UA76807C2

UA76807C2 - Gas-turbine engine

Info

Publication number: UA76807C2
Application number: UA20040605152A
Authority: UA
Inventors: Віктор Іванович Романов; Виктор Иванович Романов; Борис Володимирович Ісаков; Борис Владимирович Исаков; Володимир Євгенійович Спіцин; Владимир Евгеньевич Спицын; Олександр Олексійович Філоненко; Александр Алексеевич Филоненко; Олег Спиридонович Кучеренко
Original assignee: Державне Підприємство "Науково-Виробничий Комплекс Газотурбобудування "Зоря"-"Машпроект"; Государственное Предприятие "Научно-Производственный Комплекс Газотурбостроения "Заря"- "Машпроект"
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2004-06-29
Publication date: 2006-09-15

Abstract

A gas-turbine engine is arranged with two-cascade compressor, pipe-circular counter-flow combustion chamber and free power turbine. Main circuit of its casing comprises connected to each other with flanges power casings of low pressure and high pressure compressors, adapter between those, combustion chamber, high and low pressure turbines and power turbine, at that the outer and the inner power casings of combustion chamber are connected to each other after the high-pressure compressors, the external power casing is used, this comprises connected to each other power casings of the front cone, cylindrical spacer and back cone, the casing hermetically surrounds at least the high pressure compressor, combustion chamber and turbines of high and of low pressure, in front, in direction of gas flow, power casing is connected to the flange of the power casing of the low pressure compressor, and behind – to the flange of power casing of free power turbine.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Винахід відноситься до області газотурбобудування, і може бути використай при розробці газотурбінних 2 двигунів для транспортних енергетичних установок, приводів нагнітачів газоподібних і рідких речовин, а так само газотурбінних і парогазових електростанцій.The invention relates to the field of gas turbine construction, and can be used in the development of gas turbine 2 engines for transport power plants, drives of gas and liquid superchargers, as well as gas turbine and steam-gas power plants.

Відомі газотурбінні двигуні з двокаскадним компресором і вільною силовою турбіною, використовуються в головних енергетичних установках кораблів, суден, приводах нагнітачів газоподібних і рідких речовин, в приводах електрогенераторів газотурбінних і парогазових електростанцій |см. Артемов Г.А., Горбов В.М., 70 Романовский Г.Ф. Судовне знергетические установки с газотурбинньіми двигателями. - Николаев: УГМТУ, 1997. - с.101-1111.Well-known gas turbine engines with a two-stage compressor and a free power turbine are used in the main power plants of ships, vessels, drives of compressors of gaseous and liquid substances, in drives of electric generators of gas turbines and steam-gas power plants | see Artemov G.A., Gorbov V.M., 70 Romanovsky G.F. Marine deenergizing installations with gas turbine engines. - Mykolaiv: UGMTU, 1997. - pp. 101-1111.

Недоліком цих газотурбінних двигунів є мала твердість корпуса, що в процесі експлуатації приводить до прискореного збільшення зазорів лопатних апаратів турбомашин і, відповідно, до погіршення паливної економічності газотурбінного двигуна, до порушення коливань роторів, що сприяє руйнуванню опор газотурбінного двигуна і зменшенню, таким чином, його надійності.The disadvantage of these gas turbine engines is the low hardness of the casing, which during operation leads to an accelerated increase in the clearances of the blade devices of turbomachines and, accordingly, to the deterioration of the fuel efficiency of the gas turbine engine, to the disturbance of rotor oscillations, which contributes to the destruction of the supports of the gas turbine engine and, thus, to its reduction reliability

Як прототип прийнятий газотурбінний двигун -Т200 фірми "Стал - Лаваль" |см. Ольховский Г.Г.As a prototype, the gas turbine engine -T200 of the company "Stal - Laval" was adopted | see Olkhovsky H.G.

Знергетические газотурбиннье установки. М.: Знергоатомиздат, 1985, с.29, рис.2.1.в.|.Energy-saving gas turbine installations. M.: Znergoatomizdat, 1985, p. 29, fig. 2.1.v.|.

Цей газотурбінний двигун реалізує цикл Брайтона і містить компресор низького тиску, компресор високого тиску, камеру згоряння, турбіну високого тиску, що приводить компресор високого тиску, турбіну низького тиску, що приводить компресор низького тиску, силову турбіну, що приводить споживач потужності. Ротор турбокомпресора низького тиску трьохопорний, ротор турбокомпресора високого тиску - двоопорний, ротор силової турбіни - двоопорний. Камера згоряння трубчасто-кільцева, протитечійна, розташована під кутом до напрямку потоку робочого тіла. Кожна жарова труба являє собою тверду циліндричну конструкцію, закріплену, попереду в корпусі камери згоряння, позаду у вхідному пристрої першого соплового апарата турбіни високого с тиску. Ге)This gas turbine engine implements the Brayton cycle and contains a low-pressure compressor, a high-pressure compressor, a combustion chamber, a high-pressure turbine driving a high-pressure compressor, a low-pressure turbine driving a low-pressure compressor, and a power turbine driving a power consumer. The rotor of the low-pressure turbocompressor is three-pivot, the rotor of the high-pressure turbocompressor is two-pivot, and the rotor of the power turbine is two-pivot. The combustion chamber is tubular-annular, countercurrent, located at an angle to the direction of the flow of the working medium. Each heat pipe is a solid cylindrical structure, fixed in front in the body of the combustion chamber, behind in the inlet device of the first nozzle apparatus of the high-pressure turbine. Gee)

Наведений пристрій газотурбінного двигуна має наступні недоліки: - внутрішній силовий корпус камери згоряння не має силового зв'язку з корпусом турбіни високого тиску і сопловий апарат турбіни високого тиску консольно кріпиться до корпусу турбіни високого тиску. З цієї причини осьові й окружні складові газодинамічних сил, що виникають на лопатках соплового апарата першої ступіні в турбіни, сприймаються тільки зовнішнім корпусом турбіни високого тиску, що знижує надійність цього вузла; ав - зменшення коефіцієнта корисної дії (ККД) турбіни високого тиску, за рахунок негазощільного з'єднання жарових труб із вхідним пристроєм першого соплового апарата, та за рахунок газодинамічних втрат, со обумовлених поворотом високошвидкісного потоку газу на ділянці виходу з камери згоряння - входу в сопловий Ге) апарат турбіни високого тиску і, відповідно погіршення паливної економічності газотурбінного двигуна. 3о У винаході зважується задача створення газотурбінного двигуна підвищеної експлуатаційної надійності, в паливної економічності і зменшеної металоємності.The given device of the gas turbine engine has the following disadvantages: - the internal power housing of the combustion chamber does not have a power connection with the high-pressure turbine housing, and the nozzle apparatus of the high-pressure turbine is cantilever attached to the high-pressure turbine housing. For this reason, the axial and circumferential components of the gas-dynamic forces arising on the blades of the nozzle apparatus of the first stage in the turbines are perceived only by the external casing of the high-pressure turbine, which reduces the reliability of this unit; av - reduction of the efficiency of the high-pressure turbine, due to the non-gas-tight connection of the heat pipes with the input device of the first nozzle apparatus, and due to gas-dynamic losses caused by the rotation of the high-speed gas flow in the area of the exit from the combustion chamber - the entrance to the nozzle Ge) the high-pressure turbine apparatus and, accordingly, deterioration of the fuel economy of the gas turbine engine. 3o The invention considers the task of creating a gas turbine engine with increased operational reliability, fuel economy and reduced metal capacity.

Рішення задачі досягається тим, що у відомому газотурбінному двигуні з двокаскадним компресором, трубчасто-кільцевою, протитечійною камерою згоряння і вільною силовою турбіною, силова схема корпусу якого /-«Ф містить з'єднані між собою фланцями силові корпуси компресора низького тиску, перехідника між компресорами, З 50 компресора високого тиску, камери згоряння, турбін високого і низького тисків і силової турбіни, при цьому с зовнішній і внутрішній силові корпуси камери згоряння з'єднані між собою за компресором високого тиску, з» згідно винаходу, застосовано зовнішній силовий корпус, що складається з з'єднаних між собою силових корпусів переднього конуса, циліндричної проставки і заднього конуса, корпус герметично охоплює принаймні компресор високого тиску, камеру згоряння і турбіни високого і низького тисків, попереду, по ходу газу, силовий корпус з'єднаний із фланцем силового корпусу компресора низького тиску, а позаду - із фланцем силового корпусу і вільної силової турбіни. Перехідник між компресорами виконаний зі зміною діаметра, таким чином, щоб вісьThe solution to the problem is achieved by the fact that in a well-known gas turbine engine with a two-stage compressor, a tubular-annular, countercurrent combustion chamber and a free power turbine, the power circuit of the body of which /-"F contains the power bodies of the low-pressure compressor, the adapter between the compressors connected to each other by flanges , from 50 high-pressure compressor, combustion chamber, high- and low-pressure turbines and a power turbine, while c external and internal power housings of the combustion chamber are connected to each other behind the high-pressure compressor, c" according to the invention, an external power housing is used, which consists of interconnected power housings of the front cone, cylindrical spacer and rear cone, the housing hermetically encloses at least the high-pressure compressor, the combustion chamber and the high and low pressure turbines, in front, along the gas path, the power housing is connected to the flange of the power housing of the low-pressure compressor, and behind it - with the flange of the power case and the free power turbine. The adapter between the compressors is made with a change in diameter, so that the axis

Ге»! камери згоряння була паралельна осьовій лінії двигуна, а висоти лопаткового апарата турбомашин забезпечувалися не менш 20мм. Внутрішній силовий корпус камери згоряння з'єднаний з корпусом турбіни со високого тиску через двоопорний сопловий апарат, жарові труби камери згоряння в середньому перетині містять ав! 20 рухливі телескопічні сполучення, а у вихідній частині герметично підключені до турбіни високого тиску.Gee! the combustion chamber was parallel to the axis of the engine, and the height of the blade apparatus of turbomachines was provided at least 20 mm. The internal power housing of the combustion chamber is connected to the high-pressure turbine housing through a two-support nozzle device, the heat pipes of the combustion chamber in the middle section contain av! 20 movable telescopic connections, and in the outlet part are hermetically connected to a high-pressure turbine.

Новизна пропонованого пристрою газотурбінного двигуна полягає в наявності наступних сукупностей "м відмітних ознак. Зовнішній силовий корпус, що складається з з'єднаних між собою переднього конуса, циліндричної проставки, заднього конуса, що охоплює собою компресор високого тиску, камеру згоряння і турбіни високого і низького тисків, забезпечує велику згинальну і крутильну твердість статора. У результаті 25 Цього істотно зменшується можливість порушення коливань роторів, завдяки чому поліпшуються умови роботиThe novelty of the proposed device of the gas turbine engine consists in the presence of the following sets of distinguishing features. The external power housing, consisting of an interconnected front cone, a cylindrical spacer, a rear cone, which includes a high-pressure compressor, a combustion chamber, and high- and low-flow turbines pressures, provides great bending and torsional rigidity of the stator. As a result, the possibility of disturbing rotor vibrations is significantly reduced, thanks to which the working conditions are improved

ГФ) опор і ущільнень, що сприяє збереженню високих експлуатаційних характеристик двигуна і підвищенню експлуатаційної надійності. Завдяки твердій конструкції силові корпуси можливо виконати з малою товщиною о стінок утворюючих деталей, що дозволяє створити двигун малої металоємності і маси. Зовнішній силовий корпус, що герметично охоплює собою компресор і турбіну утворює порожнину високого тиску, завдяки якій 60 виключаються витоки робочого тіла з компресора високого тиску і турбін високого і низького тисків, а також виключаються втрати тепла в навколишнє середовище з температурами поверхні корпуса компресора високого тиску і турбіни високого і низького тисків, що також обумовлює поліпшення паливної економічності двигуна.GF) supports and seals, which contributes to the maintenance of high operational characteristics of the engine and increased operational reliability. Due to the solid construction, the power cases can be made with a small thickness of the walls of the forming parts, which allows you to create an engine with a small metal capacity and weight. The external power housing, which hermetically encloses the compressor and the turbine, forms a high-pressure cavity, thanks to which 60 the leakage of the working fluid from the high-pressure compressor and the high- and low-pressure turbines is excluded, as well as heat loss to the environment with the surface temperatures of the high-pressure compressor housing and high and low pressure turbines, which also leads to an improvement in engine fuel efficiency.

Зовнішній силовий корпус, являє собою секційну конструкцію, що складається з з'єднаних між собою тонкостінних переднього конуса, знімної циліндричної проставки, заднього конуса. Така конструкція поліпшує бо ремонт газотурбінного двигуна в частині забезпечення можливості заміни в умовах експлуатації жарових труб камери згоряння, соплових і робочих лопаток турбіни високого тиску. Секційна конструкція забезпечує, технологічність, спрощує механічну обробку, що сприяє зменшенню витрат на виробництво газотурбінного двигуна.The external power case is a sectional structure consisting of interconnected thin-walled front cone, removable cylindrical spacer, rear cone. This design improves the repair of the gas turbine engine in terms of ensuring the possibility of replacing the heat pipes of the combustion chamber, nozzles and working blades of the high-pressure turbine during operation. The sectional design ensures manufacturability, simplifies mechanical processing, which contributes to the reduction of costs for the production of a gas turbine engine.

Внутрішній силовий корпус камери згоряння зв'язується з корпусом турбіни високого тиску через двоопорний сопловий апарат. Завдяки цьому, осьові й окружні складові газодинамічних сил, що виникають на лопатках соплового апарата першої ступіні турбіни, розподіляються між зовнішнім і внутрішнім корпусами приблизно нарівно, а силова система виходить твердої і легкої конструкції, що дозволяє зменшити металоємність і істотно знизити коливання лопаткового апарата і ротора турбокомпресора високого тиску, що у свою чергу сприяє 7/0 Зниженню імовірності руйнування його опор, зменшенню вироблення радіальних зазорів турбомашин і збільшенню, таким чином, надійності і паливній економічності газотурбінного двигуна в експлуатації.The internal power housing of the combustion chamber is connected to the high-pressure turbine housing through a two-support nozzle apparatus. Thanks to this, the axial and circumferential components of the gas-dynamic forces arising on the blades of the nozzle apparatus of the first stage of the turbine are distributed between the outer and inner casings approximately equally, and the power system is of a solid and light structure, which allows to reduce the metal capacity and significantly reduce the oscillations of the blade apparatus and the rotor of the high-pressure turbocompressor, which in turn contributes 7/0 to the reduction of the probability of the destruction of its supports, the reduction of the production of radial clearances of turbomachines and, thus, the increase of the reliability and fuel efficiency of the gas turbine engine in operation.

Кожна жарова труба в середньому перетині містить телескопічне рухливе сполучення, що дозволяє підвищити ККД двигуна, за рахунок газощільного підключення змішувальної частини жарової труби до вхідного пристрою турбіни високого тиску і підвищенню надійності, за рахунок забезпечення необхідних взаємних /5 температурних переміщень частин жарової труби.Each heat pipe in the middle section contains a telescopic movable coupling, which allows to increase the efficiency of the engine, due to the gas-tight connection of the mixing part of the heat pipe to the input device of the high-pressure turbine and to increase reliability, due to ensuring the necessary mutual /5 temperature movements of the parts of the heat pipe.

Перехідник між компресорами виконаний зі зміною діаметра, таким чином, щоб вісь, розташованої навколо корпуса компресора високого тиску трубчасто-кільцевої протитечійної камери згоряння, була паралельна осьовій лінії двигуна і збігалася із середнім діаметром першого соплового апарата турбіни високого тиску і забезпечувалися оптимальні співвідношення окружних швидкостей турбомашин. Таке конструктивне рішення дозволяє підібрати найбільш доцільні значення осьових зусиль і виключити газодинамічні втрати, обумовлені поворотом високошвидкісного потоку газу на ділянці виходу з жарової труби камери згоряння - входу в сопловий апарат турбін високого тиску, поліпшити ККД турбіни і відповідно поліпшити паливну економічність газотурбінного двигуна. Крім того, конструктивне рішення дозволяє забезпечити оптимальні по паливній економічності висоти лопатного апарата компресора високого тиску і окружні швидкості робочих лопаток с Компресора і турбіни високого тиску.The adapter between the compressors is made with a change in diameter so that the axis located around the casing of the high-pressure compressor of the tubular-annular countercurrent combustion chamber is parallel to the engine axis and coincides with the average diameter of the first nozzle apparatus of the high-pressure turbine and ensures optimal ratios of the peripheral speeds of the turbomachines . Such a design solution makes it possible to choose the most appropriate values of axial forces and to exclude gas-dynamic losses due to the rotation of the high-speed gas flow in the area of the exit from the heat pipe of the combustion chamber - the entrance to the nozzle apparatus of high-pressure turbines, to improve the efficiency of the turbine and, accordingly, to improve the fuel efficiency of the gas turbine engine. In addition, the design solution makes it possible to ensure the optimal fuel efficiency of the height of the high-pressure compressor blade device and the peripheral speeds of the working blades of the compressor and the high-pressure turbine.

Завдяки легкому і твердому силовому корпусу можливо виконати газотурбінний двигун малої металоємності і і) маси. Відзначені обставини сприяють поліпшенню пускових і маневрених характеристик двигуна.Thanks to the light and solid power case, it is possible to make a gas turbine engine of low metal capacity and i) mass. The noted circumstances contribute to the improvement of starting and maneuvering characteristics of the engine.

На Фіг.1, 2 зображений газотурбінний двигун, що реалізує винахід.Figures 1 and 2 show a gas turbine engine implementing the invention.

Газотурбінний двигун складається з компресора низького тиску 1, перехідника 2 між компресорами, М зо Компресора високого тиску З, камери згоряння 4, зовнішнього силового корпусу 5, турбіни високого тиску 6, турбіни низького тиску 7 і силової турбіни 8. Ротор турбокомпресора низького тиску - трьеохопорний, ротори о турбокомпресора високого тиску і силової турбіни - двоопорні. Камера згоряння 4 трубчасто - кільцева, со протитечійна, розташована навколо корпуса компресора високого тиску 3. Вісь камери згоряння 4 паралельна осьової лінії двигуна. Зовнішній силовий корпус 5, складається з з'єднаних між собою переднього 9 і заднього ре) 10 конусів і циліндричної проставки 11. Жарові труби камери згоряння 4 у середньому перетині містять ї- телескопічні сполучення 12 і у вихідній частині герметичне підключення 13 з турбіною високого тиску 6.The gas turbine engine consists of a low-pressure compressor 1, an adapter 2 between compressors, M zo of a high-pressure compressor Z, a combustion chamber 4, an external power housing 5, a high-pressure turbine 6, a low-pressure turbine 7, and a power turbine 8. The rotor of a low-pressure turbocompressor is trieo-resistant , the rotors of the high-pressure turbocompressor and the power turbine are two-bearing. Combustion chamber 4 is tubular - annular, so countercurrent, located around the high-pressure compressor housing 3. The axis of combustion chamber 4 is parallel to the axis of the engine. The external power housing 5 consists of interconnected front 9 and rear re) 10 cones and a cylindrical spacer 11. The heat pipes of the combustion chamber 4 in the middle section contain telescopic connections 12 and in the outlet part a hermetic connection 13 with a high-pressure turbine 6.

Атмосферне повітря надходить у компресор низького тиску 1, потім у компресор високого тиску 3, стискується і подається в камеру згоряння 4, де здійснюється процес спалювання палива в кисні повітря й утворення потоку газу високого енергетичного потенціалу. Далі потік газу розширюється на турбіні високого « тиску 6, що приводить компресор високого тиску З, турбіні низького тиску 7, що приводить компресор низького С) с тиску 1 і силовій турбіні 8, що приводить споживач потужності. Із силової турбіни 8 газ направляється в навколишнє середовище чи в утилізаційний теплообмінний апарат. ;» Практична реалізація й апробування винаходу зроблене при створенні суднових газотурбінних двигунів потужністю 3, 6, 10, 16, 25МВт. Дослідно-промислова експлуатація газотурбінних двигунів підтвердила високу ефективність запропонованого пристрою. Використання описаного винаходу дозволяє створювати газотурбінні -І двигуни невеликої металоємності, підвищеної експлуатаційної надійності і високої економічності.Atmospheric air enters the low-pressure compressor 1, then the high-pressure compressor 3, is compressed and fed into the combustion chamber 4, where the process of fuel combustion into air oxygen and the formation of a gas flow of high energy potential is carried out. Next, the gas flow expands on the high-pressure turbine 6, which drives the high-pressure compressor C, the low-pressure turbine 7, which drives the low-pressure C) compressor 1, and the power turbine 8, which drives the power consumer. From the power turbine 8, the gas is sent to the environment or to the utilization heat exchanger. ;" The practical implementation and testing of the invention was done during the creation of ship gas turbine engines with a capacity of 3, 6, 10, 16, 25MW. Research and industrial operation of gas turbine engines confirmed the high efficiency of the proposed device. The use of the described invention makes it possible to create gas turbine-I engines with low metal consumption, increased operational reliability and high efficiency.

Claims

The formula of the invention (ee) , и и и , that about 1. A gas turbine engine, which is made with a two-stage compressor, a tubular-annular, counter-flow "M" combustion chamber and a free power turbine, the power scheme of the body of which includes power bodies connected to each other by flanges low-pressure and high-pressure compressors, an adapter between them, a combustion chamber, high- and low-pressure turbines, and a power turbine, while the external and internal power housings of the combustion chamber are connected to each other behind a high-pressure compressor, which differs in that an external power housing consisting of interconnected front cone power housings, cylindrical spacer and (F) rear cone, the housing hermetically encloses at least the high-pressure compressor, combustion chamber and high- and low-pressure GI turbines, ahead, downstream of the throttle, the power housing connected to the low-pressure compressor power housing flange, and behind it to the free power turbine power housing flange. in 2. The gas turbine engine according to claim 1, which differs in that the adapter between the compressors is made with a change in diameter so that the axis of the combustion chamber is parallel to the axis of the engine, and the height of the blade apparatus of turbomachines is provided at least 20 mm.

3. The gas turbine engine according to claim 1, which is characterized by the fact that the internal power housing of the combustion chamber is connected to the high-pressure turbine housing through a two-support nozzle apparatus. 65 4. Gas turbine engine according to claim 1, which is characterized by the fact that the combustion chamber contains heat pipes, which in the middle section contain movable telescopic connections, and in the outlet part are hermetically connected to