ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1994 года по МПК F01K21/04 F01D5/14 

Изобретение относится к теплоэнергетике.

Известна газотурбинная установка с промежуточным подогревом рабочего тела. Процесс промежуточного подогрева здесь реализуется в нескольких ступенях газовой турбины. Для поддержания температуры газа в пределах начальной температуры в газовой турбине между ступенями вмонтированы каталитические камеры сгорания, в которые подводится дополнительное количество топлива.

К недостаткам известного технического решения относится ограниченность применения (применимо только для газовых турбин) и увеличение длины проточной части турбины из-за необходимости размещения между ступенями каталитических камер сгорания и из-за необходимости обеспечения перемешивания топлива с газами, что неизбежно приводит к тому же к аэродинамическим потерям и уменьшению КПД установки.

Известна паротурбинная установка, в которой предусмотрена подача горячей воды внутрь каждой из полых сопловых лопаток, играющих роль теплообменников поверхностного типа, через которые нагреваются рабочий поток пара.

К недостаткам известного технического решения относятся потребность во внешнем источнике тепловой энергии для подогрева воды, причем параметры последней не могут быть высокими и повышенная протяженность системы каналов для греющей воды, что приводит к большим гидравлическим потерям, а следовательно, и к уменьшению КПД турбоустановки в целом.

Известна паротурбинная установка, содержащая многокорпусную турбину с промежуточным пароперегревателем, установленным непосредственно у паровой турбины между цилиндром высокого давления (ЦВД) и цилиндром среднего давления (ЦСД) и представляющим собой короткий перепускной патрубок между ЦВД и ЦСД, в который под давлением в присутствии рабочего тела подаются кислород, водород и очищенный природный газ, содержащий углеродные фракции (метан, этан, пропан, бутан), смесь которых сжигают, а образующиеся при этом газы примешиваются к рабочему телу и увеличивают его теплосодержание.

Известное техническое решение обладает следующими недостатками:
ограниченность по количеству ступеней промежуточного перегрева, а следовательно, и получение пониженного КПД установки;
к пару примешивается большое количество газа СО₂, который затем довольно трудно удалить из конденсата;
не предусмотрены средства для подготовки однородной горючей смеси, что приводит к некачественному сгоранию топлива;
несколько увеличенные габариты установки из-за наличия перепускного патрубка (промежуточного пароперегревателя).

Известна энергетическая установка, принятая в качестве прототипа и содержащая турбину с промежуточным перегревателем смешивающего типа, имеющим вводы горючего и окислителя, и сопловыми венцами, включающими лопатки. В данной установке основной поток пара перегревают смешением его в промежуточном пароперегревателе с высокотемпературным паром, являющимся продуктом сгорания водорода в кислород и полученным в камере сгорания.

Прототип имеет следующие недостатки:
ограниченность по количеству промежуточных перегревателей, что приводит к незначительному повышению КПД установки;
увеличенные габариты установки из-за наличия промежуточных пароперегревателей, установленных между корпусами турбины.

Целью изобретения является повышение КПД энергетической установки и уменьшение ее габаритов.

Поставленная цель достигается тем, что в энергетической установке, содержащей турбину с промежуточным перегревателем смешивающего типа, имеющим вводы горючего и окислителя, и сопловыми венцами, включающими лопатками, подогреватель и сопловой венец выполнены в виде единого конструктивного элемента, при этом каждая из лопаток сопловых венцов выполнена из силового металлического стержня с продольными полостями, поперечными каналами и расположенными на наружной поверхности стержня в шахматном порядке нишами для горючего и окислителя, имеющими разные объемы, соответственно меньший для окисления и больший для горючего, а также из соединенных продольными перемычками из теплоизолирующего материала с образованием камер внутренней перфорированной и наружной пористой обечаек, причем вводы горючего и окислителя подключены к полостям, а последние сообщены с нишами посредством каналов, каждая лопатка сопловых венцов снабжена зажигательным устройством, например, в виде U-образного трубчатого электрического нагревателя, установленного в продольных углублениях, выполненных в наружной пористой обечайке в районе лобовой части лопатки, при этом подвод напряжения к нагревателю осуществлен при помощи электрических шин, электроизолированных в районе верхнего основания лопатки.

Новым в предлагаемом техническом решении является следующее:
подогреватель и сопловой венец выполнены в виде единого конструктивного элемента;
каждая из лопаток сопловых венцов выполнена из силового металлического стержня с продольными полостями, поперечными каналами и расположенными на наружной поверхности стержня в шахматном порядке нишами для горючего и окислителя, имеющими разные объемы, соответственно меньший для окислителя и больший для горючего, а также из соединенных продольными перемычками из теплоизолирующего материала с образованием камер внутренней перфорированной и наружной пористой обечаек, причем вводы горючего и окислителя подключены к полостям, а последние сообщены с нишами посредством каналов;
каждая лопатка сопловых венцов снабжена зажигательным устройством, например, в виде U-образного трубчатого электрического нагревателя, установленного в продольных углублениях, выполненных в наружной пористой обечайке в районе лобовой части лопатки, при этом подвод напряжения к нагревателю осуществлен при помощи электрических шин, электроизолированных в районе верхнего основания лопатки.

Существенные отличия заявляемого технического решения.

Известна турбина с многократным перегревом рабочего тела, содержащая многоступенчатую проточную часть с радиально-осевыми колесами, с входными и выходными камерами соплового аппарата, подключенными к U-образным каналам ротора, и снабженная перегревательным устройством, выполненным в виде кольцевых секций трубок П-образной формы, концы которых ввальцованы в перегородку, установленную между сопловым аппаратом и перегревательным устройством, и при помощи трубок выходная камера предыдущей ступени соединена с входной камерой последующей ступени.

Недостатками этого технического решения являются:
ограниченность применения (непригодно для осевых турбин);
возрастают поперечные размеры турбины;
большие гидравлические потери как со стороны греющего, так и со стороны подогреваемого теплоносителя, что приводит к снижению КПД турбоустановки.

Заявляемое техническое решение отличается от известного следующим:
подогреватель и сопловой венец каждой ступени выполнены в виде единого конструктивного элемента;
каждая из лопаток сопловых венцов выполнена из силового металлического стержня с продольными полостями, поперечными каналами и расположенными на наружной поверхности стержня в шахматном порядке нишами для горючего и окислителя, имеющими разные объемы, соответственно меньший для окислителя и больший для горючего, а также из соединенных продольными перемычками из теплоизолирующего материала с образованием камер внутренней перфорированной и наружной пористой обечаек, причем вводы горючего и окислителя подключены к полостям, а последние сообщены с нишами посредством каналов.

Известна турбина, содержащая многочисленные высокоскоростные сопла эжекторного типа, смонтированные по периметру между направляющим и рабочим венцами и подающие высокотемпературный пар под большим давлением вдоль потока рабочего пара.

К недостаткам этого известного pешения относятся:
большие гидравлические потери в системе подачи греющего пара от котла к высокоскоростным соплам, что приводит к снижению КПД турбоустановки;
загромождение проточной части турбины указанными соплами, что приводит к увеличению осевого размера турбины и к дополнительным потерям.

Заявляемое техническое решение отличается от известного следующим:
подогреватель и сопловой венец выполнены в виде единого конструктивного элемента, а следовательно, отсутствует загромождение проточной части турбины какими-то конструкциями;
каждая из лопаток сопловых венцов выполнена из силового металлического стержня с продольными полостями, поперечными каналами и расположенными на наружной поверхности стержня в шахматном порядке нишами для горючего и окислителя, имеющими разные объемы, соответственно меньший для окислителя и больший для горючего, а также из соединенных продольными перемычками из теплоизолирующего материала с образованием камер внутренней перфорированной и наружной пористой обечаек, причем вводы горючего и окислителя подключены к полостям, а последние сообщены с шинами посредством каналов.

На фиг. 1 показан промежуточный перегреватель смешивающего типа; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 2; на фиг. 4 - поперечный разрез лопатки в районе верхней полки; на фиг. 5 - вид сбоку на силовой стержень с вогнутой стороны лопатки; на фиг. 6-9 - разрезы В-В, Г-Г, Д-Д и Е-Е соответственно на фиг. 5; на фиг. 10 - основной вариант расположения электрического зажигательного устройства на лопатке; на фиг. 11 - вид по стрелке Ж на фиг. 10.

Промежуточный перегреватель смешивающего типа (фиг. 1), в котором подогреватель и сопловой венец выполнены в виде единого конструктивного элемента, содержит тело 1 диафрагмы, обод 2 диафрагмы, сопловые лопатки 3, бандажную ленту 4, кольцевую полость 5, трубопроводы 6 и 11 для подачи соответственно горючего и окислителя, например газообразных водорода и кислорода, тройники 7 и 12, сваренные в единый раздаточный блок, а также тройники 8 и 13 коллекторов, коллекторы 9 и 14, отростки 10 и 15 для подачи горючего и окислителя в сопловые лопатки 3.

На фиг. 2, 3 показана схема распределения горючего и окислителя при помощи раздаточных тройников 7 и 12, тройники 8 и 13 по коллекторам 9 и 14, расположенным в кольцевой полости 5.

На фиг. 4 показан поперечный разрез лопатки в районе верхней полки, где изображен силовой металлический стержень 16 с нишами с полостями 22 и 23, вокруг которого расположены последовательно внутренняя перфорированная повышенного гидравлического сопротивления обечайка 17, продольные перемычки 17а из теплоизолирующего материала, например из волокнистой керамики, и наружная пористая пониженного гидравлического сопротивления обечайки 18, между которыми формируются камеры 19 для горючего и камеры 20 для окислителя, а также продольные камеры 21 для смешения горючего и окислителя.

На фиг. 5 показан вид сбоку на силовой стержень с вогнутой стороны лопатки, имеющей нижнюю 24 и верхнюю 25 полки, а также разные по размерам ниши 26, имеющие разные объемы, соответственно меньший для окислителя и больший для горючего (например, в случае применения кислорода и водорода соотношение указанных объемов 1; 2), и расположенные на наружной поверхности стержня в шахматном порядке, а также штуцера 27 и гуськи 28 для подвода соответственно горючего и окислителя.

На фиг. 6-9 показаны поперечные разрезы силового стержня, где изображены каналы 29 для подвода окислителя и каналы 30 для подвода горючего к соответствующим нишам.

На фиг. 10, 11 показано расположение электрического зажигательного устройства 31 на лопатке. Устройство 31 представляет собой электрическую спираль (или электрод), предварительно заключенную в U-образную трубку и электрически изолированную от последней, и установлено в продольных углублениях, выполненных в наружной пористой обечайке в районе лобовой части лопатки, при этом подвод напряжения к нагревателю осуществлен при помощи электрических шин 32, электроизолированных в районе верхнего основания лопатки, а электрические кабели, подводящие электроэнергию к шинам 32, расположены в радиальных сверлениях диафрагмы в районе горизонтального разъема (не показаны).

Выполнение объемов, образуемых в районе ниш 26, в определенном соотношении позволяет получить стехиометрическую смесь, что обеспечивает ее полное сгорание, и позволяет обойтись без установки калиброванных дроссельных шайб, однако это несколько усложняет технологию изготовления силового стержня. Обычно в теплоэнергетике в подобных случаях предпочитают все же использовать дроссельные шайбы, которые в данном случае целесообразно установить на выходах из каналов 29 и 30, сообщающих полости 22 и 23 с нишами 26.

Применение двухслойной пористой стенки, состоящей из внутренней перфорированной повышенного гидравлического сопротивления обечайки и наружной пористой пониженного гидравлического сопротивления обечайки, соединенных продольными перемычками из теплоизолирующего материала, повышает устойчивость системы топливоподачи. Дросселирование реагентов на внутренней обечайке предотвращает явление гидравлической разверки, а наружная обечайка способствует однородному перемешиванию топливной смеси и защищает внутреннюю обечайку и силовой стержень от воздействия высокой температуры. Установка продольных перемычек дополнительно способствует уменьшению прогрева силового стержня и предотвращает преждевременный прогрев реагентов, особенно если перемычки будут изготовлены из волокнистой керамики (особые теплоизоляционные свойства волокнистой керамики "держат" тепло в пределах 3 мм).

Промежуточные перегревы рабочего тела с термодинамической точки зрения целесообразны только в турбинах высокого давления, причем в проточной части желательно поддерживать температуру рабочего тела на уровне начальной температуры, которая для современных турбоустановок превышает 550^оС для мощных ПТУ и 800^оС для ГТУ и при которой горючая смесь, поступающая на поверхность лопатки, будет самовоспламеняться. На переходных же режимах работы турбоустановок промежуточные перегреватели рабочего тела отключаются. Иногда, например, для утилизационных паровых турбин с целью устранения эрозии лопаток влажный поток пара целесообразно подсушивать. В этом случае следует применять зажигательные устройства, поддерживающие постоянное горение горючей смеси, подаваемой на поверхность лопаток. Время распространения пламени в ламинарном слое по направлению к поверхности лопатки, например, для смесей природного газа и других горючих газов на порядок, для водородной горючей смеси на два порядка меньше времени снова пламени вдоль лопатки основным рабочим потоком. Так, скорость распространения пламени для смесей природного газа и других газов больше 0,35 м/с, а для водородной горючей смеси порядка 2,5 м/с и толщина ламинарного слоя на поверхности лопатки составляет доли миллиметра, при этом скорость рабочего тела составляет величину порядка 100-200 м/с, а хорда лопатки - порядка 5-10 см. Это обстоятельство и является гарантией стабильного сжигания горючей смеси в пределах лопатки при помощи предложенного основного варианта зажигательного устройства типа U-образного ТЭН. В случае же использования горючей смеси с очень малой скоростью распространения пламени не исключен вариант укладки по всей поверхности лопатки удлиненного ТЭН, многократно изогнутого по аналогии с U-образным ТЭН в виде змеевика и уложенного в соответствующие продольные углубления, выполненные в наружной пористой обечайке по типу выемок для установки U-образного ТЭН. Для лопатки с наружной пористой обечайкой, выполненной из керамики, аналогичные укладки можно выполнить и непосредственно из электрических спиралей (или электродов), хотя при этом уменьшается долговечность зажигательного устройства.

Установка работает следующим образом.

Из резервуара подаются под давлением горючее и окислитель по трубопроводам 6 и 11 соответственно через сверление в ободе 2 диафрагм к раздаточным тройникам 7 и 120 а от них через тройники 8 и 13 к коллекторам 9 и 14, размещенным в кольцевой полости 5 над сопловыми лопатками 3, установленными в теле 1 диафрагмы и скрепленными в районе верхних полок 25 бандажной лентой 4. Далее горючее и окислитель распределяются при помощи отростков 10 и 15, связывающих соответствующие штуцера на коллекторах (не показаны) и штуцера 27, гуськи 28 на сопловых лопатках, по полости 22 и 23, например, выполненных в виде продольных сверлений в силовом стержне 16. Затем окислитель по каналам 29 поступает в камеры 20 меньших объемов, а горючее по каналам 30 - в камеры 19 больших объемов, причем указанные камеры располагаются на наружной поверхности силового стержня в шахматном порядке для облегчения задачи получения однородной горючей смеси. Из камер 19 и 20 горючее и окислитель поступает через соответствующие участки внутренней перфорированной обечайки 17 в продольные камеры 21, где они предварительно смешиваются в стехиометрическом соотношении. Образовавшаяся горючая смесь проникает во вторую наружную пористую обечайку, где создается более однородная горючая смесь, которая направляется на поверхность лопатки и поджигается либо потоком рабочего тела, либо электрическим зажигательным устройством. Образовавшийся в результате горения указанной смеси газ смешивается с рабочим телом и увеличивает его теплосодержание и температуру.

С целью оценки возможности реализации предложенного технического решения на примере судовой паротурбинной установки мощностью 20000 кВт определены поперечные размеры трубопроводов для подачи водорода и кислорода в ступень турбины высокого давления, в которой срабатывается теплоперепад 50 кДж/кг. Для того, чтобы восстановить первоначальное состояние пара перед ступенью, необходимо сжечь 0,008334 кг водорода, а чтобы подать это количество водорода со скоростью порядка 50 м/с необходимы два трубопровода с d = 0,035 м для верхней и нижней половин диафрагмы. Для подачи кислорода, которого требуется в два раза меньше по объему чем водорода, диаметр каждого из трубопроводов будет в 1,41 раза меньше. Из этого следует, что система подачи химических реагентов в предлагаемый перегреватель пара имеет приемлемые размеры и с учетом вышеизложенного данная паротурбинная установка вполне технически реализуема.

Использование заявляемого технического решения обеспечивает:
уменьшение габаритов энергетической установки за счет использования в качестве промежуточных перегревателей (подогревателей) сопловых венцов турбины;
повышение КПД энергетической установки за счет увеличения количества промежуточных перегревателей (подогревателей), равного количеству ступеней турбины высокого давления.

Использование: в области теплоэнергетики, преимущественно в энергетических установках, содержащих турбину с промежуточным перегревателем смешивающего типа. Сущность изобретения: энергетическая установка состоит из генераторов рабочего тела, турбины, резервуаров с горючим и окислителем, связанных трубопроводами через сверления в ободе диафрагмы турбины с раздаточными тройниками, которые подсоединены к коллекторам, размещенным в полости над сопловыми лопатками. Последние скреплены бандажной лентой и связаны при помощи отростков со штуцерами и гуськами на сопловых лопатках. Каждая лопатка выполнена из металлического стержня с нижней и верхней полками, нишами и полостями и имеет внутреннюю перфорированную и наружную пористую обечайки. Последние выполнены с продольными перемычками, которые образуют камеры, связанные посредством каналов с соответствующими полостями. На сопловых лопатках устанавливаются зажигательные устройства с электрическими шинами для сжигания горючей смеси, поступающей на поверхность лопатки. 1 з. п. ф-лы, 11 ил.

1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА, содержащая турбину с промежуточным перегревателем смешивающего типа, имеющим вводы горючего и окислителя, и сопловыми венцами, включающими лопатки, отличающаяся тем, что, с целью повышения КПД и уменьшения габаритов, подогреватель и сопловой венец выполнены в виде единого конструктивного элемента, при этом каждая из лопаток сопловых венцов выполнена из силового металлического стержня с продольными полостями, поперечными каналами и расположенными в наружной поверхности стержня в шахматном порядке нишами для горючего и окислителя, имеющими разные объемы, соответственно меньший - для окислителя и больший - для горючего, а также из соединенных продольными перемычками из теплоизолирующего материала с образованием камер внутренней перфорированной и наружной пористой обечаек, причем вводы горючего и окислителя подключены к полостям, а последние сообщены с нишами посредством каналов. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что каждая лопатка сопловых венцов снабжена зажигательным устройством для сжигания горючей смеси, поступающей на поверхность лопатки при температуре рабочего потока, меньшей температуры самовоспламенения этой смеси, выполненным в виде V-образного трубчатого электрического нагревателя, наружная пористая обечайка выполнена с продольным углублением в зоне лобовой части лопатки, при этом электрический нагреватель размещен в продольном углублении пористой обечайки, а подвод напряжения к нему осуществлен посредством электрических шин, электроизолированных в зоне верхнего основания лопатки.