ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2000 года по МПК F02C7/12 

Изобретение относится к области газотурбиностроения и может быть использовано при создании газотурбинных установок (ГТУ) различного назначения (стационарных, транспортных и других).

Известна ГТУ, разработанная в МВТУ им. Н.Е.Баумана (Ю.М.Пчелкин. Камеры сгорания газотурбинных двигателей. - М.: Машиностроение, 1984, с.224-226), где предлагается процесс горения топлива проводить последовательно между отдельными ступенями турбины, непосредственно в ее проточной части. Эта ГТУ позволяет приблизить процесс расширения газа в турбине к изотермическому. Однако из-за значительных скоростей потока газа предложенная схема не позволяет организовать надежное и качественное гонение топлива в межлопаточных каналах с обеспечением долговечности элементов проточной части газовой турбины.

Известна ГТУ с промежуточным подогревом (Ю.М.Пчелкин. Камеры сгорания газотурбинных двигателей. М. : Машиностроение, 1984, с.226-228), в которой воздух после компрессоров низкого давления (КНД) и высокого давления (КВД) попадает в основную камеру сгорания. Затем газы направляются в турбину высокого давления (ТВД) и в первую камеру сгорания промежуточного подогрева (КСПП-1), в которую подводится воздух от КВД.

После КСПП-1 горячие газы направляются в турбину среднего давления (ТСД) и во вторую камеру сгорания промежуточного подогрева (КСПП-2). Предложенная схема позволяет организовать достаточно надежное и полное сгорание топлива в КСПП-1 и КСПП-2. Однако эта установка не позволяет значительно повысить экономичность ГТУ в целом, так как в ней не предусмотрены специальные мероприятия, направленные на увеличение температуры газов, а процесс расширения в турбинах незначительно приближен к изотермическому.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение экономичности ГТУ. Газотурбинная установка дополнительно имеет две кольцевые камеры сгорания промежуточного подогрева, расположенные в периферийной части корпусов турбины высокого давления и турбины низкого давления, причем входы охлаждающих трактов турбины высокого давления и турбины низкого давления связаны с коллекторами подачи топлива, дополнительно введенными в полости рабочих лопаток турбин, а выходы соответствующих трактов турбины соединены с соответствующими камерами сгорания промежуточного подогрева.

В заявленную схему ГТУ могут входить один или несколько каскадов компрессоров низкого и высокого давления, а также одна или несколько групп ступеней турбины высокого и низкого давления. На чертеже изображена общая схема предлагаемой ГТУ, которая содержит двухкаскадный компрессор и соответственно двухкаскадную, двухступенчатую турбину. Компрессор низкого давления (КНД) 1 соединен с компрессором высокого давления (КВД) 2, который в свою очередь соединен с основной камерой сгорания 3, а также с камерами сгорания промежуточного подогрева газа 8, 10 и 14.

Основная камера сгорания 3 подключена к турбине высокого давления (ТВД) 4, состоящей из соплового аппарата 5 и рабочего колеса 6. Вход охлаждающего тракта 7 турбины высокого давления подключен к коллектору подачи топлива 17, а выход охлаждающего тракта 7 связан со входом камеры сгорания промежуточного подогрева 8, выход которой соединен с каналом 9, расположенным между сопловым аппаратом 5 и рабочим колесом 6. Выход из рабочего колеса 6 турбины высокого давления связан с камерой сгорания промежуточного подогрева 10, выход из которой соединен со входом в сопловой аппарат 12 турбины низкого давления (ТНД). Вход охлаждающего тракта 16 турбины низкого давления (ТНД) соединен с коллектором 17 подачи топлива, а выход этого тракта связан со входом камеры сгорания промежуточного подогрева газа 14, выход которой соединен с каналом 15, расположенным между сопловым аппаратом 12 и рабочим колесом 13 турбины низкого давления.

На расчетном режиме в предлагаемой схеме воздух после компрессоров низкого 1 и высокого 2 давления попадает в основную камеру сгорания 3. Затем газы направляются в сопловой аппарат турбины высокого давления. За сопловым аппаратом рабочее тело подвергается промежуточному подогреву за счет воздействия на него горячих газов, выходящих из камеры сгорания промежуточного подогрева кольцевого типа 9. После этого газы, имеющие более высокую температуру, чем та, которая была бы без такого подогрева, направляется в рабочее колесо 6 турбины высокого давления 4 и в следующую камеру сгорания промежуточного подогрева газов 10. После нее, расположенной между каскадами турбины, газы направляются в турбину низкого давления 11, в которой после прохождения соплового аппарата 12 они снова, как и на турбине высокого давления 4, подвергаются промежуточному подогреву в камере сгорания промежуточного подогрева 14.

Камеры сгорания промежуточного подогрева 8, 10, 14 охлаждаются специально отбираемым от компрессора высокого давления 2 воздухом. Топливо, поступаемое в них, участвует в охлаждении рабочих лопаток турбин. За счет нагрева топлива в результате отбора им тепла от лопаток рабочих колес происходит более эффективная подготовка топливовоздушной смеси к организации процесса горения в камерах сгорания промежуточного подогрева.

Предложенная схема ГТУ с дополнительным промежуточным подогревом внутри ступени турбины по сравнению с известной схемой имеет преимущества:
1. За счет дополнительного промежуточного подогрева газа внутри ступени расширение в турбине максимально приближается к изотермическому, что позволяет достичь большой эффективности процесса.

2. За счет более эффективного охлаждения топливом рабочих лопаток турбин появляется возможность повысить температуру нагрева газов.

Газотурбинная установка содержит компрессоры высокого и низкого давления, основную камеру, связанную с турбиной высокого давления и с турбиной низкого давления. Между турбинами высокого и низкого давления установлена камера сгорания промежуточного подогрева. В периферийной части корпусов турбин высокого и низкого давления расположены две кольцевые камеры сгорания промежуточного подогрева. Входы охлаждающих трактов турбины высокого давления и турбины низкого давления связаны с коллекторами подачи топлива, дополнительно введенными в полости рабочих лопаток турбин. Выходы соответствующих трактов турбин соединены с соответствующими камерами сгорания промежуточного подогрева. Такое выполнение газотурбинной установки приводит к повышению ее эффективности. 1 ил.

Газотурбинная установка, содержащая компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, основную камеру сгорания, связанную с турбиной высокого давления и с турбиной низкого давления, между которыми установлена камера сгорания промежуточного подогрева, отличающаяся тем, что газотурбинная установка дополнительно содержит две кольцевые камеры сгорания промежуточного подогрева, расположенные в периферийной части корпусов турбин высокого и низкого давления, причем входы охлаждающих трактов турбины высокого давления и турбины низкого давления связаны с коллекторами подачи топлива, дополнительно введенными в полости рабочих лопаток турбин, а выходы соответствующих трактов турбин соединены с соответствующими камерами сгорания промежуточного подогрева.