Устройство для приведения в действие нагрузки, способ промывки многовальной газовой турбины и способ медленного вращения многовальной газовой турбины Российский патент 2017 года по МПК F01D15/12 F01D25/36 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к газовым турбинам, применяемым в качестве устройств механического привода. В частности, настоящее изобретение относится к многовальным газовым турбинам, таким как двухвальные газовой турбины на базе авиационного двигателя, используемые в качестве устройств механического привода.

ОПИСАНИЕ УРОВНЯ ТЕХНИКИ

Газовые турбины нашли широкое применение в таких областях, как выработка электроэнергии и механический привод, в которых газовые турбины обычно используются в качестве двигателя для одной или нескольких приводимых машин, таких как компрессоры, в частности центробежные компрессоры. Типичной областью их применения в качестве механических приводов является сжижение природного газа, утилизация углекислого газа и тому подобное.

Газовая турбина содержит один или несколько последовательно расположенных воздушных компрессоров для сжатия окружающего воздуха, камеру сгорания для сжигания топлива вместе со сжатым воздухом и одну или несколько турбин для приведения в действие компрессора (компрессоров) и выработки полезной механической энергии. Вырабатываемая турбиной (турбинами) энергия, превышающая энергию, необходимую для приведения в действие компрессора (компрессоров), используется для приведения в действие нагрузки.

Газовые турбины поглощают большие объемы воздуха. Частицы, присутствующие в воздухе в виде аэрозолей, засосанные газовой турбиной, частично выходят из газовой турбины с отработанными газами. Однако, имеются частицы, которые засоряют турбомашину путем прилипания к неподвижным и вращающимся лопаткам. Это загрязнение, называемое также засорением, особенно отрицательно воздействует на начальную часть пути потока внутри газовой турбины, то есть на компрессор или компрессоры. Загрязнения, образуя отложения на неподвижных и вращающихся лопатках компрессора, изменяют геометрию лопаток и увеличивают трение газа, снижая, таким образом, общий коэффициент полезного действия компрессора. В частности, прилипающие к поверхностям неподвижных и вращающихся лопаток частицы изменяют аэродинамические свойства каналов, ограниченных неподвижными и подвижными лопатками. Изменение аэродинамических свойств вызывает уменьшение массового расхода и, следовательно, уменьшение коэффициента полезного действия компрессора.

Обычно компрессор газовой турбины потребляет основную часть мощности, генерируемой турбиной или турбинами, то есть приблизительно 60% указанной мощности. Поэтому уменьшение коэффициента полезного действия компрессора отрицательно влияет на общий коэффициент полезного действия газовой турбины, уменьшая мощность, доступную для привода нагрузки.

Одним из путей уменьшения засорения компрессора в газовой турбине является промывка ее газовых трактов. Обычно промывку производят впрыскиванием моющей жидкости в газовый тракт выше по потоку от входа компрессора. Допускается вращение турбомашины во время промывки, так что жидкость проталкивается через компрессор и выходит из задней части турбины. Моющая жидкость может содержать воду и химические добавки и подается в виде тонко распыленного аэрозоля, который распределяет моющую жидкость по всей входной поверхности компрессора. Распыление осуществляется соответствующими выпускными отверстиями, в которые подается находящаяся под давлением моющая жидкость.

Эффективным способом промывки газовой турбины является так называемая промывка в режиме вывода из эксплуатации. В этом случае промывка выполняется в то время, когда газовая турбина не включена, но вращается со скоростью вращения, составляющей долю номинальной скорости вращения при нормальной работе, то есть при работе под нагрузкой. Для поддержания вращения газовой турбины на скорости промывки в режиме вывода из эксплуатации требуется дополнительный двигатель.

Также возможна промывка в рабочем режиме. В этом случае газовую турбину промывают в то время, когда она работает под нагрузкой. Однако такой способ промывки менее эффективен вследствие условий по скорости и температуре в компрессоре, которые приводят к неэффективной промывке лопаток, центрифугированию моющей жидкости в направлении к корпусу компрессора и испарению моющей жидкости вследствие увеличения температуры, вызванного большим коэффициентом сжатия. При промывке в рабочем режиме засорение компрессора может быть только уменьшено, но не устранено. Поэтому промывка в режиме вывода из эксплуатации в любом случае должна быть возможной. Фактически для газовой турбины требуется такая промывка в случае, когда количество отложений загрязнений на направляющих лопатках и вращающихся лопатках компрессора становится неприемлемым несмотря на промывку в рабочем режиме.

Газовые турбины на базе авиационного двигателя находят все большее применение в приводах машин и для выработки электроэнергии. Некоторые газовые турбины на базе авиационного двигателя имеют многовальную конструкцию. Многовальная конструкция представляет собой конструкцию, в которой предусматривается наличие более одного вала для присоединения друг к другу турбин и компрессоров с обеспечением передачи приводного усилия. В некоторых многовальных газовых турбинах силовая турбина, то есть турбина, которая создает механическую энергию для приведения в движение нагрузки, механически соединена через один из валов газовой турбины с одним из компрессоров.

На фиг.1 показан схематический вид двухвальной газовой турбины на базе авиационного двигателя, используемой в обычном механическом приводе. Ссылочная позиция 1 обозначает повсюду устройство, содержащее газовую турбину и нагрузку. Газовая турбина 3 содержит компрессор 5 низкого давления, компрессор 7 высокого давления, турбину 9 высокого давления и турбину низкого давления или рабочую турбину 11. Компрессор 7 высокого давления присоединен с обеспечением передачи приводного усилия к турбине 9 первым валом 13 газовой турбины. Турбина низкого давления или рабочая турбина 11 присоединена с обеспечением передачи приводного усилия к компрессору 5 низкого давления посредством второго вала 15 газовой турбины, размещенного коаксиально с первым валом 13 газовой турбины, а также коаксиально с турбиной 9 и компрессором 7.

Окружающий воздух сжимается компрессорами 5 и 7 и входит в камеру 17 сгорания, где газообразное или жидкое топливо добавляется к потоку сжатого воздуха и сжигается с образованием потока газообразных продуктов сгорания с высоким давлением и высокой температурой. Газообразные продукты сгорания, прежде чем будут выпущены, последовательно расширяются в турбинах 9 и 11.

Энергия, образующаяся при расширении газообразных продуктов сгорания в турбине 9, целиком используется для привода компрессора 7. Напротив, механическая энергия, образующаяся при расширении газообразных продуктов сгорания в турбине 11 низкого давления, используется только частично для привода компрессора 5 низкого давления. Большая часть механической энергии выходного вала 21 турбины 11 используется для привода нагрузки.

Выходной вал 21 рабочей турбины 11 образует часть нагрузочной муфты 23, которая передает механическую энергию от газовой турбины 3 к нагрузке. В примере, изображенном на фиг.1, нагрузка представлена центробежным компрессором 25. В этом иллюстративном варианте выполнения между выходным валом 21 газовой турбины и центробежным компрессором 25 размещается редуктор 27. Редуктор обычно предусматривается в том случае, когда скорость вращения турбины низкого давления, с одной стороны, и скорость вращения нагрузки, с другой стороны, не одинаковы в смысле числа оборотов в минуту или если ее необходимо реверсировать. В некоторых вариантах выполнения рабочая турбина 11 может быть непосредственно присоединена к валу нагрузки, то есть к валу электрогенератора или к турбинному оборудованию, например к центробежному компрессору.

В двухвальной газовое турбине на базе авиационного двигателя, такой как изображенная на фиг.1, при промывке компрессоров 5 и 7 требуется вращение первого (высокого давления) и второго (низкого давления) валов газовой турбины. Первый вал вращается самим встроенным пусковым двигателем турбины, второй вал требует внешнего приводного механизма. Кроме того, вращение второго вала газовой турбины требует большой входной мощности, так как второй вал газовой турбины постоянно механически связан с нагрузкой.

Газовые турбины также используются в качестве первичных приводных механизмов при производстве энергии, где механическая энергия выходного вала газовой турбины используется для привода электрогенератора. Электрогенератор преобразует механическую энергию от газовой турбины в электрическую энергию. Одновальные газовые турбины часто используются в электрогенераторах этого типа. Газовая турбина содержит компрессор и турбину, механически соединенные друг с другом валом. Сжатый воздух, доставляемый компрессором, поступает в камеру сгорания и там смешивается с топливом. Топливно-воздушная смесь воспламеняется для получения сжатых горячих газообразных продуктов сгорания. Газообразные продукты сгорания расширяются в газовой турбине для выработкой механической энергии. Часть механической энергии, выработанной турбиной, используется для приведения в действие компрессора. Избыток механической энергии единственного вала газовой турбины используется для приведения в действие электрогенератора.

Для запуска одновальной газовой турбины и электрогенератора, механически соединенного с ней, используются два объединенных двигателя. Первый двигатель содержит низкоскоростной электродвигатель. Второй движитель содержит высокоскоростной двигатель внутреннего сгорания. Для начала вращения цепочки газовая турбина-генератор сначала запускают низкоскоростной электродвигатель. При достижении предварительно заданной скорости вращения линии вала дальнейшее ускорение системы осуществляют высокоскоростным двигателем внутреннего сгорания. Низкоскоростной электродвигатель используют также для медленного вращения электрогенератора после его отключения для предотвращения изгибания роторного агрегата газовой турбины.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Двухскоростной поворотный редуктор объединен с многовальной газотурбинной установкой, причем многовальная газовая турбина приводит в действие нагрузку. Указанная нагрузка присоединена с обеспечением передачи приводного усилия к рабочей турбине, которая, в свою очередь, присоединена по меньшей мере к одному компрессору газовой турбины, для которого необходима промывка в режиме вывода из эксплуатации. Указанный редуктор содержит двигательную установку, которая может приводить во вращение выходной вал указанного редуктора по меньшей мере с двумя разными постоянными скоростями вращения. В некоторых вариантах выполнения используются два двигателя, например электродвигатели, такие, например, как двигатели переменного тока. В некоторых вариантах выполнения могут использоваться трехфазные двигатели, но могут быть предусмотрены и другие двигатели, такие как однофазные двигатели переменного тока или двигатели постоянного тока. При использовании двух двигателей, указанные двигатели также могут быть различных типов, например, двигатель постоянного тока и переменного тока соответственно. Двигатели могут быть идентичными друг другу, и может иметься зубчатый редуктор для вращения выходного вала указанного редуктора с разными скоростями, как это требуются для выполнения различных действий на присоединенном к валу турбинном оборудовании, как станет яснее из последующего описания. Однако в некоторых вариантах выполнения используются двигатели с различными номинальными мощностями и/или различным числом оборотов в минуту. Более того, два двигателя могут обеспечивать различные крутящие моменты. Могут использоваться низкооборотный двигатель и высокооборотный двигатель. Выражения «высокооборотный» и «низкооборотный» относятся к относительным скоростям вращения выходного вала. Таким образом, указанный двухскоростной поворотный редуктор выполнен так, что низкооборотный двигатель вращает выходной вал указанного редуктора с первой скоростью вращения, а высокоскоростной двигатель вращает указанный вал со второй скоростью вращения, при этом вторая скорость вращения выше, чем первая скорость вращения.

Многовальная газовая турбина может содержать только два коаксиально расположенных вала. В другие варианты выполнения указанная турбина может содержать больше двух валов, дополнительный компрессор (компрессоры) и/или рабочие турбины, объединенные с компрессором высокого и низкого давления и с турбиной высокого давления и рабочей турбиной.

В соответствии с одним вариантом выполнения, предложено устройство для приведения в действие нагрузки, которое содержит многовальную газовую турбину, содержащую компрессор высокого давления и турбину высокого давления, соединенные друг с другом первым валом газовой турбины с обеспечением передачи приводного усилия, компрессор низкого давления и рабочую турбину, соединенные с обеспечением передачи приводного усилия друг с другом вторым валом газовой турбины, проходящим коаксиально с первым валом газовой турбины, а также коаксиально с компрессором высокого давления и турбиной высокого давления. Устройство дополнительно содержит нагрузочную муфту, которая соединяет рабочую турбину с нагрузкой с обеспечением передачи приводного усилия. Устройство дополнительно содержит двухскоростной поворотный редуктор с выходным валом, выполненным с возможностью взаимодействия с указанной нагрузкой с обеспечением передачи приводного усилия и выхода из указанного взаимодействия. Указанный редуктор содержит низкооборотный поворотный двигатель и высокооборотный поворотный двигатель, установленные и управляемые с избирательным приведением в движение указанной нагрузки с первой скоростью вращения и со второй скоростью вращения, причем первая скорость вращения меньше второй скорости вращения. Взаимодействие указанного редуктора с нагрузкой и выход из него может осуществляться посредством сцепляемого и расцепляемого соединения, такого как муфта. В некоторых вариантах выполнения для этого может использоваться автоматическая муфта с синхронизатором. Муфта этого типа производит зацепление и расцепление особенно быстро и надежно. Могут использоваться и другие муфты или системы сцепления.

В некоторых вариантах выполнения, как показано ниже в отношении иллюстративного варианта выполнения, выходной вал указанного редуктора выполнен с возможностью фронтального взаимодействия с нагрузкой. Например, выходной вал указанного редуктора может быть выполнен с возможностью взаимодействия с валом последнего из группы компрессоров, образующих цепочку компрессоров, или только одного компрессора, образующего нагрузку, приводимую в действие газовой турбиной. Не исключены другие устройства, такие как устройство, использующее редуктор, расположенный между последним компрессором цепочки компрессоров или компрессором, образующим нагрузку, и выходным валом двухскоростного поворотного редуктора.

В некоторых вариантах выполнения нагрузка может содержать по меньшей мере один центробежный компрессор или несколько центробежных компрессоров. В других вариантах выполнения к газовой турбине могут быть присоединены другие вращающиеся механизмы, отличающиеся от центробежных компрессоров, возможно, в сочетании с центробежными компрессорами.

В некоторых вариантах выполнения может быть предусмотрена обгонная муфта для отцепления низкооборотного поворотного двигателя от выходного вала указанного редуктора, когда высокооборотный поворотный двигатель ускоряет указанный выходной вал выше максимальной скорости, предусмотренной для низкооборотного поворотного двигателя.

В иллюстративном варианте выполнения двухскоростной поворотный редуктор содержит муфту, которая выполнена и расположена так, что выходной вал указанного редуктора вращается низкооборотным поворотным двигателем до достижения первой скорости вращения и вращается высокооборотным поворотным двигателем, когда скорость вращения выходного вала превышает указанную первую скорость вращения. Для этого может использоваться обгонная муфта, расположенная между низкооборотным поворотным двигателем и указанным выходным валом, так что высокооборотный поворотный двигатель принимает управление выходным валом, когда его скорость превосходит скорость, обеспечиваемую низкооборотным поворотным двигателем.

В некоторых вариантах выполнения может быть предусмотрена первая муфта, избирательно зацепляющая и расцепляющая указанный выходной вал с указанной нагрузкой, и вторая муфта, избирательно сцепляющая низкооборотный поворотный двигатель с выходным валом и расцепляющая его от указанного вала.

Указанный редуктор может содержать зубчатые передачи для обеспечения соответствующего отношения между скоростью вращения низкооборотного поворотного двигателя и указанным выходным валом, а также между скоростью вращения высокооборотного поворотного двигателя и указанным выходным валом. Зубчатая передача может содержать по меньшей мере одну червячную передачу. В некоторых вариантах выполнения две червячные передачи расположены каскадным образом, то есть последовательно. Скорость вращения низкооборотного поворотного двигателя затем уменьшается дважды посредством двух последовательно расположенных червячных передач, обеспечивая вращение выходного вала с первой низкой скоростью вращательного движения. Скорость вращения высокооборотного поворотного двигателя может уменьшаться посредством только одной из указанных червячных передач, обеспечивая вращение указанного выходного вала с большей скоростью вращения.

Согласно некоторым вариантам выполнения во время промывки газовой турбины в режиме вывода из эксплуатации указанный редуктор расположен и управляется с обеспечением первоначального ускорения нагрузки, компрессора низкого давления и рабочей турбины из неподвижного состояния до первой скорости вращения посредством низкооборотного поворотного двигателя и затем обеспечением дальнейшего ускорения нагрузки, компрессора низкого давления и рабочей турбины от первой скорости вращения до второй скорости вращения, более высокой, чем указанная первая скорость вращения. Вторая скорость вращения может являться скоростью промывки в режиме вывода из эксплуатации, которая поддерживается во время указанной промывки газовой турбины.

В некоторых вариантах выполнения низкооборотный поворотный двигатель и высокооборотный поворотный двигатель расположены и управляются так, что во время медленного вращения нагрузки вращение указанной нагрузки управляется низкооборотным поворотным двигателем.

Для приведения во вращение компрессора высокого давления и турбины высокого давления используется, например, вспомогательный поворотный двигатель. Такой вспомогательный поворотный двигатель может представлять собой встроенный пусковой двигатель самой газовой турбины. Указанный двигатель может использоваться для медленного проворачивания внутренней части газовой турбины, то есть компрессора высокого давления и турбины высокого давления после остановки газовой турбины, с предотвращением прогиба роторного агрегата указанной внутренней части. Тот же самый вспомогательный поворотный двигатель может использоваться в качестве стартера для начала вращения компрессора высокого давления и турбины высокого давления газовой турбины. Компрессор низкого давления и турбина низкого давления механически не присоединены к внутренней части турбины и поэтому от вспомогательного поворотного двигателя, действующего в качестве стартера, не требуется приведения во вращение компрессора низкого давления и турбины низкого давления, а также присоединенной к ним нагрузки.

Согласно дополнительному аспекту изобретение относится к способу промывки многовальной газовой турбины, такой как двухвальная газовая турбина, присоединенная к нагрузке, в режиме вывода из эксплуатации. Двухскоростной поворотный редуктор избирательно присоединяют с обеспечением передачи приводного усилия к нагрузке, приводимой в действие многовальной газовой турбиной, и используют для постепенного ускорения нагрузки и рабочей турбины вместе с компрессором низкого давления газовой турбины до скорости вращения промывки в режиме вывода из эксплуатации.

При необходимости для ускорения устройства могут последовательно использовать низкооборотный поворотный двигатель и высокооборотный поворотный двигатель.

Согласно некоторым вариантам выполнения предложенного способа выполняют указанную промывку на газовой турбине, содержащей компрессор высокого давления и турбину высокого давления, присоединенные друг к другу первым валом газовой турбины с обеспечением передачи приводного усилия, компрессор низкого давления и рабочую турбину, присоединенные друг к другу с обеспечением передачи приводного усилия вторым валом газовой турбины, проходящим коаксиально с указанным первым валом газовой турбины, указанным компрессором высокого давления и указанной турбиной высокого давления. В некоторых вариантах выполнения способ включает следующие этапы:

использование двухскоростного поворотного редуктора с выходным валом, выполненным с возможностью взаимодействия с указанной нагрузки с обеспечением передачи приводного усилия и выхода из указанного взаимодействия, причем указанный редуктор содержит низкооборотный поворотный двигатель и высокооборотный поворотный двигатель,

первоначальное ускорение компрессора низкого давления, рабочей турбины и нагрузки низкооборотным поворотным двигателем до первой скорости вращения,

когда первая скорость вращения достигнута, продолжение ускорения компрессора низкого давления, рабочей турбины и нагрузки высокооборотным поворотным двигателем, пока не будет достигнута скорость вращения для промывки в режиме вывода из эксплуатации,

поддержание указанной скорости вращения для промывки в течение времени промывки газовой турбины.

В соответствии с некоторыми вариантами выполнения, могут поворачивать дополнительный вал газовой турбины, на который опирается другое турбинное оборудование, помимо рабочей турбины и компрессора низкого давления, со скоростью указанной промывки посредством вспомогательного поворотного двигателя, например встроенного пускового двигателя самой газовой турбины.

В соответствии с дополнительными вариантами выполнения, указанный редуктор альтернативно используют для вращения компонентов газовой турбины во время указанной промывки и во время медленного вращения после отключения турбины, например, для того, чтобы предотвратить, например, прогиб центробежных компрессоров, присоединенных к рабочей турбине через нагрузочную муфту. Способ может включать следующие этапы: выключение газовой турбины; медленное вращение нагрузки, компрессора низкого давления и рабочей турбины низкооборотным поворотным двигателем указанного редуктора, пока не будет достигнут требуемый температурный профиль нагрузки.

Изобретение также относится к способу медленного вращения многовальной газовой турбины, присоединенной к нагрузке и содержащей компрессор высокого давления и турбину высокого давления, присоединенные друг к другу первым валом газовой турбины с обеспечением передачи приводного усилия, компрессор низкого давления и рабочую турбину, присоединенные друг к другу с обеспечением передачи приводного усилия вторым валом газовой турбины, проходящим коаксиально с указанным первым валом газовой турбины, указанным компрессором высокого давления и указанной турбиной высокого давления. В некоторых вариантах выполнения способ включает следующие этапы:

использование двухскоростного поворотного редуктора с выходным валом, выполненным с возможностью взаимодействия с указанной нагрузки с обеспечением передачи приводного усилия и выхода из указанного взаимодействия, при этом указанный редуктор содержит низкооборотный поворотный двигатель и высокооборотный поворотный двигатель,

избирательное медленное вращение нагрузки и второго вала газовой турбины со скоростью медленного вращения низкооборотным поворотным двигателем во время охлаждения газовой турбины и нагрузки после отключения газовой турбины, или

вращение нагрузки и второго вала газовой турбины со скоростью промывки в режиме вывода из эксплуатации высокооборотным поворотным двигателем во время указанной промывки газовой турбины, причем скорость при указанной промывке выше указанной скорости медленного вращения;

Признаки и варианты выполнения раскрыты ниже и дополнительно изложены в прилагаемых пунктах формулы изобретения, которые образуют неотъемлемую часть представленного описания. В приведенном выше кратком описании изложены признаки различных вариантов выполнения изобретения для лучшего понимания последующего подробного описания и для лучшей оценки вклада изобретения в область техники. Конечно, имеются и другие признаки изобретения, которые описаны ниже и которые изложены в прилагаемых пунктах формулы изобретения. При этом перед подробным объяснением некоторых вариантов выполнения изобретения должно быть понятно, что различные варианты выполнения изобретения не ограничены относительно их применения деталями конструкции и расположениями составных частей, изложенными ниже в описании или изображенными на чертежах. Изобретение допускает другие варианты выполнения, а также его применение и осуществление различными путями. Также должно быть понятно, что использованные здесь формулировки и терминология служат для целей описания и не должны рассматриваться как ограничивающие.

Специалисту понятно, что идея, на которой основывается изобретение, может быть легко использована в качестве основы для разработки других конструкций, способов и/или систем для достижения нескольких целей представленного изобретения. Поэтому важно, чтобы пункты формулы изобретения рассматривались как включающие такие эквивалентные конструкции, если они соответствуют сущности и объему изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Для более полного понимания ниже со ссылкой на сопроводительные чертежи приводится более подробное описание вариантов выполнения изобретения и его преимуществ. На чертежах:

фиг.1 изображает компрессор, приводимый в действие газовой турбиной согласно уровню техники,

фиг.2 изображает газовую турбину, приводящую в действие компрессорную цепочку с двухскоростным поворотным редуктором согласно изобретению,

фиг.3 изображает вид спереди двухскоростного поворотного редуктора и

фиг.4 изображает вид сбоку по линии IV-IV двухскоростного поворотного редуктором, показанного на фиг.3.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Следующее подробное описание иллюстративных вариантов выполнения приводится со ссылкой на сопровождающие чертежи. Одинаковые номера позиций на разных чертежах обозначают одинаковые или сходные элементы. Кроме того, чертежи необязательно выполнены в масштабе. Приведенное ниже подробное описание не ограничивает изобретение. Вместо этого область правовой охраны изобретения определена прилагаемыми пунктами формулы изобретения.

Используемые в описании выражения «один вариант выполнения», или «вариант выполнения» или «некоторые варианты выполнения» означают, что определенный признак, конструкция или характеристика, описанные в связи с каким-либо вариантом выполнения, включены по меньшей мере в один вариант выполнения изобретения. Таким образом, выражения «в одном варианте выполнения», или «в варианте выполнения» или «в некоторых вариантах выполнения», используемые в различных местах описания, необязательно относится к тому же самому варианту (вариантам) выполнения. Кроме того, определенные признаки, конструкции или характеристики могут сочетаться в любом подходящем порядке в одном или нескольких вариантах выполнения.

На фиг.2 показан схематический вид двухвальной газовой турбины на базе авиационного двигателя, используемой в обычном механическом приводе. Номер 101 позиции обозначает повсюду устройство, содержащее газовую турбину 103 и нагрузку 104. Газовая турбина 103 содержит компрессор 105 низкого давления, компрессор 107 высокого давления, турбину 109 высокого давления и турбину низкого давления или рабочую турбину 111.

Компрессор 107 присоединен к турбине 109 с обеспечением передачи приводного усилия посредством первого вала 113 газовой турбины. Рабочая турбина 111 присоединена к компрессору 105 с обеспечением передачи приводного усилия посредством второго вала 115 газовой турбины, расположенным коаксиально внутри первого вала 113 газовой турбины, а также коаксиально с турбиной 109 и компрессором 107.

Окружающий воздух поступает в компрессор 105 низкого давления, сжимается до первого уровня давления и затем поступает в компрессор 107 высокого давления для сжатия до конечного уровня давления. Сжатый воздух поступает в камеру 117 сгорания, где к потоку сжатого воздуха добавляется газообразное или жидкое топливо, которое сжигается с образованием потока газообразных продуктов сгорания с высоким давлением и высокой температурой. Газообразные продукты сгорания затем расширяются перед своим выпуском в турбине 109 высокого давления и в рабочей турбине 111.

Механическая энергия, образуемая при расширении газообразных продуктов сгорания в турбине 109, приводит в действие компрессор 107. Механическая энергия, образуемая при расширении газа в рабочей турбине 111, частично используется для приведения в действие компрессора 105. Избыточная механическая энергия вала рабочей турбины 111 передается на выходной вал 121 турбины 111 с приведением в действие нагрузки 104.

В варианте выполнения, изображенном на фиг.2, вал 121 присоединен к нагрузке 104 через редуктор 125. В других, не изображенных вариантах выполнения можно обойтись без редуктора 125. Энергия передается выходным валом 126 из редуктора 125 нагрузке 104. Таким образом, нагрузка, турбина 111 и компрессор 105 постоянно соединены механически друг с другом.

В варианте выполнения, изображенном на фиг.2, нагрузка 104 содержит цепочку компрессоров. Цепочка компрессоров, в свою очередь, содержит первый компрессор 127 и второй компрессор 129. Как показано на фиг.2, только в качестве примера, первый компрессор 127 является двойным компрессором, имеющим двойной корпус. Два компрессора 127 и 129 приводятся в действие одним и тем же валом 126 и поэтому вращаются с одинаковой скоростью. Должно быть понятно, что вал 126 в действительности может быть выполнен из нескольких частей вала, соединенных друг с другом подходящими соединениями. В других, неизображенных, вариантах выполнения между первым компрессором 127 и вторым компрессором 129 может быть размещен дополнительный редуктор, например, если два компрессора должны приводиться в действие с разными скоростями вращения. В возможном варианте выполнения можно обойтись без редуктора 125, и редуктор может быть размещен между первым компрессором 127 и вторым компрессором 129, например, если первый компрессор 127 вращается с той же скоростью вращения, что рабочая турбина 111 (прямой привод), а второй компрессор 129 требуется вращать с другой скоростью.

В других (неизображенных) вариантах выполнения нагрузка 104 может содержать более чем только два компрессора 127, 129 с редукторами, размещенными между ними, или без них.

В установках для сжижения природного газа обычно используется цепочка 104 центробежных компрессоров, такая как изображенная на фиг.2, где каждый центробежный компрессор используется для обработки газообразного хладагента или смеси газообразных хладагентов, применяемых для охлаждения и окончательного сжижения природного газа для хранения или транспортировки.

В варианте выполнения, изображенном на фиг,2, во внутренней части газовой турбины, содержащей компрессор 107 и турбину 109, присоединенные друг к другу первым валом 113 газовой турбины, расположен вспомогательный поворотный двигатель или стартер 131, который при необходимости может быть использован во время промывки газовой турбины в режиме вывода из эксплуатации или для медленного вращения газовой турбины после ее отключения. Так как внутренняя часть газовой турбины механически не присоединена ко второму валу 115 газовой турбины, то компрессор 105 и рабочая турбина 111 не приводятся в движение указанным двигателем 131. Указанный двигатель 131 или стартер может представлять собой электродвигатель, или гидравлический двигатель, или другой двигатель, имеющий относительно низкую номинальную мощность.

Для обеспечения медленного вращения или вращения компрессора 105, рабочей турбины 111, а также нагрузки 104 во время указанной промывки, устройство содержит двухскоростной поворотный редуктор 141, который может избирательно входить в соединение с валом 128 последнего компрессора 129 нагрузки 104. Указанный редуктор 141 предназначен и выполнен для обеспечения медленного вращения нагрузки 104, турбины 111 и компрессора 105 при выключенной газовое турбине с тем, чтобы предотвратить прогиб центробежных компрессоров 127, 129. Тот же самый редуктор 141 также предназначен и выполнен для вращения турбины 111, компрессора 105 и нагрузки, которая постоянно присоединена к ним, во время указанной промывки газовой турбины.

Один вариант выполнения указанного редуктора 141 изображен на фиг.3 и 4. Редуктор 141 содержит опору 143, предназначенную для присоединения к фундаменту. К опоре 143 прикреплен первый поворотный двигатель 145, например, электродвигатель, например, трехфазный электродвигатель. Двигатель 145 приводит во вращательное движение первый вал 147. Первый вал 147 приводит в действие первую червячную передачу 149, содержащую зубчатое колесо 148, присоединенное к выходному валу 151 через обгонную муфту 152. Вал 151 является входным валом второй червячной передачи 153. Зубчатое колесо 155 червячной передачи 153 прикреплено на выходном валу 156 двухскоростного поворотного редуктора. Указанный вал 156 выполнен с возможностью фронтального соединения с валом 128 нагрузки и с возможностью фронтального разъединения с ним через автоматическую муфту 157 с синхронизатором.

Редуктор 141 дополнительно содержит второй поворотный двигатель, например, электрический двигатель, такой как трехфазный электрический двигатель 161. Выходной вал второго поворотного электрического двигателя 161 коаксиален валу 151.

Первый поворотный двигатель 145 и второй поворотный двигатель 161, а также передаточные отношения червячных передач 147 и 153 выбраны так, что получаются подходящие скорости вращения, обеспечивающие медленное вращение центробежных компрессоров 127, 129, а также вращение турбины 111 и компрессора 105 при промывке. Если вдоль нагрузочной муфты, которая соединяет рабочую турбину 111 с центробежными компрессорами 127, 129 цепочки компрессоров, расположен один или несколько редукторов, например редуктор 125, то передаточные отношения червячных передач 147, 153 двухскоростного редуктора 141 выполнены с учетом передаточных отношений указанных редукторов.

Первый поворотный двигатель 145 представляет собой низкооборотный низкооборотный поворотный двигатель, а второй поворотный двигатель 161 представляет собой высокооборотный поворотный двигатель редуктора 141. Слова «низкооборотный» и «высокооборотный» подразумевают относительные значения и относятся к скорости вращения выходного вала 156 редуктора 141. Указанные выше скорости вращения и передаточные отношения выбраны так, что двигатель 145 может вращать выходной вал 156 и, следовательно, центробежные компрессоры с малой скоростью вращения, составляющей примерно 0,5-10 оборотов в минуту и, в частности, например между 1 и 7 оборотами в минуту. Эта скорость вращения является подходящей для медленного вращения турбомашины после ее отключения с тем, чтобы предотвратить прогиб центробежных компрессоров во время их охлаждения. Отмеченные выше диапазоны скоростей медленного вращения приведены только в качестве примера и не должны быть истолкованы как ограничивающие область охраны настоящего изобретения.

Двигатель 161 и отношение скорости второй червячной передачи 153 выбираются так, что двигатель 161 может вращать компрессор 105 низкого давления и рабочую турбину 111 со скоростью вращения промывки в режиме вывода из эксплуатации. Указанная скорость промывки может лежать в диапазоне между 50 и 500 оборотов в минуту, предпочтительно между 100 и 400 оборотов в минуту, например, между 200 и 300 оборотов в минуту. Отмеченные здесь диапазоны скорости промывки даны только в качестве примера и не должны быть истолкованы как ограничивающие правовую охрану изобретения.

Низкооборотный поворотный двигатель представляет собой предпочтительно маломощный двигатель, имеющий, например, номинальную мощность между 1 и 20 кВт, предпочтительно между 2 и 15 кВт и более предпочтительно между 5 и 12 кВт. Эти величины даны только в качестве примера и могут быть изменены, например, в зависимости от типа и количества центробежных компрессоров, образующих нагрузку, а также от других параметров, таких как размер газовой турбины, количество ступеней сжатия и расширения и других конструктивных параметров.

Высокооборотный поворотный двигатель предпочтительно имеет более высокую номинальную мощность, например, между 20 и 100 кВт, предпочтительно между 30 и 80 кВт, и более предпочтительно между 40 и 50 кВт. Эти величины даны только в качестве примера и могут быть изменены, например, в зависимости от типа и количества центробежных компрессоров, образующих нагрузку, а также от других параметров, таких как размер газовой турбины, количество ступеней сжатия и расширения и других конструктивных параметров.

Двухскоростной поворотный редуктор может управляться следующим образом. Когда газовая турбина 103 требует промывки в режиме вывода из эксплуатации, компрессор 107 и турбина 109 могут быть приведены во вращение с помощью вспомогательного двигателя 131, имеющего относительно ограниченную номинальную мощность. Остальное турбинное оборудование, включая компрессор 105, рабочую турбину 111 и нагрузку 104, требует более высокого крутящего момента для начала вращения и большей мощности для поддержания непрерывного вращения со скоростью вращения указанной промывки, требуемой для достижения эффективной промывки аксиального компрессора 105. Низкооборотный поворотный двигатель 145 используется для преодоления момента трогания турбинного оборудования, что требует добавления большого крутящего момента к ходовому крутящему моменту турбинного оборудования, что требует приложения большого крутящего момента к валу 128. Крутящий момент, необходимый для начала вращения турбинного оборудования, достигается правильным выбором указанного двигателя 145 и благодаря очень большому понижающему передаточному отношению, достигаемому объединенным каскадным расположением первой червячной передачи 149 и второй червячной передачи 153. Автоматическая муфта 157 с синхронизатором соединяет выходной вал 156 редуктора 141 с валом 128 нагрузки, при этом крутящий момент, создаваемый указанным двигателем 145, передается нагрузке 104 и газовой турбине 101, вызывая вращение турбомашин, образующих нагрузку 104, а также рабочей турбины 111 и компрессора 105.

По достижении выходным валом 156 редуктора 141 существенной скорости вращения, например, в диапазоне 1-10 оборотов в минуту, дополнительное угловое ускорение может обеспечиваться двигателем 161. Когда скорость вала 151 под управлением двигателя 161 превысит максимальную выходную скорость первой червячной передачи 149, обгонная муфта 152 отсоединяет вал 151 от двигателя 145, так что двигатель 161 может продолжать обеспечивать угловое ускорение вала 128 до тех пор, когда будет достигнута конечная вращательная скорость промывки в режиме вывода из эксплуатации.

Когда требуется медленное вращение, например, после отключения газовой турбины, для предотвращения прогиба центробежных компрессоров 127, 129, редуктор 141 управляется так, что валы 126, 128 поддерживаются в условиях медленного вращения, не превышая скорости, которая может быть достигнута двигателем 145. Последний имеет достаточную мощность для поддержания турбомашины в состоянии медленного вращения, а активирование двигателя 161 не требуется. Если газовая турбина 103 повторно запущена в то время, когда нагрузка находится в условиях медленного вращения, муфта 157 автоматически расцепляет редуктор 141 от вала 128.

Хотя раскрытые здесь варианты выполнения изобретения изображены на чертежах и полностью подробно описаны выше в связи с несколькими иллюстративными вариантами выполнения, специалисту очевидно, что возможны модификации, изменения и исключения без удаления по существу от раскрытия, принципов и идей, изложенных здесь, а также преимуществ изобретения, перечисленных в прилагаемых пунктах формулы изобретения. Таким образом, правовая охрана изобретения должна определяться только наиболее широкой интерпретацией прилагаемых пунктов формулы изобретения, включающей все такие модификации, изменения и исключения. Кроме того, порядок или последовательность любого процесса или этапов способа может быть изменена или переупорядочена согласно альтернативным вариантам выполнения.

Изобретение относится к энергетике. Устройство для приведения в действие нагрузки, содержащее многовальную газовую турбину, содержащую компрессор высокого давления и турбину высокого давления, соединенные друг с другом первым валом, компрессор низкого давления и рабочую турбину, соединенные с обеспечением передачи приводного усилия друг с другом вторым валом, проходящим коаксиально с первым валом. При этом устройство дополнительно содержит нагрузочную муфту, соединяющую рабочую турбину с нагрузкой с обеспечением передачи приводного усилия, а также содержит двухскоростной поворотный редуктор, выполненный с возможностью взаимодействия с указанной нагрузкой с обеспечением передачи приводного усилия и выхода из указанного взаимодействия для медленного вращения нагрузки или для поворота компрессора низкого давления с обеспечением передачи приводного усилия во время промывки в режиме вывода из эксплуатации. Также представлены способ промывки в режиме вывода из эксплуатации многовальной газовой турбины, а также способ медленного вращения многовальной газовой турбины и соединенной с ней нагрузки. Изобретение позволяет повысить эффективность промывки газовой турбины. 3 н. и 21 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для приведения в действие нагрузки, содержащее:

многовальную газовую турбину, содержащую:

компрессор высокого давления и турбину высокого давления, соединенные друг с другом первым валом газовой турбины с обеспечением передачи приводного усилия, и

компрессор низкого давления и рабочую турбину, соединенные друг с другом с обеспечением передачи приводного усилия вторым валом газовой турбины, проходящим коаксиально с первым валом газовой турбины, компрессором высокого давления и турбиной высокого давления,

нагрузочную муфту, соединяющую рабочую турбину с указанной нагрузкой с обеспечением передачи приводного усилия, и

двухскоростной поворотный редуктор с выходным валом, выполненным с возможностью взаимодействия с указанной нагрузкой с обеспечением передачи приводного усилия и выхода из указанного взаимодействия,

при этом указанный редуктор содержит низкооборотный поворотный двигатель и высокооборотный поворотный двигатель, которые расположены и управляются с обеспечением избирательного приведения в действие указанной нагрузки.

2. Устройство по п.1, дополнительно содержащее вспомогательный поворотный двигатель, расположенный и управляемый с обеспечением запуска вращения компрессора высокого давления и турбины высокого давления и/или медленного вращения компрессора высокого давления и турбины высокого давления.

3. Устройство по п.1, в котором указанная нагрузка содержит по меньшей мере один центробежный компрессор.

4. Устройство по п.1, в котором указанная нагрузка содержит несколько центробежных компрессоров.

5. Устройство по п.1, в котором указанный редуктор содержит обгонную муфту, предназначенную для отсоединения низкооборотного поворотного двигателя от выходного вала указанного редуктора, когда высокооборотный поворотный двигатель ускоряет указанный выходной вал выше максимальной скорости, предусмотренной для низкооборотного поворотного двигателя.

6. Устройство по п.5, в котором указанный редуктор содержит муфту, выполненную и расположенную с обеспечением вращения выходного вала редуктора низкооборотным поворотным двигателем до первой скорости вращения и высокооборотным поворотным двигателем, когда скорость вращения выходного вала превышает указанную первую скорость вращения.

7. Устройство по п.6, в котором указанный редуктор содержит обгонную муфту, расположенную между низкооборотным поворотным двигателем и выходным валом так, что высокооборотный поворотный двигатель принимает управление выходным валом, если его скорость превышает скорость, обеспечиваемую низкооборотным поворотным двигателем.

8. Устройство по п.1, в котором указанный редуктор содержит первую муфту, избирательно соединяющую выходной вал указанного редуктора с указанной нагрузкой и отсоединяющую этот вал от нагрузки, и вторую муфту, избирательно соединяющую высокооборотный поворотный двигатель с выходным валом и отсоединяющую этот двигатель от выходного вала.

9. Устройство по п.1, в котором указанный редуктор содержит по меньшей мере одну червячную передачу.

10. Устройство по п.1, в котором указанный редуктор содержит первую червячную передачу и вторую червячную передачу.

11. Устройство по п.10, в котором скорость вращения низкооборотного поворотного двигателя последовательно передается на выходной вал указанного редуктора через первую червячную передачу и вторую червячную передачу.

12. Устройство по п.10, в котором скорость вращения высокооборотного поворотного двигателя передается на выходной вал указанного редуктора через вторую червячную передачу.

13. Устройство по п.10, в котором вал второй червячной передачи на первом конце присоединен к низкооборотному поворотному двигателю, а на втором конце - к высокооборотному поворотному двигателю, при этом между указанным вторым концом указанного вала и выходным валом высокооборотного поворотного двигателя расположена муфта, так что когда скорость вращения выходного вала высокооборотного поворотного двигателя превышает скорость вращения указанного вала второй червячной передачи, высокооборотный поворотный двигатель принимает управление второй червячной передачей.

14. Устройство по п.1, в котором указанный редуктор расположен и управляется с обеспечением приведения в действие указанного устройства во время промывки газовой турбины в режиме вывода из эксплуатации путем первоначального ускорения указанной нагрузки, компрессора низкого давления и рабочей турбины из неподвижного состояния до первой скорости вращения посредством низкооборотного поворотного двигателя и затем путем дополнительного ускорения нагрузки, компрессора низкого давления и рабочей турбины от первой скорости вращения до второй скорости вращения, более высокой, чем первая скорость вращения.

15. Устройство по п.1, в котором низкооборотный поворотный двигатель и высокооборотный поворотный двигатель расположены и управляются так, что во время медленного вращения нагрузки вращение указанной нагрузки управляется низкооборотным поворотным двигателем.

16. Устройство по любому из пп.1-15, в котором для приведения во вращение компрессора высокого давления и турбины высокого давления предусмотрен вспомогательный поворотный двигатель, расположенный и управляемый с обеспечением работы в качестве двигателя для медленного поворота компрессора высокого давления и турбины высокого давления после отключения газовой турбины и/или в качестве стартера для запуска вращения компрессора высокого давления и турбины высокого давления при запуске газовой турбины.

17. Способ промывки в режиме вывода из эксплуатации многовальной газовой турбины, присоединенной к нагрузке и содержащей компрессор высокого давления и турбину высокого давления, соединенные друг с другом первым валом газовой турбины с обеспечением передачи приводного усилия, компрессор низкого давления и рабочую турбину, соединенные с обеспечением передачи приводного усилия друг с другом вторым валом газовой турбины, проходящим коаксиально с указанным первым валом, компрессором высокого давления и турбиной высокого давления, включающий следующие этапы:

использование двухскоростного поворотного редуктора с выходным валом, выполненным с возможностью взаимодействия с указанной нагрузкой с обеспечением передачи приводного усилия и выхода из указанного взаимодействия, причем указанный редуктор содержит низкооборотный поворотный двигатель и высокооборотный поворотный двигатель,

первоначальное ускорение компрессора низкого давления, рабочей турбины и нагрузки низкооборотным поворотным двигателем до первой скорости вращения,

продолжение ускорения компрессора низкого давления, рабочей турбины и нагрузки высокооборотным поворотным двигателем при достижении первой скорости вращения пока не будет достигнута вращательная скорость указанной промывки,

поддержание скорости вращения промывки при промывке газовой турбины.

18. Способ по п.17, в котором дополнительно ускоряют компрессор высокого давления и турбину высокого давления посредством вспомогательного поворотного двигателя.

19. Способ по п.17, в котором дополнительно отключают указанную газовую турбину и медленно вращают указанную нагрузку, компрессор низкого давления и рабочую турбину посредством низкооборотного поворотного двигателя, пока не будет достигнут требуемый температурный профиль указанной нагрузки.

20. Способ по п.17, в котором указанная нагрузка содержит по меньшей мере один компрессор.

21. Способ по п.17, в котором указанная нагрузка содержит цепочку компрессоров.

22. Способ по любому из пп.17-21, в котором медленно вращают турбину высокого давления и компрессор высокого давления указанной газовой турбины посредством вспомогательного поворотного двигателя после отключения газовой турбины.

23. Способ медленного вращения многовальной газовой турбины и соединенной с ней нагрузки, при этом указанная газовая турбина содержит компрессор высокого давления и турбину высокого давления, соединенные друг с другом с обеспечением передачи приводного усилия первым валом газовой турбины, компрессор низкого давления и рабочую турбину, соединенные друг с другом с обеспечением передачи приводного усилия вторым валом газовой турбины, проходящим коаксиально с первым валом газовой турбины, компрессором высокого давления и турбиной высокого давления, включающий следующие этапы:

использование двухскоростного поворотного редуктора с выходным валом, выполненным с возможностью взаимодействия с указанной нагрузкой с обеспечением передачи приводного усилия и выхода из указанного взаимодействия, причем указанный редуктор содержит низкооборотный поворотный двигатель и высокооборотный поворотный двигатель,

избирательное медленное вращение указанной нагрузки и второго вала газовой турбины с медленной скоростью низкооборотным поворотным двигателем во время охлаждения газовой турбины и нагрузки после отключения газовой турбины, или

вращение нагрузки и второго вала газовой турбины со скоростью промывки, выполняемой в режиме вывода из эксплуатации, высокооборотным поворотным двигателем во время указанной промывки газовой турбины, причем указанная скорость промывки выше указанной скорости медленного вращения.

24. Способ по п.23, в котором медленно вращают компрессор высокого давления и турбину высокого давления вспомогательным поворотным двигателем после отключения указанной газовой турбины.