ДВУХКОНТУРНАЯ ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2019 года по МПК F02K3/115 

Изобретение относится к теплоэнергетике.

Целью изобретения является повышение эффективного к.п.д. газотурбинной установки до 65%.

Известна двухконтурная газотурбинная установка, состоящая из входного устройства, вентилятора, внутреннего контура, внутри которого расположены: компрессор, камера сгорания, турбина, газовые каналы теплообменника-регенератора, выхлопной патрубок; внешнего контура, внутри которого расположены: воздушные каналы теплообменника-регенератора, свободная турбина, выходной канал (патент RU 2675165 С1, 2018 г.).

Поставленная цель достигается тем, что в известной двухконтурной газотурбинной установке (см. выше) выхлопной патрубок расположен на входе в вентилятор.

Сущность изобретения заключается в том, что вентилятор, повышающий давление воздуха во втором контуре газотурбинной установки (ГТУ), одновременно создает вакуум в газовой полости теплообменника-регенератора, что позволяет увеличить перепад давлений в турбине более располагаемого (отношение давления перед турбиной к атмосферному давлению). Кроме этого, передача всей энергии из внутреннего контура в наружный создает эффект внутреннего термодинамического цикла (Письменный В.Л. Внутренние термодинамические циклы. // М. - Конверсия в машиностроении. 2006, №3. С. 5-10).

Предпочтительно, чтобы канал входного устройства был сужающимся, а выходной канал - расширяющимся.

Предпочтительно иметь: температуру газа пред турбиной более 2300 К, суммарную степень повышения давления воздуха более 40, степень повышения давления воздуха в вентиляторе 2,0…3,0.

на фиг. 1 показана схема ГТУ;

на фиг. 2 показан термодинамический цикл ГТУ;

на фиг. 3 показана зависимость эффективного к.п.д. ГТУ от суммарной степени повышения давления в ГТУ и степени повышения давления в вентиляторе.

ГТУ (фиг. 1) состоит из входного устройства 1, вентилятора 2, внутреннего и внешнего контуров.

Во внутреннем контуре расположены: компрессор 3, камера сгорания 4, турбина 5, полость низкого давления (газовые каналы) теплообменника-регенератора 6, выхлопной патрубок 7, расположенный на входе в вентилятор 2. Полость низкого давления теплообменника 6 с одной стороны соединена с выходом из турбины 5, а с другой стороны - с входом в вентилятор 2 (через патрубок 7).

Во внешнем контуре расположены: каналы высокого давления (воздушные каналы) теплообменника-регенератора 6, свободная турбина 8, выходной канал 9. Воздушные каналы соединяют полость за вентилятором 2 с полостью перед свободной турбиной 8.

Канал входного устройства 1 выполнен сужающийся, а выходной канал 9 - расширяющимся.

Между компрессором и вентилятором расположен редуктор 10.

Вентилятор 2 создает разряжение на выходе из входного устройства 1 и патрубка 7 (статическое давление понижается менее атмосферного Р_н).

Под действием атмосферного давления и давления в газовой полости теплообменника 6 воздух и газ, соответственно, поступают в вентилятор 2, где происходит их сжатие. Часть воздуха поступает во внутренний контур установки, оставшаяся часть воздуха и газ поступают во внешний контур.

Во внутреннем контуре воздух сжимается в компрессоре 3. В камере сгорания 4 к воздуху подводится топливо, которое сгорает. Образовавшийся газ расширяется в турбине 5. Работа турбины используется для привода вентилятора 2 и компрессора 3. Из турбины 5 газ истекает во внутреннюю полость теплообменника 6. Охлажденный в теплообменнике 6 газ через патрубок 7 истекает в полость, расположенную на входе в вентилятор 2. С целью улучшения теплообмена газ в теплообменнике 6 принудительно (за счет кинетической энергии газа) циркулирует. Перепад давления в турбине 5 поддерживается выше располагаемого (за счет вакуума, создаваемого вентилятором).

Во внешнем контуре воздух и охлажденный газ перемешиваются, попадают в воздушные каналы теплообменника 6. В теплообменнике 6 газовоздушная смесь нагревается, после чего происходит ее расширение в свободной турбине 8. Работа турбины 8 передается потребителю.

Перепад давлений в турбине 8 поддерживается выше располагаемого за счет перерасширения газовоздушной смеси в турбине 8. В расширяющимся (диффузорном) канале 9 происходит торможение газа с повышением статического давления до атмосферного.

Для поддержания температуры газа перед турбиной 2300 К и более используется воздушно-жидкостное охлаждение лопаток турбины (патент RU 2612482 С1, 2017).

На фиг. 2 показан термодинамический цикл ГТУ (фиг. 1) в Р-υ и координатах. Здесь Lц₁ - внешний цикл (цикл, к которому подводится энергия); Lц₂ - внутренний цикл (цикл, использующий энергию внешнего цикла); Q₁ и Q₂ - подведенная и отведенная в цикле ГТУ теплота, соответственно. Темным цветом показаны потери от расширения и сжатия воздуха (газа) во входном и выходном устройствах, соответственно. Термический к.п.д. цикла ГТУ определяется как η_t=η_t1+η_t2-η_t1⋅η_t2, где η_t1 - термический к.п.д. первого цикла, η_t2 - термический к.п.д. второго цикла.

Внешний и внутренний циклы (фиг. 2) являются циклами Брайтона, термические к.п.д. которых определяются степенями повышения давления π в соответствующих конурах ГТУ, которые искусственным образом (за счет разряжения газа за турбинами) увеличены ~1,3 раза, т.е. и Если допустить, что общие потери работы в цикле ГТУ составляют ~15%, то эффективный к.п.д. η_e≈0,85⋅η_t.

На фиг. 3 показана зависимость эффективного к.п.д. η_е цикла ГТУ (фиг. 2) от суммарной степени повышения давления π_Σ и степени повышения давления в вентиляторе π_в. Степень повышения давления π_в=1,5…3,0 выбрана из условия получения максимальных коэффициентов двухконтурности (отношение расходов воздуха через наружный и внутренний контура), при которых достигается необходимый теплообмен в теплообменнике-регенераторе и снижаются потери работы во втором контуре. Все это достигается путем повышения температуры газа перед турбиной, которая, по мнению автора, должна выйти на уровень 2300 К.

Видно (фиг. 3), что эффективный к.п.д. приближается к 65%. Возможно, что более детальные исследования позволят создать технологии, при которых этот показатель приблизится к 70%.

Сегодня эффективные к.п.д. ГТУ составляют менее 55%. Повышение этого показателя до 65% представляется важной народнохозяйственной задачей.

Двухконтурная газотурбинная установка состоит из входного устройства, вентилятора, внутреннего контура и внешнего контура. Внутри внутреннего контура расположены компрессор, камера сгорания, турбина, газовые каналы теплообменника-регенератора, выхлопной патрубок. Внутри внешнего контура расположены воздушные каналы теплообменника-регенератора, свободная турбина, выходной канал. Выхлопной патрубок расположен на входе в вентилятор. Изобретение позволяет повысить перепад давлений в турбинах, передать всю энергию из внутреннего контура во внешний контур, что позволяет повысить эффективный КПД газотурбинной установки. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Двухконтурная газотурбинная установка, состоящая из входного устройства, вентилятора, внутреннего контура, внутри которого расположены: компрессор, камера сгорания, турбина, газовые каналы теплообменника-регенератора, выхлопной патрубок; внешнего контура, внутри которого расположены: воздушные каналы теплообменника-регенератора, свободная турбина, выходной канал, отличающаяся тем, что выхлопной патрубок расположен на входе в вентилятор.

2. Двухконтурная газотурбинная установка по п. 1, отличающаяся тем, что канал входного устройства сужающийся.

3. Двухконтурная газотурбинная установка по п. 1, отличающаяся тем, что выходной канал расширяющийся.

4. Двухконтурная газотурбинная установка по п. 1, отличающаяся тем, что температура газа перед турбиной более 2300 К.

5. Двухконтурная газотурбинная установка по п. 1, отличающаяся тем, что суммарная степень повышения давления воздуха более 40, а степень повышения давления воздуха в вентиляторе 2,0…3,0.