ТУРБОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР
TURBO-ELECTRO-GENERATOR

Изобретение относится к энергомашиностроению, в частности к генераторам электрической энергии с газотурбинным приводом.
Изобретение может быть использовано в турбогенераторах электроэнергии, в том числе, при экстремально малых значениях мощности вырабатываемой электроэнергии, и при экстремально высоких температурах газа перед газовой турбиной.
Известен турбоэлектрогенератор [1], содержащий турбокомпрессор, состоящий из ротора и статора, при этом ротор состоит из металлического вала, на котором установлены рабочие колеса компрессора и газовой турбины с лопаточными аппаратами и несущими дисками, статор состоит из корпуса статора, соплового аппарата турбины и выходного диффузора компрессора, опорно-упорные узлы вала ротора размещены в статоре турбокомпрессора, электрогенератор, включающий в свой состав роторную часть, включающую магнитные керамические элементы, и статорную часть в виде металлического тора, содержащего токопроводящие обмотки, а также камеру сгорания.
Недостатками этого технического решения является то, что:
- необходимо дополнительное автономное устройство для охлаждения электрогенератора, при этом потери в электрогенераторе в виде тепла удаляются из теплового цикла, снижая тем самым КПД турбоэлектрогенератора;
- передача тепла из высокотемпературной зоны - втулки газовой турбины через вал к втулке компрессора приводит к подогреву циклового воздуха на всасывании в компрессор, что повышает адиабатную работу сжатия в компрессоре, снижая тем самым КПД теплового цикла турбоэлектрогенератора;
- наиболее напряженные элементы газовой турбины - диск и ступица рабочего колеса неохлаждаемые, что приводит к определенным ограничениям по кинематическим характеристикам турбогенератора, что неблагоприятно при оптимизации газодинамических параметров турбогенератора. Традиционные методы охлаждения дисков при радиальном исполнении, или дисков и лопаток при осевом исполнении газовой турбины путем отбора части расхода циклового воздуха из-за компрессора, обдува соответствующих поверхностей и сброса в турбину, минуя камеру сгорания, затратны по критерию КПД теплового цикла турбогенератора;
- низкая экономичность ввиду значительной теплопотери в тепловом цикле с теплом отходящих из турбины газов.
Цель изобретения - повышение надежности и экономичности турбоэлектрогенератора путем устранения указанных недостатков.
Указанная цель достигается тем, что в состав турбокомпрессора включен регенератор тепла отходящих из турбины газов, выход из которого по воздуху сообщен с входом камеры сгорания, роторная часть электрогенератора установлена на валу турбокомпрессора между рабочими колесами компрессора и турбины и состоит из сегментов магнитной керамической оболочки, помещенных во внутреннюю полость, по крайней мере, одной торообразной оболочки из металлического сплава, а в статоре турбогенератора установлена статорная часть электрогенератора, в которой выполнены сквозные осевые каналы, при этом за выходным диффузором компрессора выполнена осесимметричная раздаточная полость, ограниченная корпусом статора, несущим диском рабочего колеса компрессора и торцом тора статорной части электрогенератора, обращенным к компрессору, с которой сообщены выход из диффузора компрессора и входные сечения сквозных осевых каналов, а выходные сечения сквозных осевых каналов сообщены с осесимметричной сборной полостью, ограниченной корпусом статора, несущим диском рабочего колеса турбины и торцом тора статорной части электрогенератора, обращенным к турбине, кроме того, камера сгорания и регенератор заключены в единую полость с входным и выходным трактами, при этом входной тракт расположен со стороны камеры сгорания и сообщен с осесимметричной раздаточной полостью, а выходной тракт расположен со стороны регенератора и сообщен с входом по воздуху в регенератор. На внутренней поверхности тора статорной части электрогенератора выполнены равномерно разнесенные по окружности прямолинейные сквозные осевые пазы. На внутренней поверхности минимального диаметра торообразной оболочки из металлического сплава роторной части электрогенератора выполнены равномерно разнесенные по окружности прямолинейные сквозные осевые пазы. При этом площадь сечений осевых пазов на статоре и роторе, обращенных к компрессору, больше площади сечений осевых пазов, обращенных к турбине. Кроме того, суммарная площадь сечений сквозных осевых каналов и осевых пазов не менее чем в два раза превышает площадь выхода из диффузора компрессора.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип изобретения, является турбоэлектрогенератор по [1].
На чертеже представлен турбоэлектрогенератор.
Ротор турбоэлектрогенератора содержит рабочее колесо 1 компрессора, включающее лопаточный аппарат 2 рабочего колеса 1 компрессора и несущий диск 3 рабочего колеса 1 компрессора, рабочее колесо 4 турбины, включающее лопаточный аппарат 5 рабочего колеса 4 турбины и несущий диск 6 рабочего колеса 4 турбины, металлический вал ротора 7, на котором установлена роторная часть 8 электрогенератора, выполненная в виде цилиндрической магнитной керамической секции 9, состоящей из цилиндрических сегментов 10, заключенной в цилиндрическую оболочку 11 из металлического сплава. Статор турбоэлектрогенератора содержит корпус статора 25, сопловой аппарат 12 турбины, выходной диффузор компрессора 13, статор электрогенератора 14, а также опорно-упорные узлы 15 ротора. На валу 7 между опорно-упорными узлами 15 и несущими дисками 3 и 6 выполнена резьба, на которой установлены фиксирующие гайки 16. Выход из диффузора компрессора 13 сообщен с входом в осесимметричную раздаточную полость 18, выход из которой сообщен посредством сквозных осевых каналов 17 в статорной части электрогенератора, а также равномерно разнесенных по окружности прямолинейных осевых пазов 23, выполненных на внутренней поверхности тора статорной части 24 и на внутренней поверхности минимального диаметра торообразной оболочки из металлического сплава роторной части, с осесимметричной сборной полостью 19. В состав турбоэлектрогенератора входит также регенератор 22 тепла отходящих из турбины газов. Кроме того, камера сгорания и регенератор заключены в единую полость 25 с входным и выходным трактами, при этом входной тракт 26 расположен со стороны камеры сгорания 21 и сообщен с осесимметричной раздаточной полостью патрубком 20, а выходной тракт 27 расположен со стороны регенератора 22 и сообщен с входом по воздуху в регенератор 22, выход из которого по воздуху сообщен с входом камеры сгорания 21, а вход в который по воздуху сообщен патрубком 20 с осесимметричной сборной полостью 19, вход по газу в регенератор 22 сообщен с выходом из лопаточного аппарата 5 рабочего колеса 4 турбины, выход по газу из регенератора 22 сообщен с атмосферой.
Турбоэлектрогенератор работает следующим образом.
На вход соплового аппарата 12 турбины из камеры сгорания 21 подается рабочее тело, например, продукты сгорания углеводородного топлива - с давлением, превышающим атмосферное. Из соплового аппарата 12 рабочее тело поступает на вход лопаточного аппарата рабочего колеса 5 турбины, приводя его во вращение, и поступает через выходные каналы лопаточного аппарата 5 рабочего колеса 4 турбины, приводя его во вращение, и поступает через выходные каналы лопаточного аппарата 5 рабочего колеса 4 турбины на вход по газу в регенератор 22. В рабочее колесо 1 компрессора через его вход его лопаточного аппарата 2 всасывается атмосферный воздух и с повышенным давлением из выходного диффузора 13 поступает в осесимметричную раздаточную полость 18, из которой по каналам 17, 23 и 24 поступает в осесимметричную сборную полость 19 и далее из нее через патрубок 20 и через входной тракт 26 единой полости 25 в единую полость 25, в которой размещены камера сгорания 21 и регенератор 22, омывает наружные поверхности камеры сгорания 21 и регенератора 22, отбирая протечки тепла через наружные поверхности обоих агрегатов, и через выходной тракт 27 единой полости 25 подается на вход по воздуху в регенератор 22, в котором подогревается выхлопными газами, поступающими на вход в регенератор 22 по газу. Подогретый параллельно в статоре 14 электрогенератора и теплопередачей из ротора 7 и 8 турбоэлектрогенератора, а также последовательно теплопередачей от несущего диска 6 рабочего колеса 4 турбины и теплосъемом от наружных поверхностей камеры сгорания 21, регенератора 22, и в регенераторе 22 воздух поступает на вход камеры сгорания 21, из которой подается на вход соплового аппарата 12, из которого поступает в лопаточный аппарат 5 рабочего колеса 4 турбины, приводя его во вращение, и поступает через выходные каналы лопаточного аппарата 5 рабочего колеса 4 турбины на вход по газу в регенератор 22. Вращающий момент через вал 7 передается на рабочее колесо 1 компрессора и приводит его во вращение. Разность мощностей турбины и компрессора снимается с клемм электрогенератора.
Прокачка циклового воздуха из-за компрессора через осесимметричную раздаточную полость 18 по каналам 17 и 23 обеспечивает примерно осесимметричный съем теплопотерь из статора и частично ротора электрогенератора, неизбежных при вырабатывании электроэнергии, без использования в агрегате автономных устройств, предназначенных для обеспечения циркуляции охлаждающей среды - нагнетателя, насоса, приводит к повышению надежности турбоэлектрогенератора. Осесимметричность системы гарантирует отсутствие асимметричных деформаций статорных и роторных составляющих конструкции, что приводит к повышению надежности турбоэлектрогенератора. Тепловая энергия теплопотерь в электрогенераторе остается в рабочей среде - сжатом воздухе, исключая в основном внешние потери тепловой энергии.
Подача части расхода сжатого воздуха из-за компрессора из раздаточной полости 18 через осевые каналы 24 на внутреннем диаметре металлической рубашки постоянного магнита ротора электрогенератора инициирует отбор тепла из массы материала вала 7, снижая тем самым переток тепла по валу 7 от втулки рабочего колеса 4 турбины к втулке рабочего колеса 1 компрессора, уменьшая подогрев циклового воздуха теплообменом от втулки рабочего колеса 1 компрессора к всасываемому в компрессор атмосферному воздуху, что снижает адиабатную работу сжатия в компрессоре, повышая экономичность турбогенератора. Снимаемое тепло остается в рабочей среде - сжатом воздухе, исключая в основном внешние потери тепловой энергии.
Подача циклового воздуха из-за компрессора через осесимметричную сборную полость 18 по каналам 17 и 23 к несущему диску 6 рабочего колеса 4 турбины обеспечивает осесимметричное его охлаждение, тем самым, выполняя роль воздушного охлаждения, частично в наиболее эффективном импактом варианте, без сброса охлаждающего воздуха в турбину, минуя подогрев в камере сгорания, что повышает экономичность турбогенератора. Снимаемое тепло остается в рабочей среде - сжатом воздухе, исключая в основном внешние потери тепловой энергии.
Исполнение сечений осевых пазов 23 и 24 на статоре и роторе, с площадью сечений, обращенных к компрессору, больших площади сечений осевых пазов, обращенных к турбине, обеспечивает конфузорное течение в пазах, что снижает гидравлическое сопротивление в них, и, как следствие, увеличение расхода, а также распределение скоростей течения, в пазах прогрессивно нарастающих от входа к выходу. Это благоприятно для интенсификации теплосъема в наиболее горячей зоне узла ротора вал 7 - ступица диска 6 рабочего колеса турбины - ротор электрогенератора 8, что благоприятно с точки зрения оптимизации конструкции с керамическими магнитными элементами ротора по критерию обеспечения работоспособности по запасу от критической точки Кюри.
При рациональном подходе к соотношению проходных площадей на выходе из диффузора 13 компрессора (f1) и любого суммарного эквивалентного сечения (f2) тракта охлаждения 17, 23, 24 элементов турбоэлектрогенератора, достаточно f2/f1>2, для того чтобы влияние на положение рабочей точки на характеристике компрессора было минимально, т.к. дополнительное сопротивление за компрессором пропорционально квадрату среднемассовой скорости по элементам тракта охлаждения.
Подогрев циклового воздуха перед входом в регенератор 22 путем съема теплопотерь в статоре 14 электрогенератора, роторе 7 и 8 турбоэлектрогенератора, наружных поверхностей камеры сгорания 21 и регенератора 22 позволяет повысить КПД турбоэлектрогенератора за счет практического исключения сброса тепла из теплового цикла в окружающую среду, а также оптимизировать характеристики регенератора, как с точки зрения его эффективности, так и массогабаритных характеристик.
Источники информации
1. Turbo Genset on trial, Modern Power Systems, July 2000, p.45.