ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2002 года по МПК F02C3/30 

Изобретение относится к газотурбинным установкам, в частности к газотурбинным установкам для привода электрогенераторов или компрессоров и насосов для перекачки газа и нефти.

Известна газотурбинная установка, содержащая компрессор, камеру сгорания, турбину и теплообменники для выработки пара и подачу его на охлаждение турбины (см. патент США 4314442, кл. F 01 В 5/18, F 02 С 7/16, НКИ 60/39.05, заявл. 11.06.1979 г. , опубл. 09.02.1982 г.). В этой установке пар используется только для охлаждения турбины, что существенно ограничивает повышение мощности за счет использования пара.

Наиболее близкой к изобретению по своей технической сущности является установка, описанная в отчете 2226-01-99 Центрального научно-исследовательского института машиностроения "Сравнительная оценка различных схем газотурбинных электростанций, работающих по парогазовому циклу", стр. 10... 11, рис. 3, 1999 г. Однако в известной установке водяной пар подается только в камеру сгорания как дополнительное рабочее тело и практически не участвует в системе охлаждения камеры сгорания и турбины, а следовательно, и не позволяет улучшить тепловое состояние ее конструкции и, кроме того, получение пара производится только за счет нагрева теплом выхлопного газа без использования тепла рабочего тела, выделяемого по тракту установки.

Технический результат изобретения заключается в повышении мощности и коэффициента полезного действия, а также компактности газотурбинной установки.

Технический результат достигается тем, что установка дополнительно содержит первый теплообменник, выполненный в виде пустотелого коробчатой формы внешнего корпуса компрессора, второй теплообменник, установленный в кольцевой части тракта между ступенями компрессора в виде пустотелых обтекаемых ребер, равномерно расположенных по окружности, во внутренней полости каждого ребра размещена поперечная перегородка-ступенька, закрепленная в верхней части ребра и разделяющая его полость на входную и выходную, соединенные между собой в нижней части, образуя петлеобразный канал, входная часть которого трубопроводами соединена с входным коллектором, а выходная - с выходным коллектором, третий теплообменник выполнен в виде пустотелого коробчатой формы внешнего корпуса камеры сгорания, вход которого трубопроводами соединен со своим входным коллектором, а выход - трубопроводами с выходным коллектором; теплообменник-кипятильник состоит из наружного и внутреннего кольцевых теплообменников, каждый из которых выполнен в виде пустотелого короба, соединенных между собой профилированными пустотелыми ребрами, равномерно расположенными в проточной части между корпусами выхлопного тракта, внутренний теплообменник размещен на наружной стенке внутреннего корпуса выхлопного тракта, а наружный теплообменник - на внешней стенке наружного корпуса выхлопного тракта; первый теплообменник своим входом связан трубопроводами с коллектором подачи воды от насоса, а выходом - с входным коллектором второго теплообменника, внутренняя полость выходной части которого соединена с полостью выходного коллектора, который трубопроводами соединен с внутренней полостью входного коллектора третьего теплообменника, а полость выходного коллектора третьего теплообменника соединена трубопроводами с внутренней полостью входного коллектора теплообменника-кипятильника, который равнорасположенными по окружности профилированными трубопроводами соединен с коллектором внутреннего кольцевого теплообменника, выход из внешнего кольцевого теплообменника соединен с выходным коллектором теплообменника-кипятильника, который трубопроводами соединен с коллектором-распределителем пара, внутренняя полость которого трубопроводами соединена с охлаждаемыми полостями турбины и коллектором, установленным на внутренней поверхности корпуса камеры сгорания, а также тем, что в наружном и внутреннем кольцевых каналах в конце камеры сгорания установлены коллекторы, вход каждого коллектора трубопроводами соединен с коллектором-распределителем пара, а выход из коллектора, установленного в наружном кольцевом канале, подключен к теплообменнику, расположенному на наружной стенке жаровой трубы, а выход из коллектора, установленного во внутреннем кольцевом канале, подключен к теплообменнику, расположенному на внутренней стенке жаровой трубы, каждый теплообменник выполнен в виде оболочки, прикрепленной к экрану, на котором выполнены продольные ребра, образующие прямоугольные каналы по всей длине стенки, оболочка заканчивается кольцевым коллектором с равномерно расположенными по окружности отверстиями на наружной поверхности, соединяющие внутреннюю полость теплообменников с кольцевым каналом вторичного воздуха камеры сгорания, в каждой оболочке установлены сквозные втулки, соединяющие внутреннюю полость жаровой трубы с полостями наружного и внутреннего кольцевых каналов и одновременно обеспечивающие герметичность каналов между экраном и оболочкой, полостью жаровой трубы и полостями наружного и внутреннего кольцевых каналов камеры сгорания.

Такое выполнение газотурбинной установки при установке последовательно по движению воды от насоса к теплообменнику-кипятильнику дополнительных теплообменников, соединенных между собой: на корпусе компрессора, между ступенями компрессора в пустотелых обтекаемых ребрах, размещенных в горячем потоке воздуха и на корпусе камеры сгорания, позволяет повысить температуру воды, подаваемой на вход в теплообменник-кипятильник, до 60...70^oС, а следовательно, и повысить количество выдаваемого им пара. Одновременно с подогревом воды в теплообменнике, установленном между ступенями компрессора, происходит и промежуточное охлаждение воздуха, сжимаемого в компрессоре, что позволяет за счет уменьшения работы сжатия повысить коэффициент полезного действия термодинамического цикла установки. Выполнение теплообменника-кипятильника в виде наружного и внутреннего теплообменников в виде пустотелых коробов, размещенных на наружном и внутреннем корпусах выхлопного тракта вокруг горячих поверхностей, соединенных между собой профилированными пустотелыми ребрами, расположенными в потоке выхлопных газов, а также соединение внутренних полостей входного коллектора-кипятильника с коллектором внутреннего кольцевого теплообменника профилированными пустотелыми трубопроводами, расположенными также в потоке выхлопных газов, позволяет увеличить поверхность теплообмена, повысить тем самым теплоотдачу и обеспечить большую компактность установки. Постановка теплообменников на наружной и внутренней стенках жаровой трубы камеры с подачей пара навстречу движению основного потока из зоны смешения, позволяет дополнительно повысить температуру подаваемого пара в камеру сгорания на 40...50^oС и тем самым уменьшить потребный расход топлива, а также улучшить охлаждение камеры сгорания при омывании ее стенок паром за счет его лучшей по сравнению с воздухом теплопроводности.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена принципиальная схема продольного разреза газотурбинной установки с поясняющими сечениями конструктивных элементов, а также стрелками указано направление движения воды и пара по тракту последовательно подключенных трубопроводами и коллекторами теплообменников установки.

На фиг. 2 представлены элементы "А" и "Г" в увеличенном масштабе, поясняющие конструктивные элементы второго теплообменника, установленного в кольцевой части тракта между ступенями компрессора, и конструктивные элементы пустотелых профилированных ребер, соединяющих наружные и внутренние кольцевые теплообменные поверхности теплообменника-кипятильника соответственно.

На фиг.3 представлена принципиальная схема узла камеры сгорания с элементами турбины газогенератора с поясняющими поперечным сечением конструкции оболочки теплообменника жаровой трубы камеры сгорания и продольным сечением по сквозным втулкам, соединяющим внутреннюю полость жаровой трубы с полостями наружного и внутреннего кольцевых каналов камеры сгорания, а также коллектор подвода пара, размещенный на корпусе камеры сгорания. На чертеже стрелками условно указано направление движения пара в камере сгорания и в охлаждаемых полостях турбины газогенератора.

Газотурбинная установка 1 содержит компрессор 2, камеру сгорания 3, турбину 4 газогенератора, свободную турбину 5 с приводным валом 6, наружный и внутренний корпуса 7 и 8 выхлопного тракта 9, первый теплообменник 10, второй теплообменник 11, третий теплообменник 12, теплообменник-кипятильник 13, теплообменники 14 и 15 на наружной и внутренней стенках 16 и 17 жаровой трубы 18, трубопроводы 19-34, кольцевые коллекторы 35-49 водяной насос 50, водяной бак 51, пустотелые обтекаемые ребра 52 с поперечной перегородкой-ступенькой 53, пустотелые обтекаемые ребра 54, внутренний и наружный кольцевые теплообменники 55 и 56, наружный и внутренний кольцевые каналы 57 и 58, наружная стенка 59 корпуса 60 камеры сгорания, наружную и внутреннюю стенки 61 и 62 жаровой трубы, экраны 63 и 64 с прямоугольными каналам 65 и 66, оболочками 67 и 68, отверстия 69 и 70 в коллекторах, втулки 71 и 72 со сквозными отверстиями 73 и 74.

Газотурбинная установка работает следующим образом. После запуска газотурбинной установки 1 воздух из атмосферы поступает в компрессор 2, сжимается и направляется в камеру сгорания 3, куда одновременно поступает топливо, и после сгорания газ направляется в турбину 4 газогенератора и свободную турбину 5, которая вращает приводной вал 6, далее газ поступает через выхлопной тракт 9 и, пройдя между профилированными трубопроводами 19 теплообменника-кипятильника 13, попадает в атмосферу или (на схеме не показано) поступает в газоотводящее устройство, которое направляет выхлопной газ в теплообменник-конденсатор пара и далее в атмосферу.

После запуска газотурбинной установки включается водяной насос 50 подачи воды из бака 51 с водой или из сети, который по трубопроводу 20, подает воду в коллектор 35, далее вода по трубопроводам 21 поступает на вход первого теплообменника 10, где подогревается за счет тепла, исходящего от нагретого при сжатии воздуха в первых ступенях компрессора 2. Из первого теплообменника 10 подогретая вода по трубопроводам 22 поступает во входной коллектор 36 второго теплообменника 11 и по трубопроводам 23 поступает в его внутреннюю полость, где подогревается за счет тепла, исходящего от нагретого при сжатии воздуха в ступенях до пустотелых обтекаемых ребер 52, установленных в кольцевой части тракта между ступенями компрессора 2 и, обогнув поперечную перегородку-ступеньку 53, по трубопроводам 24 поступает в выходной коллектор 37. Из коллектора 37 горячая вода по трубопроводам 25 поступает во внутреннюю полость входного коллектора 38, откуда по трубопроводам 26 поступает в третий теплообменник 12, где подогревается за счет тепла, исходящего от нагретого газа в камере сгорания, и из теплообменника 12 по трубопроводам 27 поступает во внутреннюю полость выходного коллектора 39, и далее по трубопроводам 28 горячая вода поступает во внутреннюю полость входного коллектора 40 теплообменника-кипятильника 13. Из коллектора 40 горячая вода проходит по профилированным трубам 19, где подогревается выхлопным газом и поступает в коллектор 41 внутреннего кольцевого теплообменника 55. Из коллектора 41 в парообразном состоянии вода поступает в пустотелый короб внутреннего кольцевого теплообменника 55, через пустотелые профилированные ребра 54 попадает в пустотелый короб наружного кольцевого теплообменника 56, дополнительно нагревается выхлопным газом и в виде пара поступает в выходной коллектор 42 теплообменника-кипятильника 13. Из коллектора 42 по трубопроводам 29 пар поступает в коллектор-распределитель 43 пара, откуда по трубопроводам 30 подается к охлаждаемым полостям турбины 4 газогенератора и свободной турбины 5, а также по трубопроводам 31 поступает в коллектор 44, установленный на наружной стенке 59 внутренней поверхности корпуса 60 камеры сгорания 3 и далее из отверстий в коллекторе 44 поступает в полости наружного кольцевого канала 57 и жаровой трубы 18. Кроме того, из коллектора-распределителя 43 пар по трубопроводам 32 и 33 поступает в коллекторы 46 и 47, установленные в наружном и внутреннем кольцевых каналах 57 и 58 в конце камеры сгорания 3, и далее в теплообменники 14 и 15, расположенные на наружной 61 и внутренней 62 стенках жаровой трубы. Из коллекторов 46 и 47 пар поступает в теплообменники 14 и 15 и далее по прямоугольным каналам 65 и 66 экранов 63 и 64 между оболочками 67 и 68 поступает в коллекторы 48 и 49, расположенные в зоне горения. Из коллекторов 48 и 49 пар по отверстиям 69 и 70, равномерно расположенным по окружности, поступает в полости наружного и внутреннего кольцевого канала 57 и 58 и через отверстия 73 и 74 в сквозных втулках 71 и 72 - в полость жаровой трубы 18 камеры сгорания 3. Далее одна часть пара вместе со вторичным воздухом камеры сгорания 3 поступает в полости на охлаждение конструктивных элементов турбины 4 и выбрасывается в проточный тракт установки, а другая - из полости жаровой трубы 18 вместе с газом непосредственно поступает в проточный тракт установки и вместе с выхлопным газом выбрасывается в атмосферу или (на схеме не показано) поступает в газоотводящее устройство, которое направляет выхлопной газ в теплообменник-конденсатор пара и далее в атмосферу.

Количество трубопроводов, коллекторов и габариты теплообменников выбираются расчетным или экспериментальным путем.

Газотурбинная установка, используя тепло, выделяемое рабочим телом в окружающую среду по всему тракту установки и на выходе из нее, обеспечивает существенное повышение мощности на приводном валу за счет подачи пара в камеру сгорания, ресурса - за счет охлаждения паром турбинных лопаток и стенок камеры сгорания, коэффициента полезного действия - за счет снижения работы на сжатие путем промежуточного охлаждения сжимаемого воздуха, увеличения газовой постоянной поступающего в турбину рабочего тела - смеси воздуха и водяного пара, то есть увеличения работы расширения, и за счет утилизации тепла для производства пара, а также упрощает обеспечение требуемой температуры воздуха в зоне обслуживания за счет в значительной степени утилизации выделяемой установкой тепла.

Газотурбинная установка содержит компрессор, камеру сгорания, турбину газогенератора, свободную турбину с приводным валом, теплообменник-кипятильник и три теплообменника. Первый теплообменник выполнен в виде пустотелого коробчатой формы внешнего корпуса компрессора. Второй теплообменник установлен в кольцевой части тракта между ступенями компрессора в виде пустотелых обтекаемых ребер, равномерно расположенных по окружности. Третий теплообменник выполнен в виде пустотелого коробчатой формы внешнего корпуса камеры сгорания. Теплообменник-кипятильник состоит из наружного и внутреннего кольцевых теплообменников, каждый из которых выполнен в виде пустотелого короба, соединенных между собой профилированными пустотелыми ребрами, равномерно расположенными в проточной части между корпусами выхлопного тракта. Первый теплообменник своим входом связан с коллектором подачи воды от насоса, а выходом - с входным коллектором второго теплообменника, внутренняя полость выходной части которого соединена с полостью выходного коллектора, соединенного с внутренней полостью входного коллектора третьего теплообменника. Полость выходного коллектора третьего теплообменника соединена с внутренней полостью входного коллектора теплообменника-кипятильника, который соединен с коллектором внутреннего кольцевого теплообменника. Выход из внешнего кольцевого теплообменника соединен с выходным коллектором теплообменника-кипятильника, который соединен с коллектором - распределителем пара, внутренняя полость которого соединена с охлаждаемыми полостями турбины и коллектором, установленным на внутренней поверхности корпуса камеры сгорания. Изобретение повышает мощность и КПД установки. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Газотурбинная установка, содержащая компрессор, камеру сгорания, турбину газогенератора, свободную турбину с приводным валом корпуса выхлопного тракта, теплообменник-кипятильник, водяной насос, трубопроводы, отличающаяся тем, что установка дополнительно содержит первый теплообменник, выполненный в виде пустотелого коробчатой формы внешнего корпуса компрессора, второй теплообменник, установленный в кольцевой части тракта между ступенями компрессора в виде пустотелых обтекаемых ребер, равномерно расположенных по окружности, во внутренней полости каждого ребра размещена поперечная перегородка-ступенька, закрепленная в верхней части ребра и разделяющая его полость на входную и выходную, соединенные между собой в нижней части, образуя петлеобразный канал, входная часть которого трубопроводами соединена с входным коллектором, а выходная - с выходным коллектором, третий теплообменник, выполненный в виде пустотелого коробчатой формы внешнего корпуса камеры сгорания, вход которого трубопроводами соединен со своим входным коллектором, а выход - трубопроводами с выходным коллектором, теплообменник-кипятильник состоит из наружного и внутреннего кольцевых теплообменников, каждый из которых выполнен в виде пустотелого короба, соединенных между собой профилированными пустотелыми ребрами, равномерно расположенными в проточной части между корпусами выхлопного тракта, внутренний теплообменник размещен на наружной стенке внутреннего корпуса выхлопного тракта, а наружный теплообменник - на внешней стенке наружного корпуса выхлопного тракта, при этом первый теплообменник своим входом связан трубопроводами с коллектором подачи воды от насоса, а выходом - с входным коллектором второго теплообменника, внутренняя полость выходной части которого соединена с полостью выходного коллектора, который трубопроводами соединен с внутренней полостью входного коллектора третьего теплообменника, а полость выходного коллектора третьего теплообменника соединена трубопроводами с внутренней полостью входного коллектора теплообменника-кипятильника, который равнорасположенными по окружности профилированными трубопроводами соединен с коллектором внутреннего кольцевого теплообменника, а выход из внешнего кольцевого теплообменника соединен с выходным коллектором теплообменника-кипятильника, который трубопроводами соединен с коллектором-распределителем пара, внутренняя полость которого трубопроводами соединена с охлаждаемыми полостями турбины и коллектором, установленным на внутренней поверхности корпуса камеры сгорания. 2. Газотурбинная установка по п. 1, отличающаяся тем, что в наружном и внутреннем кольцевых каналах в конце камеры сгорания установлены коллекторы, вход каждого коллектора трубопроводами соединен с коллектором-распределителем пара, а выход из коллектора, установленного в наружном кольцевом канале, подключен к теплообменнику, расположенному на наружной стенке жаровой трубы, а выход из коллектора, установленного во внутреннем кольцевом канале, подключен к теплообменнику, расположенному на внутренней стенке жаровой трубы, каждый теплообменник выполнен в виде оболочки, прикрепленной к экрану, на котором выполнены продольные ребра, образующие прямоугольные каналы по всей длине стенки, оболочка заканчивается кольцевым коллектором с равномерно расположенными по окружности отверстиями на наружной поверхности, соединяющие внутреннюю полость теплообменников с кольцевым каналом вторичного воздуха камеры сгорания, в каждой оболочке установлены сквозные втулки, соединяющие внутреннюю полость жаровой трубы с полостями наружного и внутреннего кольцевых каналов и одновременно обеспечивающие герметичность каналов между экраном и оболочкой, полостью жаровой трубы и полостями наружного и внутреннего кольцевых каналов камеры сгорания.