ПАРОГАЗОВАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1996 года по МПК F01K23/10 

Изобретение относится к судовым, а также к водо-нефте- и/или газоперекачивающим силовым газотурбинным установкам на особых рабочих телах. Известна парогазовая силовая установка, включающая в себя газотурбинный двигатель со свободной турбиной и замкнутый паросиловой контур с паровой турбиной, конденсатором, парогенератором, при этом последний выполнен цилиндрической формы с размещением в его внутренней полости теплообменных поверхностей замкнутого паросилового контура и подсоединен по греющей среде к выхлопу газовой турбины, а вал свободной турбины соединен с ротационным органом и валом паровой турбины. Известная парогазовая силовая установка имеет недостаточно высокий коэффициент преобразования тепловой энергии выхлопных газов газовой турбины вследствие их сравнительно низкой температуры.

Цель изобретения повышение коэффициента преобразования тепловой энергии выхлопных газов газовой турбины, а также обеспечение возможности использования путем инжекции низкопотенциального тепла окружающей и/или перекачиваемой среды.

Поставленная цель достигается тем, что установка дополнительно снабжена мультипликатором угловой скорости и замкнутым газонаполненным сосудом, выполненным в виде осесимметричного полого ротора с собственным валом и опорами вращения и размещенным на входе в парогенератор в зоне подвода к последнему греющей среды, при этом указанный сосуд заполнен одним из тяжелых инертных газов: аргоном, криптоном, ксеноном или их смесью при избыточном давлении и выполнен обтекаемой формы с герметичным кожухом, асимметричной полой внутренней перегородкой, лопастями, образующими собственный малый циркуляционный контур, а парогенератор выполнен с размещением указанных теплообменных поверхностей по кольцу в его периферийной части и с теплоизолированной осевой зоной, установлен коаксиально ротору газонаполненного сосуда, а вал последнего и его опоры вращения размещены в теплоизолированной осевой зоне парогенератора, при этом вал ротора подсоединен к валу свободной турбины через мультипликатор угловой скорости.

На фиг. 1 схематично показана предложенная парогазовая силовая установка, общий вид; на фиг. 2 то же, продольный разрез.

Парогазовая силовая установка включает в себя газотурбинный двигатель 1 со свободной турбиной 2, замкнутый паросиловой контур с паровой турбиной 3 и конденсатным насосом, конденсатором 4, парогенератором 5, выполненным цилиндрической формы с размещенными в его внутренней полости теплообменными поверхностями паросилового контура. Парогенератор подсоединен по греющей среде к выхлопу газовой турбины. Вал свободной турбины соединен с ротационным органом 6 и валом паровой турбины посредством выключающихся контактных или бесконтактных муфт или без таковых напрямую или через понижающую передачу. В установку дополнительно включены мультипликатор 7 угловой скорости и замкнутый газонаполненный сосуд 8, выполненный в виде осесимметричного полого ротора с собственным валом 9, снабженным осевым каналом и опорами вращения, размещенный на входе в парогенератор в зоне подвода к нему греющей среды.

Устройство газонаполненного сосуда показано отдельно на фиг. 2.

Оговоренный сосуд выполнен обтекаемой, например конической, формы с герметичным кожухом 10, асимметричной полой внутренней перегородкой 11 и радиальными лопастями 12, совместно образующими собственный малый циркуляционный контур сосуда.

Сосуд заполнен под избыточным давлением порядка 6-12 кгс/см² одним из тяжелых инертных газов: аргоном, криптоном, ксеноном или их смесью. Парогенератор выполнен коаксиальным сосуду, а его периферийная часть по кольцу заполнена теплообменными поверхностями паросилового контура, при этом внутренняя приосевая зона теплоизолирована от периферийной и в ней установлены опоры вращения и вал газонаполненного сосуда. Вал газонаполненного сосуда через мультипликатор угловой скорости под прямым углом подключен к валу свободной газовой турбины.

Парогазовая силовая установка работает следующим образом.

Газотурбинный двигатель 1 создает интенсивный скоростной поток горячих выхлопных газов, вращающий свободно установленную газовую турбину 2 и связанные с ее валом через муфты или напрямую валы паровой турбины 3 с конденсатным насосом и рабочего ротационного органа 6. Расширившийся в свободной турбине 2 газ, отдав ей часть своей энергии и понизив температуру, обтекает газонаполненный сосуд 8 и поступает в периферийную кольцевую зону парогенератора 5, нагревает остаточным теплом теплообменные поверхности и рабочее тело паросилового контура и практически охлажденным выбрасывается в атмосферу.

Пар рабочего тела из парогенератора под давлением поступает в паровую турбину 3, расширяется в ней и отдает ротору часть своей энергии. Конический мультипликатор 7 угловой скорости отбирает часть механической энергии на разгон газонаполненного сосуда 8 до скорости 20-60 тыс.об/мин, превышающей скорость свободной турбины.

При вращении газонаполненного сосуда 8 наполняющая его полость рабочая среда сжимается в радиальном компрессорном канале и нагревается при этом, отбирая тепло из приосевой зоны, далее отдает это тепло обтекающему газовому потоку на периферии сосуда и расширяется в другом радиальном канале детандере, охлаждаясь при этом до температур ниже температуры выхлопных газов. За счет асимметрии формы сосуда и его внутренней перегородки 11, а также лопастей 12 при вращении сосуда в образованном ими малом циркуляционном контуре возникает принудительная циклическая циркуляция с сжатием и нагревом, расширением и охлаждением. Сжатие рабочей среды в сосуде обеспечивается центробежными силами вращения. Циркуляция среды внутри сосуда обеспечивает перенос тепла из приосевой зоны на периферию и предотвращает развитие спонтанной термической турбулентности, обусловленной возникновением в свободном вращающемся пространстве паразитных вихрей Тейлора, уносящих тепловую энергию и стремящихся к выравниванию температурного потенциала по радиусу газонаполненного сосуда.

Поток выхлопных газов, омывающий горячую периферию сосуда 8, дополнительно нагревается за счет теплообмена с ней и поступает в кольцевую периферийную часть парогенератора 5 и отдает свое тепло при высокой температуре рабочему телу паросилового контура и обеспечивает за счет более высокой температуры рабочего тела, его эксергии или работоспособности более эффективную работу паровой турбины 3 и соответствующий выигрыш КПД. В приосевой зоне сосуда 8 часть потока выхлопных газов по осевому каналу вала 9 попадает в холодную область ротора и парогенератора, отдает ей свое тепло и охлажденной удаляется в атмосферу. Тепло выхлопных газов, отобранное путем теплообмена в холодной приосевой зоне, путем многократной циркуляции по малому циркуляционному контуру внутри сосуда переносится из осевой зоны на периферию с одновременным повышением температурного потенциала. Таким образом тепло выхлопных газов после свободной газовой турбины 2 распределяется на два рукава подогреваемый периферийный, аккумулирующий тепло центробежного сжатия, и охлаждаемый осевой, из которого извлекается тепло расширения. Высокопотенциальное тепло с периферии сосуда поступает в парогенератор и работает в паровой турбине, низкопотенциальный поток газов выбрасывается через теплоизолированную осевую зону парогенератора в атмосферу.

Таким образом, вращающийся газонаполненный сосуд 8 работает как центробежный тепловой насос и активный термотрансформатор, регенератор тепла. Такой термотрансформатор позволяет не только повысить температуру пара перед турбиной и коэффициент преобразования в турбине, но и увеличить выход тепловой энергии за счет инжекции низкопотенциального тепла окружающей и перекачиваемой среды, поскольку коэффициент трансформации тепловых насосов всегда более 1. Такая инжекция низкопотенциального тепла в холодную приосевую зону может осуществляться, например, со стороны ротационного органа через встроенную внутри вала тепловую трубу (на чертеже не показана).

В качестве рабочей среды паросилового контура могут быть использованы как низкокипящие экологически чистые жидкости хладоны, так и обычная очищенная от минеральных солей вода.

Тяжелые инертные газы аргон, криптон, ксенон, используемые в качестве рабочего тела в малом циркуляционном контуре внутри сосуда 8, имеют высокие тепловые характеристики и низкую теплоемкость, позволяющие достигать более высоких температур, чем возможно при использовании легкокипящих жидкостей паросилового контура. Избыточное давление газа внутри сосуда интенсифицирует процесс теплопереноса и позволяет сократить диаметр и длину сосуда.

Использование: в паросиловых установках на особых рабочих телах. Сущность изобретения: устройство содержит газотурбинный двигатель 1 со свободной газовой турбиной 2, соединенной своим валом с приводным ротационным органом 6 и валом паровой турбины 3, и парогенератор 5, подключенный по греющей среде к выхлопу газовой турбины 2. На входе в парогенератор 5 установлен замкнутый газонаполненный сосуд 8, выполненный в виде полого ротора с валом 9. Сосуд 8 заполнен тяжелым инертным газом или смесью из нескольких газов при избыточном давлении. Вал 9 сосуда 8 подключен к валу турбины 2 через мультипликатор угловой скорости. При этом сосуд 8 выполнен с герметичным кожухом обтекаемой формы, с асимметричной полой перегородкой и односторонними лопастями, расположенными со стороны входа газового потока. Парогенератор установлен коаксиально ротору сосуда 8 и выполнен с теплоизолированной осевой зоной, в которой размещены вал 9 ротора и опоры вращения. 2 ил.

ПАРОГАЗОВАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА, включающая газотурбинный двигатель со свободной турбиной и замкнутый паросиловой контур с паровой турбиной, конденсатором и парогенератором, при этом последний выполнен цилиндрической формы с размещением в его внутренней полости теплообменных поверхностей замкнутого паросилового контура и подсоединен по греющей среде к выхлопу газовой турбины, а вал свободной турбины соединен с ротационным органом и валом паровой турбины, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена мультипликатором угловой скорости и замкнутым газонаполненным сосудом, выполненным в виде осесимметричного полого ротора с собственным валом и опорами вращения и размещенным на входе в парогенератор в зоне подвода к последнему греющей среды, при этом указанный сосуд заполнен одним из тяжелых инертных газов: аргоном, криптоном, ксеноном или их смесью при избыточном давлении и выполнен обтекаемой формы с герметичным кожухом, асимметричной полой внутренней перегородкой, лопастями, образующими собственный малый циркуляционный контур, а парогенератор выполнен с размещением указанных теплообменных поверхностей по кольцу в его периферийной части и с теплоизолированной осевой зоной, установлен коаксиально ротору газонаполненного сосуда, вал последнего и его опоры вращения размещены в теплоизолированной осевой зоне парогенератора, при этом вал ротора подсоединен к валу свободной турбины через мультипликатор угловой скорости.