ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2006 года по МПК F02C7/08 

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к энергетическим установкам, способным производить полезную работу.

Известно изобретение «Способ работы поршневого пневмодвигателя» (а.с. № 663858, SU), в котором предложен способ работы поршневого двигателя, основанного на получении работы не за счет тепла, выделяемого при горении топлива, а за счет охлаждения воздуха окружающей среды в ограниченном объеме с помощью ввода в этот объем хладагента. За счет испарения хладагента давление в этом объеме падает и внешнее давление атмосферы может быть использовано для получения полезной работы.

В изобретении «Способ работы поршневого двигателя и устройство для его реализации» (патент № 2116460, RU) эта идея получила дальнейшее развитие и был предложен способ и устройство для получения полезной работы с помощью хладагента, который подавался в термически связанную, но изолированную от замкнутого объема с воздухом полость. В результате теплообмена между воздухом и хладагентом воздух охлаждается, а хладагент испаряется и нагревается. В результате можно получить полезную работу как от окружающей атмосферы, так и от испарившегося хладагента.

В изобретении «Способ преобразования в механическую работу всего тепла, получаемого рабочим телом теплового двигателя от нагревателя, в частности тепла, полученного от вещества окружающей среды, и устройство для его осуществления» (патент № 2101521, RU) показано, что тепло, полученное хладагентом, может быть эффективно превращено в работу с частичным возвращением тепла источнику. В устройстве, содержащем стандартные элементы поршневого теплового двигателя, рабочие цилиндры разделены на два блока, один из которых находится в тепловом контакте и равновесии с нагревателем, а в другом каждый цилиндр адиабатически изолирован. Поэтому хладагент после расширения снова можно частично перевести в жидкое состояние для последующего использования, а газовую составляющую сжать, охладить до температуры рабочего тела, а затем снова расширить, т.е. контур хладагента сделать замкнутым.

В настоящее время широкое распространение получили газотурбинные двигатели, используемые в различных отраслях техники, - в энергетике, на транспорте и т.д.

Эти установки имеют большую удельную мощность и высокий коэффициент полезного действия, а также достаточно просты по конструкции.

Все эти установки используют классический способ получения полезной работы путем сжигания горючего в окислительной среде, в частности в воздухе. В классическом газотурбинном двигателе (Маслеников М.М., Шельман Ю.И. «Авиационные газотурбинные двигатели», Москва, «Машиностроение», 1975 г.) атмосферный воздух предварительно сжимают в компрессоре, затем подают его в камеру сгорания, где происходит процесс горения. Продукты сгорания, имеющие высокую температуру и повышенное давление, подают на вход турбины, которая производит полезную работу.

Но в процессе горения в продуктах сгорания образуются вредные примеси: окислы углерода, азота, выделяются твердые частицы (сажа), что разрушает среду обитания человека и создает большие проблемы в современном мире.

Известно изобретение по патенту № 2145386, RU (прототип), которое относится к газотурбинным установкам и может быть использовано при создании наземных агрегатов для получения электричества и тепла с высокой эффективностью и при высоких экологических показателях. Устройство представляет собой газотурбинную установку с входной частью воздушного компрессора и с электрогенератором, турбодетандер, автономный воздушный компрессор, температуропонижающий теплообменник, систему подачи природного газа в ГТУ и систему потребления полезной работы.

Основным недостатком данного изобретения, впрочем, как и аналогов, является использование в качестве горючего углеводородных соединений, которые, как уже отмечалось выше, при взаимодействии с воздушной средой вырабатывают большое количество вредных примесей (СО, СО₂, NO и др.).

Основной задачей заявляемого технического решения является получение полезной работы с помощью экологически чистого двигателя.

Техническим результатом этого изобретения является создание энергетических установок (двигателей), в которых отсутствуют вредные выбросы в окружающую среду с одновременным обеспечением высокого коэффициента полезного действия преобразования тепловой энергии окружающей среды в полезную работу за счет использования в качестве хладоагента криогенной жидкости (жидкого гелия, жидкого азота, жидкого воздуха и т.д.).

Конструкция предлагаемого газотурбинного двигателя содержит контур рабочего тела, состоящий из последовательно расположенных компрессора, теплообменника и турбины с потребителем полезной работы, при этом перед компрессором установлен теплообменник-испаритель и двигатель дополнительно содержит контур хладагента. Контур хладагента выполнен замкнутым и состоит из последовательно соединенных емкости жидкого хладагента, насоса, теплообменника-испарителя, входящего в контур рабочего тела, теплообменника-подогревателя, турбодетандера, соединенного с потребителем полезной работы, ожижителя, один из выходов которого соединен с емкостью жидкого хладагента трубопроводом с установленным на нем насосом, а другой соединен через компрессор сжатия паров хладагента и теплообменник-перегреватель с турбодетандером.

Газотурбинный двигатель может содержать емкость рабочего тела, установленную в контуре рабочего тела перед теплообменником-испарителем и связанную теплопроводами с теплообменником, теплообменником подогревателем и теплообменником-перегревателем при его наличии.

При этом предлагаемый ГТД может быть дополнительно снабжен регенератором, установленным в контуре рабочего тела. При отсутствии в ГТД емкости рабочего тела один вход регенератора соединен с атмосферой, а выход - с теплообменником-испарителем, второй вход связан с выходом турбины, а выход - с атмосферой.

При наличии в ГТД емкости рабочего тела один вход регенератора соединен с емкостью рабочего тела, а выход - с теплообменником-испарителем, второй вход соединен с выходом турбины, а выход - с емкостью рабочего тела.

Изобретение поясняется следующими чертежами.

На фиг.1 представлена схема ГТД.

На фиг.2 представлена схема ГТД, дополнительно содержащая емкость рабочего тела.

На фиг.3 представлена схема ГТД, содержащая регенератор, соединенный с атмосферой.

На фиг.4 представлена схема ГТД с регенератором, связанным с контуром рабочего тела.

Газотурбинный двигатель (фиг.1) включает в себя теплообменник-испаритель 1, компрессор 2, теплообменник 3, турбину 4, емкость жидкого хладагента 5, насос для подачи хладагента 6, теплообменник-подогреватель 7, потребитель полезной работы 8, турбодетандер 9, ожижитель 10, насос 11, компрессор сжатия паров хладагента 12, теплообменник-перегреватель 13 и потребитель полезной работы 14.

В качестве потребителя полезной работы 14 может выступать компрессор 2 и компрессор сжатия паров хладагента 12. В этом случае турбодетандер может быть, в частности, объединен валом с этими компрессорами.

Газотурбинный двигатель (фиг.2) может быть снабжен емкостью рабочего тела 15. Емкость 15 устанавливается в контуре рабочего тела перед теплообменником-испарителем 1 и связана теплопроводами с теплообменником 3, теплообменником-подогревателем 7 и теплообменником-перегревателем 13.

Для более полного использования тепла выход турбины может быть подключен ко входу регенератора 16, а выход - связан с атмосферой (фиг.3) или с емкостью рабочего тела (фиг.4). Второй вход регенератора может быть связан с атмосферой или с емкостью рабочего тела, а выход соединен с теплообменником-испарителем 1, что позволяет предварительно охладить входной воздух за счет выхлопа из турбины 2, что в свою очередь позволяет уменьшить расход хладагента.

В качестве рабочего тела может быть использован любой газ, хранящийся в емкости 15.

Поддержание теплового равновесия рабочего тела при этом должно обеспечиваться за счет тепла, подводимого от постороннего источника тепла.

Газотурбинный двигатель работает следующим образом (фиг.1). Рабочее тело засасывается компрессором 2, предварительно охлаждаясь в теплообменнике-испарителе 1. После сжатия в компрессоре 2 и прохождения теплообменника 3 рабочее тело нагревается и подается на вход турбины 4, которая отдает энергию потребителю 8. Хладагент, подаваемый насосом 6 из емкости 5 хладагента, поступает в теплообменник-испаритель 1, где он испаряется за счет тепла рабочего тела, затем подогревается в теплообменнике-подогревателе 7. Пары хладагента после теплообменника-подогревателя 7 подают на вход турбодетандера 9, после чего их ожижают в ожижителе 10 для получения жидкой и газовой фракций, причем жидкую фракцию возвращают насосом 11 в емкость хладагента 5, а газовую сжимают компрессором сжатия паров хладагента 12, охлаждают в теплообменнике-перегревателе 13 и подают на вход турбодетандера 7. Избыточную работу турбодетандера 7 использует потребитель полезной работы 14.

Регенератор 16, который может быть установлен в контуре рабочего тела (фиг.3 и 4), позволяет охладить рабочее тело до подачи его в теплообменник-испаритель 1 за счет охлажденного рабочего тела, выходящего из турбины, что повышает эффективность работы двигателя.

Таким образом, решается основная задача получения полезной работы с помощью экологически чистого двигателя, т.е. процесс горения топлива заменяется процессом испарения хладагента, в качестве которого могут выступать жидкие азот, воздух, гелий и иные вещества с низкой по отношению к рабочему телу температурой кипения. Источником тепла в этом случае могут выступать атмосфера, вода, солнечный нагрев, вторичное тепло электростанций, тепловые выбросы металлургических установок, химических агрегатов и т.д.

Газотурбинный двигатель содержит контур рабочего тела, состоящий из компрессора, теплообменника и турбины с потребителем полезной работы. Перед компрессором установлен теплообменник-испаритель. Двигатель дополнительно содержит замкнутый контур хладагента, состоящий из последовательно соединенных емкости жидкого хладагента, насоса, теплообменника-испарителя, входящего в контур рабочего тела, теплообменника-подогревателя, турбодетандера с потребителем полезной работы, ожижителя, один из выходов ожижителя соединен с емкостью жидкого хладагента трубопроводом с установленным на нем насосом, а другой соединен через компрессор сжатия паров хладагента и теплообменник-перегреватель с турбодетандером. Изобретение направлено на повышение кпд при одновременном улучшением экологии. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Газотурбинный двигатель, содержащий контур рабочего тела, состоящий из компрессора, теплообменника и турбины с потребителем полезной работы, отличающийся тем, что перед компрессором установлен теплообменник-испаритель и двигатель дополнительно содержит замкнутый контур хладагента, состоящий из последовательно соединенных емкости жидкого хладагента, насоса, теплообменника-испарителя, входящего в контур рабочего тела, теплообменника-подогревателя, турбодетандера с потребителем полезной работы, ожижителя, один из выходов которого соединен с емкостью жидкого хладагента трубопроводом с установленным на нем насосом, а другой соединен через компрессор сжатия паров хладагента и теплообменник-перегреватель с турбодетандером.2. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что двигатель снабжен емкостью рабочего тела, установленной в контуре рабочего тела перед теплообменником-испарителем и связанной с теплообменником, теплообменником-подогревателем и теплообменником-перегревателем теплопроводами.3. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен регенератором, установленным в контуре рабочего тела, при этом один его вход соединен с атмосферой, а выход - с теплообменником-испарителем, второй вход связан с выходом турбины, а выход - с атмосферой.4. Газотурбинный двигатель по п.2, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен регенератором, установленным в контуре рабочего тела, при этом один его вход соединен с емкостью рабочего тела, а выход - с теплообменником-испарителем, второй вход связан с выходом турбины, а выход - с емкостью рабочего тела.