RU226127U1 - Газотурбинная установка - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области энергетического машиностроения и энергетики и может быть использована при проектировании, разработке, изготовлении, установке и эксплуатации одновальных газотурбинных установок, используемых стационарно для выработки тепловой или электрической энергии. Указанная выше задача решается путем создания газотурбинной установки, выполненной на одном валу единым сборочным блоком на едином рамном основании, содержащей входной патрубок, осевой компрессор, трубчатокольцевую камеру сгорания, двухступенчатую осевую турбину, ротор с магнитными опорно-упорными подшипниками, диффузор турбины, а также рекуператор, установленный в газоходе между турбиной и котлом утилизатором, при этом один из опорно-упорных подшипников расположен в холодной зоне установки и удален от ближайшего торца ротора газотурбинной установки на расстояние 0,145-0,155 L, где L - длина ротора газотурбинной установки, а расстояние между подшипниками составляет от 0,735 L до 0,775 L, где L - длина ротора газотурбинной установки, при этом радиальный зазор между подвижным и неподвижным элементами каждого опорно-упорного магнитного подшипника составляет не более 0,15 А до 0,25 А, где А - амплитуда вертикальных колебаний оси установки в процессе работы газотурбинной установки. Кроме того, оптимальное расстояние между подшипниками составляет от 0,745 L до 0,775 L, где L - длина ротора газотурбинной установки. При этом максимальное снижение вибрационных нагрузок достигается при выполнении установки с обеспечением ее работы в диапазоне мощностей от 7 до 12 МВт, при обеспечении скорости вращения вала установки в диапазоне от 5850 оборотов в минуту до 6250 оборотов в минуту, с преимущественным значением вращения вала 6150 оборотов в минуту. При осуществлении полезной модели достигается совокупность технических результатов, заключающихся, главным образом, в существенном снижении вибрационных нагрузок на установку - газотурбинного двигателя мощностного ряда от 7 до 12 МВт, в целом, снижении износа трущихся поверхностей опорных подшипников установки, как следствие - повышение КПД установки, также снижение эксплуатационных расходов, возникающих по указанным причинам. 3 з.п. ф-лы.

Description

Полезная модель относится к области энергетического машиностроения и энергетики и может быть использована при проектировании, разработке, изготовлении, установке и эксплуатации одновальных газотурбинных установок, используемых стационарно для выработки тепловой или электрической энергии.

Как известно, газотурбинный двигатель это воздушный двигатель, в котором воздух сжимается нагнетателем перед сжиганием в нем топлива, а нагнетатель приводится в движение газовой турбиной, использующей энергию нагретых таким образом газов. Сжатый воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, куда подается топливо, которое, сгорая, образует газообразные продукты с большей энергией. Затем в газовой турбине часть энергии продуктов сгорания преобразуется во вращение турбины, которая расходуется на сжатие воздуха в компрессоре. Остальная часть энергии может передаваться на приводимый агрегат или использоваться для создания реактивной тяги.

Так, из уровня техники известен газотурбинный двигатель содержащий статор, роторы, опоры роторов, устройство с зубчатым приводом (коробку приводов) для передачи механической мощности от одного из роторов для привода агрегатов ГТД. На коробке приводов, помимо прочих агрегатов, в частности установлено пусковое устройство двигателя (стартер) и электрогенератор, вырабатывающий электроэнергию для обслуживания вспомогательных систем двигателя и нужд самолет (Иностранные авиационные двигатели, 2000: Справочник. М, Изд. дом «Авиамир», 2000, стр. 106).

Недостатком данного технического решения является конструктивная сложность, значительная трудоемкость изготовления, большая масса и габариты зубчатого привода. Кроме этого, следует отметить неизбежные потери мощности в его узлах трения и необходимость обеспечения подачи масла для смазки данных узлов.

Также известен газотурбинный двигатель, который содержит, по меньшей мере, один ротор турбокомпрессора, установленный в подшипниковых опорах, и, по меньшей мере, одну встроенную в турбокомпрессор электрическую машину, содержащую систему постоянных магнитов, закрепленную на роторе турбокомпрессора, и статор электрической машины с обмоткой, установленный на корпусе подшипниковой опоры. Статор электрической машины укреплен на наружной поверхности корпуса подшипниковой опоры ротора турбокомпрессор. Система постоянных магнитов электрической машины установлена на внутренней поверхности ротора турбокомпрессора таким образом, что данная система охватывает наружную поверхность статора электрической машины. Изобретение позволяет увеличить мощность встроенной электрической машины в первоначальных габаритах газотурбинного двигателя (RU 2252316, F01D 15/10, 27.12.2004 г.). Недостатки данного двигателя также заключаются в потерях мощности в его узлах трения и необходимость обеспечения подачи масла для смазки узлов.

Также из уровня техники известен газотурбинный двигатель с регенерацией тепла, содержащий однокаскадный газогенератор, образованный компрессором высокого давления, камерой сгорания и турбиной высокого давления, силовую газовую турбину, газовоздушный теплообменник, дополнительный компрессор, установленный на одном валу с силовой воздушной турбиной, вход в которую через воздушную полость газовоздушного теплообменника связан с выходом из дополнительного компрессора, газовая полость газовоздушного теплообменника соединена с выходом из газовой силовой турбины, при этом F₁:F₂=2-5, a F₃:F₄=0,5-1, где F₁ - площадь проточной части дополнительного компрессора на входе, F₂ - площадь проточной части дополнительного компрессора на выходе, F₃ - площадь горла первого соплового аппарата воздушной силовой турбины, F₄ - площадь горла первого соплового аппарата газовой силовой турбины (RU 2192552, F02C 7/08, 10.11.2002 г.). Недостатком такой конструкции является относительно низкая экономичность двигателя вследствие ограничения по степени сжатия, а также низкие термический КПД двигателя и полезная мощность на валу силовой свободной турбины и, как следствие, низкая экономичность установки в целом.

Также известен газотурбинный двигатель, содержащий компрессор, камеру сгорания, турбину, свободную турбину, раму, систему аварийного отключения, в котором двигатель разделен на модуль газогенератора и модуль свободной турбины, при этом в частности, его соосные валы, соединенные с помощью шлицев, содержат фиксирующую валы резьбовую втулку со шлицами, пружину и стопорный элемент, контактирующий со шлицами втулки и одного из валов, причем втулка выполнена с цилиндрическим хвостовиком, на котором выполнены наружные шлицы, а стопорный элемент выполнен в виде обоймы с наружными и внутренними шлицами, контактирующими со шлицами вала и втулки, при этом обойма охватывает хвостовик втулки и подпружинена относительно его (RU 31816, F02C 7/00, 27.08.2003 г.).

Также известен газотурбинный двигатель с регенерацией тепла включает в себя газогенератор, содержащий компрессор высокого давления, камеру сгорания и турбину высокого давления, силовую газовую турбину, газовоздушный теплообменник, дополнительный компрессор. Дополнительный компрессор установлен на одном валу с газовой силовой турбиной и с воздушной силовой турбиной. Вход в воздушную силовую турбину через воздушную полость газовоздушного теплообменника связан с выходом из дополнительного компрессора. Газовая полость газовоздушного теплообменника соединена с выходом из газовой силовой турбины. Газогенератор дополнительно снабжен компрессором низкого давления и турбиной низкого давления. Изобретение защищает величину отношения площади проточной части дополнительного компрессора на входе к его площади на выходе и величину отношения площади проточной части дополнительного компрессора на выходе к площади горла первого соплового аппарата воздушной силовой турбины. Изобретение позволяет уменьшить степень повышения давления в дополнительном компрессоре и увеличить расход воздуха через воздушную силовую турбину, повысить мощность, КПД и уменьшить стоимость безредукторной газотурбинной установки вследствие меньшей металлоемкости (RU 2346170, F02C 7/08, 10.02.2009 г.). Недостатком известной конструкции также является неэффективная работа газотурбинного двигателя в составе безредукторной энергетической газотурбинной установки.

Всем перечисленным газотурбинным двигателям присущи следующие недостатки: повышенные вибрационные нагрузки на установку в целом и износ трущихся поверхностей подшипников, как следствие - сравнительно невысокий КПД установки, а также высокие эксплуатационные расходы, возникающие по указанным причинам.

Задача полезной модели состоит в устранении перечисленных выше недостатков, путем разработки новой конструкции одновального газотурбинного двигателя мощностного ряда от 7 до 12 МВт, используемого стационарно для выработки тепловой и электрической энергии, более высокого технологического уровня, соответствующего современным технологическим требованиям, в том числе, обеспечивающего существенное снижение вибрационных нагрузок на установку в целом, снижение износа трущихся поверхностей опорных подшипников установки, как следствие - повышение КПД установки, а также снижение эксплуатационных расходов, возникающих по указанным причинам.

Технический результат заявленного технического решения представляет собой совокупность технических результатов, заключающихся, главным образом, в существенном снижении вибрационных нагрузок на установку в целом, снижении износа трущихся поверхностей опорных подшипников установки, как следствие - повышение КПД установки - газотурбинного двигателя мощностного ряда от 7 до 12 МВт, а также снижение эксплуатационных расходов, возникающих по указанным причинам.

Указанная выше задача решается путем создания газотурбинной установки, выполненной на одном валу единым сборочным блоком на едином рамном основании, содержащей, входной патрубок, осевой компрессор, трубчатокольцевую камеру сгорания, двухступенчатую осевую турбину, ротор с магнитными опорно-упорными подшипниками, диффузор турбины, а также рекуператор, установленный в газоходе между турбиной и котлом утилизатором, при этом один из опорно-упорных подшипников, расположенный в холодной зоне (секции, области) установки, удален (расположен, находится) от ближайшего торца ротора газотурбинной установки на расстояние не более чем 0,145-0,155 L, где L - длина ротора газотурбинной установки, а расстояние между подшипниками, например, между их осями составляет от 0,735 L до 0,775 L, где L - длина ротора газотурбинной установки.

Кроме того, радиальный зазор между подвижным и неподвижным элементами каждого опорно-упорного магнитного подшипника, составляет не более 0,15 А до 0,25 А, где А - амплитуда вертикальных колебаний оси установки в процессе работы газотурбинной установки, а оптимальное расстояние между подшипниками составляет от 0,745 L до 0,755 L, где L - длина ротора газотурбинной установки, а зазор между подвижным и неподвижным элементами каждого опорно-упорного магнитного подшипника, составляет не более 0,19 А до 0,21 А, где А - амплитуда вертикальных колебаний оси установки в процессе работы газотурбинной установки.

Кроме того, оптимальное расстояние от торца ротора газотурбинной установки до опорно-упорного подшипника, расположенного в холодной секции установки составляет 0,15 L, где L - длина ротора газотурбинной установки, а оптимальное расстояние между подшипниками составляет от 0,745 L до 0,755 L, где L - длина ротора газотурбинной установки.

При этом максимальное снижение вибрационных нагрузок достигается при выполнении установки с обеспечением ее работы в диапазоне мощностей от 7 до 12 МВт, при обеспечении скорости вращения вала установки в диапазоне от 5850 оборотов в минуту до 6250 оборотов в минуту, с преимущественным значением вращения вала 6150 оборотов в минуту.

Как видно из приведенного выше, газотурбинная установка выполнена на одном валу единым сборочным блоком на едином рамном основании - что является первым существенным инженерным шагом их предлагаемых для решения поставленной задачи. Выполнение перечисленных элементов на одном валу единым сборочным блоком обеспечивает, в частности, снижение вибрационных нагрузок установки.

Установка содержит элементы, обеспечивающие ее работу, это входной патрубок, осевой компрессор, трубчатокольцевая камера сгорания, двухступенчатая осевая турбина, ротор с магнитными опорно-упорными подшипниками, диффузор турбины, а также рекуператор, установленный в газоходе между турбиной и котлом утилизатором. Перечисленные элементы, их наличие в установке, а также их взаимная компоновка на одном валу и единым сборочным блоком, использование магнитных подшипников, также направлены на снижение вибрационных нагрузок установки в целом.

Существенно важным является полученное расчетным и подтвержденное экспериментальным путем, расположение одного из опорно-упорных подшипников в холодной зоне (секции) установки (т.н. «первый подшипник», расположенный ближе к зоне сбора и подачи воздушных масс непосредственно в установку) - удаленным (расположенным, находящимся) от ближайшего торца ротора газотурбинной установки на расстояние не более чем 0,145-0,155 L, где L - длина ротора газотурбинной установки. В данном случае речь идет о расстоянии между крайней поверхностью соответствующего торца ротора газотурбиной установки и осью опорно-упорного магнитного подшипника, находящегося в т.н. холодной зоне (секции, области) газотурбинной установки.

Как известно, холодная зона (секция, область) газотурбинной установки - одна из зон (секций, области) установки, наряду с горячей зоной (секцией, областью) установки. Традиционно под холодной зоной (секцией, областью) установки подразумевают часть установки - от места входа (забора, области) воздушных масс и их поступления через компрессор - до камеры сгорания, которая уже находится в горячей зоне (секции, области) газотурбинной установки.

Также важный аспект создания наименьших предпосылок к возникновению повышенных вибронагрузок установки - для данной конструкции установки и ее параметров работы - тот факт, что расстояние между магнитными опорно-упорными подшипниками ротора составляет от 0,735 L до 0,775 L, где L - длина ротора газотурбинной установки, которое обеспечивает существенное снижение вибрационных нагрузок. Также обеспечивается, в частности снижение износа трущихся поверхностей опорных подшипников установки, и, как следствие - повышение КПД установки.

Кроме того, существенно важным является полученное расчетным и экспериментальным путем при этом радиальный зазор между подвижным и неподвижным элементами каждого опорно-упорного магнитного подшипника составляет: не более 0,15 А до 0,25 А, где А - амплитуда вертикальных колебаний оси (т.е. отклонение оси от установки) установки в процессе ее работы. При таком выполнении обеспечивается максимальное снижение колебаний оси установки и влияние этих колебаний на вибрационные нагрузки на установку.

Полученное расчетным и эксплуатационным путем оптимальное расстояние между подшипниками составляет от 0,745 L до 0,755 L, где L - длина ротора газотурбинной установки, а зазор между подвижным и неподвижным элементами каждого опорно-упорного магнитного подшипника составляет не более 0,19 А до 0,21 А, где А - амплитуда вертикальных колебаний оси установки в процессе работы газотурбинной установки.

Полученное расчетным и эксплуатационным путем оптимальное расстояние от торца ротора газотурбинной установки до опорно-упорного подшипника, расположенного в холодной секции установки составляет 0,15 L, где L - длина ротора газотурбинной установки, а оптимальное расстояние между подшипниками составляет от 0,745 L до 0,755 L, где L - длина ротора газотурбинной установки.

Как видно из приведенного выше, газотурбинная установка, выполнена на одном валу единым сборочным блоком на едином рамном основании - что является существенным инженерным шагом их предлагаемых для решения поставленной задачи. Выполнение перечисленных элементов на одном валу единым сборочным блоком обеспечивает, в частности, снижение вибрационных нагрузок установки.

Установка содержит элементы, обеспечивающие ее работу, это входной патрубок, осевой компрессор, трубчатокольцевая камера сгорания, двухступенчатая осевая турбина, ротор с магнитными опорно-упорными подшипниками, диффузор турбины, а также рекуператор, установленный в газоходе между турбиной и котлом утилизатором. Перечисленные элементы, их наличие в установке, а также их взаимная компоновка на одном валу и единым сборочным блоком, использование магнитных подшипников, также направлены на снижение вибрационных нагрузок установки в целом.

Как в известно, работа активного магнитного подшипника, в отличие от простого подшипника, базируется на принципе электромагнитной левитации - левитации с использованием электрического и магнитного полей. При таких обстоятельствах вращение вала в подшипнике происходит без физического контакта поверхностей друг с другом. Именно по этой причине полностью исключается необходимость смазки взаимодействующих поверхностей, при этом также положительным техническим эффектом является исключение механического износа взаимодействующих поверхностей, повышение их долговечности и, как следствие, снижение затрат на их изготовление и эксплуатацию.

Как видно существенно важным является полученное расчетным и экспериментальным путем, значение расположения одного из опорно-упорных подшипников в холодной зоне установки (т.н. «первый подшипник», расположенный ближе к зоне сбора и подачи воздушных масс непосредственно в установку) - удаленным от ближайшего торца ротора газотурбинной установки на расстояние не более чем 0,145-0,155 L, где L - длина ротора газотурбинной установки.

Кроме того, как видно существенно важным является полученное расчетным и экспериментальным путем расстояние между магнитными опорно-упорными подшипниками ротора, например, между их осями от 0,735 L до 0,775 L, где L - длина ротора газотурбинной установки, которое обеспечивает существенное снижение вибрационных нагрузок. Также обеспечивается, в частности снижение износа трущихся поверхностей опорных подшипников установки, и, как следствие - повышение КПД установки.

Кроме того, существенно важным является полученное расчетным и экспериментальным путем зазор между подвижным и неподвижным элементами каждого опорно-упорного магнитного подшипника, составляет: не более 0,15 А до 0,25 А, где А - амплитуда вертикальных колебаний оси (т.е. отклонение оси от установки) установки в процессе ее работы. При таком выполнении обеспечивается максимальное снижение колебаний оси установки и влияние этих колебаний на вибрационные нагрузки на установку.

Полученное расчетным и эксплуатационным путем оптимальное расстояние между подшипниками составляет от 0,745 L до 0,755 L, где L - длина ротора газотурбинной установки, а зазор между подвижным и неподвижным элементами каждого опорно-упорного магнитного подшипника составляет не более 0,19 А до 0,21 А, где А - амплитуда вертикальных колебаний оси установки в процессе работы газотурбинной установки.

Ниже приводится пример работы газотурбинной установки, в котором приведены основные (базовые для этой полезной модели) параметры работы, никак не ограничивающие все возможные варианты изготовления и эксплуатации газотурбинной установки.

Управление работой установки осуществляется автоматизированной системой управления (использующей тиристорные преобразователи), при этом вся система управления предназначена, в частности, для включения установки, установление ее рабочих режимов и выключения.

В газотурбинной установке, выполненной на одном валу единым сборочным блоком на едином рамном основании, содержащей, входной патрубок, осевой компрессор, трубчатокольцевую камеру сгорания, двухступенчатую осевую турбину, ротор с магнитными опорно-упорными подшипниками, диффузор турбины, а также рекуператор, установленный в газоходе между турбиной и котлом утилизатором, осуществляется подвод под высоким давлением воздуха, топлива, далее - воспламенение газовой смеси, генерирование электричества и тепла с использованием элементов установки: компрессора, турбины, рекуператора - в обычном режиме, включая отвод отработанных продуктов горения.

При этом за счет выполнения установки на одном валу единым сборочным блоком на едином рамном основании - что т.н. «пассивно» снижает вибронагрузку на всю систему.

Кроме того, существенное снижение вибронагрузки достигается за счет расположения одного из опорно-упорных подшипников в холодной зоне установки (т.н. «первый подшипник», расположенный ближе к зоне сбора и подачи воздушных масс непосредственно в установку) - удаленным (расположенным, находящимся) от ближайшего торца ротора газотурбинной установки на расстояние не более чем 0,145-0,155 L, где L - длина ротора газотурбинной установки, при этом расстояние между подшипниками (для данного примера) - 0,735 L, где L - длина ротора газотурбинной установки, достигается существенное виброгашение, т.е. снижение вертикальных вибраций (отклонений оси установки от горизонтали).

А в совокупности с выполнением радиального зазора между подвижным и неподвижным элементами каждого опорно-упорного магнитного подшипника, для данного примера, 0,2 А, где А - амплитуда вертикальных колебаний оси установки в процессе работы газотурбинной установки достигается максимальное гашение вибраций оси установки и, как следствие, повышение ее КПД, снижение износа основных элементов и пр.

Для данного примера, максимальное снижение вибрационных нагрузок и повышение КПД установки в целом достигается при выполнении установки с обеспечением ее работы на уровне 9 МВт, при обеспечении скорости вращения вала установки в 6150 оборотов в минуту.

Из изложенного видно, что при осуществлении полезной модели достигается совокупность технических результатов, заключающихся, главным образом, в существенном снижении вибрационных нагрузок на установку - газотурбинного двигателя мощностного ряда от 7 до 12 МВт, в целом, снижении износа трущихся поверхностей опорных подшипников установки, как следствие - повышение КПД установки также снижение эксплуатационных расходов, возникающих по указанным причинам.

Claims (4)

1. Газотурбинная установка, выполненная на одном валу единым сборочным блоком на едином рамном основании, содержащая входной патрубок, осевой компрессор, трубчатокольцевую камеру сгорания, двухступенчатую осевую турбину, ротор с магнитными опорно-упорными подшипниками, диффузор турбины, а также рекуператор, установленный в газоходе между турбиной и котлом утилизатором, при этом один из опорно-упорных подшипников, расположенный в холодной секции установки, удален от ближайшего торца ротора газотурбинной установки на расстояние 0,145-0,155 L, где L - длина ротора газотурбинной установки, а расстояние между подшипниками составляет от 0,735 L до 0,775 L, где L - также длина ротора газотурбинной установки.

2. Газотурбинная установка по п. 1, отличающаяся тем, что радиальный зазор между подвижным и неподвижным элементами каждого опорно-упорного магнитного подшипника составляет не более 0,15 А до 0,25 А, где А - амплитуда вертикальных колебаний оси установки в процессе работы газотурбинной установки, при этом оптимальный зазор между подвижным и неподвижным элементами каждого опорно-упорного магнитного подшипника составляет не более 0,19 А до 0,21 А, где А - амплитуда вертикальных колебаний оси установки в процессе работы газотурбинной установки.

3. Газотурбинная установка по п. 1, отличающаяся тем, что оптимальное расстояние от торца ротора газотурбинной установки до опорно-упорного подшипника, расположенного в холодной секции установки, составляет 0,15 L, где L - длина ротора газотурбинной установки, а оптимальное расстояние между подшипниками составляет от 0,745 L до 0,755 L, где L - длина ротора газотурбинной установки.

4. Газотурбинная установка по любому из пп. 1, 2, отличающаяся тем, что максимальное снижение вибрационных нагрузок достигается при выполнении установки с обеспечением ее работы в диапазоне мощностей от 7 до 12 МВт, при обеспечении скорости вращения вала установки в диапазоне от 5850 оборотов в минуту до 6250 оборотов в минуту, с преимущественным значением вращения вала 6150 оборотов в минуту.