ТУРБОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР
TURBO-ELECTRO-GENERATOR

Изобретение относится к энергомашиностроению, в частности к генераторам электрической энергии с газотурбинным приводом.
Цель изобретения - повышение надежности турбоэлектрогенератора.
Изобретение может быть использовано в генераторах электроэнергии, в том числе при экстремально малых значениях мощности вырабатываемой электроэнергии.
Известен турбоэлектрогенератор (Turbo Genset (Dorset, UK), 50 кВт, 100 кг, 52400 об/мин [1]), содержащий турбокомпрессор, состоящий из ротора и статора, причем ротор включает вал, на котором установлены рабочие колеса компрессора и турбины с лопаточными аппаратами и несущими дисками; а статор - сопловой аппарат турбины и выходной диффузор компрессора, при этом опорно-упорные узлы вала ротора размещены в статоре турбокомпрессора; высокооборотный электрогенератор, включающий в свой состав роторную часть, включающую в свой состав магнитные керамические элементы, и статорную часть, а также камеру сгорания.
Недостатками этого технического решения являются то, что для обеспечения кинематической самодостаточности конструкции необходимы четыре опорных узла, при этом два в конструкции турбокомпрессора преимущественно опорно-упорные, - чем больше опор, тем больше вероятность отказа, необходимость применения для кинематической связи валов турбокомпрессора и электрогенератора высокооборотной муфты, что приводит к неизбежности применения единой фундаментной конструкции, например рамы, с существенными ограничениями по ее жесткости, принципиальное ограничение частоты вращения роторов, вследствие неизбежности действующих напряжений растяжения и изгиба в керамических дисках ротора электрогенератора, что крайне неблагоприятно для конструкционных керамических материалов, тупик по нейтрализации масштабного фактора при изготовлении керамических дисков электрогенератора, практическая невозможность обеспечения критических частот вращения системы ротор турбокомпрессора - ротор электрогенератора, по крайней мере, по первой изгибной форме, выше номинальной частоты вращения, а следовательно, при запуске электрогенератора необходимость проходить резонансную зону, что для высокооборотных изделий чревато отказами.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип изобретения, является турбогенератор Turbo Genset (Dorset, UK), 50 кВт, 100 кг, 52400 об/мин [1].
Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности и ресурса турбоэлектрогенератора путем:
- уменьшения количества опорно-упорных узлов;
- исключения из структуры турбоэлектрогенератора высокооборотной муфты;
- принципиального снижения уровня напряжений изгиба и растяжения в керамических деталях ротора;
- принципиального снижения уровня влияния масштабного фактора на идентичность физико-механических характеристик керамических фрагментов конструкции ротора;
- создания предпосылок для реализации оптимальных условий по жесткости ротора при любых исходных требованиях к характеристикам турбоэлектрогенератора, включая свойство силового радиального демпфирования магнитного поля в системе ротор-статор электрогенератора.
Указанная цель достигается тем, что роторная часть электрогенератора установлена на валу турбокомпрессора между рабочими колесами компрессора и турбины, и состоит из магнитной керамической оболочки, состоящей из цилиндрических сегментов, расположенных вдоль оси вала турбокомпрессора, и разделенных плоскостями, проходящими через ось вала, на равные сектора, заключенной в цилиндрическую оболочку из металлического сплава, при этом на несущих дисках выполнены проточки, в которые установлена цилиндрическая оболочка, а в статоре турбогенератора установлена статорная часть электрогенератора.
На чертеже представлен турбоэлектрогенератор.
Ротор турбогенератора 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, вал ротора 7. Роторная часть 8 электрогенератора выполнена в виде наборной цилиндрической магнитной керамической секции 9, состоящей из цилиндрических сегментов 10, расположенных вдоль оси вала турбокомпрессора, и разделенных плоскостями, проходящими через ось вала, на равные сектора, заключенной в цилиндрическую оболочку 11 из металлического сплава, при этом на несущих дисках 3 и 6 выполнены проточки, в которые установлена цилиндрическая оболочка 11. Статор турбогенератора содержит 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.
Турбоэлектрогенератор генератор работает следующим образом.
На вход соплового аппарата 12 турбины подается рабочее тело, например продукты сгорания углеводородного топлива - с давлением, превышающим атмосферное. Из соплового аппарата 12 рабочее тело поступает на вход лопаточного аппарата 5 рабочего колеса 6 турбины, приводя его во вращение, и сбрасывается через выходные каналы лопаточного аппарата 5 рабочего колеса 6 в атмосферу. Вращающий момент через вал 7 передается на рабочее колесо 1 компрессора и приводит его во вращение. В рабочее колесо 1 компрессора через его вход его лопаточного аппарата 2 всасывается атмосферный воздух, который сжимается в компрессоре и с повышенным давлением из выходного диффузора 13 поступает к источнику тепловой энергии, например камере сгорания. Разность мощностей турбины и компрессора снимается с клемм электрогенератора.
Резонансные частоты ротора турбоэлектрогенератора, состоящего из рабочих колес 1 и 4, вала 7 с фиксирующими гайками 16 и роторной части электрогенератора 8, при прочих равных условиях определяются геометрическим и массовыми характеристиками роторной части электрогенератора, диаметром цилиндрической оболочки 11 и массой керамических сегментов 10. При этом превалирующее значение имеет жесткость цилиндрической оболочки 11. Ввиду того что по определению наружный диаметр оболочки 11 принципиально больше наружного диаметра вала, а навешанная на вал масса отсутствует, так как оболочка фиксируется в проточках на несущих дисках 3 и 6, собственные частоты ротора турбоэлектрогенератора принципиально выше собственных частот турбогенератора по прототипу.
При исполнении системы ротор-статор по предлагаемому изобретению в радиальном зазоре формируется радиальное магнитное поле, которое в сочетании с жесткостью опор 15 обеспечивает большую эквивалентную жесткость опор, по сравнению с прототипом, что априори повышает эксплуатационные частоты ротора турбоэлектрогенератора по сравнению с турбогенератором по прототипу.
Устранение из конструкции механической связи валов генератора и электрогенератора исключает влияние поперечных реакций в муфте, что обеспечивает повышение резонансных частот ротора турбоэлектрогенератора.
Эти факторы позволяют с большей степенью надежности отстроить частотные характеристики ротора турбоэлектрогенератора по предлагаемому изобретению от всего спектра резонансных частот во всем диапазоне частот вращения ротора, т.е. принципиально повысить эксплуатационную надежность турбоэлектрогенератора.
Исполнение магнитных керамических деталей ротора в виде фрагментов кольца с опорой этих фрагментов на несущую металлическую поверхность оболочки 11 позволяет практически полностью исключить напряжения изгиба и растяжения в керамике, что обеспечивает наивысшую эксплуатационную надежность в плане возможности разрушения керамических элементов конструкции.
Исполнение магнитных керамических деталей ротора в виде фрагментов кольца позволяет нейтрализовать технологическое влияние масштабного фактора на разброс физико-механических характеристик всей совокупности керамических фрагментов [2], что априори положительно влияет как на надежность изделия в целом, так и на тиражирование прочностных характеристик конструкции.
Конструкция турбоэлектрогенератора по предлагаемому изобретению, наряду с уменьшением числа опорных узлов по сравнению с прототипом в 2 раза, повышает эксплуатационную надежность изделия.
Использованная литература
1. Turbo Genset on trial, Modern Power Systems, July 2000, p.45.
2. A.B.Сударев, A.A.Сурьянинов, В.Г.Конаков. Высокотехнологичная безусадочная керамика для газовых турбин, Газотурбинные технологии, №10(61) 2007, стр.12-16.