Воздушные полости пускового стартера, показанные контуром 32, заполняются при запуске чистым природным газом, который не взрывоопасен без доступа воздуха.

Компрессор 3 и его турбина 4, выйдя на расчетные обороты, нагнетают газ на свободную силовую турбину 7, которая передает мощность с вала 8 на вал 9 привода внешней нагрузки, элементы крепления 29 и вал 30 привода внешней нагрузки-редуктора 11.

При работе установки из тракта компрессора 3 через патрубки 17 с регулируемыми элементами 18 происходит перепуск горячего воздуха из компрессора на нерасчетных режимах работы, преимущественно при плюсовых температурах в жаркое время года. Воздух, нагретый от сжатия в ступенях компрессора, не вызывает дополнительного нагрева статорных частей турбины. При этом за счет эжекции воздуха в затурбинном диффузоре 10 происходит всасывание холодного воздуха через окна 15. Потоки воздуха, проходя через тупиковую полость 21 внутренней поверхности 19 кожуха 12, вызывают интенсивное смешение холодного и горячего потоков воздуха и эжектируются кольцевым проточным каналом 22, интенсивно охлаждая наиболее нагретую зону корпуса турбины.

При отрицательных температурах эксплуатации или резких перепадах температур в условиях повышенной влажности в результате эжекции воздуха, нагретого вращающимися частями редуктора 11 (шестерни) путем теплопередачи через стенку 25, обращенную к компрессору 3, и суфлирующие отверстия (не показаны), происходит постоянный прогрев стенок дефлектора 24. Герметичное мести крепления 26 дефлектора 24 препятствует попаданию в тупиковую полость 27 холодного воздуха, всасываемого компрессором (показано стрелками), и его перемешиванию с теплым воздухом, выделяемым от стенок 25 редуктора 11.

Теплый воздух из тупиковой полости 27 через кольцевой проточный канал 28 обдувает элементы 29 крепления с валом привода внешней нагрузки 30, препятствуя образования льда.

Использование: в газотурбостроении, в частности в устройствах газотурбинных установок для привода внешней нагрузки, преимущественно, генератора в составе передвижных и блочно-контейнерных электростанций малой мощности до 5 МВт. Сущность изобретения: установка, содержащая агрегат внешней нагрузки 11 и газотурбинный двигатель, содержит кожух 12, образующий с корпусом двигателя 1 тупиковую со стороны вала привода кольцевую камеру 14, сообщающуюся с затурбинным диффузором 10, а в зоне компрессора 3 через окна 15 - с окружающим воздухом, причем кольцевая камера 14 изолирована от воздушного тракта компрессора регулируемыми патрубками 17, на внутренней поверхности 19 кожуха 12 в зоне турбины 4 жестко установлен кольцевой дросселирующий элемент 20, образующий со стороны компрессора 3 тупиковую полость 21, а со стороны корпуса турбины 22 - кольцевой проточный канал 23. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Газотурбинная энергетическая установка, содержащая агрегат внешней нагрузки и газотурбинный двигатель, в корпусе которого размещены турбокомпрессор, свободная силовая турбина с валом привода внешней нагрузки, затурбинный диффузор, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кожух, образующий с корпусом двигателя тупиковую со стороны вала привода кольцевую камеру, сообщающуюся с затурбинным диффузором, а в зоне компрессора через окна с окружающим воздухом, причем кольцевая камера изолирована от воздушного тракта компрессора регулируемыми патрубками, на внутренней поверхности кожуха в зоне турбины жестко установлен кольцевой дросселирующий элемент, образующий с внутренней поверхностью кожуха со стороны компрессора тупиковую полость, а со стороны корпуса турбины кольцевой канал. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что корпус агрегата внешней нагрузки, преимущественно редуктора или мультипликатора, выполнен с дефлектором, герметично скрепленным с его стенкой, обращенной к компрессору, и образующим кольцевой проточный канал с валом привода внешней нагрузки.