RU2374468C1

RU2374468C1 - Gas turbine for gas-compressor plant

Info

Publication number: RU2374468C1
Application number: RU2008125735/06A
Authority: RU
Inventors: Николай Борисович Болотин (RU); Николай Борисович Болотин
Original assignee: Николай Борисович Болотин
Priority date: 2008-06-24
Filing date: 2008-06-24
Publication date: 2009-11-27

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: proposed gas turbine comprises compressor linked up with the drive. In its turn, compressor drive comprises 1^st and 2^nd stages, inner and outer shafts with blower fitted on inner shaft and compressor fitted on outer shaft. It includes also HP and LP turbines with cooling system, primary combustion chamber arranged between compressor and HP turbine. Gas turbine comprises also outer combustion chamber and heat exchanger-heater arranged behind HP turbine and communicated, via heat carrier circulation lines, with heat exchanger arranged behind outer combustion chamber.

EFFECT: higher efficiency and reliability.

3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к двигателестроению, в том числе к мощным стационарным газотурбинным двигателям ГТД, предназначенным преимущественно для газоперекачивающих агрегатов, и может найти применение для пиковых энергетических установок в качестве привода для электрогенератора, предназначенного для выработки электроэнергии.The invention relates to engine building, including powerful stationary gas turbine engines of gas turbine engines, designed primarily for gas pumping units, and can find application for peak power plants as a drive for an electric generator designed to generate electricity.

Известна силовая установка по патенту РФ на изобретение №2137617. Эта установка имеет жидкостную систему охлаждения и вентилятор для создания потока охлаждающего воздуха.Known power plant according to the patent of the Russian Federation for the invention No. 2137617. This unit has a liquid cooling system and a fan to create a flow of cooling air.

Известна силовая установка по патенту РФ №212418, которая содержит газотурбинный двигатель, газовый тракт, соединяющий этот газотурбинный двигатель с силовой турбиной, и обводной канал, который соединяет газовый тракт между турбинами и перед свободной турбиной.A known power plant according to the patent of the Russian Federation No. 212418, which contains a gas turbine engine, a gas path connecting this gas turbine engine with a power turbine, and a bypass channel that connects the gas path between the turbines and in front of the free turbine.

Недостатком этой силовой установки являются плохие характеристики его запуска, конкретно большое время запуска. Это связано с тем, что газодинамическое сопротивление свободной турбины имеет значительную величину, и мощности стартера недостаточно для одновременной раскрутки нескольких газотурбинных двигателей и свободной турбины, с которой отбирается мощность на трансмиссию.The disadvantage of this power plant is the poor performance of its launch, specifically the long launch time. This is due to the fact that the gas-dynamic resistance of a free turbine is significant, and the starter power is insufficient to simultaneously spin up several gas turbine engines and a free turbine, from which power is taken for transmission.

Известна энергетическая газотурбинная транспортируемая силовая установка по патенту РФ №2189477, прототип, которая содержит модули газогенератора, с компрессором, основной камерой сгорания и турбиной, газотурбинного привода и систему выхлопа, соединенные между собой.Known energy gas turbine transported power plant according to the patent of the Russian Federation No. 2189477, a prototype that contains gas generator modules, with a compressor, a main combustion chamber and a turbine, a gas turbine drive and an exhaust system interconnected.

Недостатки: низкая мощность при небольших габаритах установки, повышенный расход топлива и низкая надежность установки из-за высокого уровня температуры перед турбиной. Большая мощность легко может быть достигнута при больших габаритах установки, но это затруднит ее транспортировку в отдаленные районы страны.Disadvantages: low power with small installation dimensions, increased fuel consumption and low reliability of the installation due to the high temperature in front of the turbine. Large capacity can easily be achieved with large installation dimensions, but this will complicate its transportation to remote areas of the country.

Задачи создания изобретения: повышение мощности, КПД и надежности установки.Objectives of the invention: increasing power, efficiency and reliability of the installation.

Решение указанных задач достигнуто за счет того, что газотурбинная установка для газоперекачивающих агрегатов, содержащая компрессор, соединенный с приводом, содержащим, в свою очередь, первый и второй контуры, внешний и внутренний валы с вентилятором, установленным на внутреннем валу, и компрессор, установленный на внешнем валу, турбины высокого и низкого давления, с системой охлаждения, основную камеру сгорания между компрессором и турбиной высокого давления, отличающаяся тем, что она содержит внешнюю камеру сгорания и теплообменник-подогреватель, установленный за турбиной низкого давления, соединенный трубопроводами циркуляции теплоносителя с теплообменником, установленным за внешней камерой сгорания. Во втором контуре установлен охлаждающий теплообменник, вход которого соединен с выходом из компрессора, а выход - с системой охлаждения турбин. Внешняя камера сгорания подсоединена к газовой магистрали через клапан и регулятор, а основная камера сгорания - через клапан, дожимной компрессор и регулятор.The solution to these problems was achieved due to the fact that the gas turbine installation for gas pumping units, containing a compressor connected to a drive, which, in turn, contains the first and second circuits, external and internal shafts with a fan mounted on the internal shaft, and a compressor mounted on external shaft, high and low pressure turbines with a cooling system, the main combustion chamber between the compressor and the high pressure turbine, characterized in that it contains an external combustion chamber and a heat exchanger a heater installed behind the low pressure turbine connected by coolant circulation pipelines to a heat exchanger installed behind the external combustion chamber. In the second circuit, a cooling heat exchanger is installed, the input of which is connected to the compressor outlet, and the output to the turbine cooling system. An external combustion chamber is connected to the gas line through a valve and a regulator, and the main combustion chamber is connected through a valve, a booster compressor and a regulator.

Для реализации изобретения достаточно применения известных узлов и деталей, ранее разработанных и реализованных в конструкции газотурбинных двигателей и в машиностроении.To implement the invention, it is sufficient to use the known components and parts previously developed and implemented in the design of gas turbine engines and in mechanical engineering.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1…4, где:The invention is illustrated in figure 1 ... 4, where:

на фиг.1 приведен первый вариант двигателя,figure 1 shows the first version of the engine,

на фиг.2 приведен второй вариант двигателя,figure 2 shows the second version of the engine,

на фиг.3 приведена система охлаждения турбины,figure 3 shows the cooling system of the turbine,

на фиг.4 приведен разрез А-А.figure 4 shows a section aa.

Предложенное техническое решение (фиг.1) содержит газовый компрессор 1 и привод 2. Привод 2 выполнен на базе газотурбинного двигателя и содержит два контура: первый 3 и второй 4, соответственно два вала: внутренний 5 и наружный 6, т.е. привод 2 выполнен двухконтурным по двухвальной схеме. Кроме того, привод 2 содержит воздухозаборник 7, вентилятор 8, компрессор 9, основную камеру сгорания 10 и турбину 11. Турбина 11 содержит турбину высокого давления 12 и турбину низкого давления 13. Каждая из турбин 12 и 13 может иметь или по одной или по несколько ступеней. В дальнейшем рассмотрен пример с одноступенчатыми турбинами. Турбина высокого давления 12 содержит первый сопловой аппарат турбины 14 и первое рабочее колесо турбины 15, а ступень турбины низкого давления 13 - второй сопловой аппарат турбины 16 и второе рабочее колесо турбины 17. Первое рабочее колесо турбины 15 установлено на наружном валу 6, а второе рабочее колесо турбины 17 - на внутреннем валу 3. На выходе из обеих контуров 3 и 4 выполнено реактивное сопло 18.The proposed technical solution (Fig. 1) contains a gas compressor 1 and a drive 2. The drive 2 is made on the basis of a gas turbine engine and contains two circuits: the first 3 and second 4, respectively, two shafts: internal 5 and external 6, i.e. drive 2 is double-circuit according to a two-shaft scheme. In addition, the drive 2 contains an air intake 7, a fan 8, a compressor 9, a main combustion chamber 10 and a turbine 11. The turbine 11 comprises a high pressure turbine 12 and a low pressure turbine 13. Each of the turbines 12 and 13 may have one or several steps. In the following, an example with single-stage turbines is considered. The high pressure turbine 12 comprises a first nozzle apparatus of the turbine 14 and a first impeller of the turbine 15, and a stage of the low pressure turbine 13 comprises a second nozzle apparatus of the turbine 16 and a second impeller of the turbine 17. The first impeller of the turbine 15 is mounted on the outer shaft 6, and the second impeller the turbine wheel 17 is on the inner shaft 3. At the outlet of both circuits 3 and 4, a jet nozzle 18 is made.

Вне привода 2 установлена внешняя камера сгорания 19 с форсунками 20 и теплообменником 21 на выходе и выхлопным устройством 22 после теплообменника 21. Между турбинами высокого и низкого давления 12 и 13 установлен теплообменник-подогреватель 23.Outside the drive 2, an external combustion chamber 19 with nozzles 20 and a heat exchanger 21 at the outlet and an exhaust device 22 after the heat exchanger 21 is installed. A heat exchanger-heater 23 is installed between the high and low pressure turbines 12 and 13.

Теплообменник 21 соединен трубопроводами рециркуляции теплоносителя: соответственно подводящим 24 и отводящим 25 с теплообменником-подогревателем 23. Между теплообменником 21 и подводящим трубопроводом рециркуляции теплоносителя 24 установлен насос теплоносителя 26 с приводом 27, а отводящий трубопровод рециркуляции теплоносителя 25 соединяет теплообменник-подогреватель 23 с теплообменником 21 для отвода теплоносителя. В качестве теплоносителя предпочтительно использовать жидкий натрий.Heat exchanger 21 is connected by coolant recirculation pipelines: supply 24 and outlet 25, respectively, with heat exchanger 23. A heat pump 26 is installed between heat exchanger 21 and coolant recirculation supply pipe 24 with drive 27, and heat recirculation discharge pipe 25 connects heat exchanger-heater 23 with heat exchanger 21 for removal of the heat carrier. As a heat carrier, it is preferable to use liquid sodium.

Газотурбинная установка содержит две системы топливоподачи 28 и 29 для подачи топлива (природного газа) в основную камеру сгорания 10 и во внешнюю камеру сгорания 21. Обе системы топливоподачи подключены к газовой магистрали 30. Основная система топливоподачи 28 содержит основной топливопровод 31, подключенный к газовой магистрали 30, и содержит клапан 32 и регулятор 33, а ее выход соединен с кольцевым коллектором 34. Кольцевой коллектор 34 соединен с форсунками 35 основной камеры сгорания 10.The gas turbine installation contains two fuel supply systems 28 and 29 for supplying fuel (natural gas) to the main combustion chamber 10 and to the external combustion chamber 21. Both fuel supply systems are connected to the gas line 30. The main fuel supply system 28 contains the main fuel line 31 connected to the gas line 30, and contains a valve 32 and a regulator 33, and its output is connected to the annular manifold 34. The annular manifold 34 is connected to the nozzles 35 of the main combustion chamber 10.

Дополнительная система топливоподачи 29 содержит дополнительный топливопровод 36 с регулятором 37, который соединен с форсунками 20. К внешней камере сгорания 19 подсоединен воздушный трубопровод 38 с регулятором расхода воздуха 39. Установка имеет блок управления 40, соединенный электрическими связями с клапаном 32 и регуляторами 33, 37 и 39.The additional fuel supply system 29 contains an additional fuel line 36 with a regulator 37, which is connected to the nozzles 20. An air line 38 with an air flow regulator 39 is connected to the external combustion chamber 19. The installation has a control unit 40, which is electrically connected to the valve 32 and the regulators 33, 37 and 39.

Компрессор 9 содержит ротор компрессора 41 с внешним валом 6. На внешнем валу 6 установлено также первое рабочее колесо турбины 15.The compressor 9 comprises a compressor rotor 41 with an external shaft 6. A first impeller of the turbine 15 is also mounted on the external shaft 6.

Во втором контуре 4 (фиг.2) может быть установлен охлаждающий теплообменник 42, вход которого соединен трубопроводом отбора воздуха 43 с выходом компрессора 7, а выход - трубопроводом подачи 44 - с системой охлаждения 45 турбины 11 (турбин 12 и 13).In the second circuit 4 (FIG. 2), a cooling heat exchanger 42 can be installed, the inlet of which is connected by an air sampling pipe 43 to the output of the compressor 7, and the output by a supply pipe 44 to the cooling system 45 of the turbine 11 (turbines 12 and 13).

Система охлаждения 45 турбины 11 (фиг.3 и 4) содержит коллектор 46, установленный над первым сопловым аппаратом 14, и систему охлаждения турбины высокого давления, содержащую, в свою очередь, диафрагму 47, связанную через первый сопловой аппарат 14 с корпусом двигателя 48, дефлектор 49, установленный на диске турбины 50 и уплотнения 51. Система охлаждения турбин 45 теплоизолирована от теплообменника - подогревателя 23 теплоизоляционной перегородкой 52. Первый сопловой аппарат 14 и первое рабочее колесо турбины 15 имеют пустотелые охлаждаемые лопатки. Между внутренним валом 5 и теплоизоляционной перегородкой 52 образован кольцевой канал «Б» для прохода охлаждающего воздуха от турбины высокого давления 14 к турбине низкого давления 13. Аналогично системе охлаждения турбины высокого давления 12 выполнена система охлаждения турбины низкого давления 13 (фиг.3 и 4).The cooling system 45 of the turbine 11 (FIGS. 3 and 4) comprises a manifold 46 mounted above the first nozzle apparatus 14, and a cooling system of the high pressure turbine, which, in turn, comprises a diaphragm 47 connected through the first nozzle apparatus 14 to the engine body 48, a deflector 49 mounted on the disk of the turbine 50 and the seal 51. The cooling system of the turbines 45 is insulated from the heat exchanger-heater 23 by a heat-insulating partition 52. The first nozzle apparatus 14 and the first impeller of the turbine 15 have hollow cooled blades. An annular channel “B” is formed between the inner shaft 5 and the heat-insulating partition 52 for cooling air to pass from the high-pressure turbine 14 to the low-pressure turbine 13. Similarly, the cooling system of the high-pressure turbine 12 has a cooling system for the low-pressure turbine 13 (Figs. 3 and 4) .

Теплообменники-подогреватели 23 закреплены на теплоизоляционной перегородке 52, внутри которой выполнен коллектор теплоносителя 53, для раздачи теплоносителя (жидкого натрия) по элементам 54 теплообменника-подогревателя 23 (фиг.3 и 4). К коллектору теплоносителя 53 подстыкован подводящий трубопровод циркуляции теплоносителя 24.Heat exchangers-heaters 23 are mounted on a heat-insulating partition 52, inside which a collector of a heat carrier 53 is made, for distributing a heat carrier (liquid sodium) to elements 54 of a heat exchanger-heater 23 (FIGS. 3 and 4). To the collector of the coolant 53 is docked inlet pipe circulation of the coolant 24.

При работе ГТД осуществляют его запуск стартером (стартер на фиг.1…3 не показан). При этом раскручивают только один ротор из двух. Одновременно по команде с блока управления 40 открывают клапан 32, и топливо подается в основную камеру сгорания 10 к форсункам 35, где оно воспламеняется при помощи электрозапальника (на фиг.1…4 не показано), и в форсунки 20 внешней камеры сгорания 19.During the operation of the gas turbine engine, it is started by the starter (the starter in Figs. 1 ... 3 is not shown). In this case, only one rotor of two is untwisted. At the same time, on command from the control unit 40, the valve 32 is opened, and the fuel is supplied to the main combustion chamber 10 to the nozzles 35, where it is ignited using an electric igniter (not shown in FIGS. 1 ... 4), and to the nozzles 20 of the external combustion chamber 19.

В результате продукты сгорания проходят через рабочие колеса турбины 15 и 17 и раскручивают их, а также внешний вал 6, а внутренний вал 5. Тепло, снимаемое в теплообменнике 21 при помощи теплоносителя, подаваемого по подводящим трубопроводом рециркуляции теплоносителя 24, прогревает теплообменник-подогреватель 23, который подогревает, в свою очередь, продукты сгорания за первой турбиной высокого давления 12, что позволяет повысить мощность и КПД установки в целом.As a result, the combustion products pass through the impellers of the turbine 15 and 17 and untwist them, as well as the external shaft 6, and the internal shaft 5. The heat removed in the heat exchanger 21 by means of the heat carrier supplied through the supply pipe for recirculation of the heat carrier 24 warms up the heat exchanger-heater 23 which, in turn, heats the combustion products behind the first high-pressure turbine 12, which allows to increase the power and efficiency of the installation as a whole.

Применение изобретения позволило:The application of the invention allowed:

1. Улучшить запуск и приемистость привода установки на переходных режимах, за счет применения дешевого топлива (природного газа) и тепловой энергии, вырабатываемой во внешней камере сгорания одновременно.1. To improve the start-up and throttle response of the unit’s transient drive due to the use of cheap fuel (natural gas) and thermal energy generated in the external combustion chamber at the same time.

2. Повысить надежность двигателя2. Improve engine reliability

- за счет того, что при отказе одной топливной системы она может длительное время работать в режиме 50% от номинального,- due to the fact that in case of failure of one fuel system, it can for a long time work in the mode of 50% of the nominal,

- за счет применения эффективной системы охлаждения турбин и охлаждающего теплообменника.- through the use of an efficient turbine cooling system and a cooling heat exchanger.

3. Повысить КПД установки за счет более рациональной компоновки привода и отсутствия жесткой кинематической связи между двумя валами. Это позволило спроектировать оптимальные компрессор и турбину.3. To increase the efficiency of the installation due to a more rational layout of the drive and the absence of a rigid kinematic connection between the two shafts. This allowed us to design the optimal compressor and turbine.

4. Улучшить надежность установки за счет уменьшения числа ступеней турбины до одной ступени и распределения большей части нагрузки на вторую и последующие ступени турбины, при их наличии.4. Improve the reliability of the installation by reducing the number of stages of the turbine to one stage and distributing most of the load on the second and subsequent stages of the turbine, if any.

5. Создать благоприятные условия для работы вентилятора компрессора, согласовав их оптимальные расчетные угловые скорости вращения вентилятора. Применение двухвальной схемы двигателя для привода позволит развязать механически рабочие колеса и роторы турбин и компрессоров.5. Create favorable conditions for the operation of the compressor fan by agreeing on their optimal calculated angular rotational speeds of the fan. The use of a two-shaft engine circuit for a drive will allow the mechanical impellers and rotors of turbines and compressors to be decoupled mechanically.

6. Обеспечить оптимальную работу двигателя привода на переходных режимах.6. Ensure optimal operation of the drive motor in transient conditions.

7. Значительно уменьшить удельный расход топлива при эксплуатации установки.7. Significantly reduce the specific fuel consumption during installation operation.

8. Облегчить условия работы вентилятора за счет его нежесткой связи с валом компрессора и возможности их взаимного проскальзывания и рассогласования оборотов ротора компрессора и ротора вентилятора.8. To facilitate the working conditions of the fan due to its non-rigid connection with the compressor shaft and the possibility of their mutual slippage and mismatch of the rotor speeds of the compressor rotor and the fan rotor.

9. Облегчить запуск и останов привода установки за счет применения двухвальной схемы.9. Facilitate the start and stop of the installation drive through the use of a two-shaft scheme.

10. Уменьшить вес и габариты и общий вес установки за счет компактности10. Reduce the weight and dimensions and the total weight of the installation due to compactness

11. Снизить стоимость установки за счет отказа от дорогостоящих материалов, используемых при изготовлении турбины, и решить проблему охлаждения турбины, во-первых, снизив температуру перед ней, во-вторых, направив весь охлаждающий воздух на охлаждение только одной или двух ступеней турбины, вместо 4-х…5-ти ступеней, применяемых ранее на мощных газотурбинных двигателях.11. To reduce the cost of installation due to the rejection of expensive materials used in the manufacture of the turbine, and to solve the problem of cooling the turbine, firstly, by lowering the temperature in front of it, and secondly, by directing all the cooling air to cool only one or two stages of the turbine, instead 4 ... 5 steps, previously used on powerful gas turbine engines.

Claims

1. A gas turbine installation for gas pumping units, comprising a compressor connected to a drive, which in turn contains first and second circuits, external and internal shafts with a fan installed on the internal shaft and a compressor mounted on the external shaft, high and low pressure turbines, s cooling system, the main combustion chamber between the compressor and the high pressure turbine, characterized in that it contains an external combustion chamber and a heat exchanger-heater installed behind the high turbine yes Lenia connected conduits coolant circulation with a heat exchanger mounted outside the outer combustion chamber.

2. The gas turbine installation according to claim 1, characterized in that in the second circuit there is a cooling heat exchanger, the input of which is connected to the outlet of the compressor, and the output to the turbine cooling system.

3. The gas turbine installation according to claim 1 or 2, characterized in that the external combustion chamber is connected to the gas line through a valve and a regulator, and the main combustion chamber is connected through a valve, a booster compressor and a regulator.