ТРАНСПОРТАБЕЛЬНЫЙ ГАЗОТУРБИННЫЙ МОДУЛЬ, НАЗЕМНАЯ ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА С ТРАНСПОРТАБЕЛЬНЫМ ГАЗОТУРБИННЫМ МОДУЛЕМ И СПОСОБ СБОРКИ ТАКОЙ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ
TRANSPORTABLE GAS TURBINE MODULE, GROUND GAS TURBINE INSTALLATION WITH TRANSPORTABLE GAS TURBINE MODULE AND METHOD FOR ASSEMBLY OF SUCH GAS TURBINE INSTALLATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Варианты выполнения, описанные в данном документе, относятся к газотурбинным установкам. В частности, некоторые описанные варианты выполнения относятся к газотурбинной силовой установке, а именно к газотурбинной генераторной установке, содержащей газовую турбину, используемую в качестве первичного двигателя, которая приводит во вращение нагрузку, включающую электрогенератор.
ОПИСАНИЕ УРОВНЯ ТЕХНИКИ
Газовые турбины широко применяют в качестве первичных двигателей в установках по выработке энергии либо промышленных установках, приводящих в действие электрогенераторы или другие ротационные машины, такие как компрессоры. В морских установках часто применяют газовые турбины на базе авиационного двигателя, что обусловлено компактной конструкцией указанных турбин и уменьшенными габаритными размерами. Обычно газовые турбины на базе авиационного двигателя имеют модульную конструкцию. Газовая турбина и нагрузка расположены на общей раме, тем самым образуя единый блок, который, прежде чем транспортировать к месту окончательной установки, проверяют на монтажном и испытательном участке или площадке. Затем общую раму транспортируют к месту назначения и устанавливают на салазки. Применение модульного устройства данного типа особенно целесообразно, поскольку позволяет провести окончательную сборку и испытания ротационных машин перед перевозкой и установкой на месте назначения.
Газовые турбины большой мощности, так называемые мощные газовые турбины, обычно не подлежат делению на модули вследствие больших размеров указанных турбин. Зачастую транспортировку различных компонентов газотурбинной установки от места изготовления к месту назначения выполняют по отдельности. На месте окончательной сборки подготавливают фундамент, на который затем устанавливают отдельные механизмы. Вследствие отличающихся радиальных размеров разных компонентов установки, таких как газовая турбина, электрогенератор и механизм запуска, фундамент иногда выполнен с расположенными на разных уровнях поверхностями для опоры механизмов. В дальнейшем необходимо выполнить выравнивание, механическое соединение и регулировку ротационных машин. Весь процесс занимает очень много времени. Подобная газотурбинная установка описана в патентной заявке US 2010/095683 А1 (Г. Дж. Глинн и др.), 22.04.2010. В этом документе описана рама с опорами для поддержания газотурбинного двигателя на основании, причем опоры расположены в направляющих элементах, установленных на основании и выполненных в виде поперечных балок, так что газотурбинный двигатель выполнен с возможностью снятия с рамы. Нагрузка, соединенная с газотурбинным двигателем, установлена и поддерживается на основании при помощи отдельной рамы для нагрузки, которая жестко прикреплена к основанию на значительном расстоянии от рамы газотурбинного двигателя. Наличие двух отдельных и сильно удаленных друг от друга рам для газотурбинного двигателя и для нагрузки не обеспечивает возможности установки газотурбинного двигателя и нагрузки на общих опорных элементах (например, балках) и формирования тем самым жесткой конструкции, обеспечивающей надлежащие центровку и выравнивание газотурбинного двигателя относительно нагрузки при работе, а также простоту выполнения наладочных операций при монтаже газотурбинного двигателя и нагрузки на основании.
На Фиг. 1 схематически изображена известная газотурбинная генераторная силовая установка, выполненная согласно известному уровню техники. Установка, в целом обозначенная номером 1 позиции, содержит газовую турбину 2, электрогенератор 3 и блок 4 вспомогательного оборудования, включающий пусковую систему. Над блоком 4 расположена система 6 впуска воздуха, соединенная с газовой турбиной 2 посредством воздухозаборного канала 7. Выполнен общий фундамент 8, на котором каждую ротационную машину устанавливают по отдельности.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно одному аспекту предложен транспортабельный газотурбинный модуль, содержащий основание, на которое опираются по меньшей мере мощная газовая турбина с номинальной мощностью не менее 80 МВт и нагрузка, соединенная с указанной турбиной с возможностью приведения в действие, и конструкцию, окружающую указанные турбину и нагрузку и соединенную с основанием, причем основание содержит продольные балки, проходящие параллельно направлению оси вращения газовой турбины, и поперечные балки, проходящие поперечно указанной оси вращения, при этом продольные и поперечные балки образуют первичную решетчатую конструкцию, на которой расположены указанные мощная газовая турбина и нагрузка, мощная газовая турбина и нагрузка расположены на паре продольных балок, и мощная газовая турбина прикреплена к раме турбины, при этом указанная рама соединена с основанием модуля посредством ножек, которые прикреплены к указанной паре продольных балок.
Как правило, нагрузка содержит по меньшей мере одну ротационную машину, например компрессор, такой как холодильный компрессор для областей применения сжиженного природного газа. В предпочтительных вариантах выполнения газовая турбина приводит в действие электрогенератор. Узел, состоящий из газовой турбины и электрогенератора, обычно называют ГТГ-модулем, то есть газотурбинного генераторного модуля.
Согласно другому варианту выполнения предложен транспортабельный газотурбинный модуль, содержащий основание, обеспечивающее опору по меньшей мере для газовой турбины и нагрузки (например, электрогенератора), соединенной с указанной турбиной с возможностью приведения в действие; конструкцию, окружающую указанные турбину и нагрузку и соединенную с основанием; причем основание содержит продольные балки, проходящие параллельно направлению оси вращения газовой турбины, и поперечные балки, проходящие поперечно указанной оси, причем продольные и поперечные балки образуют первичную решетчатую конструкцию, на которой расположены газовая турбина и нагрузка.
Основание преимущественно является транспортабельной конструкцией, изготовленной из металлических балок, например, сваренных друг с другом, с образованием цельной решетчатой конструкции.
В предпочтительных вариантах выполнения газовая турбина и электрогенератор установлены на основании посредством расположенных между ними опорных элементов. Например, газовая турбина может быть установлена на основании для турбины, расположенном между корпусом турбины и главным основанием модуля. Электрогенератор может быть расположен на собственной опорной конструкции. Газовая турбина, или электрогенератор, или они оба могут иметь элементы выравнивания углового положения, расположенные и выполненные с возможностью регулировки наклона газовой турбины, электрогенератора или и того и другого. Элементы выравнивания углового положения могут включать сферические шайбы, располагаемые под корпусом газовой турбины и/или под корпусом электрогенератора. Использование элементов выравнивания углового положения обеспечивает повторное выравнивание механизмов на месте окончательной установки, выполняемое после их транспортировки. Крупногабаритное металлическое основание, предназначенное для размещения мощной газовой турбины, электрогенератора, вспомогательного оборудования, а также конструкции, окружающей механизмы, может подвергаться деформациям в процессе снятия с фундамента на монтажной и испытательной площадке, а также при транспортировке и установке на фундамент на месте назначения. Элементы выравнивания углового положения предполагают возможность повторного выравнивания механизмов, так чтобы их вращающиеся валы снова оказались на одной оси.
В особенно преимущественных вариантах выполнения газовая турбина и нагрузка расположены на паре указанных продольных балок. Эта пара продольных балок, на которых установлены газовая турбина и нагрузка, расположены, например, в промежуточном положении в указанной решетчатой конструкции, образующей основание или его часть, при этом с каждой стороны указанной пары продольных балок, обеспечивающих опору для газовой турбины и нагрузки, расположена по меньшей мере одна внешняя продольная балка. Таким образом, получено основание в виде решетчатой конструкции, на которой могут быть расположены главные механизмы (газовая турбина и нагрузка, например, электрогенератор, систем запуска турбины), а также вспомогательное оборудование, и которую можно снять с фундамента монтажной и испытательной площадки, транспортировать, например, по морю, и окончательно закрепить на фундаменте, например железобетонном фундаменте на месте назначения.
Применение нескольких параллельных продольных балок, центральные из которых предназначены для опоры главных механизмов, помимо прочего обеспечивают пространство, достаточное для расположения под модулем подъемных и перемещающих платформ, применяемых с целью подъема и транспортировки модуля.
Поперечные и продольные балки образуют верхнюю плоскую поверхность основания, на которой расположены ротационные машины. Конструкции или элементы, обеспечивающие промежуточную опору и соединение, предпочтительно расположены между верхней плоской поверхностью основания и отдельными ротационными машинами. Высота указанных конструкций или элементов обеспечивает коаксиальное расположение машин.
В предпочтительных вариантах выполнения поперечные балки и по меньшей мере пара продольных балок, на которых расположены ротационные машины, имеют по существу одинаковую высоту и образуют нижнюю плоскую поверхность основания, причем указанная нижняя поверхность представляет поверхность опоры модуля на фундамент. С целью уменьшения общих затрат и веса основания боковые продольные балки, а именно балки, расположенные по бокам основания, могут иметь уменьшенный вертикальный размер, то есть уменьшенную высоту.
В некоторых вариантах выполнения основание разделено на части, которые расположены по одной линии в направлении, параллельном оси вращения газовой турбины, и соединены друг с другом, образуя жесткую конструкцию основания. Таким образом, путем соединения, например сварки, нескольких указанных частей, примыкающих друг к другу, может быть получен жесткий модуль большого продольного размера.
Длина поперечных балок первичной решетчатой конструкции основания соответствует ширине основания. В свою очередь каждая продольная балка предпочтительно образована из частей или секций, расположенных по одной линии вдоль продольного размера основания, то есть параллельно оси вращения газовой турбины и нагрузки. Каждая часть продольной балки проходит от одной до другой последовательно расположенных поперечных балок. Части каждой продольной балки могут быть соединены друг с другом посредством сварки с промежуточными поперечными балками.
В решетчатой первичной конструкции основания могут быть образованы по существу прямоугольные ячейки. По меньшей мере в некоторых ячейках первичной решетчатой конструкции основания может быть выполнена вторичная решетчатая конструкция. Вторичная решетчатая конструкция может быть образована поперечными вторичными балками, проходящими параллельно поперечным балкам первичной решетчатой конструкции, и/или продольными вторичными балками, проходящими параллельно продольным балкам первичной решетчатой конструкции.
По меньшей мере в некоторых ячейках первичной решетчатой конструкции могут быть расположены жесткие связи или распорки. Распорки могут быть расположены в плоскости, параллельной верхней плоской поверхности, образованной первичной решетчатой конструкцией. Распорки предпочтительно наклонены относительно как продольных, так и поперечных балок.
В некоторых вариантах выполнения поперечные и продольные балки, образующие первичную решетчатую конструкцию, содержат центральное полотно, приваренное к верхним и нижним полкам.
Газовая турбина может быть связана с рамой или основанием турбины, при этом основание в свою очередь закреплено в главном основании газотурбинного модуля. В некоторых вариантах выполнения основание турбины соединено с основанием модуля посредством ножек. Предпочтительно, ножки в свою очередь связаны с парой указанных продольных балок. Между основанием турбины и ножками могут быть установлены сферические шайбы или другие элементы выравнивания, предназначенные для регулирования наклона газовой турбины относительно основания модуля. В некоторых вариантах выполнения под газовой турбиной могут быть выполнены вспомогательные поперечные соединительные балки, обеспечивающие поперечное соединение пары продольных балок, на которые опирается газовая турбина.
В некоторых вариантах выполнения нагрузка расположена на опорах, связанных с указанной парой промежуточных продольных балок, подпирающих ротационные машины. В некоторых вариантах выполнения опоры, на которых расположена нагрузка, проходят параллельно поперечным балкам первичной решетчатой конструкции основания модуля. Между нагрузкой и опорами могут быть установлены сферические шайбы или другие элементы выравнивания.
Согласно другому аспекту данное описание также касается наземной газотурбинной установки, в частности газотурбинной силовой установки, содержащей вышеописанный газотурбинный модуль и фундамент. Фундамент имеет плоскую поверхность опоры для газотурбинного модуля. Плоская поверхность опоры имеет разрывы, а в фундаменте образованы проходы или пустые пространства, расположенные между смежными цоколями, проходящими параллельно продольным балкам основания модуля. Расположение и конфигурация проходов преимущественно обеспечивают установку в них подъемных и перемещающих платформ. В некоторых вариантах выполнения фундамент имеет наружные боковые стенки или наружные цокольные ряды и по меньшей мере одну промежуточную стенку или промежуточный цокольный ряд. Когда газовая турбина и нагрузка, например электрогенератор, опираются на пару смежных продольных балок основания модуля, указанная пара продольных балок лежит на промежуточной стенке или промежуточном цоколе. Поперечные балки основания модуля лежат на промежуточной стенке или промежуточном цоколе и на боковых стенках, боковых цоколях или боковых цокольных рядах. Сверху боковых стенок или боковых цоколей расположены дополнительные наружные продольные балки, проходящие сбоку от центральной пары продольных балок, на которых расположены ротационные машины.
В предпочтительных вариантах выполнения цоколи или стенки имеют выемки, в которые входят подкладки, зацементированные в указанных выемках. Подкладки образуют опорные поверхности для основания, в частности для поперечных и продольных балок, образующих первичную решетчатую конструкцию основания. Вертикальное крепление основания на фундаменте может быть получено посредством резьбовых шпилек, зацементированных в фундаменте и обеспечивающих соединение с основанием. Также может быть предусмотрено горизонтальное крепление основания на фундаменте. Горизонтальное крепление может быть обеспечено посредством шпонок, работающих на срез. Кроме того, такие шпонки могут быть расположены для контроля термического расширения основания. В некоторых вариантах выполнения могут быть применены работающие на срез шпонки, которые блокируют горизонтальное перемещение основания в одном направлении и обеспечивают ограниченное горизонтальное перемещение, например, обусловленное термическим расширением, во втором направлении, ортогональном первому направлению. В некоторых вариантах выполнения первая группа работающих на срез шпонок может быть ориентирована вдоль продольного направления, то есть направления, параллельного длинным сторонам прямоугольной основания, параллельным оси вращения ротационных машин, установленных на указанном основании. Первая группа шпонок может быть установлена в промежуточном местоположении, вблизи линии центров основания, а именно под зоной расположения ротационных машин. Может быть установлена вторая группа работающих нас рез шпонок, которые ориентированы согласно поперечному направлению, то есть согласно направлению, ортогональному оси вращения газовой турбины и нагрузки и параллельно коротким сторонам прямоугольного основания. Предпочтительно, продольное и поперечное направление ориентации первой и второй групп шпонок пересекаются в центральной зоне основания, расположенной примерно под газовой турбиной.
Согласно следующему аспекту данное изобретение также относится к способу сборки наземной газотурбинной установки, содержащей мощную газовую турбину, например, турбину, расчетная мощность которой составляет не менее 80 МВт, приводящую в действие нагрузку, в частности, например, электрогенератор, при этом способ включает следующие этапы:
создание первого фундамента на монтажной и испытательной площадке;
изготовление основания;
прикрепление основания к первому фундаменту, который образует опорную поверхность для основания, имеющую зоны крепления, расположенные согласно первой конфигурации и предназначенные для закрепления указанного основания в указанном фундаменте;
сборка на указанном основании газовой турбины, нагрузки, вспомогательного оборудования и конструкции, окружающей газовую турбину, нагрузку и вспомогательное оборудование, с образованием модуля, при этом указанная конструкция преимущественно также содержит корпус газовой турбины;
испытание газовой турбины и нагрузки;
снятие указанного модуля с первого фундамента;
транспортировка модуля к месту назначения;
закрепление модуля на втором фундаменте, который образует опорную поверхность для основания, имеющую вторые зоны крепления, расположенные согласно второй конфигурации и предназначенные для закрепления указанного основания в указанном фундаменте, при этом первая конфигурация по меньшей мере частично соответствует второй конфигурации.
Испытания газотурбиной установки могут быть проведены, например, на максимальных оборотах и в холостом режиме работы либо на максимальных оборотах и с полной нагрузкой.
После транспортировки к месту назначения и закрепления модуля на втором фундаменте ротационные машины, а именно газовая турбина и нагрузка, могут быть отрегулированы таким образом, чтобы их оси вращения были по существу коаксиальны, то есть взаимный наклон турбины и нагрузки не выходил за пределы допустимых значений. Регулировка угла наклона газовой турбины, или нагрузки, или и нагрузки может при необходимости быть выполнена посредством вышеупомянутых сферических шайб или других элементов регулирования угла наклона. Таким образом, могут быть учтены и компенсированы возможные деформации основания, которые возникли в процессе снятия с первого фундамента на монтажной и испытательной площадке, а также в процессе транспортировки или закрепления на втором фундаменте на месте назначения.
Модульное исполнение газотурбинной установки большой мощности сокращает время, необходимое для монтажа и запуска установки. Газовая турбина большой мощности и нагрузка, приводимая в действие указанной турбиной, так же как и вспомогательное оборудование, такое как пусковой двигатель, системы смазки, вся электропроводка и электрооборудование, датчики и зонды, блок управления, топливная система, устройства охлаждения и другое оборудование, входящее в состав модуля, могут быть целиком и полностью протестированы на монтажной и испытательной площадке. Далее потребуется выполнить всего лишь небольшую регулировку модуля перед запуском на месте окончательной установки.
Таким образом, модульное исполнение газовой турбины большой мощности, соответствующей нагрузки и оборудования обеспечивает существенную экономию во времени и рабочей силе.
В вышеизложенном кратком описании приведены характерные особенности разных вариантов выполнения данного изобретения с целью лучшего понимания приведенного ниже подробного описания и оценки усовершенствований существующей техники. Разумеется, существуют и другие особенности изобретения, которые будут описаны далее и сформулированы в прилагаемой формуле изобретения. В связи с этим, прежде чем перейти к подробному объяснению некоторых вариантов выполнения следует учесть, что разные варианты выполнения изобретения не ограничены в их применении деталями конструкции и расположением компонентов, как указано в приведенном ниже описании или изображено на чертежах. Изобретение может предполагать другие варианты выполнения и может быть реализовано на практике и осуществлено разными способами. Кроме того, следует понимать, что используемые в данном документе фразеология и терминология являются описательными и не должны считаться ограничивающими.
С учетом изложенного специалисты в данной области техники поймут, что принцип, на котором построено изобретение, может быть легко использован в качестве базы для разработки других конструкций, способов и/или систем, обеспечивающих реализацию некоторых целей данного изобретения. Таким образом, важно отметить, что формула изобретения включает указанные эквивалентные конструкции, если они не выходят за рамки сущности и объема данного изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Более глубокую оценку и понимание описанных вариантов выполнения изобретения и его многочисленных преимуществ можно получить из приведенного ниже подробного описания, выполненного со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 изображает схематический вид сбоку газотурбинной генераторной установки, выполненной согласно известному уровню техники;
Фиг. 2 изображает вид в аксонометрии модульной газотурбинной генераторной установки;
Фиг. 3 изображает вид в аксонометрии основания для модуля, изображенного на Фиг. 2, на которой расположены газовая турбина и электрогенератор;
Фиг. 4 изображает вид сверху основания, изображенного на Фиг. 3,
Фиг. 5 изображает упрощенный вид сверху основных компонентов основания;
Фиг. 6 изображает вид основания снизу в аксонометрии;
Фиг. 7 изображает разрез по линии VII-VII на Фиг. 4;
Фиг. 8 изображает разрез по линии VIII-VIII на Фиг. 4;
Фиг. 9 изображает фрагмент подкладки и субподкладки, на которые опирается основание, располагаясь на фундаменте;
Фиг. 10 изображает разрез по линии Х-Х на Фиг. 9;
Фиг. 11 изображает увеличенный вид фрагмента, обозначенного как XI на Фиг. 10;
Фиг. 12 изображает разрез в вертикальной плоскости устройства резьбовой шпильки, предназначенного для закрепления основания в фундаменте;
Фиг. 13 изображает разрез в вертикальной плоскости, параллельной оси турбины, устройства сферической шайбы, обеспечивающего опору для электрогенератора;
Фиг. 14 изображает разрез по линии XIV-XIV на Фиг. 13;
Фиг. 15 изображает в виде сбоку опору газовой турбины на основании;
Фиг. 16 изображает вид сбоку работающей нас рез шпонки, применяемой для горизонтального закрепления основания в фундаменте; и
Фиг. 17 изображает разрез по линии XVII-XVII на Фиг. 16.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Приведенное ниже подробное описание примерных вариантов выполнения выполнено со ссылкой на прилагаемые чертежи. Одинаковыми номерами позиций на разных чертежах обозначены одинаковые или подобные элементы. Кроме того, чертежи не обязательно выполнены в масштабе. Более того, приведенное ниже подробное описание не ограничивает изобретение. В действительности, объем изобретения определен формулой изобретения.
Используемая на протяжении данного описания ссылка на выражение «один вариант выполнения», или «вариант выполнения», либо «некоторые варианты выполнения» означает, что конкретный признак, конструкция или характеристика, описанные применительно к варианту выполнения, включены по меньшей мере в один вариант выполнения описанного предмета изобретения. Таким образом, фраза «в одном варианте выполнения», или «в варианте выполнения», либо «в некоторых вариантах выполнения», используемая в разных местах описания, не обязательно относится к одному и тому же варианту (вариантам) выполнения. Более того, конкретные признаки, конструкции или характеристики могут сочетаться любым соответствующим образом в одном или нескольких вариантах выполнения.
На Фиг. 2 изображен вид в аксонометрии газотурбинной генераторной установки согласно одному варианту выполнения данного изобретения. На Фиг. 3 изображен вид в аксонометрии, а на Фиг. 4 - вид сверху основания и главных ротационных машин, расположенных на указном основании. Газотурбинная генераторная установка выполнена в виде модуля, обозначенного номером 21 позиции на Фиг. 2 и 3, и установлена на фундаментах 23. Установка содержит основание 25, обеспечивающую опору для газовой турбины 27, электрогенератора 29 и вспомогательных узлов, таких как устройство запуска газовой турбины (не показано на чертеже), соединенного с газовой турбиной на стороне, противоположной электрогенератору 29.
Основание 25 также обеспечивает опору для окружающей конструкции 33, внутри которой расположены вспомогательные устройства, аппаратура и оборудование (такое как краны для перемещения механизмов, образующих газотурбинный агрегат), воздухозаборный узел, фильтры, шумоглушители, системы подачи топлива и системы регулирования, системы смазки и т.п. Указанное оборудование известно специалистам, и его подробное описание не приводится. Кроме того, в конструкции 33 расположен корпус 34 газовой турбины.
Основание 25 разработано таким образом, что его можно изготовить на производственном участке, перевезти на монтажную и испытательную площадку, где выполняют полную сборку указанного основания со всеми механизмами, вспомогательным оборудованием и конструкцией 33. В результате вся установка полностью разбита на модули. После сборки и испытания модуль может быть перевезен на место назначения и просто закреплен на фундаменте, выполненном на месте окончательной установки, что минимизирует вмешательство человека и время, необходимое для запуска установки.
В некоторых вариантах выполнения газовая турбина 27 представляет собой газовую турбину большой мощности, вырабатывающую 80 МВт или более, например, с расчетной мощностью от 80 МВт до 150 МВт. Примером соответствующей газовой турбины 27 большой мощности является газовая турбина марки MS9001E, выпускаемая компанией GEEPE (Белфорт, Франция). Другой соответствующей газовой турбиной большой мощности является газовая турбина марки MS7001EA, выпускаемая компанией GE Energy US специально для энергетического рынка, работающего на частоте 60 Гц. Указанные газовые турбины разработаны для выработки механической мощности в диапазоне 80-140 МВт. Конструкция основания 25 разработана специально для того, чтобы испытания и перевозку мощных ротационных машин (газовой турбины 27 и электрогенератора 29), а также окружающей конструкции и остального оборудования, устанавливаемого на основании, можно было выполнить без необходимости разборки на части после проведения испытаний и в целях транспортировки. Далее будут описаны основные характеристики основания 25, в частности, со ссылкой на Фиг. 2 - 8.
Как изображено на Фиг. 2, устройство выпуска газообразных продуктов сгорания предпочтительно расположено сбоку от главного модуля 21. Это уменьшает общие размеры модуля 21 и площадь его основания, то есть размеры основания 25.
Согласно некоторым примерным вариантам выполнения основание 25 имеет сложную решетчатую конструкцию, содержащую первичную и вторичную решетчатые конструкции. Для лучшего понимания основных особенностей модульной газотурбинной генераторной установки на Фиг. 5 изображены только главные компоненты первичной решетчатой конструкции, а элементы вторичной решетчатой конструкции не показаны. Вся конструкция основания изображена на Фиг. 3, 4 и 6, при этом Фиг. 6 представляет собой вид основания в аксонометрии и снизу.
В некоторых вариантах выполнения первичная решетчатая конструкция основания 25 состоит из секций 25А, 25В, 25С, 25D, 25Е, 25F, собранных вместе вдоль продольной протяженности указанного основания. Продольная протяженность параллельна оси вращения коаксиальных ротационных машин, расположенных на основании 25, то есть газовой турбины 27 и электрогенератора 29. Каждая секция 25А, 25В, 25С, 25D, 25Е, 25F содержит две поперечные балки 41, проходящие в поперечном направлении, то есть по существу ортогонально оси газовой турбины и электрогенератора и по всей ширине основания 25. Между каждой парой поперечных балок 41 расположены части 43 продольных балок. В примерном варианте выполнения, изображенном на чертежах, между каждой парой поперечных балок 41 расположены четыре части 43 продольных балок. Данные четыре части обозначены как 43А, 43В, 43С и 43D. Путем сборки и сваривания разных секций 25А, 25В, 25С, 25D, 25Е, 25F друг с другом получают первичную решетчатую конструкцию основания 25, состоящую из четырех продольных балок, проходящих от первого конца основания ко второму его концу. Полученные в результате продольные балки обозначены 45А, 45В, 45С и 45D, соответственно.
Поперечные балки 41 и части 43 продольных балок предпочтительно имеют Н-образную или L-образную форму. Вследствие большого размера части 43 и балки 41 изготавливают не в процессе горячей прокатки, а образуют путем приваривания центрального полотна к двум противоположным полкам.
Промежуточные части 43В и 43С балок и поперечные балки 41 имеют одинаковые вертикальные размеры, таким образом образуя плоскую верхнюю и нижнюю поверхности. В предпочтительных вариантах выполнения части 43А и 43D продольных балок некоторых секций 25А, 25В, 25С, 25D, 25Е, 25F имеют укороченные вертикальные размеры, что лучше всего можно видеть на Фиг. 3. В частности, в примерном варианте выполнения, изображенном на чертежах, основание 25 состоит из шести секций 25А, 25В, 25С, 25D, 25Е, 25F, и первые четыре секции 25А, 25В, 23С, 23D имеют укороченные части 43А, 43D продольных балок. В других вариантах выполнения, не представленных на чертежах, все боковые части 43А, 43D всех секций 25А-25F основания могут иметь уменьшенный вертикальный размер. Боковые части 43А, 43D продольных балок расположены таким образом, что их верхние полки расположены на общей верхней плоской поверхности.
Как можно заметить, например, из вида сверху основания 25 и расположенных на ней соответствующих ротационных машин две промежуточные продольные балки 45В, 45С расположены ближе друг к другу на таком расстоянии, что на указанные балки могут опираться ротационные машины.
В частности, газовая турбина 27 опирается на раму или основание 47, которое в свою очередь установлено на двух промежуточных продольных балках 45В, 45С посредством ножек 49, расположенных между указанным основанием газовой турбины и указанными продольными балками. Соединение между ножками 49 и основанием 47 газовой турбины с одной стороны и основанием 25 с другой стороны может быть выполнено посредством сварки. При данном устройстве вес газовой турбины переносится непосредственно на промежуточные продольные балки 45В, 45С. В некоторых устройствах под основанием 47 газовой турбины расположены вспомогательные поперечные укрепляющие балки 48, обеспечивая жесткую основу с целью создания поперечных и/или продольных связей для указанного основания и модульного основания 25.
В некоторых вариантах выполнения электрогенератор 29 установлен на двух поперечных коробчатых опорах 51. В предпочтительных вариантах выполнения две коробчатые опоры проходят между двумя промежуточными продольными балками 45В, 45С и закреплены на них, например сваркой. В варианте выполнения, изображенном на чертежах, длина двух коробчатых опор в продольном направлении, то есть в направлении, параллельном оси газовой турбины, соответствует ширине соответствующих секций 25А, 25В, 25С, 25D, 25Е, 25F основания, так что коробчатые опоры 51 частично переносят вес электрогенератора на поперечные балки 41.
В варианте выполнения, изображенном на чертежах, промежуточные продольные балки 45В, 45С расположены не симметрично относительно центральной линии основания 25, а несколько ближе к продольной балке 45А, чем к продольной балке 45D. В других вариантах выполнения расположение продольных балок 45А-45D может быть симметрично относительно центральной линии основания 25.
Вертикальные стойки 65 конструкции 33, окружающей установку, приварены к основанию 25 в местах соединения друг с другом частей 43А-43D продольных балок и поперечных балок 41 и вдоль продольных боковых краев основания 25. Подробное описание конфигурации конструкции 33 приведено не будет. Конструкция 33 может отличаться в зависимости от типа оборудования, располагаемого в указанной конструкции, а также от ее конфигурации.
Как можно видеть на Фиг. 5, в некоторых прямоугольных ячейках первичной решетчатой конструкции, образованных продольными балками 45А-45D и поперечными балками 41, выполнены распорки 53, 55, приваренные друг к другу и/или к первичной решетчатой конструкции, образованной балками 41 и 45А-45D, при использовании вспомогательных укрепляющих пластин 57, изображенных на Фиг. 4, но не показанных на упрощенном виде сверху на Фиг. 5. Распорки 53, 55 придают жесткость всему основанию 25 в горизонтальной плоскости. В некоторых вариантах выполнения наклонные распорки предусмотрены в каждой прямоугольной ячейке первичной решетчатой конструкции, при этом ячейка образована поперечными балками 41 и продольными балками 45 и расположена вдоль одной из длинных сторон основания 25 и его обеих коротких сторон. В варианте выполнения, представленном на чертежах, распорки расположены в прямоугольных ячейках первичной решетчатой конструкции, которые образованы между одной из промежуточных продольных балок, обеспечивающих опору для вращающихся механизмов 27, 29, и соседней боковой продольной балкой, то есть внешней продольной балкой 45А.
В каждой ячейке, образованной в первичной решетчатой конструкции, расположены вторичные балки, образующие вторичную решетчатую конструкцию. Вторичные балки обозначены как 61, 63, при этом балки 61 проходят параллельно балкам 41, а балки 63 проходят параллельно продольным балкам 45А-45D. Вторичные балки 61, 63 и образованная ими вторичная решетчатая конструкция подробно не описаны. Указанное устройство может изменяться в зависимости от компоновки разного оборудования, расположенного в конструкции 33. Вторичная решетчатая конструкция, образованная балками 61, 63, образует опорную конструкцию для панелей пола под вспомогательное оборудование.
Поперечные балки 41 и по меньшей мере центральные продольные балки 45В, 45С образуют нижнюю плоскую поверхность, лежащую на фундаменте 23. Как правило, фундамент образован в виде расположенного в грунте монолитного железобетонного блока, имеющего несколько выступающих над землей частей. Как лучше всего видно на Фиг. 3, 7 и 8, фундамент 23 образует горизонтальную плоскую поверхность F, на которой расположено основание 25. Поверхность F имеет разрывы. В частности, поверхность F прерывается двумя пустыми пространствами, которые далее называются продольными «проходами» 71, 73. Продольный проход 71 имеет нижнюю поверхность 71В и боковые поверхности 71S. Продольный проход 73 имеет нижнюю поверхность 73В и боковые поверхности 73S. Два прохода 71 и 73 делят железобетонный блок, образующий фундамент 23, на две боковые стенки или боковые цоколи 23А и одну центральную стенку или центральный цоколь 23В, образуя указанные выступающие над землей части подземного железобетонного блока. Боковые стенки или выступающие части 23А подземного блока могут быть заменены или образованы двумя рядами цоколей.
Нижняя полка каждой поперечной балки 41 лежит на верхних поверхностях стенок 23А, 23В, таким самым образуя три зоны, в которых каждая поперечная балка лежит на фундаменте 23. Нижние полки двух промежуточных продольных балок 45В и 45С соприкасаются с верхней поверхностью промежуточной стенки 23В вдоль продольной протяженности основания 25 по меньшей мере в зоне, где расположены турбина 27 и/или электрогенератор 29. Как описано далее, модуль не имеет непосредственного контакта с фундаментом, а опирается на фундамент посредством подкладок и резьбовых шпилек, зацементированных в железобетонной конструкции фундамента 23.
В частности, как изображено на Фиг. 7 и 8, «проходы» 71, 73 используют для введения подъемных и передвижных платформ 81 под основание 25 модуля 21. Платформы выполнены с соответствующими колесами 83 и подвижными в вертикальном направлении подъемными плитами, управляемыми, например, посредством гидравлических или механических домкратов, не показанных на чертежах. Как уже было упомянуто, конструкция основания 25 и модуля 21 позволяет выполнять сборку и испытания всей газотурбинной генераторной установки на монтажной и испытательной площадке до перевозки к месту назначения. По существу аналогичные фундаменты 23 выполнены как на монтажной и испытательной площадке, так и на месте окончательной установки модульной газотурбинной генераторной установки. Таким образом, на монтажном и испытательном участке или площадке модуль может быть полностью собран вместе с основанием 25, закрепленным соответствующим образом в фундаменте 23, и установка может быть испытана, например, на максимальных оборотах и в холостом режиме работы, в конфигурации, которая наиболее достижимым образом отображает и представляет как статическое, так и динамическое поведение в процессе эксплуатации. Каждая часть механизма может быть соответствующим образом отрегулирована и настроена. После завершения испытаний основание 25 просто отсоединяют от фундамента 23 и поднимают вместе с механизмами, оборудованием и конструкцией 33, установленными на указанном основании, и посредством платформ 81 перевозят, например, на судно, осуществляющее транспортировку к месту назначения.
На судне модуль ставят на временные фундаменты, конфигурация которых тоже подобна конфигурациям фундамента, выполненного на месте окончательной установки, учитывая тот факт, что как на монтажном и испытательном участке, так и на месте назначения будут использованы одинаковые платформы.
При этом для подъема и перемещения модуля с судна на фундамент 23 будут использованы те же платформы 81, которые применялись на монтажном и испытательном участке, или подобные платформы, имеющиеся на месте окончательной установки. Поскольку фундаменты, выполненные на двух площадках (монтажном и испытательном участке и месте окончательной установки) по существу являются одинаковыми, модуль будет готов к запуску сразу же после выполнения незначительных переустановок и проверок.
Вышеописанная конструкция основания 25 и конструкция фундамента 23, выполненного с «проходами» 71, 73, специально предназначены для опоры всего модуля, включающего газовую турбину большой мощности и соответствующего электрогенератора, с обеспечением транспортировки модуля при пренебрежимо малых деформациях изгиба основания, так что установка будет по существу готова к запуску сразу после ее перемещения на место назначения и соответствующего закрепления на фундаменте 23.
Далее, со ссылкой на Фиг. 9-12 описана особенно эффективная крепежная конструкция, разработанная с указанной целью.
На верхних поверхностях трех стенок 23А, 23В выполнены выемки, в которых расположены подкладки, образующие опорные поверхности для основания 25. Выемки распределены согласно решетчатой конструкции основания 25. Например, выемки могут быть расположены вдоль продольных балок 45А-45D и, в частности, вдоль промежуточных продольных балок 45В, 45С, а также вдоль поперечных балок 41, предпочтительно в местах пересечения балок друг с другом. В предпочтительных вариантах выполнения выемки и подкладки расположены также под вспомогательными поперечными балками 48, расположенными под турбиной 27.
Примерная конструкция выемки и соответствующей подкладки изображена на Фиг. 9-11. В выемке, обозначенной номером 85 позиции, расположены и зацементированы субподкладка 87 и подкладка 89. Субподкладка 87 выполнена с регулировочными винтами 91. Перед размещением модуля 21 на фундаменте 23 в каждой выемке 85 располагают субподкладки 87 и соответствующие подкладки 89, выравнивают их по высоте таким образом, чтобы верхняя поверхность подкладки была горизонтальной. Затем устройство из подкладки и субподкладки 89, 87 цементируют в выемке 85, закрепляя их в правильном положении. Далее модуль перемещают посредством платформ 81 над фундаментом 23 и опускают, устанавливая на подкладки 89. Возможные зазоры, образованные между основанием 25 и отдельными подкладками вследствие конструктивных допусков основания 25, заполняют регулировочными прокладками (не показаны на чертежах).
В отверстиях 95, образованных около каждой подкладки 87 в железобетонном блоке фундамента 23, зацементированы резьбовые шпильки 93. Основание 25 соединяют со шпильками 93 гайками 97, при этом шпильки 93 проходят сквозь отверстия 98, выполненные в основании 25, например в нижней полке 99 поперечных балок 41 или продольных балок 45А-45D. Шпильки 93 обеспечивают вертикальное закрепление основания 25 в фундаменте 23.
Как правило, шпильки 93 не могут выдержать напряжений горизонтального сдвига и, следовательно, не подходят для обеспечения горизонтального закрепления основания 25 на фундаменте 23. В варианте выполнения, показанном на чертежах, снизу основания 25 дополнительно выполнены работающие на срез шпонки, обеспечивающие горизонтальное закрепление основания 25 на фундаменте 23. Преимущественно, конструкция и устройство работающих на срез шпонок обеспечивают регулирование термических расширений основания 25. В действительности, следует отметить, что вследствие термических градиентов между фундаментом 23 и основанием 25 последнее будет подвергаться термическим расширениям и в продольном, и в поперечном направлениях, при этом указанные расширения будут отличаться от соответствующих термических расширений фундамента 23, на котором закреплено основание 25.
На виде снизу основания, изображенном на Фиг. 6, показано основное устройство работающих на срез шпонок. В данном варианте выполнения первая группа работающих на срез шпонок 94 ориентирована вдоль продольного направления основания 25, то есть направления, параллельного длинным сторонам указанного прямоугольного основания и параллельно оси вращения турбины 27 и электрогенератора 29. Предпочтительно шпонки 94 первой группы расположены между второй продольной балкой 45В и третьей продольной балкой 45С. Предпочтительно шпонки 94 расположены ближе к одной или другой из двух параллельных продольных балок 45В, 45С, а не по центру между ними. Вторая группа работающих на срез шпонок 96 ориентирована вдоль поперечной линии, параллельной коротким сторонам основания 25 и, следовательно, ориентирована под углом 90° к оси вращения турбины 27 и электрогенератора 29. В варианте выполнения, показанном на Фиг. 6, два направления ориентации двух групп шпонок пересекают друг друга под газовой турбиной. Предпочтительно шпонки идентичны друг другу. Указанные шпонки могут либо блокировать перемещение основания 25 в обоих горизонтальных направлениях, либо оставлять степень свободы для указанного основания в одном горизонтальном направлении, при этом блокируя перемещение основания в другом направлении, в зависимости от способа соединения указанных шпонок с балками, образующими основание 25.
Далее описано соединение между основанием 25 и одной из шпонок 94, изображенное на Фиг. 16 и 17. Шпонки 96 соединены с основанием 25 по существу таким же образом.
В представленном варианте выполнения шпонка 94 содержит вертикально расположенный стержень 94А с двутавровым профилем, который зацементирован в гнезде 94В, образованном в фундаменте 23. Шпонка 94 дополнительно содержит соединительную планку 94С, приваренную к одной из полок стержня 94А и к соединительной пластине 94D. Пластина 94D прикреплена к крепежной полке 94Е, которая в свою очередь приварена к одной из балок, образующих первичную решетчатую конструкцию основания 25, например к балке 45В. Устройство 94G, состоящее из винтов и гаек, обеспечивает сцепление соединительной пластины 94D и крепежной полки 94Е. Чтобы обеспечить возможность горизонтального перемещения балки 45В относительно стержня 94А, зацементированного в фундаменте 23, обусловленное, например, термическим расширением, крепежная полка 94Е может быть выполнена с пазами, вытянутыми в направлении, параллельном балке 45В, сквозь которую проходят винты 94G. При данном устройстве может быть обеспечено смещение по стрелке f45 балки 45В относительно шпонки 94.
Конфигурация устройства такова, что шпонки 94 обеспечивают регулируемое смещение основания 25 параллельно ориентации указанных шпонок, то есть параллельно оси вращения турбины 27 и электрогенератора 29. С другой стороны, шпонки 96 обеспечивают регулируемое смещение основания 25 параллельно поперечному направлению, то есть направлению, ориентированному под углом 90° к оси вращения турбины 27 и электрогенератора 29. Площадь основания 25, где пересекаются друг с другом две группы шпонок, то есть область под турбиной 27, по существу заблокирована в фундаменте 23.
Таким образом, модуль может испытывать термическое расширение как в продольном, так и в поперечном направлении относительно фундамента 23, при этом центр основания 25 остается по существу неподвижным.
Для устранения изгибных напряжений шпилек 93, возникающих вследствие термического расширения и последующего горизонтального смещения основания 25, сквозные отверстия 98, через которые проходят указанные шпильки, имеют существенно больший размер по сравнению с данными шпильками и/или выполнены с пазом.
В некоторых вариантах выполнения конструктивные допуски сварной стальной конструкции основания 25 не позволяют добиться заданного уровня плоскостности поверхностей, на которые опираются ротационные машины, что также обусловлено размерами указанного основания. По данной причине указанные поверхности могут быть подвергнуты машиной обработке после расположения основания 25 на фундаменте на монтажной и испытательной площадке.
Центровка валов ротационных машин, образующих агрегат, фактически должна быть выполнена до начала запуска, как для испытаний, так и для эксплуатации, после установки модуля на фундаменте. Ненадлежащая центровка может вызвать вибрации и в худшем случае преждевременный выход из строя подшипников. Центровка в холодном состоянии компенсирует термическое расширение рабочего оборудования путем точного смещения приводящих и управляемых компонентов. Смещение обеспечивает соосное расширение оборудования при нормальных режимах эксплуатации.
Идеальная центровка при полной нагрузке (в горячем состоянии) имеет место, когда все линии центров элементов, входящих в приводной механизм, то есть оси вращения разных ротационных машин (газовой турбины, электрогенератора, устройства запуска) точно совпадают. Линия центров каждого элемента приводного механизма в холодном состоянии расположена таким образом, что при температуре, соответствующей полной нагрузке, каждый указанный элемент будет перемещаться в идеальное положение.
В дополнение к вышеуказанному, хотя конструкция основания 25 является очень жесткой, вес расположенных на ней ротационных машин и возможные нагрузки от воздействия окружающей среды таковы, что в процессе транспортировки модуля 21 от места изготовления или монтажной и испытательной площадки к месту назначения, могут возникнуть некоторые деформации основания 25 или, что вероятнее всего, некоторые, хотя и небольшие изменения относительного положения приводящего и исполнительного оборудования, так что ротационные машины нужно повторно центрировать после установки на месте назначения.
С данной целью, согласно некоторым предпочтительным вариантам выполнения, по меньшей мере одна из ротационных машин, а предпочтительно и газовая турбина и электрогенератор установлены на основании 25 с помощью сферических шайб, расположенных между указанными основанием и машиной. На Фиг. 13 и 14 изображено устройство из сферических шайб, расположенное под электрогенератором 29. В некоторых вариантах выполнения корпус электрогенератора установлен на двух коробчатых опорах 51 с использованием четырех комплектов сферических шайб, расположенных на концах обеих этих опор. В каждый комплект 101 входят, например три сферические шайбы 103. Сферические шайбы располагают между нижней плитой 51А, к примеру, образующей единую часть с соответствующей коробчатой опорой 51, и верхней плитой 105, обеспечивающей опору для электрогенератора. В предпочтительных вариантах выполнения, в верхней поверхности нижней плиты 51А способом машинной обработки выполнен неглубокий канал 107. В канале 107 установлены три шайбы 103 каждого комплекта, частично выступающие из указанного канала. Каждая шайба 103 может иметь круглую или предпочтительно квадратную, либо прямоугольную форму на виде сверху, и состоит из двух компонентов 103А и 103В. Компонент 103А находится в контакте одном канала 107, а компонент 103В соприкасается с верхней плитой 105, обеспечивающей опору для электрогенератора.
Два компонента 103А, 103В имеют соответствующие вогнутые и выпуклые сферические поверхности, соприкасающиеся друг с другом. Таким образом, наклон каждого верхнего компонента 103В относительно опоры 51 можно регулировать независимым образом для каждой одной из сферических шайб 103. Это обеспечивает правильное расположение каждой верхней плиты 105, обеспечивающей опору для электрогенератора, так что опирающийся на указанную плиту электрогенератор 29 будет коаксиален газовой турбине. Таким образом, любое возможное нарушение соосности электрогенератора и газовой турбины, например обусловленное различными деформациям основания 25, возникающими в процессе транспортировки от монтажной и испытательной площадки или участка к месту окончательной установки, можно устранить просто путем дополнительной установки полнопрофильных регулировочных прокладок между сферическими шайбами и корпусом электрогенератора, без риска потерпеть неудачу при достижении заданной плоскостности.
Подобное устройство из сферических шайб может быть предусмотрено между турбиной 27 и основанием 25. На Фиг. 15 схематически изображены сферические шайбы 111, расположенные между основанием 47 газовой турбины и ножками 49. Шайбы 111 выполнены и расположены таким образом, что наклон основания 47 можно регулировать, обеспечивая коаксиальность газовой турбины 27 и электрогенератора 29.
Вышеописанная модульная конструкция и, в частности, основания 25 так же как и конструкция фундамента 23, позволяет выполнять сборку газотурбинной силовой установки, включающей главную раму мощной газовой турбины и нагрузку, например в частности электрогенератор, на месте изготовления либо монтажном и испытательном участке; испытания указанной установки на максимальных оборотах и в холостом режиме работы или максимальных оборотах и при полной нагрузке; и дальнейшую транспортировку в виде модуля по морю и/или по суше к месту назначения. С данной целью на монтажной и испытательной площадке или по месту изготовления возводят первый фундамент 23. Сборку и закрепление основания 25 на первом фундаменте 23 выполняют при помощи резьбовых шпилек 93, и на данном основании устанавливают весь модуль, включая ротационные машины, вспомогательные устройства и оборудование, в том числе наружную конструкцию 33, окружающую корпус газовой турбины. Машины совмещают в осевом направлении, настраивают и испытывают.
Модуль после его полных испытаний можно демонтировать с первого фундамента 23 путем снятия гаек со шпилек 93 (смотри Фиг. 12). Для подъема модуля с первого фундамента 23 и его транспортировки, например к судну, обеспечивающему перевозку по морю данного модуля к месту назначения, применяют платформы 81. На судне модуль снова поднимают посредством платформ 81 и помещают над вторым фундаментом 23, который может быть идентичен или подобен фундаменту 23, на котором выполняли сборку и испытание модуля на монтажной и испытательной площадке. Идентичность двух фундаментов 23 не обязательна. Достаточно, чтобы оба фундамента были в определенной степени подобны, обеспечивая одинаковое динамическое и статическое поведение модуля. В частности, оба фундамента 23 должны иметь проходы для введения и выведения платформ 81 и опорные поверхности, обеспечивающие поддержку первичных продольных балок 45А-45D и поперечных балок 41, а также закрепление этих балок в фундаменте посредством подкладок и резьбовых шпилек, как описано выше.
Таким образом, вышеописанная конструкция обеспечивает модульное исполнение и транспортировку газовых турбин большой мощности, тем самым уменьшая время и затраты, связанные со сборкой и запуском газотурбинной установки на месте окончательной сборки.
Хотя варианты выполнения представленного изобретения изображены на чертежах и в полной мере конкретно и подробно описаны выше применительно к нескольким примерным вариантам выполнения, специалистам понятно, что возможны многочисленные модификации, изменения и опущения, по существу не выходящие за рамки новаторских идей, принципов и концепций, описанных в данном документе, а также преимуществ изобретения, изложенного в формуле изобретения. Следовательно, соответствующий объем описанных выше усовершенствований должен быть определен только самым широким толкованием формулы изобретения, включая все такие модификации, изменения и опущения. Кроме того, порядок или последовательность любых процессов или этапов способа могут быть изменены согласно альтернативным вариантам выполнения.