Результат интеллектуальной деятельности: ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА

Изобретение относится к газотурбинным установкам для привода внешней нагрузки, преимущественно электрогенератора в составе электростанции, или для механического привода.

Известна газотурбинная установка, включающая в себя компрессор низкого давления, компрессор высокого давления и многоступенчатую турбину [В.А.Шварц. Конструирование газотурбинных установок, «Машиностроение», Москва, 1970 г., стр.336, рис.248].

Недостатком такой конструкции является высокая ее стоимость из-за большого количества ступеней турбины.

Наиболее близкой к заявляемой является газотурбинная установка, включающая в себя компрессор низкого давления на входе, промежуточный между компрессорами корпус, составляющие внутренний контур компрессор высокого давления, камеру сгорания, турбину высокого давления, турбину низкого давления со смесителем на выходе, а также канал наружного контура, вход которого соединен с выходом компрессора низкого давления, а выход - с внешней стороной смесителя, и силовую турбину на выходе из установки [Патент РФ №2224900, F02C 6/00, F02К 3/02, 2004].

Недостатком известной газотурбинной установки, принятой за прототип, является ее низкая надежность и кпд установки из-за высокого уровня вибронапряжений рабочих лопаток турбины и недостаточной равномерности охлаждения наружных корпусов.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении надежности и кпд установки при минимальной ее стоимости за счет снижения вибронапряжений рабочих лопаток свободной турбины и повышения равномерности охлаждения наружных корпусов. Эта задача выполняется путем расчета оптимального соотношения площадей каналов наружного и внутреннего контуров по разделителю потоков в промежуточном между компрессорами корпусе, оптимального соотношения площадей каналов наружного и внутреннего контуров по смесителю, а также числа ступеней силовой турбины.

Сущность изобретения заключается в том, что в газотурбинной установке, включающей компрессор низкого давления на входе, силовую турбину на выходе, промежуточный между компрессорами корпус с разделителем потоков, каналы наружных и внутренних контуров, причем внутренний контур содержит компрессор высокого давления со смесителем на выходе, вход канала наружного контура соединен с выходом компрессора низкого давления, а выход - с внешней стороной смесителя, согласно изобретению F₁/F₂=0,1÷3, F₃/F₄=0,1÷2,5 и Z=1÷3, где

F₁ - площадь канала наружного контура по разделителю потоков в промежуточном между компрессорами корпусе газотурбинной установки;

F₂ - площадь канала внутреннего контура по разделителю потоков в промежуточном между компрессорами корпусе газотурбинной установки;

F₃ - площадь канала наружного контура на выходе из смесителя;

F₄ - площадь канала внутреннего контура на выходе из смесителя;

Z - число ступеней силовой свободной турбины.

Количество воздуха, протекающего через каналы наружного и внутреннего контуров, задается радиальным расположением разделителя потоков воздуха в промежуточном между компрессорами корпусе, т.е. соотношением площадей F₁ и F₂. Так при F₁/F₂<0,1 снижается надежность и кпд газотурбинной установки из-за повышения температуры наружных корпусов силовой турбины и увеличения радиальных зазоров между статором и ротором этой турбины, одновременно увеличивается число ступеней силовой свободной турбины за счет повышения ее удельной работы, т.е. работы, совершаемой одним килограммом газа или воздуха на турбине, что приводит к повышению стоимости силовой свободной турбины и газотурбинной установки.

В случае, когда F₁/F₂>3, наблюдается снижение кпд, надежности и мощности газотурбинной установки, а также возрастает стоимость силовой турбины за счет увеличения наружного диаметра силовой турбины и повышения напряжений в корневых сечениях рабочей лопатки этой турбины.

Для повышения надежности силовой свободной турбины путем минимизации вибронапряжений в ее рабочих лопатках поток газа и воздуха на ее входе должен иметь максимальную равномерность в окружном и радиальном направлениях, чему способствует одинаковый уровень давлений воздуха на выходе из канала наружного контура и газа из канала внутреннего контура, который определяется соотношением площадей F₃ и F₄ на выходе из смесителя. Надежность силовой свободной турбины также повышается при снижении температуры ее наружного корпуса.

При F₃/F₄<0,1 снижается надежность газотурбинной установки из-за повышенной температуры наружного корпуса силовой турбины, а при F₃/F₄>2,5 снижается надежность газотурбинной установки из-за повышенных вибронапряжений в рабочих лопатках силовой турбины вследствие увеличенной неравномерности воздушно-газового потока на ее входе.

Снижение удельной работы на силовой свободной турбине позволяет получить высокий кпд при минимальном числе ее ступеней, тем самым минимизировать ее стоимость.

Это особенно актуально для прямого безредукторного привода электрогенератора, т.е. при оборотах силовой свободной турбины n=3000 об/мин. При этом число ее ступеней Z не превышает трех. В случае механического привода, т.е. при более высоких оборотах силовой турбины Z=1÷2.

При Z>3 возрастает стоимость и снижается надежность силовой свободной турбины из-за увеличения числа дорогостоящих деталей, особенно дисков рабочих и сопловых лопаток.

На фиг.1 представлен продольный разрез газотурбинной установки, на фиг.2 - элемент I на фиг.1 в увеличенном виде, а на фиг.3 показан элемент II на фиг.1 в увеличенном виде.

Газотурбинная установка 1 состоит из компрессора низкого давления 2, входа 3 промежуточного корпуса 4, а также из расположенных во внутреннем контуре 5 компрессора высокого давления 6, камеры сгорания 7, турбины высокого давления 8 турбины низкого давления 9 со смесителем 10 на ее выходе, из канала наружного контура 11, вход 12 которого соединен с выходом 13 компрессора низкого давления 2, а выход - с внешней стороной 14 смесителя 15, установленного на выходе из турбины низкого давления 9.

На выходе из газотурбинной установки 1 установлена общая для внутреннего 5 и наружного 11 контуров силовая свободная турбина 16, состоящая из первой 17 и второй 18 ступеней. Полезная мощность с турбины 16 снимается с помощью вала 19.

В промежуточном корпусе 4, расположенном между компрессором низкого давления 2 и компрессором высокого давления 6, установлен разделитель потоков 20, разделяющий поток воздуха 21 с выхода 13 компрессора низкого давления 2 на поток воздуха 22 на входе 12 канала наружного контура 11 и на поток воздуха 23 на входе 24 компрессора высокого давления 6 и соответственно на внутренний контур 5.

Радиальное положение разделителя потоков 20 определяет соотношение площадей каналов на входе наружного 11 (F₁) и внутреннего 5 (F₂) контуров и соответственно соотношение расходов воздуха 22 и 23 по этим контурам.

Смеситель 15 на выходе 24 выполнен с проходной площадью F₃ по наружному контуру и с проходной площадью F₄ по внутреннему контуру, и каналом 25 соединен с силовой свободной турбиной 16.

Работает данное устройство следующим образом.

При работе газотурбинной установки 1 воздух через вход 3 поступает в компрессор низкого давления 2, на выходе из которого с помощью разделителя потоков 20 в промежуточном корпусе 4 направляется частично в канал наружного контура 11.

Оставшаяся часть воздуха поступает в канал внутреннего контура 5, где сжимается в компрессоре высокого давления 6. Получаемый в результате горения в камере сгорания 7 газ расширяется и совершает полезную работу в турбине высокого давления 8 и в турбине низкого давления 9, которые вращают компрессор высокого давления 6 и компрессор низкого давления 9 соответственно.

На выходе из смесителя 15 воздух из канала наружного контура 11 и газ из турбины низкого давления 9 частично смешиваются и по каналу 25 поступают в силовую свободную турбину 16, где совершают полезную работу. Мощность от силовой свободной турбины 16 передается потребителю с помощью вала 19.

При снижении режимов работы газотурбинной установки 1 снижение оборотов ротора компрессора низкого давления 2 из-за большой инерционности происходит медленнее, чем снижение оборотов ротора компрессора высокого давления 6, однако это не приводит к уменьшению запасов газодинамической устойчивости и помпажу компрессора низкого давления 2, так как излишки воздуха на выходе через канал наружного контура 11 и смеситель 15 поступают на силовую турбину 16 и через выхлопную систему (не показано) выбрасываются в атмосферу. То есть в данной конструкции для обеспечения необходимых запасов газодинамической устойчивости компрессора низкого давления 2 не требуется дополнительных средств механизации (клапанов перепуска, поворотных направляющих аппаратов и т.д.), что также повышает надежность газотурбинной установки 1 в целом.

Оптимальное соотношение площадей F₁/F₂ каналов 11 и 5 наружного и внутреннего контуров позволяет за счет обдува воздухом 22 обеспечить минимальные температуры наружных корпусов компрессора 6, камеры сгорания 7, а также турбин 8, 9 и 16, обеспечивая уменьшение радиальных зазоров между ротором и статором компрессора 6 и турбин 8, 9 и 16. Одновременно паразитные утечки из канала внутреннего контура 5 по стыкам между корпусами компрессора 6, камеры сгорания 7 и турбин 8, 9 «улавливаются» в канале наружного контура 11 и затем «срабатываются» в силовой свободной турбине 16, которую из-за снижения удельной работы протекающей по ней газовоздушной смеси выполняют с минимальным количеством ступеней, что снижает ее стоимость.

Благодаря пониженной температуре воздуха 22, протекающего в канале наружного контура 11, температура внешних корпусов этого канала минимальна, что повышает надежность этих корпусов и уменьшает тепловые и акустические выделения во внешнюю среду.