СПОСОБ РЕГЕНЕРАЦИИ ТОПЛИВА И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ В ГАЗОТУРБИННОМ АВИАЦИОННОМ ДВИГАТЕЛЕ СО СВОБОДНОЙ ТУРБИНОЙ Российский патент 1995 года по МПК F02C3/30 

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, в частности к энергетическим установкам-источникам мощности для привода различных потребителей энергии, а также газотурбинным установкам, характеризующимся использова- нием продукта сгорания в качестве рабочего тела с добавлением воды и пара перед выходом из турбины или другой среды в рабочее тело.

Известен способ регенерации тепла в газотурбинном двигателе, позволяющий использовать часть тепла выходных газов путем установки за турбиной парогенератора (котла) с принудительной подачей в него воды с последующим ее испарением и нагревом до состояния перегретого пара с повышенным давлением, который подается в камеру сгорания и смешивается с воздухом и топливом, обеспечивающими процесс горения и перемешивания, в результате чего увеличивается общий расход рабочего тела через турбину компрессора и турбину привода, а следовательно, мощность и КПД газотурбинной установки в целом. При этом одной из главных технических проблем является согласование расхода рабочего тела через турбину компрессора и турбину потребителя при подаче водяного пара дополнительно к подаче воздуха и топлива в камеру сгорания перед турбиной компрессора.

Известен способ регенерации тепла, при которой указанное согласование расхода рабочего тела через турбину, приводящую компрессор, осуществляется путем перепуска из камеры сгорания после компрессора за турбину компрессора части расхода рабочего тела, эквивалентного дополнительному расходу подаваемого пара в камеру сгорания. Этот способ невыгоден тем, что пропускаемая часть рабочего тела дросселируется с потерей давления и потенциальной энергии, и связан с очень сложными конструктивными доработками, если применить его к готовому серийному авиадвигателю.

Разработка новой турбины с увеличенной пропускной способностью с новыми лопатками связана с большими затратами средств и времени.

Предлагаемый способ регенерации тепла и экологической очистки выхлопных газов в авиационном газотурбинном двигателе с турбиной привода потребителя энергии предусматривает, в частности, принципиально иное решение указанной проблемы согласования расхода рабочего тела через турбину, а также ряд других новых технических решений по экологической очистке продуктов сгорания.

Изобретение поясняется фиг. 1 и 2.

Авиационный газотурбинный двигатель с контуром регенерации тепла и системой очистки продуктов сгорания с турбиной привода потребителя энергии (например, электрогенератора) включает многоступенчатый осевой компрессор 1, камеру сгорания 2, газовую турбину 3 компрессора и газовую турбину 4 с валом привода к потребителю 5, например к электрогенератору (в состав газотурбинной электростанции), выхлопной тракт, в котором установлен парогенератор 6 с магистралью подачи воды насосом высокого давления и магистралью подвода перегретого пара к камере сгорания с регулятором расхода пара 7, и магистраль с регулятором подачи топлива 8. На выхлопном тракте за турбиной привода установлены теплообменник-конденсатор 9 и вихревой циклон 10, а в системе сбора и очистки конденсата воды установлены после насоса подкачки фильтр 11 и нейтрализатор 12 с магистралью возврата воды к насосу высокого давления.

Атмосферный воздух поступает из шахты всасывания в осевой компрессор, где его давление повышается за счет сжатия (в 5-35 раз и более), далее воздух поступает в камеру сгорания, куда одновременно через форсунки под высоким давлением подаетcя топливо и производится процесс сгорания и перемешивания, после чего горячий газ поступает в турбины, где еге энергия частично преобразуется в механическую энергию для привода компрессора и потребителя (например, электрогенератора), после этого еще сильно нагретые продукты сгорания (t= 450-850^оC) поступают через парогенератор и теплообменник-конденсатор (охлаждаясь до t=50-60^оС) в шахту выхлопа. В контуре регенерации тепла воды с помощью насоса высокого давления подается в парогенератор, где за счет контактной передачи части тепла отходящих газов нагревается, испаряется и в виде перегретого пара подается вместе с топливом в зону сгорания камеры сгорания, где нагревается, смешиваясь с потоком воздуха из компрессора, и доводится до заданной температуры перед турбиной.

Цель изобретения заключается в повышении КПД процесса выработки энергии и улучшении его экологичности при использовании в качестве генератора энергии серийно изготовленных газотурбинных авиадвигателей, включая двигатели с выработанным летным ресурсом.

Это достигается тем, что согласование расхода рабочего тепла через турбину, приводящую компрессор, с расходами подаваемых в камеру сгорания воздуха, топлива и водяного пара с учетом изменения температуры и давления перед турбиной выполняют за счет предварительного расширения на величину до 30% площади критического сечения сопловых аппаратов турбины, приводящей компрессор газотурбинного двигателя, и, обеспечивая обороты в пределах 0,9-0,97 от максимальных, осуществляют наибольшую возможную подачу пара в камеру сгорания, находящуюся в зависимости от параметров двигателя в пределах 10-35% к суммарному расходу воздуха и топлива, при понижении температуры перед турбиной на величину до 20% и повышении давления за компрессором на величину до 10% при этом выхлопные газы перед выбросом в атмосферу очищают в теплообменнике-конденсаторе путем создания противотока из стекающей вниз пленки конденсата на холодных стенках и восходящего вверх газового потока, а полученный водяной конденсат отделяют от газового потока, фильтруют, нейтрализуют и принудительно возвращают в парогенератор.

Прежде всего предлагается определить конкретную наибольшую возможную величину подаваемого расхода пара. Эта величина находится в пределах 10-35% от суммарного расхода воздуха и топлива и определяется из баланса тепла при работе парогенератора с учетом конкретных параметров выбранного конкретного газотурбинного двигателя и привода потребителя. При температуре перед турбиной Т₃= 1150-1450 К и давлении из компрессором Р_к=5-35 ат с учетом других параметров авиадвигателя привода и контура регенерации возможная подача пара находится в пределах 10-35% Подача пара ограничивается уровнем температуры выхлопных газов, т.е. их внутренней энергией.

Конкретные величины расхода пара, расширения площади критического сечения сопловых аппаратов, понижения температуры Т₃ и повышения давления Р_к в каждом конкретном случае определяются с учетом параметров и ограничений для выбранных авиадвигателя и потребителя и строго связаны между собой определенными зависимостями для обеспечения надежной длительной работы, получения максимальной мощности и наибольшего КПД установки в целом. Снижение температуры перед турбиной Т₃ на величину до 20% применяется при высокой исходной температуре Т₃= 1400-1450^о до величины порядка 1150-1200^о, так как при этом значении повышается ресурс авиадвигателя и одновременно увеличивается до 10% пропускная способность турбины, приводящей компрессор. При этом КПД установки с водяным контуром регенерации изменяется незначительно.

Снижение оборотов до 0,9-0,97 от максимальных также в малой степени влияет на КПД установки, для которой основным фактором, определяющим КПД, является подача водяного пара. Снижение оборотов необходимо для увеличения ресурса установки и антипомпажного запаса, что позволяет повысить давление за компрессором. Повышение давления за компрессором Р_к до 10% возможно практически на всех готовых авиадвигателях за счет допустимого уменьшения антипомпажного запаса в 1,5-2 раза при работе на земле по сравнению с широким изменением начальных условий в полете. Увеличение давления Р_к на 10% позволяет также на 10% увеличить пропускную способность турбины, приводящую компрессор.

В связи с увеличением расхода газов через турбину, приводящую во вращение компрессор, ее мощность возрастет, тогда как мощность компрессора изменяется незначительно, поэтому необходимо уменьшить степень понижения давления в турбине П_т, что достигается соответствующим расширением проходных сечений сопловых аппаратов турбины. Избыток давления перекладывается на турбину привода потребителя энергии, мощность которой возрастает за счет увеличения расхода газов и увеличения П_т, что требует уменьшения проходных сечений ее сопловых аппаратов.

Для обеспечения эффективной экологической очистки продуктов сгорания авиационного двигателя с регенерацией тепла и с турбиной привода потребителя энергии предлагается новый способ, заключающийся в установке в тракте после парогенератора дополнительного теплообменника- конденсатора (фиг. 2), в котором внешним хладоносителем производится охлаждение потока газа ниже точки росы водяного пара с созданием противотока стекающей вниз по охлаждающим стенкам водяной пленки и восходящего вверх газового потока, так как в этом случае на границе жидкой и парогазовой среды возникает интенсивный процесс конвективного перемешивания и абсорбции из газа в водяной конденсат вредных компонентов: несгоревших углеводородов от неполного сгорания в камере сгорания, окислов азота и углерода, сернистых соединений, твердых частиц углерода (сажи) и других включений. В теплообменнике-конденсаторе и установленном за ним вихревом циклоне (при пониженной t^о до 50-60^оС) произойдет почти полная конденсация и отделение от газовых компонентов потока водяных паров. Поэтому при выбросе газа из выхлопной шахты шумоглушения практически исключаются вредные компоненты в пар, что в целом значительно улучшает экологическую обстановку в окружающей атмосфере вблизи работающего газотурбинного авиадвигателя.

Возвращение очищенного (отфильтрованного и нейтрализованного) водяного конденсата в виде практически чистой воды на вход к насосу подачи воды в парогенератор в десятки раз снижает потребность в подпитке контура извне, очистка и водоподготовка которой при подаче в паровой котел (парогенератор) также требует дополнительных технических сооружений и капитальных затрат.

В связи с увеличением расхода газов через турбины предлагается новый и технологически легко осуществимый в условиях ремонтного завода авиадвигателей способ расширения на величину до 30% проходного сечения сопловых аппаратов турбины компрессора путем подрезки по всей высоте задней кромки лопаток с увеличением угла выхода потока от α₁ 25-30^о до α₁ 28-37^о, т.е. на 3-10^о. Для этого необходимо заднюю кромку обрезать на 10-15% по ширине профиля. При этом все конструктивные и технологические требования не нарушаются, включая в условия охлаждения сжатым воздухом, так как температура потока снижается на величину до 20% т.е. на 200-250^оС. Расчеты показывают, что изменение треугольников скоростей при этом приводит к незначительному падению КПД турбины (не более 0,5-1%).

В турбине привода потребителя энергии, как правило, надо уменьшать П_т. В связи с этим предлагается новый способ уменьшения площади критического сечения соплового аппарата готовой турбины привода потребителя на величину до 20% что позволяет обеспечить увеличение перепада давлений на турбине привода потребителя энергии одновременно с необходимым уменьшением перепада давлений на турбине привода компрессора, мощность которой изменяется в слабой степени. Все достигаемое увеличение мощности в 1,3-1,7 раза приходится в этом случае на турбину привода и определяет в основном увеличение КПД установки.

Уменьшение площади критического сечения соплового аппарата турбины привода потребителя предлагается осуществлять путем уменьшения наружного диаметра проточной части в рабочем колесе и сопловом аппарате. Обрезка лопаток рабочего колеса, установка над ним вкладыша-заполнителя по всей окружности корпуса, а также вкладышей заполнителей, фрезерованных по контуру лопаток соплового аппарата, может выполняться в условиях ремонтного завода при ремонтной переборке авиадвигателя. Уменьшение наружного диаметра турбины является более эффективным средством введения радиальной равномерной парциальности в отличие от окружности парциальности с перекрытием части сопловых каналов между лопатками, так как в последнем случае возможна большая потеря КПД из-за так называемых вентиляционных потерь и возникновения недопустимых вибраций лопаток рабочего колеса.

Для уменьшения образования окиси азота предлагается ввод водяного пара непосредственно в зоны горения, где соотношение топлива и воздуха близко к стехиометрическому, т. е. α 1,0 и где обычно достигается максимальная температура, способствующая максимальному уровню образования окислов азота, а при α < 1,0 (избытке топлива) образуется окись углерода и даже частицы сажи.

Ввод паров воды способствует снижению температуры, замедлению реакций окисления азота, усилению реакций горения и уменьшает выход несгоревших углеводородов вследствие пониженной полноты сгорания. В дальнейшем в выхлопном тракте при значительном снижении температуры и концентрации реагирующих компонентов количество окислов азота, углерода и несгоревших углеводородов уже практически не изменяется ("замораживается") вплоть до выброса в окружающую атмосферу.

Для более полного использования энергии топлива предлагается способ улучшения передачи тепла конденсации из теплообменника-конденсатора к потребителю (например, в систему отопления объектов) путем регулируемой подачи количества хладоносителя таким образом, чтобы температура на выходе из теплообменника-конденсатора была, например, на выходе 80-90^оС и на входе 30-40^оС. Таким образом можно добиться снижения температуры газа на выходе из шахты шумоглушения до 50-60^оС (при отсутствии конденсата воды) и при этом потеря тепла от всего вводимого с топливом тепла составит не более 4-5% а соотношение между количеством конденсата и хладоносителя будет в пределах 10-20.

Предложенный способ регенерации тепла и очистки продуктов сгорания авиационного газотурбинного двигателя с турбиной привода потребителя энергии осуществляется следующим образом.

Предварительно производят ремонтную переработку выбранного газотурбинного авиадвигателя с оборудованием контура регенерации тепла, при которой осуществляют увеличение площади критического сечения сопловых аппаратов турбины компрессора, например, путем подрезки задней кромки лопаток и при необходимости уменьшения площади критического сечения соплового аппарата турбины привода путем подрезки наружного диаметра лопаток рабочего колеса и установки над ним и внутри лопаток соплового аппарата фрезерованных вкладышей-заполнителей, уменьшающих наружный диаметр проточной части. Затем устанавливают двигатель на стенде и собирают весь контур газовоздушных трактов: магистраль подачи воды, пара, топлива, устанавливают специально изготовленный парогенератор, теплообменник-конденсатор с противотоком стекающей вниз водяной пленки и восходящего вверх потока газа, фильтр, вихревой циклон, нейтрализатор и все необходимые магистрали вспомогательных систем регулирования, включая регулятор подачи топлива, пара, хладоносителя и другие узлы. Изменяют установки регуляторов подачи топлива, пара, циркуляции хладоносителя для поддержания заданных на рабочем режиме конкретных величин давления за компрессором, температуры перед турбиной (через задание числа оборотов двигателя), расхода хладоносителя и других величин параметров на рабочем режиме. Все требуемые для осуществления способа оптимальные величины расхода топлива, расхода пара, температуры и давления перед турбиной, критических сечений сопловых аппаратов турбины компрессора и турбины привода потребителя, расхода хладоносителя через теплообменник-конденсатор определяются предварительно по отдельным расчетным зависимостям с учетом параметров и ограничений конкретного авиадвигателя с конкретным потребителем энергии и тепла подключенной системы отопления.

Запуск и выход на режим заданного числа оборотов авиадвигателя осуществляется обычным путем после предварительного запуска системы подачи воды на холостом ходу водонасоса сначала без подачи водяного пара в камеру сгорания, а затем после выхода на заданный режим авиадвигателя с приводом потребителя включается подача пара и регуляторы устанавливают рабочий режим установки по всем параметрам с выводом на рабочий режим контура регенерации и потребителя энергии. При этом мощность (нагрузки) подключенного потребителя увеличивается пропорционально увеличению полезной мощности.

Сход с режима и остановка агрегатов и основного авиадвигателя производится в обратном порядке.

Предлагаемый способ регенерации тепла и экологическая очистка продуктов сгорания авиационного газотурбинного двигателя с контуром регенерации и привода потребителя энергии делает применение готовых серийных авиадвигателей, в том числе с выработанным летным ресурсом, самым перспективным и конкурентно способным по сравнению с другими известными способами регенерации тепла и очистки продуктов сгорания в газотурбинных энергетических установках аналогичного типа.

Использование: энергетическое машиностроение, в частности установки для регенерации тепла и очистки выхлопных газов при получении полезной энергии, например, электрической. Сущность изобретения: у серийно изготовленного авиационного газотурбинного двигателя со свободной турбиной, в том числе с выработанным летним ресурсом, предварительно расширяют на величину до 30% площадь критического сечения сопловых аппаратов турбины, приводящей компрессор газотурбинного двигателя, и, обеспечивая обороты двигателя в пределах 0,9 0,97 от максимальных, осуществляют подачу пара в камеру сгорания двигателя в пределах 10 35% к суммарному расходу топлива при понижении температуры перед турбиной на величину до 20% и повышении давления за компрессором на величину до 10% Получение пара соуществляют путем испарения воды парогенераторе теплом выхлопных газов, последние перед выбросом в атмосферу очищаются в теплообменнике конденсаторе путем создания противока стекающей пленки конденсата на холодных стенках и восходящего газового потока, а образовавшийся водяной конденсат отделяют от газового потока, фильтруют, нейтрализуют и принудительно возвращают в парогенератор. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. СПОСОБ РЕГЕНЕРАЦИИ ТОПЛИВА И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ В ГАЗОТУРБИННОМ АВИАЦИОННОМ ДВИГАТЕЛЕ СО СВОБОДНОЙ ТУРБИНОЙ, заключающийся в сжигании в камере сгорания топлива и сжатого в компрессоре воздуха, нагреве и испарении воды в регенераторе посредством подвода к ней тепла выхлопных газов двигателя перед их выбросом в атмосферу, подаче полученного пара в камеру сгорания с одновременным повышением давления за компрессором и снижением температуры подаваемого на турбину рабочего тела, согласовании расходов рабочего тела, подаваемого на компрессорную и свободную турбину, с расходами, подаваемыми в камеру сгорания сжатого воздуха, топлива и водяного пара, отличающийся тем, что дополнительно перед выбросом в атмосферу выхлопные газы очищают и охлаждают в теплообменнике-конденсаторе путем создания противотока стекающей вниз пленки конденсата на холодных стенках и восходящих вверх выхлопных газов, полученный водяной конденсат отделяют от выхлопных газов, фильтруют и подают в регенератор, подачу пара в камеру сгорания осуществляют в размере 10 35% от суммарного расхода топлива и сжатого воздуха, при этом снижение температуры рабочего тела, подаваемого на компрессорную турбину не должно быть больше 20% от номинального значения температуры, а повышение давления за компрессором не более 10% от номинального значения давления, согласование расходов рабочего тела, подаваемого на турбины, с расходами сжатого воздуха, топлива и пара осуществляют посредством увеличения до 30% площади проходного сечения лопаточного соплового аппарата компрессорной турбины, при поддержании числа оборотов вала двигателя в пределах 0,9 0,97 от максимальных. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что увеличение площади проходного сечения лопаточного соплового аппарата компрессорной турбины осуществляют посредством подрезки по всей высоте выходной кромки лопаток. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно уменьшают площади критического сечения сопловых аппаратов свободной турбины на величину до 20%
4. Способ по пп.1 и 3, отличающийся тем, что уменьшение площади критического сечения лопаточного аппарата свободной турбины осуществляют установкой по периферии проточной части турбины между лопатками соплового аппарата и над рабочими вкладышами-заполнителей и соответствующим уменьшением наружного диаметра рабочих лопаток. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что пар подают в камеру сгорания непосредственно в зоне горения. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что охлаждение выхлопных газов в теплообменнике-конденсаторе осуществляют до температуры ниже точки росы водяного пара при регулируемой подаче конденсата с расходом, в 10 20 раз превышающем расход пара.