ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к теплоэнергетическому машиностроению, в частности к конструкции корпуса газотурбинной установки и предотвращения тепловой деформации его.
Известны конструкции газотурбинных установок, которые традиционно включают в себя: компрессор, камеры сгорания, газовую турбину и наружный корпус, являющийся частично общим для компрессора и турбины, т.к. он соединен с выходом компрессора и входом в турбину. Поток воздуха после компрессора поступает в камеру сгорания, в которой происходит его нагрев, омывает жаровые трубы, поступает на обойму соплового аппарата турбины. Часть воздуха, введенный от компрессора поступает на охлаждение ротора и статора турбины. В качестве теплоизолирующего материала в корпусе турбины применена высокотемпературная каолиновая вата. Она помещается в зазор между внутренней поверхностью корпуса и наружными стенками вставок (с внутренней стороны в сварные тонкостенные кожуха, а также в местах установки обойм). Для получения равномерной температуры корпуса и его частей толщина изоляционного слоя выполнена переменной в различных частях корпуса и зависит от температуры рабочего тела в проточной части турбины. (Производство азотной кислоты в агрегатах большой мощностью под редакцией В.М.Олевского, М. «Химия», 1985 г., с.155-157).
Однако, волокна изоляционной ваты ломаются и укорачиваются, изоляция осыпается, постепенно выветривается и температура корпуса, особенно в районе турбины высокого давления, становится неравномерно повышенной, что приводит к деформации корпуса турбины возникает его коробление.
Известно изобретение, защищенное патентом РФ №2244835, в котором корпус состоит из одной оболочки, причем толщина стенок в верхней зоне и в двух средних и двух нижних зонах изменяется так, что верхняя обращенная от фланцев зона усилена по сравнению с нижней. Это позволяет уменьшить радиальную деформацию и уменьшить зазор между корпусом и концами турбинных лопаток, но в осевом направлении корпуса деформация остается значительной.
Охлаждение деталей газовой турбины, подверженных воздействию высоких температур, применяется для достижения такого температурного уровня и перепадов температуры в деталях, которые обеспечивают надежную их работу во всех возможных режимах. В качестве теплоносителей, используемых для отвода теплоты от охлаждаемой детали, могут применяться различные газы и жидкости. Наиболее широкое распространение в современном газотурбостроении получило охлаждение с помощью циклового воздуха, отбираемо-го из компрессора и после пропуска через деталь выбрасываемого в проточную часть - так называемое открытое воздушное охлаждение.
Известна система охлаждения газотурбинной установки (патент РФ №33789), которая является усовершенствованием изобретения, защищенного патентом РФ №2154168 «Устройство для охлаждения элементов проточной части паровой турбины». Система охлаждения газотурбинной установки содержит компрессор, турбины высокого и низкого давления, внутренний трубопровод, внутреннюю диафрагму с двумя внутренними трубоподводами охлаждающей среды соответственно к внутренней и внешней поверхности лопаток и дисков, при этом каждый из внутренних трубопроводов выполнен из равномерно размещенных по плоскости поперечного сечения диафрагмы модулей, каждый из которых внутри внутренней диафрагмы снабжен компенсатором температурного изменения, каждый из внутренних трубопроводов имеет по две ветви, на поверхностях внешней и внутренней диафрагмы со стороны турбины высокого выполнены кольцевые камеры, а коллектор выполнен в виде двух полуколец.
В результате использования этого технического решения повышается эффективность охлаждения внутренних деталей турбины путем создания увеличенного и равномерного подвода охлаждающего воздуха, но проблемы охлаждения корпуса турбины не решаются.
Известна газотурбинная установка, которая содержит компрессор, камеру сгорания, турбину высокого давления и силовую свободную турбину, а также переходный между турбинами канал с наружным корпусом. Наружный корпус выполнен трехстенным, состоящим из внешнего, среднего и внутреннего цельных корпусов. Между внутренним и средним корпусом размещена теплоизоляция. Между внешним и средним корпусами выполнена кольцевая воздушная полость, соединенная на входе в передней по потоку газа части корпусов с промежуточной ступенью компрессора и на выходе - проточной частью переходного канала. Средний корпус передней частью жестко болтовым соединением соединен с внешним корпусом в осевом направлении - с задней по потоку частью. Внутренний корпус установлен относительно внешнего корпуса телескопически в радиальном направлении на радиальных втулках термопар, с радиальными зазорами по переднему и заднему установочными фланцами относительно среднего и внешнего корпусов (патент РФ №2346166). Изобретение позволяет снизить температуру наружного корпуса, но конструктивно сложно и обладает повышенной металлоемкостью. Кроме того, теплоизоляция обладает теми же недостатками, которые были отмечены выше, а при остановке турбины изоляция выдувается сбрасываемым воздушным потоком.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является газотурбинный агрегат ГТТ-12, который применяется в технологическом процессе получения неконцентрированной азотной кислоты. В состав ее входит осевой компрессор, нагнетатель нитрозного газа, газовая и паровая газовой турбины.
Отличительной особенностью конструкции ГТТ-12 является разрезной вал. В связи с этим газовая турбина состоит из двух частей: турбины высокого давления (ТВД), которая приводит во вращение нитрозный нагнетатель, и турбины низкого давления (ТНД), которая приводит во вращение воздушный компрессор. Схема с разрезным валом обеспечивает работу нитрозного нагнетателя на всех нагрузках практически с постоянной частотой вращения. Корпус газовой турбины является сварным и состоит из трех корпусов: турбины низкого давления, средний корпус и корпус турбины высокого давления. Турбина низкого давления снабжена выхлопным диффузором, рабочим колесом. Турбины низкого и высокого давления соединены между собой проточной частью. Турбина высокого давления содержит рабочее колесо, направляющие лопатки и жаровую вставку.
Теплоизоляция расположена по периметру корпуса ТВД и состоит из волокнистого материала. Корпус состоит из отдельных фланцев и выполнен из двух частей: наружного и внутреннего. Тепловая изоляция помещена между корпусами. Конструкция корпуса турбины предусматривает свободу взаимных тепловых перемещений отдельных его деталей, в том числе внутренней части корпуса относительно наружной. В кольцевую расточку корпуса установлена обойма сопловых лопаток ТВД и ТНД, выполненная без горизонтального разъема. Для сборки агрегата обойма имеет съемную часть над ротором ТВД. Сопловые лопатки ТВД установлены в 16 литых сегментах из жаропрочного сплава. Эти сегменты подвешены с помощью лап на выступы двух разрезных колец, вставленных в пазы обоймы и фиксированных в нее штифтами. Осевое давление от соплового аппарата первой ступени передается через гребень обоймы на корпус турбины с помощью вертикального неразъемного кольца.
Через эту обойму подводится также среда для охлаждения передней торцевой поверхности диска ТВД (комбинированный радиально-струйный обдув через отверстия в кольцевой камере обоймы). Задняя торцевая поверхность диска ТВД и передняя торцевая поверхность диска ТНД охлаждаются воздухом (струйный обдув), подаваемым по трубам через промежуточную вставку. Воздух, отбираемый из компрессора, подается также для охлаждения обоймы сопловых лопаток. Рабочие лопатки ТВД и ТНД крепятся в дисках с помощью торцевых трехзубчиковых хвостовиков.
Из-за трудности выполнения теплоизоляции равномерной, т.к. качество набивки не контролируется, наружный корпус имеет различную температуру в раличных точках поверхности. Это приводит к термическим напряжениям и короблению наружного корпуса. Жесткая конструкция крепления отдельных частей корпуса турбины высокого давления не позволяет скомпенсировать термическое напряжение из-за отсутствия уплотнительных прокладок и недостатков конструктивного решения корпуса.
Технической задачей заявляемой полезной модели является повышение надежности работы газотурбинной установки за счет эффективности охлаждения корпуса турбины высокого давления, уменьшения неравномерности температуры корпуса путем защиты от радиационного тепла.
Технический результат достигается за счет того, что в известное устройство, содержащее осевой компрессор, турбины высокого и низкого давления, соединенные проточной частью, снабженные рабочими лопатками и обоймами, причем наружные корпуса турбин низкого, среднего и высокого давления снабжены теплоизоляцией и системой охлаждения корпусов, причем в турбине высокого давления теплоизоляция размещена между наружным корпусом и жаровой вставкой турбины высокого давления, внесены изменения, а именно:
- теплоизоляция, выполненная из волокнистого материала, набиваемая между наружным корпусом и жаровой вставкой турбины высокого давления, а также со стороны среднего корпуса удалена, а вместо нее установлены тонкие металлические листы, частично перекрывающие друг друга, образуя защитный экран;
- корпус турбины высокого давления выполнен литым, состоящим из верхней и нижней частей, с возможностью установки уплотнения в местах их соединения;
- по периметру наружного корпуса турбины высокого давления размещены дополнительные трубы для ввода охлаждающей среды между корпусом и защитным экраном;
Кроме того, для придания экрану жесткости между экраном и наружным корпусом турбины высокого давления установлены дистанционные вставки.
Применение дополнительных тонких экранов расположенных между жаровой вставкой и корпусом турбины высокого давления препятствует радиации тепла от жаровой вставки к наружному корпусу..
Увеличение количества охлаждающих труб подводящих воздух или другого хладоагента между экраном и корпусом турбины высокого давления повышает эффективность охлаждения, причем охлаждающая среда является хорошим изолятором, т.к. обладает низким коэффициентом теплопроводности.
Конструкции корпуса (литая, сварная или сварно-литая) имеющая два вертикальных разъема, в которой разъемы находятся снаружи соседних узлов и может придвигаться к разъемам, позволяет в местах ее крепления разместить уплотнения и избежать прорыва продуктов сгорания в машинный зал. Кроме того, корпус может расширяться в пределах зазоров крепежа, что позволяет максимально снять термические нагрузки на корпус.
Установка дистанционных вставок между наружным корпусом и экраном повышает жесткость экраны и уменьшить его деформацию от температурных перепадов.
Сущность полезной модели поясняется следующим чертежом (фиг.1). На фигуре 1 приведена не вся конструкция газотурбиной установки, а, в основном, только та часть ее, которая претерпела конструктивные изменения.
На фиг.1 показаны: наружный корпус 1 турбины высокого давления, жаровая вставка 2, дистанционные вставки 3 между экраном 4 и наружным корпусом, вторая часть корпуса 5, дополнительные охлаждающие трубы 6 (дополнительные охлаждающие трубы введены и в верхнюю часть корпуса, но они в разрез не попали), проточная часть 7, диафрагма 8, обойма 9 турбины высокого давления, спрямляющая лопатка 10 и средний корпус 11.
Работа газотурбинной установки практически не изменяется. Кратко рассмотрим ее на примере применения ГТУ в химической промышленности, например при получении не концентрированной азотной кислоты.
Воздух, сжимаемый осевым компрессором поступает в аппараты химической технологии. После процессов конверсии и адсорбции, отходящие газы делятся на два потока, причем большая часть (до 95%) поступает в реактор каталитической очистки (РКО), в котором происходит восстановительные реакции(окислы азота восстанавливаются до азота и кислорода, что значительно улучшает экологию процесса) и нагревается до температуры 760°С и поступает в жаровую вставку 2 турбины высокого давления.
Второй поток отходящих газов, имеющих низкую температуру, используется в качестве охлаждающей среды, через вводные трубы 6 корпуса 1 поступает в зазор между наружным корпусом и защитным экраном 3. За счет конвекции снимается тепло с обеих стенок корпуса и экрана.
Далее охлаждающая среда, через зазоры металлических листов, образующих защитный экран поступает в зазор между ним и жаровой вставкой, охлаждая ее. Затем охлаждающая среда вместе с горячим потоком из жаровой вставки попадает в проточную часть 6 турбины, где смешанный поток используется в виде рабочего тела и через сопловой аппарат, закрепленный между диафрагмой 8 и обоймой 9 поступает на рабочие лопатки турбины (на фиг.1 не показаны. После турбины низкого давления поток выходит в выхлопную трубу, отдавая часть своего тепла технологическим теплообменным аппаратам.
Конструктивное изменение самого наружного корпуса турбины высокого давления (выполнение из двух частей 1 и 5) позволяет в местах их соединения установить уплотнение, препятствующее прорыву газов.
Полезная модель обладает преимуществом по сравнению с известными техническими решениями, т.к. за счет конструктивных решений, позволяет без применения волокнистой изоляции турбины высокого давления, уменьшить температурные перепады по наружному корпусу путем повышения эффективности охлаждения его
В настоящее время, по разработонной технической документации, изготовлен образец наружного корпуса турбины высокого давления и проведекны стендовые испытания, подтвердившие принятые технические решения.
В течении 2010 года полезная модель будет внедряться на установках для получения неконцентрированной азотной кислоты.