ГАЗОТУРБИННЫЙ ЭНЕРГОАГРЕГАТ Российский патент 2002 года по МПК F02C7/04 

Изобретение относится к газотурбостроению, в частности к стационарным газотурбинным установкам в составе передвижных и блочно-контейнерных электростанций.

Известна газотурбинная установка, содержащая раму, газотурбинный двигатель с силовой турбиной, затурбинным диффузором и агрегатами полезной нагрузки, а также воздухозаборное и выхлопное устройства [1].

Известная установка имеет низкий к.п.д. вследствие значительных потерь давления и турбулентности воздушного потока во входном устройстве, а также повышенный уровень шума в трактах всасывания и выхлопа.

Наиболее близкой к заявляемой является конструкция газотурбинного агрегата, содержащего контейнер и размещенные в нем газотурбинный двигатель с силовой турбиной, трансмиссию, затурбинный диффузор, редуктор и агрегат полезной нагрузки, а также воздухозаборное и выхлопное устройства [2]. Агрегат содержит дополнительные отсеки для маслоагрегатов и размещения съемных емкостей, подсоединенных к общему распределительному устройству и связанных трубопроводами с коллекторами, поворотные жалюзи на входе короба воздухозаборного устройства с электроприводом, цилиндрический насадок на выходе трубы выхлопного устройства, перфорацию на газоприемном сопле обтекателя, дополнительную внутреннюю обшивку, теплоизоляционный материал, заполняющий зазор между наружной и внутренней обшивками, причем трансмиссия размещена со стороны затурбинного диффузора, а агрегат полезной нагрузки - в отдельном смежном отсеке.

Однако известный агрегат имеет низкие к.п.д. и надежность из-за недостаточной эффективности охлаждения корпуса двигателя и агрегатов полезной нагрузки, преимущественно в жаркое время года, за счет эжекции газов в выхлопном тракте газотурбинного двигателя, а также высоких потерь давления во всасывающем и выхлопном трактах.

В известных установках невозможно использование газотурбинных двигателей, у которых выходной вал силовой турбины и трансмиссия расположены со стороны входного устройства компрессора.

В известном агрегате наблюдается достаточно высокий уровень шума во всасывающем и выхлопном трактах. И, кроме того, для контроля и осмотра лопаток силовой турбины требуется отстыковка секций затурбинного диффузора, поэтому известный агрегат сложен в обслуживании.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении к.п. д., надежности и эффективности энергоагрегата за счет уменьшения потерь давления во всасывающем и выхлопном трактах, улучшения охлаждения корпуса двигателя и агрегатов полезной нагрузки, а также достижения максимальной эффективности шумоглушения в различных частотных диапазонах.

Сущность изобретения заключается в том, что газотурбинный энергоагрегат, включающий контейнер, размещенный в нем газотурбинный двигатель с силовой турбиной, трансмиссию, затурбинный диффузор, редуктор и агрегат полезной нагрузки, а также воздухозаборное и выхлопное устройства, согласно изобретению, оснащен воздуховытяжным устройством и блоком шумоглушения, указанные блок шумоглушения и агрегат полезной нагрузки соединены внутри контейнера гибкой оболочкой (гибким воздуховодом), при этом воздухозаборное устройство расположено между двигателем и редуктором, выходная часть воздухозаборного устройства размещена в контейнере и охватывает трансмиссию, причем вход воздуховытяжного устройства расположен напротив затурбинного диффузора, на выходе которого установлен компенсаторный блок, включающий по меньшей мере два кольцевых фланца с эластичным уплотнением между ними, а также охватывающий его экран, при этом один кольцевой фланец скреплен с затурбинным диффузором и образует с эластичным уплотнением резонаторную камеру, выход из которой направлен в сторону потока продуктов сгорания, а другой кольцевой фланец образует с экраном и эластичным уплотнением тупиковую полость, выход из которой направлен в сторону двигателя.

Кроме того, компенсаторный блок размещен ниже по потоку продуктов сгорания от входа воздуховытяжного устройства из контейнера, затурбинный диффузор выполнен составным по меньшей мере из двух телескопически соединенных между собой кольцевых насадков с упругим уплотнением. При этом по меньшей мере один из кольцевых насадков установлен внутри контейнера на траверсе с возможностью перемещения.

Размещением в газотурбинном энергоагрегате воздуховытяжного устройства и блока шумоглушения и соединением указанных блока и агрегата гибкой оболочкой внутри контейнера достигается повышение эффективности охлаждения агрегата полезной нагрузки, редуктора и газотурбинного двигателя, а также повышение эффективности шумоглушения за счет исключения открытого тракта всасывания с зоной обслуживания вне контейнера.

Размещение воздухозаборного устройства между двигателем и редуктором, а также размещение в контейнере выходной части воздухозаборного устройства, которая охватывает трансмиссию, позволяет использовать в заявляемом энергоагрегате газотурбинные двигатели с высоким к.п.д., у которых выходной вал силовой турбины и трансмиссия расположены со стороны входного устройства компрессора. Такая конструктивная особенность позволяет расширить номенклатуру газотурбинных двигателей, упрощает эксплуатацию и снижает стоимость обслуживания. Кроме того, исключается нагрев выходного вала или его кожуха, уменьшается нагрев редуктора и агрегата полезной нагрузки, снижается уровень шума за счет рассеивания звуковых волн в воздухозаборном устройстве. Это объясняется тем, что тракт всасывания, генерирующий источник звука, "охвачен" секциями фильтров циклового воздуха с минимальными потерями давления и не имеет открытого тракта с зоной обслуживания вне контейнера.

Размещение на контейнере воздуховытяжного устройства воздуха, а также блока шумоглушения агрегата полезной нагрузки, выход которого соединен со входом агрегата полезной нагрузки, как и размещение входа вытяжного устройства напротив затурбинного диффузора, позволяют уменьшать турбулентность воздушного потока и потери давления при охлаждении горячих частей двигателя (турбины и затурбинного диффузора). При таком размещении достигается более эффективное охлаждение двигателя и затурбинного диффузора по сравнению с эжекторным методом охлаждения, использованным в известной конструкции, а также уменьшается потребная мощность для привода вытяжного вентилятора в вытяжном устройстве воздуха из контейнера вследствие более полного использования хладоресурса охлаждающего воздуха и его направленного течения от агрегата полезной нагрузки на обдув редуктора, а далее на охлаждение затурбинного диффузора.

Максимальная эффективность шумоглушения в разных частотных диапазонах может быть достигнута лишь в том случае, когда на выходе затурбинного диффузора установлен компенсаторный блок, включающий по меньшей мере два кольцевых фланца с эластичным уплотнением между ними, а также охватывающий его экран, при этом один кольцевой фланец скреплен с затурбинным диффузором и образует с эластичным уплотнением резонаторную камеру, выход из которой направлен в сторону потока продуктов сгорания, а другой кольцевой фланец образует с экраном и эластичным уплотнением тупиковую полость, выход из которой направлен в сторону двигателя.

Резонаторная камера позволяет эффективно снижать уровень шума на средних и высоких частотах, а тупиковая полость компенсаторного блока служит для поглощения звуковой энергии в области высоких частот и в меньшей степени - низких. Кроме того, эластичное уплотнение компенсаторного блока дополнительно демпфирует и поглощает звуковую энергию в области средних и высоких частот. Компенсаторный блок позволяет снизить шум до нормативных значений в кабине управления и в жилых помещениях, расположенных вблизи энергоагрегата.

Следует отметить, что компенсаторный блок может быть размещен выше или ниже по потоку продуктов сгорания от входа вытяжного устройства воздуха из контейнера в зависимости от требований к частотному диапазону звуковой энергии (шума). В случае размещения компенсаторного блока ниже по потоку продуктов сгорания от входа вытяжного устройства воздуха от контейнера достигается наиболее эффективное шумоглушение без снижения к.п.д. в тракте выхлопа, что дает экономические преимущества при размещении энергоагрегата в жилой зоне.

Выполнение затурбинного диффузора составным по меньшей мере из двух телескопически соединенных между собой кольцевых насадков с упругим уплотнением, когда по меньшей мере один из кольцевых насадков установлен внутри контейнера на траверсе с возможностью перемещения, позволяет упростить и сократить время обслуживания, например, для осмотра и контроля лопаток силовой турбины вихретоковым методом, а также повысить эффективность шумоглушения внутри контейнера.

На фиг. 1 изображен продольный разрез газотурбинного энергоагрегата; на фиг. 2 и 3 - разрезы А-А и Б-Б на фиг.1 соответственно. Элемент I на фиг.1 представлен на фиг.4, а вид В на фиг.4 изображен на фиг.5.

Газотурбинный энергоагрегат содержит контейнер 1 и размещенный в нем газотурбинный двигатель 2 с силовой турбиной 3, трансмиссию 4, затурбинный диффузор 5, редуктор 6 и агрегат полезной нагрузки, например, электрогенератор 7, а также воздухозаборное устройство 8 с проходным сечением t х t1, а также выхлопное устройство 9.

Воздухозаборное устройство 8 размещено между двигателем 2 и редуктором 6, трансмиссия 4 проходит сквозь нижнюю часть воздухозаборного устройства 8, размещенную в контейнере 1. Контейнер 1 снабжен блоком 10 шумоглушения агрегата полезной нагрузки потока воздуха 11, выход 12 которого соединен гибким воздуховодом 13 со входом 14 агрегата полезной нагрузки 7, а также с воздуховытяжным устройством 15. При этом вход 16 воздуховытяжного устройства 15 расположен напротив затурбинного диффузора 5. Воздухозаборное устройство 8 содержит элементы 17 фильтрующих секций фильтров циклового воздуха.

На выходе 18 затурбинного диффузора 5 размещен компенсаторный блок 19, включающий два кольцевых фланца 20, 21, между которыми помещено эластичное уплотнение 22 и охватывающий его экран 23. Кольцевой фланец 21 скреплен с затурбинным диффузором 5 и образует с эластичным уплотнением 22 резонаторную камеру 24, выход 25 из которой направлен по потоку продуктов сгорания 26.

Кольцевой фланец 20 образует с экраном 23 и эластичным уплотнением 22 тупиковую полость 27, выход 28 из которой направлен в сторону двигателя 2.

Затурбинный диффузор 5, расположенный в полости 29 контейнера 1, состоит из двух телескопически соединенных между собой кольцевых насадков 30, 31 с упругам щеточным уплотнением 32. Кольцевой насадок 30, соединенный с двигателем 2, подвешен в общей внутренней полости 29 контейнера 1 на траверсе 33 с возможностью перемещений вдоль оси вращения 34 ротора двигателя 2. Насадки 30, 31 выполнены с узлами 35 центровки.

В выхлопном тракте силовой турбины 3 расположено центральное тело 36. На корпусе контейнера 1 размещена вентиляционная труба 37 пускового стартера (не показан), работающего на газообразном топливе. В кожухе двигателя 2 выполнены окна 38.

Газотурбинный энергоагрегат работает следующим образом.

Перед запуском газотурбинного двигателя 2 включают воздуховытяжное устройство 15, с помощью которого осуществляют вытяжку воздуха 11 из контейнера 1 и его вентиляцию. Запуск двигателя 2 осуществляют воздушным стартером с использованием давления сжатого природного газа.

В случае искрения электроаппаратуры воздуховытяжное устройство 15 надежно отсасывает взрывоопасный природный газ из внутренней полости 29 контейнера 1 в атмосферу.

При использовании энергоагрегата в условиях жаркого климата (+ 30...+ 45^oС), а также для надежного охлаждения двигателя 2 поток воздуха 11 через блок 10 шумоглушения охлаждает в первую очередь агрегат полезной нагрузки - электрогенератор 7, далее равномерно обтекая редуктор 6, всасывается через окна 38 в кожухе двигателя 2 и охлаждает силовую турбину 3 и затурбинный диффузор 5. При этом поток холодного воздуха 11 симметрично омывает воздухозаборное устройство 8 и газотурбинный двигатель 2, создавая воздушную завесу от генерирующих источников шума в тракте всасывания воздухозаборного устройства 8, а также в выхлопном устройстве 9.

Резонаторная камера 24, эластичное уплотнение 22 и тупиковая полость 27 разделяют в противоположных направлениях звуковую энергию на выходе 18 затурбинного диффузора 5, т.е. перед выхлопным устройством 9, повышая эффективность шумоглушения в разных частотных диапазонах.

При регламентном обслуживании двигателя производят осмотр лопаток силовой турбины 3, для чего сдвигают кольцевой насадок 30 вдоль оси вращения 34 ротора двигателя 2, обеспечивая быстрый и удобный доступ к силовой турбине 3.

Такое выполнение газотурбинного энергоагрегата позволяет наиболее полно использовать хладоресурс охлаждающего воздуха, повышая к.п.д., надежность и эффективность агрегата, а также обеспечивая эффективность шумоглушения в разных частотных диапазонах, а также пожаро- и взрывобезопасность в процессе эксплуатации.

Источники информации:
1. Патент Японии 08270458, F 02 С 7/04, 1996 г.

2. Патент РФ 2124645, F 02 С 7/25,1999 г.

Газотурбинный энергоагрегат включает в себя контейнер, размещенный в нем газотурбинный двигатель с силовой турбиной, трансмиссию, затурбинный диффузор, редуктор и агрегат полезной нагрузки, а также воздухозаборное и выхлопное устройства. Газотурбинный энергоагрегат также оснащен воздуховытяжным устройством и блоком шумоглушения. Указанные блок шумоглушения и агрегат полезной нагрузки соединены внутри контейнера гибкой оболочкой. Воздухозаборное устройство расположено между двигателем и редуктором. Выходная часть воздухозаборного устройства размещена в контейнере и охватывает трансмиссию. Вход воздуховытяжного устройства расположен напротив затурбинного диффузора, на выходе которого установлен компенсаторный блок, включающий, по меньшей мере, два кольцевых фланца с эластичным уплотнением между ними, а также охватывающий его экран. Один кольцевой фланец скреплен с затурбинным диффузором и образует с эластичным уплотнением резонаторную камеру, выход из которой направлен в сторону потока продуктов сгорания. Другой кольцевой фланец образует с экраном и эластичным уплотнением тупиковую полость, выход из которой направлен в сторону двигателя. Изобретение повышает к.п.д., надежность и эффективность энергоагрегата, улучшает охлаждение корпуса двигателя. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Газотурбинный энергоагрегат, включающий контейнер, размещенный в нем газотурбинный двигатель с силовой турбиной, трансмиссию, затурбинный диффузор, редуктор и агрегат полезной нагрузки, а также воздухозаборное и выхлопное устройства, отличающийся тем, что он оснащен воздуховытяжным устройством и блоком шумоглушения, указанные блок шумоглушения и агрегат полезной нагрузки соединены внутри контейнера гибкой оболочкой, при этом воздухозаборное устройство расположено между двигателем и редуктором, выходная часть воздухозаборного устройства размещена в контейнере и охватывает трансмиссию, причем вход воздуховытяжного устройства расположен напротив затурбинного диффузора, на выходе которого установлен компенсаторный блок, включающий, по меньшей мере, два кольцевых фланца с эластичным уплотнением между ними, а также охватывающий его экран, при этом один кольцевой фланец скреплен с затурбинным диффузором и образует с эластичным уплотнением резонаторную камеру, выход из которой направлен в сторону потока продуктов сгорания, а другой кольцевой фланец образует с экраном и эластичным уплотнением тупиковую полость, выход из которой направлен в сторону двигателя. 2. Газотурбинный энергоагрегат по п. 1, отличающийся тем, что компенсаторный блок размещен ниже по потоку продуктов сгорания от входа воздуховытяжного устройства из контейнера. 3. Газотурбинный энергоагрегат по п. 1, отличающийся тем, что затурбинный диффузор выполнен составным по меньшей мере из двух телескопически соединенных между собой кольцевых насадков с упругим уплотнением. 4. Газотурбинный энергоагрегат по п. 3, отличающийся тем, что по меньшей мере один из кольцевых насадков установлен внутри контейнера на траверсе с возможностью осевого перемещения.