Турбоэлектрическая станция

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано при проектировании турбоэлектрических установок, предназначенных для получения электрической энергии. Турбоэлектрическая станция состоит из двух идентичных установок, каждая из которых включает в себя турбину (2) и магнитоэлектрический генератор, ротор (3) которого установлен на одном валу с турбиной. Ротор (3) связан посредством подшипников с корпусом (4), в котором жестко закреплен статор (5). Валы (1) обеих установок размещены на одной оси и связаны между собой через соединительный узел 6, выполненный в виде подшипника скольжения. Турбины (2) установок конструктивно выполнены с возможностью обеспечения однонаправленного вращения валов и встречного направления создаваемых ими осевых усилий. Корпуса (4) генераторов жестко связаны друг с другом. Генераторы подключены к равномерно нагружающему их полупроводниковому преобразователю. Преобразователь выполнен в виде двух трехфазных выпрямителей (7) и инвертора (8). Входы выпрямителей (7) подсоединены соответственно к выходам генератора, а последовательно соединенные выходы - к инвертору (8). Благодаря выполнению турбин с встречным направлением лопаток обе турбины и, следовательно, оба вала (1) при поступлении рабочего тела вращаются в одну сторону. Установки идентичны, одинаково нагружены, частоты вращения их подвижных частей практически равны и осевые усилия, создаваемые турбинами, тоже одинаковы, при этом они взаимно компенсируются в соединительном узле (6). Технический результат - увеличение мощности турбоэлектрической станции при одновременном повышении надежности. 1 ил.

 

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано при проектировании турбоэлектрических установок, предназначенных для получения электрической энергии, например, парогенераторных и газотурбинных электростанций.

Известна турбоэлектрическая установка, содержащая магнитоэлектрический генератор, приводимый во вращение турбиной. Ротор генератора и турбина установлены на одном валу, закрепленном в подшипниковых узлах (1). Для увеличения ресурса работы устройства подшипниковые узлы выполнены на базе газодинамических подшипников. Однако данная конструкция технически выполнима при массе вращающейся части, равной единицам килограмм, что ограничивает область ее использования.

Известна турбоэлектрическая установка, содержащая магнитоэлектрический генератор, приводимый во вращение турбиной. Ротор генератора и турбина размещены на одном валу, установленном в подшипниковых узлах (2). Для увеличения ресурса работы устройства, определяемого в основном ресурсом его подшипниковых узлов, использованы магнитные подшипники с регулируемым магнитным полем. Однако подшипники данной модификации имеют сложную и объемную конструкцию, обуславливающую низкую надежность всей установки и низкий ресурс.

Наиболее близким к изобретению является турбоэлектрическая установка (3). Для компенсации осевых усилий статор электрической машины закреплен в корпусе конструкции с радиальным смещением относительно оси вращения ротора в сторону действия веса установки и с осевым смещением относительно геометрической оси симметрии ротора, перпендикулярной оси его вращения. Устройство обладает высоким ресурсом и достаточной надежностью работы благодаря практически полной разгрузке подшипниковых узлов. Однако в системе имеет место снижение мощности за счет уменьшения «рабочей» зоны между ротором и статором. Увеличение мощности затруднено ограничением величины диаметра ротора и, следовательно, ограничением окружных скоростей его вращения. При этом из-за возникновения механического резонанса в рабочем диапазоне частот, практически невозможно значительно увеличить длину ротора.

Техническим результатом, которого можно достичь при использовании изобретения, является увеличение мощности турбоэлектрической станции, при одновременном повышении ее надежности.

Технический результат достигается за счет того, что в турбоэлектрической станции, содержащей две идентичные установки, каждая из которых состоит из турбины и магнитоэлектрического генератора, ротор которого установлен на одном валу с турбиной и связан посредством подшипников с корпусом, в котором жестко закреплен статор, валы обеих установок размещены на одной оси и связаны между собой через подшипник скольжения, а турбины конструктивно выполнены с возможностью обеспечения однонаправленного вращения валов и встречного направления создаваемых ими осевых усилий, при этом выходы генераторов подключены к равномерно их нагружающему полупроводниковому преобразователю, соединенному с выходными выводами, а корпуса генераторов жестко связаны друг с другом.

В проанализированных патентных источниках информации не найдено аналогичных технических решений, которые направлены на увеличение мощности высокооборотной турбоэлектрической установки при одновременном повышении надежности, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критериям охраноспособности.

На чертеже представлена конструкция турбоэлектрической станции. Устройство состоит из двух идентичных установок, каждая из которых размещена на собственном валу 1. Каждая из установок состоит из турбины 2 и магнитоэлектрического генератора, ротор 3 которого установлен на одном валу с турбиной. Ротор 3 связан посредством подшипников с корпусом 4, в котором жестко закреплен статор 5. Валы 1 обеих установок размещены на одной оси и связаны между собой через соединительный узел 6, выполненный в виде подшипника скольжения. Соединительный узел может быть выполнен в виде наконечников валов, изготовленных как подшипники скольжения. Турбины 2 установок конструктивно выполнены с возможностью обеспечения однонаправленного вращения валов и встречного направления создаваемых ими осевых усилий. Данная возможность может быть реализована за счет встречного направления лопаток идентичных в остальном конструкций турбин. Корпуса 4 генераторов установок жестко связаны друг с другом. Выходы генераторов подключены к равномерно их нагружающему полупроводниковому преобразователю, выходы которого подсоединены к нагрузке. Равномерность нагрузки генераторов осуществлена благодаря выполнению преобразователя в виде двух трехфазных выпрямителей 7 и инвертора 8, причем входы выпрямителей 7 подсоединены соответственно к выходам генератора, а последовательно соединенные выходы - к инвертору 8.

Устройство работает следующим образом.

При поступлении на входы турбин 2 рабочего тела, например, газа, турбины начинают вращаться вместе с валами. Благодаря зеркальному размещению турбин друг относительно друга (встречному направлению их лопаток) обе турбины и, следовательно, оба вала 1 вращаются в одну сторону. При вращении турбин развиваются осевые усилия, которые на порядок превосходят массу их вращающихся частей. Из-за того что установки идентичны, одинаково нагружены, а частоты вращения их подвижных частей практически равны, осевые усилия, создаваемые турбинами, тоже одинаковы. С учетом того, что усилия направлены встречно (валы 1 вращаются в одном направлении), они взаимно компенсируются в соединительном узле 6, износ которого практически отсутствует.

Напряжение, вырабатываемое генераторами, поступает на входы мостовых выпрямителей, суммируется и поступает на вход инвертора 8, выходное напряжение с которого подается в нагрузку.

Благодаря компенсации осевых усилий, возникающих при вращении турбин, нагрузка на подшипниковые узлы практически сведена к нулю, при этом появилась возможность значительного увеличения мощности установки.

Высокая надежность и возможность значительного увеличения мощности устройства позволяют ему быть рекомендованным при проектировании турбоэлектрических станций.

Источники информации

1. Журнал «Нефтегазовая вертикаль», Москва, март-апрель 2003 г., с.58-60.

2. CH 342893, 1973 г.

3. RU 72101 H02P 9/04, 2007 г.

Турбоэлектрическая станция, содержащая две идентичные установки, каждая из которых состоит из турбины и магнитоэлектрического генератора, ротор которого установлен на одном валу с турбиной и связан посредством подшипников с корпусом, в котором жестко закреплен статор, причем валы обеих установок размещены на одной оси и связаны между собой через подшипник скольжения, турбины конструктивно выполнены с возможностью обеспечения однонаправленного вращения валов и встречного направления создаваемых ими осевых усилий, при этом выходы генераторов подключены к равномерно их нагружающему полупроводниковому преобразователю, соединенному выходными выводами, а корпуса генераторов жестко связаны между собой.