Газотурбинная установка со сверхкритическим расширением рабочего газа Российский патент 2022 года по МПК F02C3/34 

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и касается конструирования газотурбинных установок, используемых в электроэнергетике.

Известны газотурбинные установки (ГТУ) разомкнутого процесса со сгоранием при постоянном давлении и регенерацией тепла [1], [2], [3].

На Рис. II. 75. [1] представлена схема ГТУ содержащая: компрессор 1; регенератор 2; камеру сгорания 3; газовую турбину 4; электрогенератор 5.

Компрессор 1 засасывает воздух, сжимает его и подает в регенератор 2, где воздух подогревается отработавшими газами и попадает в камеру сгорания 3, откуда рабочий газ направляется в турбину 4. Отработавший газ из турбины 4, через регенератор 2 выбрасывается в атмосферу. Избыточная мощность снимается электрогенератором 5 с вала турбины 4.

Прототипом заявляемому устройству является [1].

Недостатки прототипа [1].

1. Низкая экономичность. КПД реально построенных ГТУ не превосходит η_e≈0,25-0,32 (25-32%).

Повысить экономичность и одновременно увеличить удельную работу ГТУ можно, снижая работу сжатия и увеличивая работу расширения. Снизить работу сжатия (как вариант) можно путем применения низкой степени повышения давления β<3, а увеличить работу расширения можно применив высокие начальные температуры газа T_{1 т}, которые в настоящее время ограничиваются, главным образом, жаростойкостью используемых материалов для турбины и поэтому Т_1т<1450 К [2].

2. Большие габариты (размеры) и масса установок [1], [2], [3].

Существенный недостаток этих установок заключается в необходимости иметь регенератор с чрезвычайно развитыми поверхностями теплообмена, работающими при высоких давлениях и температурах, что приводит к увеличению их размеров и массы, в том числе и всей установки в целом.

Цель изобретения.

Повышение экономичности и сокращение габаритов и массы установки.

Цель достигается следующим: газотурбинная установка со сверхкритическим расширением рабочего газа, содержащая компрессор, регенератор, камеру сгорания, газовую турбину, электрогенератор, при этом рабочий газ из камеры сгорания направляется в проточную часть канального прямоточного газоохладителя, где расширяется до сверхзвуковой скорости, при этом проточная часть канального прямоточного газоохладителя пристыкована к проточной части турбины, а сам канальный прямоточный газоохладитель расположен вокруг оси камеры сгорания, причем сжатый воздух из компрессора подается в межтрубное пространство канального прямоточного газоохладителя, а из него в камеру сгорания, при этом турбина, электрогенератор, компрессор связаны между собою кинематически через редуктор.

Сокращение габаритов и массы установки достигается за счет высоких скоростей рабочего газа и высоких коэффициентов теплоотдачи в теплообменник поверхностях канального прямоточного газоохладителя (КГО), являющегося в данном случае регенератором. Например, в точке 3 процесса, при подаче в проточную часть КГО рабочего газа, с параметрами t₃=1073 K, Р₃=0,25 Мпа, W₃=680 м/с (что соответствует критическому истечению), с последующим регенеративным охлаждением рабочего газа до t₄=453 K (180°C) и увеличением при этом скорости рабочего газа до сверхкритической W₄=880 м/с, при выходе из КГО в проточную часть турбины, где эта скорость срабатывается до 20-50 м/с. ермодинамическое обоснование этих процессов [4].

Повышение экономичности установки достигается за счет высокой скорости истечения рабочего газа из проточной части КГО (W₄=880 м/с) в проточную часть турбины, что позволяет применять турбины с одной или двумя ступенями скорости при η_oi=0,7-0,8 (η_е=0,63-0,72), а также за счет применения регенерации тепла в КГО.

Предлагаемое устройство поясняется чертежом.

Изображение состоит из одной фигуры - Фигура 1 «Газотурбинная установка со сверхкритическим расширением рабочего газа».

Фигура 1 изображает Схему (а) и термодинамический цикл (б) предлагаемой ГТУ.

ГТУ содержит компрессор 1, прямоточный канальный газоохладитель 2, камеру сгорания 3, газовую турбину 4, электрогенератор 5, редуктор 6, горелку 7.

Устройство работает следующим образом.

Компрессор 1 засасывает воздух из атмосферы, сжимает его до Р₂=0,25 Мпа,

Т₂=415 К (142°С) и подает в межтрубное пространство КГО, где воздух нагревается, отбирая при этом тепло у сверхкритически расширяющегося рабочего газа, текущего по трубам проточной части КГО (это процесс регенерации теплоты участок 3-4 термодинамического цикла). В результате мы получаем рабочий газ с параметрами t₄=453 K (180°С) и скоростью W₄=880 м/с, который направляется в проточную часть турбины 4, где срабатывает скорость до 20-50 м/с и выбрасывается в атмосферу.

Турбина 4, электрогенератор 5, компрессор 1 связаны между собою кинематически через редуктор 6, чтобы согласовать собственные скорости вращения. Поскольку предлагаемая ГТУ работает на электрический генератор с постоянной скоростью вращения, частичные нагрузки можно получить изменением температуры в камере сгорания - увеличивая или уменьшая подачу тепла (топлива).

Литература.

1. Бальян С. В. «Техническая термодинамика и тепловые двигатели». Л. «Машиностроение», 1973 г. С. 18, 219.

2. Манушин Э.А. «Газовые турбины: проблемы и перспективы», М.: «Энергоатомиздат», 1986 г. С. 32-39.

3. Ольховский Г.Г. «Энергетические газотурбинные установки», М.: «Энергоатомиздат», 1985 г. С. 15-18.

4. Вукалович М.П., Новиков И.И. «Термодинамика», М. «Машиностроение», 1972 г. С. 324-327; 554-557.

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и касается конструирования газотурбинных установок, используемых в электроэнергетике. Газотурбинная установка со сверхкритическим расширением рабочего газа, содержащая компрессор, регенератор, камеру сгорания, газовую турбину, электрогенератор, при этом рабочий газ из камеры сгорания направляется в проточную часть канального прямоточного газоохладителя, где расширяется до сверхзвуковой скорости, при этом проточная часть канального прямоточного газоохладителя пристыкована к проточной части турбины, а сам канальный прямоточный газоохладитель расположен вокруг оси камеры сгорания, причем сжатый воздух из компрессора подается в межтрубное пространство канального прямоточного газоохладителя, а из него в камеру сгорания, при этом турбина, электрогенератор, компрессор связаны между собою кинематически через редуктор. Изобретение позволяет повысить экономичность ГТУ и уменьшить габариты и массу установки. 1 ил.

Газотурбинная установка со сверхкритическим расширением рабочего газа, содержащая компрессор, регенератор, камеру сгорания, газовую турбину, электрогенератор, отличающаяся тем, что рабочий газ из камеры сгорания направляется в проточную часть канального прямоточного газоохладителя, где расширяется до сверхзвуковой скорости, при этом проточная часть канального прямоточного газоохладителя пристыкована к проточной части турбины, а сам канальный прямоточный газоохладитель расположен вокруг оси камеры сгорания, причем сжатый воздух из компрессора подается в межтрубное пространство канального прямоточного газоохладителя, а из него в камеру сгорания, при этом турбина, электрогенератор, компрессор связаны между собою кинематически через редуктор.