ГАЗОВАЯ ТУРБИНА И СПОСОБ ЕЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ Российский патент 2021 года по МПК F01C1/04 F02C5/02 F02C3/10 F23R7/00 

Изобретение касается газовой турбины, в частности утилизационной газовой турбины, которая осуществляет привод высокоскоростного генератора для выработки тока.

Газовые турбины для выработки тока или выработки энергии известны. Так, в EP 0462458 B1 показана газовая турбина силовой установки, которая включает в себя компрессор, расположенную ниже по потоку от компрессора камеру сгорания, при этом турбина предусмотрена ниже по потоку от камеры сгорания. Турбина и компрессор соединены общим валом. Применяется воздушно-водяной теплообменник, у которого тепло выхлопных газов турбины используется для выработки пара.

Возврат выхлопных газов через воздушно-водяной перекрестноточный теплообменник тоже известен, при этом сжатый воздух через теплообменник подводится к топке камеры сгорания. Полная теплопередача в теплообменнике, однако, не обеспечена.

У газовой турбины, имеющей компрессор для воздуха в соответствии с EP 1270874 B1, предусмотрены несколько гидродинамически параллельно включенных камер сгорания, в которых воздух нагревается и по перепускному каналу притекает к газовому каналу турбины.

В AT 506592 A4 описана утилизационная турбина с прерывистым сгоранием, которая имеет снабженную запальным устройством камеру сгорания, при этом ниже по потоку от камеры сгорания расположена турбина, которая может питаться получаемым в камере сгорания рабочим газом. Камера сгорания расположена вокруг оси вращения турбины.

Между камерой сгорания и турбиной расположена проточная камера, которая отграничивается от камеры сгорания обтекаемой плитой или другой турбиной. Через клапаны в проточной камере может циклично подводиться воздух.

US 2004154306 A раскрывает комбинированную газовую турбину, имеющую компрессор и турбину, которые расположены на одной оси. Комбинированная газовая турбина при эксплуатации должна обеспечивать повышенное давление и повышенную рабочую температуру, для чего в камерах сгорания должны создаваться циклы со сдвигом фаз. Некоторая часть горючих газов одной камеры сгорания должна подаваться в следующую, так чтобы в следующей камере сгорания образовывался смешанный заряд. Эта передача некоторой части горючих газов должна производиться поочередно, в результате чего тогда должна получаться повышенная мощность турбины.

Другие газовые турбины, у которых компрессор и турбина расположены на, соответственно, в одной оси, раскрывают, например, US 2003010014 A, US 2002139106 A и WO 03095814 A.

Задача изобретения заключается в том, чтобы создать турбину, которая, в свою очередь, осуществляет привод высокоскоростного генератора для выработки тока, которая имеет повышенный коэффициент полезного действия, и которая построена более простым и варьируемым образом по сравнению с уровнем техники.

Эта задача решена с помощью признаков п.1 формулы изобретения.

В соответствии с изобретением с турбиной согласован по меньшей мере один внешний компрессор, который снабжен собственным электроприводом и который не соединен с турбиной приводным валом или тому подобным. Установлены по меньшей мере две камеры сгорания для прерывистого, импульсного сгорания, соответственно, питания турбины.

Турбина может представлять собой осевую утилизационную газовую турбину или же радиальную утилизационную газовую турбину.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.

Указанные несколько камер сгорания расположены так, что их выпускные сопла направлены прямо на колесо турбины, что дает сопловой эффект сгорания. Каждая камера сгорания снабжена впрыском топлива, запальным устройством и выпускным соплом. В камеру сгорания топливо впрыскивается в газообразном или жидком состоянии и посредством запального устройства взрывается. Благодаря этому достигается приблизительно изохорное сгорание («изохорный» требует, чтобы объем был постоянным). Сопло на выходе камеры сгорания преобразует создаваемое давление в скорость течения, которой питается (нагружается) турбина. Воспламенение в камерах сгорания производится друг за другом.

Предпочтительно могут устанавливаться по меньшей мере две или больше, например, до шести или же еще больше камер сгорания.

Кроме того, предпочтительно камеры сгорания расположены по периметру турбины, будучи удалены друг от друга на равные расстояния.

Для регулирования мощности турбины частота последовательности воспламенения может устанавливаться и регулироваться посредством электронного управления.

Предпочтительно электропривод представляет собой регулируемый высокоскоростной электропривод.

Может быть предусмотрен второй внешний компрессор, который тоже снабжен собственным регулируемым высокоскоростным электроприводом. Альтернативно этот второй внешний компрессор может быть также соединен с регулируемым высокоскоростным электроприводом первого компрессора.

Кроме того, подвод компрессорных потоков компрессоров к турбине возможен предпочтительно через разделенное направляющее устройство независимо друг от друга.

С помощью этого, соответственно, этих внешних компрессоров турбина может запускаться с помощью компрессорного воздуха, и можно эффективно влиять на частоту вращения турбины и ограничивать ее. Компрессор может быть также выполнен в виде двойного компрессора.

Предпочтительно турбина может соединяться с противоточным теплообменником, через который может направляться поток выхлопного газа турбины. Этот противоточный теплообменник может соединяться со вторым внешним компрессором таким образом, что термическая энергия потока выхлопного газа может передаваться компрессорному воздуху второго компрессора.

Для увеличения коэффициента полезного действия турбины с помощью второго компрессора, который либо связан с первым компрессором, либо снабжен собственным электрическим регулируемым высокоскоростным приводом, через противоточный теплообменник термическая энергия потока выхлопного газа возвращается прямо в турбину. Возврат потока выхлопного газа в турбину обеспечивается предпочтительно гидродинамически разделенным направляющим устройством перед колесом турбины. Колесо турбины предпочтительно питается (нагружается) двумя отдельными потоками компрессорного воздуха. К потоку воздуха из первого компрессора подводится энергия сгорания, а к потоку воздуха из второго компрессора подводится энергия от потока выхлопного газа. Термическая энергия от потока выхлопного газа через теплообменник передается компрессорному воздуху второго компрессора и подводится к турбине.

Высокая скорость в смысле этого изобретения относится к частотам вращения прибл. от 10000 об./мин. В соответствии с изобретением частота вращения генератора может составлять прибл. 50000 об./мин. или больше. Чем выше скорость вращения, тем меньшим может быть рассчитан генератора.

Управление предлагаемой изобретением турбиной возможно посредством устройства управления по характеристике коэффициента полезного действия. Благодаря независимой регулируемости компрессоров, интенсивности импульса сгорания, обратному обмену данными теплообменника и уменьшению мощности потребителей, возможно управление турбиной по характеристике коэффициента полезного действия. Это делает возможной оптимальную эксплуатацию турбины. Она, по сравнению с уровнем техники, может эксплуатироваться намного дольше и эффективно в различных диапазонах нагрузки, что приводит к более низкому расходу топлива и более низким выбросам.

Другие преимущества, признаки и подробности изобретения вытекают с последующего описания, в котором со ссылкой на чертежи описаны примеры осуществления изобретения. При этом признаки, упомянутые в пунктах формулы изобретения и в описании, могут быть существенными для изобретения каждый в отдельности или в любой комбинации.

Список ссылочных позиций, как и техническое содержание пунктов формулы изобретения и фигур, является составной частью раскрытия. Фигуры описываются взаимозависимым и всеохватывающим образом. Одинаковые ссылочные позиции обозначают одинаковые конструктивные элементы, ссылочные позиции, имеющие различные индексы, указывают функционально одинаковые или похожие конструктивные элементы.

При этом показано:

фиг.1: первый вариант осуществления предлагаемой изобретением турбины;

фиг.2: второй вариант осуществления предлагаемой изобретением турбины;

фиг.3: камера сгорания предлагаемой изобретением турбины, и

фиг.4: направляющее устройство для компрессорного воздуха.

На фиг.1 показана предлагаемая изобретением турбина на примере осевой (утилизационной) газовой турбины 1 для привода высокоскоростного генератора 2 с двумя внешними компрессорами 3, 9. Компрессоры 3, 9 не соединены с осевой утилизационной газовой турбиной 1 валом или тому подобным, а снабжены собственным, регулируемым высокоскоростным электроприводом 4.

Другим признаком является не непрерывное сгорание посредством нескольких камер 5 сгорания, которые расположены так, что их выпускные сопла 6 направлены прямо на колесо 12 турбины, т.е. турбинные лопатки колеса 12 турбины нагружаются параллельно оси 16 вращения. Установлены по меньшей мере две камеры 5 сгорания, однако в изложенном примере предпочтительно шесть камер 5 сгорания, которые расположены по периметру осевой утилизационной газовой турбины 1, будучи удалены друг от друга на равные расстояния (фиг.4).

Каждая камера 5 сгорания снабжена впрыском 7 топлива, запальным устройством 8 и выпускным соплом 6. В камеру 5 сгорания в газообразном или жидком состоянии впрыскивается топливо и взрывается посредством запального устройства 8. Тем самым достигается приблизительно изохорное сгорание. Выпускное сопло 6 на выходе камеры 5 сгорания «преобразует» создаваемое давление в скорость течения, которой нагружается колесо 12 турбины.

Воспламенение в камерах 5 сгорания производится поочередно посредством не изображенного явно управления. Для регулирования мощности осевой утилизационной газовой турбины 1 частота последовательности воспламенения может устанавливаться и регулироваться посредством электронного управления.

Для увеличения коэффициента полезного действия турбины с помощью второго компрессора 9, который связан с первым компрессором 3, через противоточный теплообменник 11 термическая энергия потока выхлопного газа возвращается прямо в осевую утилизационную турбину 1. Возврат в осевую утилизационную газовую турбину 1 обеспечивается гидродинамически разделенным направляющим устройством 17 перед колесом 12 турбины.

Колесо 12 турбины предпочтительно нагружается двумя отдельными потоками компрессорного воздуха. К потоку воздуха из первого компрессора 3 подводится энергия сгорания, а к потоку воздуха из второго компрессора 9 подводится энергия от потока выхлопного газа. Термическая энергия от потока выхлопного газа через противоточный теплообменник 11 передается компрессорному воздуху второго компрессора 9 и подводится к осевой утилизационной газовой турбине 1.

Трубопроводы для текущих газов изображены упрощенно и с указанием направления течения (направление стрелок).

Для использования тепла выхлопного газа необходим второй компрессор 9. Но возможно также, чтобы разделялся компрессорный воздух одного компрессора. Существуют также 2-ступенчатые компрессоры. Отдельные компрессорные приводы являются одним из предпочтительных вариантов, так как при этом возможно эффективное управление турбиной.

Осевая утилизационная газовая турбина 1, имеющая внешний компрессор, не известна из уровня техники. Благодаря указанному или указанным внешним компрессорам 3, 9 осевая утилизационная газовая турбина 1 может запускаться с помощью компрессорного воздуха, и можно эффективно влиять на частоту вращения осевой утилизационной газовой турбины и ограничивать ее.

Фиг.2, в отличие от первого варианта осуществления в соответствии с фиг.1, изображает один из вариантов, при котором второй внешний компрессор 9 снабжен собственным регулируемым высокоскоростным электроприводом 10. Отдельные компрессорные приводы представляют собой один из предпочтительных вариантов, так как при этом возможно более эффективное управление осевой утилизационной газовой турбиной 1.

На фиг.3 изображены детали камеры 5 сгорания и окружающее ее направляющее устройство 17. При этом камера 5 сгорания интегрирована в предкамеру 15. Компрессорный воздух 14 течет перманентно через предкамеру 15 и осуществляет привод колеса 12 турбины. В камеру 5 сгорания через топливное сопло 8 впрыскивается топливо и взрывается с помощью запального устройства 7. Взрыв разряжается через выпускное сопло 6 прямо в канал 13 (сопловой эффект) направляющего устройства 17 и дополнительно осуществляет привод колеса 12 турбины.

У предлагаемой изобретением осевой утилизационной газовой турбины 1 несколько камер 5 сгорания расположены так, что воспламенение в них производится всегда в одинаковой последовательности, через устанавливаемые интервалы времени. Возможно варьируемое управление процессами в камере сгорания, а именно, впрыскиваемым количеством и моментом времени воспламенения. Возможно варьируемое управление интервалами времени между воспламенениями отдельных камер сгорания. С помощью варьируемого впрыскиваемого количества и последовательности воспламенения в камерах сгорания осуществляется регулирование мощности турбины.

Как явствует из фиг.3, не предусмотрены, а также не являются необходимыми предохранители от обратного удара воздуха или утилизационного газа. Каждая камера 5 сгорания постоянно обтекается воздухом из первого компрессора 3, и давление расширения утилизационных газов камеры 5 сгорания посредством выпускного сопла 6 преобразуется в скорость течения.

Первично эта предлагаемая изобретением осевая утилизационная газовая турбина запускается с помощью компрессорного воздуха. Компрессоры 3, 9 сконструированы так, что номинальная частота вращения осевой утилизационной газовой турбины 1 может достигаться с помощью компрессоров 3, 9. Дополнительно, напр., в поддержку разгона осевой утилизационной газовой турбины 1, она может запускаться с помощью высокоскоростного генератора 2, работающего в режиме двигателя. Сгорание топлива требуется только для эксплуатации осевой утилизационной газовой турбины 1.

На фиг.4 показано направляющее устройство 17, у которого компрессорный воздух, а также утилизационные газы подводятся посредством направляющих лопаток 18 к колесу 12 турбины, которое расположено за направляющим устройством 17. Компрессорный воздух из второго компрессора 9 посредством направляющих лопаток 18 подводится к колесу 12 турбины. Изображенные области направляющего устройства 17 гидродинамически являются совершенно отдельными. У направляющего устройства 17 предусмотрены, например, шесть камер 5 сгорания, т.е. компрессорный воздух втекает в направляющие лопатки 18 только через эти шесть камер 5 сгорания и их предкамеру 15 и нагружает колесо 12 турбины.

В принципе, для обоих компрессорных контуров действуют одинаковые термодинамические условия. Давление, которое создается компрессором 3, 9, остается постоянным, только объем увеличивается вследствие нагрева. Текучая среда разжимается посредством осевой утилизационной газовой турбины 1, вследствие чего подъем давления невозможен. Независимые компрессорные контуры (контуры компрессоров) функционируют одинаково, только соответствующий источник тепла другой.

Важно, что оба компрессорных контура поводятся к осевой утилизационной газовой турбине 1 отдельно, во избежание взаимных влияний.

Так, во второй ветви привода предотвращается, чтобы введенное через противоточный теплообменник 11 тепло приводило также к расширению в напорном трубопроводе, которое могло бы сказываться затормаживающим образом на компрессоре 9 второй ветви привода.

Для высокоскоростного генератора 2 и высокоскоростных приводов 4, 10 применяется разработанный для этой цели инвертор, который через промежуточный контур снабжает высокочастотным током генератора высокоскоростные приводы 4, 10 и управление турбины и преобразует остаточный ток в напряжение потребителя.

Для регулирования осевой утилизационной газовой турбины 1 применяется электронное управление, которое посредством сенсоров температуры, давления и частоты вращения и данных из инвертора рассчитывает оптимальную мощность.

У турбин, которые используют высокоскоростные приводы, необходим инвертор. Так как из-за высокой частоты вращения генератора возникает высокочастотное напряжение, оно должно преобразовываться в низкочастотное напряжение потребителя. Это происходит с помощью инвертора. Так как для привода компрессоров 3, 9 используются предлагаемые изобретением высокоскоростные приводы, применение стандартных инверторов, которые преобразуют напряжение потребителя в высокочастотное напряжение, нецелесообразно. Поэтому предусмотрен инвертор, имеющий так называемый промежуточный контур для высокоскоростных приводов 4, 10. Благодаря предлагаемому изобретением инвертору, можно использовать высокочастотное напряжение непосредственно от генератора 2.

Коэффициент полезного действия предлагаемой изобретением турбины в значительной степени повышен по сравнению с ранее известными решениями.

СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

1 Осевая утилизационная газовая турбина

2 Высокоскоростной генератор

3 Компрессор

4 Высокоскоростной электропривод

5 Камера сгорания

6 Выпускное сопло

7 Впрыск топлива

8 Запальное устройство

9 Компрессор

10 Высокоскоростной электропривод

11 Противоточный теплообменник

12 Колесо турбины

13 Канал

14 Компрессорный воздух

15 Предкамера

16 Ось вращения

17 Направляющее устройство

18 Направляющие лопатки

Газовая турбина (1), имеющая колесо (12) турбины и снабженные впрыском (7) топлива и запальным устройством (8) камеры (5) сгорания, которые нагружают колесо (12) газовой турбины (1) сгораемым газом, чтобы осуществлять привод высокоскоростного генератора (2) с целью выработки тока. Турбина согласована с внешним компрессором (3), который снабжен собственным электроприводом и не соединен с турбиной приводным валом. Предусмотрены по меньшей мере две камеры (5) сгорания для прерывистого, импульсного сгорания, соответственно, питания турбины. Благодаря независимой регулируемости компрессоров, интенсивности импульса сгорания, обратному обмену данными теплообменника и уменьшению мощности потребителей возможно управление турбиной по характеристике коэффициента полезного действия. Это делает возможной оптимальную эксплуатацию турбины. Она, по сравнению с уровнем техники, может эксплуатироваться намного дольше и эффективно в различных диапазонах нагрузки, что приводит к более низкому расходу топлива и более низким выбросам. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Газовая турбина (1), имеющая колесо (12) турбины и по меньшей мере две снабженные впрыском (7) топлива и запальным устройством (8) камеры (5) сгорания, которые нагружают колесо (12) газовой турбины (1) сгораемым газом, чтобы осуществлять привод высокоскоростного генератора (2) с целью выработки тока,

причем газовая турбина (1), соответственно, камеры (5) сгорания согласована с по меньшей мере одним внешним компрессором (3) для подвода компрессорного воздуха (14) к упомянутым по меньшей мере двум камерам (5) сгорания, который снабжен собственным электроприводом (4), и причем упомянутый по меньшей мере один внешний компрессор (3) не соединен с газовой турбиной (1) приводным валом,

отличающаяся тем, что упомянутый по меньшей мере один внешний компрессор (3) выполнен в виде двойного компрессора для нагружения колеса (12) турбины, соответственно, упомянутых по меньшей мере двух камер (5) сгорания двумя отдельными потоками компрессорного воздуха (14), или предусмотрен второй внешний компрессор (9) для нагружения колеса (12) турбины компрессорным воздухом,

и причем упомянутые по меньшей мере две камеры (5) сгорания предусмотрены для прерывистого, импульсного сгорания, соответственно, питания турбины.

2. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что электропривод (4) представляет собой регулируемый высокоскоростной электропривод.

3. Турбина по п.1 или 2, отличающаяся тем, что предпочтительно предусмотрено до шести камер (5) сгорания.

4. Турбина по одному из пп.1-3, отличающаяся тем, что камеры (5) сгорания предпочтительно расположены по периметру газовой турбины, будучи удалены друг от друга на равные расстояния.

5. Турбина по одному из пп.1-4, отличающаяся тем, что упомянутый второй внешний компрессор (9) снабжен собственным регулируемым высокоскоростным электроприводом (10).

6. Турбина по одному из пп.1-5, отличающаяся тем, что подвод компрессорного потока компрессора/компрессоров (3, 9) к рабочему колесу газовой турбины возможен через разделенное направляющее устройство (17) независимо друг от друга.

7. Турбина по одному из пп.1-6, отличающаяся тем, что она соединена с противоточным теплообменником (11), через который направляется поток выхлопного газа газовой турбины.

8. Турбина по п.7, отличающаяся тем, что противоточный теплообменник (11) соединен со вторым внешним компрессором (9) таким образом, что при эксплуатации компрессора термическая энергия потока выхлопных газов передается компрессорному воздуху второго компрессора (9).

9. Турбина по одному из пп.1-8, отличающаяся тем, что предусмотрен второй внешний компрессор (9), который соединен с регулируемым высокоскоростным электроприводом (4) первого компрессора (9).

10. Турбина по одному из пп.2-9, отличающаяся тем, что для управления или регулирования высокоскоростного электропривода (4, 10) предусмотрен инвертор, имеющий промежуточный контур.

11. Турбина по одному из пп.1-10, отличающаяся тем, что компрессоры (3, 9) выполнены с возможностью регулирования посредством устройства управления независимо друг от друга, и управление газовой турбиной осуществляется по характеристике коэффициента полезного действия.

12. Способ эксплуатации газовой турбины по одному из пп.1-11 посредством импульсного и приблизительно изохорного сгорания топлива в камерах (5) сгорания через устанавливаемые интервалы времени, при этом колесо (12) газовой турбины нагружают двумя отдельными потоками компрессорного воздуха, и термическую энергию потока выхлопного газа возвращают прямо в газовую турбину, и управление газовой турбиной осуществляют по характеристике коэффициента полезного действия.