УЗЕЛ СОЕДИНЕНИЯ КОРПУСОВ ГАЗОГЕНЕРАТОРА И СВОБОДНОЙ ТУРБИНЫ ГАЗОТУРБИННОГО ПРИВОДА Российский патент 2009 года по МПК F02C7/20 F02C7/28 

Узел соединения корпусов газогенератора и свободной турбины газотурбинного привода относится к наземным газотурбинным установкам, в частности к конструкциям узлов соединения газогенераторов со свободной турбиной газотурбинных приводов, имеющих раздельное крепление газогенератора и свободной турбины на фундаментной раме.

Известны конструкции узлов соединения корпусов газогенератора и свободной турбины газотурбинных приводов, имеющих раздельное крепление газогенератора и свободной турбины на фундаментной раме, состоящие из теплового компенсатора, включающего сильфон, и корпусных осесимметричных - относительно оси вращения двигателя - элементов, образующих на участке между турбиной газогенератора и свободной турбиной в поперечном сечении кольцевой канал, являющийся частью газовоздушного тракта газотурбинного привода /Приводной ГТУ JR-240 фирмы «Ингерсол-ранд», см. рис.1.60«б», Стационарные газотурбинные установки. Справочник. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989. - 543 с./.

Недостатком конструкции является то, что имеющая место неравномерность температурных полей на участке газовоздушного тракта между турбиной газогенератора и свободной турбиной приводит на некоторых режимах к нарушению соосности корпусов газогенератора и свободной турбины, дополнительным газодинамическим потерям и снижению КПД. Сильфонное уплотнение в известной конструкции воспринимает усилия не только в осевом, но и в перпендикулярном оси двигателя направлении, что снижает ресурс конструкции.

Наиболее близким к заявляемой конструкции узла соединения корпусов газогенератора и свободной турбины газотурбинного привода известным техническим решением (прототипом) является конструкция газотурбинной установки фирмы «Бристоль Сиддли» /рис.1-210, Шубенко-Шубин Л.А. и др. Газотурбинные установки, Атлас конструкций и схем. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1976. 164 с./. Известное техническое решение - узел соединения корпусов газогенератора и свободной турбины газотурбинного привода содержит тепловой компенсатор - сильфон, подкрепленный изнутри кольцевым элементом, корпусные осесимметричные - относительно оси вращения двигателя - элементы, образующие на участке между турбиной газогенератора и свободной турбиной в поперечном сечении кольцевой канал, являющийся частью газовоздушного тракта газотурбинного привода. Работает известное устройство следующим образом: при раздельном креплении газогенератора и свободной турбины на фундаментной раме после запуска газотурбинного привода и выхода на рабочий режим тепловые расширения реализуются в корпусных элементах переходного участка между турбиной газогенератора и свободной турбиной, причем движение корпусных элементов турбины газогенератора и свободной турбины в процессе прогрева газотурбинного привода до выхода на рабочий режим происходит во встречном направлении. Соответственно, установка свободной турбины выполняется с большим осевым зазором, превышающим ожидаемые линейные тепловые расширения корпусных элементов переходного участка между турбиной газогенератора и свободной турбиной. Сильфон в известной конструкции выполняет роль уплотнения и теплового компенсатора одновременно. Подкрепляющее кольцо, расположенное непосредственно под сильфоном, выполнено для улучшения соосности элементов газовоздушного тракта на участке между турбиной газогенератора и свободной турбиной.

Недостатками известного устройства является нарушение плавности газовоздушного тракта, вызванное наличием кольцевого осевого зазора на участке между турбиной газогенератора и свободной турбиной, а также нарушением соосности корпусов газогенератора и свободной турбины из-за неравномерности температурных полей вследствие поперечной податливости сильфона, что снижает КПД газотурбинного привода. Кроме того, сильфонное уплотнение воспринимает внешние усилия не только в осевом направлении и от избыточного внутреннего давления, но и в перпендикулярном оси двигателя направлении, что снижает ресурс конструкции.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности узла соединения корпусов газогенератора и свободной турбины газотурбинного привода, обеспечение соосности корпусных элементов переходного участка между турбиной газогенератора и свободной турбиной на всех режимах работы газотурбинного привода, устранение утечек газовоздушной смеси из рабочего тракта, прочностная разгрузка сильфонного уплотнения и повышение его ресурса.

Решаемая техническая задача в узле соединения корпусов газогенератора и свободной турбины газотурбинного привода, имеющего раздельное крепление газогенератора и свободной турбины, состоящем из теплового компенсатора, включающего сильфон, и корпусных осесимметричных - относительно оси вращения двигателя - элементов, образующих на участке между турбиной газогенератора и свободной турбиной в поперечном сечении кольцевой канал, являющийся частью газовоздушного тракта газотурбинного привода, достигается тем, что тепловой компенсатор содержит раздельно выполненные сильфон, закрепленный торцевыми краями в корпусных элементах газогенератора и свободной турбины, ось которого совпадает с осью вращения двигателя, и, как минимум, одно телескопическое соединение, закрепленное противоположными концами в корпусных элементах соответственно газогенератора и свободной турбины с возможностью осевого перемещения противоположных не закрепленных концов по телескопическому принципу.

Кроме того, узел соединения корпусов газогенератора и свободной турбины газотурбинного привода может иметь, как минимум, одно телескопическое соединение, а также сильфон, за наружными пределами газовоздушного тракта газотурбинного привода.

Кроме того, узел соединения корпусов газогенератора и свободной турбины газотурбинного привода могут иметь, как минимум, с одной стороны сильфона, между его торцевым краем и корпусным элементом газогенератора или свободной турбины, дополнительный промежуточный демпфирующий элемент в виде кольцевой мембраны, в том числе и криволинейной формы, причем большей жесткости, чем жесткость сильфона, имеющий крепление с торцевым краем сильфона по окружности внутреннего радиуса и крепление с корпусным элементом газогенератора или свободной турбины по окружности наружного радиуса.

Кроме того, место крепления по окружности наружного радиуса, как минимум, одного промежуточного демпфирующего элемента в корпусных элементах газогенератора или свободной турбины находится на расстоянии R_кр.нар от оси двигателя

R_кр.нар=R_{кр.внутр}+(1,0…4,0) h_сильф,

где: R_{кр.внутр} - расстояние от оси двигателя до места крепления края сильфона на окружности внутреннего радиуса промежуточного демпфирующего элемента,

h_сильф - высота гофров сильфона.

Кроме того, толщина промежуточного демпфирующего элемента δ_пдэ составляет

δ_пдэ=(1,1…3,0)(R_кр.нар/R_{кр.внутр})(E_сильф/E_пдэ)δ_сильф,

где: Е_пдэ - модуль упругости материала промежуточного демпфирующего элемента,

Е_сильф - модуль упругости материала сильфона,

δ_сильф - толщина материала рабочей части (гофров) сильфона.

Кроме того, в месте соединения, как минимум, одного промежуточного демпфирующего элемента с корпусными элементами газогенератора или свободной турбины по окружности установлено уплотнение из негорючего материала, например керамического шнура.

Кроме того, место расположения уплотнения находится на расстоянии R_упл от оси двигателя R_упл=R_кр.нар-(0…0,9)h_сильф.

Технический результат в части выполнения теплового компенсатора в виде раздельно выполненных сильфона и телескопического соединения заключается в улучшении соосности корпусов газогенератора и свободной турбины, возможности уменьшения кольцевого зазора в месте соединения корпусов, тем самым в повышении КПД газотурбинного привода, а также в разгрузке сильфона от сил в плоскости, перпендикулярной оси газотурбинного привода, что увеличивает ресурс сильфона.

Технический результат в части выполнения теплового компенсатора - сильфона и телескопического соединения - за наружными пределами газовоздушного тракта газотурбинного привода заключается в том, что при расположении на большем диаметре увеличивается опорная поверхность телескопического соединения, что дополнительно снижает действие на сильфон сил в плоскости, перпендикулярной оси газотурбинного привода, и тем самым увеличивает ресурс сильфона.

Технический результат в части установки между торцевым краем сильфона и корпусным элементом газогенератора или свободной турбины, дополнительного промежуточного демпфирующего элемента в виде кольцевой мембраны, заключается в снижении нагруженности сильфона от действия осевых сил и увеличении его ресурса.

Технический результат в части конкретизации мест крепления краев промежуточного демпфирующего элемента в корпусных элементах газогенератора или свободной турбины и по краям сильфона заключается в выравнивании напряжений в сильфоне и в промежуточном демпфирующем элементе, соответственно, в снижении общей нагруженности конструкции и увеличении ресурса.

Технический результат в части конкретизации толщины материала промежуточного демпфирующего элемента и сильфона также заключается в выравнивании осевых перемещений в сильфоне и в промежуточном демпфирующем элементе, соответственно, в снижении общей нагруженности конструкции и увеличении ресурса.

Технический результат в части установки уплотнения из негорючего материала заключается в снижении утечек рабочего тела из газовоздушного тракта газотурбинного привода, что приводит к повышению КПД.

Технический результат в части конкретизации места расположения уплотнения заключается в уменьшении влияния постановки уплотнения на жесткость промежуточного демпфирующего элемента, соответственно, в предотвращении нарушения баланса между жесткостью элементов конструкции - сильфона и промежуточных демпфирующих элементов.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 представлен продольный разрез газотурбинного привода, имеющего раздельное крепление газогенератора и свободной турбины на фундаментной раме; на фиг.2 - вид А фиг.1 в увеличенном масштабе на переходный участок между турбиной газогенератора и свободной турбиной, содержащий узел соединения корпусов газогенератора и свободной турбины газотурбинного привода; на фиг.3 - вид Б фиг.2 в увеличенном масштабе на раздельно выполненные сильфон и телескопическое соединение; на фиг.4 приведен пример другого, отличающегося от приведенного на фиг.3, конструктивного исполнения узла соединения корпусов газогенератора и свободной турбины газотурбинного привода; на фиг.5 - вид В фиг.4 в увеличенном масштабе на места крепления промежуточных демпфирующих элементов в корпусных элементах газогенератора и свободной турбины, в том числе с использованием уплотнения.

Газотурбинный привод (фиг.1) имеет переходный участок (фиг.2 - вид А фиг.1) между турбиной газогенератора 1 и свободной турбиной 2, узлы 3 и 4 раздельного крепления соответственно газогенератора и свободной турбины к фундаментной раме 5. Узел соединения (фиг.2, фиг.3) корпусов газогенератора 1 и свободной турбины 2 газотурбинного привода содержит тепловой компенсатор, включающий раздельно выполненные сильфон 6, закрепленный торцевыми краями в корпусных элементах 7 и 8 соответственно газогенератора и свободной турбины, осесимметричных относительно оси вращения двигателя через дополнительные промежуточные демпфирующие элементы 9 и 10 в виде кольцевых мембран, в том числе и криволинейной формы, имеющих крепление с торцевым краем сильфона 6 по окружности внутреннего радиуса и крепление с корпусными элементами 7 и 8 соответственно газогенератора и свободной турбины по окружности наружного радиуса и телескопические соединения 11 и 12, закрепленные противоположными концами в корпусных элементах соответственно газогенератора и свободной турбины с возможностью осевого перемещения противоположных не закрепленных концов по телескопическому принципу, предназначенные для обеспечения соосности корпусных элементов газогенератора и свободной турбины. Часть корпусных элементов 13, 14 и 15 образуют на участке между турбиной газогенератора и свободной турбиной в поперечном сечении кольцевой канал 16, являющийся частью газовоздушного тракта газотурбинного привода. Ось сильфона 6 совпадает с осью вращения двигателя.

В одном из примеров исполнения узла соединения корпусов газогенератора и свободной турбины, представленном на фиг.3, один из промежуточных демпфирующих элементов 9 выполнен в виде криволинейной мембраны, содержащей плоский расположенный в плоскости, перпендикулярной оси двигателя, участок, а другой 10 - в виде криволинейной, но также содержащей плоский участок, расположенный в плоскости, перпендикулярной оси двигателя.

В другом примере исполнения узла соединения корпусов газогенератора и свободной турбины, представленном на фиг.4, один из промежуточных демпфирующих элементов 9 выполнен в виде конической мембраны, а другой 10 - в виде криволинейной мембраны, содержащей два плоских участка, расположенных в плоскостях, перпендикулярных оси двигателя.

Во всех примерах исполнения узла соединения корпусов газогенератора и свободной турбины, представленных на фиг.2, фиг.3 и фиг.4, промежуточные демпфирующие элементы 9 и 10 выполнены конструктивно таким образом, что место крепления промежуточных демпфирующих элементов в корпусных элементах газогенератора 7 и свободной турбины 8, с целью эффективного распределения усилий и перемещений между промежуточным демпфирующим элементом и сильфоном, находится на расстоянии R_кр.нар от оси двигателя

R_кр.нар=R_{кр.внутр}+(1,0…4,0) h_сильф,

где: R_{кр.внутр} - расстояние от оси двигателя до места крепления края сильфона на окружности внутреннего радиуса промежуточного демпфирующего элемента,

h_сильф - высота гофров сильфона.

Во всех примерах исполнения узла соединения корпусов газогенератора и свободной турбины, представленных на фиг.3 и фиг.4, промежуточные демпфирующие элементы выполнены таким образом, что толщина каждого из промежуточных демпфирующих элементов δ_пдэ составляет

δ_пдэ=(1,1…3,0)(R_кр.нар/R_{кр.внутр})(E_сильф/E_пдэ)δ_сильф,

где: Е_пдэ - модуль упругости материала промежуточного демпфирующего элемента,

Е_сильф - модуль упругости материала сильфона,

δ_сильф - толщина материала рабочей части (гофров) сильфона.

В примере исполнения узла соединения корпусов газогенератора и свободной турбины газотурбинного привода, представленном на фиг.4 и фиг.5, в месте соединения промежуточного демпфирующего элемента 10 с корпусным элементом свободной турбины 8 по окружности установлено уплотнение 17 из негорючего материала типа керамического шнура, помещенного в специальную кольцевую канавку, образованную корпусным элементом 8, ограничительным кольцом 18, закрепленным при помощи заклепок 19 на промежуточном демпфирующем элементе 10. Место соединения другого промежуточного демпфирующего элемента 9 с корпусным элементом 7 газогенератора выполнено с использованием герметика 20.

Место расположения уплотнения 17 выбрано на расстоянии R_упл от оси двигателя

R_упл=R_кр.нар-(0…0,9)h_сильф.

Например, выбор параметров конкретной конструкции может осуществляться в следующей последовательности: при реализации устройства в конструкции газотурбинного привода НК-16-18СТ (фиг.4) возможен вариант крепления промежуточного демпфирующего элемента с сильфоном по окружности, расположенной на радиусе R_{кр.внутр}=613 мм, отсюда место крепления промежуточных демпфирующих элементов к корпусным элементам газогенератора и свободной турбины при высоте гофров сильфона h_сильф=45 мм может находиться в пределах R_кр.нар=658…792 мм. При толщине материала (нержавеющая сталь 12Х18Н10Т) рабочей части (гофров) сильфона δ_сильф=1 мм, крепление промежуточных демпфирующих элементов в выбранном интервале R_кр.нар=658…792 мм: переднего 9 (к корпусным элементам газогенератора) - выбрано конкретное значение R¹ _кр.нар=680 мм; заднего 10 (к корпусным элементам свободной турбины) - выбрано R² _кр.нар=732 мм. Выбран тот же материал промежуточных демпфирующих элементов, что и материал сильфона. Определено, что толщина элемента 9 может находиться в пределах 1,22…3,33 мм, а толщина элемента 10 - в пределах 1,31…3,58 мм. В реальной конструкции газотурбинного привода НК-16-18СТ выбрана толщина и переднего и заднего промежуточных демпфирующих элементов 9 и 10 одинаковой,

δ_пдэ=2 мм.

В другом варианте исполнения (фиг.3) крепление переднего промежуточного демпфирующего элемента 9 к сильфону и корпусным элементам газогенератора выполнено по окружностям того же радиуса R¹ _{кр.внутр}=613 мм, место крепления промежуточного демпфирующего элемента к корпусным элементам газогенератора при другой высоте гофров сильфона h_сильф=33 мм может находиться в пределах

R_кр.нар=646…745 мм. Выбрано то же значение, что и в первом случае R¹ _кр.нар=680 мм. Соответственно, интервал толщин элемента 9 соответствует предыдущему варианту. Крепление заднего промежуточного демпфирующего элемента 10 к сильфону выбрано по радиусу R² _{кр.внутр}=660 мм, соответственно, место крепления промежуточного демпфирующего элемента к корпусным элементам свободной турбины может находиться в пределах R_кр.нар=693…792 мм. Выбрано крепление по радиусу R² _кр.нар=732 мм, отсюда интервал толщин элемента 10 для варианта исполнения (фиг.3) находится в пределах 1,22…3,33 мм. Далее, в конкретном варианте выбрана толщина и переднего и заднего промежуточных демпфирующих элементов 9 и 10 одинаковой, δ_пдэ=2 мм.

В варианте исполнения по фиг.4 и фиг.5 крепление заднего промежуточного демпфирующего элемента 10 к сильфону и корпусным элементам свободной турбины выполнено с установкой по окружности уплотнения из негорючего материала типа керамического или асбестового шнура, расположенного в кольцевой полости, образованной корпусным элементом 8 и ограничительным кольцом 18, закрепленным при помощи заклепок 19 на промежуточном демпфирующем элементе 10.

При выбранном радиусе закрепления промежуточного демпфирующего элемента 10 в корпусном элементе свободной турбины 8 R² _кр.нар=732 мм место расположения уплотнения при h_сильф=45 мм может находиться на расстоянии от оси двигателя R_упл=R_кр.нар-(0…0,9)h_сильф в пределах R_упл=691,5…732,0 мм. Выбрано расположение уплотнения (керамического, асбестового или шнура из иного негорючего материала) по радиусу R_упл=722 мм.

Устройство работает следующим образом.

До запуска газотурбинного привода сильфон 6 и телескопические соединения 11 и 12 находятся в исходном состоянии, определенном монтажными размерами. В процессе включения газотурбинного привода и вывода его на рабочий режим происходит нагрев корпусов газогенератора и свободной турбины, в том числе и на переходном участке А между турбиной газогенератора и свободной турбиной, который реализуется в виде встречных перемещений корпусов газогенератора и свободной турбины, в частности корпусных элементов 7 и 8 соответственно газогенератора и свободной турбины. Телескопические соединения 11 и 12 удерживают взаимное перемещение корпусных элементов газогенератора 7 и свободной турбины 8 в направлении, перпендикулярном оси газотурбинного привода, чем обеспечивается разгрузка сильфонного уплотнения от одной из составляющих его суммарного нагружения. Конструктивное исполнение элементов крепления сильфона 6 с корпусными элементами 7 и 8 газогенератора и свободной турбины через промежуточные демпфирующие элементы 9 и 10, воспринимающие часть осевых нагрузок, обеспечивает частичную разгрузку сильфона 6 и от осевых нагрузок, что способствует повышению ресурса сильфонного уплотнения. Разгрузка обеспечивается сопоставимостью жесткости сильфонного уплотнения и промежуточных демпфирующих элементов согласно приведенным формулам определения параметров сильфона 6 и промежуточных демпфирующих элементов 9 и 10. Установка уплотнения из негорючего материала, например керамического шнура, в кольцевой полости в зоне крепления промежуточного демпфирующего элемента по окружности наружного радиуса способствует устранению утечек газовоздушной смеси и незначительно влияет на демпфирующие свойства промежуточного демпфирующего элемента.

Выполненные расчеты долговечности конструкции показали снижение уровня напряжений, соответствующих увеличению долговечности сильфона более чем в два раза.

Решение поставленной технической задачи изобретения позволяет улучшить центровку корпусов и тем самым повысить КПД установки, позволяет снизить нагруженность сильфона и тем самым повысить надежность его работы и долговечность, обеспечить эффективное уплотнение стыка.

Узел соединения корпусов газогенератора и свободной турбины газотурбинного привода, имеющего раздельное крепление газогенератора и свободной турбины, состоит из теплового компенсатора и корпусных элементов, выполненных симметрично относительно оси вращения двигателя. Корпусные элементы на участке между турбиной газогенератора и свободной турбиной образуют в поперечном сечении кольцевой канал, являющийся частью газовоздушного тракта газотурбинного привода. Тепловой компенсатор содержит раздельно выполненные сильфон и, как минимум, одно телескопическое соединение. Сильфон закреплен торцевыми краями в корпусных элементах газогенератора и свободной турбины, а его ось совпадает с осью вращения двигателя. Телескопическое соединение закреплено своими концами в корпусных элементах соответственно газогенератора и свободной турбины с возможностью осевого перемещения противоположных не закрепленных концов по телескопическому принципу. Изобретение позволяет повысить коэффициент полезного действия газотурбинного привода за счет уменьшения кольцевого зазора в месте соединения корпусов газогенератора и свободной турбины и улучшения их соосности, а также повысить ресурс сильфона за счет разгружения сильфона от сил, действующих в плоскости, перпендикулярной оси газотурбинного привода. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Узел соединения корпусов газогенератора и свободной турбины газотурбинного привода, имеющего раздельное крепление газогенератора и свободной турбины, состоящий из теплового компенсатора, включающего сильфон, и корпусных осесимметричных относительно оси вращения двигателя элементов, образующих на участке между турбиной газогенератора и свободной турбиной в поперечном сечении кольцевой канал, являющийся частью газовоздушного тракта газотурбинного привода, отличающийся тем, что тепловой компенсатор содержит раздельно выполненные сильфон, закрепленный торцевыми краями в корпусных элементах газогенератора и свободной турбины, ось которого совпадает с осью вращения двигателя, и как минимум одно телескопическое соединение, закрепленное противоположными концами в корпусных элементах соответственно газогенератора и свободной турбины с возможностью осевого перемещения противоположных, незакрепленных концов по телескопическому принципу.

2. Узел соединения по п.1, отличающийся тем, что как минимум одно телескопическое соединение, а также сильфон, расположены за наружными пределами газовоздушного тракта газотурбинного привода.

3. Узел соединения по п.1 или 2, отличающийся тем, что как минимум с одной стороны сильфона, между его торцевым краем и корпусным элементом газогенератора или свободной турбины установлен дополнительный промежуточный демпфирующий элемент в виде кольцевой мембраны, в том числе и криволинейной формы, большей жесткости, чем жесткость сильфона, имеющий крепление с торцевым краем сильфона по окружности внутреннего радиуса и крепление с корпусным элементом газогенератора или свободной турбины по окружности наружного радиуса.

4. Узел соединения по п.3, отличающийся тем, что место крепления по окружности наружного радиуса как минимум одного промежуточного демпфирующего элемента в корпусных элементах газогенератора или свободной турбины находится на расстоянии R_кр.нар от оси двигателя
R_кр.нар=R_{кр.внутр}+(1,0…4,0)h_сильф,
где R_{кр.внутр} - расстояние от оси двигателя до места крепления края сильфона на окружности внутреннего радиуса промежуточного демпфирующего элемента;
h_сильф - высота гофров сильфона.

5. Узел соединения по п.4, отличающийся тем, что в месте соединения как минимум одного промежуточного демпфирующего элемента с корпусными элементами газогенератора или свободной турбины по окружности установлено уплотнение из негорючего материала, например керамического шнура.

6. Узел соединения по п.5, отличающийся тем, что место расположения уплотнения находится на расстоянии R_упл от оси двигателя
R_упл=R_кр.нар-(0…0,9)h_сильф.

7. Узел соединения по п.3, отличающийся тем, что толщина промежуточного демпфирующего элемента δ_пдэ составляет
δ_пдэ=(1,1…3,0)(R_кр.нар/R_{кр.внутр}/)(E_сильф/Е_пдэ)δ_сильф
где Е_пдэ - модуль упругости материала промежуточного демпфирующего элемента;
Е_сильф - модуль упругости материала сильфона;
δ_сильф - толщина материала рабочей части (гофров) сильфона.