Способ охлаждения вала трансмиссии газотурбинного привода и элементов КИП и устройство для его осуществления
METHOD FOR COOLING OF GAS TRANSMISSION TURBINE SHAFT AND TRANSMISSION ELEMENTS INSTRUMENTATION AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Предлагаемый способ и устройство охлаждения относится к области энергетического машиностроения, а именно к газотурбинным приводам газоперекачивающих агрегатов (ГПА) и электрических станций (ГТЭС).
Способ охлаждения приводного вала, (именуемый далее «Трансмиссия») газотурбинного двигателя (в дальнейшем по тексту «ГТД») с установленными в высокотемпературной зоне датчиками частоты вращения ДЧВ и измерителем крутящего момента ИКМ (именуемые далее по тексту «Элементы КИП») основан на самовсасывании потока охлаждающего воздуха за счет эффекта центробежного вентилятора при обтекания полумуфт большого диаметра (далее по тексту «импеллерный эффект») при вращении вала трансмиссии.
Широко известны устройства кожухов муфт, которые выполнены в виде металлического цилиндрического корпуса, имеющего диаметральный разъем в горизонтальной плоскости, разделяющий его на два полукорпуса - верхний и нижний, герметично соединенные по стыку крепежными деталями, при этом в корпус телескопически входит патрубок, восполняющий недостающую длину кожуха (журнал «Турбины и компрессоры» АО «Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт компрессоростроения» (АО НИКТИТ), выпуск №1-97, Санкт-Петербург, 1997, А/Я 16, раздел «Мультипликаторы и редукторы», стр. 21).
В качестве прототипа способа использован патент США N 4275990, НКИ 416-95, опубликованный в 1981 г., в котором описан способ охлаждения рабочего колеса турбины многорежимного турбореактивного двигателя, включающий подачу охлаждающего воздуха в систему охлаждения рабочего колеса [1]. В этом способе для охлаждения расходуется сжатый цикловой воздух, отобранный из-за компрессора ГТД, что приводит к энергетическим затратам на его сжатие, что снижает КПД газотурбинного двигателя.
Известно устройство кожуха муфты (А.И. Апанасенко и др. «Монтаж испытания и эксплуатация газоперекачивающих агрегатов в блочно-контейнерном исполнении». Ленинград, «Недра», 1991 г., с. 26-27), выполненное в виде металлических корпусов цилиндрической и конической формы с фланцами для присоединения к ответным фланцам смежных устройств; корпуса имеют разъем в горизонтальной плоскости, разделяющий их на два полукорпуса: верхний и нижний, соединенные герметично по разъему крепежными деталями, корпус со стороны высокотемпературной зоны снабжен установленным в нем лабиринтным уплотнением и телескопически сопряжен с корпусом охлаждаемой зоны, в котором выполнены подводящий и отводящий воздух патрубки и трубопроводы слива смазки.
Недостатками приведенных конструкций является низкая надежность конструкции вследствие проникновения масла и его паров из полости компрессора в полость кожуха трансмиссии из-за того, что при использовании трансмиссии с полумуфтой большого диаметра между мембраной полумуфты трансмиссии и лабиринтными уплотнениями компрессора образуется зона разрежения, причем полумуфта трансмиссии большого диаметра работает подобно центробежному колесу. Образующиеся застойные зоны и циркуляция воздуха внутри кожуха трансмиссии приводит к неконтролируемому нагреву вала трансмиссии.
Этого недостатка лишена конструкция, созданная по патенту 131105 (RU) МПК F16D, принятая в качестве прототипа устройства. В этом устройстве кожух бессмазочной муфты, изготовлен в виде металлических корпусов цилиндрической и конической формы с фланцами для присоединения к ответным фланцам смежных устройств. Корпуса имеют горизонтальный разъем в горизонтальной плоскости, разделяющий их на два полукорпуса. Корпус со стороны высокотемпературной зоны снабжен установленным в нем лабиринтным уплотнением и телескопически сопряжен с корпусом охлаждаемой зоны, в котором выполнены подводящий и отводящий воздух патрубки и трубопроводы слива утечек смазки. В корпусе охлаждаемой зоны выполнены:
• коллектор подвода охлаждающего воздуха, соединенный с патрубком подвода,
• коллектор наддува лабиринтного уплотнения и коллектор отвода воздуха, расположенный между корпусом и патрубком отвода;
• коллектор наддува лабиринтного уплотнения соединен окнами с коллектором отвода, а кольцевым отверстием с коллектором подвода.
Коллектор подвода, в свою очередь соединен кольцевым отверстием с зоной охлаждения полумуфты. Зона охлаждения полумуфты через выполненные в корпусе кольцевой канал и окна соединена с коллектором отвода. Со стороны приводимого механизма в корпусе охлаждаемой зоны установлены лабиринтные уплотнения, образующие между собой и стенкой корпуса дренажный коллектор, соединенный каналом с областью повышенного давления внутри корпуса, а коллектор снабжен патрубком слива утечек смазки, область разрежения корпуса соединена камерой с атмосферой. Со стороны приводимого механизма в полости охлаждаемой зоны корпуса установлены радиально расположенные ребра. Данная конструкция муфты обеспечивает самовсасывание воздуха, организованную циркуляцию его внутри кожуха, устраняет застойные зоны и область разрежения, что позволяет предотвратить попадание утечек смазки в полость кожуха.
Недостатком данной конструкции является низкая надежность устройства, вследствие охлаждения трансмиссии только со стороны приводимого механизма и невозможность подачи охлаждающего воздуха для охлаждения вала трансмиссии и элементов КИП, расположенные в высокотемпературной зоне. Имеет место попадание масла из лабиринтного уплотнения потребителя механической энергии в кожух трансмиссии. Импеллерный эффект от фланца свободной турбины ГТД и отсутствие наддува внутреннего стыка улитки со свободной турбиной приводит прорыву горячих газов из проточной части ГТД газов во внутреннюю полость улитки выхлопа, что неизбежно увеличивает температуру в полости трансмиссии и может вывести из строя элементы КИП.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности газотурбинного привода за счет непрерывного воздушного охлаждения
элементов конструкции газотурбинного двигателя - (вала трансмиссии и элементов КИП, находящихся в высокотемпературной зоне ГТД), осуществляемое без применения внешних источников сжатого воздуха.
Задача реализуется путем самовсасывания холодного атмосферного воздуха извне турбоблока в корпус трансмиссии за счет импеллерного эффекта полумуфт большого диаметра и наддув лабиринтных уплотнений потребителя механической энергии с организацией потоков охлаждающего воздуха повышенного давления во внутренней полости кожуха трансмиссии и охлаждения его за счет перемешивания с холодным атмосферным воздухом с последующим охлаждением элементов ГТД и КИП с поддержанием повышенного давления охлаждающего наддувочного воздуха перед внутренним стыком свободной турбины ГТД с улиткой выхлопа и ликвидацией застойных зон во внутренней полости улитки выхлопа.
При вращении вала трансмиссии поток воздуха, приводимый в движение за счет импеллерного эффекта на полумуфтах большого диаметра, позволяет решить несколько проблем:
1. Осуществить самовсасывание холодного воздуха из атмосферы в зоны пониженного давления перед полумуфтами большого диаметра
2. Подать надувочный воздух повышенного давления на наддув лабиринтных уплотнений.
3. Подать надувочный воздух повышенного давления на эжектирование и охлаждение трансмиссии
4. Подать охлажденный в эжекторе воздух на охлаждение элементов КИП
5. Осуществить наддув внутренней полости улитки отвода газов
Поток охлаждающего воздуха повышенного давления после наддува лабиринтных уплотнений направляют в корпус трансмиссии и используют как активный поток эжектора, при помощи которого эжектируют холодный атмосферный воздух, поступающий извне отсека турбоблока, охлаждают поток воздуха путем смешивания активного потока повышенного давления с потоком,
поступающим извне отсека, охлаждают вал трансмиссии перемешанным потоком, движущимся вдоль вала трансмиссии; смешанный эжектором охлажденный поток воздуха разделяют на две части - охлаждающую и запорную, причем охлаждающую часть направляют по двум магистралям в коллектор всасывания полумуфты свободной турбины, откуда его подают на охлаждение элементов КИП, а запорную часть потока также подают на полумуфту свободной турбины с другой стороны, после чего направляют на вентиляцию застойных зон внутренней полости улитки отвода газов, причем выходящий после охлаждения элементов КИП надувочный воздух повышенного давления также используют для наддува зазоров на внутреннем стыке свободной турбины с улиткой отвода газов, причем оба потока подают в одно замкнутое пространство полости улитки отвода газов с установленной в ней перегородкой с выпускными клапанами, например гравитационного типа, которыми регулируют давление надувочного воздуха внутри этого замкнутого пространства и одновременно отработавшим воздухом из выпускных клапанов вентилируют застойные зоны между улиткой отвода газов и бронестенкой.
Устройство для реализации способа представлено на Фиг. 1 и состоит из следующих элементов:
• трансмиссия 1
• фланец свободной турбины ГТД 2
• фланец потребителя механической энергии 3
• потребитель механической энергии 4
• цилиндрический корпус кожуха 5
• конический корпус кожуха 6
• коллектор подвода охлаждающего воздуха 7
• патрубок подвода холодного воздуха 8
• разделительная стенка 9
• окна подачи воздуха 10
• уплотнение стенки 11
• коллектор наддува лабиринтного уплотнения 12
• дренажная трубка 13
• внутренняя обечайка 14
• коллектор надувочного воздуха 15
• сужающаяся кольцевая полость 16
• ограничительная стенка 17
• лабиринтное уплотнение 18
• коническая перегородка 19
• коллектор пассивного потока эжектора 20
• патрубок подачи холодного атмосферного воздуха 21
• клапан поддержания давления 22
• кольцевая перегородка 23
• патрубки выпуска воздуха 24
• клапан перепада давления 25
• патрубки отбора воздуха 26
• кольцевой коллектор свободной турбины 27
• фланец корпуса свободной турбины 28
• кронштейны 29
• охлаждаемые элементы КИП 30
• бронестенка 31
На фиг. 1 представлено устройство для реализации способа, представляющее собой кожух «сухой» трансмиссии, расположенный над вращающимся валом трансмиссии 1 с фланцем свободной турбины 2 и фланцем потребителя механической энергии 3. Фланец потребителя механической энергии 3 расположен в корпусе потребителя механической энергии 4. Кожух «сухой» трансмиссии состоит из двух частей: - металлического цилиндрического корпуса 5 кожуха и конического корпуса 6 с разъемом в горизонтальной плоскости. Со стороны потребителя механической энергии 4, установлен коллектор подвода
охлаждающего воздуха 7 для подачи атмосферного воздуха в три области (до фланца потребителя механической энергии, после фланца потребителя механической энергии и на эжектор 20), с патрубком подвода холодного воздуха 8 из атмосферы. Внутри кожуха посредством разделительной стенки 9 с окнами подачи воздуха 10 (на периферии разделительной стенки 9) и уплотнением 11 сформирован коллектор наддува лабиринтного уплотнения 12 потребителя механической энергии 4 с дренажной трубкой 13. Кольцевое пространство, образованное коническим корпусом 6 и внутренней обечайкой 14 образует коллектор надувочного воздуха 15 подающий воздух в сужающуюся кольцевую полость 16 кожуха сухой трансмиссии, расположенный за ограничительной стенкой 17 с лабиринтным уплотнением 18. Конический корпус 6 оборудован конической перегородкой 19, которая формирует активный поток эжектирующего воздуха, при этом коническая перегородка 19 и коническая стенка корпуса 6 являются коллектором пассивного потока эжектора 20, и обеспечивают всасывание холодного воздуха из атмосферы через патрубок подачи холодного атмосферного воздуха 21, соединенный трубопроводом с коллектором подвода охлаждающего воздуха 7. Количество надувочного воздуха регулируется клапаном поддержания давления 22, установленным на цилиндрическую стенку корпуса 5. В эжекторе 20 происходит охлаждение и перемешивание потоков воздуха, после чего общий поток поступает в проставку Ц. Цилиндрическая проставка Ц опирается на установленную во внутреннюю часть улитки кольцевую перегородку 23 с патрубками выпуска воздуха 24, оборудованную клапаном перепада давления 25 и с гарантированным зазором входит внутрь корпуса 6. Для организации потоков наддувочного воздуха установлены два патрубка 26, соединенные с кольцевым коллектором 27, установленным на фланце корпуса свободной турбины 28. К коллектору прикреплены два кронштейна 29, которые удерживают охлаждаемые элементы КИП 30.
Устройство работает следующим образом. Во время работы ГТД при вращении трансмиссии возникает импеллерный эффект, создаваемый полумуфтами большого диаметра 1 и 2, («эффект центробежного компрессора»).
При этом возникает разряжение перед полумуфтами трансмиссии и атмосферный воздух из атмосферы по патрубку подвода холодного воздуха 8 всасывается в коллектор подвода охлаждающего воздуха 7, а оттуда распределяется во внутреннее кольцевое пространство перед муфтой «А» и пространство после муфты «Б». Отбрасываемый к стенкам кожуха трансмиссии полумуфтой 2 воздух повышенного давления, разделяется на два потока - основной охлаждающий поток «В» и поток наддува лабиринтного уплотнения «Г». Для организации наддува лабиринтных уплотнений и исключения утечек масла из лабиринтных уплотнений потребителя механической энергии 4 установлена разделительная стенка 9 с окнами подачи воздуха 10 расположенными на периферии разделительной стенки 9, а сама стенка оборудованная уплотнением 11, которая формирует коллектор наддува лабиринтного уплотнения 12. Часть надувочного воздуха повышенного давления через окна 10, выполненные в стенке 9, подается в коллектор наддува лабиринтного уплотнения 12, который оборудован дренажной трубкой 13 для слива утечек масла. Основной охлаждающий поток из коллектора надувочного воздуха 15 направляется из полости «В» в суживающуюся кольцевую полость 16 через критическое сечение «Д» которое образовано конической перегородкой 19 и ограничительной стенкой 17. Этот поток используется как активный поток для «подсасывания» холодного воздуха из коллектора пассивного потока 20, который забирает холодный атмосферный воздух из коллектора подвода охлаждающего воздуха 7 через патрубок подачи холодного атмосферного воздуха 21. Смешанный и охлажденный поток воздуха отводится по кольцевому каналу «Е», образованному валом трансмиссии 1 и цилиндрическим кожухом 5. Основная часть воздуха отбрасывается полумуфтой большого диаметра фланца свободной турбины 2, повышая давление в полости «Ж», при этом другая часть охлаждающего воздуха отбирается из канала «Е» и затем по двум патрубкам 26 направляется в кольцевой коллектор 27, установленный на фланце корпуса свободной турбины 28. Из коллектора воздух всасывается за счет эффекта центробежного компрессора и охлаждает элементы КИП 30, установленные на кронштейнах 31. Воздух выходящий после
охлаждения элементов КИП 30 и вала трансмиссии 1 в полость «Ж» также имеет повышенное давление, поэтому его давление во внутренней полости свободной турбины (полость «Ж) запирает зазор «З», и препятствует прорыву газов из проточной части. Давление внутри полости «Ж» регулируется гравитационными клапанами 25, установленных на патрубках отвода воздуха 26. Выходящий из патрубков 26 потоки воздуха вентилирует застойные зоны, расположенные между бронестенкой 32 и кольцевой перегородкой 23.
Техническим эффектом изобретения является повышение надежности ГТД за счет самовсасывания охлаждающего холодного атмосферного воздуха в полость трансмиссии без использования внешних источников сжатого воздуха за счет импеллерного эффекта на полумуфтах большого диаметра и организация потока охлаждающего воздуха с избыточным давлением для одновременного осуществления следующих функций:
1. Наддув лабиринтных уплотнений потребителя механической энергии
2. Охлаждение вала трансмиссии
3. Охлаждение элементов КИП, установленных в высокотемпературной зоне
4. Наддув стыка улитки отвода выхлопных газов со свободной турбиной с целью предотвращения из прорыва газов во внутреннюю часть улитки отвода газов
5. Вентиляция пространства между внутренней части улитки отвода газов и бронестенкой моторного отсека.