ПАРОГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2006 года по МПК F01K21/04 F02C3/30 

Изобретение относится к энергетике

Назначением тепловых машин является преобразование энергии топлива в полезную работу. Отношение полезной работы, производимой машиной, к количеству тепла, выделяющемуся при полном сгорания топлива, называется эффективным кпд тепловой машины η_е. Повышение эффективного кпд тепловых машин является важной народнохозяйственной задачей и целью настоящего изобретения.

В газотурбинных установках (ГТУ) затраты энергии на собственные нужды составляют значительную долю полезной работы установки. Эта доля зависит от значения удельной энтальпии рабочего тела перед турбиной и уменьшается с ростом последней. Повышение теплосодержания рабочего тела путем увеличения температуры ограничивается возможностями охлаждения рабочих лопаток турбины, которые позволяют иметь температуру газа не более 1600÷1800 К для ГТУ, использующих керосин, и не более 1900÷2000 К для ГТУ, использующих жидкий водород. Другой путь состоит в применении рабочего тела с большей энтальпией. В ГТУ эта цель достигается использованием в качестве рабочего тела одновременно с газообразными продуктами сгорания второго рабочего тела, приводящего к увеличению общего теплосодержания. Таким рабочим телом может быть обычная вода, обладающая, как известно, значительной удельной энтальпией. Установки, в которых рабочим телом является смесь продуктов сгорания и водяных паров, получили название парогазовых установок (Вукалович М.П., Новиков И.И. Техническая термодинамика. М: Энергия, 1968 г., стр.462, рис.14-49). Недостатком парогазовых установок является то, что при смешении воды с продуктами сгорания поглощается большое количество энергии, что ведет к снижению к.п.д. установки.

Известна газопаротурбинная установка (Дикий Н.А. Судовые газопаротурбинные установки. Л: Судостроение, 1978, с.913, рис.4), содержащая входное устройство, компрессор, камеру сгорания, камеру смешения, турбину привода компрессора, свободную турбину, теплообменник, расположенный за свободной турбиной и соединенный с одной стороны с источником рабочего тела - жидкостью (вода), а с другой стороны с камерой смешения и выходное устройство. Наличие теплообменника позволяет обеспечить регенеративный теплообмен с выхлопными газами и тем самым уменьшить затраты энергии, связанные с испарением воды в камере смешения.

Сущность изобретения состоит в том, что жидкость (вода) в количестве не менее 15% от расхода воздуха, проходящего через компрессор, подается в теплообменник - испаритель, расположенный за турбиной, где указанная вода испаряется, превращаясь в перегретый пар. Перегретый пар и горячий газ, образующийся в камере сгорания, смешиваются перед турбиной. В результате теплосодержание (энтальпия) рабочего тела увеличивается без затрат химической энергии топлива на испарение веды. Возможность технической реализации установки определяется совокупностью рабочих параметров: коэффициент избытка воздуха в камере сгорания не более 3,0; степень сжатия воздуха в установке не менее 25.

В основе положительного эффекта лежат высокие значения теплоты парообразования воды - более 2000 кДж/кг. Указанная теплота, по существу, тратится на преодоление межмолекулярных связей и в работе расширения пара не участвует. Если сравнить энтальпию идеального газа, который образуется при испарении веды, с энтальпией пара, то энтальпия идеального газа в зависимости от температуры составляет 25÷40% от энтальпии пара. Разница указанных энергий представляет собой прямые потери, на которые тратится химическая энергия топлива. Замена химической энергии топлива (при испарении воды а теплообменнике-испарителе) на энергию выхлопных газов повышает кпд парогазовой установки. Кроме этого, при испарении воды в теплообменнике-испарителе пар за счет энергии выхлопных газов приобретает внутреннюю энергию, которая может быть преобразована в работу расширения на турбине, что также повышает кпд установки.

Применение в качестве топлива жидкого водорода создает для парогазотурбинной установки (ПГТУ) дополнительные возможности, позволяющие реализовать замкнутый цикл, в котором рабочее тело (конденсат) используется повторно. Замкнутый цикл позволяет уменьшить потери тепла в атмосферу (холодильник) и сделать парогазотурбинную установку автономной (пригодной для использования на летательном аппарате).

На фиг.1 изображена схема парогазотурбинной установки;

На фиг.2 изображена схема парогазотурбинной установки;

На фиг.3 изображены зависимости эффективного кпд и удельной мощности ПГТУ от относительного расхода воды и степени сжатия компрессора;

На фиг.4 изображены зависимости эффективного кпд и удельной мощности ПГТУ от относительного расхода воды и степени сжатия компрессора;

На фиг.5 изображена схема парогазотурбинной установки;

На фиг.6 изображены зависимости эффективного кпд и удельной мощности ПГТУ от относительного расхода воды и степени сжатия компрессора;

Парогазотурбинная установка (фиг.1) состоит из входного устройства 1, компрессора 2, камеры сгорания 3, камеры смешения 4, турбины привода компрессора 5, свободной турбины 6, теплообменника-испарителя 7, выходного устройства 8, насоса высокого давления 9, топливного насоса 10. При этом теплообменник 7 с одной стороны соединен с насосом 9, а с другой - с камерой смешения 4.

Работа установки осуществляется следующим образом. Воздух через входное устройство 1 поступает в компрессор 2 для сжатия. Сжатый до заданного давления воздух (степень сжатия не менее 25) непрерывным потоком подается в камеру сгорания 3, куда одновременно через форсунки впрыскивается мелкораспыленное топливо, нагнетаемое насосом 10. Состав топливовоздушной смеси в камере сгорания приближается к стехиометрическому (α_кс менее 3,0), что при сгорании смеси ведет к росту температуры газа выше допустимой по прочности лопаток турбины. Из камеры сгорания 3 горячий газ направляется в камеру смешения 4, куда одновременно направляется перегретый пар из теплообменника-испарителя 7. В камере смешения 4 горячий газ и перегретый пар перемешиваются, в результате чего температура рабочего тела понижается до значений, допустимых по условиям прочности лопаток турбины (1600÷2100 К), а энтальпия рабочего тела увеличивается. Из камеры смешения 4 рабочее тело (смесь пара с газом) поступает в турбину привода компрессора 5, а затем в свободную турбину 6, которая совершает полезную работу. После прохождения свободной турбины рабочее тело отдает значительную часть своей энергии воде, которая под действием насоса 9 движется внутри теплообменника-испарителя 7. В теплообменнике-испарителе вода превращается в перегретый пар, который поступает в камеру смешения 4, а рабочее тело через выходное устройство 8 удаляется в атмосферу.

Эффективность парогазотурбинной установки может быть повышена, если теплоту рабочего тела парогазотурбинной установки на выходе из теплообменника-испарителя 7, использовать для подогрева воды, поступающей в этот же теплообменник. На фиг.2 показана схема парогазотурбинной установки, в которой установлен дополнительный теплообменник-конденсатор 11. Циркуляция воды в теплообменнике 11 осуществляется за счет насоса низкого давления 12. Поскольку энергетические потребности в подогреве воды на входе в теплообменник 7 существенно меньше энергетических возможностей теплообменника-конденсатора 11, то избыточное тепло в виде горячей воды может быть использовано в промышленных целях. Конденсат, содержащий примеси продуктов сгорания, удаляется в атмосферу либо подвергается очистке, после чего используется в промышленных целях.

На фиг.3 и 4 показаны зависимости эффективного кпд η_е и удельной мощности Nуд (эффективной мощности, приходящейся на килограмм расхода воздуха) парогазотурбинной установки (фиг.2) от параметров рабочего процесса: относительного расхода воды m (расход воды, приходящийся на килограмм расхода воздуха) и степени сжатия воздуха Пк. Здесь же нанесены изотермы, соответствующие температурам газа перед турбиной Тг^*. Топливо - керосин. В расчете потери учитывались соответствующими кпд термодинамических процессов, а именно 0,85 для сжатия; 0,92 для расширения; 0,98 для сгорания. Зависимости построены для двух коэффициентов избытка воздуха: α_кс=3,0 и α_кс=1,5 соответственно. Расчет выполнен для стандартных условий: t_н=15°С и Р_н=760 мм рт.ст. Видно, что η_е при m более 15% достигает значений более 50%. При этом Тг^* находится в пределах, допустимых по прочности лопаток турбины.

Недостатком парогазотурбинных установок (фиг.1, фиг.2) является то, что для их работы требуется постоянный источник жидкости (воды), что создает серьезную проблему при использовании парогазотурбинных установок, например, на летательном аппарате. Решением проблемы является использование в качестве жидкости, повышающей энтальпию рабочего тела, топлива, находящегося на борту летательного аппарата. Наилучшим образом для этих целей подходит водород, основным продуктом сгорания которого в воздухе, как известно, являются водяные пары.

На фиг.5 показана схема парогазотурбинного двигателя (установки) на базе турбовинтового двигателя, использующего жидкий водород. Новыми элементами являются: жидкостно-воздушный теплообменник 13, теплообменник-конденсатор 14, кран кольцевания 15.

Работа парогазотурбинного двигателя (фиг.5) осуществляется следующим образом. Рабочее тело, охлажденное в теплообменнике-испарителе 7, поступает в теплообменник-конденсатор 14, где охлаждается с частичной или полной (в зависимости от расхода водорода) конденсацией водяных паров. В теплообменнике-конденсаторе 11, расположенном за теплообменником-конденсатором 14, происходит окончательная конденсация водяных паров. Теплообменник 11 имеет общее с теплообменником 13 рабочее тело (аммиак), которое циркулирует под воздействием насоса низкого давления 12. Теплообменник 13 расположен в наружном потоке воздуха, температура которого на высоте 11 км составляет -56°С. При циркуляции аммиак из жидкого состояния переходит в газообразное (теплообменник 11) и из газообразного в жидкое (теплообменник 13). Относительный расход аммиака не превышает 1 кг на килограмм расхода воздуха, что с точки зрения весовых характеристик вполне приемлемо для летательного аппарата. Конденсат (вода) насосом высокого давления 9 подается в теплообменник-испаритель 7 и далее в камеру смешения.

На режимах взлета (в летнее время), когда теплообменник 13 неэффективен, включается кран кольцевания 15, что позволяет увеличить расход жидкого водорода через теплообменник 14 и тем самым обеспечить необходимую для непрерывной работы двигателя конденсацию пара. В виду того, что хладоресурс жидкого водорода, находящегося на борту, ограничен, время работы с включенным краном кольцевания также ограничено. Увеличить хладоресурс жидкого водорода можно применением так называемой шуги - переохлажденного водорода, частично переведенного в твердую фазу. При этом хладоресурс водорода увеличивается на 16÷18% (Ю.Н.Нечаев. Силовые установки гиперзвуковых и воздушно-космических летательных аппаратов. М: Академия космонавтики им. К.Э.Циолковского, 1996 г., стр.58).

На фиг.6 показаны зависимости эффективного кпд η_e и удельной мощности Nуд парогазотурбинного двигателя (фиг.5) от параметров рабочего процесса m и Пк. Здесь же нанесены изотермы, соответствующие температурам газа перед турбиной Тг^*. Коэффициент избытка воздуха в камере сгорания соответствует 1,2. Характеристики даны для условий полета (Н=11 км). Следует отметить, что с увеличением высоты (до 11 км) эффективный кпд несколько снижается, что связано с физическими свойствами воды, а именно невозможностью понижения ее температуры ниже определенного уровня.

Главной особенностью парогазотурбинного двигателя, как это видно из фиг.6, является исключительно высокая удельная мощность и достаточно высокая экономичность, что крайне важно для летательного аппарата.

Положительным результатом предлагаемого технического решения является повышение эффективного кпд парогазотурбинной установки более 58%, что выше, чем у аналогов, а также возможность создания на базе парогазотурбинной установки авиационного двигателя, превышающего известные турбовальные (турбовинтовые) двигатели по удельной мощности и экономичности.

Парогазотурбинная установка относится к области энергетики. Рабочим телом парогазотурбинной установки является смесь продуктов сгорания и водяных паров, которая образуется в камере смешения, расположенной перед парогазовой турбиной. При этом продукты сгорания образуются в камере сгорания, расположенной за компрессором, а водяной пар в теплообменнике-испарителе, расположенном за парогазовой турбиной. Расход пара не менее 15% от расхода газа. Термический кпд парогазотурбинной установки более 60%. Изобретение позволяет на базе парогазотурбинной установки создать авиационный двигатель, превосходящий известные турбовальные и турбовинтовые двигатели по удельной мощности в 3÷4 раза, а по экономичности в 2÷3 раза. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Парогазотурбинная установка, содержащая входное устройство, компрессор, камеру сгорания, камеру смешения, турбину привода компрессора, свободную турбину (турбину привода винта), теплообменник, расположенный за свободной турбиной и соединенный с одной стороны с источником рабочего тела - жидкостью (вода), а с другой стороны - с камерой смешения, и выходное устройство, отличающаяся тем, что теплообменник является испарителем, расход рабочего тела через который составляет не менее 15% от расхода воздуха, проходящего через компрессор, степень сжатия воздуха в установке не менее 25, а коэффициент избытка воздуха в камере сгорания не более 3,0.2. Парогазотурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что за теплообменником-испарителем установлен теплообменник-конденсатор.3. Парогазотурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что за теплообменником-испарителем установлено два теплообменника-конденсатора, рабочими телами которых являются легкоиспаряющиеся жидкости (водород, аммиак).