СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В МЕХАНИЧЕСКУЮ В ГАЗОТУРБИННОМ ДВИГАТЕЛЕ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК F02C3/32 

Изобретение относится к энергетике, а именно к способу преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе и к газотурбинным двигателям, реализующим этот способ.

Изобретение может быть использовано в газотурбинных двигателях, предназначенных для применения в стационарных энергетических и силовых установках, используемых на различных наземных транспортных средствах и воздушных и водных судах.

Известны способы преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинных двигателях, при которых долю полезной мощности увеличивают, либо повышая температуру рабочего тела перед турбиной, либо снижая температуру окислителя, используемого для сжигания топлива с целью получения рабочего тела [1] . Однако такие способы повышения полезной мощности недостаточно эффективны и наносят вред окружающей среде, так как в атмосферу выбрасывается большое количество выхлопных газов.

Известен способ преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе, имеющем по меньшей мере две размещенные в проточной части турбинные ступени и источник нагретого рабочего тела, при котором изменяют температуру рабочего тела путем его охлаждения и расширения [2] . Осуществляют ступенчатое расширение рабочего тела перед ступенями расширения, а в камеру сгорания подают дополнительный окислитель. Сжигание топлива перед промежуточной ступенью расширения производят недостатком окислителя, а перед последней - с избытком.

Этот способ не обеспечивает достаточного повышения КПД, так как многостадийное сжигание топлива не приводит к уменьшению количества охлаждающего газа. Это приводит к возрастанию потерь мощности двигателя на работу компрессора, а следовательно, к снижению КПД. Кроме того, сжигание обогащенной смеси приводит к снижению долговечности двигателя из-за обильного образования сажи. Наличие второй камеры сгорания для дожигания смеси с избытком окислителя приводит к усложнению способа.

Известен газотурбинный двигатель, содержащий по меньшей мере две размещенные в проточной части турбинные ступени и источник нагретого рабочего тела [3] . Воздух забирается из атмосферы компрессором и поступает в источник нагретого рабочего тела в виде камеры сгорания, в которую подают топливо. Воздух в камере сгорания разделяется на два потока, один из которых используется для собственно сгорания топлива, а другой - для подмешивания к продуктам сгорания с целью снижения их температуры. Получаемое нагретое рабочее тело расширяется в ступенях турбины, в результате чего совершается полезная работа. Мощность газотурбинного двигателя частично расходуется на привод компрессора, а оставшаяся часть мощности является полезной мощностью двигателя. Полезная мощность газотурбинного двигателя составляет сравнительно небольшую долю от мощности, развиваемой турбинными cтупенями. Эта доля мощности определяется коэффициентом полезной работы ϕ, который для существующих газотурбинных двигателей составляет всего 0,3-0,4. Двигатель имеет низкий КПД, не превышающий 30% , и небольшую полезную мощность, составляющую максимум 40% от мощности, развиваемой турбинными ступенями. Таким образом, основной недостаток этого газотурбинного двигателя - низкий КПД при низкой полезной мощности. Кроме того, этот двигатель выбрасывает в атмосферу большое количество выхлопных газов.

Известны также газотурбинный двигатель, содержащий турбинные ступени, эжектор, источник нагретого тела, и способ преобразования тепловой энергии в двигателе [4] .

Цель изобретения - использовать в способе преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе такое изменение термодинамического состояния рабочего тела, чтобы увеличить кинетическую энергию рабочего тела при обеспечении надежности двигателя в работе, и изменить конструкцию газотурбинного двигателя так, чтобы организация потоков рабочего тела обеспечила повышение КПД и полезной мощности газотурбинного двигателя при снижении количества выхлопных газов.

Эта цель достигается тем, что в способе преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе, имеющем по меньшей мере две размещенные в проточной части турбинные ступени и источник нагретого рабочего тела, при котором изменяют термодинамическое состояние вводимого по меньшей мере в первую турбинную ступень рабочего тела, во время изменения термодинамического состояния вводимого в турбинную ступень рабочего тела, рабочее тело, подаваемое по меньшей мере в первую турбинную ступень, до ввода в нее расширяют и закручивают относительно продольной оси газотурбинного двигателя, после чего с измененным термодинамическим состоянием охлаждают отработавшим рабочим телом первой турбинной ступени.

Благодаря тому, что рабочее тело перед подачей в первую турбинную ступень расширяют и закручивают относительно оси двигателя при повышенной температуре, повышается кинетическая энергия рабочего тела. Охлаждение рабочего тела отработавшим в первой ступени рабочим телом производится после такого изменения его термодинамического состояния. В результате кинематическая энергия рабочего тела, подводимого к первой турбинной ступени, значительно возрастает, что повышает КПД. Поскольку охлаждение ведется отработавшим рабочим телом, во-первых, повышается общая теплоемкость рабочего тела, что ведет к повышению работы расширения в турбинной ступени, а во-вторых, снижается количество выхлопных газов (в 2-4 раза). Вместе с тем снижаются потери тепла с выхлопными газами, что приводит к частичной рекуперации тепла отработавшего рабочего тела.

Отработавшее рабочее тело, используемое для охлаждения рабочего тела, подводимого к первой ступени турбины, предпочтительно предварительно охлаждают. При этом снижается количество необходимого для охлаждения отработавшего рабочего тела, что приводит к повышению общего КПД двигателя.

Целесообразно, чтобы отработавшее рабочее тело, подводимое для охлаждения рабочего тела, подводимого к первой ступени турбины, предварительно охлаждалось топливом, подводимым к источнику нагретого рабочего тела. При этом повышается эффективность двигателя, так как нагревание топлива, необходимое для повышения эффективности сгорания и приготовления рабочего тела, осуществляется с целью охлаждения отработавшего рабочего тела.

Топливо, подводимое к источнику нагретого рабочего тела, предпочтительно распыляют перед охлаждением рабочего тела, подводимого к первой ступени турбины. При этом повышается эффективность смесеобразования и сгорания, что также повышает общий КПД.

К топливу, подводимому к источнику нагретого рабочего тела, предпочтительно подмешивают воздух перед охлаждением рабочего тела, подводимого к первой ступени турбины. Это дополнительно снижает температуру отработавшего рабочего тела, одновременно улучшая смесеобразование и интенсифицируя сгорание, что также повышает общий КПД.

Поставленная задача также решается тем, что газотурбинный двигатель, содержащий по меньшей мере две размещенные в проточной части турбинные ступени и источник нагретого рабочего тела, снабжен эжектором, имеющим два входа и выход. Первый вход эжектора сообщается с источником нагретого рабочего тела, второй вход эжектора - с выходом первой турбинной ступени, а выход эжектора - с входом первой турбинной ступени.

Благодаря тому, что двигатель снабжен эжектором, имеющим два входа и выход, при этом первый вход эжектора сообщается с источником нагретого тела, второй вход эжектора - с выходом первой турбинной ступени, а выход эжектора - с входом первой турбинной ступени, происходит возврат части отработавшего в первой турбинной ступени рабочего тела и его подмешивание к нагретому рабочему телу, подводимому к первой турбинной ступени. Кинематическая энергия рабочего тела, подводимого к первой турбинной ступени, значительно возрастает, что повышает КПД. При этом поскольку охлаждение ведется отработавшим рабочим телом, во-первых, повышается общая теплоемкость рабочего тела, что ведет к повышению расширения в турбинной ступени, а во-вторых, снижается количество выхлопных газов (в 2-4 раза). Вместе с тем снижаются потери тепла с выхлопными газами, что приводит к частичной рекуперации тепла отработавшего рабочего тела. Кроме того, поскольку нет необходимости в наличии зоны охлаждения в источнике рабочего тела, упрощается конструкция камеры сгорания и значительно сокращается ее длина (примерно на 2/3). Это приводит к уменьшению длины газотурбинного двигателя.

Выход первой турбинной ступени предпочтительно выполнен с камерой, сообщающейся со вторым входом эжектора. Эта камера обеспечивает эффективный забор отработавшего рабочего тела на выходе из первой турбинной ступени, фактически выполняя функцию коллектора.

Целесообразно, чтобы эжектор был образован размещенным в проточной части кольцевым каналом и радиально установленными по окружности кольцевого канала пластинами. Каждая пластина расположена под углом к диаметральной плоскости сечения кольцевого канала.

При такой конструкции эжектора рабочее тело перед подачей в первую турбинную ступень расширяется и закручивается относительно оси двигателя при повышенной температуре, благодаря чему возрастает кинематическая энергия рабочего тела. Кроме того, что особенно важно, закрутка рабочего тела приводит к значительному сокращению длины камеры смешения перед первой турбинной ступенью. Следует также отметить, что благодаря этому отпадает необходимость в сопловом аппарате первой турбинной ступени. Это значительно упрощает конструкцию и уменьшает габариты двигателя. При закрутке рабочего тела пластинами эжектора обеспечивается дополнительное дробление струи нагретого рабочего тела, подаваемого в зону смешения перед первой турбинной ступенью.

Эжектор целесообразно снабдить охлаждающей рубашкой. При этом снижается количество необходимого для охлаждения отработавшего рабочего тела, что приводит к повышению общего КПД двигателя.

На фиг. 1 представлена схема газотурбинного двигателя, иллюстрирующую осуществление способа преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе; на фиг. 2 - то же, продольный разрез; на фиг. 3 - вариант газотурбинного двигателя с другим выполнением эжектора, продольный разрез; на фиг. 4 - разрез А-А на фиг. 3; на фиг. 5 - разрез Б-Б на фиг. 3.

Способ преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе осуществляется следующим образом. Нагретое рабочее тело поступает из источника 1 нагретого рабочего тела в устройство 2 для расширения и закрутки. Это устройство может быть выполнено в виде эжектора. В качестве источника 1 нагретого рабочего тела используется камера сгорания, в которую поступает окислитель, например воздух от компрессора 3, как показано стрелкой А, и топливо, как показано стрелкой В. В источнике 1 происходит смешивание топлива и окислителя известным способом, не имеющим отношения к настоящему изобретению, воспламенение топливно-воздушной смеси и ее сгорание с помощью известных устройств (не показаны). Таким образом, нагретое рабочее тело, поступающее из источника 1 в эжектор 2, как показано стрелкой С на фиг. 1, далее направляется в турбину 4, как показано стрелкой D, где происходит его расширение в первой турбинной ступени (не показана). При этом нагретое рабочее тело совершает работу и охлаждается, отдавая часть своей энергии рабочему колесу первой турбинной ступени. Часть отработавшего рабочего тела с выхода первой турбинной ступени турбины 4 возвращают, как показано стрелкой Е, в эжектор 2. При этом происходит охлаждение расширенного и закрученного в эжекторе 2 нагретого рабочего тела.

В результате смешивания нагретого рабочего тела, имеющего температуру порядка 2400 К, с отработавшим рабочим телом, имеющим температуру порядка 1300 К, в эжекторе 2 происходит выравнивание температуры, которая становится равной примерно 1700 К. Эта температура обеспечивается при коэффициенте эжекции около 1,2-2. , 2, что означает возврат 60-80% отработавшего рабочего тела.

В случае, когда это рабочее тело не охлаждают, объем возвращаемого через эжектор 2 отработавшего рабочего тела составляет 80% . В этом случае обеспечивается повышение кинетической энергии основного активного потока, направляемого в турбину 4, но КПД эжектора в этом случае снижается.

При предварительном охлаждении возвращаемого через эжектор 2 отработавшего рабочего тела, например, с помощью топлива, подаваемого по стрелке В в источник 1 через рубашку 5 (фиг. 1), количество возвращаемого через эжектор 2 отработавшего рабочего тела составляет 60% . При этом коэффициент эжекции составляет 1,2, что повышает КПД эжектора 2. Следует отметить, что охлаждение возвращаемого через эжектор 2 отработавшего рабочего тела путем нагревания топлива наиболее целесообразно, так как одновременно решается задача интенсификации смесеобразования и сгорания, что повышает общий КПД. Разумеется, возможны и другие варианты предварительного охлаждения рабочего тела.

Таким образом, примерно 60% рабочего тела постоянно возвращается в турбину (а точнее, на ее первую ступень) с предварительным подогревом от 1300 до 1600 К. Это дополнительно повышает КПД газотурбинного двигателя примерно на 10% . Газовую среду, подаваемую в турбину, можно условно рассматривать в виде двух потоков. Первый поток - это воздух, необходимый для горения (30% ), а второй - отработавшее рабочее тело, используемое в качестве охлаждающей среды (70% ). Отработавшее рабочее тело, используемое в качестве охлаждающей среды, подают с помощью эжектора. При расчетах учитывают КПД турбины и эжектора, так как рабочее тело, используемое в качестве охлаждающей среды, проходит и через турбину, и через эжектор.

Работа на единицу массы рабочего тела, совершаемая газовой средой в первом потоке при известной системе (а) и предлагаемой системе (б) составит соответственно:
(а) А₁ = 300 кДж/кг˙ 0,82˙ 0,92 = 225 кДж/кг;
(б) А₁ = 450 кДж/кг ˙0,82˙ 0,65 ˙0,92= = 225 кДж/кг.

Работа на единицу массы рабочего тела, совершаемая газовой средой в втором потоке при известной системе (а) и предлагаемой системе (б), составит соответственно:
(а) А₂ = 300 кДж/кг ˙0,82˙ 0,92 = 225 кДж/кг;
(б) А₂ = 450 кДж/кг ˙0,65 ˙0,92 = 270 кДж/кг.

Общая работа, совершаемая газовой средой в секунду:
(а) А = 225 кДж/кг ˙30 кг/с +
+ 225 кДж ˙70 кг/с = 22500 кДж/с;
(б) А = 225 кДж/кг ˙30 кг/с +
+ 270 кДж ˙70 кг/с = 25650 кДж/с.

Потери на удар в эжекторе (основные потери) поглощают часть энергии рабочего тела, которая превращается в тепло и передается рабочему телу. По аналогии с потерями энергии на преодоление гидравлических потерь в турбине, указанные потери обеспечивают в предлагаемом способе дополнительную работу расширения в турбине (прирост 10-12% ). Эта дополнительная работа приводит к тому, что КПД эжектора повышается с 60-70 до 75-80% .

Замена вторичного воздуха с удельной теплоемкостью С_р = 1 на отработавшее рабочее тело, образующееся при сгорании топливо с коэффициентом избытка окислителя 1,2 и имеющее удельную теплоемкость С_р = 1,41, вызывает изменение удельной теплоемкости рабочего тела с 1,1 до 1,4, что приводит к увеличению теплового перепада, используемого в турбине и к повышению общего КПД газотурбинного двигателя на 6-8% :
А = С_р(Т_с* - Т_т*) , где Т_с* - температура в камере сгорания;
Т_т* - температура газов после первой турбинной ступени;
С_р - удельная теплоемкость рабочего тела.

Дополнительное снижение температуры рабочего тела, используемого в качестве охлаждающей среды, уменьшает количество охлаждающего газа, необходимое для достижения заданной температуры рабочего тела, направляемого в турбину (около 1700 К). При этом уменьшается требуемый коэффициент эжекции с 2,2 до 1,8-2. Это приводит к повышению КПД эжектора и газотурбинного двигателя в целом, что позволяет уменьшить площадь поперечного сечения газовых каналов и, как следствие, уменьшить габариты и вес двигателя.

Расчет длины участка смешения показывает, что расстояние между камерой сгорания и турбиной достаточно для полного смешения нагретого рабочего тела с охлаждающим рабочим телом. Это объясняется тем, что, во-первых в предлагаемом способе не требуется участка охлаждения в камере сгорания, а во-вторых, первая ступень турбины может отсутствовать, так как некоторая часть кинематической энергии рабочего тела используется в устройстве для расширения и закрутки.

Топливо, подводимое к источнику 1 нагретого рабочего тела, как показано стрелкой В на фиг. 1, распыляют форсункой 6 перед охлаждением рабочего тела, подводимого к первой ступени турбины в рубашке 5. При этом обеспечивается дополнительная интенсификация смесеобразования благодаря ускорению испарения топлива. Кроме того, к топливу, подводимому к источнику 1 нагретого рабочего тела, подмешивают воздух, как показано стрелкой F, перед подачей топлива для охлаждения рабочего тела, подводимого к турбине. Это также повышает эффективность смесеобразования и обеспечивает дополнительное охлаждение отработавшего рабочего тела. Все это обеспечивает повышение общего КПД газотурбинного двигателя.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает повышение КПД процесса преобразования энергии, уменьшает выброс газов в атмосферу и позволяет улучшить массогабаритные показатели газотурбинного двигателя.

Газотурбинный двигатель имеет по меньшей мере две размещенные в проточной части турбинные ступени 7 и 8, при этом первая турбинная ступень 7 имеет сопловой аппарат 9. Турбина имеет проточную часть 10 и источник 11 нагретого рабочего тела, выполненный в виде камеры сгорания, на входе которой размещен компрессор 12 для подачи окислителя, например воздуха, необходимого для сгорания топлива, подаваемого к источнику 11 с помощью форсунки 13.

Газотурбинный двигатель имеет эжектор 14 с рабочими соплами, имеющим первый вход 15, сообщающийся с источником 11 нагретого рабочего тела, и второй вход 16, сообщающийся с выходом первой турбинной ступени 7. Эжектор 14 имеет выход 17, который сообщается с входом первой турбинной ступени 7.

Эжектор 14 (фиг. 3) выполнен в виде устройства для расширения и закручивания нагретого рабочего тела. Второй вход эжектора 14 образован окнами 18, выходящими в проточную часть 10 и сообщающимися с выходом первой ступени 7 турбины. Первым входом эжектор 14 сообщен с источником 11 нагретого рабочего тела.

Основная часть эжектора представляет собой кольцевой канал 19, в котором расположены радиально установленные по окружности кольцевого канала 19 пластины 20. Каждая пластина 20 расположена под углом α к диаметральной плоскости 0-0 сечения кольцевого канала 19 (фиг. 5). Выход первой турбинной ступени 7 выполнен с камерой 21, сообщающейся с вторым входом эжектора 14 , т. е. с окнами 18 (фиг. 3). Эта камера является коллектором для забора отработавшего рабочего тела и направления его в эжектор 14. В этом варианте первая ступень 7 турбины не имеет соплового аппарата, так как его функции выполняет эжектор 14.

Эжектор 14 имеет охлаждающую рубашку 22 для охлаждения отработавшего рабочего тела, отбираемого от первой турбинной ступени 7. В эту рубашку 22 подается топливо через распылитель 23 от источника подачи топлива (не показан). Выход охлаждающей рубашки 22 соединен с форсункой горелочного устройства (не показано) источника 11 нагретого рабочего тела.

Газотурбинный двигатель (фиг. 2) работает следующим образом.

При поступлении на первый вход 15 эжектора 14 нагретого рабочего тела от источника 11 происходят расширение и смешение этого нагретого рабочего тела с отработавшим в первой турбинной ступени 7 рабочим телом, которое поступает на второй вход 16. Полученное таким образом рабочее тело поступает в первую турбинную ступень 7, где закручивается в сопловом аппарате 9. Далее рабочего тело поступает в первую турбинную ступень 7, где и совершается работа. Затем часть рабочего тела отбирается на второй вход 16 эжектора 14, а остальная часть направляется по проточной части 10 на следующие турбинные ступени.

Вариант газотурбинного двигателя (фиг. 3-5) работает аналогичным образом. Однако поскольку в данном случае эжектор 14 осуществляет закручивание потока нагретого рабочего тела одновременно с его расширением, благодаря наличию наклонных пластин 20, нагретое рабочее тело в смеси с охлаждающим его отработавшим рабочим телом направляется непосредственно на рабочее колесо (не показано) первой турбинной ступени 7. При этом обеспечивается значительное укорочение участка смешения 24.

Использование: в энергетике. Сущность изобретения: термодинамическое состояние вводимого по меньшей мере в первую турбинную ступень рабочего тела изменяют путем его расширения и закручивания относительно продольной оси газотурбинного двигателя до ввода в первую турбинную ступень. Рабочее тело с измененным термодинамическим состоянием охлаждают отработавшим рабочим теплом первой турбинной ступени. Газотурбинный двигатель имеет по меньшей мере две размещенные в проточной части турбинные ступени и источник нагретого рабочего тела. Двигатель снабжен эжектором, имеющим два входа и выход. Первый вход эжектора сообщается с источником нагретого рабочего тела, второй вход с выходом первой турбинной ступени, а выход эжектора - с входом первой турбинной ступени. 2 с. п. ф-лы, 7 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе, имеющем по меньшей мере две размещенные в проточной части турбинные ступени и источник нагретого рабочего тела, путем изменения термодинамического состояния рабочего тела до его ввода в по меньшей мере первую турбинную ступень, закручивания рабочего тела относительно оси газотурбинного двигателя, последующего его расширения в турбинных ступенях с получением механической энергии и охлаждения нагретого рабочего тела отработавшим рабочим телом, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют расширение рабочего тела до ввода его в турбинную ступень, закручивание осуществляют во время изменения термодинамического состояния, а охлаждение нагретого рабочего тела отработавшим рабочим телом первой турбинной ступени производят после его расширения и закручивания. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отработавшее рабочее тело, используемое для охлаждения рабочего тела, предварительно охлаждают. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что охлаждение отработавшего рабочего тела производят топливом, подводимым к источнику нагретого тела. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что топливо перед охлаждением рабочего тела распыливают. 5. Способ по пп. 3 и 4, отличающийся тем, что перед охлаждением рабочего тела к топливу подмешивают воздух. 6. Газотурбинный двигатель для преобразования тепловой энергии в механическую, содержащий по меньшей мере две размещенные в проточной части турбинные ступени, эжектор с двумя входами и выходом и источник нагретого рабочего тела, отличающийся тем, что первый вход эжектора подключен к источнику нагретого рабочего тела, второй - к выходу из первой турбинной ступени, а выход эжектора сообщен с входом первой турбинной ступени. 7. Двигатель по п. 6, отличающийся тем, что первая турбинная ступень снабжена камерой, установленной на ее выходе и сообщенной с вторым входом эжектора. 8. Двигатель по пп. 6 и 7, отличающийся тем, что эжектор выполнен с кольцевым каналом, размещенным в проточной части и имеющим радиально установленные по его окружности пластины, расположенные под углом к диаметральной плоскости сечения кольцевого канала. 9. Двигатель по п. 7, отличающийся тем, что эжектор снабжен охлаждающей рубашкой.