СПОСОБ ФОРСИРОВАНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2018 года по МПК F02C3/30 

Изобретение относится к теплоэнергетике.

Известно, что эффективность (к.п.д.) газотурбинных установок (ГТУ) повышается при увеличении степени повышения давления воздуха 71 (отношение давления воздуха за компрессором к атмосферному давлению) и подогрева газа А (отношение температуры газа перед турбиной к температуре воздуха на входе в компрессор).

Целью изобретения является повышение эффективного к.п.д. ГТУ до 70% и более.

Известен способ форсирования газотурбинных двигателей, заключающийся в подаче воды на вход в двигатель (Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей. Под ред. СМ. Шляхтенко., М., Машиностроение, 1987 г., с. 374÷375).

Известны двухкаскадные газотурбинные двигатели, в состав которых входят компрессор низкого и компрессор высокого давлений (там же, рис. 7.3, с. 185).

Поставленная цель достигается тем, что в двухкаскадной газотурбинной установке со степенью повышения давления воздуха в компрессоре низкого давления более 20 при суммарной степени повышения давления в компрессорах более 120 в пространство между компрессорами низкого и высокого давлений подается вода.

Сущность изобретения заключается в использовании внутренних термодинамических циклов (Письменный В.Л. Внутренние термодинамические циклы // М. - Конверсия в машиностроении. 2006, №3. С.5÷10).

Предпочтительно иметь:

стехиометрический состав топливовоздушной смеси;

водяную рубашку на корпусе камеры сгорания;

паровое охлаждение рабочих лопаток турбины;

керамические сопловые аппараты;

статическое давление за турбиной меньше атмосферного;

утилизатор тепловой энергии на выходе из турбины.

На фиг. 1 показана ГТУ.

на фиг. 2 показан термодинамический цикл ГТУ;

на фиг. 3 показаны зависимости параметров ГТУ от суммарной степени повышения давления воздуха.

ГТУ (фиг. 1) состоит из входного устройства 1, компрессора низкого давления 2, камеры смешения 3, внутри которой расположен водяной коллектор 4, компрессора высокого давления 5, камеры сгорания 6, турбины 7, теплообменника-конденсатора 8, выходного устройства 9, насосов (н).

Теплообменник-конденсатор 8 входит в состав паросиловой установки, рабочим телом которой является вода (пар).

Турбина 7 приводит в действие компрессоры 2 и 5, генератор электрической энергии (на фиг. 1 не показан).

Воздух через входное устройство 1 попадает в компрессор 2, где сжимается и нагревается, после чего поступает в камеру смешения 3. Туда же через коллектор 4 подается вода в количестве, при котором она превращается в пар (влажность воздуха менее 100%). Вода смешивается с воздухом и испаряется. Температура воздуха понижается. Образовавшаяся паровоздушная смесь поступает в компрессор 5, где сжимается и нагревается.

Сжатая и нагретая в компрессоре 5 паровоздушная смесь поступает в камеру сгорания ГТУ.

В камере сгорания паровоздушная смесь смешивается с топливом, которое сгорает. Образующийся при этом горячий газ поступает в турбину 7, которая совершает механическую работу. Для увеличения работы статическое давление на выходе из турбины поддерживается меньше атмосферного (за счет более высокой скорости истечения газа из последней ступени турбины). Работа турбины тратится на привод компрессоров, насосов и электрогенератора.

Оставшаяся после прохождения турбины теплота преобразуется в паросиловой установке (передается через теплообменник 8) в механическую работу и горячую воду, удаляется (с конденсатом) через выходное устройство 9 в атмосферу.

Для охлаждения камеры сгорания и рабочих лопаток турбины используется вода, которая через каналы в корпусе камеры сгорания (водяная рубашка) поступает в виде пара в рабочие лопатки турбины, и далее в газовоздушный тракт.

На фиг. 2 в P-υ координатах показан термодинамический цикл ГТУ (фиг. 1). Цикл состоит из внешнего цикла Lц₁ (цикл Брайтона с отводом теплоты при сжатии) и двух внутренних циклов: Lц₂ (цикл Письменного) и Lц₃ (цикл Ренкина). Внешний цикл имеет энергообмен с внешней средой, внутренние - с внешним циклом. К внешнему циклу подводится теплота Q₁, отводится - Qr. Термический к.п.д. ГТУ определяется как η_t=1-Qr/Q₁.

Тепловые потоки показаны здесь же. К внешнему циклу, как уже сказано, подводится теплота Q₁ (процесс к-г). Часть этой теплоты преобразуется в работу Lц₁, которая используется для сжатия рабочих тел внутренних циклов (в насосах (н) и компрессоре высокого давления), для привода электрогенератора, а также - для компенсации всевозможных потерь, в том числе во внутренних циклах. Другая часть теплоты (Q_1-2, и Q_1-3) передается во внутренние циклы, в которых преобразуется в работу Lц₂ и Lц₃. Нереализованная во внутренних циклах теплота (Q_2-1 и Q_3-1) возвращается (условно) внешнему циклу, после чего рассеивается в атмосфере в виде теплоты Qr. Общая работа цикла ГТУ определяется как Lц=Lц₁+m₂⋅Lц₂+m₃⋅Lц₃, где m₂ и m₃ - относительные расходы рабочих тел во внутренних циклах.

Новым здесь является цикл Письменного - внутренний термодинамический цикл, который реализуется с использованием тех же элементов тепловой машины (ГТУ), что и внешний цикл (существует параллельно внешнему циклу). Это качество цикла Письменного позволяет распределять подводимую к внешнему циклу энергию на два рабочих тела (воздух и пар), и тем самым, увеличивать количество подводимой в тепловой машине энергии (патент RU 2616137 С1).

На фиг. 3 показаны характеристики ГТУ (фиг. 1) в зависимости от суммарной степени повышения давления воздуха π_∑.

Условные обозначения: π_кнд - степень повышения давления воздуха в компрессоре низкого давления, π_квд - степень повышения давления воздуха в компрессоре высокого давления; m₂ и m₃ - относительные расходы рабочих тел внутренних циклов; Ткнд^* - температура воздуха на выходе из компрессо-ра низкого давления; Тквд^* - температура паровоздушной смеси на выходе из компрессора высокого давления; Тг^* - температура газа на входе в турбину; Ne - удельная мощность ГТУ; η_e∑ - суммарный эффективный к.п.д. ГТУ, η_е - эффективный к.п.д. ГТУ (без паросиловой установки).

Исходные данные ГТУ: внешние условия - стандартные; топливо - керосин; рабочее тело паросиловой установки - вода (пар); коэффициент избытка воздуха в камере сгорания - 1,1; степень повышения давления в компрессоре низкого давления - 30; температура лопаток первой ступени турбины - 1250 К; коэффициент интенсивности охлаждения лопаток турбины - 0,65; к.п.д. компрессора низкого давления - 0,83; к.п.д. компрессора высокого давления - 0,83; к.п.д. турбины - 0,95; к.п.д. паровой турбины - 0,9; механический к.п.д. - 0,99; полнота сгорания топлива - 0,99; коэффициент восстановления давления в камере смешения - 0,95; коэффициент восстановления давления в камере сгорания - 0,95.

Видно (фиг. 3), что цикл Письменного в сочетании с авиационно-космическими технологиями (к.п.д. элементов, паровое охлаждение лопаток турбины, монокристаллические лопатки, керамические сопловые аппараты, «водяная рубашка», технология «blisk» и д.р.) позволяет повысить эффективный к.п.д. ГТУ до 704-75%.

Форсированные ГТУ (фиг. 1) обладают уникальными энергетическими характеристиками, например, при расходе воздуха 210 кг/с мощность ГТУ составляет ~ 400 МВт (для сравнения, мощность Волжской ГЭС составляет 2660 МВт).

Для России разработка и внедрение форсированных ГТУ (к.п.д. ~ 70% и более) является, по мнению автора, национальной задачей. Большая часть запасов углеводородных топлив находится в северных широтах, что делает их добычу и доставку крайне затратными. Высокоэффективная переработка углеводородных топлив в электроэнергию в местах их добычи позволит решить проблему доставки энергии потребителю (ЛЭП), обустроить северные города по образцу той же Исландии (количество тепловой энергии, выделяющееся при переработке топлива в электроэнергию, учитывая объемы добычи топлива, соизмеримо с энергией геотермальных источников).

Изобретение относится к энергетике. Способ форсирования газотурбинной установки подачей воды в пространство между компрессорами низкого и высокого давлений в количествах, при которых вода превращается в пар, заключается в формировании внутреннего термодинамического цикла, который снимает температурные ограничения в газотурбинной установке. Изобретение позволяет повысить удельную мощность газотурбинной установки. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ форсирования газотурбинной установки с двухкаскадным компрессором, состоящим из компрессора низкого давления со степенью повышения давления воздуха более 20 и компрессора высокого давления, подачей воды в газовоздушный тракт, отличающийся тем, что вода подается в пространство между компрессорами низкого и высокого давлений при суммарной степени повышения давления в компрессорах более 120.

2. Способ форсирования газотурбинной установки по п. 1, отличающийся тем, что состав топливовоздушной смеси в камере сгорания установки - стехиометрический.

3. Способ форсирования газотурбинной установки по п. 1, отличающийся тем, что для охлаждения корпуса камеры сгорания используется водяная рубашка.

4. Способ форсирования газотурбинной установки по п. 1, отличающийся тем, что для охлаждения лопаток турбины используется водяной пар.

5. Способ форсирования газотурбинной установки по п. 1, отличающийся тем, что сопловые аппараты - керамические.

6. Способ форсирования газотурбинной установки по п. 1, отличающийся тем, что статическое давление за турбиной меньше атмосферного.

7. Способ форсирования газотурбинной установки по п. 1, отличающийся тем, что на выходе из турбины установлен утилизатор тепловой энергии.