СПОСОБ РАБОТЫ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ И ЕГО ВАРИАНТЫ Российский патент 2002 года по МПК F02C7/08 

Изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано в качестве двигателя транспортного средства, а также в качестве силовой установки на теплоэлектростанциях.

Известен газотурбинный двигатель (Г. Н. Алексеев. Общая теплотехника. Москва, Высшая школа, 1980 г. , стр. 144), в котором воздух сжимается в компрессоре, подогревается в регенераторе теплотой отработавших газов, сжигается вместе с топливом в камере сгорания, затем горячий газ подается в силовую турбину, после нее в регенератор и далее в атмосферу.

Недостатком данного двигателя является снижение КПД вследствие необходимости предварительного сжатия воздуха в компрессоре для обеспечения работоспособности двигателя, а также неэффективного использования теплоты отработавших газов из-за минимального температурного напора и максимального перепада давления в регенераторе.

Известен способ работы газотурбинного двигателя транспортного средства (патент 1719684, А1 F 02 С 7/08, 5/00 от 15.03.92 г. , бюллетень 10) путем сжатия воздуха в компрессоре, последующего подогрева в секционном рекуператоре при постоянном объеме, подачи нагретого в рекуператоре воздуха в камеру сгорания поочередно из каждой секции, сгорания воздуха с топливом в камере сгорания с последующей подачей части горячего воздуха в силовую турбину, а частично на турбокомпрессор, а затем подачей всех отработавших газов в секционный рекуператор, а далее в атмосферу.

Недостатком данного способа является снижение эффективного КПД вследствие наличия дополнительного узла-турбокомпрессора, который необходим для обеспечения известного способа работы, а также неэффективного использования теплоты отработавших газов из-за минимального температурного напора и максимального перепада давлений секционном рекуператоре.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективного коэффициента полезного действия (КПД) силовой установки.

Поставленная цель достигается тем, что поступающий в силовую установку газ при атмосферном давлении подогревается во вращающемся регенераторе, затем к нему подводится тепло при постоянном давлении, а охлаждаемый секционный рекуператор используется после камеры нагрева и в котором подогретый газ поочередно предварительно расширяется в его секциях, сжимает и проталкивает потребителю предварительно охлажденный газ, занимает его место, охлаждается при постоянном объеме, создавая разрежение, необходимое для работы силовой установки.

Охлаждаемый секционный рекуператор может быть установлен после силовой турбины, когда в нем создается разрежение, необходимое для ее работы, а газ в нем сжимается до атмосферного давления и поступает во вращающийся регенератор для подогрева поступающего в силовую установку газа.

Кроме того, при сгорании газа, например воздуха, с топливом в камере сгорания при постоянном давлении в регенераторе подогревается только та часть газа, которая участвует в сгорании, соответственно в регенератор идет соответствующая часть отработавших газов, а оставшаяся часть отработавших газов идет, минуя регенератор, для смешивания с высокотемпературными газами после камеры сгорания, чтобы обеспечить рабочую температуру газов перед силовой турбиной.

И, наконец, при подводе тепла к газу без сгорания, он идет в силовую турбину, затем в охлаждаемый секционный рекуператор, а после него, минуя регенератор, к нему вновь подводится тепло при постоянном давлении.

Сущность изобретения состоит в том, что силовая установка работает за счет поочередного охлаждения порций газа при постоянном объеме в охлаждаемом секционном рекуператоре, вследствие чего создается необходимое разрежение, куда под действием атмосферного давления входит газ, работа предварительного расширения которого переходит в работу сжатия и проталкивания предварительно разреженного газа потребителю с необходимым давлением и температурой.

На чертеже изображен термодинамический цикл работы установки по предлагаемому способу.

Процесс 1-2 - подогрев газа (например, воздуха), поступающего в силовую установку, во вращающемся регенераторе при атмосферном давлении.

Процесс 2-3 - подвод тепла к газу (например, в камере сгорания) при постоянном давлении.

Процесс 3-3'-4 - адиабатное расширение газа.

Процесс 4-5 - отвод тепла от газа при постоянном объеме в секционном рекуператоре.

Процесс 5-2-6 - адиабатное сжатие газа до необходимого давления и температуры в секционном рекуператоре.

Процесс 6-2 - адиабатное расширение газа до атмосферного давления в силовой установке потребителя.

Процесс 2-1 - охлаждение отработавшего газа при постоянном давлении во вращающемся регенераторе.

Пример конкретного выполнения.

Термодинамический цикл газотурбинного двигателя с подводом теплоты при постоянном давлении и полной регенерацией описан в книге (Г. Н. Алексеев. Общая теплотехника. Москва, Высшая школа, 1980 г. , стр. 145) и описывается формулой

где Т₁= 300 К - температура окружающей среды;
T₄ = 600 К - температура конца адиабатного расширения газа в турбине при атмосферном давлении.

Температура воздуха после компрессора

где К = 1,4 - показатель адиабаты для воздуха;
Р₁= 1 бар - атмосферное давление;
P₂= h х Р₁ = 6 х 1 = 6 бар - давление после компрессора, где h= 6 - оптимальная степень повышения давления воздуха в компрессоре.

Перепад температур в регенераторе
ΔТ_р= Т₄ - Т₂= 600-500 = 100 К.

Перепад давления в регенераторе
ΔР_р = Р₂ - Р₁ = 6-1= 5 бар.

Максимальная температура цикла Т₃= 100 К - задается из условий надежной работы силовой турбины.

Эффективный КПД газотурбинного двигателя (там же, стр. 502)

где ηгтдад

= ηадT•ηадк= 0,85•0,85 = 0,7225 - адиабатный КПД турбины и компрессора (там же, стр. 503)
η_кc - КПД камеры сгорания;
ηгтдм- механический КПД газотурбинного двигателя;
η_кс и ηгтдм - считаем одинаковым с силовой установкой по предлагаемому способу, тогда η_e= 0,7225×ηгтдм×η_кс.

Термический КПД цикла при подводе теплоты при постоянном давлении полной регенерации находим из зависимости (см. там же, стр. 145)

где q₁= C_p(Т₃-Т₁)= C_р(1000-300)= 700 С_р - количество подведенного тепла в цикле;
С_р - константа - теплоемкость при постоянном давлении;
Т₃= 1000 К - максимальная температура цикла (задаваемая из условия нормальной и надежной работы турбины);
Т₁= 300 К - температура окружающей среды

- количество отведенного тепла в цикле;
- теплоемкость при постоянном объеме;
Т₅= Т₁= 300 К;
Т₄= 540 К - температура конца адиабатного расширения, задаемся из формулы для адиабатного процесса 3-4.

находим Р₄= 0,168 бар;
Р₁= P₂= P₃= 1 бар - процессы при атмосферном давлении.

Для процесса 4-5 охлаждение при постоянном давлении и объеме
,
тогда Р₅= 0,064 бар - давление разрежения для процесса 5-2 - адиабатного сжатия газа до давления Р₂= Р₁= 1 бар

находим Т₂= 657 К.

Регенерируемая часть тепла
q_рег= ζxC_p(T₂-T₁)= 1•C_p(657-300)= 357C_p;
ζ= 1 - полная регенерация, тогда
такой же, как у известного газотурбинного двигателя.

Перепад температур в регенераторе
ΔТ_р= Т₂-Т₁= 657-300= 357 К.

Перепад давления в регенераторе
ΔP= P₂-P₁= 0 (теоретически).

Эффективный КПД силовой установки по предлагаемому способу
η_e= ηадT

•η_м•η_кс,
где ηадT = 0,8 такой же, как у турбины известного газотурбинного двигателя;
η_м= ηгтдм - одинаковый механический КПД
η_кс - одинаковы, тогда η_e= 0,85×ηктдм•η_кс.

Таким образом, эффективное КПД силовой установки по предлагаемому способу выше, чем у известного газотурбинного двигателя, а так как секционные рекуператоры присутствуют у прототипа заявляемой установки, то считаем их эффективные КПД одинаковыми и не учитываем.

При работе силовой установки по предлагаемому способу теплообмен между поступающим и отработавшим газами происходит при большем температурном перепаде и меньшем перепаде давлений, что позволяет применить вращающийся регенератор, у которого коэффициент регенерации до 0,95 против 0,8 у трубчатого регенератора (см. И. Н. Нигматуллин и др. Тепловые двигатели. Москва, Высшая школа, 1974, стр. 203, табл. 2-1), при этом условии термодинамические КПД по известному и заявляемому способам также одинаковы:
По п. 2 силовая установка работает следующим образом:
- процесс 1-2 - аналогично по п. 1,
- процесс 2-3 - аналогично по п. 1,
- процесс 3-3' - адиабатное расширение газа в силовой турбине,
- процесс 3'-4 - предварительное адиабатное расширение газа в охлаждаемом секционном рекуператоре,
- процесс 4-5 - аналогично по п. 1,
- процесс 5-2 - адиабатное сжатие газа до Т₂ и Р₂= Р₁= 1 бар и проталкивание его во вращающийся регенератор,
- процесс 2-1 - аналогично по п. 1.

По п. 3 установка работает следующим образом:
- процесс 1-2 - подогрев в регенераторе только той части воздуха, которая участвует в сгорании,
- процесс 2-3 - аналогично по п. 2,
- процесс 3-3' - аналогично по п. 2,
- процесс 3'-4 - аналогично по п. 2,
- процесс 4-5 - аналогично по п. 2,
- процесс 5-2 - аналогично по п. 2,
- процесс 2-1 - охлаждение части отработавших газов в регенераторе, остальная часть, минуя регенератор, идет на смешивание с высокотемпературными газами после камеры сгорания для обеспечения рабочей температуры газов перед силовой турбиной.

По п. 4 установка работает следующим образом:
- процесс 1-2 - подвод тепла без регенератора - однократно при пуске,
- процесс 2-3 - подвод тепла к газу при постоянном давлении без сгорания,
- процесс 3-3' - аналогично по п. 2,
- процесс 3'-4 - аналогично по п. 2,
- процесс 4-5 - аналогично по п. 2,
- процесс 5-2 - аналогично по п. 2.

При работе силовой установки отсутствует регенератор.

Так как все адиабатные процессы в цикле происходят без теплообмена, то термодинамические зависимости по п. 1 справедливы и для п. 2, п. 3, п. 4.

Использование предлагаемого способа работы силовой установки обеспечивает по сравнению с существующими следующие преимущества:
1. При одинаковом термодинамическом КПД цикла получается более эффективная работа без применения турбокомпрессора, что снижает себестоимость и повышает надежность силовой установки, кроме того, так как силовая турбина работает при меньших абсолютных значениях давления, то снижаются механические напряжения, что повышает надежность силовой турбины.

2. Теплообмен между поступающим и отработавшим газами происходит при минимальном перепаде давлений и максимальном перепаде температур, что позволяет применять вращающийся регенератор, который имеет значительно меньший вес, габариты, гидравлическое сопротивление, чем трубчатый, кроме того вращающийся регенератор имеет более высокую степень регенерации, значительно дешевле и надежней в эксплуатации.

3. Так как при работе силовой установки по п. 3 через регенератор проходит меньшая часть воздуха и отработавших газов, а по п. 4 регенератор совсем не нужен, то эффективность и надежность ее работы повышается, а также уменьшаются вес, габариты и себестоимость.

Способ работы силовой установки осуществляется путем подогрева поступающего в нее газа теплом отработавших газов в регенераторе, подвода тепла к поступившему в нее газу при постоянном давлении в камере нагрева. После камеры нагрева подогретый газ поочередно предварительно расширяется в секциях секционного рекуператора, работающего при постоянном объеме, сжимается и проталкивает потребителю предварительно охлажденный газ, занимает его место, охлаждается при постоянном объеме, создавая разрежение, необходимое для работы силовой установки. При варианте способа работы силовой установки подогретый газ после камеры нагрева поступает потребителю, затем - в охлаждаемый секционный рекуператор, а после него - в регенератор для подогрева поступающего в силовую установку газа. При другом варианте осуществления способа работы силовой установки газ после подвода к нему тепла в камере нагрева без сгорания поступает потребителю, затем - в охлаждаемый секционный рекуператор, а после него - опять в камеру нагрева при постоянном давлении. Изобретения позволяют повысить к. п. д. силовой установки. 3 с. и 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ работы силовой установки путем подогрева поступающего в нее газа теплом отработавших газов в регенераторе, подвода тепла к поступившему в нее газу при постоянном давлении в камере нагрева, использования секционного рекуператора, работающего при постоянном объеме, отличающийся тем, что охлаждаемый секционный рекуператор используется после камеры нагрева, в котором подогретый газ поочередно предварительно расширяется в его секциях, сжимает и проталкивает потребителю предварительно охлажденный газ, занимает его место, охлаждается при постоянном объеме, создавая разрежение, необходимое для работы силовой установки. 2. Способ работы силовой установки путем подогрева поступающего в нее газа теплом отработавших газов в регенераторе, подвода тепла к поступившему в нее газу при постоянном давлении в камере нагрева, использования секционного рекуператора, работающего при постоянном объеме, отличающийся тем, что подогретый газ после камеры нагрева поступает потребителю, затем - в охлаждаемый секционный рекуператор, а после него - в регенератор для подогрева поступающего в силовую установку газа. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что подвод тепла при постоянном давлении осуществляется за счет сгорания топлива и газа в камере сгорания, в регенераторе подогревается только та часть газа, которая участвует в сгорании, а в регенератор идет соответствующая часть отработавших газов, оставшаяся часть отработавших газов идет, минуя регенератор, для смешивания с высокотемпературными газами после камеры сгорания, чтобы обеспечить рабочую температуру газов перед потребителем. 4. Способ работы силовой установки путем подвода тепла к поступившему в нее газу при постоянном давлении в камере нагрева, использования секционного рекуператора, работающего при постоянном объеме, отличающийся тем, что газ после подвода к нему тепла в камере нагрева без сгорания поступает потребителю, затем - в охлаждаемый секционный рекуператор, а после него - опять в камеру нагрева при постоянном давлении.