способ передачи мощности с вала свободной турбины на вал электрогенератора и газотурбинная энергоустановка

Формула изобретения

1. Способ передачи мощности с вала свободной турбины на вал электрогенератора газотурбинной энергоустановки, заключающийся в передаче мощности от свободной турбины к электрогенератору через валопровод, соединенный посредством шлицевой муфты с валом свободной турбины и жестко с валом электрогенератора, при всплытии ротора электрогенератора на масляной пленке в подшипниках после запуска, удлинении валопровода вследствие теплового расширения на рабочем режиме, осевой сдвижке валопровода с муфтой от торца вала свободной турбины при ее останове и охлаждении валопровода, отличающийся тем, что осевую сдвижку валопровода используют для аккумулирования энергии и при повторном запуске после всплытия ротора электрогенератора на масляной пленке в подшипниках перед выходом свободной турбины на рабочий режим производят подвод аккумулированной энергии для осуществления осевого перемещения валопровода в сторону торца вала свободной турбины и после этого выход свободной турбины на расчетную частоту вращения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что аккумулирование энергии осуществляется посредством дополнительного сжатия предварительно напряженного упругого элемента.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что осевую сдвижку валопровода осуществляют до упора бурта шлицевой муфты, соединяющей валопровод со свободной турбиной, в торцевой уступ вала последней.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в случае недостижения упора бурта муфты в уступ вала осуществляют повторное уменьшение частоты вращения и осевую сдвижку валопровода.

5. Газотурбинная энергоустановка, содержащая свободную турбину с валом, связанным посредством шлицевой муфты с валопроводом, жестко соединенным другим концом с валом ротора электрогенератора, расположенного в его подшипниках, отличающаяся тем, что она снабжена расположенным между валом свободной турбины и шлицевой муфтой нажимным устройством, содержащим закрепленную одним концом внутри вала свободной турбины втулку с фланцем, контактирующим с торцом вала, внешнее и внутреннее распорные кольца с установленным между ними предварительно сжатым упругим элементом, причем внешнее кольцо закреплено на внешнем конце втулки, а внутреннее установлено с возможностью осевого перемещения с упором в шлицевую муфту, последняя выполнена с буртом, контактирующим с ответным торцевым уступом вала свободной турбины, и при этом подшипники ротора электрогенератора выполнены с возможностью его осевого смещения по меньшей мере на величину теплового удлинения валопровода.

6. Энергоустановка по п.5, отличающаяся тем, что упругий элемент выполнен в виде пружины.

7. Энергоустановка по п.5, отличающаяся тем, что упругий элемент выполнен в виде ряда расположенных по окружности пружин.

8. Энергоустановка по пп.6 и 7, отличающаяся тем, что в качестве пружины использована спиральная пружина сжатия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области промышленного производства электроэнергии, преимущественно посредством газотурбинного привода электрогенератора.

Известна газотурбинная установка, содержащая модуль газогенератора, включающий корпус и ротор, силовой модуль, включающий корпус с выпускным патрубком и установленный внутри корпуса ротор свободной турбины с валом, а также модуль электрогенератора, включающий статор и ротор, причем силовая турбина соединена с ротором электрогенератора посредством валопровода, один конец которого соединен с валом свободной турбины при помощи шлицевой муфты с возможностью осевого перемещения, а другой соединен с валом ротора генератора жестко, и корпус газогенератора соединен с корпусом силового модуля соединительным элементом ("Газотурбинные установки, атлас конструкций и схем, под ред. Л.А. Шубенко-Шубина", М. "Машиностроение", 1976 г, стр. 78-82, прототип).

В известной газотурбинной установке реализован способ передачи мощности с вала свободной турбины на вал электрогенератора через валопровод, соединенный посредством шлицевой муфты с валом свободной турбины и жестко - с валом электрогенератора, включающий при всплытии ротора электрогенератора на масляной пленке в подшипниках после запуска и удлинении валопровода вследствие теплового расширения на рабочем режиме осевую сдвижку валопровода с муфтой от торца вала свободной турбины при ее останове и охлаждении валопровода ("Газотурбинные установки, атлас конструкций и схем, под ред. Л.Л. Шубенко-Шубина", М. "Машиностроение", 1976 г, стр. 78-82, прототип).

При таком соединении роторов при передаче мощности с вала свободной турбины на вал электрогенератора после каждой остановки агрегата происходит шаговое перемещение валопровода вместе с ротором электрогенератора в сторону последнего. Это объясняется следующим. При выходе установки под нагрузку сразу после запуска (быстрый старт - известное преимущество газотурбинных энергоустановок) шлицевое соединение валопровода под действием передаваемого к генератору момента существенно ужесточается (защемляется). Второй конец валопровода жестко соединен с ротором генератора, который при вращении "всплывает" в своих подшипниках скольжения на масляной пленке и может легко перемещаться в осевом направлении. В процессе работы установки валопровод нагревается и, соответственно, удлиняется. Длина валопровода составляет около 2,5 м, а нагревается он на 80-150^oC, так что удлинение может составить около 3 мм. Поскольку для осевого перемещения защемленного конца валопровода необходимо значительное усилие, а ротор электрогенератора смещается легко, то он и переместится на величину удлинения валопровода.

При остановке агрегата ротор электрогенератора перестает вращаться, масляная пленка в его подшипниках выдавливается и теперь для перемещения ротора большой массы в осевом направлении требуется значительное усилие (более 1000 кгс). В то же время шлицевая муфта валопровода, освобожденная от действия крутящего момента, может легко перемещаться в осевом направлении, что и происходит по мере охлаждения и, соответственно, укорачивания валопровода. При следующем запуске шлицевая муфта валопровода защемляется в новом положении, и процесс повторяется с периодическим накоплением шагового смещения ротора электрогенератора в осевом направлении.

Применение упорного подшипника в электрогенераторе, фиксирующего положение его ротора, обеспечит преодоление защемления в шлицах, но это приводит к неоправданно большому увеличению нагрузок на подшипниках электрогенератора и силовой турбины, а также на корпусе последней.

Осевая фиксация шлицевой муфты на валу свободной турбины для предотвращения смещения соответствующего конца валопровода также приводит к увеличению нагрузок на подшипник и корпус свободной турбины, причем это имеет место при отсутствии вращения роторов электрогенератора и турбины.

Оба эти технические решения требуют чрезмерного усиления конструкции и соответствующих затрат.

Задачей изобретения является предотвращение накопления перемещения ротора электрогенератора при незначительном увеличении себестоимости конструкции.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе передачи мощности с вала свободной турбины на вал электрогенератора через валопровод, соединенный посредством шлицевой муфты с валом свободной турбины и жестко - с валом электрогенератора, при всплытии ротора электрогенератора на масляной пленке в подшипниках после запуска, удлинении валопровода вследствие теплового расширения на рабочем режиме, осевой сдвижке валопровода с муфтой от торца вала свободной турбины при ее останове и охлаждении валопровода, осевую сдвижку валопровода используют для аккумулирования энергии, и при повторном запуске после всплытия ротора электрогенератора на масляной пленке в подшипниках перед выходом свободной турбины на рабочий режим производят подвод аккумулированной энергии для осуществления осевого перемещения валопровода в сторону торца вала свободной турбины и после этого выход свободной турбины на расчетную частоту вращения. Аккумулирование энергии осуществляется посредством дополнительного сжатия предварительно напряженного упругого элемента. Осевую сдвижку валопровода осуществляют до упора бурта шлицевой муфты в торцевой уступ вала последней. В случае недостижения упора бурта муфты в уступ вала осуществляют повторное уменьшение частоты вращения и осевую сдвижку валопровода.

Поставленная задача решается тем, что в газотурбинной энергоустановке, содержащей свободную турбину с валом, связанным посредством шлицевой муфты с валопроводом, жестко соединенным другим концом с валом электрогенератора, энергоустановка снабжена расположенным между валом свободной турбины и шлицевой муфтой нажимным устройством, содержащим закрепленную одним концом внутри вала свободной турбины втулку с фланцем, контактирующим с торцем вала, внешнее и внутреннее распорные кольца с установленным между ними упругим элементом, причем внешнее кольцо закреплено на внешнем конце втулки, а внутреннее - установлено с возможностью осевого перемещения с упором в шлицевую муфту, последняя выполнена с буртом, контактирующим с ответным торцевым уступом вала свободной турбины, и подшипники электрогенератора выполнены с возможностью осевого смещения ротора по меньшей мере на величину теплового удлинения валопровода. Упругий элемент может быть выполнен в виде предварительно сжатой пружины или ряда пружин, расположенных по окружности. В качестве пружин могут быть использованы спиральные пружины сжатия.

На фиг. 1 представлен общий вид газотурбинной энергоустановки, на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1 в увеличенном масштабе.

На валу 1 ротора свободной турбины устанавливается нажимное устройство, содержащее втулку 2 с фланцем 3, один конец которой закреплен внутри вала 1 до упора фланца 3 в торец вала 1, а на другой надеты распорные кольца 4 и 5, между которыми установлена предварительно сжатая пружина 6, причем внешнее кольцо 5 закреплено на внешнем конце втулки 2, а внутреннее установлено с возможностью осевого перемещения с упором в шлицевую муфту 7, предварительно надетую на вал 1 до упора своим буртом 8 в торцевой уступ 9 на валу 1. Шлицевая муфта 7 соединена с валопроводом 8, жестко связанным с валом 10 ротора электрогенератора. Вал 10 ротора электрогенератора установлен в подшипниках 11 с возможностью осевого перемещения на величину температурного удлинения валопровода 8.

Сила сжатой пружины (или нескольких пружин, расположенных по окружности) 250-300 кгс вполне достаточна для возвращения ротора электрогенератора при его вращении. Это усилие замкнуто на деталях нажимного устройства, шлицевой муфты и конце вала свободной турбины. Таким образом, дополнительных усилий на подшипнике турбины на установившихся режимах не возникает.

При запуске установки ротор электрогенератора перемещается за счет нагрева валопровода 8 описанным выше образом. После остановки перемещение шлицевой муфты 7 по мере охлаждения валопровода 8 сопровождается перемещением распорного кольца 4 с соответствующим сжатием пружины, а между буртом 8 и торцем уступа 9 образуется зазор.

При повторном запуске установки с охлажденным валопроводом свободная турбина до выхода на расчетную частоту вращения, соответствующую синхронизации электрогенератора по частоте с сетью, не может быть нагружена значительным крутящим моментом, и шлицевая муфта 7 не закусывается. В то же время ротор электрогенератора вращается, всплывает на масляной пленке в подшипниках 11 и может легко переместиться в исходное положение вместе с валопроводом 8 и его шлицевой муфтой 7 под действием умеренного усилия пружин 6. Усилие в шлицевой муфте 7 можно дополнительно уменьшить, если выполнить при разгоне ротора свободной турбины несколько раз небольшое уменьшение частоты вращения. Таким образом обеспечивается гарантированный возврат валопровода 8 в исходное положение.

После возврата валопровода 8 в исходное положение электрогенератор синхронизируется с сетью и установка выводится на нагрузку.

Использование изобретения позволит компенсировать тепловые перемещения валопровода в газотурбинной установке при простом способе и дешевой конструкции соединительного элемента.