Газотурбінний двигун

1. Газотурбінний двигун одновальний із двоопорним ротором турбогрупи на пружнодемпферних підшипниках, що реалізує цикл Брайтона, що містить компресор, камеру згоряння, турбіну, що приводить в дію компресор і електричний генератор, де привід електричного генератора здійснюється з боку компресора, а вихід газів з турбіни осьовий, причому силова схема корпусів містить з'єднані між собою вхідними і вихідними C2 2 88223 1 3 88223 4 одновальні з двоопірним ротором турбогрупи дисапаратом турбіни через газорозподільну повороткової конструкції. ну завитку. Камера згоряння розташована вертиФірма Kawasaki Heavy Industries намагається кально і встановлена на зовнішньому корпусі газоусунути проблеми, зв'язані з малою згинальною і розподільної поворотної завитки. Твердість ротора крутильною твердістю ротора шляхом збільшення турбогрупи забезпечується як зменшенням відстатовщини стінки і діаметра проміжної кільцевої ні між опорами за рахунок застосування вертикавставки, що з'єднує компресор і турбіну. Тому рольної виносної камери згоряння, так і шляхом збітори турбогрупи газотурбінних двигунів фірми Kaльшення товщини стінки і діаметра проміжної wasaki Heavy Industries відрізняються значною кільцевої вставки, що з'єднує компресор і турбіну. масою. Для забезпечення надійної роботи таких Твердість статора забезпечується корпусами комроторів турбогрупи конструкція статора виконуєтьпресора, камери згоряння, зовнішнім корпусом ся твердою, здатною сприймати радіальні й осьові газорозподільної поворотної завитки і корпусом зусилля ротора в статиці і динаміці, що при констурбіни, з'єднаними між собою вертикальними труктивному підході фірми Kawasaki Heavy Indusфланцевими з'єднаннями. Міцність і твердість стаtries виливається в збільшення маси статора і істора забезпечується головним чином за рахунок тотне збільшення маси газотурбінного двигуна в стовщених елементів його конструкції. цілому, з відповідним збільшенням його вартості. Приведений пристрій газотурбінного двигуна Фірма Solar Turbines в енергетичних газотурмає наступні недоліки: бінних двигунах - Centaur 50, Taurus 60, Taurus 65, Велика металоємність, тому що забезпечення Taurus 70, навпроти, застосовує вал, що з'єднує твердості ротора і статора газотурбінного двигуна компресор і турбіну, порівняно малого діаметра, вирішується в основному збільшенням товщин але при цьому використовує конструкцію трьохїхніх конструктивних елементів. опорного ротора дискової конструкції на підшипниВеликі габарити за рахунок застосування одиках ковзання. При цьому дві з трьох опор ротора ночної виносної камери згоряння, розташованої розташовують усередині кожуха кільцевої камери вертикально на зовнішньому корпусі газорозподізгоряння, у зонах найбільш високих температур і льної поворотної завитки газотурбінного двигуна. тисків робочого тіла. Збільшення числа опор і розЗменшений коефіцієнт корисної дії турбіни із ташування опор із системою підведення - відводу за утворення нерівномірних кутів атаки потоку газу змащення в зоні високих температур і тисків усепо окружності першого соплового апарата, що відредині кожуха кільцевої камери згоряння створюрізняються по величині і знакові і обумовлені ють несприятливі умови для роботи підшипників окружною складовою швидкості потоку в газорозковзання, підвищують імовірність виникнення неподільній поворотній завитці [див. Бешинський справностей і, відповідно, знижують експлуатаційЮ.В., Дмитрієва Т.В., Семенов Ю.И., Усатенко ну надійність газотурбінного двигуна. По цій же А.А.. Удосконалювання першого соплового апарапричині істотно знижена ремонтноздатність газота турбіни з трубчасто-індивідуальною камерою турбінних двигунів фірми Solar Turbines. Ремонт згоряння. Суднове й енергетичне газотурбобудузгаданих опор вимагає повного розбирання жаровання. Том перший, Інженерна академія України, вого вузла і в умовах експлуатації практично неМиколаївське відділення, м. Миколаїв, с.89-96]. здійсненний. До числа недоліків цих газотурбінних Збільшена імовірність ушкодження газорозподвигунів можна також віднести високу вартість, дільної поворотної завитки при експлуатації газоконструктивну і технологічну складність. турбінного двигуна із - за виникнення термічних Як прототип прийнятий пристрій енергетичного напруг, обумовлених нерівномірним розподілом газотурбінного двигуна фірми GE Energy Oil & Gas температур по матеріалі утворюючої її оболонки. - GE10. [див. Gas Turbine World 2007 Performance Збільшені втрати потужності на тертя в опорах Specs стор.17, проспект фірми GE Energy Oil & і збільшена витрата мастила системи змащення Gas - GE imagination at work, COMK/MARK 769/11 газотурбінного двигуна, обумовлені застосуванням Design by Studio The Fasi - Printed by: Sagraf - 1 – підшипників ковзання. 2004]. У винаході вирішується задача створення приЕнергетичний газотурбінний двигун реалізує строю енергетичного газотурбінного двигуна підцикл Брайтона і включає осьовий компресор, кавищеної експлуатаційної надійності, високої палимеру згоряння і турбіну, що приводить в дію компвної економічності і зменшеної металоємності. ресор і електричний генератор. Привід електричРішення задачі досягається тим, що у відомоного генератора здійснюється з боку компресора. му газотурбінному двигуні, виконаному одновальВихід газів з турбіни осьовий. Ротор турбогрупи ним, із двоопірним ротором турбогрупи на пружнодисковий, спирається на два підшипники ковзання. демпферний підшипниках, що реалізує цикл БрайОсьові зусилля сприймаються упорним підшипнитона і включає компресор, камеру згоряння, турбіком ковзання, розташованим на передній цапфі ну, що приводить компресор і електричний генеракомпресора. Між собою ротори компресора і туртор, де привід електричного генератора біни з'єднуються через проміжну кільцеву вставку. здійснюється з боку компресора, а вихід газів з Диски робочих коліс компресора, турбіни, передня турбіни осьовий, причому силова схема корпусів і задня цапфи ротора турбогрупи з'єднуються між містить з'єднані між собою вхідними і вихідними собою довгими стяжними болтами. Між основними фланцями силові корпуси компресора, камери дисками компресора, що несуть робочі лопатки, згоряння, турбіни, відповідно до винаходу, компмаються проміжні диски, по яких виробляється ресор виконаний вісевідцентровим з консольною ущільнення випрямних апаратів. Камера згоряння частиною, при цьому, ротор турбогрупи виконаний одиночна, виносна, з'єднана з першим сопловим складеним барабанно-дискового типу і містить 5 88223 6 з'єднані між собою ротор вісевідцентрового компдвигуна. Вісевідцентровий компресор дозволяє ресора з консольною частиною, циліндричну проздійснити процес стиску робочого тіла з великим ставку з диском, що містить ущільнення, ротор коефіцієнтом корисної дії для великих ступенів турбіни, причому передня цапфа ротора турбогрупідвищення тиску невеликим числом компресорпи з упорним і опорним підшипниками розміщена них ступіней, що дозволяє здешевити компресор і усередині консольної частини компресора, а до її зменшити його масу. фланця для передачі крутного моменту до консоСкладена конструкція ротора турбогрупи зальної частини компресора підключена гнучка мабезпечує його технологічність, спрощує механічну точина середнього диска консольної частини рообробку і балансування, що сприяє зменшенню тора, камера згоряння виконана як група виносних витрат на виробництво. камер згоряння, розташованих радіально, у яких Консольна частина компресора, усередині якої жарові труби в середньому перетині мають телерозміщена передня цапфа ротора турбогрупи з скопічні сполучення, а по виходу через чоботопоопорним підшипником, дозволяє зменшити віддібний патрубок герметично підключені до першостань між опорами двоопірного ротора турбогрупи го соплового апарата турбіни, крім того, силова і цим значно збільшити його твердість. Консольна схема корпусів додатково містить зовнішній силобарабанна секція компресора припускає створювий корпус, що складається зі з'єднаних між собою вати компресори різної витрати шляхом пристикупереднього конуса, циліндричної проставки, задвання або відстикування ступіней, що дозволяє нього конуса і герметично охоплює турбіну і, прирозробляти двигуни різних модифікацій по потужнаймні, частину компресора, а зовні з'єднаний із ності, що сприяє зменшенню витрат на їхнє виросиловими корпусами групи виносних камер згобництво. ряння. Ротор турбогрупи, що спирається на підшипКрім того, як опори двоопірного ротора турбоники кочення дозволяє зменшити втрати потужногрупи застосовані підшипники кочення. сті на тертя в опорах і поліпшити за рахунок цього Заявлена сукупність відмітних ознак газотурпаливну економічність двигуна. Крім того, застосубінного двигуна дозволяє вирішити поставлену вання підшипників кочення помітно знижує необперед винаходом задачу, а саме: хідну витрату мастила і зменшує, таким чином, Ротор турбогрупи виконаний складеним, бараексплуатаційні витрати на двигун у цілому. банно-дискового типу і містить з'єднані між собою Група виносних камер згоряння, розташованих ротор вісевідцентрового компресора з консольною радіально, дозволяють зменшити відстань між частиною, циліндричну проставку з диском, що опорами ротора турбогрупи і цим значно збільшимістить ущільнення, ротор турбіни, причому, пети його твердість, крім того, така конструкція заредня цапфа ротора турбогрупи з упорним і опорбезпечує зменшення габаритних розмірів двигуна. ним підшипниками розміщена усередині консольГрупа виносних камер згоряння, у яких жарові ної частини компресора, а до її фланця для труби в середньому перетині мають телескопічні передачі крутного моменту до консольної частини сполучення, а по виходу, через чоботоподібний компресора підключена гнучка маточина середпатрубок, герметично підключені до першого сопнього диска консольної частини ротора. Завдяки лового апарата турбіни, забезпечують підвищення такій конструкції забезпечується велика згинальна коефіцієнта корисної дії двигуна за рахунок газоі крутильна твердість ротора. Запропонована щільного підключення змішувальної частини жаконструкція дозволяє також істотно знизити можрових труб до вхідного пристрою турбіни, а також ливість порушення коливань ротора турбогрупи, підвищення надійності за рахунок забезпечення завдяки чому поліпшуються умови роботи опор і необхідних взаємних температурних переміщень ущільнень, що сприяє збереженню високих ексчастин жарових труб. плуатаційних характеристик двигуна і підвищенню Група виносних камер згоряння, розташованих експлуатаційної надійності. Завдяки твердій консрадіально, дозволяє збільшити коефіцієнт користрукції ротор турбогрупи можливо виконати з маної дії турбіни і двигуна в цілому, за рахунок оргалою товщиною стінок утворюючих деталей, що нізації оптимального кута натікання потоку газу по дозволяє створити двигун малої металоємності і окружності на перший сопловий апарат турбіни, а маси. також зменшити імовірність ушкодження жарових Вісевідцентровий компресор, вихідний патрутруб камер згоряння шляхом зменшення нерівнобок дифузора якого звернений убік змішувачів жамірного розподілу температур по матеріалі утворових труб, дозволяє виключити втрати енергії рюючих їхніх оболонок. потоку газу на удар, організувати плавний, з невеГрупа виносних камер згоряння, розташованих ликою швидкістю вхід робочого тіла в між-трубний радіально, дозволяє реалізувати надійний припростір камери згоряння, що дозволяє знизити стрій регулювання розподілу повітря по елементах втрати повного тиску на гідравлічній ділянці від жарових труб з позицій мінімізації шкідливих викивиходу з компресора до входу в сопловий апарат дів при різних зовнішніх умовах і режимах роботи турбіни і, у цілому, підвищити паливну економічдвигуна. ність двигуна. Вісевідцентровий компресор, доЗовнішній силовий корпус, що складається зі зволяє здійснити процес стиску робочого тіла з з'єднаних між собою переднього конуса, циліндривеликим коефіцієнтом корисної дії, для малих вичної проставки, заднього конуса, і герметично охотрат робочого тіла і для великих ступенів підвиплює турбіну і, принаймні, частину компресора, а щення тиску, що дозволяє щонайкраще реалізувазовні з'єднаний із силовими корпусами групи виноти високу температуру термодинамічного циклу з сних камер згоряння, забезпечує велику згинальну метою одержання високої паливної економічності і крутильну твердість статора. У результаті цього 7 88223 8 істотно знижується можливість порушення коликрутного моменту до консольної частини 6 компвань ротора, завдяки чому поліпшуються умови ресоpa 1 здійснюється через гнучку маточину сероботи опор і ущільнень, що сприяє збереженню реднього диска 13 консольної частини 6, підклювисоких експлуатаційних характеристик двигуна і чену до фланця передньої цапфи 14 ротора підвищенню експлуатаційної надійності. Завдяки турбогрупи 4. твердій конструкції силові корпуси можливо викоГрупа виносних камер згоряння 2 розташована нати з малою товщиною стінок утворюючих детарадіально (див. Фіг.3). Жарові труби 15 групи вилей, що дозволяє створити двигун малої металоносних камер згоряння 2 у середньому перетині ємності і маси. Крім того, зовнішній силовий мають телескопічні сполучення 16, а по виходу, корпус, що герметично охоплює собою частину через чоботоподібний патрубок 17, герметично компресора і турбіну, утворює порожнину високого підключені до першого соплового апарата 18 туртиску, завдяки якій виключаються витоки робочого біни 3. тіла з компресора і турбіни, а також виключаються Статор 19 газотурбінного двигуна, містить сивтрати тепла в навколишнє середовище з темпеловий корпус 20 вісевідцентрового компресора 1, ратурами поверхні корпуса компресора і турбіни, силовий корпус 21 турбіни 3 і додатковий зовнішщо також обумовлює поліпшення паливної екононій силовий корпус 22, що складається з з'єднаних мічності двигуна. Зовнішній силовий корпус, являє між собою переднього конуса 23, циліндричної собою секційну конструкцію, що складається з проставки 24, заднього конуса 25, герметично охоз'єднаних між собою тонкостінних переднього коплює турбіну 3 і частину вісевідцентрового компнуса, знімної циліндричної проставки, заднього ресора 1, зовні з'єднаний із силовими корпусами конуса. Така конструкція поліпшує ремонтоздат26 групи виносних камер згоряння 2 (див. Фіг.1 і ність газотурбінного двигуна в частині забезпеченФіг.5). ня можливості заміни в умовах експлуатації жароАтмосферне повітря (див. Фіг.1) надходить в вих труб групи виносних камер згоряння, соплових вісевідцентровий компресор 1, стискується і подаі робочих лопаток турбіни. Секційна конструкція ється в групу виносних камер згоряння 2, де здійсзабезпечує технологічність, спрощує механічну нюється процес спалювання палива в кисні повітобробку, що сприяє зменшенню витрат на виробря й утворення потоку газу високого енергетичного ництво двигуна. потенціалу. Далі потік газу розширюється на турбіЗниження маси і збільшення твердості ротора і ні 3, що приводить вісевідцентровий компресор 1 і статора сприяє зменшенню часу прогріву двигуна, споживач потужності. З турбіни 3 газ приділяється а також зменшенню часу запуску і поліпшенню в навколишнє середовище або в теплообмінний приємистості двигуна. апарат парогазової електростанції або когенераНа Фіг.1, 2, 3, 4 зображений газотурбінний двиційної установки. гун, що реалізує винахід. Енергетичний газотурПрактична реалізація й апробування винаходу бінний двигун складається з вісевідцентрового зроблене ДП НВКГ "Зоря" -"Машпроект" при ствокомпресора 1, групи виносних камер згоряння 2, ренні енергетичного газотурбінного двигуна потутурбіни 3 і комунікацій. Привід електричного генежністю 5Мвт - UGT 5000. Дослідно - промислова ратора здійснюється з боку компресора. Вихід гаексплуатація UGT 5000 підтвердила високу ефекзів з турбіни осьовий. Ротор турбогрупи 4 двоопіртивність запропонованого пристрою. ний, складений, барабанно-дискового типу, Використання описаного винаходу дозволяє містить з'єднані між собою ротор 5 вісевідцентростворювати пристрої енергетичних газотурбінних вого компресора 1 з консольною частиною 6, цилідвигунів у класі потужностей 5-12МВт невеликої ндричну проставку 7 з диском, що містить ущільметалоємності, зі зменшеними габаритами і піднення 8, ротор турбіни 9. Усередині консольної вищеною експлуатаційною надійністю для перспечастини 6 вісевідцентрового компресора 1 розміктивних і модернізованих газотурбінних і парогащають передню цапфу 10 ротора турбогрупи з зових електростанцій і когенераційних установок. упорним 11 і опорним 12 підшипниками. Передача 9 Комп’ютерна верстка В. Мацело 88223 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601