ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С РЕГЕНЕРАЦИЕЙ ТЕПЛА Российский патент 2002 года по МПК F02C7/08 

Изобретение может использоваться преимущественно в наземных установках для механического привода, например нагнетателей природного газа или электрогенераторов.

Известен турбореактивный газотурбинный двигатель с регенерацией тепла, содержащий вентилятор, включающий в себя компрессор, камеру сгорания и турбину высокого давления, турбину низкого давления, а также теплообменник с воздушным и газовым трактами, причем вход воздушного тракта соединен с компрессором, выход - с камерой сгорания, а вход газового тракта соединен с выходом из турбины [1].

Недостатком такой конструкции является относительно низкая экономичность двигателя вследствие ограничения по степени сжатия.

Наиболее близким к заявляемому по конструкции является газотурбинный двигатель с регенерацией тепла, содержащий компрессор, камеру сгорания, турбину высокого давления, силовую газовую турбину и газовоздушный теплообменник [2].

Недостатками известной конструкции являются низкие термический КПД двигателя и полезная мощность на валу силовой свободной турбины и, как следствие, низкая экономичность установки в целом.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении экономичности и мощности двигателя со снижением стоимости при использовании его в наземных приводных установках за счет увеличения полезной мощности на валах двигателя, а также повышения термического КПД двигателя.

Сущность изобретения заключается в том, что в газотурбинном двигателе с регенерацией тепла, содержащем компрессор, камеру сгорания, турбину высокого давления, силовую газовую турбину и газовоздушный теплообменник, согласно изобретению двигатель снабжен дополнительным компрессором, установленным на одном валу с силовой воздушной турбиной, вход в которую через воздушную полость теплообменника связан с выходом дополнительного компрессора, газовая полость теплообменника соединена с выходом газовой силовой турбины, при этом F₁:F₂=2-5; F₃:F₄=0,5-1, где
F₁ - площадь проточной части дополнительного компрессора на входе,
F₂ - площадь проточной части дополнительного компрессора на выходе,
F₃ - площадь горла первого соплового аппарата воздушной силовой турбины,
F₄ - площадь горла первого соплового аппарата газовой турбины.

Под площадью горла соплового аппарата турбины понимают суммарную площадь критических сечений сопл, образованных лопатками соплового аппарата.

Кроме того, газовая и воздушная силовые турбины установлены на одном валу, а дополнительный компрессор снабжен расположенным между его ступенями теплообменником-охладителем.

По существу предлагаемое устройство состоит из двух двигателей - основного и дополнительного. Основной двигатель включает компрессор, камеру сгорания, турбину высокого давления и газовую силовую турбину, выход которой соединен с газовой полостью газовоздушного теплообменника. Дополнительный двигатель включает дополнительный компрессор, сжатый воздух из которого поступает в воздушную полость газовоздушного теплообменника, а также силовую воздушную турбину, в которой расширяется подогретый в теплообменнике воздух, совершая полезную работу на валу. Тем самым тепло выхлопных газов из силовой газовой турбины частично утилизируется и используется для работы силовой воздушной турбины, за счет чего увеличиваются мощность и КПД двигателя на 10-30% по сравнению с прототипом.

Соотношение площадей F₁/F₂ определяет степень повышения давления воздуха в дополнительном компрессоре, а соотношение площадей F₃/F₄ определяет соотношение расходов воздуха и газа через воздушную и газовую силовые турбины и соответственно через воздушную и газовую полости газовоздушного теплообменника.

Заявляемые диапазоны соотношений площадей обеспечивают оптимальные условия передачи максимального количества тепла от выхлопных газов на выходе из газовой силовой турбины в газовоздушном теплообменнике к воздуху на входе в воздушную силовую турбину, тем самым обеспечивая получение максимальных величин мощности и КПД двигателя при минимальных габаритах и стоимости газовоздушного теплообменника.

При F₁/F₂<2 снижается давление воздуха за дополнительным компрессором, что приводит к уменьшению давления перед воздушной силовой турбиной, снижению ее мощности и КПД в целом.

При F₁/F₂>5 значительно повышается давление воздуха за дополнительным компрессором, что приводит к существенному росту его температуры в процессе сжатия и уменьшает подогрев этого воздуха в газовоздушном теплообменнике теплом газов из силовой газовой турбины, т.е. снижается утилизация тепла этих газов, что приводит к снижению мощности и КПД двигателя.

В случае F₃/F₄<0,5 возможно снижение мощности и КПД двигателя из-за значительного снижения расхода воздуха, работающего в воздушной турбине. При этом тепло выхлопных газов из силовой газовой турбины не в полной мере утилизируется в воздушной турбине, а выбрасывается в атмосферу.

При F₃/F₄>1 наблюдается значительный рост расхода воздуха через воздушную силовую турбину и соответственно через воздушный тракт газовоздушного теплообменника, что приводит к существенному увеличению площади его теплообменной поверхности, массы и стоимости, а также к снижению КПД двигателя из-за значительного снижения температуры воздуха на входе в силовую воздушную турбину, т.к. при этом значительно снижается мощность этой турбины.

Силовая газовая турбина может быть выполнена с отдельным отбором мощности с вала, а также может быть установлена на одном валу с силовой воздушной турбиной и соответственно с дополнительным компрессором. В последнем случае происходит суммирование мощностей газовой и воздушной силовых турбин, что позволяет проводить в действие более мощные агрегаты.

Установка теплообменника-охладителя между ступенями дополнительного компрессора позволяет снизить работу сжатия охлажденного в этом теплообменнике воздуха, что еще в большей степени увеличивает КПД и мощность двигателя.

На фиг.1 представлена схема заявляемого устройства с отдельными отборами мощности от газовой и воздушной силовых турбин. На фиг.2 показана схема устройства с силовой газовой турбиной, установленной на одном валу с силовой воздушной турбиной. На фиг.3 - схема устройства с теплообменником-охладителем в дополнительном компрессоре.

Газотурбинный двигатель 1 состоит из основного компрессора 2, камеры сгорания 3, турбины высокого давления 4 и силовой газовой турбины 5, выход 6 которой соединен с газовой полостью газовоздушного теплообменника 7.

Воздушная полость газовоздушного теплообменника 7 на входе с помощью трубопровода 8 соединена с выходом 9 дополнительного компрессора 10, который установлен на одном валу 11 с силовой воздушной турбиной 12, выход 13 которой соединен, например, с атмосферой.

Дополнительный компрессор 10 выполнен с площадями проточной части F₁ на входе и F₂ - на выходе.

Силовые воздушные и газовые турбины выполнены с 1-ми сопловыми аппаратами 14 и 15 с площадями горла F₃ и F₄ соответственно.

Силовые газовая и воздушная турбины 5 и 12 могут выполняться как с отдельными валами 16 и 17 отбора мощности, так и с общим валом 18, когда силовая газовая турбина 5 установлена на одном валу 18 с силовой воздушной турбиной 14 и дополнительным компрессором 10. В последнем случае двигатель 1 может служить для привода одного агрегата повышенной мощности.

Между ступенями 19 и 20 компрессора 10 может быть размещен дополнительный теплообменник-охладитель 21 воздуха.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Поступающий на вход в двигатель 1 воздух сжимается в основном компрессоре 2, подогревается в камере сгорания 3 и далее полученный газ расширяется в турбине высокого давления 4, которая приводит во вращение компрессор 2. Далее газ расширяется в силовой газовой турбине 5, полезная мощность которой с помощью вала 16 или 18 передается для механического привода электрогенератора или нагнетателя газа (не показаны).

Газ 22 с выхода 6 силовой газовой турбины 5 поступает в газовую полость газовоздушного теплообменника 7, где отдает свое тепло воздуху, который нагнетается в воздушную полость теплообменника 7 с помощью дополнительного компрессора 10 по трубопроводам 8.

Воздух, подогретый в теплообменнике 7, расширяется в силовой воздушной турбине 12, совершая полезную работу. При этом мощность с помощью вала 11 или 18 передается потребителю.

Источники информации
1. Патент Великобритании 1501879, F 02 С 7/10, 1978 г.

2. Патент CША 4506502, F 02 С 7/10, 1983 г.

Газотурбинный двигатель с регенерацией тепла содержит компрессор, камеру сгорания, турбину высокого давления, силовую газовую турбину и газовоздушный теплообменник и дополнительный компрессор. Компрессор установлен на одном валу с силовой воздушной турбиной. Вход в воздушную турбину через воздушную полость теплообменника связан с выходом дополнительного компрессора. Газовая полость теплообменника соединена с выходом газовой силовой турбины. Отношение площади проточной части дополнительного компрессора на выходе к площади проточной части дополнительного компрессора на выходе равно 2-5. Отношение площади горла первого соплового аппарата воздушной силовой турбины к площади горла первого соплового аппарата газовой турбины равно 0,5-1. Изобретение повышает экономичность и мощность двигателя. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Газотурбинный двигатель с регенерацией тепла, содержащий компрессор, камеру сгорания, турбину высокого давления, силовую газовую турбину и газовоздушный теплообменник, отличающийся тем, что двигатель снабжен дополнительным компрессором, установленным на одном валу с силовой воздушной турбиной, вход в которую через воздушную полость теплообменника связан с выходом дополнительного компрессора, газовая полость теплообменника соединена с выходом газовой силовой турбины, при этом
F₁: F₂= 2-5; F₃: F₄= 0,5-1,
где F₁ - площадь проточной части дополнительного компрессора на входе,
F₂ - площадь проточной части дополнительного компрессора на выходе,
F₃ - площадь горла первого соплового аппарата воздушной силовой турбины,
F₄ - площадь горла первого соплового аппарата газовой турбины. 2. Газотурбинный двигатель с регенерацией тепла по п. 1, отличающийся тем, что газовая и воздушная силовые турбины установлены на одном валу. 3. Газотурбинный двигатель с регенерацией тепла по п. 1, отличающийся тем, что дополнительный компрессор снабжен расположенным между его ступенями теплообменником-охладителем.