ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2022 года по МПК F02C7/143 F01D25/26 F04D29/58 

Предлагаемая газотурбинная установка относится к области электроэнергетики и может быть использована на газотурбинных (ГТУ) и парогазовых (ПТУ) установках тепловых электрических станций.

Известен аналог - газотурбинная установка (патент РФ №2224901, F02C 7/10, авторы Степанов А.Ю., Ануров Ю.М., Сударев Б.В., Тараканов А.Б., Ширманов В.М., публикация 27.02.2004), содержащая соединенные по ходу рабочего тела цикла Брайтона компрессор, регенератор, камеру сгорания и турбину. Недостатком устройства-аналога является то, что он обладает низким КПД.

Известен прототип - газотурбинная установка (Цанев СВ. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций / СВ. Цанев, В.Д. Буров, А.Н. Ремезов. - М.: Изд-во МЭИ, 2002. Смотр, стр. 37-38), содержащая соединенные по ходу рабочего тела цикла Брайтона компрессор низкого давления (КНД) и компрессор высокого давления (КВД) с промежуточным охладителем воздуха, регенератор, камеру сгорания и турбину.

Недостатком устройства-прототипа является то, что необходимы, по крайней мере, два компрессора, что усложняет и увеличивает габариты конструкции. Устройство-прототип обладает более высоким КПД, чем устройство-аналог.

Техническая задача заключается в снижении работы на привод компрессора и тем самым в повышении эффективности газотурбинной установки.

Технический эффект, используемый при решении технической задачи, состоит в изотермическом сжатии воздуха. Достигается это тем, что в газотурбинной установке, содержащей соединенные по ходу рабочего тела цикла Брайтона компрессор, регенеративный теплообменник, камеру сгорания, турбину и блок охлаждения воздуха, корпус компрессора выполнен двухстенным с полостью между ними, при этом выход блока охлаждения воздуха соединен со входом в полость, вход блока охлаждения воздуха соединен с выходом из полости, образуя контур охлаждения воздуха, а вход в полость расположен со стороны выхода компрессора. Кроме того, направляющие лопатки статора компрессора выполнены с протоками, соединенными с полостью в корпусе. Кроме того, контур охлаждения воздуха содержит хладагент, например, фреон.

На Фиг. 1 представлена упрощенная схема предлагаемой газотурбинной установки.

На Фиг. 2 представлены TS - диаграммы циклов Брайтона для устройства-аналога, устройства-прототипа и для предлагаемого устройства.

На Фиг. 3 представлены PV - диаграммы циклов Брайтона для устройства-аналога, устройства-прототипа и для предлагаемого устройства.

Согласно Фиг. 1 в газотурбинной установке, содержащей соединенные по ходу рабочего тела цикла Брайтона компрессор 1, регенеративный теплообменник 2, камеру 3 сгорания, турбину 4 и блок 5 охлаждения воздуха, корпус (статор) компрессора выполнен двухстенным (Трухний А.Д. Стационарные паровые турбины. - 2-e изд., перераб. и доп. -М.: Энергоатомиздат, 1990. - 640 с., стр. 89) с полостью 6 между ними, при этом выход блока 5 охлаждения воздуха соединен со входом в полость 6, вход блока 5 охлаждения воздуха соединен с выходом из полости 6, образуя контур охлаждения воздуха, а вход в полость 6 расположен со стороны выхода компрессора 1. Направляющие лопатки 7 (на фиг. 1 приведена лишь одна ступень) статора компрессора выполнены с протоками, соединенными с полостью в корпусе (статоре). А контур охлаждения воздуха содержит хладагент, например, фреон. При этом, например, блок 5 охлаждения воздуха и полость 6 образуют классическую компрессорную холодильную установку, а полость 6 является испарителем, где фреон закипает, охлаждая воздух в компрессоре. (https://cosmo-frost.ru/xolodilniki/kak-rabotaet-xolodilnik-principy-cikly-rezhimy/).

При работе газотурбинной установки давление воздуха из воздухозаборника 8 в компрессоре 1 возрастает до расчетного значения и далее поступает в регенеративный теплообменник 2, а затем в камеру 3 сгорания с подачей топлива 9. Далее газ при высокой температуре поступает в турбину 4. Отработав, далее газ через регенеративный теплообменник 2 сбрасывается в атмосферу 10. Благодаря циркуляции хладагента в контуре охлаждения воздуха при прохождении воздуха через компрессор не происходит повышения его температуры, вызываемой работой сжатия. Турбина 4 вращает электрогенератор 11, отдавая электроэнергию в сеть 12.

Для идеальной газотурбинной установки (т.е. без учета потерь) на Фиг. 2 представлены TS - диаграммы, а на Фиг. 3 представлены PV - диаграммы циклов Брайтона для устройства-аналога, устройства-прототипа и для предлагаемого устройства. При этом площадь abcda пропорциональна полезной работе устройства-аналога, площадь aefmbcda пропорциональна полезной работе устройства-прототипа, а площадь afnmbcda пропорциональна полезной работе предлагаемого устройства. Из сравнения указанных площадей полезной работы очевидно преимущество предлагаемого устройства, с полостью 6 между ними, при этом выход блока 5 охлаждения воздуха соединен со входом в полость 6, вход блока 5 охлаждения воздуха соединен с выходом из полости 6, образуя контур охлаждения воздуха, а вход в полость 6 расположен со стороны выхода компрессора 1. Направляющие лопатки 7 (на Фиг. 1 приведена лишь одна ступень) статора компрессора выполнены с протоками, соединенными с полостью в корпусе (статоре). А контур охлаждения воздуха содержит хладагент, например, фреон. При этом, например, блока 5 охлаждения воздух и полость 6 образуют классическую компрессорную холодильную установку, а полость 6 является испарителем, где фреон закипает, охлаждая воздух в компрессоре (https://cosmo-frost.ru/xolodilniki/kak-rabotaet-xolodilnik-principy-cikly-rezhimy/).

При работе газотурбинной установки давление воздуха из воздухозаборника 8 в компрессоре 1 возрастает до расчетного значения и далее поступает в регенеративный теплообменник 2, а затем в камеру 3 сгорания с подачей топлива 9. Далее газ при высокой температуре поступает в турбину 4. Отработав, далее газ через регенеративный теплообменник 2 сбрасывается в атмосферу 10. Благодаря циркуляции хладагента в контуре охлаждения воздуха при прохождении воздуха через компрессор не происходит повышения его температуры, вызываемого работой сжатия. Турбина 4 вращает электрогенератор 11, отдавая электроэнергию с сеть 12.

Для идеальной газотурбинной установки (т.е. без учета потерь) на Фиг. 2 представлены TS - диаграммы, а на Фиг. 3 представлены PV - диаграммы циклов Брайтона для устройства-аналога, устройства-прототипа и для предлагаемого устройства. При этом площадь abcda пропорциональна полезной работе устройства-аналога, площадь aefmbcda пропорциональна полезной работе устройства-прототипа, а площадь afnmbcda пропорциональна полезной работе предлагаемого устройства. Из сравнения указанных площадей полезной работы очевидно преимущество предлагаемого устройства.

Изобретение позволяет реализовать изотермическое сжатие воздуха (газа), что требует минимальной работы на привод компрессора, и как следствие - уменьшение габаритов компрессора. Максимальный КПД ГТУ достигается регенерацией теплоты с использованием охлаждения воздуха в компрессоре.

Литература

1. Патент РФ №2224901, F02C 7/10, авторы Степанов А.Ю., Ануров Ю.М., Сударев Б.В., Тараканов А.Б., Ширманов В.М., публикация 27.02.2004.

2. Цанев С.В. «Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций (С.В. Цанев, В.Д. Буров, А.Н. Ремезов. - М.: Изд-во МЭИ, 2002, стр. 37-38).

Изобретение относится к энергетике. Газотурбинная установка, содержащая соединенные по ходу рабочего тела цикла Брайтона компрессор, регенеративный теплообменник, камеру сгорания и турбину, снабжена блоком охлаждения воздуха, корпус компрессора выполнен двухстенным с полостью между ними, при этом выход блока охлаждения воздуха соединен с входом в полость, вход блока охлаждения воздуха соединен с выходом из полости, образуя контур охлаждения воздуха, а вход в полость расположен со стороны выхода компрессора. Направляющие лопатки статора компрессора выполнены с протоками, соединенными с полостью в корпусе. Контур охлаждения воздуха содержит хладагент, например фреон. Изобретение позволяет повысить эффективность газотурбинной установки благодаря изотермическому сжатию воздуха. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Газотурбинная установка, содержащая соединенные по ходу рабочего тела цикла Брайтона компрессор, регенеративный теплообменник, камеру сгорания, турбину и блок охлаждения воздуха, отличающаяся тем, что корпус компрессора выполнен двухстенным с полостью между ними, при этом выход блока охлаждения воздуха соединен с входом в полость, вход блока охлаждения воздуха соединен с выходом из полости, образуя контур охлаждения воздуха, а вход в полость расположен со стороны выхода компрессора.

2. Газотурбинная установка по п. 1, отличающаяся тем, что направляющие лопатки статора компрессора выполнены с протоками, соединенными с полостью в статоре.

3. Газотурбинная установка по п. 1, отличающаяся тем, что контур охлаждения воздуха содержит хладагент, например фреон.