Газотурбинная силовая установка

MKHrFOlD 9/02       .
э н Газотурбинная силовая установка. Изобретение относится к газотурбинным двигателям и может быть использовано в силовых установках для привода электрогенераторов, насосов различного назначения, наземных, надводных и прочих транспортных средств. Известна газотурбинная силовая установка, частично решающая задачу повышения экономичности за счет регенерации энергии выхлопных газов турбины, которая производится посредством установки пластинчатого газа-воздушного теплообменника между компрессором и камерой сгорания (Э.А.Манушин,В.Е.Михальцев ,А.П.Чернобровкин,Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок под редакцией д-ра техн. наук проф. В. В. Уварова. Москва, « Машиностроение 1977г. Стр. 426. Рис. 173.) Газотурбинная силовая установка состоит из редуктора, компрессора для подачи воздуха в камеру сгорания, выход которой соединен со входом турбины,. Кольцевой ррубчатый теплообменник установлен соосно силовой турбине и охватывает ее снаружи. Теплообменник входом по газу сообщен с выходом турбины, а выход его с помощью кожуха сообщен с внешней средой. Вход теплообменника по воздуху сообщен с выходом из компрессора, а выход из него по воздуху сообщен с камерой сгорания. Патрубок турбины выполнен с поворотом канала более 90°. При подводе затурбинного газа в теплообменник , вследствие поворота возникают большие гидравлические потери которые повышают давление за турбиной, следствием чего является снижение ее мощности. Дополнительный подвод тепла в камеру сгорания от выхлопных газов незначительно увеличивает кономичность установки. Уменьшение давления на входе в турбину и увеличение давления на выходе из ее приводит к снижению мощности турбины. Известна газотурбинная силовая установка, так же частично решающая задачу повышения экономичности за счет регенерации энергии выхлопных газов силовой турбины посредством установки трубчатого газа-воздушного теплообменника между компрессором и камерой сгорания и его конструктивного расположения соосно турбине(«Теория реактивных двигателей под редакцией академика Б. С. Стечкина. «Государственное издательство оборонной промышленности, Москва 1958г.,
Стр. 360. Фиг. 12.12. Схема ТВД с регенерацией тепла.) Фип 12.13. Фиг. 12.Ит-Офг-З -. ), являющаяся наиболее близким аналогом.
Газотурбинная силовая установка состоит из редуктора, компрессора для подачи воздуха в камеру сгорания, выход которой соединен со входом турбины. Теплообменник установлен соосно турбине. Теплообменник входом по газу сообщен с выходом турбины, а выход его с помощью кожуха сообщен с внешней средой. Вход теплообменника по воздуху сообщен с выходом из компрессора, а выход из него по воздуху сообщен с камерой сгорания.
Выхлопной патрубок силовой турбины представляет собой кольцевой канал с увеличивающейся площадью на входе в теплообменник. Поскольку подвод затурбинного газа в теплообменник осуществляется без поворота гидравлические потери, связанные с ним отсутствуют.
Дополнительный подвод тепла в камеру сгорания от выхлопных газов незначительно увеличивает экономичность установки. Это обусловлено тем, что установка теплообменника влечет за собой повыщение давления за турбиной, вследствие гидравлических потерь в нем давления газа. Кроме того, происходит снижение давления перед турбиной в следствие гидравлических потерь давления воздуха в теплообменнике поступающего из компрессора на вход турбины. Уменьшение давления на входе в турбину и увеличение давления на выходе из нее приводит к снижению мощности турбины.
Развитые теплообменные поверхности трубчатого теплообменника со стороны газа покрываются сажей поэтому увеличивается гидравлическое сопротивление газового тракта уменьщается передача тепла от газа к воздуху. Засорение сажей происходит неравномерно возникают области полного перекрытия каналов это ведет к неравномерности температур стенок к трещинам и утечкам воздуха высокого давления, что приводит к снижению мощности. При запуске двигателя каналы забитые сажей смачиваются топливом , которое загорается когда температура газов возрастает до температуры самовоспламенения топлива.
Изобретение позволяет увеличить экономичность газотурбинной установки путем увеличения ее мощности, а так же исключить возможность ее самовоспламенения.
Это достигается в газотурбинной силовой установке, состоящей из редуктора, компрессора для подачи воздуха в камеру сгорания, выход которой соединен со входом турбины.
Новым является то, что установка дополнительно содержит паровой котел, один вход которого сообщен с выходом турбины , второй - с насосом для подачи воды, а выход (ы) для охлажденного газа и пара сообщен(ы) со входом парогазового эжектора, при этом насос для подачи воды подсоединен к редуктору.
Изобретение решает задачу создания за силовой турбиной давления ниже атмосферного и соответственно увеличения перепада давления на турбине, при сохранении расхода топлива.
В прототипе и аналоге выхлопной газ отдает тепло воздуху, поступающему в камеру сгорания с помощью теплообменника, что уменьшает количество топлива подаваемого в нее для нагрева воздуха до предельной температуры на входе в турбину. Уменьшение давления на входе в турбину в следствие гидравлических потерь давления воздуха в теплообменнике и увеличение давления на выходе из нее приводит к снижению мощности турбины.
Отработанные в турбине выхлопные газы имеют приблизительно следующие параметры: температуру 500°С и абсолютное давление 1 кг/см
Размещение в газотурбинной установке парового котла, один вход которого сообщен с выходом турбины , второй - с насосом для подачи воды, а выход (ы) для охлажденного газа и пара сообщен(ы) со входом парогазового эжектора, а насоса для подачи воды подсоединенным к редуктору позволяет повысить ее мощность.
Передача тепловой энергии выхлопных газов в паровом котле пару, обеспечивает создание дополнительного рабочего тела (пара) в цикле газотурбинной силовой установки. Дополнительное рабочее тело-пар совершает работу по сжатию газа в эжекторе. Поэтому, перед эжектором (на входе) создается давление равное 0.5 кг/см (равное давлению за турбиной)..
При сохранении давления перед турбиной и уменьшении абсолютного давления за турбиной 0.5 кг/см (в прототипе равно 1 кг/см) мощность турбины возрастает.
Отсутствие в схеме газотурбинной установки теплообменника позволяет исключить возможность ее самовоспламенения.
На фиг.1 изображена схема газотурбинной силовой установки
На фиг.2.изображен термодинамический цикл газотурбинной силовой установки
Газотурбинная силовая установка состоит из компрессора 1 для подачи воздуха в камеру сгорания 2, выход которой соединен со входом турбины 3.
Газотурбинная силовая установка дополнительно содержит паровой котел 4, один вход которого сообщен с выходом турбины 3, второй - с насосом для подачи воды 5, а выход (ы) для охлажденного газа и пара сообщен(ы) со входом парогазового эжектора 6. Паровой котел 4 может быть конструктивно выполнен с одним выходом для вывода струи газа и расположенной внутри нее струи пара или с
ijoo.m eотдельными выходами для пара и для газа. Насос для подачи воды 5, может быть расположен на корпусе
редуктора 7 и подсоединен к нему.
В компрессоре 1 сжимается воздух и направляется в камеру сгорания 2 в которой сжигают топливо. Процесс подвода тепла от сгоревшего топлива к воздуху обозначен на фиг.2 линией 1-2. Количество этого тепла(фиг.2) обозначено q i Газ от камеры сгорания 2 подается на турбину 3. На турбине происходит расширение горячего газа по линии 2-3. Точка 3 на фафике соответствует атмосферному внешнему давлению. Отработанный турбиной 3 газ подводится к котлу4 . Водяной насосЗ приводится в движение редуктором 7 и подает в котел 4 воду. Вода нагревается поступившим в него газом до состояния пара. Пар и охлажденный, в следствие отдачи тепла для испарения воды газ направляются в парогазовый эжектор 6. Количество тепла (фиг.2), содержащегося в парогазовой смеси на выходе из эжектора обозначено 2.
Сущность работы такого парогазового эжектора заключается в том, что потенциальная энергия пара, полученного в котле 4, в эжекторе превращается в кинетическую энергию струи пара и при смещении передаётся струе выхлопного газа, создавая давление на выходе из турбины 3 меньще атмосферного, т.е. струя пара эжектирует горячий, но не имеющий избыточного давления выхлопной газ. Выхлопной газ является рабочим телом газотурбинной установки, следовательно эжектор преобразует тепловую энергию выхлопных газов в кинетическую энергию выхлопных газов увеличивая мощность установки без дополнительного расхода топлива т.е. производит регенерацию в термодинамический цикл тепла выхлопных газов без теплообменника. Такой регенеративный цикл не известен.
Например, при использовании двигателя ГТД-350 и предложенного изобретения отработанные в турбине 3 выхлопные газы имеют приблизительно следующие параметры: температуру 500°С , абсолютное давление 0,7 и расход 2 кг/сек. Они нагревают воду, подаваемую с высоким давлением насосом 5 в паровой котел 4. Вода превращается в пар с высоким давлением. Таким образом, тепловая энергия выхлопных газов превращается в потенциальную энергию пара. Охлажденный выхлопной газ имеет приблизительно температуру 300°С и абсолютное давление 0,5 кг/см, а пар давление порядка 20 кг/см и температуру 300°С. В эжекторе потенциальная энергия давления пара переходит в кинетическую энергию смеси пара с газом, что повыщает давление смеси на выходе эжектора до атмосферного. Пар совершает работу по сжатию охлажденного газа от значения давления 0,7кг/см до 1 атмосферы.
V//
4
По линии 3-4 происходит продолжение расширения газа в турбине 3 до давления меньше атмосферного. Линия 4-5 соответствует процессу, происходящему в эжекторе, а линия 5-1 процессу сжатия атмосферного воздуха в компрессоре.
Т.о в случае работы газотурбинной установки без парового котла, насоса и эжектора (прототип и аналог) мощность ее определялась бы площадью фигуры ограниченной линиями 1-2,2-3, 3-5 и 5-1.
При использовании предложенного изобретения на графике фиг.2 появляется точка 6, которая соответствует давлению атмосферного воздуха при давлении рабочего тела за турбиной.
Точка 7 и 8 являются проекциями соответственно точек 5 и 1 на ось абсцисс. Площад фигуры, ограниченной линиями 1-5,5-7,7-8,8-1 соответствует мощности компрессора.
Мощность газотурбинной установки состоит из мощности турбины 3 за вычетом мощности компрессора 1.
При использовании изобретения, т.е. установки парового котла, насоса и эжектора мощность турбины соответствует площади фигуры, ограниченной линиями 8-2,2-4,4-6, 6-8.
Мощность газотурбинной установки соответствует площади фигуры ограниченной линиями 1-2,23,3-4,4-6,6-7,7-5,5-1.
Из графика (фиг.2) видно, что при равном количестве подведенного топлива мощность установки возросла на величину соответствующую площади фигуры ограниченной линиями 3-4,4-6,6-7,7-5-3. Расчёты показывают, что установка парового котла, насоса и эжектора на малоразмерный вертолётный серийный двигатель ГТД 350 эксплуатирующийся на вертолёте МИ-2 увеличивает эффективную мощность с 17% до 40%, что позволяет использовать этот двигатель в качестве наземной силовой установки различного назначения.
Отсутствие в схеме газотурбинной установки теплообменника позволяет исключить возможность ее самовоспламенения.
0-f