ТУРБИНА ГАЗОВАЯ

Полезная модель относится к области энергетического машиностроения, а именно, к газовым турбинам, используемым в качестве энергоисточников широкого спектра машин: во вспомогательных силовых установках воздушных судов; маршевых силовых установках с электроприводом винтов и винто-кольцевых движителей; источника воздуха для привода подъемных вентиляторов воздушных судов с укороченным или вертикальным взлетом и посадкой, а также может быть использована в составе газотурбинных установок для генерации электрической энергии и сжатого воздуха.
Известен роторный узел турбомашины, включающий установленный в подшипниках приводной вал, расположенные на валу рабочее колесо и турбину. Подшипниковая система приводного вала включает подшипники по концам вала и радиальный подшипник газового буфера, расположенный в «горячей зоне» между рабочим колесом и турбиной.
(см. патент США №7112036, кл. F01D 17/00, 2005 г.).
В результате анализа данного решения необходимо отметить, что установка подшипника в «горячей зоне» приводит к необходимости его частого технического обслуживания. Кроме того, расположение подшипников на длинном валу, который в процессе эксплуатации подвержен изгибным деформациям и вибрациям, которые передаются на агрегаты турбомашины, ограничивает эксплуатационные параметры турбины.
Известна газотурбинная энергетическая установка, содержащая пусковое устройство, центробежный компрессор, связанный с воздушным входом камеры сгорания, оснащенной горелочными устройствами и устройством розжига, выход камеры сгорания через теплообменник связан с центростремительной турбиной, ротор которой имеет возможность соединения с электрическим генератором. Роторы пускового устройства, центробежного компрессора и центростремительной турбины смонтированы на общем валу, установленном в газостатических подшипниках, один из которых расположен за пусковым устройством, а второй - за центростремительной турбиной. Установка оснащена блоком управления, регулирующим работу пускового устройства, устройства розжига и центростремительной турбины.
(см. патент РФ на полезную модель №101096, кл. F02C 3/05, 2010 г.).
Особенностью известной конструкции является применение двух групп неуправляемых газостатических подшипника, на которые установлен длинный неразъемный гибкий вал. Недостатком такого решения является большой расход сжатого воздуха при постоянном поддуве неуправляемых газостатических подшипников, а также невозможность подавления изгибных колебаний длинного гибкого вала при их возникновении, так как для этого необходимо, как минимум демпфирование в подшипниках и управление их жесткостью.
Известна газовая турбина газотурбинного двигателя, (развитие энергетической установки по патенту №101096), содержащая пусковое устройство, центробежный компрессор, имеющий возможность соединения с камерой сгорания, оснащенной горелочными устройствами и устройством розжига, выход камеры сгорания связан с центростремительной турбиной. Образующие роторный узел турбины роторы пускового устройства, центробежного компрессора и центростремительной турбины установлены на одном валу, смонтированном в двух газостатических подшипниках, один из которых установлен за пусковым устройством, а второй - за центростремительной турбиной. Роторный узел включает третий газостатический подшипник, смонтированный на валу между центробежным компрессором и центростремительной турбиной. В качестве газостатических подшипников используют управляемые газостатические подшипники.
(см. патент РФ на полезную модель №156076, кл. F02С 7/06, 2014 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа известного решения необходимо отметить, что наличие третьего подшипника повышает жесткость вала и обеспечивает гашение пульсирующих нагрузок на роторе центростремительной турбины. Однако использование в конструкции управляемых газостатических подшипников приводит к необходимости постоянной подачи рабочей среды под избыточным давлением в смазочный слой подшипников, что снижает экономичность, при этом, используемые в настоящее время струйные, электрические и электропневматические системы управления характеризуются ограниченным быстродействием, в результате чего управляемые газостатические подшипники могут применяться только на сравнительно тихоходных крупноразмерных газотурбинных установках. Использование в конструкции роторного узла длинного гибкого монолитного вала в сочетании с управляемыми газостатическими подшипниками, даже при наличии дополнительной опоры между компрессором и турбиной, при ударном изменении нагрузки, например, в процессе подключения к валу дополнительных нагрузок (электрических или механических) или при выполнении воздушным судном энергичного маневра с большой перегрузкой, сопровождается, как правило, возбуждением изгибных колебаний и прецессией вала, которые сложно компенсировать при помощи системы управления положением вала. Монолитная конструкция гибкого вала не предусматривает возможность подключения дополнительных нагрузок, например, компрессора для выработки сжатого воздуха на технологические нужды. Изложенное выше значительно сокращает область применения данной турбины.
Техническим результатом настоящей полезной модели является расширение области использования турбины газовой за счет обеспечения компенсации изгибных мод и колебаний роторного узла в процессе работы турбины, а также за счет увеличения скоростных параметров, обеспечиваемых применением саморегулируемых подшипников, автоматически реагирующих на изменение нагрузки и частоты вращения ротора. Весьма существенным для достижения указанного технического результата является выполнение конструкции турбины модульной, что позволяет компоновать ее оптимальным образом для использования в установках широкого спектра назначения.
Указанный технический результат достигается тем, что в турбине газовая, содержащей пусковое устройство, выполненное в виде электрогенератора, и газогенератор, ротор пускового устройства, ротор компрессора газогенератора и рабочее колесо газогенератора соединены посредством вала и образуют роторный узел турбины, новым является то, что вал выполнен составным, из отдельных частей, соединяемых друг с другом рессорой, одна из частей вала размещена в осевом отверстии ротора пускового устройства и скреплена с ротором, а на другой части вала смонтированы ротор компрессора газогенератора и рабочее колесо газогенератора, при этом ротор пускового устройства установлен в статоре на двух радиальных подшипниках, а часть вала, на которой размещены ротор компрессора и рабочее колесо газогенератора смонтирована в газогенераторе посредством радиального подшипника и подшипниковой опоры, включающей радиальный и упорный подшипники, при этом, турбина может быть оснащена компрессором, смонтированным между пусковым устройством и газогенератором, при этом ротор смонтирован в компрессоре посредством радиального подшипника и подшипниковой опоры, включающей радиальный и упорный подшипники, в роторе имеется осевое отверстие, в отверстии размещена часть вала, которая скреплена с ротором и соединена посредством рессор с частями вала пускового устройства и газогенератора, а в качестве радиальных и упорных подшипников могут быть использованы газостатические сегментные подшипники.
Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами, на которых:
- на фиг. 1 - турбина газовая, аксонометрическая проекция в разрезе;
- на фиг. 2 - роторный узел турбины газовой в разрезе;
Турбина газовая выполнена модульной и, в зависимости от назначения оборудования, с которым она компонуется, может состоять из двух или трех следующих модулей - агрегатных блоков (см. фиг. 1): пусковое устройство 1; компрессор 2; газогенератор 3. Компрессор 2 может не входить в комплект оборудования турбины, если по условиям ее эксплуатации нет потребности в получении сжатого воздуха, например, на технологические нужды оборудования, в состав которого входит турбина.
Пусковое устройство 1 конструктивно может быть реализовано в виде серийного высокочастотного электрогенератора, состоящего из ротора 4, выполненного на редкоземельных постоянных магнитах и охватывающего его статора 5.
Компрессор 2 (при его наличии) размещен между пусковым устройством 1 и газогенератором 3 и состоит из ротора 6, входного аппарата 7, предназначенного для забора воздуха и выполненного в виде улитки, направляющего аппарата 8, предназначенного для подачи поступающего из входного аппарата 7 воздуха на лопатки ротора 6, а также выходного устройства 9, распределяющего поступающий от ротора 6 сжатый воздух на различные технологические нужды, например: на подъемные вентиляторы (в случае применения турбины на воздушных судах с вертикальным или укороченным взлетом и посадкой); на цеховые сети сжатого воздуха (в случае применения турбины на наземных технологических установках) и пр.
Выходное устройство 9 компрессора 2 оснащено клапаном перепуска 10, предназначенным для регулирования расхода сгенерированного в компрессоре 2 сжатого воздуха. Нетрудно заметить, что конструкция компрессора 2 является стандартной.
Газогенератор 3 состоит из:
- входного аппарата 11, например, улиточного типа, предназначенного для подачи воздуха в компрессор газогенератора;
- компрессора газогенератора, состоящего из ротора 12, входного направляющего устройства (не показано), лопаточного диффузора 13;
- рабочего колеса 14, соплового аппарата 15, выходного устройства 16;
- камеры сгорания 17, оснащенной топливной форсункой 18 и свечой зажигания 19.
Выход камеры сгорания связан с сопловым аппаратом 15 газогенератора.
Выход компрессора 2 (при его наличии) может быть соединен с лопаточным диффузором 13 газогенератора 3.
Ротор 4 пускового устройства 1, ротор 6 компрессора, ротор 12 газогенератора 3 и рабочее колесо 14 газогенератора образуют роторный узел турбины.
Роторный узел турбины смонтирован в подшипниках 20 (радиальных) и 21 (упорных), установленных в статоре 5, в корпусе (позицией не обозначен) компрессора 2, в корпусе (позицией не обозначен) газогенератора 3. Турбина газовая конструктивно реализована по одновальной схеме, причем вал роторного узла выполнен составным, из нескольких частей 22, 23, 24, соединяемых при сборке в единый вал рессорами 25. Рессоры 25 обеспечивают при работе турбины демпфирование изгибных мод колебаний каждой из частей 22, 23, 24 вала.
Рассмотрим более подробно компоновочное решение роторного узла для трехмодульной схемы турбины.
Для компоновки роторного узла пускового устройства 1 часть 22 вала вставляется в осевое отверстие ротора 4 и скрепляется с ротором. Ротор 4 своими посадочными местами устанавливается в смонтированные в статоре 5 радиальные подшипники 20.
Для компоновки роторного узла компрессора 2, в осевое отверстие ротора 6 вставляется часть 23 вала и скрепляется с ротором. Ротор 6 одним своим посадочным местом устанавливается на смонтированный в корпусе компрессора 2 радиальный подшипник 20, а другим посадочным местом на спаренные радиальный 20 и упорный 21 подшипники.
Для компоновки роторного узла газогенератора 3, ротор 12 компрессора газогенератора своим осевым отверстием монтируется на части 24 вала и центрирующем пояске (позицией не обозначен) рабочего колеса 14 турбины, которые своими посадочными местами установлены в подшипниковых опорах, одна из которых включает спаренные радиальный подшипник 20 и упорный подшипник 21, а другая включает радиальный подшипник 20, расположенный между ротором 12 и рабочим колесом 14.
Таким образом, в собранном положении роторный узел опирается на три группы подшипниковых опор:
- первая группа входит в конструкцию пускового устройства 1 и состоит из двух одинаковых радиальных подшипников 20, в которых смонтирован ротор 4 электрогенератора 1;
- вторая группа входит в конструкцию компрессора 2 и состоит из двух опор ротора 6 компрессора, одна из которых представляет собой радиальный подшипник 20, вторая - подшипниковый узел, состоящий из спаренных радиального 20 и упорного 21 подшипников;
- третья группа входит в конструкцию газогенератора 3 и состоит из двух опор части 24 вала, одна из которых представляет радиальный подшипник 20, а другая - подшипниковый узел, состоящий из спаренных радиального 20 и упорного 21 подшипников.
Весьма важно для достижения указанного технического результата, что подшипниковые опоры, состоящие из радиальных 20 и упорных 21, подшипников, смонтированных совместно, воспринимают не только радиальные нагрузки от масс, установленных на частях вала, но и не скомпенсированные осевые нагрузки, возникающие на роторе 6 компрессора 2, а также на роторе 12 и рабочем колесе 14.
При монтаже спаренных подшипниковых опор на частях вала, используют кольца - проставки 26, торцы которых являются опорными поверхностями для подшипников 20 и 21.
Наиболее целесообразно для компоновки роторного узла в качестве радиальных 20 и упорных 21 подшипников использовать 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.).
Выполнение вала составным, с использованием для соединения его частей рессор 25, позволяет выполнить турбину газовую модульной, позволяющей в известных пределах изменять мощность и производительность электрогенератора 1 и компрессора 2, либо исключить компрессор 2 вообще, если в выработке сжатого воздуха нет необходимости.
При сборке роторного узла по отдельности собирают блок ротора газогенератора 3, блок ротора компрессора 2, пускового устройства 1, после чего части валов 22, 23, 24 соединяют рессорами 25.
Выполнение конструктивных элементов модулей турбины является известным и не составляет предмета патентной охраны.
Турбина газовая работает, преимущественно, в автоматическом режиме. Согласованное функционирование ее агрегатов обеспечивается системой управления (не показана).
Турбина газовая работает следующим образом.
При пуске турбины, когда роторный узел еще не вращается, необходимо подать рабочую среду - сжатый воздух в подшипники. Для этого может быть использован практически любой аккумулятор давления, например, компрессор (не показан).
Подача сжатого воздуха в подшипники 20, 21, приводит к вывешиванию (всплытию) установленных в них элементов роторного узла.
Подается питание на выполняющий функцию стартера электрогенератор 1, его ротор 4 приводится во вращение и приводит во вращение часть 22 вала, а, следовательно, и весь роторный узел. Воздух от ротора 12 поступает в камеру сгорания 17, куда также через форсунки горелочных устройств 18 подается топливо, например, авиационный керосин. В камере сгорания воздух перемешивается с топливом и полученная газовая смесь поджигается свечой зажигания 19, которая включается по команде системы управления. Полученный в камере сгорания 17 газ направляют на рабочее колесо 14 для преобразования энергии выхлопных газов в механическую энергию вращения вала 24.
Выхлопные газы отводятся в окружающую среду через выходное устройство 16. После того, как момент, создаваемый рабочим колесом 14 на валу 24, станет достаточным для поддержания работы турбины, система управления отключает электрогенератор 1 и турбина выходит на рабочий режим, при котором электрогенератор 1 работает в режиме генерации электроэнергии, а компрессор 2 (при его наличии) вырабатывает сжатый воздух, который через выходное устройство 9, оснащенное перепускным клапаном 10, распределяется, как уже было отмечено выше, на технологические нужды, а также может быть использован для поддува подшипников 20, 21.
При достижении номинальной частоты вращения роторного узла подшипники 20, 21 переходят в полностью газодинамический режим работы. Подача в них сжатого воздуха прекращается. При изменении частоты вращения вала или нагрузки на валу регулирование воздушных подшипников происходит автоматически за счет изменения средней величины зазора в смазочном слое и угла установки сегментов подшипника. Гибридный режим работы с принудительной подачей под избыточным давлением дополнительного количества воздуха может использоваться при выполнении воздушным судном маневра с перегрузкой, когда подъемной силы, создаваемой за счет вращения вала и разворота сегментов не хватает. Гибридный режим работы может использоваться постоянно, когда стоит задача сделать габариты и массу газотурбинной установки минимально возможными. В этом случае использование принудительной подачи под избыточным давлением дополнительного количества воздуха позволяет при заданных осевых и радиальных нагрузках на вал уменьшить его диаметр по сравнению с работой исключительно в газодинамическом режиме.
Конструкция турбины газовой обеспечивает ее компоновку с широким спектром установок различного назначения, а также надежную, безаварийную работу в условиях вибраций, перегрузок и ударных нагрузок на роторный узел.