ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2006 года по МПК F01D3/02 F01D25/14 

Изобретение относится к газотурбинным установкам наземного применения для механического привода и для привода электрогенератора.

Известна газотурбинная установка, включающая компрессор, камеру сгорания, турбину привода компрессора и установленную на выходе силовую свободную турбину [1].

Недостатком известной конструкции является ее низкая надежность из-за повышенной температуры радиально-упорного подшипника, размещенного в зоне воздействия горячих газов.

Наиболее близкой к заявляемой конструкции является газотурбинная установка с силовой свободной турбиной и с разгрузочной полостью, расположенной перед подшипником и образованной лабиринтным диском и статорным фланцем лабиринтного уплотнения [2].

Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является ее низкая надежность вследствие повышенной температуры воздуха, поступающего из-за промежуточной ступени компрессора на наддув разгрузочной полости и вызывающего излишний подогрев подшипника и лабиринтного диска, а также из-за возможного обледенения внутренней трактовой стенки входного устройства.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении надежности энергетической газотурбинной установки путем охлаждения воздуха, поступающего на наддув разгрузочной полости, с одновременным интенсивным подогревом внутренней трактовой стенки входного устройства - для предотвращения ее обледенения в условиях повышенной влажности и пониженной температуры атмосферного воздуха.

Сущность технического решения заключается в том, что в энергетической газотурбинной установке, содержащей газотурбинный двигатель, в котором входное устройство снабжено статорным фланцем, а ротор свободной силовой турбины с радиально-упорным подшипником, размещенным со стороны входного устройства, выполнен с лабиринтным диском, образующим лабиринтное уплотнение со статорным фланцем, причем статорным фланцем и лабиринтным диском с корпусом входного устройства образована разгрузочная полость свободной силовой турбины, согласно изобретению, в разгрузочной полости свободной силовой турбины установлен дефлектор, образующий кольцевой щелевой канал с поверхностью части внутренней трактовой стенки входного устройства, причем щелевой канал на входе соединен с промежуточной ступенью компрессора, а на выходе через перфорацию соединен с разгрузочной полостью свободной силовой турбины. Площадь радиального кольцевого зазора в лабиринтном уплотнении составляет 0,01...0,001 от площади поверхности внутренней трактовой стенки входного устройства, образующей щелевой канал с дефлектором.

Установка дефлектора в разгрузочной полости свободной силовой турбины, образующего кольцевой щелевой канал с поверхностью части внутренней трактовой стенки входного устройства позволяет существенно (на 30-90°С) снизить температуру воздуха, поступающего на наддув разгрузочной полости, за счет его охлаждения атмосферным воздухом, поступающим на вход в газотурбинную установку, что повышает надежность лабиринтного диска и радиально-упорного подшипника за счет снижения их температуры.

Соединение кольцевого щелевого канала на входе с промежуточной ступенью компрессора, а на выходе через перфорацию с разгрузочной полостью способствует равномерному распределению в окружном направлении воздуха в щелевом канале и более интенсивному его охлаждению. Одновременно за счет подогрева внутренней трактовой стенки исключается ее обледенение в условиях пониженных температур и повышенной влажности атмосферного воздуха, однако излишний подогрев внутренней трактовой стенки входного устройства приводит к излишнему подогреву атмосферного воздуха, поступающего на вход в газотурбинную установку и к снижению ее КПД вследствие увеличения работы компрессора на сжатие подогретого воздуха.

Так как величина подогрева атмосферного воздуха зависит от площади F1 поверхности части внутренней трактовой стенки входного устройства, образующей щелевой канал с дефлектором и расхода воздуха на наддув разгрузочной полости, величина которого зависит от площади F2 радиального кольцевого зазора в лабиринтном уплотнении, то площадь F2 зазора в лабиринтном уплотнении составляет 0,01...0,001 от площади F1.

При F2>0,01F1 - снижается надежность газотурбинной установки из-за повышенной температуры воздуха, поступающего в разгрузочную полость, что приводит к повышению температуры лабиринтного диска и радиально-упорного подшипника.

При F2<0,001F1 - снижается надежность и КПД газотурбинной установки из-за излишнего повышения температуры атмосферного воздуха, поступающего на вход в газотурбинную установку.

На фиг.1 изображен продольный разрез газотурбинной установки.

На фиг.2 - элемент I на фиг.1 в увеличенном виде.

Энергетическая газотурбинная установка 1 состоит из входного устройства 2, входного силового корпуса 3, компрессора 4, камеры сгорания 5, турбины привода компрессора 6 и силовой свободной турбины 7, мощность которой через упругую муфту 8, расположенную со стороны входного устройства 2, передается для привода электрогенератора или для механического привода (не показано).Для компенсации осевой силы, создаваемой ротором 9 силовой турбины 7, перед радиально-упорным шариковым подшипником 10 выполнена разгрузочная полость 11, ограниченная с передней стороны установленным на валу 12 лабиринтным диском 13 и статорным фланцем 14, которые образуют между собой лабиринтное уплотнение 15. Входное устройство 2 состоит из внешней 16 и внутренней 17 трактовых стенок, в канале 18 между которыми протекает атмосферный воздух 19, поступающий на вход в газотурбинную установку 1. В разгрузочной полости 11 установлен дефлектор 20, образующий кольцевой щелевой канал 21 с внутренней трактовой стенкой 17 входного устройства 2. Щелевой канал 21 на входе трубой 22 соединен с промежуточной ступенью компрессора 4, а на выходе через перфорацию 23 - с разгрузочной полостью 11. Охлажденный воздух 24 из разгрузочной полости 11 истекает преимущественно через лабиринтное уплотнение 15, например, в атмосферу.

Работает устройство следующим образом.

При работе энергетической газотурбинной установки 1 воздух 24, поступающий из-за промежуточной ступени компрессора 4 в разгрузочную полость 11, интенсивно охлаждается в щелевом канале 21, что способствует снижению температуры и повышению надежности деталей и узлов, расположенных в разгрузочной полости 11, в том числе лабиринтного диска 13 и подшипника 10. Интенсивному охлаждению воздуха 24 способствуют увеличенные по площади внешняя 25 и внутренняя 26 поверхности теплообмена внутренней трактовой стенки 17, на поверхности 25 которой исключено образование льда. При этом благодаря оптимальному подбору проходной площади F2 в лабиринтном уплотнении 15 по лабиринтному диску 13 и площади F1 внутренней поверхности 26 трактовой стенки 17 подогрев атмосферного воздуха 19 на входе в компрессор 4 установки 1 минимален, что минимизирует снижение КПД и мощности установки 1.

Источники информации

1. Б.С.Ревзин, Газотурбинные газоперекачивающие установки, М.: Недра, 1986 г., стр.132, рис.70.

2. Патент RU, №2172842 от 12.10.99 г. - прототип.

Энергетическая газотурбинная установка содержит газотурбинный двигатель, в котором входное устройство снабжено статорным фланцем. Ротор свободной силовой турбины энергетической газотурбинной установки выполнен с радиально-упорным подшипником, размещенным со стороны входного устройства, и лабиринтным диском, образующим лабиринтное уплотнение со статорным фланцем. Разгрузочная полость свободной силовой турбины образована статорным фланцем и лабиринтным диском с корпусом входного устройства. В разгрузочной полости свободной силовой турбины установлен дефлектор, образующий кольцевой щелевой канал с поверхностью части внутренней трактовой стенки входного устройства. Щелевой канал на входе соединен с промежуточной ступенью компрессора, а на выходе через перфорацию соединен с разгрузочной полостью свободной силовой турбины. Изобретение позволяет повысить надежность энергетической газотурбинной установки путем охлаждения воздуха, поступающего на наддув разгрузочной полости. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Энергетическая газотурбинная установка, содержащая газотурбинный двигатель, в котором входное устройство снабжено статорным фланцем, а ротор свободной силовой турбины с радиально-упорным подшипником, размещенным со стороны входного устройства, выполнен с лабиринтным диском, образующим лабиринтное уплотнение со статорным фланцем, причем статорным фланцем и лабиринтным диском с корпусом входного устройства образована разгрузочная полость свободной силовой турбины, отличающаяся тем, что в разгрузочной полости свободной силовой турбины установлен дефлектор, образующий кольцевой щелевой канал с поверхностью части внутренней трактовой стенки входного устройства, причем щелевой канал на входе соединен с промежуточной ступенью компрессора, а на выходе через перфорацию соединен с разгрузочной полостью свободной силовой турбины.2. Энергетическая газотурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что площадь радиального кольцевого зазора в лабиринтном уплотнении составляет 0,01...0,001 от площади поверхности внутренней трактовой стенки входного устройства, образующей щелевой канал с дефлектором.