СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА ОТРАБОТАННЫХ ГАЗОВ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2002 года по МПК F02C7/10 

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а более конкретно к утилизации тепла отработанных газов газотурбинного двигателя (ГТД).

Известен способ утилизации тепла отработанных газов ГТД, заключающийся в том, что размещают теплообменный аппарат коаксиально на внешней стороне выхлопной трубы, часть отработанных газов от двигателя направляют вовнутрь теплообменного аппарата через радиальные отверстия, выполненные по периметру выхлопной трубы, затем поток газа пропускают через теплопередающие устройства, внутри которых циркулирует рабочая жидкость, и через выходной патрубок этот поток газа отводят в атмосферу (см. Патент США 3208510, НКИ 165-51, 1963).

При помощи данного способа происходит утилизация только части тепла отработанных газов, выходящих из выхлопной трубы ГТД. При этом используют для отвода газов в теплообменный аппарат только определенное количество радиальных отверстий, выполненных в стенках выхлопной трубы. Это связано с тем, что скорость потока газа, проходящего через теплопередающие устройства, была бы недостаточно низкой, так как в противном случае будет запираться поток газа, проходящего через трубки теплопередающего устройства.

Таким образом, с помощью данного способа утилизировать приходится лишь определенную часть энергии отработанных газов, и, следовательно, общий КПД энергетической установки будет недостаточно большим, так как большая часть тепла отработанных газов не поступает через теплообменный аппарат, а уходит в атмосферу.

Наиболее близким техническим решением по достигаемому результату и числу совпадающих признаков является способ утилизации тепла отработанных газов ГТД путем отвода потока газа от последнего и направления его внутрь теплообменного аппарата, прохождения этого потока между теплопередающими устройствами, размещенными внутри теплообменного аппарата, отвода тепла от газа к рабочей жидкости, циркулирующей внутри теплопередающего устройства, с одновременным снижением скорости потока во время прохождения его через теплопередающие устройства (см. Патент США 3442324, НКИ 165-51,1967).

С помощью данного способа осуществляется утилизация тепла во всем потоке отработанных газов, которые выходят из выхлопной трубы ГТД. При этом скорость выходящих газов стремятся снизить до определенной величины, используя для этой цели сдвоенный расширяющий патрубок. Такое снижение скорости потока газа связано с тем, что в теплообменном аппарате очень плотно установлены теплопередающие оребренные трубки, через которые циркулирует рабочая жидкость. При большой скорости потока отработанных газов возможно запирание поперечного сечения теплообменного аппарата, что приведет к нарушению работы всего газотурбинного двигателя.

В данном теплообменном аппарате при пониженной скорости потока отвод тепла от газа к рабочей жидкости во многом зависит от количества секций, из которых состоит этот теплообменный аппарат. Чем больше их установлено, тем больше будет отвод тепла от газа к рабочей жидкости, что приведет к возрастанию габаритов теплообменного аппарата.

Кроме того, из описанного выше следует, что для данного способа утилизации требуется специальное устройство для предварительного уменьшения скорости потока отработанных газов, что при большой начальной скорости уходящих газов приведет к значительным увеличениям габаритов всей установки, включая и теплообменный аппарат. Это является существенным недостатком данного способа утилизации отработанных газов газотурбинного двигателя.

Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных выше недостатков за счет использования высокой скорости на выходе из двигателя в теплообменном аппарате за счет высокой температуры перед этим аппаратом и учета суммарного аэродинамического сопротивления теплообменного аппарата.

Указанная цель достигается тем, что в способе утилизации тепла отработанных газов ГТД путем отвода потока газа от последнего и направления его вовнутрь теплообменного аппарата, прохождения этого потока между теплопередающими устройствами, размещенными внутри теплообменного аппарата, отвода тепла от газа к рабочей жидкости, циркулирующей внутри теплопередающего устройства, с одновременным снижением скорости потока во время прохождения его через теплопередающие устройства, непосредственно на выходе из выхлопной трубы газотурбинного двигателя размещают теплообменный аппарат, последний разбивают на отдельные участки, в каждом из них размещают такое количество теплопередающих устройств, при котором исключалось бы запирание потока на этом участке, а размер поперечного сечения каждого участка постепенно увеличивают от начала участка до его конца, при этом за счет отвода максимального количества тепла от газа к рабочей жидкости и расширения сечения при заданном аэродинамическом сопротивлении каждого участка снижают скорость потока газа на выходе из теплообменного аппарата, причем количество теплопередающих устройств увеличивают от одного участка до другого (соседнего) по мере движения потока газа, а потери давления газа на каждом участке выдерживают одинаковым.

Перечисленные выше новые признаки в данном способе утилизации тепла отработанных газов ГТД являются существенными, так как они достаточны для того, чтобы отличить данный способ от всех известных подобных способов утилизации тепла отработанных газов ГТД, и при наличии этих признаков добиваемся получения положительного эффекта, а именно снижения габаритов при съеме максимального количества тепла и снижения скорости потока газа до нужной величины.

На фиг.1 представлена схема размещения на участках теплообменного аппарата теплопередающих устройств, иллюстрирующая данный способ, на фиг.2 - диаграмма процесса расширения газа в теплообменном аппарате.

Устройство, реализующее данный способ утилизации отработанных газов ГТД, содержит теплообменный аппарат 1, расположенный непосредственно перед выхлопной трубой 2 газотурбинного двигателя, теплопередающие устройства 3, размещенные внутри теплообменного аппарата 1, трубопроводы 4, подводящие к теплопередающим устройствам 3 холодную рабочую жидкость, например холодную воду, трубопроводы 5, отводящие от теплопередающих устройств 3 нагретую рабочую жидкость.

Теплообменный аппарат 1 согласно данному способу разделен на ряд отдельных участков. В нашем примере этих участков четыре - 6, 7, 8 и 9, причем на участке 6 теплопередающих устройств установлено меньше, чем на участке 7, т. е. их количество увеличивается по мере движения потока газа и по мере уменьшения скорости потока газа в теплообменном аппарате.

Устройство, реализующее данный способ, работает следующим образом.

Во время работы газотурбинного двигателя отработанные газы со скоростью W_вx отводятся из выхлопной трубы 2 и подводятся с той же скоростью к теплообменному аппарату 1, так как он размещен весьма близко от выхлопной трубы. Поток газа поступает на первый участок 6 теплообменного аппарата, где размещено определенное количество теплопередающих устройств 3. Во время движения по этому участку отработанный газ, во-первых, несколько расширяется, так как площадь поперечного сечения на входе участка меньше поперечного сечения на его выходе, в результате чего происходит снижение скорости истечения газа на выходе из первого участка, а, во-вторых, происходит снижение располагаемой энергии потока газа. Для второго случая требуется несколько пояснить физику явления. Для этого рассмотрим теоретический процесс расширения газа (потеря трения не учитывается). На фиг.2 представлен процесс расширения газа на диаграмме Т - S. Если газ, имеющий начальную температуру Т₀ и давление р₀ (точка А на графике), расширяется в проточной части без принудительного охлаждения на теплопередающем устройстве до температуры T₁ и давления p₁ (точка G на графике), то при отводе тепла на теплопередающем устройстве газ расширяется до давления p₁ и температуры Т₂ (точка F на графике). Тепло, отведенное при охлаждении газа (q_oxл), есть площадь фигуры AGBCF. Это количество тепла можно разделить на две части: количество тепла, которое не отражается на располагаемом теплоперепаде газа, а лишь снижает его температуру на выходе из решетки участка ТОА (q_т) (на графике q_т - площадь четырехугольника GBCF); и количество тепла, которое целиком идет на уменьшение кинетической энергии истечения газа из решетки Δh (на графике площадь треугольника AGF), т.е. на уменьшение скорости потока газа (поскольку массовый расход газа постоянен).

Таким образом, общее количество тепла, отведенного от газа, можно записать формулой:
q_охл = q_T+Δh.
Величина q_охл определяется количеством и конструкцией (площадью поверхности, аэродинамическим сопротивлением и пр.) теплопередающих устройств 3. Чем больше теплопередающих устройств размещено в потоке газа, имеющем входную скорость (w_вх), тем больше величина q_oxл и, соответственно Δh и тем сильнее снижается скорость потока на выходе первого участка 6 (w_вых)

здесь С_р - теплоемкость газа при постоянном давлении,
R - газовая постоянная,
k - показатель адиабаты.

Энергия q_оxл, отобранная от потока отработанных газов, идет на подогрев рабочей жидкости, протекающей через теплопередающие устройства 3, и затем утилизируется в хозяйственных нуждах. Таким образом, теплопередающие устройства 3, установленные внутри участка 6, выполняют, кроме функции снижения скорости газа, также функцию утилизации тепла, отводимого от газа к рабочей жидкости.

Количество теплопередающих устройств на этом участке, устанавливаемых в потоке газа для снижения скорости потока, выбирается из условия максимальной величины отвода тепла к рабочей жидкости при заданном аэродинамическом сопротивлении этого участка. При этом соблюдается условие не запирания потока газа внутри участка, а также исключение отрыва потока от его стенок, поскольку при отрыве потока от стенок нарушаются заданные аэродинамические характеристики участка.

Такой вывод можно сделать и для участков 7, 8 и 9, при этом следует отметить тот фактор, что поскольку при одновременном отводе тепла и расширении каждого участка скорость потока газа будет быстро снижаться, то по ходу газа становится возможным устанавливать на участках 7, 8 и 9 все большее количество теплопередающих устройств 3, по сравнению с участком 6 при заданном аэродинамическом сопротивлении этих участков.

Обычно аэродинамическое сопротивление каждого участка выбирают постоянным и приблизительно равным между собой. При переходе от одного участка к другому количество отводимого тепла рабочей жидкости увеличивается, а скорость потока падает. В итоге, суммарное количество тепла, снятое со всех участков, является утилизированным количеством тепла. При этом, при падении скорости потока газа на каждом участке в конце теплообменного аппарата 1 мы получаем нужную для нас выходную скорость w_вых.

Таким образом, сочетание всех названных факторов представляет собой "цепную реакцию", а именно - увеличение отвода тепла приводит к снижению скорости потока, снижение скорости потока приводит к увеличению количества теплопередающих устройств на следующем участке при том же аэродинамическом сопротивлении, увеличение количества теплопередающих устройств приводит к увеличению отвода тепла к рабочей жидкости и далее все это повторяется. При этом скорость потока газа дополнительно снижается за счет расширения каждого участка.

В заключение следует отметить, что использование данного способа утилизации тепла отработанных газов газотурбинного двигателя позволяет существенно уменьшить габариты теплообменного аппарата по сравнению с уже известными способами. При этом следует иметь в виду, что данный способ эффективен только при больших скоростях газа (порядка 50 м/с и выше), когда уменьшение скорости за счет отвода тепла сравнимо с уменьшением скорости от расширения теплообменного аппарата. Чем выше скорость потока газа из выхлопной трубы газотурбинного двигателя, тем эффективнее предлагаемый способ.

Изобретение относится к области теплоэнергетики. Теплообменный аппарат, во-первых, размещают непосредственно на выходе из выхлопной трубы двигателя, во-вторых, его разбивают на определенное количество отдельных участков, в каждом из них размещают такое количество теплопередающих устройств, при котором исключалось бы запирание потока газов на этом участке, а размер поперечного сечения каждого участка постепенно увеличивают от начала участка до его конца, при этом за счет отвода максимального количества тепла от газов к рабочей жидкости и расширения сечения при заданном аэродинамическом сопротивлении каждого участка снижают скорость газов на выходе из теплообменного аппарата. Такой способ позволит уменьшить габариты теплообменного аппарата за счет использования высокой скорости и температуры отработанных газов с учетом ограничения суммарного аэродинамического сопротивления аппарата. 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ утилизации тепла отработанных газов газотурбинного двигателя путем отвода потока газа от последнего и направления его внутрь теплообменного аппарата, прохождения этого потока между теплопередающими устройствами, размещенными внутри теплообменного аппарата, отвода тепла от газа к рабочей жидкости, циркулирующей внутри теплопередающего устройства, с одновременным снижением скорости потока во время прохождения его через теплопередающие устройства, отличающийся тем, что непосредственно на выходе из выхлопной трубы газотурбинного двигателя размещают теплообменный аппарат, последний разбивают на отдельные участки, в каждом из них размещают такое количество теплопередающих устройств, при котором исключалось бы запирание потока газа на этом участке, а размер поперечного сечения каждого участка постепенно увеличивают от начала участка до конца, при этом за счет отвода максимального количества тепла от газа к рабочей жидкости и расширения сечения при заданном аэродинамическом сопротивлении каждого участка снижают скорость газа на выходе из теплообменного аппарата. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество теплопередающих устройств увеличивают от одного участка до соседнего по мере движения потока газа. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что перепад давлений газа на каждом участке выдерживают одинаковым.