СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ И ТУРБОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2024 года по МПК F02C6/00 

Изобретение относится к способам преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано в различных силовых установках.

Известны различные способы повышения эффективности газотурбинных энергетических установок, без повышения температуры выхлопных на входе в турбину и улучшения аэродинамических характеристик воздушного компрессора и турбины. К таким решениям в частности относится использование рекуператора (теплообменника) для подогрева за счет тепловой энергии выхлопных газов из-за турбины поступающего из компрессора в камеру сгорания сжатого воздуха.

Из технической литературы известны установки, реализующие термодинамический цикл Брайтона, включающий нагрев газообразного рабочего тела, преобразование тепловой энергии в механическую энергию посредством турбокомпрессора, рекуперацию тепла, оставшегося в рабочем теле после преобразования и отвод остаточного (после рекуперации) низкопотенциального тепла из рабочего контура во внешнюю среду. Известны также паротурбинные установки, реализующие цикл Ренкина.

Известна комбинированная тепловая система с замкнутым контуром для рекуперации отработанного тепла и способ ее эксплуатации (RU 2551458), включающая: систему цикла Брайтона, содержащую: нагреватель, предназначенный для циркуляции пара диоксида углерода при теплообмене с горячей текучей средой, для нагревания пара диоксида углерода; первую турбину, соединенную с нагревателем и предназначенную для расширения пара диоксида углерода; холодильник и компрессор, предназначенный для сжатия пара диоксида углерода, подаваемого холодильником; систему цикла Ренкина, соединенную с системой цикла Брайтона; причем система цикла Ренкина включает первый теплообменник, второй теплообменник и третий теплообменник, причем пар диоксида углерода из первой турбины циркулирует при теплообмене с парообразным рабочим телом последовательно через первый теплообменник, второй теплообменник и третий теплообменник для нагревания рабочего тела; холодильник, предназначенный для охлаждения пара диоксида углерода, подаваемого через первый теплообменник, второй теплообменник и третий теплообменник; четвертый теплообменник, предназначенный для циркуляции парообразного рабочего тела при теплообмене с паром диоксида углерода, подаваемым из компрессора, для нагревания рабочего тела; при этом пар диоксида углерода из четвертого теплообменника нагревают нагревателем системы цикла Брайтона; вторую турбину, предназначенную для расширения парообразного рабочего тела, подаваемого из четвертого теплообменника через первый теплообменник; конденсатор, предназначенный для конденсации парообразного рабочего тела, подаваемого из второй турбины через третий теплообменник. К недостаткам данной системы можно отнести сложность конструкции, наличие нескольких валов и генераторов.

Известна (RU 2716766) энергетическая установка с машинным преобразованием энергии, в состав которой входят электрогенератор, магистральный замкнутый газовый контур, реализующий термодинамический цикл Брайтона, включающий источник тепла, турбокомпрессор, кинематически связанный с электрогенератором, теплообменник-регенератор тепла, теплообменник-холодильник системы отвода низко потенциального тепла из газового контура и магистральный парожидкостный замкнутый контур, реализующий термодинамический цикл Ренкина, включающий источник тепла в виде теплообменника-парогенератора, турбонасосный агрегат, кинематически связанный с электрогенератором, холодильник-конденсатор паровой фазы рабочего тела отличающаяся тем, что теплообменник-парогенератор включен теплопередающим трактом в магистраль газового контура между нагревателем и турбиной турбокомпрессора, тепло принимающим трактом - в магистраль парожидкостного контура на входе в турбину турбонасосного агрегата, при этом в магистраль парожидкостного контура между насосом турбонасосного агрегата и теплообменником-парогенератором последовательно включены тепло принимающими трактами межконтурный теплообменник, теплопередающий тракт которого включен в магистраль между теплообменником-регенератором тепла и теплообменником-холодильником газового контура, и теплообменник-регенератор парожидкостного контура, тепло принимающий тракт которого включен в магистраль между выходом турбины турбонасосного агрегата и входом в холодильник-конденсатор. Недостаток данной энергетической установки состоит в том, что передача мощности на вал электрогенератора в основном осуществляется в парожидкостном контуре энергоустановки, что ведет к снижению эффективности энергетической установки.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип является газотурбинная установка с утилизацией тепла уходящих газов (RU 2613756), содержащая газотурбинный двигатель, состоящий из воздушного компрессора, камеры сгорания и силовой турбины, и паровой контур с паровой турбиной и теплообменником-испарителем с проходящей через него магистралью уходящего газа газотурбинного двигателя, при этом валы силовой турбины и паровой турбины подключены через редуктор к гребному валу, отличающаяся тем, что снабжена криогенной емкостью с сжиженным природным газом, криогенным насосом, испарителем сжиженного природного газа, через который проходит магистраль атмосферного воздуха, идущая в воздушный компрессор, теплообменником-подогревателем природного газа, через который проходит магистраль уходящих газов газотурбинного двигателя, при этом воздушный компрессор, силовая и паровая турбина расположены на одном валу, паровой контур выполнен в виде установки органического цикла Ренкина (ORC), содержащего теплообменник-испаритель, паровую турбину, рекуператор, теплообменник-конденсатор и циркуляционный насос, магистраль уходящих газов из силовой турбины газотурбинного двигателя последовательно проходит через теплообменник-испаритель парового контура и теплообменник-подогреватель природного газа, а через теплообменник-конденсатор парового контура проходит магистраль охлаждающей среды.

Недостатками данного решения являются использование сжиженного природного газа с криогенной температурой хранения требующее использования сложных систем хранения; неглубокая степень утилизации тепла, что выражается в использовании однокаскадной схемы паротурбинной установки, работающей по органическому циклу Ренкина, высокая температура выхлопных газов на выходе из теплообменника-испарителя, неиспользовании рекуператора в газотурбинном двигателе; использование массивного редуктора для передачи крутящего момента на винт; наличие конденсатора, для охлаждения которого используется забортная вода; использование четырех различных жидкостей: сжиженного природного газа - в качестве топлива в газотурбинном двигателе, рабочей жидкости - в ORC, масла - для охлаждения и смазки опор, забортной воды - для охлаждения конденсатора.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков и создание надежной и эффективной турбоэлектрической силовой установки.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в повышении эффективности силовой установки, заключающейся в увеличении надежности и продолжительности работы, снижении уровня шума и заметности в инфракрасном и видимом диапазоне электромагнитного спектра, а также технологичности ее технического обслуживания.

Полученный технический результат достигается за счет того, что согласно изобретению способ преобразования тепловой энергии в электрическую, включающий использование комбинированного цикла Брайтона - Ренкина, отличается тем, что в качестве топлива в цикле Брайтона и рабочего тела в органическом цикле Ренкина используется незамерзающий при низких отрицательных температурах наружного воздуха сжиженный пропан-бутан, перед подачей в камеру сгорания в цикле Брайтона воздух нагревается в рекуператоре газотурбинного двигателя, а пропан-бутан последовательно нагревается от статоров электродвигателей циркуляционных насосов и в теплообменниках-перегревателях низкого и высокого давления за счет энергии выхлопных газов поступающих из-за газовой турбины, для повышения электрической эффективности силовой установки используются ORC-турбины, для повышения эффективности цикла Ренкина пропан-бутан перед подачей в теплообменник-перегреватель высокого давления подогревается в рекуператоре ORC-турбины, пропан-бутан перед подачей в теплообменник-перегреватель низкого давления подогревается за счет тепла выделяемого в статорах генератора и электроприводов, причем пропан-бутан в теплообменнике-перегревателе низкого давления охлаждает выхлопные газы, поступающие из рекуператора газотурбинного двигателя и теплообменника-перегревателя высокого давления ниже точки росы, образовавшийся конденсат через конденсатосборник поступает на вход рекуператора газотурбинного двигателя, где испаряется и смешиваясь с нагретым воздухом образует паровоздушную смесь, поступающую в камеру сгорания газотурбинного двигателя, а турбоэлектрическая установка, включающая выполненную в виде стартер-генератора электрическую машину, и вал с расположенным на нем газотурбинным двигателем, отличается тем, что дополнительно включает рекуператор газотурбинного двигателя, и ORC-турбину, причем опоры роторов газотурбинного двигателя и ORC-турбины расположены в холодных зонах.

Сущность изобретения поясняется схемой установки (Фиг. 1), где

1 - топливный бак,

2 - ресивер-конденсатор,

3 - камера сгорания газотурбинного двигателя,

4 - рекуператор газотурбинного двигателя,

5 - турбина газотурбинного двигателя,

6 - компрессор газотурбинного двигателя,

7 - опора ротора газотурбинного двигателя,

8 - вал,

9 - электромашина гибридной силовой установки,

10, 11 - перегреватель - теплообменник высокого и низкого давления (соответственно),

12, 13 - ORC- турбины,

14 - опора ротора ORC турбин,

15 - конденсатосборник,

16 - рекуператор предварительного подогрева рабочего тела,

17 - привод-электродвигатель силовой установки,

18 - клапаны-регуляторы,

19 - электронасосы.

Движение и дозирование пропан-бутана в контурах циклов Брайтона и Ренкина осуществляется при помощи клапанов регуляторов и электродвигателей насосов, установленных соответствующим образом и управляемых при помощи системы автоматического управления (не показана) силовой установки.

Связь термодинамических циклов Брайтона и Ренкина осуществляется через теплообменники-перегреватели 10 и 11.

При запуске силовой установки при помощи аккумуляторной батареи (не показана) запускаются электродвигатель топливного насоса, который осуществляет заполнение пропан-бутаном из топливного бака 1 ресивера-конденсатора 2, электродвигатель циркуляционного насоса контура низкого давления, который обеспечивает прокачку сжиженного пропан-бутана через обмотки статора электромашины гибридной силовой установки 9 и опору ротора 14 с возвращением пропан-бутана обратно в ресивер-конденсатор 2, электромашина 9 гибридной силовой установки, которая работая в режиме стартера вращает вал 8 и приводит во вращение газотурбинный двигатель и ORC- турбины и электродвигатели циркуляционных насосов, которые направляют сжиженный пропан-бутан через рекуператор предварительного подогрева рабочего тела 16, обмотки статора привода электродвигателя гибридной установки 17 и обмотки статора электромашины гибридной силовой установки 9 в перегреватели теплообменники высокого и низкого давления 10 и 11. Из теплообменников 10 и 11 пропан-бутан в газообразном состоянии направляется в ORC турбины 12 и 13 для совершения работы, после чего в ресивере-конденсаторе 2 происходит его конденсация. При достижении валом 8 оборотов холостого хода происходит переключение электропитания всех электронасосов и других потребителей летательного аппарата от аккумуляторной батареи к электромашине 9, а также запуск привода - электродвигателя гибридной силовой установки 17.

После запуска силовой установки сжиженный пропан-бутан из топливного бака 1 через обмотки статоров электродвигателей циркуляционных насосов поступает в камеру сгорания 3, где происходит его воспламенение и дальнейший, за счет энергии выхлопных газов, разгон газотурбинного двигателя и ORC турбины. Выхлопные газы, охлаждаясь в перегревателе-теплообменнике 11, конденсируются, и образовавшаяся вода накапливается в конденсатосборнике 15 из которого с помощью электрического насоса частично опорожняется наружу, а также возвращается обратно в цикл Брайтона предварительно подвергаясь специальной обработке с последующим распылом за компрессором газотурбинного двигателя 6.

Повышение эффективности цикла Брайтона обеспечивается за счет подачи в камеру сгорания газотурбинного двигателя 3 высокотемпературной паровоздушной смеси, которая образуется за счет распыла конденсата воды из конденсатосборника 15 за компрессором 6 газотурбинного двигателя, использования рекуператора 4 газотурбинного двигателя, в котором за счет тепла выхлопных газов после турбины газотурбинного двигателя 5 подогревается паровоздушная смесь, поступающая в камеру сгорания газотурбинного двигателя 3 и последовательного нагрева и испарения от низкой до высокой температуры пропан-бутана поступающего в камеру сгорания 3 за счет тепла, выделяемого в статорах электродвигателей циркуляционных насосов, а также в перегревателях-теплообменниках 10 и 11 за счет тепла выхлопных газов, поступающих из рекуператора 4.

Повышение эффективности органического цикла Ренкина обеспечивается за счет глубокой утилизации тепла выхлопных газов для чего в цикле Ренкина реализовано два контура: контур высокого и низкого давления. Источником тепла в контуре высокого давления являются выхлопные газы, которые поступают из рекуператора 4 газотурбинного двигателя в перегреватель-теплообменник высокого давления 10, а также низкопотенциальное тепло пропан-бутана на выходе из колеса ORC турбины 13.

Источниками тепла в контуре низкого давления являются выхлопные газы, которые поступают из перегревателя-теплообменника высокого давления 10 в перегреватель-теплообменник низкого давления 11 и тепловая энергия от обмоток электромашины гибридной силовой установки 9 и привода электродвигателя силовой установки 17, а также опоры ротора 14 ORC- турбин. При этом выхлопные газы в теплообменнике-перегревателе низкого давления 11 охлаждаются ниже точки росы, выделяя скрытую теплоту парообразования, используемую в цикле, а образовавшийся конденсат из конденсатосборника 15, подвергнувшись обработке, поступает в рекуператор газотурбинного двигателя, где испаряется и смешиваясь с нагретым воздухом образует паровоздушную смесь, поступающую в камеру сгорания газотурбинного двигателя, что также повышает эффективность цикла Брайтона.

Предложенный способ преобразования тепловой энергии в электрическую и конструкция установки и позволяют:

- повысить существующий уровень эффективности и надежности в части обеспечения большей продолжительности работы силовой установки, а также за счет расширения рабочего температурного диапазона, в котором происходит ее надежный запуск;

- повысить экологичность силовой установки за счет использования камеры сгорания, использующей газообразное топливо, а также снижения уровня эмиссии в выхлопных газах оксидов азота, угарного и углекислого газов за счет их поглощения парами воды в камере сгорания и перегревателе-теплообменнике низкого давления;

- снизить уровень шума, создаваемого выхлопными газами и турбиной газотурбинного двигателя;

- снизить затраты на техническое обслуживание установки за счет исключения маслосистемы;

- упростить конструкцию за счет использования генератора в качестве стартера во время запуска, а также сокращения количества опор и размещения опор в холодных зонах;

- снизить заметность установки в видимом и инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра, за счет глубокой утилизации тепла выхлопных газов, отсутствия сажистых частиц за счет применения пропан-бутана в качестве топлива, а также за счет конденсации паров воды внутри установки и отсутствия инверсионного следа.

Группа изобретений относится к энергетике, в частности к преобразованию тепловой энергии в электрическую, и может найти применение в различных силовых установках. Технический результат состоит в повышении эффективности силовой установки, например, выражающейся в увеличении надежности и продолжительности работы, снижении уровня шума и заметности в инфракрасном и видимом диапазоне электромагнитного спектра, а также технологичности ее технического обслуживания. Первый объект группы изобретений относится к способу преобразования тепловой энергии в электрическую, включающему использование комбинированного цикла Брайтона - Ренкина, причём в качестве топлива в цикле Брайтона и рабочего тела в органическом цикле Ренкина используется незамерзающий при низких отрицательных температурах наружного воздуха сжиженный пропан-бутан, перед подачей в камеру сгорания в цикле Брайтона воздух нагревается в рекуператоре газотурбинного двигателя, а пропан-бутан последовательно нагревается от статоров электродвигателей циркуляционных насосов и в теплообменниках-перегревателях низкого и высокого давления за счет энергии выхлопных газов, поступающих из-за газовой турбины. Вместе с тем, для повышения электрической эффективности силовой установки используются ORC-турбины, для повышения эффективности цикла Ренкина пропан-бутан перед подачей в теплообменник-перегреватель высокого давления подогревается в рекуператоре ORC-турбины, пропан-бутан перед подачей в теплообменник-перегреватель низкого давления подогревается за счет тепла, выделяемого в статорах генератора и электроприводов, причем пропан-бутан в теплообменнике-перегревателе низкого давления охлаждает выхлопные газы, поступающие из рекуператора газотурбинного двигателя и теплообменника-перегревателя высокого давления, ниже точки росы, образовавшийся конденсат через конденсатосборник поступает на вход рекуператора газотурбинного двигателя, где испаряется и, смешиваясь с нагретым воздухом, образует паровоздушную смесь, поступающую в камеру сгорания газотурбинного двигателя, а турбоэлектрическая установка, включающая выполненную в виде стартер-генератора электрическую машину и вал с расположенным на нем газотурбинным двигателем, отличается тем, что дополнительно включает рекуператор газотурбинного двигателя и ORC-турбину, причем опоры роторов газотурбинного двигателя и ORC-турбины расположены в холодных зонах. Кроме того, также представлена турбоэлектрическая установка. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ преобразования тепловой энергии в электрическую, включающий использование комбинированного цикла Брайтона - Ренкина, отличающийся тем, что в качестве топлива в цикле Брайтона и рабочего тела в органическом цикле Ренкина используется сжиженный пропан-бутан, перед подачей в камеру сгорания в цикле Брайтона воздух нагревается в рекуператоре газотурбинного двигателя, а пропан-бутан последовательно нагревается в статорах электродвигателей циркуляционных насосов, теплообменниках-перегревателях низкого и высокого давления за счет энергии выхлопных газов, поступающих из-за газовой турбины, для повышения эффективности цикла Ренкина пропан-бутан перед подачей в теплообменник-перегреватель высокого давления подогревается в рекуператоре ORC-турбины, а перед подачей в теплообменник-перегреватель низкого давления подогревается за счет тепла, выделяемого в статорах генератора и электроприводов, пропан-бутан в теплообменнике-перегревателе низкого давления охлаждает выхлопные газы, поступающие из рекуператора газотурбинного двигателя и теплообменника-перегревателя высокого давления, ниже точки росы, а образовавшийся конденсат через конденсатосборник поступает на вход рекуператора газотурбинного двигателя, где испаряется и, смешиваясь с нагретым воздухом, образует паровоздушную смесь, поступающую в камеру сгорания газотурбинного двигателя.

2. Турбоэлектрическая установка, включающая аккумуляторную батарею, электрическую машину, электродвигатель, статические преобразователи напряжения, по меньшей мере один вал для вывода мощности с расположенным на нем газотурбинным двигателем, состоящим из компрессора, камеры сгорания и газовой турбины, отличающаяся тем, что дополнительно включает топливный бак, ресивер-конденсатор, перегреватели-теплообменники высокого и низкого давления, по меньшей мере две ORC-турбины, одна из которых работает в режиме турбодетандера с двухфазным потоком на выходе, рекуператор газотурбинного двигателя, используемый для подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания, за счет тепла выхлопных газов, и рекуператор ORC-турбины, используемый для подогрева рабочего тела, поступающего из ресивера-конденсатора в перегреватель-теплообменник высокого давления, за счёт тепла на выходе из ORC-турбины, причем электрическая машина выполнена в виде стартер-генератора, а опоры ротора газотурбинного двигателя и ORC-турбин расположены в холодных зонах.