ГАЗОТУРБИННАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С РЕКУПЕРАЦИЕЙ ТЕПЛА Российский патент 2012 года по МПК F02C7/10 

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано в качестве энергетической установки стационарного или транспортного назначения в качестве основного, резервного и аварийного источника электроэнергии и тепла.

Известны газотурбинные энергетические установки с рекуперацией тепла, содержащие компрессор, камеру сгорания, турбину и рекуператор (теплообменник) с использованием тепла от выходящих из турбины газов (см. патент РФ №2069779, МПК⁷ F02С 7/08, 27.11.1996 г.).

Однако известное техническое решение относится к маломощным энергетическим установкам со сложной конструкцией теплообменника и сложной системой подвода сжатого воздуха к нему, используемым в основном в автомобилестроении.

Наиболее близкой по технической сущности к предложенному решению является газотурбинная энергетическая установка с рекуперацией тепла, содержащая с последовательно установленными по тракту рабочего тела компрессор с отводящим воздуховодом, теплообменник, камеру сгорания с подводящим воздуховодом, турбину с отводящим газоводом и выхлопное устройство, при этом теплообменник сообщен с отводящим из-за компрессора воздуховодом, подводящим воздуховодом в камеру сгорания, с отводящим газоводом из турбины и выхлопным устройством (см. патент РФ №2224901, МПК⁷ F02С 7/10, 27.02.2002 г.).

Однако такого типа газотурбинные установки, как правило, содержат теплообменники со сложными каналами подвода воздуха и горячего газа, с регулированием расхода горячего газа, что делает их дорогостоящими с высокими массогабаритными показателями со сложной конструкцией и в целом невысокой эксплуатационной надежностью.

Задачей изобретения является снижение габаритов, упрощение конструкции, повышение надежности работы и удешевление стоимости в целом.

Указанный технический результат достигается тем, что газотурбинная энергетическая установка с рекуперацией тепла, содержит газотурбинный блок, включающий в себя осесимметричное кольцевое входное устройство, центробежный компрессор с радиальным выходным диффузором, переходящим в осесимметричный отводящий вертикальный воздуховод, кольцевую камеру сгорания с подводящим вертикальным и горизонтальным воздуховодами, осевую турбину с выходом в сторону компрессора и с отводящим газоводом, кольцевой рекуператор, размещенный в осевом пространстве между компрессором и осевой турбиной, соосно расположенный с валом компрессора, встроенный в переднюю стенку входного устройства силовой редуктор и выхлопной патрубок, при этом корпус рекуператора выполнен в виде осесимметричного пустотелого кольцевого барабана, внутри которого размещен трубчатый газовоздушный теплообменник, содержащий осесимметричные кольцевые входную и выходную трубные доски с рядами винтообразных теплообменных труб, размещенных между досками и закрепленными на них, входная трубная доска является боковой передней стороной корпуса барабана и одновременно боковой задней стороной отводящего от компрессора вертикального воздуховода, выходная трубная доска размещена на вертикальной части подводящего воздуховода в камеру сгорания и одновременно является его передней боковой стороной, причем внутренняя часть полости барабана является по потоку рабочего тела продолжением отводящего газовода, сообщенного с выходом из турбины и через кольцевой осесимметричный канал, образованный наружной верхней стороной вертикальной части подводящего воздуховода в камеру сгорания и внутренней верхней стороной корпуса барабана, сообщена с внутренней полостью канала отвода газов в выхлопной патрубок, при этом канал отвода газов в выхлопной патрубок содержит два вертикальных и один горизонтальный участки, первый по потоку рабочего тела вертикальный участок образован задней боковой стенкой подводящего вертикального воздуховода в камеру сгорания и задней боковой стенкой корпуса барабана, горизонтальный участок образован наружной стороной стенки подводящего горизонтального воздуховода в камеру сгорания и внутренней стороной горизонтальной части стенки корпуса канала отвода газов, второй по потоку рабочего тела вертикальный участок смещен с оси в сторону выхлопного патрубка, содержит переднюю и заднюю вертикальные стенки, причем задняя стенка своей нижней стороной закреплена на корпусе камеры сгорания.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена принципиальная схема продольного разреза газотурбинной установки с рекуперацией тепла с винтообразными теплообменными трубами.

На фиг.2 представлен вид расположения отверстий на трубной доске.

На фиг.3 представлен разрез в развертке для одного из ряда отверстий фиг.2.

Газотурбинная установка с рекуперацией тепла содержит входное устройство 1, центробежный компрессор 2 с радиальным выходным диффузором 3, отводящий вертикальный воздуховод 4, кольцевую камеру сгорания 5 с подводящим вертикальным и горизонтальным воздуховодами 6 и 7, осевую турбину 8 с отводящим газоводом 9, кольцевой рекуператор 10, переднюю стенку 11 входного устройства 1, редуктор 12, выхлопной патрубок 13, корпус рекуператора в виде барабана 14, трубчатый газовоздушный теплообменник 15, входную и выходную трубные доски 16 и 17 с рядами теплообменных труб 18, внутреннюю часть полости барабана 19, кольцевой канал 20, наружную верхнюю сторону 21 вертикальной части подводящего воздуховода, внутреннюю верхнюю сторону 22 корпуса барабана, внутреннюю полость канала отвода газов 23 с двумя вертикальными и горизонтальными участками 24 и 25, заднюю стенку 26 подводящего вертикального воздуховода, заднюю боковую стенку 27 корпуса барабана, наружную стенку 28 подводящего горизонтального воздуховода, внутреннюю сторону горизонтальной стенки 29 корпуса канала отвода газов и заднюю стенку 30 второго вертикального участка 24.

Газотурбинная установка с рекуперацией тепла работает следующим образом.

После запуска газотурбинной установки атмосферный воздух по входному устройству 1 поступает в центробежный компрессор 2 и, после повышения давления в нем, по выходному радиальному диффузору 3 поступает в отводящий вертикальный воздуховод 4. Из воздуховода 4 сжатый воздух через отверстия во входной трубной доске 16 поступает во внутреннюю полость теплообменных труб 18 трубчатого газовоздушного теплообменника 15. Проходя по трубам 18, воздух подогревается путем теплообмена с высокотемпературными выхлопными газами после турбины 8, поступающими по газоводу 9 во внутреннюю часть полости 19 кольцевого барабана 14 рекуператора 10. Далее подогретый воздух через отверстия в выходной трубной доске 17 поступает во внутреннюю полость вертикального воздуховода 6 и далее во внутреннюю полость горизонтального воздуховода 7, подводящего воздух в камеру сгорания 5. При прохождении воздуха в вертикальном и горизонтальном воздуховодах 6 и 7 через их стенки 26 и 28 происходит дополнительный подогрев воздуха путем теплообмена с высокотемпературными выхлопными газами, поступающими из внутренней полости барабана 14 через кольцевой канал 20 во внутреннюю полость канала 23 (образованного стенками 26, 27, 28 и 29) отвода газов в выхлопной патрубок 13. Сжатый и подогретый воздух поступает в камеру сгорания 5, куда одновременно подводится топливо. Образовавшаяся газовая смесь из камеры сгорания 5 поступает в осевую газовую турбину 8, после расширения в которой осуществляется привод центробежного компрессора 2 и силового редуктора 12, и далее отходящие выхлопные газы через газовод 9 поступают во внутреннюю часть полости 19 кольцевого барабана 14 рекуператора 10, в котором происходит первый съем тепла теплообменником 15 и с последующей подачей частично охлажденных газов через канал 20 во внутреннюю полость канала 23, где происходит дополнительный второй съем тепла через стенки 26 и 28 и далее охлажденные выхлопные газы поступают в выхлопной патрубок 13 и затем выводятся в атмосферу или в ступень утилизации, например отопительную, которая на схеме не показана.

Количество труб 18 и их длина трубчатого газовоздушного теплообменника 15 определяется расчетным или экспериментальным путем из условия получения необходимой эффективности рекуперации.

Выполнение корпуса рекуператора в виде кольцевого осесимметричного барабана, внутри которого размещен трубчатый газовоздушный теплообменник, входная трубная доска которого являются боковой передней стороной корпуса барабана и одновременно боковой задней стороной отводящего от компрессора вертикального воздуховода, а размещение выходной трубной доски на вертикальной части подводящего воздуховода в камеру сгорания и одновременно являющейся его передней боковой стороной, и, кроме того, выполнение вертикальной части подводящего воздуховода в камеру сгорания, одновременно образующего с внутренней верхней стороной корпуса барабана кольцевой осесимметричный канал отвода горячих газов в выхлопной патрубок, позволяет после нагрева воздуха в теплообменных трубах дополнительно подогревать его теплом в канале отвода газов. Прохождение горячего газа в контакте с горизонтальной и вертикальной частями канала, образованного наружными стенками вертикального и горизонтального воздуховодов подвода в камеру сгорания, позволяет, по крайней мере, без потерь тепла довести подогретый в рекуператоре воздух до камеры сгорания. Размещение кольцевого рекуператора в осевом пространстве между компрессором и осевой турбиной приводит к сокращению осевых габаритных размеров и к минимизации потерь давления в подогреваемом воздухе.

Выполнение осевой турбины с выходом в сторону компрессора, а следовательно, и направление осевой силы от турбины тоже в сторону компрессора, позволяет уменьшить результирующую силу, действующую на упорный подшипник, т.е., улучшить работу подшипниковых опор и в целом уменьшить массогабаритные размеры с одновременным повышением надежности работы в эксплуатации. Кроме того, такая ориентация осевой турбины сочетается с наружным расположением кольцевой камеры сгорания с удобством ее осмотра и при необходимости замены в условиях эксплуатации.

Встроенный в переднюю стенку 11 входного устройства 1 редуктор значительно уменьшает массогабаритные размеры установки и позволяет обеспечить высокую соосность редуктора с газотурбинным блоком, значительно снизить биение в опорах и тем самым повысить надежность работы энергетической установки.

Реализация предложенных технических решений позволит создать модельный ряд высокоэффективных энергоустановок различной размерности и назначения при использовании освоенных материалов, технологий и конструктивных достижений.

Газотурбинная энергетическая установка с рекуперацией тепла, содержит газотурбинный блок, включающий в себя осесимметричное кольцевое входное устройство, центробежный компрессор с радиальным выходным диффузором, переходящим в осесимметричный отводящий вертикальный воздуховод, кольцевую камеру сгорания с подводящим вертикальным и горизонтальным воздуховодами, осевую турбину с выходом в сторону компрессора и с отводящим газоводом, кольцевой рекуператор, размещенный в осевом пространстве между компрессором и осевой турбиной, соосно расположенный с валом компрессора, встроенный в переднюю стенку входного устройства силовой редуктор и выхлопной патрубок. Корпус рекуператора выполнен в виде осесимметричного пустотелого кольцевого барабана, внутри которого размещен трубчатый газовоздушный теплообменник, содержащий осесимметричные кольцевые входную и выходную трубные доски с рядами винтообразных теплообменных труб. Входная трубная доска является боковой передней стороной корпуса барабана и одновременно боковой задней стороной отводящего от компрессора вертикального воздуховода. Выходная трубная доска размещена на вертикальной части подводящего воздуховода в камеру сгорания и одновременно является его передней боковой стороной. Внутренняя часть полости барабана является по потоку рабочего тела продолжением отводящего газовода, сообщенного с выходом из турбины и через кольцевой осесимметричный канал, образованный наружной верхней стороной вертикальной части подводящего воздуховода в камеру сгорания и внутренней верхней стороной корпуса барабана, сообщена с внутренней полостью канала отвода газов в выхлопной патрубок. Канал отвода газов в выхлопной патрубок содержит два вертикальных и один горизонтальный участки. Первый по потоку рабочего тела вертикальный участок образован задней боковой стенкой подводящего вертикального воздуховода в камеру сгорания и задней боковой стенкой корпуса барабана. Горизонтальный участок образован наружной стороной стенки подводящего горизонтального воздуховода в камеру сгорания и внутренней стороной горизонтальной части стенки корпуса канала отвода газов. Второй по потоку рабочего тела вертикальный участок смещен с оси в сторону выхлопного патрубка, содержит переднюю и заднюю вертикальные стенки. Задняя стенка своей нижней стороной закреплена на корпусе камеры сгорания. Достигается снижение габаритов, упрощение конструкции, повышение надежности работы и удешевление за счет: частичной взаимной компенсации осевой силы от турбины и компрессора, наличия редуктора, дополнительного подогрева воздуха в канале отвода газов после его нагрева в теплообменных трубах, подачи без потерь тепла подогретого в рекуператоре воздуха до камеры сгорания, плотной компоновки. 3 ил.

Газотурбинная энергетическая установка с рекуперацией тепла, содержащая газотурбинный блок, включающий в себя осесимметричное кольцевое входное устройство, центробежный компрессор с радиальным выходным диффузором, переходящим в осесимметричный отводящий вертикальный воздуховод, кольцевую камеру сгорания с подводящим вертикальным и горизонтальным воздуховодами, осевую турбину с выходом в сторону компрессора и с отводящим газоводом, кольцевой рекуператор, размещенный в осевом пространстве между компрессором и осевой турбиной, соосно расположенный с валом компрессора, встроенный в переднюю стенку входного устройства силовой редуктор и выхлопной патрубок, при этом корпус рекуператора выполнен в виде осесимметричного пустотелого кольцевого барабана, внутри которого размещен трубчатый газовоздушный теплообменник, содержащий осесимметричные кольцевые входную и выходную трубные доски с рядами винтообразных теплообменных труб, размещенных между досками и закрепленными на них, входная трубная доска является боковой передней стороной корпуса барабана и одновременно боковой задней стороной отводящего от компрессора вертикального воздуховода, выходная трубная доска размещена на вертикальной части подводящего воздуховода в камеру сгорания и одновременно является его передней боковой стороной, причем внутренняя часть полости барабана является по потоку рабочего тела продолжением отводящего газовода, сообщенного с выходом из турбины и через кольцевой осесимметричный канал, образованный наружной верхней стороной вертикальной части подводящего воздуховода в камеру сгорания и внутренней верхней стороной корпуса барабана, сообщена с внутренней полостью канала отвода газов в выхлопной патрубок, при этом канал отвода газов в выхлопной патрубок содержит два вертикальных и один горизонтальный участки, первый по потоку рабочего тела вертикальный участок образован задней боковой стенкой подводящего вертикального воздуховода в камеру сгорания и задней боковой стенкой корпуса барабана, горизонтальный участок образован наружной стороной стенки подводящего горизонтального воздуховода в камеру сгорания и внутренней стороной горизонтальной части стенки корпуса канала отвода газов, второй по потоку рабочего тела вертикальный участок смещен с оси в сторону выхлопного патрубка, содержит переднюю и заднюю вертикальные стенки, причем задняя стенка своей нижней стороной закреплена на корпусе камеры сгорания.