Роторный узел турбогенератора

Полезная модель относится к области энергетического машиностроения, а именно, к турбогенератором, используемым в качестве энергоисточников широкого спектра машин: во вспомогательных силовых установках воздушных судов; маршевых силовых установках с электроприводом винтов и винто-кольцевых движителей, а также может быть использована в составе газотурбинных установок для генерации электрической энергии.
Известен роторный узел турбомашины, включающий установленный в подшипниках приводной вал, расположенные на валу рабочее колесо компрессора и турбину. Подшипниковая система приводного вала включает подшипники по концам вала и радиальный подшипник, расположенный 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 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. Преодолеть ограничения можно за счет увеличения диаметра ротора, но это приведет к увеличению веса вала.
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 подшипников, 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 газо статических 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 газо статических 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 применятся только на сравнительно тихоходных крупноразмерных газотурбинных установках. Использование в конструкции роторного узла длинного гибкого монолитного вала в сочетании с управляемыми газо статическими подшипниками, даже при наличии дополнительной опоры между компрессором и турбиной, при ударном изменении нагрузки, например, в процессе подключения на 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:
- повышение надежности роторного узла и газовой турбины в целом;
- обеспечение жесткости ротора на высоких частотах вращения;
- уменьшение суммарного веса роторного узла и газовой турбины;
создание роторного узла газовой турбогенератора, охарактеризованного в формуле полезной модели, а также одновременное выполнение указанных выше результатов, что позволяет обеспечить безаварийную работу в условиях вибраций, перегрузок и ударных нагрузок на роторный узел, возникающих при высоких частотах вращения.
Указанный технический результат достигается тем, что роторный узел турбогенератора содержит:
- ротор, выполненный из следующих модулей: из консольного модуля турбогенератора и расположенного через упорный диск модуля вала электрогенератора, который снабжен кожухом-бандажом, выполненным из композиционных материалов, установленным с натягом, по меньшей мере, на некоторых участках вала электрогенератора, при этом на поверхности вала электрогенератора или между поверхностью вала электрогенератора и кожухом-бандажом установлены редкоземельные постоянные магниты, причем упомянутые консольный модуль турбогенератора, состоящий из рабочего колеса турбины, рабочего колеса компрессора и модуля вала компрессора, упорный диск и модуль вала электрогенератора соединены друг с другом таким образом, что образуют единый модуль ротора, и
- опорные узлы ротора, которыми являются первый радиальный подшипниковый узел, расположенный в области модуля вала компрессора преимущественно ближе к области расположения упорного диска, второй радиальный подшипниковый узел, расположенный в области модуля вала электрогенератора на конце ротора, противоположном консольному модулю турбогенератора, или близко к нему, и упорный подшипниковый узел, частью которого является упомянутый упорный диск.
В частных случаях выполнения роторного узла:
- Отношение диаметра модуля вала электрогенератора с кожухом-бондажем к длине его активной части не превышает 2 (двух) единиц;
- По меньшей мере, один из радиальных подшипниковых узлов выполнен на основе высоконесущего гибридного газового подшипника;
- Упорный подшипниковый узел и/или, по меньшей мере, один из радиальных подшипниковых узлов представляет собой газостатический сегментный подшипник;
- Первый радиальный подшипниковый узел представляет собой осе-радиальный лепестковый газодинамический подшипник, и/или второй радиальный подшипниковый узел представляет собой радиальный лепестковый газодинамический подшипник;
- Рабочее колесо турбины выполнено консольным;
- Рабочее колесо компрессора выполнено в виде роторного колеса;
- Конец ротора, являющийся частью модуля вала электрогенератора и противоположный консольному модулю турбогенератора, также выполнен консольным;
- Модуль вала электрогенератора выполнен из металлического материала.
Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами, на которых:
На фиг.1 изображен роторный узел газовой турбины в разрезе, на котором обозначены:
1 -электрогенератор;
2 - рабочее колесо турбины (ротор турбины);
3 - рабочее колесо компрессора;
4 - статор турбогенератора;
5 - упорный диск;
6 - радиальные подшипниковые узлы (первый и второй);
7 - упорный подшипниковый узел;
8 - модуль вала компрессора (вал компрессора).
9 - модуль вала электрогенератора (вал электрогенератора).
10 - обмотка электрогенератора;
Турбогенератор конструктивно реализован по одновальной схеме, причем роторный узел выполнен единым.
Роторный узел турбогенератора состоит из ротора и опорных узлов ротора. Ротор выполнен из нескольких отдельных модулей, собранных в единый модуль (узел): консольного рабочего колеса турбины 2, рабочего колеса компрессора 3, вала компрессора 8, образующих консольный модуль электрогенератора, упорного диска 5 и вала электрогенератора 9, за счет последовательного соединения (скрепления) друг с другом, осуществляемого так, что каждый из упомянутых модулей является участком единого вала ротора.
Как указано выше, модули ротора по отдельности являются частями самостоятельных агрегатов, каждый из которых в составе турбогенератора имеет свое назначение, что позволяет обеспечить компоновку роторного узла с широким спектром установок различного назначения. Их сборка в единый модуль (узел) ротора осуществляется посредством соединения (скрепления) между собой последовательно, образуя единый, общий вал.
Выполнение конструктивных элементов модулей турбогенератора является известным и не составляет предмета патентной охраны. Например, электрогенератор 1 конструктивно может быть реализован на основе серийного высокочастотного электрогенератора, состоящего из вала 9, выполненного на редкоземельных постоянных магнитах.
Модуль вала 9 электрогенератора 1 (выполненный, например, из металлического материала) снабжен кожухом-бандажом, выполненным из композиционных материалов. Кожух-бандаж установлен с натягомнапример, на некоторых участках вала электрогенератора либо установлен с натягом по всей поверхности вала электрогенератора). На поверхности вала электрогенератора или между поверхностью вала электрогенератора и кожухом-бандажом установлены редкоземельные постоянные магниты.
Соответственно, вал 9 электрогенератора с установленным кожухом-бандажем охватывается обмоткой 10, являющейся частью статора электрогенератора 1. При этом отношение диаметра модуля вала 9 электрогенератора (с установленным кожухом-бандажем) к длине его активной части не превышает 2 (двух) единиц.
В качестве опорных узлов ротора турбогенератора использованы два радиальных подшипниковых узла 6 и один упорный подшипниковый узел 7, частью которого является упорный диск 5.
Первый радиальный подшипниковый узел 6 установлен в статоре 4 турбогенератора и расположен в области участка вала компрессора 8 преимущественно ближе к области расположения упорного диска 5; второй радиальный подшипниковый узел 6 расположен в области участка вала электрогенератора на конце ротора, противоположном консольному рабочему колесу турбины 2, или близко к нему. Упомянутый конец ротора, являющийся частью участка вала электрогенератора 8 и противоположный консольному модулю турбогенератора, также может являться консольным.
Первый и второй радиальные подшипниковые узлы 6 могут быть выполнены на основе высоконесущих гибридных газовых подшипников.
Наиболее целесообразно для компоновки роторного узла в качестве радиальных 6 и упорного 7 подшипниковых узлов (или, по меньшей мере, одного из указанных узлов) 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, МПКР16С 17/03, 2016 г. ).
Кроме того, первый радиальный подшипниковый узел 6 может представлять собой осе-радиальный лепестковый газодинамический подшипниковый узел (осе-радиальный лепестковый газодинамический подшипник), тогда как второй радиальный подшипниковый узел 6 может представлять собой радиальный лепестковый газодинамический подшипниковый узел (радиальный лепестковый газодинамический подшипник). При этом возможна также выполнение одного из указанных радиальных подшипниковых узлов 6 на основе газостатических сегментных подшипников, а другого - на основе лепестковых газодинамических подшипников.
Рабочее колесо турбины 2 может быть выполнено консольным.. Рабочее колесо 3 компрессора может быть выполнено в виде роторного колеса.
Работа роторного узла турбогенератора может быть показана на примере предпочитаемой компоновки с газостатическими сегментными подшипниками.
Перед пуском роторного узла от внешнего источника (не показан) подается сжатый воздух в газостатические сегментные подшипники 6 и 7, ротор вывешивается. В момент запуска электрогенератор 1 выполняет роль пускового устройства и раскручивает роторный узел. В момент вращения роторного узла воздух из окружающей среды, проходя через воздухозаборник (не показан), попадает в рабочее колесо компрессора 3, где происходит его сжатие. Сжатый воздух попадает в камеру сгорания (не показана) и смешивается с топливом. Горючая смесь воспламеняется и проходит через направляющий аппарат (не показан), попадая в турбинное колесо 2, где энергия сгорания газовоздушной смеси преобразуется в механическую энергию, создается момент вращения. При выходе работы роторного узла на номинальный режим электрогенератор 1 переводится с пускового режима работы на режим выработки электроэнергии.
Конструкция роторного узла турбогенератора обеспечивает достижение заявленного технического результата, компоновку с широким спектром установок различного назначения, а также надежную, безаварийную работу в условиях вибраций, перегрузок и ударных нагрузок на роторный узел, снижение веса роторного узла. Обеспечение жесткости ротора особенно важно при использовании в качестве опорного узла лепестковых газодинамических подшипников, которые не могут обеспечить надежную работу с гибкими роторами. Ранее указанная задача обеспечения жесткости ротора решалась за счет разбиения его на отдельные узлы и соединения их торсионами.