СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В МЕХАНИЧЕСКУЮ В ГАЗОТУРБИННОМ ДВИГАТЕЛЕ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК F02C7/141 

Изобретение относится к энергетике.

Известен газотурбинный двигатель, содержащий по меньшей мере две размещенные в проточной части турбинные ступени и источник нагретого рабочего тела [1]. 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 ступенями. Эта доля мощности определяется коэффициентом полезной работы, который для существующих газотурбинных двигателей составляет всего 0,3-0,4.

Описанный двигатель имеет низкий КПД, не превышающий 30%, и небольшую полезную мощность, составляющую максимум 40% от мощности, развиваемой турбинными ступенями. Таким образом, основным недостатком этого газотурбинного двигателя является низкий КПД при низкой полезной мощности. Кроме того, этот двигатель выбрасывает в атмосферу большое количество выхлопных газов, что крайне нежелательно с точки зрения охраны окружающей среды.

Известен способ преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе, имеющем по меньшей мере одну размещенную в проточной части турбинную ступень и источник нагретого рабочего тела, по которому изменяют термодинамическое состояние вводимого в турбинную ступень рабочего тела посредством подачи и сгорания в нем топлива и окислителя, сужения потока, последующего дополнительного сужения потока рабочего тела и его охлаждения до ввода в турбинную ступень, расширения в последней [2]. Описанный способ осуществляется с помощью газотурбинного двигателя, имеющего по меньшей мере две размещенные в проточной части турбинные ступени, источник нагретого рабочего тела, имеющий начальный участок, сообщенный с источниками топлива и окислителя, примыкающее к нему первое сужение, второе сужение, расположенное перед турбинной ступенью, и криволинейный участок, размещенный между этими сужениями.

Основным недостатком этого газотурбинного двигателя является низкий КПД при низкой полезной мощности. Кроме того, этот двигатель выбрасывает в атмосферу большое количество выхлопных газов, что крайне нежелательно с точки зрения охраны окружающей среды.

В основу изобретения положена задача использовать в способе преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе такое изменение термодинамического состояния рабочего тела, чтобы увеличить кинетическую энергию рабочего тела при снижении количества выхлопных газов, и изменить конструкцию газотурбинного двигателя так, чтобы организация потоков рабочего тела обеспечила повышение КПД и надежности двигателя в работе при упрощении конструкции.

Поставленная задача решается тем, что по способу преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе, имеющем по меньшей мере одну размещенную в проточной части турбинную ступень и источник нагретого рабочего тела изменяют термодинамическое состояние вводимого в турбинную ступень рабочего тела с его расширением и последующим охлаждением отработавшим рабочим телом турбинной ступени до ввода в турбинную ступень путем соединения потока рабочего тела с потоком отработавшего рабочего тела турбинной ступени. При этом изменение термодинамического состояния рабочего тела включает в себя вторую стадию расширения, осуществляемую непосредственно после полного соединения потока рабочего тела с потоком отработавшего рабочего тела турбинной ступени и непосредственно перед подачей рабочего тела в турбинную ступень.

Благодаря тому, что изменение термодинамического состояния рабочего тела включает в себя вторую стадию расширения, осуществляемую непосредственно после полного соединения потока рабочего тела с потоком отработавшего рабочего тела турбинной ступени перед подачей рабочего тела в турбинную ступень, не происходит уменьшения кинетической энергии потока рабочего тела, образованного нагретым или первичным рабочим телом и отработавшим в турбинной ступени рабочим телом перед входом потока рабочего тела в турбинную ступень. Таким образом, в данном случае не происходит превращения части кинетической энергии потока нагретого рабочего тела в потенциальную энергию, вызываемого в известном способе перераспределением скоростей соединяемых потоков. Кроме того, при таком способе изменения термодинамического состояния потока нагретого рабочего тела нет необходимости в закручивании этого потока относительно оси газотурбинного двигателя, что в значительной мере упрощает конструкцию двигателя. Кроме того, такое изменение термодинамического состояния позволяет уменьшить количество турбинных ступеней по меньшей мере на одну.

Отработавшее рабочее тело турбинной ступени разгоняют перед его соединением с потоком рабочего тела путем подвода внешней энергии к потоку отработавшего рабочего тела турбинной ступени. Разгон отработавшего рабочего тела турбинной ступени перед его соединением с потоком рабочего тела путем подвода внешней энергии к потоку отработавшего рабочего тела турбинной ступени обеспечивает дополнительное повышение кинетической энергии потока рабочего тела, направляемого в первую ступень. Это происходит благодаря тому, что снижается разность между скоростями смешиваемых потоков, что снижает потери энергии на удар.

Отработавшее рабочее тело турбинной ступени разгоняют путем подвода к нему тепловой энергии от потока рабочего тела. При этом повышается общий КПД.

Поставленная задача решается также тем, что газотурбинный двигатель, содержащий источники топлива и окислителя, источник нагретого рабочего тела с переменным сечением его проточной части и по меньшей мере одну размещенную в проточной части турбинную ступень, имеет проточную часть источника нагретого рабочего тела с начальным участком, сообщающимся с источниками топлива и окислителя. Кроме того, проточная часть источника нагретого рабочего тела имеет криволинейный участок, сообщающийся с начальным участком и имеющий монотонную кривизну, а также концевую часть, примыкающую к турбинной ступени. Криволинейный участок проточной части источника нагретого рабочего тела имеет два сужения, одно из которых расположено в зоне, примыкающей к начальному участку, а другое - перед турбинной ступенью, а также участок увеличения поперечного сечения между указанными сужениями, сообщающийся с выходом турбинной ступени. Таким образом, проточная часть источника нагретого рабочего тела изменена путем придания ей определенной кривизны и создания участков с различными поперечными сечениями, что определяет соответствующие изменения термодинамического состояния потока среды, движущейся по этой проточной части, и определенный режим соединения потоков рабочего тела.

При такой конструкции наличие криволинейного участка, имеющего монотонную кривизну, обеспечивает смешение двух потоков рабочего тела благодаря разности их скоростей. Кроме того, наличие двух сужений и расположенного между ними участка увеличения поперечного сечения обеспечивает три стадии изменения термодинамического состояния потока. На первой стадии происходит требуемое расширение потока нагретого рабочего тела. На второй стадии происходит смешение потока нагретого рабочего тела с потоком отработавшего рабочего тела, поступающего от турбинной ступени. На третьей стадии происходит дальнейшее смешение соединенных потоков рабочего тела, окончательное охлаждение нагретого рабочего тела и одновременное расширение объединенного потока перед входом в турбинную ступень, благодаря чему не происходит превращения части кинетической энергии полученного потока в потенциальную, т.е. не происходит снижения кинетической энергии потока перед его подачей в турбинную ступень. Это способствует повышению КПД двигателя. Кроме того, в значительной мере упрощается конструкция двигателя при уменьшении длины канала подвода отработавшего рабочего тела к зоне охлаждения нагретого рабочего тела. При такой конструкции нет необходимости устанавливать сопловой аппарат эжектора в высокотемпературном потоке нагретого рабочего тела, так как нет необходимости в закручивании потока нагретого рабочего тела. Это упрощает конструкцию и снижает стоимость газотурбинного двигателя.

Источник нагретого рабочего тела выполнен в виде кольцевой камеры сгорания с охватывающей ее рубашкой, имеющей входной коллектор, сообщающийся с выходом турбинной ступени. Внутренняя полость рубашки сообщается с проточной частью источника нагретого рабочего тела на участке увеличения поперечного сечения проточной части источника нагретого рабочего тела. При этом нагревание отработавшего рабочего тела нагретым рабочим телом начинается до начала их смешения. Тем самым интенсифицируется процесс изменения термодинамического состояния рабочего тела, что повышает общий КПД.

Внутренняя полость рубашки выполнена в виде двух сообщающихся с входным коллектором ветвей, одна из которых, имеющая большее поперечное сечение, расположена с выпуклой стороны источника нагретого рабочего тела, а другая размещена с вогнутой стороны источника нагретого рабочего тела. При таком распределении потока отработавшего рабочего тела обеспечивается, с одной стороны, достаточное охлаждение вогнутой части источника нагретого рабочего тела, а с другой стороны, подача основной части потока отработавшего рабочего тела в зону, характеризуемую пониженными потерями кинетической энергии, связанными со смещением потоков.

Двигатель может быть снабжен теплообменным устройством, имеющим входы по горячей и холодной сторонам, сообщающиеся с выходом первой турбинной ступени. Выход по холодной стороне связан с последующей турбинной ступенью, а выход по горячей стороне - с коллектором рубашки. При этом с одной стороны, появляется возможность уменьшения количества отработавшего рабочего тела, подаваемого для охлаждения нагретого рабочего тела, с другой стороны, производится промежуточный подогрев рабочего тела, подаваемого в последующие турбинные ступени. Первое обстоятельство увеличивает эффективность охлаждения нагретого рабочего тела и способствует повышению КПД двигателя. Второе обстоятельство способствует повышению общего КПД многоступенчатого газотурбинного двигателя.

На фиг. 1 схематично изображен газотурбинный двигатель, общий вид; на фиг.2 - он же, продольный разрез.

Предлагаемый способ преобразования тепловой энергии в механическую осуществляется в газотурбинном двигателе, который имеет турбинную ступень 1 (может быть единственной или первой ступенью двигателя), источник 2 окислителя, например воздушный компрессор, и источник 3 топлива (например, баковую систему с насосами). Источник окислителя связан с турбинной ступенью 1 валом 4. Газотурбинный двигатель имеет источник 5 нагретого рабочего тела, например камеру сгорания, который сообщается с источником 2 окислителя линией А и линией В с источником 3 топлива. Источник 5 нагретого рабочего тела имеет горелочное устройство (не показано), которое соединяется с источником 3 топлива и имеет средство зажигания (не показано). Все эти устройства необходимы для образования топливной смеси и ее сжигания в целях создания в источнике 5 высокотемпературного потока нагретого рабочего тела. Выход турбинной ступени 1 соединен линией С с коллектором 6 рубашки 7, имеющей две ветви 8, 9, расположенные по сторонам источника 5 нагретого рабочего тела. Источник нагретого рабочего тела имеет участок 10 соединения потоков рабочего тела, соединенный линией D с входом турбинной ступени 1.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

При образовании топливной смеси, а затем продуктов сгорания на начальном участке 11 источника 5 нагретого рабочего тела создается высокотемпературный поток рабочего тела, который расширяется и затем охлаждается отработавшим рабочим телом турбинной ступени 1, поступающим по линии С на участке 10 перед вводом в турбинную ступень 1 по линии D. При этом происходит соединение потока рабочего тела с потоком отработавшего рабочего тела турбинной ступени 1. При таком соединении происходит изменение термодинамического состояния рабочего тела. Это изменение включает в себя первую стадию, осуществляемую в зоне Е, примыкающей к начальному участку 11 источника 5 нагретого рабочего тела, стадию смешения потока нагретого рабочего тела с потоком отработавшего рабочего тела, поступающим по линии С, и вторую стадию расширения рабочего тела, осуществляемую непосредственно после полного соединения потока нагретого рабочего тела с потоком отработавшего рабочего тела от турбинной ступени 1 и перед подачей рабочего тела в турбинную ступень. Таким образом, поток рабочего тела сначала получает ускорение, что способствует увеличению его кинетической энергии до его охлаждения. Затем происходит соединение потоков, приводящее к частичному охлаждению потока нагретого рабочего тела и смешению соединяемых потоков. После этого происходит дальнейшее смешение соединенных потоков, окончательное охлаждение нагретого рабочего тела и одновременное расширение объединенного потока рабочего тела, что позволяет избежать превращения части кинетической энергии потока рабочего тела в потенциальную вследствие перераспределения скоростей соединяемых потоков. Это объясняется тем, что в любом случае существует разница между скоростями двух соединяемых потоков, что приводит к перераспределению скоростей. Так как скорость потока, поступающего по линии С от турбинной ступени 1, всегда меньше скорости потока нагретого рабочего тела, образуемого в источнике 5 нагретого рабочего тела, то скорость объединенного потока должна стать ниже в результате перераспределения скоростей. Это приводит к снижению кинетической энергии в известном способе.

Как показано на фиг.2, газотурбинный двигатель имеет турбинные ступени 1, 12 и 13. Число ступеней может быть любым, и двигатель может иметь только одну ступень 1, что несущественно с точки зрения получаемого в данном случае результата. Источник 5 нагретого рабочего тела выполнен в виде начального кольцевого участка 11, к которому примыкает сообщающийся с начальным участком 11 криволинейный участок 14, имеющий монотонную кривизну и концевую часть 15, примыкающую к входу турбинной ступени 1. В зоне Е, примыкающей к начальному участку 11 источника 5 нагретого рабочего тела, проточная часть источника нагретого рабочего тела имеет сужение 16. Второе сужение 17 расположено в концевой части 15 криволинейного участка 14. Между сужениями 16 и 17 расположен участок 10 соединения потоков рабочего тела с увеличением площади поперечного сечения.

Как показано на фиг. 2, коллектор 6 рубашки 7 сообщается с турбинной ступенью 1 и с ветвями 8 и 9 рубашки. Ветвь 8 рубашки расположена с выпуклой стороны источника 5 нагретого рабочего тела, а ветвь 9 рубашки расположена с вогнутой стороны источника нагретого рабочего тела. Стенки источника 5 нагретого рабочего тела в пределах участка 10 имеют отверстия 18 и 19, через которые участок 10 сообщается с ветвями 8 и 9 рубашки 7. Ветвь 8 рубашки имеет площадь поперечного сечения в 5-8 раз больше, чем площадь поперечного сечения ветви 9 рубашки. При соотношении площадей поперечного сечения ветвей рубашки 7 меньше нижнего предела указанного диапазона увеличивается доля расхода отработавшего рабочего тела, подаваемого с вогнутой стороны источника 5 нагретого рабочего тела, в результате чего возрастают потери. При соотношении площадей поперечного сечения ветвей рубашки 7 выше верхнего предела указанного диапазона количества отработавшего рабочего тела, поступающего в ветвь 9 рубашки, недостаточно для охлаждения вогнутой стороны источника 5 нагретого рабочего тела, что вызывает необходимость в дополнительных средствах охлаждения и ведет к усложнению конструкции двигателя.

Коллектор 6 рубашки 7 соединен с турбинной ступенью 1 каналом 20. Этот канал образует горячую сторону теплообменного устройства 21, имеющего входы по горячей стороне и холодной стороне, образованной проточной частью турбинных ступеней 12, 13. Входы по горячей и холодной сторонам сообщаются с выходом первой турбинной ступени 1, а выход по горячей стороне, т.е. канал 20, соединен с коллектором 6 рубашки 7.

Газотурбинный двигатель работает следующим образом.

Окислитель, например воздух, сжимаемый в источнике 2 окислителя, например компрессоре, поступает по каналу А к источнику 5 нагретого рабочего тела, к которому также подается топливо (не показано). Нагретое рабочее тело образуется на начальном участке 11 источника нагретого рабочего тела при сжигании топлива с помощью горелочного устройства. Такие устройства хорошо известны. Нагретое рабочее тело расширяется в сужении 16, благодаря чему кинетическая энергия высокотемпературного потока нагретого рабочего тела возрастает. Далее нагретое рабочего тело движется по криволинейному участку 10 увеличивающегося поперечного сечения, и этот поток соединяется с потоками отработавшего рабочего тела, которые поступают от турбинной ступени 1. Эти потоки поступают в участок 10 через отверстия 18, 19 в стенках источника 5 нагретого рабочего тела. Благодаря тому, что участок 10 имеет кривизну, а также благодаря разности скоростей потоков рабочего тела, поступающих с одной стороны через отверстия 18, 19 и с другой стороны из начального участка 11 источника нагретого рабочего тела, происходит соединение этих потоков, которые далее движутся совместно. На этой стадии начинается охлаждение нагретого рабочего тела потоками отработавшего рабочего тела, поступающими через отверстия 18, 19, и смешение объединенных потоков.

Объединенные потоки рабочего тела далее движутся к сужению 17 концевого участка 15 источника 5 нагретого рабочего тела, где происходит повторное расширение объединенного потока, в результате чего оканчивается смешение потоков и происходит окончательное охлаждение рабочего тела без снижения кинетической энергии объединенного потока.

От сужения 17 объединенный поток, имеющий оптимальные с точки зрения КПД двигателя параметры, поступает непосредственно в первую турбинную ступень 1 для совершения полезной работы. Следует отметить, что повторное расширение объединенного потока в сужении 17 позволяет обойтись без соплового аппарата первой турбинной ступени, вместо которого может быть установлен более простой и дешевый направляющий аппарат для обеспечения надежного безударного входа потока на рабочее колесо турбины.

После совершения работы в первой турбинной ступени 1 часть потока отработавшего рабочего тела проходит через вход по горячей стороне теплообменного устройства 21 и выходит по каналу 20 в коллектор 6 рубашки 7, по ветвям 8 и 9 которой два потока отработавшего рабочего тела поступают через отверстия 18 и 19 в участок 10 источника 5 нагретого рабочего тела. Остальная часть отработавшего рабочего тела с первой турбинной ступени 1 по холодной стороне теплообменного устройства 21, образованной проточной частью турбинных ступеней, поступает на последующие турбинные ступени 12, 13 для совершения в них полезной работы. Доля потока отработавшего рабочего тела, отбираемая в коллектор 6 рубашки 7, определяет температуру нагретого рабочего тела, подаваемого на первую турбинную ступень 1. В результате использования теплообменного устройства 21 снижается количество отработавшего рабочего тела, подаваемого для охлаждения нагретого рабочего тела, что повышает КПД двигателя. Кроме того, обеспечивается повторный нагрев части отработавшего в первой ступени 1 рабочего тела при его расширении в сопловом аппарате второй турбинной ступени 12, которая является частью теплообменного устройства 21. При этом повышается КПД последующих турбинных ступеней.

При использовании изобретения газотурбинный двигатель эффективной мощностью 2700 л.с. имеет следующие технические характеристики: расход топлива 145-150 г/л.с.-ч, габаритные размеры (с редуктором): длину 1250 мм, ширину 460 мм, высоту 680 мм.

Расход топлива газотурбинного двигателя примерно на 30% ниже, чем у известных, и при тех же габаритах мощность его примерно в два раза выше.

Использование: в энергетике, в частности в турбостроении. Сущность изобретения: осуществляют изменение термодинамического состояния рабочего тела (РТ) в источнике 5 нагретого рабочего тела (ИНРТ) посредством подачи и сгорания топлива и окислителя, сужения потока, последующего дополнительно сужения РТ и его охлаждения до ввода в турбинную ступень отработавшим в турбинной ступени РТ одновременно с расширением, которое осуществляют равномерно в газотурбинном двигателе. Проточная часть ИНРТ 5 имеет начальный участок 11, сообщающийся с источниками топлива и окислителя, сообщающийся с начальным участком криволинейный участок КУ 14, выполненный расширяющимся и с монотонной кривизной, и концевую часть 15, примыкающую к турбинной ступени 1, два сужения 16 и 17, одно из которых расположено в зоне, примыкающей к начальному участку 11, а другое - перед турбинной ступенью 1. КУ 14 расположен между сужениями 16, 17. 2 с.и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В МЕХАНИЧЕСКУЮ В ГАЗОТУРБИННОМ ДВИГАТЕЛЕ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ.