Результат интеллектуальной деятельности: ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА

Изобретение относится к газотурбостроению, а точнее - к устройствам газотурбинных установок (ГТУ) для привода внешней нагрузки.

Известен газотурбинный энергоагрегат, включающий в себя контейнер с размещенным в нем газотурбинным двигателем с силовой турбиной, трансмиссию, затурбинный диффузор, редуктор и агрегат полезной нагрузки, а также воздухозаборное и выхлопное устройства [1].

Недостатком известного энергоагрегата является низкая эффективность охлаждения корпусов турбины из-за низкого напора всасывающего воздуха и, как следствие, низкий КПД, а также низкая надежность из-за наддува опор неохлажденным воздухом, отбираемым от средней ступени компрессора.

Наиболее близкой к заявляемой является газотурбинная энергетическая установка [2], содержащая агрегат внешней нагрузки и газотурбинный двигатель, в корпусе которого размещены турбокомпрессор, свободная силовая турбина с валом привода внешней нагрузки, затурбинный диффузор.

Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является низкий КПД вследствие значительных потерь давления и турбулентности воздушного потока на входном устройстве, а также повышенный уровень шума в трактах всасывания и выхлопа. Также конструкция имеет низкую надежность из-за недостаточной эффективности охлаждения корпуса двигателя за счет эжекции газов в выхлопном тракте газотурбинного двигателя. Наддув опор газотурбинного двигателя осуществляется воздухом, отбираемым от средней ступени компрессора, что снижает надежность двигателя.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении суммарного теплового КПД, надежности и эффективности энергетической газотурбинной установки за счет охлаждения отбираемого из компрессора воздуха в теплообменнике, обдуваемом нагнетающим вентилятором, выполнения наружного кожуха двигателя герметичным, акустически наддуваемым, с охлаждением корпуса двигателя воздухонагнетающим вентилятором, а также выхлопа турбокомпрессора без смешения с охлаждаемым воздухом из наружного кожуха, позволяющего утилизировать тепло выхлопных газов турбокомпрессора, не снижая их температуру охлаждаемым воздухом.

Сущность технического решения заключается в том, что в энергетической газотурбинной установке, содержащей газотурбинный двигатель, в корпусе которого размещены турбокомпрессор, свободная силовая турбина с валом привода внешней нагрузки, входное устройство и затурбинный диффузор, причем газотурбинный двигатель содержит охватывающий его кожух, образующий с корпусом двигателя тупиковую со стороны вала привода кольцевую камеру, изолированную от воздушного тракта компрессора регулируемыми патрубками отбора воздуха, согласно изобретению кожух, охватывающий газотурбинный двигатель, выполнен сплошным и скреплен с входным устройством, а газотурбинная установка снабжена, по меньшей мере, одним нагнетающим воздушным вентилятором, в тракте которого размещен теплообменник, причем вход теплообменника соединен с выходом регулируемых патрубков отбора воздуха из компрессора, а выход теплообменника соединен коллектором наддува охлажденного воздуха для турбокомпрессора, в частности, для наддува и охлаждения подшипниковых опор, и содержит выхлопной воздушный трубопровод, изолированный от выхлопного тракта газотурбинного двигателя, а во входной части турбокомпрессора для его наружного обдува выполнены каналы, соединенные трубопроводами с воздушным вентилятором, при этом кожух содержит на выходе, по меньшей мере, одну поперечную кольцевую стенку с уплотнением по наружной поверхности затурбинного диффузора, образующего тупиковую со стороны затурбинного диффузора кольцевую камеру. Поперечная кольцевая стенка выполнена двойной, причем одна часть стенки расположена на срезе или выше по потоку от среза неподвижной части затурбинного диффузора, а другая контактирует с телескопическим насадком. Упругое уплотнение по наружной поверхности затурбинного диффузора, а также телескопического насадка выполнено в виде радиального металлического щеточного уплотнения. Лобовая часть кожуха, образующая с корпусом двигателя тупиковую со стороны вала привода кольцевую камеру, снабжена упругим металлическим уплотнением в форме кольцевой V-образной манжеты, контактирующей одновременно по двум кольцевым поясам входной части корпуса.

Выполнение кожуха, охватывающего газотурбинный двигатель, сплошным и скрепленным с входным устройством, а газотурбинной установки снабженной, по меньшей мере, одним нагнетающим воздушным вентилятором, в тракте которого размещен теплообменник, позволяет эффективно использовать воздух, нагнетаемый вентилятором. Воздух проходит через теплообменник, в котором охлаждается отбираемый от компрессора воздух для наддува опор двигателя, затем выходит через выхлопной тракт, изолированный от выхлопного тракта газотурбинного двигателя. Эффективное использование вентилирующего воздуха увеличивает КПД, надежность двигателя, эффективность шумоглушения, позволяет утилизировать тепло выхлопных газов турбокомпрессора, не снижая их температуру охлаждаемым воздухом.

Выполнение на выходе кожуха двойной поперечной кольцевой стенки с уплотнением по наружной поверхности затурбинного диффузора, образующей тупиковую со стороны затурбинного диффузора кольцевую камеру, при этом в качестве уплотнения используется радиальное металлическое щеточное уплотнение, позволяет обеспечить демпфирование и относительное перемещение деталей между собой, что повышает надежность установки.

Лобовая часть кожуха, образующая с корпусом двигателя тупиковую со стороны вала привода кольцевую камеру, снабжена упругим металлическим уплотнением в форме V-образной манжеты, контактирующей одновременно по двум кольцевым поясам входной части корпуса, позволяет герметизировать внутренний воздушный поток, поступающий в компрессор и тупиковую зону, в которую подается воздух от вентилятора и обеспечивает «запирание стыка» при избыточном давлении, что также повышает надежность установки.

На фиг.1 изображен продольный разрез газотурбинной установки.

На фиг.2 - элемент I на фиг.1 в увеличенном виде.

На фиг.3 - элемент II на фиг.1 в увеличенном виде.

На фиг.4 - вид А на фиг.3.

На фиг.5 - разрез Б-Б на фиг.4.

На фиг.6 - элемент III на фиг.1 в увеличенном виде.

Энергетическая газотурбинная установка содержит газотурбинный двигатель 1, в корпусе которого размещены турбокомпрессор 2, свободная силовая турбина 3 с валом 4 привода внешней нагрузки 5, входное устройство 6 и затурбинный диффузор 7, при этом газотурбинный двигатель 1 содержит охватывающий его кожух 8, образующий с корпусом двигателя 1 тупиковую со стороны вала 4 привода 5 кольцевую камеру 9, изолированную от воздушного тракта компрессора регулируемыми патрубками 10 отбора воздуха. Кожух 8 выполнен сплошным и скреплен с входным устройством 6, а газотурбинная установка снабжена, по меньшей мере, одним нагнетающим воздушным вентилятором 11, в тракте которого размещен теплообменник 12, причем вход теплообменника 12 соединен с выходом регулируемых патрубков 10 отбора воздуха из компрессора, а выход теплообменника 12 соединен коллектором 13 наддува охлажденного воздуха для турбокомпрессора 2, в частности, для наддува и охлаждения подшипниковых опор 14, 15, 16, и содержит выхлопной воздушный трубопровод 17, изолированный от выхлопного тракта газотурбинного двигателя, а во входной части турбокомпрессора 2 для его наружного обдува выполнены каналы 18, соединенные трубопроводами 19 с воздушным вентилятором 11. Кожух 8 содержит на выходе, по меньшей мере, одну поперечную кольцевую стенку 20 с уплотнением 21 по наружной поверхности затурбинного диффузора 7, образующую тупиковую со стороны затурбинного диффузора 7 кольцевую камеру 9. Поперечная кольцевая стенка 20 выполнена двойной, причем одна часть стенки 22 расположена на срезе 23 или выше по потоку от среза 23 неподвижной части затурбинного диффузора 7, а другая часть стенки 24 контактирует с телескопическим насадком 25. Упругое уплотнение 21 по наружной поверхности затурбинного диффузора 7, а также телескопического насадка 25 выполнено в виде радиального металлического щеточного уплотнения. Лобовая часть кожуха 8, образующая с корпусом двигателя 1 тупиковую со стороны вала 4 привода 5 кольцевую камеру 9, снабжена упругим металлическим уплотнением 26 в форме V-образной манжеты, контактирующей одновременно по двум кольцевым пояскам входной части корпуса двигателя 1.

Энергетическая газотурбинная установка работает следующим образом. Через входное устройство 6 воздух 27 поступает в турбокомпрессор 2, который при выходе на расчетные обороты нагнетает газ на силовую турбину 3, которая передает мощность с вала привода 4 на привод внешней нагрузки 5. Перед запуском установки включается воздушный вентилятор 11, который подает воздух 28 через трубопровод 19 в кольцевую камеру 9. От компрессора отбирается воздух, который охлаждается в теплообменнике 12 и подается на охлаждение и наддув всех опор, например, 14, 15, 16 двигателя 1. В кольцевой камере 9 воздух 28, нагнетаемый вентилятором 11 и подогретый в теплообменнике 12, поступает на охлаждение корпусов турбины и выходит в атмосферу через выхлопной воздушный трубопровод 17. При этом поперечная двойная кольцевая стенка 20, соединяющая затурбинный диффузор 7 с телескопическим насадком 25, обеспечивает демпфирование и относительное перемещение деталей выхлопного тракта.

Такое выполнение энергетической газотурбинной установки позволяет наиболее полно использовать хладоресурс охлаждающего воздуха, повышает КПД, надежность и эффективность установки, а также обеспечивает эффективность шумоглушения в разных частотных диапазонах, исключает пожаровзрывоопасность в процессе эксплуатации.

Источники информации:

1. Патент РФ №2193678, F 02 C 7/04.

2. Патент РФ №2098649, F 02 C 7/12 - прототип.