СПОСОБ РАБОТЫ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ И ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2010 года по МПК F02C3/30 

Изобретение относится к области энергетики и может быть направлено на создание высокоэкономичных газотурбинных установок и двигателей, в том числе и авиационных.

Известна ГТУ, описанная на стр.9 в монографии Перельштейна Б.Х. «Новые энергетические системы». Казань, КГТУ, 2008, 245 стр.

В данной ГТУ, например, в существующем газоходе установлен обращенный газогенератор, состоящий из турбины перерасширения, водяного холодильника и дожимающего компрессора. В процессе его функционирования за силовой турбиной ГТУ создается разряжение порядка 0,092 МПа и происходит рост удельной мощности и экономичности на 12-16%.

Недостатком этого технического решения является то, что в установку вводится громоздкий теплообменник, функционирование которого требует расхода большого количества воды.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу работы газотурбинной установки является способ работы газотурбинной установки, описанный на стр.10 монографии Перельштейна Б.Х. «Новые энергетические системы». Казань, КГТУ, 2008, 245 стр.

Данный способ работы газотурбинной установки включает всос наружного воздуха в проточную часть, сжатие его в компрессоре, подвод тепла в камере сгорания, расширения и перерасширения в турбинах, охлаждение в аэротермопрессоре и сжатие в дожимающем компрессоре.

В процессе функционирования за силовой турбиной ГТУ создают разряжение порядка 0,09 МПа, что ведет к росту уд. мощности и экономичности на 14-18%.

Недостатком этого технического решения является то, что хотя расход воды существенно уменьшается, но наличие аэротермопрессора в процессе функционирования (охлаждение горячего газа в потоке за счет впрыска воды с повышением давления) разгружает дожимающий компрессор не более чем на 2-3% от исходного. Это ограничивает получение относительного улучшения удельной мощности и, как следствие, эффективного к.п.д. ГТУ.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой газотурбинной установке является газотурбинная установка, описанная на стр.10 монографии Перельштейна Б.Х. «Новые энергетические системы». Казань, КГТУ, 2008, 245 стр. ГТУ содержит компрессор, камеру сгорания, турбину, силовую турбину, турбину перерасширения, аэротермопрессор (профилированная труба с подводом охладителя в горячий поток), дожимающий компрессор.

Недостатком этой ГТУ является сложная и габаритная конструкция, требующая наличия дополнительной турбины перерасширения и дожимающего компрессора, что ведет к снижению эффективности в целом.

Решаемой задачей предлагаемого изобретения является создание нового способа работы газотурбинной установки, повышающего удельную мощность и эффективный кпд ГТУ.

Решаемая задача достигается тем, что в способе работы газотурбинной установки, включающей всос наружного воздуха в проточную часть, сжатие его в компрессоре, подвод тепла в камере сгорания, расширения и перерасширения в турбинах, охлаждение и сжатие, создают посредством сопла Лаваля дозвуковой и сверхзвуковой поток горячего газа, при этом в дозвуковом потоке горячего газа, в процессе расширения, продольно-поперечными колебаниями создают неравновесное состояние газа, затем подают охладитель и охлаждают им неравновесный газ на участках дозвукового и сверхзвукового течения, после чего тормозят охлажденное рабочее тело в скачках уплотнения.

Решаемая задача достигается тем, что в газотурбинной установке, включающей вентилятор, компрессор, камеру сгорания, турбину, силовую турбину, в нее введены сопло Лаваля и сверхзвуковой диффузор, установленный за силовой турбиной кольцевой блок из двухканальных вибраторов для создания неравновесного состояния газа продольно-поперечными колебаниями, с подключенной к нему магистралью подачи охладителя, при этом сопло Лаваля и сверхзвуковой диффузор последовательно установлены за кольцевым блоком из двухканальных вибраторов.

В процессе отвода тепла (например, за счет впрыска воды) от существенно неравновесного газа (в состоянии, «далеком от равновесия») происходит локальное уменьшение энтропии, что приводит к повышению полного давления (газ разгоняется).

Пояснение технической сущности рассмотрим на чертежах:

на фиг.1 показана ГТУ по заявляемому изобретению с охлаждением неравновесного газа водой;

на фиг.2 показан ДТРТ с охлаждением неравновесного газа воздухом;

на фиг.3. показан один элемент кольцевого блока из двухканального вибратора с протеканием рабочего тела сверху клина;

на фиг.4 показан элемент по фиг.3 двухканального вибратора при протекании рабочего тела ниже клина в иной момент времени и выходе охладителя по потоку направо;

на фиг.5 показан цикл работы ГТУ;

на фиг.6. показано изменение степени повышения давления в функции приведенной скорости потока при различных степенях охлаждения, где последовательно приведены позиции на указанных фигурах:

1 - входное устройство,

2 - компрессор;

3 - камера сгорания;

4 - турбина газогенератора;

5 - силовая турбина;

6 - кольцевой блок двухканального вибратора;

7 - магистраль подачи охладителя (воздуха);

8 - сужающе-расширяющее сопло (сопло Лаваля);

9 - сверхзвуковой диффузор,

10 - вентилятор,

11 - магистраль подвода охлаждающего воздуха,

12 - канал подачи рабочего тела;

13 - полость резонатора;

14 - отверстие резонатора левое;

15 - отверстие резонатора правое;

16 - клин;

17 - полость для подачи охладителя;

18 - канал для подвода охладителя к рабочему телу;

19 - канал подачи смеси;

20 - блок двухканального вибратора (при протекании рабочего тела ниже клина в иной момент времени и выхода охладителя по потоку направо.

ГТУ по фиг.1 включает: входное устройство 1, компрессор 2, камеру сгорания 3, турбину газогенератора 4, силовую турбину 5, кольцевой блок двухканального вибратора 6, магистраль подачи охладителя 7 (например, воздуха); сужающе-расширяющее сопло (сопло Лаваля) 8, сверхзвуковой диффузор 9.

Работа системы по фиг.1. Наружный воздух поступает во входное устройство 1, компрессор 2 и камеру сгорания 3, турбину газогенератора 4 и силовую турбину 5. Давление за силовой турбиной ниже атмосферного и может достигать величин P*₄<0,05 МПа. При этих параметрах рабочее тело поступает на двухканальный вибратор 6, где каждый элемент создает в потоке сильную неравновесность за счет переброса газа относительно клиновидного тела с частотой 1-20 kHg и выше. Возможно использование иных систем для создания существенной неравновесности. К высокочастотно-вибрирующему газу подводится охладитель по магистрали 7. Это может быть вода или холодный воздух, иное. Неравновесный газ при охлаждении начинает разгоняться в сужающе-расширяющем сопле (сопле Лаваля) 8 (здесь имеется геометрическое и тепловое воздействие), переходит через скорость звука с продолжением процесса охлаждения и разгона в «пористом газе» (газе, имеющем множественные внутренние градиенты по температуре, скорости и плотности) и, в конечном счете, тормозится на сверхзвуковом диффузоре 9 (например, три косых, один прямой скачок уплотнения) и далее поступает наружу. Если в системе достигается местная скорость звука в критическом сечении, то она выполняется как сопло Лаваля (штатный режим). Если при разгоне рабочего тела скорость не достигает в минимальном сечении критической, то сужающе-расширяющее сопло 8 будет, в частном случае, работать как сопло Вентури (нештатный режим).

Изучение теоретического аспекта работы аэротермопрессора (антипода камеры сгорания) позволило перейти к пониманию того, что и в существующих энергетических установках имеются процессы с генерированием энтропии со знаком минус. В ряде случаев эти процессы дают приращения параметров ниже точности эксперимента, в иных случаях эти величины могут оказаться весьма значимы. Это т.н. «эффекты» в конденсирующих инжекторах с повышением давления до 5-7 раз с равенством полных теплосодержаний воды и пара на входе и теплосодержанием теплой воды на выходе; это - увеличение скорости нестационарного истечения в пустоту выше «теоретически возможного» в 2-4 раза; это - аномальное превышение тяги до 140% при нестационарном эжектировании. Новые знания из области фундаментальных наук, таких как нелинейная неравновесная термодинамика, теория диссипативных структур могут позволить осмыслить подобные «эффекты» как системные - как некие термодинамические процессы, функционирующие в состояниях, далеких от равновесия. Более глубокое понимание подобных процессов может позволить подойти к новым конфигурациям тепловых машин высокой эффективности (см. Перельштейн Б.Х. «Функционирующий с конечной скоростью идеальный цикл Брайтона как последовательность диссипативных структур». ИВУЗ «Авиационная техника» №1, 2006 г., 71-77 стр. [1]).

Работа системы по фиг.2. Наружный воздух поступает во входное устройство 1, вентилятор 10, компрессор 2 и камеру сгорания 3, турбину газогенератора 4 и силовую турбину 5. Давление за силовой турбиной ниже атмосферного и может достигать величин Р*₄<0,05 МПа. При этих параметрах рабочее тело поступает в двухканальный вибратор 6, где каждый элемент создает в потоке сильную неравновесность за счет переброса газа относительно клиновидного тела с частотой 1-20 kHg и выше. Возможно использование иных систем для создания существенной неравновесности. К высокочастотно-вибрирующему газу подводится часть воздуха, от вентилятора 10 и по каналу 11 подается в канал для подвода охладителя к рабочему телу 18. Неравновесный газ при охлаждении начинает разгоняться в сужающе-расширяющем сопле 8, выполненном, как правило, в виде сопла Лаваля (здесь имеется геометрическое и тепловое воздействие), переходит через скорость звука с продолжением процесса охлаждения и разгона в «пористом газе» (газе, имеющем множественные внутренние градиенты по температуре, скорости и плотности) и, в конечном счете, тормозится на сверхзвуковом диффузоре 9 (например, лопаточном; три косых, один прямой скачок уплотнения) и далее поступает наружу.

Работа системы по фиг.3. Горячий воздух набегает из канала 12 на клин 16. С учетом воздействия от управляющей струи обратной связи благодаря резонатору 13 газ перекидывается относительного клина 16 с частотой 1-20 kHg и выше. Частота двухканального вибратора в сильной степени зависит от габаритов и скорости набегающего потока. Резонатор содержит отверстия левое и правое 14 и 15. Если горячий газ обтекает клин сверху, то снизу создается определенный вакуум (с учетом отхода предыдущей порции горячей струи - «газового поршня»). В образовавшееся разряжение поступает порция охладителя из полости для подачи охладителя 17 по каналу 18. При перекидывании струи сверху вниз охладитель поступает в верхнюю часть. В канале подачи смеси 19 создается некий «пористый газ» - неравновесная система с внутренними градиентами температур, скорости и плотности. При высокой частоте колебаний газ отойдет от равновесного состояния и приобретет свойства существенно неравновесного. Подобные устройства показали свою эффективность как системы для замеры температур и как сумматоры в пневматической технике (см. Залманзон Л.А. Микропроцессоры и управление потоками жидкостей и газов. М.: Наука, 1984, 320 с.).

На фиг.5 показан гидравлически идеальный термодинамический цикл ГТУ по фиг.1, функционирующей в реальное время; подробнее в [1]. Здесь:

- {1-2-3-4-1} - термостатический цикл Брайтона (функционирующий бесконечно медленно);

- {1-2'-3'-4'-1} - гидравлически идеальный термокинетический цикл (функционирующий в конечное время);

- {S3-S3'} - отклик неравновесной системы (потока) на введенное возмущение (тепло); данное увеличение энтропии является первопричиной теплового сопротивления в камере сгорания [1];

- {Е=0} - прямая внешней среды (она касательная к изобаре Рнар в точке 1);

- {i3'-i4'} - мера адиабатного теплоперепада;

- {i3'-i5} - мера эксергического теплоперепада (максимальный теплоперепад, который можно теоретически реализовать без нарушения Второго начала);

- {4''-7} - процесс охлаждения и разгона неравновесного потока;

- {7-8} - процесс торможения сверхзвукового потока на скачках уплотнения;

- {i4'-i4''} - реализованный дополнительный (к адиабатному) эксергический теплоперепад;

- {S3'-S8} - мера локального уменьшения энтропии в процессе осуществления цикла.

Для оценки технико-экономических показателей предварительно рассмотрим фиг.6. Здесь показана (рассчитанная по теории обращения воздействий) зависимость повышения полного давления от приведенной скорости потока λ(с) при различных степенях понижения температуры - . При θ=1,5 и λ(с)=1,5 получают степень повышения давления 5,8. Это хорошо совпадает с экспериментом, который можно получить на конденсирующем инжекторе. В последнем, в зоне смешения пара и воды, создается зона с очень малой скоростью распространения звука, которая до 1,5-2 раз меньше скорости движения реагирующих продуктов. Отсюда высокое значение приведенной скорости λ(с).

Если в ГТУ степень повышения давления на диффузоре 9 (фиг.1) будет, например, равна двум, то силовую турбину можно нагрузить до значений давления на ее выходе ниже атмосферы, например до 0,05 МПа. Последнее увеличивает удельную мощность и экономичность на 30-40%. Возможно за диффузором устанавливать реактивное сопло, возможно систему для повышения давления осуществлять перед силовой турбиной, возможно охлаждающий воздух всасывать непосредственно из внешней среды без использования вентилятора второго контура. Не исключается использовать систему на различных силовых установках вертолетов и самолетов. В последнем случае охладителем для неравновесного газа может выступать воздух.

Способ работы газотурбинной установки включает в себя процессы всоса наружного воздуха в проточную часть, сжатия его в компрессоре, подвода тепла в камере сгорания, расширения на турбинах и перерасширения в турбинах. Посредством сопла Лаваля создают дозвуковой и сверхзвуковой поток горячего газа. В дозвуковом потоке горячего газа, в процессе расширения, продольно-поперечными колебаниями создают неравновесное состояние газа посредством установленного за силовой турбиной кольцевого блока из двухканальных вибраторов. Затем подают охладитель и охлаждают им неравновесный газ на участках дозвукового и сверхзвукового течения, после чего тормозят охлажденное рабочее тело в скачках уплотнения. Изобретение позволяет повысить кпд и удельную мощность газотурбинной установки. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ работы газотурбинной установки, включающей процессы всоса наружного воздуха в проточную часть, сжатия его в компрессоре, подвода тепла в камере сгорания, расширения и перерасширения в турбинах, охлаждения и сжатия, отличающийся тем, что создают посредством сопла Лаваля дозвуковой и сверхзвуковой потоки горячего газа, при этом в дозвуковом потоке горячего газа, в процессе расширения, продольно-поперечными колебаниями создают неравновесное состояние газа, затем подают охладитель и охлаждают им неравновесный газ на участках дозвукового и сверхзвукового течения, после чего тормозят охлажденное рабочее тело в скачках уплотнения.

2. Газотурбинная установка, включающая вентилятор, компрессор, камеру сгорания, турбину, силовую турбину, отличающаяся тем, что в нее введены сопло Лаваля и сверхзвуковой диффузор, установленный за силовой турбиной кольцевой блок из двухканальных вибраторов для создания неравновесного состояния газа продольно-поперечными колебаниями, с подключенной к нему магистралью подачи охладителя, при этом сопло Лаваля и сверхзвуковой диффузор последовательно установлены за кольцевым блоком из двухканальных вибраторов.