СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В РАБОТУ В ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКЕ И ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1996 года по МПК F02C3/30 

Изобретение относится к газотурбостроению, в частности к созданию газотурбинных установок и газотурбинных двигателей.

Широко известны способы преобразования тепловой энергии в работу в газотурбинных установках, заключающихся в сжатии окислителя (воздуха) в компрессоре, сжигании органического топлива в камере сгорания, расширении продуктов сгорания в турбине с получением работы [1]
Недостатком указанного аналога является низкий КПД установки.

Известен способ преобразования тепловой энергии в работу в газотурбинной установке, заключающийся в сжатии окислителя, ступенчатом расширении рабочего тела и сжигании органического топлива в камерах сгорания перед ступенями расширения с подачей дополнительного окислителя в камеры сгорания, причем сжигание топлива перед промежуточными ступенями осуществляют с коэффициентом избытка окислителя меньше 1, а перед последней с коэффициентом избытка окислителя больше 1, и дополнительно подают воду, смешивая ее с дополнительным окислителем перед подачей последнего в камеру сгорания [2]
Недостаток прототипа заключается в том, что установка громоздка из-за наличия множества агрегатов: сжатия воздуха, сжигания топлива и расширения продуктов сгорания.

Предлагаемый способ преобразования тепловой энергии в работу в газотурбинной установке и устройство для его осуществления решают задачу повышения КПД газотурбинной установки, снижения металлоемкости и стоимости ее, а также улучшения экологичности установки.

В предлагаемом способе указанные преимущества достигаются путем осуществления впрыска предварительно перегретой воды в ступени компрессора, сжигания и дожигания топлива непосредственно в лопаточном аппарате турбомашины путем подачи дополнительного окислителя из соответствующих ступеней компрессора, причем в качестве окислителя используется воздух путем перегрева воды и подогрева топлива выхлопными газами после турбомашины.

Предлагаемое устройство решает поставленную задачу наличием дополнительных систем для впрыска предварительно перегретой воды в ступени компрессора, воздуховодов, соединяющих соответствующие ступени компрессора с сопловыми лопатками турбомашины, насоса и подогревателей воды и топлива.

На чертеже изображена схема газотурбинной установки, в которой реализуется предлагаемый способ.

Газотурбинная установка включает многоступенчатый компрессор 1, камеру сгорания 2, турбомашину 3 с сопловыми лопатками 4, регенеративные подогреватели 5 воздуха, дополнительные воздуховоды 6, водяной насос 7, подогреватель 8 воды, трубопровод 9, системы 10 впрыска воды, подогреватель 11 топлива.

Способ осуществляется следующим образом.

Окислитель (воздух) поступает в компрессор 1, где происходит его сжатие для уменьшения работы, затрачиваемой на сжатие, через системы 10 впрыскивается перегретая в подогревателе 8 вода, подаваемая по трубопроводу 9 насосом 7 в те ступени компрессора 1, в которых температура сжатого окислителя превышает температуру перегретой воды. Далее происходят сжатие окислителя совместно с испаряющейся водой и отбор части сжатого окислителя из промежуточных ступеней компрессора 1. Из последней ступени компрессора 1 окислитель после подогрева в регенеративном теплообменнике 5 подается в камеру 2 сгорания, куда одновременно подается предварительно нагретое в подогревателе 11 топливо. В камере 2 сгорания происходит частичное сгорание топлива с коэффициентом избытка окислителя меньше 1, и продукты неполного сгорания топлива направляются в турбомашину 3 для преобразования их тепла в работу. Далее продукты неполного сгорания топлива последовательно проходят все ступени расширения турбомашины 3, в сопловые лопатки 4 которых (начиная со второй ступени расширения) подводятся дополнительные порции окислителя по воздуховодам 6, предварительно нагретые в регенеративных подогревателях 5, и происходит дожигание топлива с коэффициентом избытка окислителя меньше 1. В последней ступени расширения турбомашины 3 происходит окончательное дожигание топлива с коэффициентом избытка окислителя больше 1.

Использование: в газотурбостроении. Сущность изобретения: окислитель (0) (воздух) поступает в компрессор, где происходит его сжатие. Для уменьшения этой работы в ступенях компрессора (СК), в которых температура (0) высокая, впрыскивается перегретая вода. Сжимаемый (0) частично отбирается из промежуточных СК. Из последней СК оставшийся 0 после подогрева в регенеративном теплообменнике подается в камеру сгорания СК, куда одновременно подается предварительно нагретое топливо. В СК происходит частичное сгорание топлива с коэффициентом избытка 0 меньше 1, и продукты неполного сгорания топлива направляются в турбомашину (Т) для преобразования их тепла в работу. Далее продукты неполного сгорания топлива последовательно проходят все ступени расширения Т, в сопловые лепестки которых подводятся предварительно подогретые дополнительные порции 0 и происходит дожигание топлива с коэффициентом избытка 0 меньше 1. В последней ступени Т происходит окончательное дожигание топлива с коэффициентом избытка 0 больше 1. 2 с. и 5 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ преобразования тепловой энергии в работу в газотурбинной установке, заключающийся в сжатии окислителя в многоступенчатом компрессоре, ступенчатом расширении продуктов сгорания, сжигании органического топлива перед промежуточными ступенями расширения лопаточной турбомашины с коэффициентом избытка окислителя 1, а перед последней дожигании с коэффициентом избытка окислителя больше 1, выпуске выхлопных газов из турбомашины, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют впрыск предварительно перегретой воды в ступени компрессора, а сжигание и дожигание топлива осуществляют непосредственно в лопаточном аппарате турбомашины путем подачи дополнительного окислителя из соответствующих ступеней компрессора. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве окислителя используют воздух. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что перегрев воды осуществляют путем утилизации тепла выхлопных газов за турбомашиной. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что поступающее для сжигания топливо предварительно подогревается выхлопными газами после турбомашины. 5. Газотурбинная установка, содержащая многоступенчатый компрессор, камеру сгорания, турбомашину с сопловыми лопатками, регенеративные подогреватели окислителя, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена системами для впрыска предварительно перегретой воды в ступени компрессора, воздуховодами, соединяющими соответствующие ступени компрессора с сопловыми лопатками турбомашины. 6. Установка по п.5, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена насосом и подогревателем воды. 7. Установка по п.5, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена подогревателем топлива.