РОТОРНЫЙ УЗЕЛ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ

Полезная модель относится к области энергетического машиностроения, а именно, к конструктивным элементам турбогенераторов, используемых в качестве источников энергии широкого спектра машин, в частности: вспомогательных силовых установок воздушных судов; маршевых силовых установок с электроприводом винтов и винто-кольцевых движителей; газотурбинных установок для генерации электрической энергии.
Известна газотурбинная энергетическая установка, роторный узел которой включает размещенные на роторном валу роторы пускового устройства, центробежного компрессора и центростремительной турбины, причем роторный вал смонтирован в двух газостатических подшипниках, один из которых находится за пусковым устройством, а второй - за центростремительной турбиной (см. патент РФ на полезную модель №101096, кл. F02C 3/05, 2010 г.).
Особенностью роторного узла данной установки является применение в подшипниковых опорах неуправляемых газостатических подшипников, в которых концами смонтирован роторный вал. Недостатком такого решения, помимо большого расхода сжатого воздуха при постоянном поддуве неуправляемых газостатических подшипников, является невысокая жесткость роторного узла, обусловленная значительным расстоянием между подшипниковыми опорами роторного вала и, как следствие, невозможность подавления изгибных колебаний длинного гибкого роторного вала при их возникновении, что приводит к значительному снижению надежности работы роторного узла.
Известен роторный узел турбомашины, включающий смонтированный в трех подшипниковых опорах роторный вал, на котором размещены рабочее колесо компрессора и турбина. Две подшипниковые опоры расположены по концам роторного вала, а третья, включающая радиальный подшипник, размещена на роторном валу в «горячей зоне» между рабочим колесом компрессора и турбиной.
(см. патент США №7112036, кл. F01D 17/00, 2005 г.).
В результате анализа данного решения необходимо отметить, что, в отличие от приведенного выше, в нем приводной вал смонтирован не в двух, а в трех подшипниковых опорах. Наличие третьей подшипниковой опоры повышает жесткость роторного вала и обеспечивает гашение пульсирующих нагрузок в процессе работы роторного узла. Однако установка третьей подшипниковой радиальной опоры в «горячей зоне» снижает надежность работы подшипника и приводит к необходимости его частого технического обслуживания. Кроме того, длинный роторный вал в процессе работы турбомашины подвержен вибрациям, которые передаются на подшипники и агрегаты роторного узла, ограничивая его эксплуатационные параметры и снижая надежность.
Известен роторный узел турбогенератора, скомпонованный из электрогенератора, подшипниковых опор, рабочего колеса турбины, рабочего колеса компрессора, вала рабочего колеса турбины, вала рабочего колеса компрессора.
Электрогенератор представляет собой корпус, в корпусе с возможностью вращения в подшипниковых опорах смонтирован вал электрогенератора, который выполнен полым и установлен в подшипниковых опорах, а в полости вала установлены редкоземельные постоянные магниты.
Вал электрогенератора охватывается обмоткой, размещенной в корпусе электрогенератора и являющейся частью его статора (статорная обмотка электрогенератора).
С торцом вала электрогенератора состыкован торец вала компрессора, на котором размещено рабочее колесо компрессора. Вал компрессора выполнен полым.
В полости валов электрогенератора и компрессора смонтирован вал, на котором установлено рабочее колесо турбины.
В качестве подшипниковых опор роторного узла использованы две радиальные подшипниковые опоры и одна упорная подшипниковая опора. Одна из радиальных подшипниковых опор установлена в статоре турбогенератора и в ней смонтирован вал компрессора, а другая - в корпусе электрогенератора и в ней смонтирован вал электрогенератора, а упорная подшипниковая опора размещена в статоре турбогенератора между радиальными подшипниковыми узлами и является опорой для вала электрогенератора и вала компрессора.
(см. патент РФ на полезную модель №185175, кл. F02C 3/00, 2018 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа данного решения необходимо отметить, что расположение одной из радиальных и упорной подшипниковых опор в статоре турбогенератора приводит к значительному увеличению осевых габаритов роторного узла, а, следовательно, увеличению длины вала электрогенератора и вала компрессора, образующих роторный вал, что снижает жесткость роторного узла, чему также в немалой степени способствует выполнение роторного вала составным из вала электрогенератора и вала рабочего колеса компрессора. Кроме того, консольное расположение рабочего колеса ротора и рабочего колеса турбины, не имеющих опоры, даже при достаточной жесткости роторного вала, в процессе работы турбогенератора, особенно на максимальных режимах или при ударном изменении нагрузки (например, при резком изменении режимов работы или подключении и отключении потребителей), приводит к возбуждению изгибных колебаний и прецессии роторного вала, которые весьма сложно компенсировать при помощи системы управления положением роторного вала. Все приведенное выше не только увеличивает габариты и вес турбогенератора, но и снижает надежность роторного узла, особенно при его работе на максимальных режимах (на высоких скоростях вращения роторного вала).
Техническим результатом настоящей полезной модели является повышение надежности роторного узла и газовой турбины в целом, особенно при работе на максимальных режимах и при ударных нагрузках, путем обеспечения высокой жесткости роторного узла за счет уменьшения его длины и оптимального расположения подшипниковых опор, в которых смонтирован роторный вал.
Указанный технический результат достигается тем, что в роторном узле газовой турбины, содержащем полый роторный вал, две радиальные и упорную подшипниковые опоры, электрогенератор, рабочее колесо турбины, смонтированное на валу, размещенном в полости роторного вала, рабочее колесо компрессора, смонтированное на роторном валу, постоянные магниты, размещенные в полости роторного вала в области статорной обмотки электрогенератора, новым является то, что роторный вал смонтирован в корпусе электрогенератора в радиальных подшипниковых опорах с образованием консоли, на которой размещены рабочее колесо компрессора и рабочее колесо турбины, а упорная подшипниковая опора имеет возможность монтажа в статоре газовой турбины, охватывает консоль роторного вала и размещена между упомянутыми рабочими колесами.
Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами, на которых изображен роторный узел газовой турбины в разрезе.
На графических материалах нижеследующими позициями обозначены конструктивные элементы роторного узла газовой турбины:
1 - корпус (статор) электрогенератора;
2 - рабочее колесо (ротор) турбины;
3 - рабочее колесо (ротор) компрессора;
4 - упорная подшипниковая опора (элемент статора турбины);
5 - упорные подшипники упорной подшипниковой опоры;
6 - радиальные подшипниковые опоры;
7 - радиальные подшипники радиальных подшипниковых опор;
8 - консольная часть роторного вала роторного узла;
9 - часть роторного вала роторного узла, расположенная в корпусе электрогенератора;
10 - статорная обмотка электрогенератора.
Роторный узел газовой турбины комплектуется из следующих основных элементов: электрогенератора; роторного вала; подшипниковых опор; рабочего колеса (ротора) турбины; рабочего колеса (ротора) компрессора; вала рабочего колеса турбины.
Электрогенератор роторного узла содержит корпус (статор) 1, в котором в радиальных подшипниковых опорах 6, в радиальных подшипниках 7 данных опор, смонтирован с возможностью вращения роторный вал. Роторный вал выполнен полым и, в отличие от наиболее близкого аналога, - цельным. Его часть 9 размещена в корпусе электрогенератора, а часть 8 (консоль) расположена вне корпуса электрогенератора. В полости корпуса электрогенератора 1 смонтирована статорная обмотка 10, охватывающая часть 9 роторного вала, а в полости данной части роторного вала размещены, как и в наиболее близком аналоге, постоянные магниты (обозначены как N, S).
В полости роторного вала смонтирован и скреплен с роторным валом вал (позицией не обозначен) для установки рабочего колеса 2 турбины.
На консоли части 8 роторного вала закреплено рабочее колесо 3 компрессора, а на конце вала турбины закреплено рабочее колесо 2 турбины. Рабочие колеса 2 и 3 расположены на своих валах соосно друг другу и на небольшом расстоянии друг от друга.
В качестве подшипниковых опор роторного узла использованы две радиальные подшипниковые опоры 6 и 7 и одна упорная подшипниковая опора 4, являющаяся частью статора газовой турбины.
Упорная подшипниковая опора 4 размещена в статоре газовой турбины, охватывает консоль 8 роторного вала между рабочим колесом 3 компрессора и рабочим колесом 2 турбины и содержит упорные подшипники 5. Для контакта с упорными подшипниками рабочее колесо 3 компрессора и рабочее колесо 2 турбины имеют опорные плоские участки (не показаны), образующие несущие поверхности для упорных подшипников 5. Опорой для упорных подшипников 5 является пластина (позицией не обозначена) статора газовой турбины. По сути, упорная подшипниковая опора является статорной опорой.
В качестве радиальных подшипников 7 и упорных подшипников 5 целесообразно использовать высоконесущие гибридные газовые подшипники, в том числе, газостатические сегментные подшипники, конструкция которых обеспечивает возможность их саморегулирования за счет изменения положения (поворота) сегментов на заданный угол в зависимости от действующей на них нагрузки, и устойчивого сохранения этого положения без использования системы управления. Конструкция таких подшипников известна (см., например, патент РФ на полезную модель №153540, кл. F16C 17/04, F16C 32/06, 2014 г., патент РФ на изобретение №2630271, МПК F16C 17/03, 2016 г.).
В качестве подшипников опор также могут быть использованы лепестковые газодинамические подшипники.
Выполнение конструктивных элементов роторного узла является известным и не составляет предмета патентной охраны.
Роторный узел в составе газовой турбины работает следующим образом.
Работа роторного узла газовой турбины будет раскрыта в его модификации, при которой подшипниковые опоры оснащены газостатическими сегментными подшипниками.
Запуск газовой турбины осуществляют от внешнего источника (не показан) который подает сжатый воздух в газостатические сегментные подшипники 5 и 7 подшипниковых опор 4 и 6, что приводит к вывешиванию смонтированного в подшипниках 5 и 7 роторного вала.
Затем включают электрогенератор, который при запуске газовой турбины выполняет функцию пускового устройства. Электрогенератор раскручивает роторный вал, а также рабочее колесо 3 компрессора и рабочее колесо 2 турбины. Принцип работы электрогенератора хорошо известен специалистам и нет необходимости подробно приводить его в данной заявке.
При вращении рабочего колеса 3 компрессора воздух из окружающей среды, проходя через воздухозаборник компрессора (не показан), попадает на рабочее колесо 3 компрессора, где происходит его сжатие. Сжатый воздух с выхода компрессора под давлением подается в камеру сгорания (не показана) газовой турбины, где смешивается с топливом, образуя горючую смесь. Горючая смесь воспламеняется, продукты ее сгорания через направляющий аппарат (не показан), газовой турбины попадают на рабочее колесо 2 турбины, раскручивая его.
На рабочем колесе 2, энергия потока продуктов сгорания газовоздушной смеси преобразуется в механическую энергию, создавая момент вращения, который снимают с рабочего колеса 2 турбины.
При выходе газовой турбины на номинальный режим электрогенератор роторного узла переводится с пускового режима работы на режим выработки электроэнергии.
Размещение радиальных подшипниковых опор, в которых смонтирован роторный вал, в корпусе электрогенератора, а упорной подшипниковой опоры в статоре газовой турбины между рабочими колесами ротора и турбины роторного узла, позволяет уменьшить длину роторного узла, по сравнению с наиболее близким аналогом, примерно на 10%, что повышает жесткость роторного вала, как за счет уменьшения его длины, так и за счет уменьшения расстояния между радиальными опорами.
Размещенная в статоре газовой турбины между рабочими колесами ротора и турбины упорная подшипниковая опора является опорой как для консоли роторного вала, так и для размещенных на ней рабочих колес компрессора и турбины. Это позволяет гарантированно обеспечить исключение колебаний и вибраций практически на всех режимах работы газовой турбины, так как при такой компоновке роторного узла опорой оснащены расположенные на консоли роторного вала рабочие колеса компрессора и турбины, которые при работе роторного узла являются основным источником колебаний и вибраций.
Уменьшение расстояния между двумя радиальными подшипниковыми узлами 6 увеличивает критическую частоту за счет увеличения жесткости ротора, что позволяет, кроме повышения надежности, повысить частоту вращения роторного вала примерно на 25%. В результате получаем сокращение габаритов газовой турбины и повышение ее КПД.
Весьма существенно, что размещение упорной подшипниковой опоры 4 между рабочим колесом 2 турбины и рабочим колесом 3 компрессора позволяет отказаться от использования весьма сложного устройства - компенсатора осевого усилия, необходимого для уменьшения дисбаланса нагрузок на элементы рабочего колеса турбины.
Повышение жесткости роторного вала позволяет также использовать более эффективные подшипники, в частности, лепестковые газодинамические подшипники, которые не могут обеспечить надежную работу с нежесткими роторными валами.
Таким образом, конструкция разработанного роторного узла позволяет обеспечить надежную, безаварийную работу роторного узла и газовой турбины, укомплектованной таким узлом, в том числе, на предельных режимах, в условиях действия вибраций, перегрузок и ударных нагрузок на роторный узел.