ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА С НАКОПИТЕЛЕМ ЭНЕРГИИ

Полезная модель относится к области энергетики, а именно, к энергомашиностроению и может быть использована в энергетических установках для обеспечения потребителей электроэнергией.
Известна газотурбинная энергетическая установка, содержащая газотурбинный двигатель, турбогенератор, установленный последовательно с его обмоткой статора, преобразователь частоты, например, двухканальный тиристорный преобразователь, валопровод установки, состоящий из ротора газотурбинного двигателя, ротора турбогенератора и промежуточного вала, который соединен с обоими роторами жесткими фланцевыми соединениями. Валопровод установлен на активных магнитных подшипниках: четырех радиальных и одном осевом. Подшипники, расположенные на концах ротора газотурбинного двигателя, и подшипники, расположенные на концах ротора турбогенератора, обеспечивают неконтактный подвес ротора в магнитном поле, создаваемом управляемыми электромагнитами. Осевой магнитный подшипник обеспечивает бесконтактную фиксацию в осевом направлении ротора газотурбинного двигателя и ротора турбогенератора. Промежуточный вал собственных подшипников не имеет. Радиальные магнитные подшипники снабжены спаренными страховочными подшипниками, например шарикоподшипниками, которые вступают в работу, когда не работают радиальные активные магнитные подшипники. При штатной работе страховочные подшипники не работают и вращаются вместе с валопроводом установки.
В процессе работы установки, в режиме пуска преобразователь частоты используется как пусковое устройство. Получив энергию из сети, он плавно повышает частоту до необходимой величины, а турбогенератор выполняет функцию двигателя, который разгоняет газотурбинный двигатель до частоты его самозапуска, после чего газотурбинный двигатель доводит частоту вращения до номинальной, при этом турбогенератор вырабатывает ток с нестандартной частотой 101,6 Гц. Статорная обмотка турбогенератора подключена к тиристорному преобразователю частоты, который понижает частоту тока до стандартной - 50 Гц, и через трансформатор передает электроэнергию в промышленную сеть.
(см. патент РФ на полезную модель №43311, кл. F02C 3/00, 2005 г.).
В результате анализа конструкции данной установки необходимо отметить, что применение активных магнитных подшипников позволяет отказаться от использования масла и организации маслосистемы, а, следовательно, исключить трудоемкие работы по обслуживанию и ремонту маслосистемы и самих масляных подшипников скольжения. Однако конструкция опоры валопровода весьма сложна, так как использует большое количество подшипников разного типа, а кроме того, установка не обеспечивает постоянство токовых параметров при резком повышении энергопотребления.
Известна газотурбинная установка, содержащая пусковое устройство - электрогенератор-стартер, центробежный компрессор, центростремительную турбину.
Роторы данных агрегатов расположены на одном валу, смонтированном в газостатических подшипниках. Выход компрессора через теплообменник связан с камерой сгорания с газовыми горелками, оснащенной плазменным устройством ее розжига. Выход камеры сгорания связан с центростремительной турбиной. Установка оснащена блоком управления, выполненным на основе программируемого контроллера, предназначенного для управления и диагностики установки в режиме реального времени. Блок управления связан с пусковым устройством, устройством розжига и центростремительной турбиной.
При запуске установки включаются: электрогенератор-стартер, система прокачки агента через теплообменник, система подачи среды в зазоры подшипников вала. Электрогенератор-стартер приводит во вращение вал, от которого вращаются роторы центробежного компрессора и центростремительной турбины.
Воздух от компрессора пропускается через теплообменник, где его температура доводится до заданной и поступает в камеру сгорания, куда также через горелки подается топливо, например, природный газ, который в камере сгорания смешивается с воздухом, нагнетаемым в камеру сгорания компрессором. С блока управления дается команда на включение устройства розжига, которое поджигает газовую смесь в камере сгорания.
Полученный в камере сгорания газ направляют на центростремительную турбину для вращения ее ротора, который связан с электрогенератором, вырабатывающим электрическую энергию для потребителей.
(см. патент РФ на полезную модель №101096, кл.F02C 3/05, 2010 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа известной установки необходимо отметить, что она в процессе функционирования не обеспечивает выработку электроэнергии с постоянными параметрами, особенно при резких увеличениях ее потребления. Кроме того, направляемый на ротор центростремительной турбины парогазовый поток имеет пульсирующий характер, что связано с целым рядом факторов -неравномерностью подачи в камеру сгорания топлива, воздуха, нестабильностью процесса сгорания топлива и пр. Это приводит к тому, что скорость вращения ротора центростремительной турбины постоянно меняется, что приводит к дрейфу параметров тока, вырабатываемого электрогенератором.
Техническим результатом настоящей полезной модели является повышение эффективности функционирования газотурбинной установки за счет обеспечения заданных параметров вырабатываемой электроэнергии при резких изменениях ее потребления.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в газотурбинной установке с накопителем энергии, содержащей компрессор, связанный с камерой сгорания, оснащенной устройством розжига и горелками, выход камеры сгорания связан с центростремительной турбиной, ротор которой имеет возможность соединения с электрогенератором, а также пусковое устройство, причем роторы пускового устройства, центробежного компрессора и центростремительной турбины смонтированы на общем валу, установленном в газостатических подшипниках, а компрессор и камера сгорания связаны через теплообменник, новым является то, что ротор центростремительной турбины имеет возможность связи с электрогенератором посредством вала, на котором размещен накопитель энергии.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых представлена схема установки.
Газотурбинная установка с накопителем энергии содержит пусковое устройство (электрогенератор-стартер) 1, центробежный компрессор 2, центростремительную турбину 3.
Роторы данных агрегатов расположены на валу 4. Опорами для вала служат газостатические подшипники 5 (конструкция таких подшипников известна, см., например, патент РФ на полезную модель №93125). Выход компрессора 2 через теплообменник 6 связан с камерой сгорания 7, оснащенной плазменным устройством 8 ее розжига. Выход камеры сгорания связан с центростремительной турбиной 3. Установка оснащена блоком управления 9, выполненным на основе программируемого контроллера, предназначенного для управления и диагностики установки в режиме реального времени. Блок управления связан с пусковым устройством, устройством розжига и центростремительной турбиной.
Камера сгорания оснащена газовыми горелками 10, установленными на корпусе камеры сгорания.
Ротор центростремительной турбины 3 связан с электрогенератором (не показан) посредством вала 11, на котором установлен накопитель 12 энергии. В качестве накопителя энергии может быть использовано стандартное устройство, например в виде одного или нескольких маховиков, например, аналогично раскрытым в патенте РФ №2261385 или в авторском свидетельстве СССР №1596860. Наиболее целесообразно данное устройство устанавливать на валу 11 посредством управляемых фрикционных муфт, управление которыми осуществляется от блока управления 9. Накопитель энергии может быть оснащен датчиком частоты вращения маховика, связанным с блоком управления 9.
Выполнение блоков, модулей и агрегатов установки является известным, оно не составляет предмета патентной охраны и поэтому в материалах заявки не раскрыто.
Под связями (соединениями) в данной заявке понимаются транспортирующие средства, а именно водо-газо-паропроводы для жидких и газообразных компонентов и их смесей.
Установка может иметь стационарное исполнение или мобильное. Во втором случае все узлы и агрегаты устройства, указанные выше, монтируют на раме транспортного средства, либо на прицепе, который может быть соединен с транспортным средством.
Газотурбинная установка с накопителем энергии работает следующим образом.
Для запуска установки по команде с блока управления 9 включается электрогенератор-стартер 1, система прокачки агента через теплообменник 6, система подачи среды в зазоры подшипников 5 вала 4. Электромагнитную муфту при запуске целесообразно отключать, чтобы маховик накопителя энергии 12 свободно вращался на валу 11. Это облегчает работу стартера. Если стартер обладает достаточной мощностью, то при запуске установки муфта может оставаться включенной. Электрогенератор-стартер приводит во вращение вал 4, от которого вращаются роторы центробежного компрессора 2 и центростремительной турбины 3.
Воздух от компрессора 2 пропускается через теплообменник, где его температура доводится до заданной и поступает в камеру сгорания, куда также подается топливо, например, природный газ, который через горелки 10 подается в камеру сгорания, где он смешивается с воздухом, нагнетаемым в камеру сгорания компрессором. С блока управления 9 дается команда на включение устройства розжига 8, которое поджигает газовую смесь в камере сгорания.
Полученную в камере сгорания в результате горения топлива парогазовую смесь направляют на центростремительную турбину 3 для вращения ее ротора, который приводит во вращение вал 11, связанный с электрогенератором, вырабатывающим электрическую энергию для потребителей. В процессе работы установки накопитель 12 раскручивается на валу 11 и запасает кинетическую энергию. При резком повышении потребления электроэнергии накопитель 12 обеспечивает поддержание заданной частоты вращения ротора электрогенератора, а. следовательно, и частоту генерируемого тока. Кроме того, устройство 12 позволяет сгладить неравномерность вращения ротора турбины 3, обусловленную неравномерностью поступления продуктов сгорания из камеры сгорания 7.
Параметры работы центростремительной турбины отслеживаются датчиками (не показаны), связанными с блоком управления 9. При превышении частоты вращения маховика устройства 12 сверх заданной, блок управления 9 дает команду на отключение электромагнитной муфты, в результате чего маховик свободно вращается на валу 11. Это позволяет избежать резонансных явлений при работе установки.