3. Описание конструкции и принципа действия гпа
Основные конструктивные особенности газотурбинных ГПА рассмотрим на примере наиболее распространенного на компрессорных станциях агрегата ГТК-10. Конструкция газотурбинной установки включает в себя турбоблок, камеру сгорания и регенератор, объединенные между собой трубопроводами газовоздушного тракта.
Блок турбогруппы включает в себя осевой компрессор, газовые турбины высокого и низкого давления, выполненные в одном корпусе, пусковой турбодетандер, валоповоротное устройство, элементы маслосистемы и системы регулирования, внешние трубопроводы системы охлаждения и др. Эти элементы ГТУ монтируют на общей фундаментной раме, одновременно являющейся маслобаком, и поставляют единым монтажным блоком. Вся турбо-группа закрыта декоративным кожухом, из-под которого нагретый воздух с помощью специального вентилятора выбрасывается в атмосферу.
Чугунный корпус компрессора выполнен из трех частей, соединенных вертикальными фланцами: всасывающего и нагнетательного патрубков и средней части (обоймы). Корпус имеет общий горизонтальный разъем и лапы, с помощью которых его устанавливают на фундаментную раму-маслобак; с корпусом турбины соединяется через корпус среднего подшипника и два сегмента. Проточная часть компрессора образована ступенями рабочих и направляющих лопаток. Статор компрессора имеет 12 ступеней: первая — входной направляющий аппарат, десять ступеней промежуточного направляющего аппарата, последняя ступень — спрямляющий аппарат. Ротор компрессора имеет 10 ступеней лопаток, установленных на бочкообразной части ротора турбокомпрессора. Для выпуска части воздуха после четвертой ступени во время запуска агрегата на корпусе компрессора установлены автоматические сбросные клапаны. Корпус турбины состоит из четырех частей, соединенных вертикальными фланцами: передней части корпуса, диффузора и двух выхлопных патрубков (правого и левого). Передняя часть корпуса и диффузор снабжены горизонтальным фланцевым разъемом. Передняя часть корпуса выполнена двухстенной с наружным литым корпусом и внутренней вставкой из листовой жаропрочной стали. Эта вставка образует проточную часть турбины от входного патрубка до лопаток; зазор между внутренним и наружным корпусом заполнен тепловой изоляцией. Для обеспечения свободы теплового расширения вставка подвешена на лапках к передней части корпуса в плоскости горизонтального разъема. Нижняя половина передней части корпуса имеет входной патрубок, в котором для жесткости установлена охлаждаемая воздухом стяжка. Диффузор выполнен сварным из листа и имеет наружную тепловую изоляцию. Корпус турбины опирается на фундаментную раму при помощи шести лап на переднем корпусе, диффузоре и выхлопных патрубках. В корпусе турбины в специальных проточках установлены обойма направляющих лопаток, диафрагма с передним уплотнением, уплотнение крылатки и заднее уплотнение турбины.
Обойма с направляющими лопатками установлена в кольцевую проточку корпуса, которая одновременно является каналом для подвода воздуха на охлаждение обоймы. Для предотвращения тепловых деформаций обойма выполнена без горизонтального разъема, но имеет небольшую съемную часть над ротором турбокомпрессора для удобства разборки. В обойму установлены два ряда направляющих лопаток. Лопатки первого ряда имеют Т-образный хвост и набраны в 12 сегментах по четыре лопатки. Лопатки второго ряда размещены между двух бандажей и вместе с бандажом представляют собой единую сварную конструкцию, которая является одновременно промежуточной вставкой между ТВД и ТНД. В передней части корпуса турбины со стороны диска ТВД установлена диафрагма с уплотнением, состоящая из двух половин, соединенных по горизонтальному разъему шпильками. За диафрагмой в корпусе турбины установлено уплотнение крылатки, выполненной на валу и являющейся дополнительным воздушным затвором. Между диафрагмой и уплотнением имеется канал, из которого по трубам воздух и его протечки через уплотнения удаляются за пределы машинного зала.
В диффузоре установлено уплотнение силовой турбины, которое предотвращает протечки продуктов сгорания между корпусами турбины и подшипника силового ротора. В переднем блоке турбогруппы размещены опорно-упорный подшипник ротора турбокомпрессора, главный масляный насос, валоповоротное устройство, турбодетандер и элементы маслосистемы и системы регулирования. Нижняя часть корпуса переднего блока отлита заодно со всасывающим патрубком корпуса компрессора. Главный масляный насос центробежного типа установлен на роторе турбокомпрессора в блоке переднего подшипника и служит для обеспечения смазки агрегата и работы системы регулирования.
Валоповоротное устройство установлено на крышке подшипника переднего блока и предназначено для медленного проворачивания (с частотой вращения 12 об/мин) ротора турбокомпрессора. Валоповоротное устройство представляет собой двухступенчатый редуктор с приводом от электродвигателя переменного тока.
Турбодетандер предназначен для запуска агрегата, т. е. для раскручивания ротора турбокомпрессора до частоты вращения, соответствующей точке "самоходности" ГТУ. Турбодетандер представляет собой двухступенчатую парциальную расширительную турбину, рабочим телом которой является природный газ из пускового коллектора с давлением 1,47 МПа.
Ротор турбокомпрессора выполнен составным из барабана, пробки и диска. Пробка запрессована в расточку барабана со стороны входа воздуха в компрессор и зафиксирована четырьмя радиальными штифтами. Диск турбины насажен на другой конец вала. Для обеспечения надежности соединения с валом применена втулка, устанавливаемая в отверстие бочки и имеющая выступ, на который насажен диск. На бочке ротора имеется 10 канавок зубчатого профиля для установки рабочих лопаток компрессора. На ободе диска выполнены пазы елочной формы для установки рабочих лопаток турбины высокого давления. Ротор размещен в двух подшипниках скольжения — опорном и опорно-упорном.
Ротор силовой турбины также выполнен составным из вала с насаженным на него диском. Утолщение в центральной части вала служит противовесом консольного диска. Ротор размещен в двух подшипниках скольжения — опорном и опорно-упорном. Заодно целое с валом изготовлено колесо центробежного насоса-импеллера, напор которого служит импульсом регулятору скорости в системе регулирования ГТУ. Для передачи крутящего момента от ротора силовой турбины к ротору нагнетателя служит зубчатая муфта, состоящая из двух зубчатых втулок, промежуточного вала и двух обойм. Промежуточный вал между подшипниками силового ротора и подшипника нагнетателя закрыт кожухом.
Фундаментная рама является основанием для турбоблока и одновременно резервуаром (маслобаком) для масляной системы ГПА. Турбину и компрессор устанавливают при помощи лап на стойках рамы-маслобака. Раму прикрепляют к фундаменту специальными стяжками через сквозные отверстия в площадках рамы. Раму выставляют на фундаменте при помощи клиновых прокладок, устанавливаемых между опорными поверхностями низа рамы и металлическими площадками, выполненными на фундаменте.
Внутренняя полость рамы, служащая масляным баком, разделена перегородками на отсеки грязного и чистого масла, между которыми установлены три сдвоенных сетчатых фильтра. Масло, сливаемое из подшипников и системы регулирования, попадает в грязный отсек, в котором на пути масла установлены две воздухоотделительные камеры. Из чистого отсека масло, прошедшее через фильтры, забирается насосами. Чтобы предотвратить попадание масляных паров в машинный зал, их отсасывает воздушный эжектор из рамы-маслобака и всех картеров подшипников в общий коллектор и гидрозатвор, где масло конденсируется и возвращается в раму-маслобак.
Выносная камера сгорания ГТК-10 (рисунок 2) состоит из следующих основных элементов: корпуса камеры с крышкой, горелочного устройства, фронтового устройства, вихревого смесителя.
Рисунок 2 – Камера сгорания газотурбинной установки типа ГТК-10
1– воспламенитель дежурной горелки; 2- основная горелка; 3- крышка; 4- фронтовое устройство; 5- огневая часть; 6- корпус; 7- вихревой смеситель
Корпус камеры и крышка воспринимают внутреннее давление и имеют два патрубка с фланцами для подвода воздуха от трубопроводов после регенератора. На торцах корпуса выполнены фланцы для крепления крышки и соединения камеры с переходным патрубком для подачи продуктов сгорания к турбине. На крышке закреплены горелки и кольцевой коллектор топливного газа с двумя патрубками. Горелочное устройство состоит из шести основных горелок, одной дежурной и двух воспламенителей. Дежурная горелка размещена в центре крышки, объединена с воспламенителями и через дроссельные шайбы обеспечивает постоянный расход части топливного газа мимо регулирующего клапана.
Основная горелка состоит из головной части, топливоподающей трубы и фланца для крепления горелки. Воспламенитель выполнен в виде трубы, разделенной диаметральной перегородкой на две полости, в одной из которых размещена газоподводящая трубка, а в другой — электроды свечи зажигания. Фронтовое устройство предназначено для подачи первичного воздуха в зону горения, смешения его с топливным газом и стабилизации факела на всех режимах работы. Фронтовое устройство состоит из семи малых лопаточных венцов (шести по окружности и одного в центре) и одного большого лопаточного венца, расположенного вокруг малых. Вихревой смеситель предназначен для смешения продуктов сгорания с вторичным воздухом и получения равномерного поля температур на выходе камеры сгорания. Он состоит из шести изогнутых лопастей, направляющих наружные слои воздуха к центру камеры и, следовательно, перемешивающих вторичный воздух с продуктами сгорания.