Способ регулирования частоты вращения выходного вала нагрузки газотурбинного двигателя и устройство для его осуществления

 

Использование: в конструкции газотурбинных приводов. Сущность изобретения: падение мощности на валу нагрузки компенсируют дополнительным подводом к нему мощности от турбинного колеса гидравлической муфты. 2 с. и 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области газотурбостроения, в частности к конструкциям газотурбинных приводов (ГТП), снабженных зубчатой передачей, выполненной в виде дифференциального механизма (ДФМ), и к способам регулирования частоты вращения (ЧВ) выходного вала отбора мощности ГТП.

Известны конструкция и способ регулирования ЧВ ГТП (патент США N 3293850 и заявка Японии N 55-8656). Известный ГТП содержит турбокомпрессор (ТКР), включающий закрепленные на общем валу компрессор и турбину, а также свободную силовую турбину (СТ), соединенную с валом синхронного электрогенератора (СЭГ). Ротор СЭГ совместно с СТ вращают с постоянной ЧВ, а ТКР вращают с переменной частотой в зависимости от нагрузки СЭГ. В таком ГТП невозможно обеспечить высокое качество вырабатываемого переменного тока из-за недостаточной мощности и массы приводной турбины.

Известны конструкции ГТП и способ его регулирования (авт. св. СССР N 179131, заявка ЕПВ N 0 083 109 и заявка Великобритании N 1 181 475). ГТП содержит общий вал, соединенный с турбинами, компрессорами ГТД и с ротором СЭГ, который вращает с постоянной частотой. Такой привод имеет недостаточную экономичность из-за постоянной ЧВ ТКР и турбин ГТД на всех режимах нагрузки ГТП.

Известен также привод, содержащий ГТД, соединенный с СЭГ через планетарный редуктор (ПЛР), включающий центральную и венечную шестерни, а также водило с планетными шестернями. Такой ГТП имеет вышеуказанные недостатки.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип изобретения на привод, является ГТП (заявка Великобритании N 1 217 555), который содержит коаксиально расположенные валы СТ и ТКР (внутренний), каждый из которых соединен с центральной шестерней (ЦШ) двух ПЛР, которые имеют общее неподвижное водило. Венечные шестерни (эпициклы) этих редукторов соединены между собой отключаемой фрикционной муфтой, и эпицикл первого ПЛР соединен с выходным валом отбора мощности ГТП. Недостатком ГТП является то, что при постоянной ЧВ выходного вала СТ также вращают с постоянной частотой, и при этом невозможна передача мощности от СТ к компрессору при его вращении с переменной частотой.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип изобретения на способ, является способ регулирования частоты вращения выходного вала ГТП, заключающийся в том, что регулирование частоты вращения вала ГТП осуществляют путем изменения подачи топлива в камеру сгорания ГТД и перераспределения мощности между валами СТ и ТКР посредством муфты и редуктора. Недостатком такого способа является то, что при постоянной ЧВ выходного вала ГТП силовую турбину также вращают с постоянной частотой, и при этом невозможна плавная передача мощности от СТ к компрессору при его вращении с переменной ЧВ.

Цель изобретения - поддержание постоянной частоты вращения выходного вала ГТП при подключении его к СЭГ.

Разобщительная муфта редуктора выполнена в виде регулируемой гидродинамической муфты (ГДМФ), имеющей насосное и турбинное колеса. Редуктор выполнен в виде ДФМ и снабжен дополнительными зубчатыми шестернями и колесами, последние закреплены на ободах водила и эпицикла ДФМ. Шестерни соединены с колесами ГДМФ, а водило - с валом силовой турбины. Падение мощности на выходном валу ГТП при увеличении мощности подключенного к нему потребителя до начала увеличения подачи топлива компенсируют дополнительным подводом к нему мощности от турбинного колеса ГМФ. Насосное колесо ГМФ вращают с частотой, превышающей частоту ее туpбинного колеса, а ТКР - с переменной частотой, определяемой зависимостью П_тк = (К + 1) П_ст-П_эг К, где П_тк, П_ст и П_эг - частота вращения соответственно компрессора, силовой турбины и СЭГ, а К - передаточное отношение ДФМ при неподвижном водиле.

На фиг. 1 показано общее устройство газотурбинного привода; на фиг. 2 - устройство редуктора ГТП с планетарной ступенью; на фиг. 3 - общая схема редуктора ГТП с гидродинамической муфтой (ГДМ).

Газотурбинный привод содержит ГТД, включающий турбокомпрессор (ТKР) 1 и силовую турбину 2 низкого давления (ТНД), ДФМ 3, включающий центральную шестерню 4, водило 5 с планетными шестернями 6, эпицикл 7, СЭГ 8, включающий вращающийся с постоянной частотой ротор 9 и неподвижный статор 10, силовая обмотка которого подключена к электросети 11. ТKР 1 соединен через обгонную муфту 12 со стартерным двигателем (электростартером) 13 и содержит камеру сгорания 14, компрессор 15 и турбину высокого давления (ТВД) 16, закрепленные на общем валу 17. Коаксиальные валы 17 и 18 турбин 16 и 2 соединены соответственно с шестерней 4 и водилом 5 ДФМ 3, эпицикл 7 которого соединен валом 19 с ротором 9 СЭГ. Турбина 2 на выходе сообщена с газовыпуском 20 ГТД. Между турбинами 16 и 2 расположена кольцевая газовая полость 21, а на корпусе ГТД предусмотрен кожух 22, образующий байпасный кольцевой канал 23, сообщающийся на входе и выходе через газоперепускные окна 24 и 25 с полостью 21 и с выходом 20. Окна 24 снабжены запорным клапаном 26 с приводом 27.

Турбина 2 может быть соединена с ДФМ 3 через дополнительный ПЛР 28, включающий закрепленный на неподвижном корпусе 29 эпицикл 30, водило 31 с планетными шестернями 32, соединенное полым валом 33 с шестерней 4 ДФМ 3, а также центральную шестерню 34, соединенную с валом 18 турбины 2.

На ободах эпицикла 7 и водила 5 установлены зубчатые колеса 36 и 37, соединенные зацеплением с шестернями 37, 38, закрепленными на валах 39 и 40, на которых установлены насосное 41 и турбинное 42 колеса гидромуфты (ГМФ) 43, регулируемой клапаном 44.

Запуск ГТП осуществляют следующим образом. Электростартером 13 раскручивают компрессор 15 с турбиной 16 и шестерней 4 ДФМ. При неподвижном роторе 9 СЭГ и эпицикле 7 водило 5 с турбиной 2 вращаются свободно. Таким образом, на пуске в начальный момент исключается раскрутка массивного ротора 9. После подачи и воспламенения топлива, а также подачи рабочего газа на турбину 16 газы от последней отводят, помимо турбины 2, в газовыхлоп 20 через открытые окна 24, 25. После набора мощности турбиной 16 отключают ЭСТ 13, закрывают клапан 26 и газы подают на турбину 2, от которой мощность подводят к ротору 9 и раскручивают его. Затем агрегат выводят на устойчивый рабочий режим. На пуске и на стационарном устойчивом режимах ГМФ 43 не работает и ее колеса 41 и 42 вращаются вхолостую преимущественно в вакуумной среде. При наличии в передаче дополнительного ПЛР 28 ее работа на пусковом и рабочем режимах не отличается, за исключением повышения частоты вращения турбины 2.

На стационарном устойчивом режиме ГТП работает следующим образом. Мощность турбины 2 больше, например в 3 раза, мощности СЭГ, например 1000 кВт. Мощность от турбины 2 отводиться двумя потоками: через эпицикл 7 (1000 кВт) на СЭГ и через шестерню 4 (2000 кВт) - на компрессор 15, куда также подводится мощность от турбины 16. Распределение мощности турбины 2 определяется характеристиками ДФМ. Таким образом, на всех режимах ГТП мощность турбины 2 всегда больше мощности СЭГ. За счет этого всегда имеется в наличии избыточная мощность, которую можно при необходимости определенным способом использовать для кратковременной компенсации резко возросшей мощности ЭГ.

Регулирование, т. е. поддержание постоянной частоты вращения, выходного вала 19 отбора мощности ГТП осуществляют следующим образом. На переходном режиме при резком увеличении мощности ЭГ, т. е. при увеличении крутящего момента на валу 19, сперва происходит снижение частоты вращения ротора 9 СЭГ с эпициклом 7 ДФМ. В результате самопроизвольно происходит перераспределение крутящих моментов в ДМФ создаваемых турбиной 2, что приводит к увеличению мощности, подводимой к ротору 9 СЭГ. Одновременно открывают клапан 44 и тем самым включают ГМФ 43. За счет этого увеличивают крутящий момент, подаваемый от турбины 2 (вала 18), помимо водила 5, к ротору 9 (эпициклу 7) через ГМФ (зацепления 35-37, 38-36). В общем итоге до начала увеличения подачи топлива падение мощности на валу нагрузки компенсируют путем подвода избыточной мощности от турбины 2, включающем частичное снижение мощности компрессора 15. При вращении ТКР с частотой, определяемой зависимостью П_тк = (К + 1) П_ст-П_эг К, представляется возможным одновременно снизить обороты турбин 16 и 2 сохраняя постоянную частоту вращения ротора 9 СЭГ.

Преимущества изобретения заключаются в следующем. За счет наличия гидромуфты, дополнительно связывающей ротор СЭГ через ДФМ со свободной силовой турбиной ГТД, и наличия на всех его режимах избыточной мощности в силовой турбине относительно ЭГ падение мощности на валу нагрузки кратковременно до начала подачи топлива компенсируют дополнительным подводом мощности к СЭГ от силовой турбины за счет снижения мощности компрессора ГТД.

Формула изобретения

1. Способ регулирования частоты вращения выходного вала нагрузки газотурбинного двигателя, заключающийся в увеличении подачи топлива в камеру сгорания при падении мощности на валу нагрузки и перераспределении мощности между валами силовой турбины и турбокомпрессора посредством муфты и редуктора, отличающийся тем, что, с целью поддержания постоянной частоты вращения вала нагрузки при подключении его к электрогенератору и выполнении муфты в виде гидравлической муфты скольжения с насосными и турбинными колесами, до увеличения подачи топлива падение мощности на валу нагрузки компенсируют дополнительным подводом к нему мощности от турбинного колеса гидравлической муфты.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что насосное колесо муфты вращают через дифференциальный редуктор с частотой, превышающей частоту вращения ее турбинного колеса.

3. Способ по пп. 2 и 3, отличающийся тем, что вал турбокомпрессора вращают с переменной частотой вращения, определяемой зависимостью n_тк = (к + 1) · n_с.т - n_э.г · K, где n_тк,; n_с.т, n_эг - частота вращения соответственно турбокомпрессора, силовой турбины, электрогенератора; K - передаточное отношение дифференциального механизма при неподвижном водиле.

4. Устройство для регулирования частоты вращения выходного вала нагрузки газотурбинного двигателя, содержащее соединенный с валами нагрузки турбокомпрессора и силовой турбины редуктор, имеющий зубчатые колеса и шестерни, эпицикл, водило и муфту, отличающееся тем, что, с целью поддержания постоянной частоты вращения вала нагрузки при подключении его к электрогенератору, муфта выполнена в виде муфты скольжения, преимущественно гидравлической, имеющей насосное и турбинное колеса, редуктор выполнен дифференциального типа, зубчатые колеса установлены на ободах водила и эпицикла и соединены с зубчатыми шестернями, последние соединены с насосным и турбинным колесами гидравлической муфты, а водило - с валом силовой турбины.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3