ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2000 года по МПК F02C7/08 F02C5/12 

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к газотурбинным установкам с подводом тепла при постоянном объеме рабочего тела (пульсирующего типа) с регенерацией тепла уходящих газов и может быть использовано на тепловых и атомных электростанциях, а также там, где применяется газовая турбина для преобразования тепловой энергии в механическую.

Известна газотурбинная установка, содержащая турбину, компрессор, камеру сгорания и регенератор (см.например. Стационарные газотурбинные установки. Справочник. Под. ред. Л.В.Арсеньева и В.Г.Тырышкина. - Л.: Машиностроение, 1989, с. 17, рис. 1.7).

Однако в известной установке, во-первых, теплообмен в регенераторе ограничен тем, что после сжатия в компрессоре температура воздуха резко повышается и это приводит к снижению возможности отбора тепла уходящих газов, т. е. снижает возврат тепла в цикл. Во-вторых, более половины мощности, вырабатываемой турбиной, затрачивается на собственные нужды газотурбинной установки, т.е. привод компрессора. Все это снижает коэффициент полезного действия (КПД) и экономичность установки.

Известна газотурбинная установка, содержащая компрессор, сообщенный перепускным воздухопроводом с камерой сгорания, имеющей топливопровод, турбину, на выхлопном трубопроводе которой установлен теплообменник-регенератор, подключенный по нагреваемой среде к перепускному воздухопроводу, и эжектор, имеющий активное, пассивное сопла и камеру сгорания. При этом установка снабжена теплообменником-рекуператором, установленным в перепускном воздухопроводе, один вход которого сообщен с выходом теплообменника-регенератора по воздуху, другой вход - с топливопроводом, выход по воздуху - с пассивным соплом эжектора, причем камера смешения эжектора сообщена с камерой сгорания, а его активное сопло выполнено в виде жидкостной форсунки (см. патент РФ N 2051285, МПК F 02 C 7/224, опубл. 27.12.95 г., бюл. N 36).

Недостатком этой установки являются невысокий КПД и низкая экономичность из-за наличия компрессора и процесса предварительного сжатия.

Известна также газотурбинная установка с подводом тепла при постоянном объеме (пульсирующего типа), содержащая компрессор, камеру сгорания закрытого типа, снабженную клапанами у входа воздуха и у выхода продуктов сгорания, турбину (см. например, Газовые турбины. Часть первая. Термодинамические процессы и теплообмен в конструкциях/Под ред. Я.И.Шнеэ.- Киев, Вища школа, 1976, с. 12-13, рис. 1.6 и с. 14, рис. 1.8).

Но у всех газотурбинных установок с подводом тепла при постоянном объеме и традиционной конструкцией турбины и компрессора отсутствует регенерация тепла уходящих газов, что делает их низкоэкономичными.

Наиболее близкой к предлагаемой по совокупности признаков является газотурбинная установка, содержащая турбину, компрессор, подключенный посредством трубопровода и магистрали с установленным на ней регенератором к камере сгорания, имеющей зоны подачи воздуха для горения и смешения. При этом камера сгорания снабжена перегородкой, разделяющей зоны подвода воздуха для горения и смешения, с установленными на ней штуцерами для подсоединения трубопровода и магистрали, первый из которых подключен к зоне подвода воздуха для горения, а второй - к зоне подвода воздуха для смешения. Перегородка выполнена составной, состоящей из взаимно сопряженных вдвигаемых одна в другую деталей (см. авт. свид. СССР N 1809139, МПК F 02 C 3/22, опубл. 15.04.93 г., бюл. N 14).

К недостаткам этой установки относятся также невысокий КПД и низкая экономичность из-за наличия компрессора и увеличенного количества тепла, передаваемого в теплообменных аппаратах, работающих при постоянном давлении.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение КПД и экономичности установки за счет глубокой регенерации тепла уходящих газов при отсутствии компрессора в схеме установки.

Для решения указанной задачи в газотурбинной установке, содержащей турбину, на выхлопном трубопроводе которой установлен регенератор, сообщенный с камерой сгорания, согласно изобретению, регенератор содержит расположенные внутри корпуса капсулы, установленные с возможностью взаимодействия с камерой сгорания, при этом капсулы, с обеих торцевых сторон которых размещены запорные устройства, выполнены в виде цилиндров с поршнями. Капсулы расположены последовательно и установлены, например, на ротационной или конвейерной линии, снабженной механизмом доставки капсул к камере сгорания. А камера сгорания выполнена цилиндрической и снабжена механизмом перемещения поршня внутри капсулы.

Выполнение регенератора в виде конструкции с расположением внутри корпуса капсул, выполненных в виде цилиндров с поршнями, позволяет проводить регенерацию тепла выхлопных газов, когда в начале рабочее тело (воздух) в капсуле подогревается при постоянном объеме теплом уходящих газов.

Расположение капсул последовательно и установка их, например, на ротационной или конвейерной линии позволяет обеспечить омывание капсул, содержащих постоянный объем воздуха, противоточно движущимся потоком выхлопных газов, т.е. позволяет осуществить передачу тепла от уходящих газов к воздуху в противотоке.

Выполнение камеры сгорания цилиндрической позволяет помещать в нее капсулы, т. е. зарядка камеры сгорания при этом выполняется по принципу всасывания в цилиндр, а не продувкой вентилятором или компрессором.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показана принципиальная технологическая схема газотурбинной установки; на фиг. 2 - принципиальная конструктивная схема установки; на фиг. 3 - принципиальная конструкция капсулы, обеспечивающей подвод тепла к рабочему телу при постоянном объеме; на фиг. 4 изображен графически процесс повышения давления при постоянном объеме и расширения в T-S-диаграмме (термодинамический цикл бескомпрессорной газотурбинной установки пульсирующего типа с регенерацией). Чертежи имеют следующие цифровые позиции: 1 - турбина; 2 - регенератор; 3 - камера сгорания; 4 - капсула; 5 - запорные устройства; 6 - поршень, размещенный внутри капсулы 4; 7 - механический привод (ротационная или конвейерная линия); 8 - механизм доставки капсул 4 к камере сгорания 3; 9 - механизм перемещения поршня 6 внутри капсулы 4; 10 - теплозащитный слой изоляции; 11 - устройство впрыска топлива в капсулу 4;12- направление механического перемещения капсул 4 из регенератора 2 в камеру сгорания 3 и обратно.

Газотурбинная установка содержит турбину 1, на выхлопном трубопроводе которой установлен регенератор 2, сообщенный с камерой сгорания 3 (фиг. 1). Регенератор 2 содержит расположенные внутри корпуса капсулы 4, с обеих торцевых сторон которых размещены запорные устройства 5 (фиг. 2 и 3). Капсулы 4 выполнены в виде цилиндров с поршнями 6 и установлены с возможностью взаимодействия с камерой сгорания 3. Перемещение капсул 4 против течения выхлопных газов осуществляется с помощью, например, механического привода (ротационной или конвейерной линии). Капсулы 4 расположены последовательно и установлены, например, на ротационной или конвейерной линии, снабженной механизмом доставки 8 капсул 4 к камере сгорания 3.

Камера сгорания 3 выполнена в виде цилиндрической обечайки со вставленной в нее капсулой 4 и снабжена механизмом перемещения 9 поршня 6 внутри капсулы 4. Зарядка капсул 4, находящихся в камере сгорания 3, выполняется по принципу всасывания в цилиндр. А цилиндрическая обечайка, в которую вставляются капсулы 4, предохраняет последнюю от разрыва при впрыске и сгорании в ней топлива. Регенератор 2 обеспечивает противоточное движение содержащих постоянный объем воздуха капсул 4 по отношению к потоку выхлопных газов. Перемещение на ротационной или конвейерной линии последовательно установленных капсул 4, содержащих постоянный объем воздуха, позволяет обеспечить омывание капсул 4 противоточно движущимся потоком выхлопных газов, т.е. позволяет осуществить передачу тепла от уходящих газов к воздуху в противотоке.

Вся технологическая схема теплоизолирована от окружающей среды с помощью слоя изоляции 10 с целью снижения потерь тепла (фиг. 2). Цилиндрический корпус камеры сгорания 3 целесообразно изготавливать из материала с малой теплоемкостью и теплопроводностью. Это позволит свести к минимуму нагрев свежего воздуха в капсуле 4 до ее перемещения в регенератор 2.

Подача топлива в капсулу 4 производится через устройство впрыска топлива, например форсунку 11 (фиг. 3). Направление механического перемещения капсул 4 из регенератора 2 в камеру сгорания 3 за цикл показано жирными стрелками на фиг. 2.

Запорные устройства 5 выполнены, например, в виде плотно закрывающихся и открывающихся в определенный момент времени шиберов или шаровых (пробковых) кранов (см. например, Стаскевич Н.Л. Справочник по газоснабжению и использованию газа. - Л.: Недра, 1990, с. 167, рис.5.8 и 5.9).

Механизм доставки 8 капсул 4 к камере сгорания 3 и механизм перемещения 9 поршня 6 внутри капсулы 4 выполнены, например, по принципу перемещения поршня с помощью кривошипно-шатунного механизма в двигателе внутреннего сгорания (см. например, Политехнический словарь/ Под ред. А.Ю.Ишлинского. - М.: Советская энциклопедия, 1989, с. 141-142).

Газотурбинная установка работает следующим образом.

Рабочее тело (воздух) находится в объеме капсулы 4 и нагревается при постоянном объеме теплом уходящих газов. Когда воздух в регенераторе 2 нагреется и капсула 4 при этом переместится в регенераторе 2 из положения I-римское в положение II-римское (фиг. 2), то капсула 4 из положения II-римское с помощью механизма 8 перемещается в цилиндрическую камеру сгорания 3. Цилиндр камеры сгорания 3 обеспечивает прочность капсулы 4 от разрыва при впрыске в нее и горении топлива. Впрыск топлива в капсулу 4 производится через форсунку 11 (фиг. 3). Затем открывается запорное устройство 5 - правый клапан и рабочее тело из капсулы 4 под давлением выходит в проточную часть турбины 1. Вслед за этим механизм 9 через открытое запорное устройство 5 - левый клапан перемещает поршень 6, находящийся в капсуле 4, из крайнего левого положения в крайнее правое положение. При этом происходит удаление остатков газа из капсулы 4 в проточную часть турбины 1 через открытое запорное устройство 5 - правый клапан (фиг. 3) и всасывание свежей порции воздуха через запорное устройство 5 - левый клапан (фиг. 3). После этого запорное устройство 5 - левый и правый клапаны закрываются, и капсула 4 перемещается в регенератор 2 в положение I-римское (фиг. 2). Цикл замкнулся.

Описанный цикл работы предлагаемой газотурбинной установки в T-S-диаграмме поясняется фиг. 4, где ΔT_рег - перепад температуры в регенераторе 2 между греющими и уходящими газами и температуры воздуха внутри капсулы 4.

Цикл 1-3-4-1 - это цикл бескомпрессорной газотурбинной установки без регенерации тепла уходящих газов (см. например, Газовые турбины. Часть первая. Термодинамические процессы и теплообмен в конструкциях/ Под ред. Я.И. Шнеэ. - Киев, Вища школа, 1976, с.44, рис.2.11,а). В этом цикле площадка а-1-4-c - определяет потери тепла с уходящими газами.

Предлагаемая газотурбинная установка работает по циклу 1-2-3-4-5-1. Участок 1-2 соответствует процессу нагрева холодного воздуха, находящегося при постоянном объеме в капсуле 4 при ее перемещении на ротационной или конвейерной линии в регенераторе 2 из положения I-римское в положение II-римское (фиг. 2).

Участок 2-3 соответствует процессу нагрева рабочего тела при постоянном объеме, когда капсула 4 находится внутри цилиндрической обечайки камеры сгорания 3 (при впрыскивании и сгорании топлива).

Участок 3-4 соответствует процессу расширения рабочего тела в турбине 1. Участок 4-5 соответствует процессу охлаждения выхлопных газов в регенераторе 2, т. е. процессу передачи тепла от выхлопных газов к воздуху, находящемуся внутри капсул 4.

В этом случае (с регенерацией) потери тепла с уходящими газами определяются площадкой а-1-5-б, которая меньше площадки а-1-4-с, описывающей потери тепла в том же цикле, но без регенерации.

Для уменьшения пульсации выхлопных газов в регенераторе возможна установка одного общего регенератора на несколько турбин.

Установка на турбинах пульсирующего типа нескольких камер сгорания, срабатывающих последовательно, также дополнительно снижает пульсацию газов в регенераторе. Описание схем с несколькими камерами сгорания для турбин пульсирующего типа, см., например, в книге Газовые турбины. Часть первая. Термодинамические процессы и теплообмен в конструкциях/Под ред. Я.И.Шнеэ.- Киев, Вища школа, 1976, с. 13.

Возможна установка одной камеры сгорания открытого типа на несколько турбин, размещенной перед общим регенератором. При этом все тепло к рабочему телу будет подводиться в регенераторе, и камера сгорания будет работать по типу непрерывного горения. Эта схема для тепловых электростанций является предпочтительной.

Газотурбинная установка может работать не только по схеме открытого типа, но и по схеме замкнутого типа. Кроме воздуха можно использовать любое другое рабочее тело, например гелий, коэффициент теплоотдачи которого в 2-2.5 раза выше, чем у воздуха.

Изготавливая поверхности нагрева регенератора (общая поверхность капсул, находящихся одновременно в регенераторе) достаточно большими и используя другие известные методы интенсификации теплопередачи, можно добиться значительного снижения температуры уходящих газов. В предлагаемой установке температура уходящих газов не лимитируется процессом предварительного сжатия, а определяется только температурным напором в регенераторе (ΔT_рег, фиг. 4), что позволит увеличить КПД и экономичность установки.

Газотурбинная установка содержит турбину, на выхлопном патрубке которой установлен регенератор, сообщенный с камерой сгорания. Регенератор выполнен в виде корпуса, внутри которого расположена ротационная или конвейерная линия, перемещающая последовательно установленные на ней капсулы с подогреваемым воздухом против течения выхлопных газов. С обеих сторон капсул размещены запорные устройства. Капсулы выполнены в виде цилиндров с поршнями для зарядки капсул свежей порцией воздуха. Ротационная или конвейерная линия снабжена механизмом доставки капсул к камере сгорания. Камера сгорания выполнена в виде цилиндрической обечайки с вложенной в нее капсулой и снабжена механизмом перемещения поршня внутри капсулы. Такое выполнение газотурбинной установки приводит к повышению КПД и ее экономичности. 3 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Газотурбинная установка, содержащая турбину, на выхлопном патрубке которой установлен регенератор, сообщенный с камерой сгорания, отличающаяся тем, что регенератор выполнен в виде корпуса, внутри которого расположена ротационная или конвейерная линия, перемещающая последовательно установленные на ней капсулы с подогреваемым воздухом против течения выхлопных газов. 2. Газотурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что капсулы, с обеих сторон которых размещены запорные устройства, выполнены в виде цилиндров с поршнями для зарядки капсул свежей порцией воздуха. 3. Газотурбинная установка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что ротационная или конвейерная линия снабжена механизмом доставки капсул к камере сгорания. 4. Газотурбинная установка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что камера сгорания выполнена в виде цилиндрической обечайки с вложенной в нее капсулой и снабжена механизмом перемещения поршня внутри капсулы для зарядки последней свежей порцией воздуха.