МОДУЛЬ СИЛОВОЙ УНИВЕРСАЛЬНЫЙ Российский патент 2021 года по МПК F02C6/00 F02C7/00 F02C9/00 

Настоящее изобретение относится к области энергетики, а именно к средствам генерации энергии, предназначенным для организации системы локального электроснабжения объектов, для привода агрегатов в составе малоразмерных электростанций, силовых установок транспортных средств и мобильных комплексов, удаленных от централизованного энергоснабжения и может быть использована в качестве автономного источника электроэнергии, работающего на различных видах топлива.

Известны передвижные электрические станции, выполненные с возможностью транспортировки по железнодорожным или водным путям. Применение их ограничено привязкой к конкретным транспортным средствам и ограничено выработкой только электрической энергии [1].

Известны установки, содержащие регулируемый сопловой аппарат, служащий для управляемого изменения газового потока, поступающего на рабочее колесо силовой турбины [2]. Как следует из описания источника [2], изменением направления поступления газового потока можно создавать на рабочем колесе силовой турбины тормозной момент, что позволяет реализовать в установке автономного энергоснабжения обеспечение защиты ГТД от нештатных условий работы.

Известны установки с регулируемым сопловым аппаратом [3,4]. Применение регулирования газотурбинных двигателей при помощи регулируемых сопловых аппаратов [3,4], позволяет в значительной степени повышать термодинамический уровень рабочего цикла газотурбинных двигателей всех типов, а также эксплуатационные свойства газотурбинных двигателей.

Наиболее близким техническим решением является установка автономного энергоснабжения с газотурбинным двигателем [5]. Установка автономного теплового и электрического энергоснабжения содержит силовую турбину с газотурбинным двигателем и системами, обеспечивающими его работу, связанным с генератором электрического тока через понижающий редуктор, систему отвода отработанных газов, внутренние коммуникации электрического контура системы энергоснабжения потребителей и систему управления и контроля. Упомянутое оборудование установки выполнено в виде транспортируемого моноблока, в котором дополнительно встроены коммуникации жидкостного контура системы теплоснабжения потребителей с водонагревательным котлом-утилизатором, связанным газопроводом с системой отвода отработанных газов от газотурбинного двигателя, при этом оборудование установки обеспечено возможностью изменения количественного соотношения между вырабатываемой тепловой и электрической энергией, а газотурбинный двигатель установки снабжен регулируемым сопловым аппаратом, связанным через систему управления с генератором электрического тока с обеспечением возможности снижения крутящего момента на силовой турбине двигателя при скачкообразной разгрузке генератора, при этом система питания топливом газотурбинного двигателя выполняется с возможностью перевода питания после его запуска с жидкостного топлива на газообразное, а система защиты двигателя снабжена ограничителем температуры рабочих газов.

Данная установка по большинству существенных признаков принята за прототип заявляемого технического решения.

Положительными сторонами известной установки автономного электроснабжения является наличие жидкого контура системы теплоснабжения потребителей.

Недостатками установки являются:

- отсутствие возможности альтернативного запуска газотурбинного двигателя, запуск газотурбинного двигателя осуществляется только на жидком топливе с последующим переключением на газообразное топливо после запуска, для обеспечения которого требуется наличие электронно-гидромеханической системы регулирования;

- система регулирования и защиты является электронно-гидромеханической, что является недостаточно качественным уровнем регулирования по сравнению с электронно-цифровой системой с полной ответственностью;

- наличие в составе газотурбинного двигателя кольцевой камеры сгорания не позволяет проводить обслуживание и текущий ремонт при ее эксплуатации из-за невозможности доступа в проточную часть;

Задачей заявляемой полезной модели является создание модуля силового универсального с газотурбинным двигателем, обладающего повышенными эксплуатационными характеристиками по сравнению с прототипом.

Технический результат, достигаемый полезной моделью заключается в реализации возможности:

- расширения многотопливности МСУ;

- оптимизации рабочего процесса двигателя с целью повышения топливной эффективности МСУ с помощью регулируемого соплового аппарата силовой турбины;

- обеспечения безопасной эксплуатации двигателя МСУ и приводных агрегатов с помощью электронно-цифровой системы с полной ответственностью автоматического регулирования;

- обеспечения необходимого ресурса СУ за счет проведения регулярного обслуживания и проведения текущего ремонта горячей части турбокомпрессора двигателя в процессе его эксплуатации.

Анализ отличительных признаков показал, что:

1. Использование серийного газотурбинного конвертируемого двигателя под многотопливность позволяет снизить зависимость МСУ от разных видов топлива и расположения их источников;

2. Применяемая в МСУ электронно-цифровая система автоматического регулирования ГТД с полной ответственностью имеет по сравнению с электронно-гидромеханической основное преимущество, заключающееся в том, что ее компьютер может обрабатывать намного больше параметров, что позволяет оптимизировать работу двигателя. Кроме базовых функций управления двигателем САУ дополнительно выполняет следующие функции:

- проводит мониторинг и обнаружение отказов системы

- является источником данных для индикации параметров двигателя и его техническом состоянии

- обеспечивает управление запуском, остановом и зажиганием двигателя

- обеспечивает управление регулируемым сопловым аппаратом силовой турбины

- осуществляет тестирование системы

3. Применяемый в МСУ регулируемый сопловой аппарат силовой турбины позволяет устанавливать оптимальную частоту вращения турбокомпрессоров высокого и низкого давления, частоты вращения силовой турбины, топливной экономичности ГТД и температуры газов перед турбиной высокого давления, что является фактором, положительно влияющим на надежность, ресурс и эксплуатационные свойства МСУ.

Поставленная задача решается тем, что в модуле силовом универсальном, содержащим газотурбинный двигатель с регулируемым сопловым аппаратом, понижающим редуктором, соединенным с генератором переменного тока через муфту, воздушную, топливную, масляную, электрическую, автоматическую систему, обеспечивающие его функционирование, в качестве силового блока используется серийный газотурбинный двигатель с регулируемым сопловым аппаратом силовой турбины с приводом от гидромеханизма, питаемого из масляной системы двигателя, обеспечивающим защиту силовой турбины и приводных агрегатов от превышения частоты вращения, позволяя оптимизировать частоту вращения турбокомпрессоров высокого и низкого давления, частоту вращения силовой турбины, топливную экономичность ГТД за счет изменения своей пропускной способности.

Система питания топливом газотурбинного двигателя снабжена блоком газорегулирующей аппаратуры (БГА), позволяющим осуществлять его запуск и дальнейшую работу на разных видах топлива без предварительного запуска только на жидком топливе и последующем переводе на газообразное топливо.

Газотурбинный двигатель снабжен малоэмиссионной выносной двухтрубной камерой сгорания, проточная часть которой выполнена с возможностью доступа в горячую часть турбокомпрессора двигателя для проведения технического обслуживания и текущего ремонта непосредственно в процессе эксплуатации. Применяемая электронно-цифровая система автоматического регулирования газотурбинного двигателя с полной ответственностью обеспечивает автоматическое установление и поддержание рабочих режимов турбокомпрессора газотурбинного двигателя за счет изменения количества топлива при изменении нагрузки на приводные агрегаты, ограничивая предельную температуру газов перед турбиной высокого давления, предельно допустимую частоту вращения силовой турбины и приводных агрегатов.

Изобретение поясняется чертежами, на которых показано:

На фиг. 1, фиг. 2 - модуль силовой универсальный различных модификаций с газотурбинным двигателем

На фиг. 3 - регулируемый сопловой аппарат силовой турбины.

Модуль силовой универсальный представлен на фиг. 1, 2. Модуль силовой универсальный предназначен для привода энергетических приводных агрегатов различной применяемости.

Газотурбинный двигатель (ГТД) 1 и редуктор 2 соединены с приводным агрегатом 3 посредством муфты 4, с помощью которой крутящий момент от вала редуктора передается на вал приводного агрегата. Передняя опора газотурбинного двигателя закреплена на корпусе компрессора и имеет шарнирную конструкцию, позволяющую компенсировать перемещения, возникающие при работе силового модуля. Составные части силового модуля и агрегаты его системы закреплены на подмоторной раме 5, установленной на общей раме 6. Запуск ГТД осуществляется га газообразном топливе. В момент пуска аккумуляторных батарей подается питание на стартер-генератор 7 с помощью панели управления стартером 8 и происходит раскрутка роторов двигателя 1.

При достижении пусковых оборотов блок управления газовым дозатором 9 через клапаны газовые 10 и дозатор газовый 11 подает газ, поджигаемый агрегатом зажигания 12, в камеру сгорания по программе электронно-цифрового регулятора 13. Начинается раскрутка турбокомпрессора с выходом на режим «малый газ». После режима прогрева электронно-цифровой регулятор по программе повышает частоту вращения силовой турбины и. соответственно, приводных агрегатов, до рабочей, с последующим нагружением последних. При неудавшемся запуске клапан сброса 14 удаляет газ из магистралей двигателя в атмосферу через «свечу».

Масляная система универсального силового модуля обеспечивает непрерывную подачу в двигатель масла с заданными параметрами. Масляная система предназначена для охлаждения и смазки подшипниковых опор, зубчатых передач и фильтрации продуктов износа трущихся деталей. Масляная система оборудована диагностической аппаратурой, позволяющей оценивать состояние модуля силового универсального в процессе эксплуатации. В состав масляной системы входит фильтр масляный 15, насос дозаправки маслобака 16, маслоагрегат 17, бак масляный 18.

Патрубок 19 предназначен для организованного отвода высокотемпературных газов и может иметь различную конфигурацию в зависимости от применяемости модуля силового универсального.

Коллектор проводов 20 предназначен для коммутации управляющих, измерительных, исполнительных и силовых агрегатов двигателя.

Регулируемый сопловой аппарат силовой турбины (PCA) 21, изображенный на фиг. 3, имеет два положения в диапазоне от 0 до 120 градусов - «рабочее» и «тормозное». В рабочем положении 0 градусов реализуется положительный крутящий момент на колесе силовой турбины 22. В тормозном положении 120 градусов крутящий момент отсутствует. При возникновении мгновенного сброса нагрузки на приводном агрегате 3 возникает раскрутка силовой турбины 22 за счет высокопотенциального рабочего тела в проточной части турбокомпрессора двигателя, которая парируется переводом регулируемого соплового аппарата (РСА) из «рабочего» положения в «тормозное». Наличие в двигателе РСА позволяет за счет изменения пропускной способности, влияющей на степень расширения турбины низкого давления 23, корректировки установочного угла РСА в рабочем положении при отладочных испытаниях, устанавливать оптимальность частот вращения турбокомпрессоров высокого и низкого давления, частоты вращения силовой турбины, топливной экономичности ГТД и температуры газа перед турбиной высокого давления.

В целом, предлагаемым изобретением решена поставленная задача, а именно, создан модуль силовой универсальный различных модификаций с газотурбинным двигателем для привода агрегатов силовых установок и мобильных комплексов, обладающий повышенными эксплуатационными характеристиками.

Источники информации:

1. Электротехнический справочник, ред. Голован А.Т., Грудинский П.Г. и др. «Передвижные электрические станции», М-Л., Энергия, 1964 г., стр. 326-339;

2. Ред. Н.С. Попов, С.П. Изотов и др. «Транспортные машины с газотурбинным двигателем», Л., «Машиностроение», 1987 г., стр. 28, 29;

3. А.Я. Чекез «Инженерные расчеты газотурбинных двигателей методом малых отклонений»,М. «Машиностроение», 1965 г., стр. 211-216

4. Ред. Шляхтенко и др. «Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей», М., «Машиностроение», 1987 г., стр. 120.

5. Патент РФ на полезную модель №109222, МПК F02C 6/18, бюл. №28, 2011 год.

Изобретение относится к области энергетики, в частности к средствам генерации энергии, предназначенным для организации системы локального энергоснабжения объектов, удаленных от централизованного энергоснабжения, и может быть использовано в качестве автономного источника электроэнергии, работающего на различных видах топлива. Модуль силовой универсальный содержит газотурбинный двигатель с регулируемым сопловым аппаратом, понижающий редуктор, соединенный с генератором переменного тока через муфту, воздушную, топливную, масляную, электрическую, автоматическую системы управления, обеспечивающие его функционирование, отличающийся тем, что упомянутое оборудование выполнено в виде самостоятельного мобильного блока, а в качестве силового блока используется серийный газотурбинный двигатель с регулируемым сопловым аппаратом силовой турбины с приводом от гидромеханизма, питаемого от масляной системы двигателя, обеспечивающим защиту силовой турбины и приводных агрегатов от предельно допустимой частоты вращения при мгновенных сбросах электрической или механической нагрузки приводных агрегатов, позволяя оптимизировать частоту вращения силовой турбины, топливную экономичность газотурбинного двигателя и температуру газов перед турбиной высокого давления за счет изменения своей пропускной способности. Система питания топливом газотурбинного двигателя снабжена блоком газорегулирующей аппаратуры, позволяющим осуществлять его запуск и дальнейшую работу на разных видах топлива без предварительного запуска на жидком топливе и последующего перевода на газообразное топливо. Применяемый в универсальном силовом модуле газотурбинный двигатель содержит малоэмиссионную выносную двухтрубную камеру сгорания, проточная часть которой выполнена с возможностью доступа в горячую часть турбокомпрессора двигателя для проведения технического обслуживания и текущего ремонта непосредственно в процессе эксплуатации. В универсальном силовом модуле применяется электронно-цифровая система автоматического регулирования газотурбинного двигателя, с полной ответственностью обеспечивающая автоматическое установление и поддержание рабочих режимов турбокомпрессора газотурбинного двигателя за счет изменения количества топлива при изменении нагрузки на приводные агрегаты, ограничивая предельную температуру газов перед турбиной высокого давления, предельную частоту вращения турбокомпрессоров высокого и низкого давления, предельную частоту вращения силовой турбины и приводных агрегатов. Технический результат заключается в обеспечении защиты модуля газотурбинного двигателя и генератора от эксплуатационных перегрузок, возможности проведения регулярного обслуживания и текущего ремонта в процессе эксплуатации и осуществлении альтернативного запуска газотурбинного двигателя от разных видов топлива. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Модуль силовой универсальный, содержащий газотурбинный двигатель с регулируемым сопловым аппаратом, понижающий редуктор, соединенный с генератором переменного тока через муфту, воздушную, топливную, масляную, электрическую, автоматическую системы управления, обеспечивающие его функционирование, отличающийся тем, что упомянутое оборудование выполнено в виде самостоятельного мобильного блока, а в качестве силового блока используется серийный газотурбинный двигатель с регулируемым сопловым аппаратом силовой турбины с приводом от гидромеханизма, питаемого от масляной системы двигателя, обеспечивающим защиту силовой турбины и приводных агрегатов от предельно допустимой частоты вращения при мгновенных сбросах электрической или механической нагрузки приводных агрегатов, позволяя оптимизировать частоту вращения силовой турбины, топливную экономичность газотурбинного двигателя и температуру газов перед турбиной высокого давления за счет изменения своей пропускной способности.

2. Модуль силовой универсальный по п. 1, отличающийся тем, что система питания топливом газотурбинного двигателя снабжена блоком газорегулирующей аппаратуры, позволяющим осуществлять его запуск и дальнейшую работу на разных видах топлива без предварительного запуска на жидком топливе и последующего перевода на газообразное топливо.

3. Модуль силовой универсальный по п. 1, отличающийся тем, что применяемый в нем газотурбинный двигатель содержит малоэмиссионную выносную двухтрубную камеру сгорания, проточная часть которой выполнена с возможностью доступа в горячую часть турбокомпрессора двигателя для проведения технического обслуживания и текущего ремонта непосредственно в процессе эксплуатации.

4. Модуль силовой универсальный по п. 1, отличающийся тем, что применяемая в нем электронно-цифровая система автоматического регулирования газотурбинного двигателя с полной ответственностью обеспечивает автоматическое установление и поддержание рабочих режимов турбокомпрессора газотурбинного двигателя за счет изменения количества топлива при изменении нагрузки на приводные агрегаты, ограничивая предельную температуру газов перед турбиной высокого давления, предельную частоту вращения турбокомпрессоров высокого и низкого давления, предельную частоту вращения силовой турбины и приводных агрегатов.