ПАРОГАЗОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1996 года по МПК F01K25/00 

Изобретение относится к теплоэнергетике, к технике парогазовых установок (ПГУ).

Аналогами являются: ПГУ с высоконапорным парогенератором; ПГУ с выбросом отработанных газов в топку парового котла; ПГУ с газопаровой смесью в качестве рабочего тела (РТ). (Бальян С.В. Техническая термодинамика и тепловые двигатели, 1973; Манушин Э.А. Газовые турбины: проблемы и перспективы, Энергоатомиздат, 1986; БЭС, изд. III, т.19. Парогазовая турбинная установка. Патент Великобритании N 1292046, 1976).

Для крупных электростанций в СССР созданы высоконапорные парогазогенераторы большой производительности, пар от которых направляется в паровую турбину, а продукты сгорания в газовую турбину, служащую для привода воздушного компрессора и электрогенератора (Невинномысская ГРЭС, 1971).

В США, ФРГ получили распространение тепловые схемы, в которых горячие отходящие газы ГТУ поступают непосредственно в топку парового котла, повышая температуру, или направляются для подогрева питательной воды в теплообменники-экономайзеры.

Силовая установка [1] содержит реакционную камеру, в которую насосами накачивается в желеобразном виде щелочный металл и перекись водорода. В результате реакции выделяется тепло и образуется начальная парогазовая смесь, которая через эжектор направляется в камеру смешения, захватывая по пути распыленную воду, в камере смешения образуется рабочая парогазовая смесь (РТ), которая через регулирующее устройство и сопловой аппарат направляется на вход активной осевой турбины, вал которой через редуктор соединен с винтом лодки и через другие редукторы с насосами подачи топлива, окислителя и воды. Для пуска СУ снабжена электростартером.

В современных автомобильных газотурбинных двигателях (АГТД) применяются регенераторы пластинчатые с ребристой поверхностью и вращающиеся с керамическими (и металлическими) дисками, сложные в исполнении, громоздкие, а вращающиеся требуют привода к дискам.

Недостатком установки [1] является то, что она предназначена в качестве двигателя для подводной лодки в условиях отсутствия воздуха для горения и противодавления окружающей среды. Поэтому применена сложная схема (двухступенчатая) парообразования и смешения пара и газа (реактор, эжектор, камера смешения).

Применена обычная активная одновенечная осевая турбина, эффективность которой может быть достигнута только при высоких окружных скоростях (400-500 м/с). Поэтому применен силовой редуктор для привода винта и редукторы привода насосов, что усложняет конструкцию, вызывает большие механические потери энергии; для запуска двигателя требуется электростартер и аккумуляторная батарея, КПД СУ ниже всех существующих ПГУ.

Цель изобретения повышение КПД и других эксплуатационных качеств.

Сущность изобретения заключается в том, что парогенератор выполнен в виде жаровой трубы, сужающейся по ходу продуктов сгорания с плотно прилегающей к ее наружной поверхности трубкой, навитой в виде спирали, выход которой соединен с паросборником, выход которого соединен с активным соплом камеры смешения, при этом направляющий аппарат установлен на выходе сопла Лаваля, вход которого соосно с активным соплом совмещен в камере смешения, лопасти турбины центростремительного типа жестко соединены с теплопроводным диском, при том средство для подачи окислителя выполнено в виде центробежного компрессора, лопасти которого закреплены на обратной стороне диска.

При таком устройстве ПГД достигаются эффекты, значительно повышающие КПД и другие эксплуатационные качества двигателя.

Сужающаяся жаровая труба является прямоточным генератором скоростного потока газа, а трубка, навитая в виде спирали плотно на даровую трубу, является прямоточным генератором скоростного потока пара, при этом спиральная трубка одновременно является высокотемпературным теплоизолятором жаровой трубы, а сама трубка парогенератора имеет внешнюю теплоизоляцию, например воздушную (под кожухом), поэтому теплорассеивание в окружающую среду минимально, КПД стремится к единице. Применение паросборника (накопителя пара) повышает приемистость двигателя к нагрузке.

Соосная установка в камере смешения, расположенной в конце жаровой трубы активного сопла, совмещенного с соплом Лаваля, обеспечивает эжекторное смешение газа и пара без турбулентности, т.е. однонаправленно, при равных скоростях потоков. Поэтому процесс смешения идет без потерь энергии рабочего тела (РТ). Сопло Лаваля преобразует потенциальную энергию РТ в кинетическую. Направляющий аппарат, установленный на выходе сопла Лаваля, обеспечивает "ножевой" вход потока РТ на лопатки турбины, что повышает КПД использования скоростного потока РТ. В идеале КПД эжекторного соплового аппарата стремится к единице.

Активная турбина выполнена центростремительного типа, одновечная, радиальная без изгиба лопаток в осевом направлении, что позволяет применять активную турбину эффективно для энергетических целей, так как при таком устройстве АТ легко выполняются все три возможных условия эффективной работы турбины: внешняя окружная скорость лопаток устанавливается равной половине скорости потока РТ, что является оптимальным при преобразовании энергии потока РТ в механическую работу; внутренняя окружная скорость лопаток устанавливается равной относительной скорости потока РТ на выходе из турбины и развивается максимальный момент вращения, максимальная мощность, так как силы действуют только в радиальной плоскости. Данная турбина практически полностью преобразует кинетическую энергию потока РТ в механическую работу без потерь (без учета трения).

Парогазовый двигатель по п. 1 отличается тем, что активная турбина снабжена кольцевым диском, жестко соединенным с лопастями турбины со стороны выхлопного патрубка. Этим достигается следующее: лопасти активной турбины изгибаются в радиальной плоскости; исключается утечка (прорыв) РТ через зазор между лопастями и корпусом двигателя; уменьшается рассеивание тепла от РТ на корпус двигателя, что позволяет повысить степень регенерации тепла.

Парогазовый двигатель по п. 1, отличается тем, что утилизатор тепла выхлопа выполнен в виде емкости, охватывающей патрубок турбины, оребренный со стороны движения отходящих газов в выхлопном патрубке, при этом вход утилизатора соединен посредством трубопровода с обратным клапаном с нагнетательным патрубком водяного насоса, а его выход трубопроводом с запорной арматурой с входом в парогенератор.

В результате утилизатор работает как ресивер, сглаживает пульсации воды, поступающей от насоса в парогенератор; является теплообменником между выхлопными газами и питательной водой, поступающей в парогенератор; является аккумулятором давления, используемого для пуска двигателя. Лопасти турбины и лопатки компрессора выполнены из теплопроводного материала.

Поскольку лопасти жестко скреплены с теплопроводным диском, то одноколесный турбокомпрессор является одновременно воздушным регенератором тепла, передачей тепла от выхлопных газов к засасываемому воздуху. Теплопроводные лопасти повышают степень регенерации. Достигается двойной эффект, охлаждается турбина и подогревается воздух, поступающий в двигатель, повышается КПД.

На фиг.1 ПГД в разрезе, общий вид; на фиг.2 то же, вид сверху; на фиг.3 векторные диаграммы скоростей.

Двигатель содержит камеру 1 горения, калоризатор 2, прямоточный парогенератор 3, внешнюю теплоизоляцию 4, паросборник 5, камеру 6 смешения, активное сопло 7, иглу 8 регулировки пара, редукционный клапан 9, пусковую задвижку 10 вспомогательного дымохода, сопло 11 Лаваля, топливную форсунку 12, иглу 13 регулировки топлива, пусковую задвижку 14 вспомогательного поддувала, топливный бак 15, воздушную трубку 16 с клапаном, патрубок 17 забора воздуха, центробежный компрессор 18, воздуховод 19, теплопроводный диск 20 турбокомпрессора, лопатки 21 турбины, водяной насос 22, водяной трубопровод 23, нагнетательный клапан 24, водяной теплообменник, утилизатор тепла 25, пластины, ребра утилизатора 26, вентиль 27, вал 28 двигателя, рабочий механизм, движитель-винт 29, подшипники 30, заборник 31 воды, лопатки 32 направляющего аппарата, штуцер 33 накачки воздуха, кольцевой диск 34 турбины.

На векторных диаграммах скоростей (фиг.3) обозначено: U₁ окружная скорость на входе в турбину; С_2РТ скорость РТ на входе в турбину; ω₁ относительная скорость РТ на входе; U₂ окружная скорость лопаток на выходе; С_3РТ скорость РТ на выходе из турбины; ω₂ относительная скорость РТ на выходе; ω- направление вращения.

Камера 1 горения выполнена из жаропрочного теплопроводного материала в виде жаровой трубы, сужающейся по ходу продуктов сгорания, на внешней поверхности которой выполнен прямоточный парогенератор в виде трубы-спирали 3, теплопроводной, навитой плотно с термоконтактом на жаровую трубу и плотно виток к витку, с началом (входом) у камеры горения, а выходом соединена с паросборником 5, расположенным в конце жаровой трубы, образующей камеру 6 смешения, в которой соосно установлены активное сопло 7 и сопло 11 Лаваля, совмещенные эжектонно, при этом вход активного сопла соединен с паросборником 5, а выход сопла 11 Лаваля с вмонтированным направляющим аппаратом 32 соединен с входом турбины, при этом лопатки 32 установлены под острым углом ("ножевым") к входным кромкам лопаток активной турбины 21.

На теплопроводном диске 20 жестко укреплены теплопроводные лопатки турбины 21, при этом со стороны выхлопа лопатки турбины 21 закрыты кольцевым диском 34, на другой стороне диска 20 жестко закреплены теплопроводные лопасти центробежного компрессора 18, при этом одноколесный турбокомпрессор (18,20,21) выполнен за одно целое. Лопатки турбины 21, закрепленные между дисками 20 и 34, изогнуты только в радиальной плоскости, вогнуты в сторону вращения. Турбокомпрессор (18,20,21) жестко посажен на вал 28, свободно вращающийся в подшипниках 30, при этом с корпусом выполнено лабиринтное уплотнение.

Водяной теплообменник, утилизатор тепла выхлопных газов 25, 26 выполнен в виде емкости, охватывающей выхлопной патрубок турбины, с ребрами внутри патрубка 26, при этом емкость 25 соединена трубопроводом 23 с нагнетательным клапаном 24, с водяным насосом 22 повышенного давления и через вентиль 27 трубопровода с входом парогенератора 3.

Компрессор 18 соединен входом с воздухопроводом с заслонкой 17, атмосферой, а выходом по воздуховоду 19 с входом камеры 1 горения, при этом жаровая труба выполнена с пусковым поддувалом 14, закрытым задвижкой, и пусковым дымоходом 10, также закрытым задвижкой.

В камере 1 горения установлен калоризатор 2 с целью качественного горения топлива, поступающего из бака 15 через регулирующую иглу 13 и форсунку 12, а также с целью направления раскаленных газов к внутренней стенке жаровой трубы.

С целью защиты ПГД выполнен с редукционным клапаном 9, установленным на входе активного сопла 7.

ПГД выполнен с кожухом (корпусом) 4, между которым и элементами двигателя выполнена теплоизоляция, например, воздушная.

Для запуска ПГД необходимо заполнить бак 15 топливом (жидким или газообразным) под давлением; заполнить парогенератор водой под давлением при закрытой игле активного сопла 7; открыть задвижку дымохода 10 и поддувала 14 и, открыв иглу 13, факелом зажечь топливо, фонтанирующее из форсунки 12.

При парообразовании в паросборнике 5 накопится пар и под давлением откроется редукционный клапан 9. Это сигнал готовности двигателя к пуску. Открывая иглу 8 активного сопла 7, двигатель заработает первоначально от пара, а потом включаются в работу компрессор 18, водяной насос 22, устанавливается нормальный рабочий процесс, при этом пусковые задвижки 10 и 14 закрыты.

Жаровая труба 1 за счет сужения фоpмиpует прямоточный скоростной поток газа, который через сопло 11 Лаваля направляется к турбине 21 со скоростью местной скорости звука, а в спиральной трубке прямоточном парогенераторе образуется пар и накапливается в паросборнике 5, из которого поступает на вход активного сопла 7 и через его выход направляется с местной скоростью звука на вход сопла Лаваля. Для эффективного смешения пара и газа, образования рабочего тела (РТ) без потерь энергии необходимо смешение осуществлять при однонаправленном (без турбулентности) и равноскоростном (без захвата и прессинга) потоках пара и газа. Это должно быть выполнено соответствующим сужением жаровой трубы и выбора параметров конструкции активного и сопла Лаваля. Сопло 11 Лаваля преобразует потенциальную энергию РТ в кинетическую и направляет через направляющий аппарат 32 на лопатки турбины 21, при этом скорость потока РТ пропорциональна корню квадратному из разности энтальпий на входе и выходе сопла, отнесенной к массе РТ, поэтому скорость окружная вращения турбины может быть значительно ниже, чем чисто паровой. Это означает, что активная турбина может быть применена без силового редуктора для привода рабочих механизмов (РМ), например синхронного генератора.

На фиг.3 дана векторная диаграмма рабочего процесса соплового аппарата и турбины. Скорость потока РТ, равная С_2РТ на входе в турбину, и скорость потока РТ, равная С_3РТ на выходе из турбины, несоизмеримы,т.е. кинетическая энергия РТ в турбине почти полностью преобразуется в механическую работу, при этом избыточное тепло РТ регенерируется компрессором. Достигается двойной эффект: регенерируется тепло и охлаждается турбина.

Нагрузка ПГД регулируется подачей пара через активное сопло 7 иглой 8 и подачей топлива через форсунку 12 иглой 13 вручную или автоматически (регулятором), при этом высокая (мгновенная) приемистость двигателя обеспечивается за счет резерва пара в паросборнике.

Калоризатор 2 обеспечивает качественное и стабильное горение топлива в жаровой трубе (без потухания).

Экономическая эффективность ПГД достигается за счет высоких КПД его элементов парогазогенератора, эжекторного соплового аппарата, активной энергетической эффективной турбины и двойной регенерации тепла отработанного РТ.

ПГД проще и дешевле в изготовлении. Требуется меньше металла на изготовление, причем дорогого, например, турбокомпрессорное колесо может быть изготовлено не из жаропрочной специальной стали, а из более дешевого алюминиевого сплава.

ПГД проще и дешевле в эксплуатации, в обслуживании, уходе и ремонте. Сравнительно малый тепловой и механический износ, так как тепловые процессы с высокой эффективностью могут быть осуществлены при температуре не выше 1000-1100 К, а трущихся деталей практически нет, кроме двух подшипников качания. Поэтому ПГД имеет сравнительно большой срок службы.

Высокая экономичность: полное сгорание топлива, меньше выброс окислов азота, бесшумная работа, без вибраций, отсутствие загрязняющей смазки, малый выброс тепла и др.

Компактность ПГД и его совместимость со всеми видами транспорта (кроме авиации).

Не требуется высокой квалификации обслуживающего персонала, высокая надежность в работе и безопасность для окружающих. Может быть использована в различных климатических зонах и сезонах. Восприимчив к нагрузке и даже перегрузке, режим работы регулируется в широких пределах.

Вертикальная ("волчковая") конструкция позволяет двигатель и РМ установить по вертикали, требуется меньшая площадь помещения, агрегата, транспорта и пр.

Использование: в теплоэнергетике, в частности в конструкциях парогазовых установок. Сущность изобретения: в парогазовом двигателе, содержащем прямоточный парогенератор, средство для смешения продуктов сгорания, направляющий сопловый аппарат, одновенечную активную турбину с утилизатором выхлопа, соединенные с валом турбины через редукторы потребитель (например, гребной винт) и водяной насос, выход которого соединен с парогенератором, средства для подачи топлива и окислителя, парогенератор выполнен в виде жаровой трубы, сужающейся по ходу продуктов сгорания, с плотно прилегающей к ее наружной поверхности трубкой, навитой в виде спирали, выход которой соединен с паросборником, выход которого совмещен с активным соплом камеры смешения, при этом направляющий аппарат установлен на выходе сопла Лаваля, вход которого соосно с активным соплом совмещен в камере смешения, лопатки турбины центростремительного типа жестко соединены с теплопроводным диском. Средство для подачи окислителя выполнено в виде центробежного компрессора, лопатки которого закреплены на обратной стороне диска. 3 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. ПАРОГАЗОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий прямоточный парогенератор, камеру смешения продуктов сгорания с водяным паром, на выходе которой установлен направляющий сопловой аппарат, одновенечную активную турбину с утилизатором теплоты выхлопа, соединенные с валом турбины через редукторы потребитель, например гребной винт, и водяной насос, выход которого соединен с парогенератором, средства для подачи топлива и окислителя, отличающийся тем, что парогенератор выполнен в виде жаровой трубы, сужающейся по ходу движения продуктов сгорания, с плотно прилегающей к ее наружной поверхности трубкой, навитой в виде спирали, выход которой соединен с активным соплом камеры смешения, при этом направляющий аппарат расположен на выходе дополнительно установленного сопла Лаваля, вход которого соосно с активным соплом совмещен в камере смешения, лопатки турбины центростремительного типа жестко соединены с теплопроводным диском, при этом средство для подачи окислителя выполнено в виде центробежного компрессора, лопатки которого закреплены на обратной стороне диска. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что активная турбина снабжена кольцевым диском, жестко соединенным с лопатками турбины со стороны выхлопного патрубка. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что утилизатор теплоты выхлопа выполнен в виде емкости, охватывающей выхлопной патрубок турбины, оребренной со стороны движения отходящих газов в выхлопном патрубке, при этом выход утилизатора соединен посредством трубопровода с обратным клапаном с нагнетательным патрубком водяного насоса, а его выход - трубопроводом с запорной арматурой с входом в парогенератор. 4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что лопасти турбины и лопатки компрессора выполнены из теплопроводного материала.