ГАЗОВАЯ СИЛОВАЯ ТУРБИНА
POWER GAS TURBINE

Изобретение относится к газовым силовым турбинам газотурбинных двигателей установок наземного применения.
Известна многоступенчатая газовая силовая турбина, ротор которой установлен консольно на подшипниках качения (патент RU №2263790).
Недостатком известной конструкции является низкая надежность подшипников качения, которые требуют для обеспечения заданного ресурса сложной маслосистемы с насосами подачи и откачки масла, а также высокой чистоты подаваемого масла.
Наиболее близкой к заявляемой конструкции является газовая силовая турбина с магнитной опорой, в которой электромагнитные подшипники выполнены бесконтактными и поэтому имеют повышенный ресурс (патент RU №2129228).
Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является ее низкая надежность из-за высокой температуры вала газовой турбины, что может привести к перегреву электромагнитных подшипников и к их поломке. Кроме того, страховочные подшипники качения, которые устанавливаются в магнитных опорах для выбега ротора турбины при отказе магнитной опоры, также имеют пониженный ресурс из-за отсутствия эффективной системы их смазки, что существенно снижает эксплуатационную технологичность газовой силовой турбины на электромагнитных подшипниках, так как в случае поломки страховочного подшипника необходим ремонт газовой турбины в заводских условиях.
Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении надежности газовой силовой турбины с магнитной опорой путем снижения температуры вала, контактирующего с электромагнитными подшипниками, а также в повышении эксплуатационной технологичности турбины путем замены страховочных подшипников или магнитной опоры единым модулем в станционных условиях.
Сущность технического решения заключается в том, что в газовой силовой турбине с магнитной опорой, имеющей вал, электромагнитные подшипники и страховочные подшипники качения, согласно изобретению вал силовой турбины выполнен двойным, состоящим из внешнего и внутреннего валов с воздушной межвальной полостью между ними, причем на переднем хвостовике внутреннего вала установлены диски турбины, а на заднем хвостовике - упругая муфта передачи полезной мощности, при этом на наружной поверхности внешнего вала установлены роторные элементы электромагнитных подшипников, а страховочные подшипники качения установлены на переднем и заднем хвостовиках внешнего вала, причем внешний вал зафиксирован относительно внутреннего вала в окружном направлении шлицами на заднем хвостовике, в радиальном направлении - радиальными ребрами, расположенными в межвальной воздушной полости, а в осевом направлении - опорными буртами, расположенными в межвальной воздушной полости, а также фланцем упругой муфты, при этом межвальная воздушная полость на входе через отверстия в заднем хвостовике внешнего вала соединена со станционной системой подачи холодного воздуха, а на выходе через каналы в стойках газовой турбины - с газовым трактом на выходе из турбины газотурбинного двигателя.
Выполнение вала силовой турбины двойным, состоящим из внешнего и внутреннего валов с воздушной межвальной полостью между ними, с установкой на переднем хвостовике внутреннего вала дисков турбины, а на заднем хвостовике - упругой муфты подачи полезной мощности позволяет передавать мощность от дисков силовой турбины к потребителю (например, на нагнетатель газа или электрогенератор) с минимальным подводом тепла на внешний вал и, соответственно, на магнитную опору газовой силовой турбины, что повышает надежность электромагнитных подшипников и турбины в целом.
Установка роторных элементов электромагнитных подшипников на наружной поверхности внешнего вала позволяет снизить подвод тепла по валу в магнитную опору, а также обеспечить замену вышедшей из строя магнитной опоры совместно с внешним валом как единого модуля в станционных условиях, без разборки ротора силовой турбины, диски которой установлены на внутреннем валу.
Установка страховочных подшипников на переднем и на заднем хвостовиках внешнего вала позволяет производить замену вышедших из строя страховочных подшипников из модуля магнитной опоры в станционных условиях без разборки магнитных подшипников.
Фиксация внешнего вала относительно внутреннего вала в окружном направлении шлицами на заднем хвостовике внешнего вала позволяет обеспечить окружную фиксацию внешнего вала при минимальном подводе тепла через тепловой мост, который образует шлицевое соединение валов, так как шлицы расположены на максимальном удалении от дисков силовой турбины.
Фиксация в радиальном направлении внешнего вала относительно внутреннего радиальными ребрами, расположенными в воздушной полости, также значительно снижает подвод тепла во внешний вал, так как тепловой поток, проходящий по радиальным ребрам, снимается охлаждающим воздухом, протекающим по межвальной полости.
Фиксация внешнего вала на внутреннем в осевом направлении, которая необходима для передачи осевого усилия от дисков турбины через внутренний и внешний валы на упорный электромагнитный подшипник, производится опорными буртами, расположенными в воздушной полости, что снижает тепловой поток во внешний вал, а также с помощью фланца упругой муфты, которая расположена на максимальном удалении от дисков турбины, что также снижает тепловой поток во внешний вал.
Соединение межвальной воздушной полости на входе через отверстия в заднем хвостовике внешнего вала со станционной системой подачи холодного воздуха, а на выходе, через каналы в стойках опоры газовой турбины - с газовым трактом на выходе из турбины, позволяет организовать в межвальной полости интенсивную прокачку охлаждающего воздуха, что также повышает надежность магнитной опоры газовой силовой турбины за счет снижения температуры внешнего вала.
Отверстия в заднем хвостовике внешнего вала служат также для установки съемника при демонтаже внутреннего вала с дисками силовой турбины из магнитной опоры с внешним валом.
На фиг.1 изображен продольный разрез газовой силовой турбины с магнитной опорой.
На фиг.2 - задний страховочный подшипник качения.
На фиг.3 - передний страховочный подшипник качения.
На фиг.4 - ротор газовой силовой турбины с внутренним валом в демонтированном виде.
На фиг.5 - отдельный модуль магнитной опоры с внешним валом.
Газовая силовая турбина 1 состоит из ротора 2 с дисками первой и второй ступеней 3 и 4, соответственно, установленных на двойном валу 5, а также из статора 6 с наружным корпусом 7, стойками опоры 8 и магнитной опорой 9 с передним и задним радиальными электромагнитными подшипниками 10 и 11, соответственно, и упорным электромагнитным подшипником 12. Вал 5 выполнен двойным, состоящим из внешнего вала 13 и внутреннего вала 14 с воздушной межвальной полостью 15, соединенной на входе через отверстия 16 в заднем хвостовике 17 внешнего вала 13 через промежуточную полость 18 со станционной системой 19 подачи холодного воздуха, а на выходе через каналы 20 в стойках опоры 8 турбины 1 - с газовым трактом 21 на выходе из турбины 1. На переднем хвостовике 22 внутреннего вала 14 с помощью болтового соединения 23 установлены диски турбины 3 и 4, а на заднем хвостовике 24 - упругая муфта 25 передачи полезной мощности. Внешний вал 13 зафиксирован относительно внутреннего вала 14 в радиальном направлении с помощью радиальных ребер 26, расположенных в межвальной воздушной полости 15, в осевом направлении - опорными буртами 27, расположенными также в полости 15, и фланцем 28 упругой муфты 25, а в окружном направлении - шлицами 29 на заднем хвостовике 30. На наружной поверхности 31 внешнего вала 13 установлены роторные элементы 32 электромагнитных подшипников 10, 11 и 12, а также расположено радиальное ребро 33, с помощью которого на электромагнитный упорный подшипник 12 передается осевое усилие от дисков 3 и 4 турбины 1. На переднем 34 и заднем 35 хвостовиках внешнего вала 13 с радиальными зазорами δ относительно вала 13 установлены передний 36 и задний 37 страховочные подшипники качения, которые установлены в турбине 1 для выбега ротора 2 в случае отказа электромагнитных подшипников 10, 11 и 12. Для поддержания необходимого уровня температур полость 38 с электромагнитными подшипниками 10, 11, 12 и страховочными подшипниками 36 и 37 продувается холодным воздухом от станционной системы 19 через промежуточную полость на входе со сбросом охлаждающего воздуха в газовый тракт 21 турбины 1 через отверстия 20 стоек опоры 8. Для защиты магнитной опоры 9 от теплового потока, поступающего при работе турбины 1 и после ее остановки от дисков 3 и 4, разгрузочная полость 39 между опорой 9 и дисками 3 и 4 отделена тремя теплоизолированными крышками 40, 41 и 42 с продувками радиальных полостей между ними холодным воздухом. Магнитная опора 9 совместно с внешним валом 13 образуют единый модуль 43, пригодный для замены в станционных условиях. Работает устройство следующим образом.
При работе газовой силовой турбины 1 на магнитной опоре 9 охлаждающий атмосферный воздух от станционной системы 19 прокачивается через внутреннюю полость 38 опоры 9, а также через межвальную полость 15, обеспечивая тем самым необходимый температурный режим работы электромагнитных подшипников 10, 11 и 12, что повышает надежность магнитной опоры 9. Кроме того, в случае возникновения изгибных колебаний внутреннего вала 14 турбины 1 происходит их быстрое затухание за счет значительного демпфирования в системе двойного вала 5, что также повышает надежность магнитной опоры 9 и турбины 1. В случае выхода из строя магнитной опоры 9 со страховочными подшипниками 36 и 37, опора 9 в виде отдельного модуля совместно с внешним валом 13 демонтируется в станционных условиях с ротора 2 турбины 1 с внутренним валом 14, после чего возможна замена, например, страховочных подшипников 36 и 37 или других элементов опоры 9, что повышает эксплуатационную технологичность турбины 1 с магнитной опорой.