RU2406854C1

RU2406854C1 - Gas-turbine plant

Info

Publication number: RU2406854C1
Application number: RU2009109841/06A
Authority: RU
Inventors: Валерий Алексеевич Кузнецов (RU); Валерий Алексеевич Кузнецов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Авиадвигатель"
Priority date: 2009-03-18
Filing date: 2009-03-18
Publication date: 2010-12-20

Abstract

FIELD: power industry.

SUBSTANCE: gas-turbine plant includes two-stage turbine compressor with combustion chamber and low and high pressure compressors, high and low pressure turbines, as well as power turbine and exhaust system. Low-pressure compressor rotor is connected at the inlet by means of shaft to starting engine. Flow-through part of low-pressure compressor is connected at the outlet to high-pressure compressor and to channel of external circuit enveloping on the outer side the external housings of high-pressure compressor, combustion chamber, high-pressure turbine and low-pressure turbine. External circuit channel above front stages of high-pressure compressor is separated with the partition rigidly installed in radial direction on outer housing of external circuit channel. External housing of high-pressure compressor is provided with possibility of being moved relative to the above partition in axial direction. Holes in the partition are provided with possibility of their being shutoff in start-up modes of the installation with the valves installed on outer side of the housing of external circuit channel.

EFFECT: improving reliability and efficiency of the engine by arranging the effective cooling of external housings, decreasing the gas temperature before high-pressure turbine and minimising the start-up time of the installation with simultaneous simplification of its design.

3 dwg

Description

Изобретение относится к газотурбинным установкам для механического привода и для привода электрогенератора.The invention relates to gas turbine installations for a mechanical drive and for driving an electric generator.

Известна газотурбинная установка с однокаскадным турбокомпрессором, для раскрутки ротора которого при запуске установки используется центральный привод, включающий проходящий через стойки входного корпуса валик центрального привода, коническими шестернями соединенный с валом ротора компрессора (Патент РФ №2324063, F02C 7/06, F02C 7/047, 2008 г.).A gas turbine installation with a single-stage turbocharger is known, for the rotation of the rotor of which, when starting the installation, a central drive is used, including a central drive roller passing through the uprights of the inlet housing, connected by bevel gears to the compressor rotor shaft (RF Patent No. 2324063, F02C 7/06, F02C 7/047 , 2008).

Недостатком такой конструкции является низкая ее надежность и низкий кпд газотурбинной установки из-за низкой надежности шестерен центрального привода и низкой степени сжатия однокаскадного компрессора.The disadvantage of this design is its low reliability and low efficiency of the gas turbine plant due to the low reliability of the gears of the central drive and the low compression ratio of a single-stage compressor.

Наиболее близкой к заявляемой является газотурбинная установка, включающая в себя двухкаскадный турбокомпрессор, состоящий из компрессоров низкого и высокого давления, а также из турбин высокого и низкого давления и размещенного в разделительном корпусе центрального привода, который служит для раскрутки турбокомпрессора высокого давления при запуске газотурбинной установки (Патент РФ №2179646, F02C 3/10, F04D 29/38, 2002 г.).Closest to the claimed one is a gas turbine installation, which includes a two-stage turbocompressor, consisting of low and high pressure compressors, as well as high and low pressure turbines and a central drive located in the separation housing, which serves to unwind the high pressure turbocompressor when starting the gas turbine installation ( RF patent No. 2179646, F02C 3/10, F04D 29/38, 2002).

Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является ее низкая надежность из-за повышенной температуры наружных корпусов камеры сгорания и турбины, а также из-за низкой надежности шестерен центрального привода. Кроме того, конструкция известной установки является достаточно сложной.A disadvantage of the known design adopted as a prototype is its low reliability due to the increased temperature of the outer casings of the combustion chamber and the turbine, and also because of the low reliability of the gears of the central drive. In addition, the design of the known installation is quite complex.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении надежности и кпд путем организации эффективного охлаждения наружных корпусов, снижения температуры газа перед турбиной высокого давления и минимизации времени запуска установки с одновременным упрощением ее конструкции.The technical problem solved by the invention is to increase reliability and efficiency by organizing effective cooling of the outer casings, lowering the gas temperature in front of the high-pressure turbine and minimizing the installation start-up time while simplifying its design.

Сущность изобретения заключается в том, что в газотурбинной установке, включающей в себя двухкаскадный турбокомпрессор с камерой сгорания и компрессорами низкого и высокого давлений, турбинами высокого и низкого давлений, а также силовую турбину и выхлопную систему, согласно изобретению, ротор компрессора низкого давления на входе валом соединен с пусковым двигателем, а проточная часть компрессора низкого давления на выходе соединена с компрессором высокого давления и с каналом наружного контура, охватывающим с внешней стороны наружные корпусы компрессора высокого давления, камеры сгорания, турбины высокого давления и турбины низкого давления, причем канал наружного контура над передними ступенями компрессора высокого давления разделен перегородкой, в радиальном направлении установленной жестко на наружном корпусе канала наружного контура, а наружный корпус компрессора высокого давления выполнен с возможностью перемещения относительно указанной перегородки в осевом направлении, при этом отверстия в перегородке выполнены с возможностью их перекрытия на режимах запуска установки клапанами, установленными с внешней стороны корпуса канала наружного контура.The essence of the invention lies in the fact that in a gas turbine installation comprising a two-stage turbocompressor with a combustion chamber and low and high pressure compressors, high and low pressure turbines, as well as a power turbine and exhaust system, according to the invention, a low pressure compressor rotor at the input shaft connected to the starting engine, and the flow part of the low-pressure compressor at the outlet is connected to the high-pressure compressor and to the channel of the external circuit, covering the outside of the external hulls of the high-pressure compressor, combustion chamber, high-pressure turbine and low-pressure turbine, and the channel of the external circuit above the front steps of the high-pressure compressor is separated by a partition in the radial direction mounted rigidly on the outer case of the channel of the external circuit, and the outer case of the high-pressure compressor is made with the ability to move relative to the specified partition in the axial direction, while the holes in the partition are made with the possibility of overlapping x start the installation with valves installed on the outside of the channel body of the external circuit.

Соединение ротора компрессора низкого давления на входе валом с пусковым двигателем позволяет производить запуск газотурбинной установки путем раскрутки ротора турбокомпрессора высокого давления воздухом, нагнетаемым компрессором низкого давления, что позволяет исключить из конструкции газотурбинной установки центральный привод с коническими шестернями, что повышает надежность газотурбинной установки в целом.The connection of the rotor of the low pressure compressor at the input shaft with the starting engine allows the gas turbine unit to be launched by spinning up the rotor of the high pressure turbocompressor with air pumped by the low pressure compressor, which allows the central drive with bevel gears to be excluded from the design of the gas turbine unit, which increases the reliability of the gas turbine unit as a whole.

Соединение проточной части компрессора низкого давления на ее выходе с компрессором высокого давления и с каналом наружного контура, охватывающим с внешней стороны наружные корпусы компрессора высокого давления, камеры сгорания, турбины высокого давления и турбины низкого давления, позволяет организовать эффективное охлаждение наружных корпусов с дальнейшим «срабатыванием» снятого тепла в свободной силовой турбине, что повышает кпд и надежность газовой установки.The connection of the flowing part of the low-pressure compressor at its outlet with the high-pressure compressor and the channel of the external circuit, covering the outer shells of the high-pressure compressor, combustion chamber, high-pressure turbine and low-pressure turbine from the outside, allows for efficient cooling of the outer casings with further “actuation” »Removed heat in a free power turbine, which increases the efficiency and reliability of the gas installation.

Разделение канала наружного контура радиальной перегородкой, отверстия в которой выполнены с возможностью их перекрытия клапанами на режимах запуска установки, позволяет пропустить на запуске весь воздух, нагнетаемый компрессором низкого давления, через турбину высокого давления, что способствует раскрутке ротора компрессора высокого давления и минимизирует время запуска установки, а также способствует снижению температуры газа перед турбиной высокого давления при запуске, что повышает надежность газотурбинной установки.Separation of the channel of the external circuit by a radial partition, the openings of which are blocked by valves in the start-up modes of the installation, allows all the air pumped by the low-pressure compressor to pass through the high-pressure turbine at start-up, which contributes to the spinning of the high-pressure compressor rotor and minimizes installation start-up time , and also helps to reduce the temperature of the gas in front of the high-pressure turbine at startup, which increases the reliability of the gas turbine installation.

Размещение перегородки над передними ступенями компрессора высокого давления позволяет обеспечить равномерное по окружности охлаждение расположенных ниже по потоку корпусов турбокомпрессора, так как истекающий из отверстий перегородки воздух успевает равномерно растечься в окружном направлении. Для первых же ступеней разница температур воздуха в канале наружного контура и воздуха в проточной части компрессора высокого давления мала.Placing the partition above the front stages of the high-pressure compressor makes it possible to provide uniform circumferential cooling of the downstream turbocharger bodies, since the air flowing from the openings of the partition has time to evenly flow in the circumferential direction. For the first stages, the difference in air temperature in the channel of the external circuit and air in the flow part of the high-pressure compressor is small.

Установка перегородки жестко на наружном корпусе канала наружного контура и выполнение наружного корпуса компрессора высокого давления с возможностью перемещения относительно указанной перегородки в осевом направлении позволяет исключить появление в перегородке дополнительных напряжений из-за взаимных осевых температурных деформаций корпусов, что также повышает надежность газотурбинной установки.The installation of the partition rigidly on the outer casing of the channel of the outer circuit and the execution of the outer casing of the high pressure compressor with the possibility of movement relative to the specified partition in the axial direction eliminates the appearance of additional stresses in the partition due to mutual axial temperature deformations of the casings, which also increases the reliability of the gas turbine installation.

На фиг.1 показан продольный разрез газотурбинной установки; на фиг.2 показан элемент I на фиг.1 в увеличенном виде; на фиг.3 показан элемент II на фиг.1 в увеличенном виде.Figure 1 shows a longitudinal section of a gas turbine installation; figure 2 shows the element I in figure 1 in an enlarged view; figure 3 shows the element II in figure 1 in an enlarged view.

Газотурбинная установка 1 состоит из газотурбинного двигателя 2, входного устройства 3, пускового двигателя 4 с редуктором 5 и выхлопной системой 6.Gas turbine unit 1 consists of a gas turbine engine 2, an input device 3, a starting engine 4 with a gearbox 5 and an exhaust system 6.

Газотурбинный двигатель 2 состоит из турбокомпрессора низкого давления 7, состоящего из компрессора низкого давления 8 и турбины низкого давления 9, а также из турбокомпрессора высокого давления 10, состоящего из компрессора высокого давления 11 и турбины высокого давления 12, между которыми размещена камера сгорания 13. На выходе из турбины низкого давления 9 расположена силовая свободная турбина 14, которая служит для привода полезной нагрузки (не показано).The gas turbine engine 2 consists of a low pressure turbocompressor 7, consisting of a low pressure compressor 8 and a low pressure turbine 9, as well as a high pressure turbocompressor 10, consisting of a high pressure compressor 11 and a high pressure turbine 12, between which a combustion chamber 13. the output of the low pressure turbine 9 is a free power turbine 14, which serves to drive the payload (not shown).

Ротор 15 компрессора низкого давления 8 на входе валом 16 через редуктор 5 соединен с пусковым двигателем 4; на выходе проточная часть 17 компрессора низкого давления 8 соединена с компрессором высокого давления 11 и с каналом наружного контура 18, охватывающим с внешней стороны наружные корпусы 19 компрессора высокого давления 11, камеры сгорания 13, турбины высокого давления 12 и турбины низкого давления 9.The rotor 15 of the low-pressure compressor 8 at the input shaft 16 through a gear 5 is connected to the starting motor 4; at the outlet, the flow part 17 of the low-pressure compressor 8 is connected to the high-pressure compressor 11 and to the channel of the external circuit 18, which extends from the outer side to the outer casings 19 of the high-pressure compressor 11, combustion chamber 13, high-pressure turbine 12, and low-pressure turbine 9.

Над передними ступенями 20 компрессора высокого давления 11 в канале наружного контура 18 размещена перегородка 21, отверстия 22 в которой выполнены с возможностью их перекрытия клапанами 23 на режимах запуска газотурбинной установки 1. Перегородка 21 жестко соединена с внешним корпусом 24 канала наружного контура 18 и с помощью телескопического соединения 25 - с наружным корпусом 26 компрессора высокого давления 11, что позволяет свободно перемещаться корпусу 11 в осевом направлении относительно перегородки 21 при его температурных деформациях.Above the front steps 20 of the high-pressure compressor 11, a baffle 21 is placed in the channel of the outer circuit 18, the openings 22 in which are made possible by their valves 23 in the starting modes of the gas turbine installation 1. The baffle 21 is rigidly connected to the outer casing 24 of the channel of the outer circuit 18 and using telescopic connection 25 - with the outer casing 26 of the high-pressure compressor 11, which allows the casing 11 to move freely in the axial direction relative to the partition 21 during its temperature deformations.

Клапаны 23 размещены с внешней стороны от корпуса 24 канала наружного контура 18, что снижает их температуру. В канале 18 размещено лишь седло 27 клапана 23, которое в положении 28 перекрывает отверстия 22 в перегородке 21.Valves 23 are placed on the outside of the housing 24 of the channel of the outer circuit 18, which reduces their temperature. In the channel 18 there is only a seat 27 of the valve 23, which in position 28 overlaps the holes 22 in the partition 21.

Работает данное устройство следующим образом.This device works as follows.

При запуске газотурбинной установки 1 пусковой двигатель 4 через редуктор 5 с помощью вала 16 раскручивает ротор 15 компрессора низкого давления 8, нагнетая таким образом воздух на вход в компрессор высокого давления 11 и на вход в канал наружного контура 18.When starting a gas turbine installation 1, the starting engine 4 through the gearbox 5 using the shaft 16 untwists the rotor 15 of the low-pressure compressor 8, thus forcing air at the inlet to the high-pressure compressor 11 and at the entrance to the channel of the external circuit 18.

В связи с тем, что проточная часть компрессора высокого давления 11, камеры сгорания 13, турбины высокого давления 12 и турбины низкого давления 9 представляют повышенное гидравлическое сопротивление для нагнетаемого воздуха, основная часть этого воздуха протекала бы по каналу наружного контура 18, что привело бы к незапуску газотурбинной установки 1, однако этого не происходит, так как на запуске установки 1 седло 27 канала 23 устанавливается в положение 28, перекрывая таким образом проход нагнетаемого воздуха через отверстия 22 перегородки 21, что исключает течение воздуха по каналу наружного контура 18. Поэтому нагнетаемый воздух на запуске протекает по проточной части компрессора высокого давления 11 и далее - по проточной части турбины высокого давления 12, где совершает полезную работу, вызывая раскрутку ротора турбокомпрессора высокого давления 10, что, в свою очередь, способствует повышению давления воздуха перед камерой сгорания 13, в которую подается топливо и газотурбинная установка запускается.Due to the fact that the flow part of the high-pressure compressor 11, the combustion chamber 13, the high-pressure turbine 12, and the low-pressure turbine 9 represent increased hydraulic resistance for the injected air, the bulk of this air would flow through the channel of the external circuit 18, which would lead to failure to start the gas turbine installation 1, however, this does not happen, since at the start of installation 1, the saddle 27 of the channel 23 is set to position 28, thus blocking the passage of injected air through the openings 22 of the partition 21, which о excludes air flow through the channel of the external circuit 18. Therefore, the pumped-in air at the start flows through the flow part of the high pressure compressor 11 and then through the flow part of the high pressure turbine 12, where it does useful work, causing the rotor to spin up of the high pressure turbocompressor 10, which, in in turn, it helps to increase air pressure in front of the combustion chamber 13, into which fuel is supplied and the gas turbine installation is started.

После осуществления запуска клапан 23 открывается, седло канала 23 устанавливается в положение 27 и воздух протекает по каналу наружного контура 18, охлаждая таким образом наружные корпусы турбокомпрессоров 7 и 10.After starting, the valve 23 opens, the seat of the channel 23 is set to position 27, and air flows through the channel of the external circuit 18, thereby cooling the outer casings of the turbochargers 7 and 10.

Claims

A gas turbine installation including a two-stage turbocharger with a combustion chamber and low and high pressure compressors, high and low pressure turbines, as well as a power turbine and an exhaust system, characterized in that the low pressure compressor rotor is connected to the starting engine by the shaft and the flow motor part of the low-pressure compressor at the outlet is connected to the high-pressure compressor and to the channel of the external circuit, covering the outer casings of the high-pressure compressor from the outside, cam combustion engines, high pressure turbines and low pressure turbines, the channel of the outer circuit above the front steps of the high pressure compressor is separated by a partition radially mounted rigidly on the outer casing of the channel of the external circuit, and the outer casing of the high pressure compressor is movable relative to the partition axial direction, while the holes in the partition are made with the possibility of their overlapping on the modes of installation start by valves installed from the outside of the channel body of the external circuit.