RU2305789C2

RU2305789C2 - Gas-turbine plant

Info

Publication number: RU2305789C2
Application number: RU2005126567/06A
Authority: RU
Inventors: Даниил Дмитриевич Сулимов (RU); Даниил Дмитриевич Сулимов; Александр Адольфович Пожаринский (RU); Александр Адольфович Пожаринский; Сергей Валентинович Торопчин (RU); Сергей Валентинович Торопчин; Валерий Алексеевич Кузнецов (RU); Валерий Алексеевич Кузнецов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Авиадвигатель"
Priority date: 2005-08-22
Filing date: 2005-08-22
Publication date: 2007-09-10
Also published as: RU2005126567A

Abstract

FIELD: mechanical engineering; gas-turbine plants.

SUBSTANCE: proposed gas-turbine plant includes low-pressure compressor at input, power turbine at output, intermediate housing with separation of flows between compressors and channels of outer and inner loops. Inner loop contains high-pressure compressor with mixer at output. Input of channel of outer loop is connected with output of low-pressure compressor, and output, with external side of mixer. Ratio of area of channel of outer loop at flow separator in intermediate housing between compressors in gas-turbine plant to area of channel of inner loop at flow separator in intermediate housing between compressors in gas-turbine plant is within 0.1-3. Ratio of area of channel of outer loop at output of mixer to area of channel of inner loop at output of mixer is within 0.1-2.5. Number of stages of free power turbine is 1-3.

EFFECT: improved reliability and increased efficiency of plant at minimum cost owing to reduction of vibration stresses of turbine working blades and provision of uniform cooling of outer housings.

3 dwg

Description

Изобретение относится к газотурбинным установкам для привода внешней нагрузки, преимущественно электрогенератора в составе электростанции, или для механического привода.The invention relates to gas turbine units for driving an external load, mainly an electric generator in a power plant, or for a mechanical drive.

Известна газотурбинная установка, включающая в себя компрессор низкого давления, компрессор высокого давления и многоступенчатую турбину [В.А.Шварц. Конструирование газотурбинных установок, «Машиностроение», Москва, 1970 г., стр.336, рис.248].Known gas turbine installation, including a low-pressure compressor, high-pressure compressor and a multi-stage turbine [V.A. Schwartz. Designing gas turbine units, "Mechanical Engineering", Moscow, 1970, p. 346, Fig. 248].

Недостатком такой конструкции является высокая ее стоимость из-за большого количества ступеней турбины.The disadvantage of this design is its high cost due to the large number of stages of the turbine.

Наиболее близкой к заявляемой является газотурбинная установка, включающая в себя компрессор низкого давления на входе, промежуточный между компрессорами корпус, составляющие внутренний контур компрессор высокого давления, камеру сгорания, турбину высокого давления, турбину низкого давления со смесителем на выходе, а также канал наружного контура, вход которого соединен с выходом компрессора низкого давления, а выход - с внешней стороной смесителя, и силовую турбину на выходе из установки [Патент РФ №2224900, F02C 6/00, F02К 3/02, 2004].Closest to the claimed gas turbine installation, which includes a low-pressure compressor at the inlet, an intermediate casing between the compressors, a high-pressure compressor, a combustion chamber, a high-pressure turbine, a low-pressure turbine with a mixer at the outlet, and an external circuit channel, the input of which is connected to the output of the low-pressure compressor, and the output to the outside of the mixer, and a power turbine at the outlet of the unit [RF Patent No. 2224900, F02C 6/00, F02K 3/02, 2004].

Недостатком известной газотурбинной установки, принятой за прототип, является ее низкая надежность и кпд установки из-за высокого уровня вибронапряжений рабочих лопаток турбины и недостаточной равномерности охлаждения наружных корпусов.A disadvantage of the known gas turbine installation, adopted as a prototype, is its low reliability and efficiency of the installation due to the high level of vibration stresses of the turbine blades and the insufficient uniformity of cooling of the outer casings.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении надежности и кпд установки при минимальной ее стоимости за счет снижения вибронапряжений рабочих лопаток свободной турбины и повышения равномерности охлаждения наружных корпусов. Эта задача выполняется путем расчета оптимального соотношения площадей каналов наружного и внутреннего контуров по разделителю потоков в промежуточном между компрессорами корпусе, оптимального соотношения площадей каналов наружного и внутреннего контуров по смесителю, а также числа ступеней силовой турбины.The technical problem to which the claimed invention is directed is to increase the reliability and efficiency of the installation at its minimum cost by reducing the vibration stresses of the working blades of a free turbine and increasing the uniformity of cooling of the outer casings. This task is performed by calculating the optimal ratio of the areas of the channels of the external and internal circuits by the flow separator in the intermediate casing between the compressors, the optimal ratio of the areas of the channels of the external and internal circuits by the mixer, as well as the number of stages of the power turbine.

Сущность изобретения заключается в том, что в газотурбинной установке, включающей компрессор низкого давления на входе, силовую турбину на выходе, промежуточный между компрессорами корпус с разделителем потоков, каналы наружных и внутренних контуров, причем внутренний контур содержит компрессор высокого давления со смесителем на выходе, вход канала наружного контура соединен с выходом компрессора низкого давления, а выход - с внешней стороной смесителя, согласно изобретению F₁/F₂=0,1÷3, F₃/F₄=0,1÷2,5 и Z=1÷3, гдеThe essence of the invention lies in the fact that in a gas turbine installation comprising a low-pressure compressor at the inlet, a power turbine at the outlet, an intermediate housing between the compressors with a flow splitter, channels of the external and internal circuits, the internal circuit comprising a high-pressure compressor with a mixer at the output the channel of the external circuit is connected to the output of the low pressure compressor, and the output to the external side of the mixer, according to the invention F ₁ / F ₂ = 0.1 ÷ 3, F ₃ / F ₄ = 0.1 ÷ 2.5 and Z = 1 ÷ 3 where

F₁ - площадь канала наружного контура по разделителю потоков в промежуточном между компрессорами корпусе газотурбинной установки;F ₁ - the area of the channel of the external circuit along the separator flows in the intermediate between the compressors casing of a gas turbine installation;

F₂ - площадь канала внутреннего контура по разделителю потоков в промежуточном между компрессорами корпусе газотурбинной установки;F ₂ - the area of the channel of the internal circuit by the separator flows in the intermediate between the compressors of the gas turbine unit;

F₃ - площадь канала наружного контура на выходе из смесителя;F ₃ - the channel area of the outer circuit at the outlet of the mixer;

F₄ - площадь канала внутреннего контура на выходе из смесителя;F ₄ - the channel area of the inner circuit at the outlet of the mixer;

Z - число ступеней силовой свободной турбины.Z is the number of stages of a power free turbine.

Количество воздуха, протекающего через каналы наружного и внутреннего контуров, задается радиальным расположением разделителя потоков воздуха в промежуточном между компрессорами корпусе, т.е. соотношением площадей F₁ и F₂. Так при F₁/F₂<0,1 снижается надежность и кпд газотурбинной установки из-за повышения температуры наружных корпусов силовой турбины и увеличения радиальных зазоров между статором и ротором этой турбины, одновременно увеличивается число ступеней силовой свободной турбины за счет повышения ее удельной работы, т.е. работы, совершаемой одним килограммом газа или воздуха на турбине, что приводит к повышению стоимости силовой свободной турбины и газотурбинной установки.The amount of air flowing through the channels of the external and internal circuits is determined by the radial location of the air flow separator in the housing intermediate between the compressors, i.e. the ratio of the areas F ₁ and F ₂ . So when F ₁ / F ₂ <0.1, the reliability and efficiency of a gas turbine installation decreases due to an increase in the temperature of the outer casings of the power turbine and an increase in the radial gaps between the stator and the rotor of this turbine, while the number of stages of the power free turbine increases due to an increase in its specific work , i.e. work performed by one kilogram of gas or air on the turbine, which leads to an increase in the cost of a free power turbine and gas turbine installation.

В случае, когда F₁/F₂>3, наблюдается снижение кпд, надежности и мощности газотурбинной установки, а также возрастает стоимость силовой турбины за счет увеличения наружного диаметра силовой турбины и повышения напряжений в корневых сечениях рабочей лопатки этой турбины.In the case when F ₁ / F ₂ > 3, a decrease in the efficiency, reliability and power of the gas turbine installation is observed, and the cost of the power turbine increases due to an increase in the outer diameter of the power turbine and an increase in stresses in the root sections of the working blade of this turbine.

Для повышения надежности силовой свободной турбины путем минимизации вибронапряжений в ее рабочих лопатках поток газа и воздуха на ее входе должен иметь максимальную равномерность в окружном и радиальном направлениях, чему способствует одинаковый уровень давлений воздуха на выходе из канала наружного контура и газа из канала внутреннего контура, который определяется соотношением площадей F₃ и F₄ на выходе из смесителя. Надежность силовой свободной турбины также повышается при снижении температуры ее наружного корпуса.To increase the reliability of a power free turbine by minimizing vibration stresses in its working blades, the gas and air flow at its inlet should have maximum uniformity in the circumferential and radial directions, which is facilitated by the same level of air pressure at the outlet of the channel of the external circuit and gas from the channel of the internal circuit, which determined by the ratio of the areas F ₃ and F ₄ at the outlet of the mixer. The reliability of the power free turbine also increases with decreasing temperature of its outer casing.

При F₃/F₄<0,1 снижается надежность газотурбинной установки из-за повышенной температуры наружного корпуса силовой турбины, а при F₃/F₄>2,5 снижается надежность газотурбинной установки из-за повышенных вибронапряжений в рабочих лопатках силовой турбины вследствие увеличенной неравномерности воздушно-газового потока на ее входе.At F ₃ / F ₄ <0.1, the reliability of the gas turbine installation decreases due to the increased temperature of the outer casing of the power turbine, and at F ₃ / F ₄ > 2.5 the reliability of the gas turbine installation decreases due to the increased vibration stresses in the working blades of the power turbine due to increased unevenness of the air-gas flow at its inlet.

Снижение удельной работы на силовой свободной турбине позволяет получить высокий кпд при минимальном числе ее ступеней, тем самым минимизировать ее стоимость.Reducing the specific work on the power free turbine allows you to get high efficiency with a minimum number of stages, thereby minimizing its cost.

Это особенно актуально для прямого безредукторного привода электрогенератора, т.е. при оборотах силовой свободной турбины n=3000 об/мин. При этом число ее ступеней Z не превышает трех. В случае механического привода, т.е. при более высоких оборотах силовой турбины Z=1÷2.This is especially true for a direct gearless drive of an electric generator, i.e. at revolutions of the power free turbine n = 3000 rpm Moreover, the number of its steps Z does not exceed three. In the case of a mechanical drive, i.e. at higher speeds of the power turbine Z = 1 ÷ 2.

При Z>3 возрастает стоимость и снижается надежность силовой свободной турбины из-за увеличения числа дорогостоящих деталей, особенно дисков рабочих и сопловых лопаток.At Z> 3, the cost increases and the reliability of the power free turbine decreases due to an increase in the number of expensive parts, especially the disks of working and nozzle blades.

На фиг.1 представлен продольный разрез газотурбинной установки, на фиг.2 - элемент I на фиг.1 в увеличенном виде, а на фиг.3 показан элемент II на фиг.1 в увеличенном виде.Figure 1 shows a longitudinal section of a gas turbine installation, figure 2 - element I in figure 1 in an enlarged view, and figure 3 shows element II in figure 1 in an enlarged view.

Газотурбинная установка 1 состоит из компрессора низкого давления 2, входа 3 промежуточного корпуса 4, а также из расположенных во внутреннем контуре 5 компрессора высокого давления 6, камеры сгорания 7, турбины высокого давления 8 турбины низкого давления 9 со смесителем 10 на ее выходе, из канала наружного контура 11, вход 12 которого соединен с выходом 13 компрессора низкого давления 2, а выход - с внешней стороной 14 смесителя 15, установленного на выходе из турбины низкого давления 9.The gas turbine unit 1 consists of a low pressure compressor 2, an inlet 3 of the intermediate casing 4, as well as a high pressure compressor 6 located in the internal circuit 5, a combustion chamber 7, a high pressure turbine 8, a low pressure turbine 9 with a mixer 10 at its outlet, from the channel external circuit 11, the input 12 of which is connected to the output 13 of the low pressure compressor 2, and the output to the external side 14 of the mixer 15 installed at the outlet of the low pressure turbine 9.

На выходе из газотурбинной установки 1 установлена общая для внутреннего 5 и наружного 11 контуров силовая свободная турбина 16, состоящая из первой 17 и второй 18 ступеней. Полезная мощность с турбины 16 снимается с помощью вала 19.At the exit of the gas turbine installation 1, a power free turbine 16, common for the internal 5 and external 11 circuits, is established, consisting of the first 17 and second 18 stages. Net power from the turbine 16 is removed using the shaft 19.

В промежуточном корпусе 4, расположенном между компрессором низкого давления 2 и компрессором высокого давления 6, установлен разделитель потоков 20, разделяющий поток воздуха 21 с выхода 13 компрессора низкого давления 2 на поток воздуха 22 на входе 12 канала наружного контура 11 и на поток воздуха 23 на входе 24 компрессора высокого давления 6 и соответственно на внутренний контур 5.In the intermediate casing 4, located between the low-pressure compressor 2 and the high-pressure compressor 6, a stream separator 20 is installed, separating the air stream 21 from the output 13 of the low-pressure compressor 2 to the air stream 22 at the inlet 12 of the channel of the outer circuit 11 and to the air stream 23 the inlet 24 of the high-pressure compressor 6 and, accordingly, to the internal circuit 5.

Радиальное положение разделителя потоков 20 определяет соотношение площадей каналов на входе наружного 11 (F₁) и внутреннего 5 (F₂) контуров и соответственно соотношение расходов воздуха 22 и 23 по этим контурам.The radial position of the flow separator 20 determines the ratio of the areas of the channels at the inlet of the outer 11 (F ₁ ) and inner 5 (F ₂ ) circuits and, accordingly, the ratio of the air flow rates 22 and 23 along these circuits.

Смеситель 15 на выходе 24 выполнен с проходной площадью F₃ по наружному контуру и с проходной площадью F₄ по внутреннему контуру, и каналом 25 соединен с силовой свободной турбиной 16.The mixer 15 at the outlet 24 is made with a passage area F ₃ along the outer contour and with a passage area F ₄ along the inner contour, and the channel 25 is connected to a power free turbine 16.

Работает данное устройство следующим образом.This device works as follows.

При работе газотурбинной установки 1 воздух через вход 3 поступает в компрессор низкого давления 2, на выходе из которого с помощью разделителя потоков 20 в промежуточном корпусе 4 направляется частично в канал наружного контура 11.During the operation of the gas turbine unit 1, air through the inlet 3 enters the low-pressure compressor 2, at the outlet of which, with the help of the flow separator 20 in the intermediate casing 4, it is partially directed to the channel of the external circuit 11.

Оставшаяся часть воздуха поступает в канал внутреннего контура 5, где сжимается в компрессоре высокого давления 6. Получаемый в результате горения в камере сгорания 7 газ расширяется и совершает полезную работу в турбине высокого давления 8 и в турбине низкого давления 9, которые вращают компрессор высокого давления 6 и компрессор низкого давления 9 соответственно.The remaining air enters the channel of the internal circuit 5, where it is compressed in the high-pressure compressor 6. The gas obtained as a result of combustion in the combustion chamber 7 expands and does useful work in the high-pressure turbine 8 and in the low-pressure turbine 9, which rotate the high-pressure compressor 6 and a low pressure compressor 9, respectively.

На выходе из смесителя 15 воздух из канала наружного контура 11 и газ из турбины низкого давления 9 частично смешиваются и по каналу 25 поступают в силовую свободную турбину 16, где совершают полезную работу. Мощность от силовой свободной турбины 16 передается потребителю с помощью вала 19.At the outlet of the mixer 15, the air from the channel of the external circuit 11 and the gas from the low pressure turbine 9 are partially mixed and through the channel 25 enter the free power turbine 16, where they perform useful work. The power from the free power turbine 16 is transmitted to the consumer using the shaft 19.

При снижении режимов работы газотурбинной установки 1 снижение оборотов ротора компрессора низкого давления 2 из-за большой инерционности происходит медленнее, чем снижение оборотов ротора компрессора высокого давления 6, однако это не приводит к уменьшению запасов газодинамической устойчивости и помпажу компрессора низкого давления 2, так как излишки воздуха на выходе через канал наружного контура 11 и смеситель 15 поступают на силовую турбину 16 и через выхлопную систему (не показано) выбрасываются в атмосферу. То есть в данной конструкции для обеспечения необходимых запасов газодинамической устойчивости компрессора низкого давления 2 не требуется дополнительных средств механизации (клапанов перепуска, поворотных направляющих аппаратов и т.д.), что также повышает надежность газотурбинной установки 1 в целом.With a decrease in the operating modes of the gas turbine unit 1, the decrease in the rotor speed of the low pressure compressor 2 due to the high inertia is slower than the decrease in the speed of the rotor of the high pressure compressor 6, but this does not lead to a decrease in the gas-dynamic stability reserves and surging of the low-pressure compressor 2, since there are surpluses air at the outlet through the channel of the outer circuit 11 and the mixer 15 enter the power turbine 16 and are discharged into the atmosphere through an exhaust system (not shown). That is, in this design, to ensure the necessary reserves of gas-dynamic stability of the low-pressure compressor 2, no additional mechanization means are required (bypass valves, rotary guide vanes, etc.), which also increases the reliability of the gas turbine unit 1 as a whole.

Оптимальное соотношение площадей F₁/F₂ каналов 11 и 5 наружного и внутреннего контуров позволяет за счет обдува воздухом 22 обеспечить минимальные температуры наружных корпусов компрессора 6, камеры сгорания 7, а также турбин 8, 9 и 16, обеспечивая уменьшение радиальных зазоров между ротором и статором компрессора 6 и турбин 8, 9 и 16. Одновременно паразитные утечки из канала внутреннего контура 5 по стыкам между корпусами компрессора 6, камеры сгорания 7 и турбин 8, 9 «улавливаются» в канале наружного контура 11 и затем «срабатываются» в силовой свободной турбине 16, которую из-за снижения удельной работы протекающей по ней газовоздушной смеси выполняют с минимальным количеством ступеней, что снижает ее стоимость.The optimal ratio of the areas F ₁ / F _{2 of the} channels 11 and 5 of the external and internal circuits allows, by blowing air 22, to ensure the minimum temperatures of the outer casings of the compressor 6, the combustion chamber 7, and also the turbines 8, 9 and 16, providing a reduction in the radial clearance between the rotor and the stator of the compressor 6 and turbines 8, 9 and 16. Simultaneously, spurious leaks from the channel of the internal circuit 5 at the joints between the compressor housings 6, the combustion chamber 7 and turbines 8, 9 are “captured” in the channel of the external circuit 11 and then “triggered” into power freedom bottom turbine 16, which, due to the reduction in the specific work of the gas-air mixture flowing through it, is performed with a minimum number of stages, which reduces its cost.

Благодаря пониженной температуре воздуха 22, протекающего в канале наружного контура 11, температура внешних корпусов этого канала минимальна, что повышает надежность этих корпусов и уменьшает тепловые и акустические выделения во внешнюю среду.Due to the reduced temperature of the air 22 flowing in the channel of the outer circuit 11, the temperature of the outer shells of this channel is minimal, which increases the reliability of these shells and reduces thermal and acoustic emissions into the external environment.

Claims

A gas turbine installation including a low-pressure compressor inlet, a power turbine at the outlet, an intermediate housing between the compressors with a flow separator, channels of external and internal circuits, the internal circuit containing a high-pressure compressor with a mixer at the output, the channel input of the external circuit connected to the output of the low compressor pressure, and the output is with the outside of the mixer, characterized in that

F ₁ / F ₂ = 0.1-3, F ₃ / F ₄ = 0.1-2.5 and Z = 1-3, where

F ₁ - the area of the channel of the external circuit along the separator flows in the intermediate between the compressors casing of a gas turbine installation;

F ₂ - the area of the channel of the internal circuit by the separator flows in the intermediate between the compressors of the gas turbine unit;

F ₃ - the channel area of the outer circuit at the outlet of the mixer;

F ₄ - the channel area of the inner circuit at the outlet of the mixer;

Z is the number of stages of a power free turbine.