ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА
GAS TURBINE PLANT

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения, а именно к газотурбинным установкам с турбиной, вращающей компрессор газотурбинного двигателя, а также с силовой турбиной, вращающей выходной вал, но не вращающей компрессор.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является газотурбинная установка (ГТУ), содержащая газотурбинный двигатель и газодинамически связанную с ним силовую осевую турбину, роторы которых механически не связаны друг с другом, у которой на статоре силовой турбины напротив полотна диска первой и последней ступени силовой турбины образованы кольцевые полости, отделенные от проточной части силовой турбины подвижными уплотнениями, при этом кольцевая воздушная полость на статоре силовой турбины за последней ступенью пневматически сообщена с проточной частью одной из ступеней компрессора газотурбинного двигателя, по меньшей мере, одним трубопроводом с проточным краном на нем (см. заявку РСТ WO 2014/095712 А1, опубл. 16.12.2013).
Недостатком данного решения является то, что подача воздуха в кольцевую воздушную полость на статоре силовой турбины за ее последней ступенью осуществляется из проточной части одной из ступеней компрессора газотурбинного двигателя без учета давления воздушной среды в кольцевой полости на статоре перед первой ступенью силовой турбины. В процессе эксплуатации ГТУ происходит выработка подвижных уплотнений, вследствие чего изменяется давление в кольцевых воздушных полостях на статоре силовой турбины как перед первой ступенью, так и за последней ступенью, при этом не в одинаковой мере. Это приводит к разбалансировке осевой силы на роторе силовой турбины и, вследствие чего, к снижению долговечности упорного подшипника, воспринимающего осевую силу, а вместе с ним снижается и надежность и ресурс работы ГТУ.
Задача изобретения - повышение надежности и ресурса работы, увеличение продолжительности жизненного цикла ГТУ.
Ожидаемый технический результат - обеспечение оптимальной с точки зрения долговечности упорного подшипника осевой силы на роторе силовой турбины за счет поддержания заданного отношения давлений в кольцевых воздушных полостях на статоре силовой турбины.
Ожидаемый технический результат достигается тем, что в известной ГТУ, содержащей газотурбинный двигатель и газодинамически связанную с ним силовую осевую турбину, роторы которых механически не связаны друг с другом, у которой на статоре силовой турбины напротив полотна диска первой и последней ступени силовой турбины образованы кольцевые полости, отделенные от проточной части силовой турбины подвижными уплотнениями, при этом кольцевая воздушная полость на статоре силовой турбины за последней ступенью пневматически сообщена с проточной частью одной из ступеней компрессора газотурбинного двигателя по меньшей мере одним трубопроводом с проточным краном на нем, по предложению на стенке каждой кольцевой полости статора силовой турбины установлен приемник давления среды в этой полости, соединенный с датчиком давления, а проточный кран снабжен электроприводом.
Датчики давления воздуха в кольцевой воздушной полости и электропривод проточного крана связаны с системой управления установки. При сообщении кольцевой воздушной полости с проточной частью одной из ступеней компрессора газотурбинного двигателя двумя и более трубопроводами их выходные отверстия в кольцевую воздушную полость равноудалены друг от друга и от оси силовой осевой турбины.
Установка на стенке каждой кольцевой полости статора силовой турбины приемника давления среды в этой полости, соединенного с датчиком давления, позволяет точно узнавать реальное давление в этих двух полостях. Зная площади полотен дисков первой и последней ступеней (а они во время эксплуатации не меняются), легко вычислить силу, действующую на упорный подшипник. При этом с помощью проточного крана эту силу можно корректировать во время работы ГТУ в зависимости от реальных условий работы ГТУ (режим работы ГТУ, износ уплотнений, смещение ротора силовой турбины относительно статора и другие причины).
Кроме того, датчики давления воздуха в кольцевых воздушных полостях и электропривод проточного крана могут быть связаны с системой управления установки, что дает возможность следить за усилиями, возникающими на упорном подшипнике и управлять этими усилиями с пульта.
Кольцевая воздушная полость напротив полотна диска последней ступени силовой турбины может быть сообщена с проточной частью одной из ступеней компрессора газотурбинного двигателя двумя и более трубопроводами, при этом их выходные отверстия в кольцевую воздушную полость могут быть равноудалены друг от друга и от продольной оси силовой осевой турбины, что позволяет подавать воздух из компрессора равномерно на полотно диска последней ступени турбины, не создавая термонапряжений на диске.
На фиг. 1 показана схема газотурбинной установки;
На фиг. 2 показана силовая турбина;
На фиг. 3 показана блок-схема связи датчиков давления в кольцевых воздушных полостях и электропривода проточного крана с системой управления ГТУ.
Газотурбинная установка содержит газотурбинный двигатель 1 и газодинамически связанную с ним силовую осевую турбину 2, роторы которых (и) механически не связаны друг с другом. На статоре 3 силовой турбины 2 напротив полотен диска 4 первой и диска 5 последней ступеней силовой турбины 2 образованы кольцевые полости 6 и 7, отделенные от проточной части силовой турбины подвижными уплотнениями 8 и 9, при этом кольцевая воздушная полость 7 на статоре 3 силовой турбины 2 за ее последней ступенью пневматически сообщена с проточной частью одной из ступеней компрессора 10 газотурбинного двигателя 1, по меньшей мере, одним трубопроводом 11 с проточным краном 12 на нем. На стенках кольцевых полостей 6 и 7 статора 3 силовой турбины 2 установлены приемники давления среды 13 и 14 в этих полостях, соединенные с датчиками давления 15 и 16, а проточный кран 12 снабжен электроприводом 17.
Датчики давления воздуха 15 и 16 на кольцевых воздушных полостях 6 и 7 и электропривод 17 проточного крана 12 могут быть связаны с системой управления 18 ГТУ.
При сообщении кольцевой воздушной полости 7 с проточной частью одной из ступеней компрессора 10 газотурбинного двигателя 1 двумя и более трубопроводами 11 их выходные отверстия в кольцевую воздушную полость 7 могут быть равноудалены друг от друга и от продольной оси силовой осевой турбины 2, что уменьшит возможность перекоса вала ротора силовой турбины.
Блок-схема на фиг. 3 содержит систему управления установки 18 и соединенные с ней выходы датчиков давления 15, 16 и вход электропривода 17 крана 12.
ГТУ работает следующим образом.
Силовую осевую турбину 2 оборудуют приемниками 13, 14 давления среды в кольцевых воздушных полостях 6, 7 на статоре 3 перед первой и за последней ступенью, которые соединяют с датчиками давления 15, 16 трубопроводами. Выходы с датчиков давления 15, 16 в виде электрических сигналов Р15 и Р16 соответственно подключают к системе управления установки 18. В системе управления установки 18 происходит вычисление отношения давлений Р15/Р16 и сравнение отношения с наперед заданным значением. При отклонении вычисленного отношения от заданного значения система управления формирует сигнал и подает его на электропривод 17 проточного крана 12. При этом при увеличении отношения Р15/Р16 от заданного значения формируют сигнал на увеличение открытия проточного крана 12, а при уменьшении отношения Р15/Р16 от заданного значения формируют сигнал на прикрытие проточного крана 12.
Заданные значения отношения давлений Р15/Р16 определяют расчетно-экспериментальным методом на основе допустимой минимальной осевой силы на роторе силовой осевой турбины, обеспечивающей максимальную долговечность упорного подшипника.
Реализация предложенного изобретения позволяет существенно увеличить продолжительность жизненного цикла и повышает надежность ГТУ.