Патент на изобретение №2310086

(54) ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА

(57) Реферат:

Изобретение относится к теплоэнергетическому машиностроению и может быть использовано в различных отраслях и на компрессорных станциях газопроводов. Газотурбинная установка содержит турбину, компрессор, регенератор и не менее одной выносной камеры сгорания. Камера сгорания имеет каналы для течения горячего воздуха на лопатки турбины. Выход регенератора соединен с входом камеры сгорания. К наружному корпусу газотурбинной установки с одной стороны крепится задний гребень обоймы на выходе турбины, а с другой – корпус компрессора, образуя общую кольцевую полость. Внутри кольцевой полости монтируются выходная часть корпусов камер сгорания, заканчивающаяся переходным патрубком с внутренним конфузорным каналом, закрепленным в передней части обоймы на входе в турбину, плавно переходящим в кольцевой канал для подвода горячего газа в турбину и препятствующим попаданию в нее воздуха из компрессора. Выход компрессора через общую кольцевую полость и отверстия в наружном корпусе соединен с входом регенератора. Изобретение повышает КПД газотурбинной установки, уменьшает термические напряжения ее элементов за счет их равномерного и более эффективного охлаждения и увеличивается эксплуатационный ресурс работы установки. 1 з п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к теплоэнергетическому машиностроению и может быть использовано в различных отраслях промышленности и на компрессорных станциях газопроводов.

Как правило, газотурбинный блок состоит из компрессора, турбины и одной или нескольких камер сгорания, которые могут быть встроенными или выносными (подвальными или бесподвальными).

Известна газотурбинная установка, содержащая газотурбинный блок (ГБ) и рекуперативный воздухоподогреватель (РВП), соединенные между собой отводящими и подводящими газовыми и воздушными трубопроводами с устройствами для компенсации термических расширений, установленных на фундаменте, вблизи корпуса ГБ, неподвижной опоры, обеспечивающей возможность жесткого закрепления воздушных трубопроводов, причем неподвижная опора выполнена в виде полого цилиндра, во внутренней полости которой размещен трехходовой регулирующий расход воздуха клапан (патент РФ №2225521).

Надежность конструкции вызывает сомнения, т.к. жесткое крепление газопроводов к неподвижной опоре при значительных термических напряжениях не гарантирует их целостность.

Известны конструкции газотурбинных установок (ГТУ) типа ТВ 3000, ТВ 5000 фирмы Ruston, публикация в журнале “Турбомашиностроение”, Нью-Йорк, США, 1978-79 г., (published by Turbomachinery publications, Ins. Norwark. 1978-79 у., Connecticut 06855, USA), предназначенные для перекачки товарной нефти.

Конструкция ГТУ традиционна и включает в себя: компрессор, выносные 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. Установка спроектирована таким образом, что выход воздуха из компрессора происходит в кольцевую полость между компрессором и турбиной, в которой расположены выходные части жаровых труб камер сгорания и переходные патрубки с каналами для раздачи продуктов сгорания по окружности перед сопловым аппаратом на входе в турбину.

Поток воздуха после компрессора омывает жаровые трубы, обтекает переходные патрубки и обойму соплового аппарата, затем меняет направление движения на обратное и через калибрующие отверстия поступает в камеры сгорания.

Эта конструкция позволяет повысить надежность работы установки за счет более глубокого и равномерного охлаждения камер сгорания и переходных патрубков.

Однако, следует отметить, что т.к. эти ГТУ применяются для перекачки товарной нефти, то температура газа на входе в турбину относительно невелика.

Основными недостатками известного ГТУ является отсутствие регенерации отходящего газа, что снижает КПД установки.

Известно, что высокой экономичностью обладают газотурбинные установки (ГТУ) регенеративного типа с утилизацией теплоты отходящих от турбины газов.

Наличие регенератора в составе ГТУ существенно повышает ее КПД.

Известна газотурбинная установка с регулированием тепловой мощности, содержащая газотурбинный блок, включающий компрессор, камеру сгорания и турбину, установленный последовательно с ним по газу регенератор, сообщенный подводящим воздуховодом с выходом компрессора, а отводящим воздуховодом с камерой сгорания, и утилизационный теплообменник. Кроме того, она снабжена соединяющим подводящий и отводящий воздуховоды байпасным воздуховодом и устройством для регулирования расхода воздуха, проходящего по отводящему и байпасному воздуховодам, которое выполнено или в виде трехходового клапана, установленного в месте соединения байпасного и отводящего воздуховодов, или в виде установленных в байпасном и отводящем воздуховодах отдельных регулирующих клапанов, патент РФ (патент РФ №2224901).

Применение газового регулирования ведет к повышению массогабаритных показателей установки. Это связано с тем, что объемный расход газа, имеющего высокую температуру (t_Г=500…600°C) и низкое (близкое к атмосферному) давление, из-за малой его плотности весьма велик (объемный расход газа много больше объемного расхода сжатого воздуха). Для пропуска газа по байпасному газоходу последний должен иметь большие размеры поперечного сечения. Как следствие, велики и размеры регулирующего органа клапана, находящегося под воздействием высокой температуры газового потока, что снижает эксплуатационную надежность ГТУ в целом.

Известны стационарные ГТУ регенеративного цикла типов: ГТК – 10М, ГТНР – 12, ГТНР – 16, “Надежда”, которые изготавливаются ОАО “Невский завод” и предназначены для перекачки природного газа (Краткий номенклатурный перечень продукции ОАО “Невский завод”, “Турбины и компрессоры”, Спецвыпуск №12 (№3 – 2000 г.), С-Петербург).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является ГТУ типа ГТНР – 16, которая разработана для замены ГТК – 10, которые выработали назначенный ресурс. Конструкция этих ГТУ описана в журнале “Турбины и компрессоры”, выпуск №№3, 4 (20, 21), 2002 г.

ГТУ содержит: компрессор, одиночную выносную камеру сгорания подвального типа, регенератор, газовую турбину, два корпуса – улитки для отвода воздуха после компрессора в регенератор и подвода газа после камеры сгорания в турбину, а также наружный корпус.

Воздух входит в компрессор, где происходит его сжатие. Далее через выхлопной патрубок направляется в регенератор для подогрева выхлопными газами турбины, затем поступает в камеру сгорания, где его температура повышается до заданного значения и по переходному патрубку сложной конструкции приходит в турбину, расширяется в ней и через выхлопной патрубок частично сбрасывается в атмосферу.

Использование регенератора в схеме ГТУ позволяет реализовать более низкую оптимальную степень повышения давления в компрессоре и повысить КПД установки за счет экономии топлива при умеренной температуре газа перед турбиной.

Дальнейшее повышение КПД в ГТУ с регенератором возможно только при увеличении температуры газа перед турбиной. Это требует дополнительного охлаждения корпуса – улитки (переходного патрубка).

Данная конструкция не обеспечивает необходимую глубину охлаждения, что является ее недостатком.

Сложная конфигурация улитки для отвода газа от камеры сгорания в турбину и ее габариты ограничивают применение высоких температур потока газа, поэтому возникают трудности с обеспечением равномерного распределения температур по ее узлам.

Ввиду неравномерного подвода воздуха на охлаждение улитки и несимметричности самой улитки возникает существенное различие в температурах стенки в окружном, радиальном и осевом направлениях, что приводит к их неравномерным термическим напряжениям и короблению деталей.

Технической задачей изобретения является повышение надежности работы и увеличение ресурса работы газотурбинной установки с одновременным повышением ее КПД за счет повышения температуры газового потока, организации эффективного охлаждения элементов установки при регенерации теплоты отходящих газов.

Технический результат достигается за счет того, что в газотурбинную установку, содержащую турбину, компрессор, по крайней мере, одну выносную камеру сгорания, имеющую каналы для течения горячего воздуха на лопатки турбины, а также наружный корпус и регенератор, выход которого соединен с входом камеры сгорания, внесены изменения, а именно:

– изменена конструкция наружного корпуса, к которому с одной стороной крепится задний гребень обоймы на выходе турбины, а с другой – корпус компрессора, образуя общую кольцевую полость;

– внутри общей полости монтируется выходная часть корпусов камер сгорания, заканчивающихся переходным патрубком, закрепленным в передней части обоймы на входе в турбину;

– образован переходный конфузорный канал для ввода горячего газа в турбину и препятствующего попаданию в нее воздуха из компрессора;

– выход компрессора через общую кольцевую полость и отверстия в наружном корпусе соединен с входом регенератора.

Кроме того, количество выносных камер сгорания должно быть больше одной, но преимущественно четное количество, и расположены они в общей кольцевой полости наружного корпуса, симметрично относительно осевой линии роторов компрессора и турбины.

Количество отверстий, соединяющих общую кольцевую полость с регенератором и выполненных в наружном корпусе, равно числу камер сгорания.

Изменение конструкции наружного корпуса – увеличение его протяженности до заднего гребня обоймы на выходе турбины, позволило увеличить глубину охлаждения элементов турбины: наружного корпуса, переходного патрубка, обоймы. Кроме того, благодаря увеличению объема общей кольцевой полости возможен индивидуальный подвод охладителя к каждому охлаждаемому элементу проточной части турбины. При этом уменьшаются термические напряжения и перемещения под действием внутреннего давления.

Таким образом, выходная часть компрессора и турбина заключены в единый симметричный относительно осевой линии роторов наружный корпус, который имеет существенные преимущества, по сравнению с обычно применяемыми, для регенеративных газовых турбин раздельными корпусами.

Кроме того, конструкция наружного корпуса позволяет исключить внутри его застойные зоны, т.к. в верхней части наружного корпуса выполнено несколько отверстий относительно большого диаметра, которые соединяют общую кольцевую полость с входом регенератора по воздуху.

Выход переходного патрубка с внутренним конфузорным каналом выполнен плавно переходящим в горизонтальную часть, крепящуюся к обойме на входе турбины, для подачи газа на сопловые лопатки турбины, и препятствует попаданию воздуха с выхода компрессора на лопатки турбины. С наружной стороны корпус переходного патрубка омывается полным потоком воздуха после компрессора, что обеспечивает требуемую глубину охлаждения, в результате чего возможно дальнейшее повышение температуры газа перед турбиной.

Использование выносных камер сгорания позволяет: снизить теплонапряженность топочного объема камер сгорания, обеспечить необходимые требования по экологии и уменьшить потери на охлаждение деталей турбины.

Конструкция ГТУ с четным количеством выносных камер сгорания, расположенных под углом к осевой линии роторов компрессора и турбины, над корпусом компрессора, позволяет выполнить наружный корпус симметричным, что облегчает технологию его изготовления.

Количество отверстий, соединяющих общую кольцевую полость с регенератором, выбирается равным числу камер сгорания, с целью обеспечения равномерного температурного поля переходных патрубков с внутренним конфузорным каналом и наружного корпуса за счет более равномерного течения охладителя.

Это дает возможность выполнить как бесподвальную, так и подвальную компановку агрегата.

Изменения конструкции ГТУ иллюстрируются двумя чертежами.

На фиг.1 приведена общая компановка ГТУ, а на фиг.2 дан разрез А-А, чтобы показать размещение выносных камер сгорания относительно осевой линии роторов, а также воздуховод, соединяющий турбинный блок (ТБ) с регенератором.

На фиг.1 показаны: компрессор 1, общая кольцевая полость 2, образованная между компрессором 1 и турбиной 3, наружным корпусом 4 и обоймой 10, воздуховод 5, присоединенный к фланцу отверстия наружного корпуса 4, соединенный с регенератором (на фиг.1 не показан), угловой патрубок 6, соединяющий выход регенератора с входом выносной камеры сгорания 7, переходный патрубок 8, кольцевой канал 9, закрепленный в передней части обоймы 10, гребень 11 обоймы 10, который крепится к наружному корпусу 4.

На фиг.2 показаны расположение отверстий 12 в наружном корпусе, выносные камеры сгорания 7 и воздуховод 5, соединяющий ТБ с регенератором.

Работа газотурбинной установки мало отличается от работы прототипа. Запуск ГТУ является традиционным. Компрессор 1 является многоступенчатым и в нем происходит постепенное сжатие воздуха. Сжатый воздух после компрессора 1 поступает в общую кольцевую полость 2 наружного корпуса 4 и равномерно по окружности охлаждает полным расходом воздуха корпуса четырех камер сгорания 7, переходного патрубка с конфузорным каналом 8, кольцевого канала 9 и обоймы 10 турбины. Расположение отверстия 12 в наружном корпусе 4 обеспечивает отсутствие застойных зон, и весь воздух через воздуховоды 5 поступает на вход регенератора (на фиг.1 он не показан). В регенераторе осуществляется подогрев воздуха отходящими на выходе из турбины горячими газами и далее по воздуховоду горячий газ через угловой патрубок 6 поступает в камеры сгорания 7, где повышается температура рабочего тела, и по переходному патрубку 8 и кольцевому каналу 9 поступает в сопловый аппарат турбины. Кольцевой канал крепится к передней части обоймы 10, а задний гребень 11 обоймы 10 – к наружному корпусу 4.

Предлагаемая конструкция имеет ряд преимуществ перед известными техническими решениями, а именно:

– повышается КПД газотурбинной установки;

– улучшаются прочностные характеристики установки за счет конструкции наружного корпуса;

– значительно уменьшаются термические напряжения конструктивных элементов за счет равномерного и более эффективного охлаждения элементов ГТУ;

– конструкция наружного корпуса становится более технологичной, простой и менее металлоемкой за счет применения четного количества камер сгорания;

– увеличивается эксплуатационный ресурс работы установки.

В настоящее время разрабатывается техническая документация для внедрения предлагаемого изобретения в промышленность.

Формула изобретения

1. Газотурбинная установка, содержащая турбину и компрессор и не менее одной выносной камеры сгорания, имеющей каналы для течения горячего воздуха на лопатки турбины, наружный корпус, регенератор, выход которого соединен с входом камеры сгорания, отличающаяся тем, что к наружному корпусу с одной стороны крепится задний гребень обоймы на выходе турбины, а с другой – корпус компрессора, образуя общую кольцевую полость, внутри которой монтируются выходная часть корпусов камер сгорания, заканчивающаяся переходным патрубком с внутренним конфузорным каналом, закрепленным в передней части обоймы на входе в турбину, плавно переходящим в кольцевой канал для подвода горячего газа в турбину и препятствующим попаданию в нее воздуха из компрессора, причем выход компрессора через общую кольцевую полость и отверстия в наружном корпусе соединен с входом регенератора.

2. Газотурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что при четном количестве выносных камер сгорания последние расположены в общей кольцевой полости наружного корпуса симметрично относительно осевой линии роторов компрессора и турбины.

РИСУНКИ