ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ГАЗОТУРБИННАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2008 года по МПК F02C7/25 

Изобретение относится к энергетике и к железнодорожному транспорту и может применяться для выработки электроэнергии газоперекачивающих станций и в качестве силовой установки газотурбовоза.

Известна силовая установка по патенту РФ на изобретению №2137617, эта установка имеет жидкостную систему охлаждения и вентилятор для создания потока охлаждающего воздуха.

Известна силовая установка по патенту РФ №212418, которая содержит газотурбинный двигатель, газовый тракт, соединяющий этот газотурбинный двигатель с силовой турбиной, и обводной канал, который соединяет газовый тракт между турбинами и перед свободной турбиной.

Недостатком этой силовой установки является плохие характеристики его запуска, конкретно большое время запуска. Это связано с тем, что газодинамическое сопротивление свободной турбины имеет значительную величину и мощности стартера недостаточно для одновременной раскрутки нескольких газотурбинных двигателей и свободной турбины, с которой отбирается мощность на трансмиссиию.

Известна энергетическая газотурбинная силовая установка по патенту РФ №2124645, которая содержит модули газогенератора, газотурбинного привода и выхлопа, соединенные между собой, и систему пожаротушения внутри контейнера инертным газом.

Недостаток: отсутствие мер обеспечения безопасности и эргономических свойств для обслуживающего персонала, а именно шумоглушения, низкой эффективности системы пожаротушения.

Низкая эффективность системы пожаротушения, обусловленная отсутствием средств пожаротушения внутри газотурбинного двигателя и снаружи контейнера. Безопасность обслуживающего персонала также не обеспечена, т.к. при работе двигателя температура наружного корпуса достигает 100...130°С.

Задача создания изобретения - обеспечение мер безопасности и улучшение условий труда при обслуживании установки и увеличение эффективности системы пожаротушения.

Решение указанных задач достигнуто за счет того, что энергетическая газотурбинная силовая установка, содержащая контейнер, в котором установлены последовательно газотурбинный двигатель, содержащий входное устройство, компрессор, камеру сгорания и турбину, газодинамически связанную с выходом из турбины свободную турбину и электрогенератор, соединенный со свободной турбиной, и систему пожаротушения инертным газом с коллекторами системы пожаротушения внутри контейнера, отличающаяся тем, что на входе в газотурбинный двигатель установлен, по меньшей мере, один кольцевой коллектор системы пожаротушения инертным газом. Вне контейнера может быть установлена система тушения пожара водой. Энергетическая газотурбинная силовая установка может быть оборудована системой охлаждения наружного корпуса газотурбинного двигателя, содержащей патрубок сброса воздуха, на патрубке сброса из системы охлаждения установлен датчик температуры, контролирующий температуру сбрасываемого из системы охлаждения воздуха и одновременно выполняющего функцию датчика контроля возникновения пожара. Контейнер может быть облицован внутри или снаружи звуко- и теплоизолирующим материалом.

Предложенное техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью, что подтверждается проведенными патентными исследованиями. Для реализации изобретения достаточно применения известных узлов и деталей, ранее разработанных и реализованных в конструкции газотурбинных двигателей и в машиностроении.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1...4:

на фиг.1 приведена первая схема силовой установки газотурбовоза;

на фиг.2 приведена схема охлаждения и пожаротушения;

на фиг.3 и 4 приведена конструкция контейнера.

Предложенное техническое решение (фиг.1) содержит трехвальный газотурбинный двигатель ГТД 1 и свободную турбину 2, установленную на выходе из ГТД 1. Полость на выходе из свободной турбины 2 образована корпусом свободной турбины 3. На выходе из свободной турбины 2 установлено выхлопное устройство 4.

Газотурбинный двигатель 1 содержит входное устройство 5, компрессор 6, камеру сгорания 7, имеющую систему топливоподачи 8 и топливный насос 9. В состав ГТД входит турбина 10.

К свободной турбине 2 подсоединен электрогенератор 11.

Электрогенератор 11 предназначен для выработки электроэнергии для пиковых электростанций или для привода газотурбовоза и посредством электрических связей 12 через коммутатор 13 соединен с приводными электрическими двигателями 14, которые, в свою очередь, связаны с приводными колесными парами 15. С одним из роторов ГТД 1, предпочтительно с ротором третьего каскада ГТД 1 через вал 16, расцепляемую муфту 17 и первичный вал вспомогательного дизеля 18 подсоединен вспомогательный дизель 19, предназначенный для маневрирования газотурбовоза и для запуска ГТД 1. К вспомогательному дизелю 17, конкретно к его выходному валу 20 через муфту 21 и вал вспомогательного электрогенератора 22 подключен вспомогательный электрогенератор 23, предназначенный для маневрирования газотурбовоза и питания вспомогательных потребителей электроэнергии, когда энергетическая газотурбинная силовая установка не работает.

Компрессор 6 (фиг.1) состоит из каскада компрессора низкого давления 24, каскада компрессора среднего давления 25 и каскада компрессора высокого давления 26. Турбина 10 состоит из турбины высокого давления 27, турбины среднего давления 28 и турбины низкого давления 29. Свободная турбина 2 состоит из регулируемого направляющего аппарата 30 с приводом регулирования 31 и, по меньшей мере, одного рабочего колеса свободной турбины 32.

ГТД 1 имеет наружный корпус 33, температура которого может достигать 100...130°С, что небезопасно при обслуживании. Кроме того, на поверхности наружного корпуса 33 размещены агрегаты управления и регулирования, доступ к которым без крайней необходимости нежелателен. Также при транспортировке силовой установки с завода-изготовителя к заказчику эти агрегаты могут быть повреждены. Для устранения этих недостатков силовая установка установлена в контейнер 34. Для обслуживания агрегатов предусмотрены закрывающиеся люки 35. Силовая установка в контейнере 34 установлена на передних опорах 36 и задних опорах 37. Передние опоры 36 выполнены зафиксированными, а задние опоры 37 выполнены с возможностью горизонтального перемещения для компенсации температурных расширений. Предусмотрена система охлаждения наружного корпуса 33 ГТД 1, совмещенная с системами пожаротушения. Внутренняя полость контейнера «Б» при помощи патрубка сброса 38 сообщается с атмосферой или в внутренней полостью «В» выхлопного устройства 4. На патрубке сброса 38 из системы охлаждения установлен датчик температуры 39, контролирующий температуру сбрасываемого из системы охлаждения воздуха и одновременно выполняющего функцию датчика контроля возникновения пожара.

В схеме регулирования силовой установки предусмотрен блок управления 40, по крайней мере, один датчик оборотов 41, соединенные с ним электрическими связями 12.

Оригинальной особенностью силовой установки является то, что она оборудована системой охлаждения (ГТД 1 и свободной турбины 2), совмещенной с тремя системами пожаротушения.

На фиг.1 и 2 приведена система охлаждения, совмещенная с системами пожаротушения.

Эта система содержит четыре системы:

- систему подачи охлаждающего воздуха - 42,

- систему пожаротушения двигателя - 43,

- систему пожаротушения контейнера -44,

- систему тушения пожара водой - 45.

Система подачи охлаждающего воздуха 42 содержит кольцевой коллектор отбора воздуха 46, установленный на корпусе 33 ГТД 1, полость которого при помощи отверстий «Г» сообщается с полостью за первой ступенью первого каскада компрессора. На нем установлен клапан отбора 47, имеющий привод клапана 48, к выходу клапана отбора подсоединен кольцевой коллектор подачи воздуха 49. Кольцевой коллектор подачи воздуха 49 установлен в полости контейнера «Б».

Система пожаротушения двигателя 43 содержит на входе в ГТД 1 внутренний кольцевой коллектор 50, подключенный через клапан 51 к баллону с инертным газом 52. Эта система предназначена для тушения очага пожара внутри ГТД 1.

Система пожаротушения контейнера 44 содержит коллектор подачи воздуха 49, подключенный через клапан 53 к баллону с инертным газом 52, и предназначена для тушения очага пожара внутри контейнера 34.

Система тушения пожара водой 45 содержит бак воды 54, к выходу которого подключены водяной насос 55, клапан 56 и один или несколько коллекторов распыла воды 57 (фиг.2).

Контейнер 37 (фиг.3 и 4) предпочтительно выполнить из двух частей: верхней 58 и нижней 59 со стыком 60.

Энергетическая газотурбинная силовая установка работает следующим образом.

При запуске силовой установки электрический сигнал подается с системы управления 40 на вспомогательный дизель 19, выполняющий функцию стартера (фиг.1), и на топливный насос 9. Вспомогательный дизель 19 раскручивает ротор каскада компрессора высокого давления и турбину низкого давления 29. Мощность вспомогательного дизеля 19 тратится на раскрутку только одного из трех роторов ГТД 1, это облегчает и ускоряет запуск. Раскручиваются роторы среднего и низкого давления и ротор свободной турбины 2.

Когда осуществится запуск газотурбинного двигателя ГТД 1, его обороты достигнут рабочих, что контролируют датчик оборотов 41, блок управления 40 подает сигнал на ограничение подачи топлива. Далее с блока управления 40 подается сигнал на привод клапана 48, который открывает клапан отбора воздуха 47. Воздух через отверстия «Е» поступает внутрь контейнера в полость «В». Датчики температуры 39 контролируют температуру воздуха на выходе из систем охлаждения и регулирования радиальных зазоров и передают эти данные в блок управления 40. При превышении температуры воздуха на выходе, например более 95°С, блок управления 40 подает сигнал на привод 48 для открытия клапана отбора воздуха 47 (фиг.2). При температуре ниже 80°С подается сигнал на прикрытие клапана отбора воздуха 47. Это позволяет поддерживать минимальный радиальный зазор между рабочими лопатками и статорами компрессоров, турбин и свободной турбины. КПД силовой установки вследствие этого возрастет на 2...4% по сравнению с лучшими мировыми образцами изделий аналогичного назначения, а расход топлива соответственно уменьшится. Кроме того наружная поверхность контейнера будет иметь температуру не более 40°С, что обеспечит безопасность обслуживания.

При этом газотурбовоз (локомотив) имеет возможность при движении использовать мощность ГТД 1 в диапазоне от 6 до 40 МВт по сравнению с максимальной мощностью локомотивов, используемых в РФ 1800 кВт, что позволит достичь скорости 500 км/час и более.

При пожаре

Возникновение пожара контролируется по датчику температуры 39 и другим датчикам обнаружения пожара, которых может быть сколь угодно много и они могут быть размещены в ГТД 1, внутри контейнера 34 и вне него. Типы датчиков обнаружения пожара также могут быть разные (на фиг.1 и 4 они не показаны).

В первую очередь выключают топливный насос 9. Потом открывают клапаны 51 и 53 и инертный газ подается внутрь ГТД 1 и внутрь контейнера 34. При необходимости запускают водяной насос 55 и открывают клапан 56 для подачи воды на наружную поверхность контейнера 34. Такой способ тушения имеет ряд преимуществ:

- Локализация пожара внутри ГТД происходит быстро и не приводит к разрушение материальной части, т.к. при попадании воды на сильнонагретые детали ГТД могло бы привести к их короблению и поломке.

- При локализации пожара внутри контейнера 34 инертным газом не происходит увлажнение кабелей систем управления ГТД 1 и приведение их в нерабочее состояние.

- Расход инертного газа и воды для тушения небольшой, т.к. он расходуется целенаправленно в определенном объеме.

- Нет вредного влияния применения средств пожаротушения на обслуживающий персонал и пассажиров.

Применение изобретения позволило:

1. Обеспечить безопасность работы с установкой за счет снижения шума, теплоизоляции и установки очень эффективной многоступенчатой системы пожаротушения.

2. Облегчить (ускорить) запуск силовой установки энергетической газотурбинной транспортируемой силовой установки.

3. Повысить надежность силовой установки

4. Улучшить экономичность установки.

5. Облегчить сборку за счет модульной конструкции установки.

6. Создать условия для транспортировки.

7. Обеспечить ремонтопригодность установки.

Энергетическая газотурбинная силовая установка содержит контейнер, в котором установлены последовательно газотурбинный двигатель, содержащий входное устройство, компрессор, камеру сгорания, турбину, газодинамически связанную с выходом из турбины свободную турбину, и систему пожаротушения инертным газом с коллекторами системы пожаротушения внутри контейнера. Со свободной турбиной соединен электрогенератор. На входе в газотурбинный двигатель установлен, по меньшей мере, один кольцевой коллектор системы пожаротушения инертным газом. Изобретение направлено на обеспечение безопасности обслуживающего персонала и эргономических показателей при работе установки. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Энергетическая газотурбинная силовая установка, содержащая контейнер, в котором установлены последовательно газотурбинный двигатель, содержащий входное устройство, компрессор, камеру сгорания и турбину, газодинамически связанную с выходом из турбины свободную турбину и электрогенератор, соединенный со свободной турбиной, и систему пожаротушения инертным газом с коллекторами системы пожаротушения внутри контейнера, отличающаяся тем, что на входе в газотурбинный двигатель установлен, по меньшей мере, один кольцевой коллектор системы пожаротушения инертным газом.2. Энергетическая газотурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что вне контейнера установлена система тушения пожара водой.3. Энергетическая газотурбинная силовая установка, по п.1, отличающаяся тем, что она оборудована системой охлаждения наружного корпуса газотурбинного двигателя, содержащей патрубок сброса воздуха, на патрубке сброса из системы охлаждения установлен датчик температуры, контролирующий температуру сбрасываемого из системы охлаждения воздуха и одновременно выполняющий функцию датчика контроля возникновения пожара.4. Энергетическая газотурбинная силовая установка, по п.1 или 2, отличающаяся тем, что контейнер облицован внутри или снаружи звуко- и теплоизолирующим материалом.