СПОСОБ РАБОТЫ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 1995 года по МПК F02C9/18 

Изобретение относится к газотурбостроению и может быть использовано в высокотемпературных газотурбинных установках малой мощности.

Известен однороторный двигатель с туpбиной, работающей при давлении на выхлопе ниже атмосферного давления [1]
Способ работы этого двигателя заключается в том, что внешний воздух сжимается в компрессоре, подается в теплообменник, где нагревается от отработавшего рабочего тела турбины, далее направляется в камеру, в которой сгорает топливо, и горячее рабочее тело направляется на турбину, за которой поддерживается давление отработавшего рабочего тела меньше атмосферного давления путем охлаждения его в теплообменнике и холодильнике, последующего сжатия в компрессоре до атмосферного и выброса в окружающую среду.

При этом способе наличие компрессора внешнего воздуха обеспечивает дросселирование двигателя путем уменьшения расхода рабочего тела при уменьшении частоты вращения, а наличие компрессора охлажденного отработавшего рабочего тела обеспечивает повышение экономичности двигателя на всех режимах вследствие высокого значения произведений степеней сжатия этих компрессоров, определяющих суммарную разность давлений между давлением в камере сгорания и давлением за турбиной.

Наличие двух компрессоров и холодильника перед компрессором выхлопных газов не требует изменения степени регенерации для обеспечения устойчивой работы компрессоров на дроссельных режимах.

Недостатком такого способа работы газотурбинного двигателя является наличие двух компрессоров и сложность схемы потоков рабочего тела.

Известна также газотурбинная регенеративная система [2] Способ работы двигателя по этой системе заключается в том, что внешний воздух сжимается компрессором, подается в камеру сгорания топлива и далее горячее рабочее тело направляется на турбину, за которой давление отработанного рабочего тела незначительно больше атмосферного. После турбины одна часть отработанного рабочего тела выбрасывается в окружающую среду, а другая охлаждается внешним воздухом, сжимается в компрессоре и направляется в камеру сгорания.

При этом способе наличие компрессора внешнего воздуха обеспечивает дросселирование двигателя путем уменьшения расхода рабочего тела при уменьшении частоты вращения компрессора.

Наличие компрессора для части отработанного газообразного рабочего тела, подаваемого в камеру сгорания, обеспечивает регенерацию тепла и повышение экономичности.

Недостатком этого способа работы газотурбинного двигателя, как и предыдущего является наличие двух компрессоров и сложность схемы потоков рабочего тела.

Наиболее близким по количеству общих признаков и технической сущности предлагаемого изобретения является способ работы высокотемпературной газотурбинной установки с давлением в камере сгорания и за турбиной ниже атмосферного [3]
Этот способ включает подачу атмосферного воздуха, подогретого отработанным газообразным рабочим телом в теплообменнике и топлива в камеру сгорания, сжигание образовавшейся смеси с получением газообразного рабочего тела и его расширением в сопловом аппарате и рабочем колесе турбины, охлаждение в теплообменнике отработанного газообразного рабочего тела с последующим сжатием в компрессоре и выбросом в атмосферу.

При этом способе имеется один компрессор отработанного рабочего тела и простая схема потоков рабочего тела, но давление отработанного рабочего тела за турбиной может быть меньше атмосферного не более чем приблизительно 0,5 кГс/см², что соответствует степени сжатия компрессора П_к 2.

Такая низкая степень сжатия даже при высокой степени регенерации тепла дает большие удельные расходы топлива как на максимальном, так и на дроссельных режимах. На дроссельных режимах в теплообменнике соотношение нагреваемых и охлаждаемых масс рабочего тела не изменяется, поэтому не происходит связанное с этим изменение степени регенерации теплообменника, т.е. отсутствует возможность регулирования параметров рабочего тела перед компрессором.

При способе работы газотурбинного двигателя по прототипу перед турбиной на всех режимах имеется постоянное полное давление, близкое к давлению воздуха в окружающей среде. При этом расход через турбину может изменяться только тогда, когда степень расширения рабочего тела на турбине меньше критического перепада, т.е. когда П_т < 2.

При П_т > 2 необходимо регулировать пропускную способность турбины, что при высокой температуре газа представляет пока неразрешимую проблему как для отечественной, так и зарубежной промышленности.

Целью изобретения является повышение экономичности высокотемпературной газотурбинной установки за счет обеспечения возможности регулирования пропускной способности турбины при изменении ее режима работы.

Поставленная цель достигается тем, что в способе работы высокотемпературной газотурбинной установки с давлением в камере сгорания и за турбиной ниже атмосферного, включающем подачу атмосферного воздуха, подогретого отработанным газообразным рабочим телом в теплообменнике, и топлива в камеру сгорания, сжигание образовавшейся смеси с получением газообразного рабочего тела и его расширение в сопловом аппарате и рабочем колесе турбины, охлаждение в теплообменнике отработанного газообразного рабочего тела с последующим сжатием в компрессоре и выбросом в атмосферу, часть сжатого в компрессоре отработанного газообразного рабочего тела подают в регулируемый сопловый аппарат турбины, кроме того, часть сжатого в компрессоре отработанного газообразного рабочего тела перед подачей его в регулируемый сопловый аппарат турбины предварительно нагревают в теплообменнике.

Предлагаемый способ обладает новизной и существенными отличиями, так как по сравнению с прототипом позволяет снизить удельный расход топлива на 25-30% путем обеспечения совместной работы компрессора и турбины на дроссельных режимах, вследствие чего повышается степень сжатия компрессора.

По сравнению с аналогами предлагаемый способ более прост в конструктивном исполнении из-за отсутствия второго компрессора.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема высокотемпературной газотурбинной установки с давлением рабочего тела в камере сгорания топлива и за турбиной ниже атмосферного давления с подачей частей отработанного газообразного рабочего тела отобранной за компрессором непосредственно на регулируемый сопловый аппарат; на фиг. 2 показана схема выполнения самолетной газотурбинной сопловой установки, вариант; на фиг. 3 представлена малоразмерная газотурбинная установка для привода электрогенератора; на фиг. 4 дан график сравнения экономичности газотурбинной установки по предлагаемому способу работы с известными газотурбинными двигателями или установками, близкими по мощности.

Способ работы этой установки осуществляется следующим образом.

Компрессором 1 за турбиной 2 создается давление отработанного газообразного рабочего тела ниже атмосферного. Внешний воздух самотеком поступает в теплообменник 3 по стрелке 4, где нагревается от отработанного рабочего газообразного тела и поступает в камеру сгорания топлива 5. Образовавшаяся смесь сжигается с получением газообразного рабочего тела. Газообразное рабочее тело расширяется в сопловом аппарате 6 и колесе турбины 2 и далее при давлении ниже атмосферного охлаждается в теплообменнике 3 и сжимается в компрессоре 1. После компрессора 1 часть отработанного газообразного рабочего тела выбрасывается в окружающую среду 7. Другую часть сжатого в компрессоре 1 отработанного газообразного рабочего тела подают непосредственно в регулируемый сопловый аппарат 8. При этом обеспечивается регулирование установки по закону сохранения приведенной частоты вращения компрессора при изменении мощности на выводном валу установки. Такой закон регулирования применяется для самолетного двигателя.

Для установки, вращающей электрогенератор, когда требуется сохранение физической частоты вращения при изменении мощности на выводном валу, отработанное газообразное рабочее тело от компрессора подается на регулируемый сопловый аппарат турбины предварительно подогретым в теплообменнике 3, как показано на фиг. 1 стрелкой 10. При изменении режима работы газотурбинной установки изменяют соотношение нагреваемых и охлаждаемых масс рабочего тела в теплообменнике, следовательно, изменяется степень регенерации тепла в теплообменнике и изменяются параметры рабочего тела перед компрессором, обеспечивая совместную работу турбины и компрессора при более высокой степени сжатия газа в компрессоре и степени расширения газа в турбине на всех режимах работы газотурбинной установки.

Регулирование количества перепускаемого относительно холодного отработанного газообразного рабочего тела выполняют с помощью известных конструктивных решений регулируемого соплового аппарата, обеспечивая этим регулирование пропускной способности турбины. Примером конкретного выполнения является малоразмерная газотурбинная сопловая установка для самолета. Принципиальная схема показана на фиг. 1.

Газотурбинная установка (см. фиг. 2) содержит, вентилятор 1, теплообменник 2, камеру сгорания 3, безлопаточный сопловый аппарат (улитку) 4, радиальную турбину 5, компрессор 6, канал отвода отработанного рабочего тела 7, канал подвода части отработанного рабочего тела 8 к регулируемому сопловому аппарату, лопатки 9, закручивающие подведенную часть отработанного рабочего тела к регулируемой кольцевой щели 10. Регулирование щели 10 выполняется с помощью подвижного кольца 11.

В табл. 1 показаны параметры рабочего тела и параметры установки для этого варианта схемы самолетной установки.

Параметры рабочего тела приведены для трех основных режимов; максимальной мощности взлетный, крейсерский и режим малой мощности полетный малый газ.

Для сравнения изменения значений параметров по режимам для всех режимов приняты одинаковые атмосферные параметры воздуха на входе Т 288 К, Р 1,033 кГ/см², G 0,405 кГ/с.

Атмосферный воздух поступает на вентилятор 1 по стрелке 12, затем на теплообменник 2.

Наиболее нагретая часть воздуха после теплообменника поступает в камеру сгорания 3 по стрелке 13 с параметрами Т 991 К. Р 1,0528 кГ/см²; G 0,176 кГ/с для взлетного режима, Для других режимов смотри табл. 1.

В камеру сгорания подается топливо по стрелке 14.

Из камеры сгорания рабочее тело подается на турбину по стрелке 15 с параметрами для взлетного режима Т 1400 К, Р1,0212 кГ/см², G 0,18 кГ/с.

За турбиной рабочее тело (смесь) имеет следующие параметры: Т 1028 К, Р 0,231 кГ/см², G 0,238 кГ/с.

Степень расширения газа на турбине равна П_т 1,0212/0,231 4,42 на всех режимах.

Далее газ направляется в теплообменник 2 по стрелке 16, а из теплообменника подводится на вход компрессора по стрелке 17 с параметрами Т 354 К, Р 0,227 кГ/см², G 0,238 кГ/с.

За компрессором рабочее тело имеет следующие параметры: Т 578 К, Р 1,043 кГ/см², G 0,238 кГ/с. Степень сжатия в компрессоре П_к 1,043/0,227 4, 595.

Часть рабочего тела за компрессором направляется на регулируемый сопловый аппарат турбины по стрелке 18, а остальная часть выбрасывается в атмосферу. Перед регулируемым сопловым аппаратом часть рабочего тела имеет следующие параметры: Т 578 К, Р 16033 кГ, G 0,058 кГ/с.

Из табл. 1 следует, что приведенная окружная скорость колеса компрессора на диаметре D₁, равная 500 м/с, сохраняется как на крейсерском режиме, так и на режиме полетного малого газа.

Окружная скорость колеса турбины на диаметре D₂ в месте подвода части отработанного рабочего тела меньше чем на диаметре D₁ в соответствии с меньшей температурой.

От выводного вала установки мощность передается на самолетный воздушный винт 20.

Малоразмерная газотурбинная установка для привода электрогенератора (см. фиг. 3) содержит вентилятор 1, теплообменник 2, камеру сгорания 3, безлопаточный сопловый аппарат (улитку) 4, радиальную турбину 5, компрессор 6, канал отвода отработанного тела 7, канал 8 отвода отработанного тела к сопловому аппарату, лопатки закручивающие поток 9, кольцевое регулируемое сопло 10, подвижную часть регулируемого сопла 11.

Внешний воздух с параметрами, показанными в табл. 2, входит через вентилятор в теплообменник 2 (стрелка 12). Менее нагретая часть воздуха после теплообменника выбрасывается в атмосферу.

После теплообменника 2 воздух с параметрами, приведенными в табл. 2, входит в камеру сгорания 3 (стрелка 13), куда подается топливо (стрелка 14).

Горячее газообразное рабочее тело разгоняется в безлопаточном сопловом аппарате 4 и работает на колесе радиальной турбины 5 (стрелка 15).

После турбины 5 отработанное рабочее тело поступает в теплообменник 2 (стрелка 16), где отдает тепло воздуху и поступает на вход компрессора 6 (стрелка 17).

За компрессором 6 часть отработанного рабочего тела поступает в теплообменник 2 (стрелка 18), а остальная часть (стрелка 19) через канал отвода 8 выбрасывается в атмосферу.

После теплообменника 2 (стрелка 20) часть отработанного тела, нагретого в теплообменнике, поступает на лопатки, закручивающие поток 9, и далее через кольцевое регулируемое сопло 10 на рабочее колесо турбины 5.

В табл. 2 приведены параметры воздуха и рабочего тела в соответствие со схемой.

Из табл. 2 следует, что в случае подогрева части отработанного рабочего тела в теплообменнике перед подачей на сопло турбины, регулирование кольцевого сопла обеспечивает регулирование сопловой установки по закону сохранения физической частоты вращения.

Величина физической окружной скорости колеса компрессора сохраняется равной 555 м/с (см. табл. 2).

Степень сжатия газа в компрессоре П_к^* 1,043/0,227 4,595 на максимальном режиме и П_к^* 1,04/0,282 3,69 на режиме 30% мощности.

В настоящее время имеются многочисленные попытки разработки газотурбинного двигателя для автомобилей. Все выполненные двигатели имеют давление за турбиной, равное атмосферному давлению. Для сравнения приведем данные трех двигателей по мощности, близкие к мощности сопловой установки, выполненной по предлагаемому способу (см. табл. 3).

Способ работы ГТД по изобретению позволяет повысить экономичность ГТД малой мощности на ≈ 30% (см. фиг. 4).

Выполнение маломощного двигателя по предлагаемому способу работы, когда по всему газовоздушному тракту давление меньше атмосферного, позволяет выполнить ротор с меньшей частотой вращения, больших размеров и с большими значениями КПД.

Эффективность изобретения позволяет повысить экономичность малоразмерных газотурбинных установок на 30% и дает возможность промышленности производить газотурбинные установки еще меньшей мощности, чем по традиционному способу работы.

Использование: в газотурбинных установках малой мощности. Сущность изобретения: осуществляют расширение газообразного рабочего тела в сопловом аппарате и рабочем колесе турбины до давления ниже атмосферного и последующее его сжатие в компрессоре. Часть сжатого в компрессоре отработанного газообразного тела отбирают и подают в сопловый аппарат турбины. 1 з. п.ф-лы, 4 ил. 3 табл.

1. СПОСОБ РАБОТЫ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ, включающий подачу атмосферного воздуха, подогретого отработанным газообразным рабочим телом в теплообменнике, и топлива в камеру сгорания, сжигание образовавшейся смеси с получением газообразного рабочего тела, его расширение в сопловом аппарате и рабочем колесе турбины до давления ниже атмосферного, охлаждение в теплообменнике отработанного газообразного рабочего тела с последующим сжатием в компрессоре и выбросом в атмосферу, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности путем обеспечения возможности регулирования пропускной способности турбины при изменении ее режима работы, дополнительно осуществляют отбор сжатого в компрессоре отработанного газообразного рабочего тела и подачу его в регулируемый сопловой аппарат турбины. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отобранную часть сжатого в компрессоре отработанного газообразного тела перед подачей его в регулируемый сопловой аппарат турбины предварительно нагревают в теплообменнике.