Устройство кратковременного увеличения мощности газотурбинного двигателя танка подачей жидкости и(или) пара

Полезная модель относится к газотурбинным двигателям (ГТД) танков и может быть использована для быстрого кратковременного увеличения удельной мощности силовой установки танка.
Силовые установки танков с ГТД имеют ряд негативных особенностей, характерных для газотурбинных силовых установок, используемых в транспортных средствах специального назначения, среди которых можно назвать эффект запаздывания роста давления воздуха в компрессоре первого и второго каскада двигателя и инерционность увеличения оборотов силовой турбины при резком нажатии на педаль акселератора, вследствие инерции нарастания давления газов на турбинах первого и второго каскада - эффект «турбоямы». И после преодоления эффекта «турбоямы» имеет место резкое увеличение давления воздуха, нагнетаемого компрессорами первого и второго каскада ГТД - так называемый «турбоподхват», с последующим увеличением оборотов силовой турбины, также обусловленный инертностью турбокомпрессоров. Вышеуказанные особенности негативно влияют на общую управляемость танка с ГТД.
Кроме того, отработавшие газы на выходе силовой турбины имеют высокую температуру, при этом их энергия используется неэффективно вследствие выброса в атмосферу, тем самым значительно снижая общий КПД.
Известно множество схем, направленных на повышение КПД ГТД за счет охлаждения компримируемого в компрессоре воздуха. С этой целью, в том числе, осуществляют впрыск тонкодиспергированной воды перед компрессором ГТД (цикл Top Hat, LM6000 Spring designen hancedto in crease power and efficiency. Victorde Biasi. GAS TURBINE WORLD, July-August 2000, p.16-20) или ее впрыск на лопатки первой ступени компрессора ГТД (Романов В.И:, Дикий Н.А., Жирщкий О.Г. и др. Изотермирование процесса сжатия воздуха в компрессоре и его влияние на характеристики газотурбинного двигателя. (НПП «Машпроект», НТУ Украины «Киевский политехнический институт»)//Промышленная теплотехника. 1988. Т. 20, №6, С. 45-50), либо промежуточных ступеней компрессора ГТД (цикл CHAT, Irwin Stanibler, CHAT technologyat 54,7% efficiency, 350 kw ready for commercialdemo. GAS TURBINE WORLD, May-June 1996, p.36-44.) для осуществления так называемого «влажного» сжатия воздуха. Многие технические решения в этой области запатентованы, (например, патенты США №№5930990, 5867977, 6216443, 7146794, 7353655, 7353656, 7444819, 7481060, 7520137, 7784286, 7950240, 7040083). Для нужного полного испарения микрокапель в компрессоре или на входе в камеру сгорания разработаны специальные, весьма трудоемкие и энергозатратные методы распыления, позволяющие повысить долю воды (до ≈1,5%) в компримируемом воздухе.
Наиболее близким решением к предлагаемому устройству является ГТУ с впрыском жидкости и пара в контур ГТУ, описанная в патенте №2517995 (прототип). Такая газотурбинная установка содержит: компрессор низкого давления и компрессор высокого давления для сжатия воздуха, систему впрыска мелкодисперсной влаги в компримируемый воздух, предназначенную для охлаждения воздуха в процессе сжатия и уменьшения затрат энергии на сжатие воздуха, топливный насос для подачи топлива, камеру сгорания, куда поступает сжатый компрессором воздух и топливо и где происходит их смешение и последующее воспламенение и сгорание горючей смеси топлива с воздухом, газовую турбину высокого давления, газовую турбину среднего давления и газовую турбину низкого давления, которые приводят во вращение потоки образующихся продуктов сгорания топлива и добавляемого пара, электрогенератор для выработки электроэнергии, механические средства для передачи механической энергии от турбины высокого давления на работу компрессора высокого давления, механические средства для передачи механической энергии от турбины среднего давления на работу компрессора низкого давления, механические средства для передачи механической энергии от турбины низкого давления на вращение электрогенератора, систему подачи активатора горения и систему смешения активатора горения с жидкостью, дозатор, регулирующий впрыск жидкости в компрессор низкого давления и в компрессор высокого давления, перегреватель для получения перегретой жидкости, подаваемой в компрессор низкого давления, теплообменник или котел утилизатор, предназначенный для нагрева подаваемой воды за счет теплоты продуктов сгорания и получения пара высокого и низкого давлений, которые используют в качестве рабочего тела для работы турбин высокого и среднего давлений.
В указанном устройстве по патенту №2517995 так же, как и в других известных устройствах с впрыском жидкости и (или) пара, не в полной мере реализованы потенциальные возможности кратковременного увеличения мощности ГТД, а также снижения эффектов «турбоямы» и «турбоподхвата», соответственно, увеличения КПД ГТД.
Целью предлагаемого технического решения является возможность обеспечения быстрого кратковременного увеличения удельной мощности ГТД, снижения при этом эффектов «турбоямы» и «турбоподхвата» и увеличение КПД ГТД.
Указанные цели достигаются тем, что в известном устройстве - газотурбинном двигателе, содержащем: компрессор первого каскада и компрессор второго каскада для сжатия воздуха, систему впрыска мелкодисперсной жидкости в компримируемый воздух, топливный насос для подачи топлива, камеру сгорания, куда поступает сжатый компрессорами первого и второго каскада воздух, содержащий впрыснутую жидкость, и топливо, где происходит их смешение, последующее воспламенение и сгорание горючей смеси, турбину высокого давления, турбину низкого давления и силовую турбину, которые приводятся во вращение потоками образующихся продуктов сгорания топлива и паром, трансмиссия танка, компрессор первого каскада находится на одном валу с турбиной низкого давления, компрессор второго каскада находится на одном валу с турбиной высокого давления, силовая турбина соединена валом с трансмиссией танка, теплообменник, предназначенный для нагрева подаваемой воды за счет теплоты продуктов сгорания и получения пара, который используют в качестве рабочего тела для работы турбин высокого и низкого давления, согласно предлагаемой полезной модели содержит датчик акселератора, установленный на педали подачи топлива механика-водителя танка, датчик частоты вращения силовой турбины, первый насос подачи воды из резервуара с водой в теплообменник, второй насос подачи воды из резервуара с водой в смеситель системы впрыска мелкодисперсной жидкости, резервуар с водой, сепаратор, соединенный с выходом теплообменника и имеющий выход конденсата, соединенный с резервуаром с водой, и выход пара, аккумулятор пара сообщен выходами с турбиной низкого и высокого давления через регулируемые паровые заслонки и входом через обратный клапан с сепаратором, обратный клапан, первая регулируемая паровая заслонка, через которую осуществляется подача пара от аккумулятора пара к турбине высокого давления, вторая регулируемая паровая заслонка, через которую осуществляется подача пара от аккумулятора пара к турбине низкого давления, регулируемая заслонка, через которую осуществляется подача жидкости на форсунку распыла жидкости в компримируемый воздух компрессора первого каскада, байпасный клапан, установленный между вторым выходом аккумулятора пара и входом конденсатора, конденсатор, выход которого соединен с резервуаром с водой, датчики температуры и давления, установленные на выходе из компрессора первого каскада, на выходе из компрессора второго каскада, в камере сгорания, на выходе из камеры сгорания, в выхлопном патрубке перед теплообменником, в аккумуляторе пара, блок управления, информационные входы которого подключены к датчику акселератора, датчику частоты вращения силовой турбины и датчикам температуры и давления, первый управляющий выход которого подключен к управляющему входу первого насоса, второй управляющий выход подключен к управляющему входу второго насоса, третий управляющий выход подключен к управляющему входу дозатора системы впрыска мелкодисперсной жидкости в компримируемый воздух, четвертый управляющий выход подключен к управляющему входу регулируемой заслонки системы впрыска мелкодисперсной жидкости в компримируемый воздух, пятый управляющий выход подключен к управляющему входу первой регулируемой паровой заслонки, шестой управляющий выход подключен к управляющему входу второй регулируемой паровой заслонки, седьмой управляющий выход подключен к управляющему входу емкости с активатором системы впрыска мелкодисперсной жидкости в компримируемый воздух, при этом система впрыска мелкодисперсной жидкости в компримируемый воздух состоит из емкости с активатором, соединенной с дозатором, выход которого соединен со смесителем, выход смесителя соединен через регулируемую заслонку с форсункой распыла жидкости на входе компрессора первого каскада.
2
2
Мелкодисперсная жидкость представляет собой мелкодисперсную смесь активатора (например, пероксид водорода) и жидкости (например, вода). Активатор представляет собой вещество, которое при повышенных температурах легко диссоциирует с образованием гидроксильных радикалов (ОН), что ускоряет сгорание топлива и продуктов его высокотемпературных превращений, включая СО. Одним из примеров активатора горения является пероксид водорода (НО), который при повышенных температурах легко диссоциирует с образованием гидроксильных радикалов (ОН), что способствует ускорению и углублению процесса сгорания топлива. Увеличение полноты сгорания СО позволяет увеличить подачу в камеру сгорания мелкодисперсной влаги и/или пара, благодаря чему удается повысить КПД.
Полезная модель поясняется чертежом, на котором на фиг. 1 представлен пример устройства.
Устройство кратковременного увеличения мощности газотурбинного двигателя танка подачей жидкости и(или) пара на фиг. 1 содержит: компрессор первого каскада 1 и компрессор второго каскада 2 для сжатия воздуха, топливный насос 7 для подачи топлива, камеру сгорания 3, куда поступает сжатый компрессором воздух и топливо и где происходит их смешение и последующее воспламенение и сгорание горючей смеси топлива с воздухом, турбину высокого давления 4, турбину низкого давления 5 и силовую турбину 6, которые приводятся во вращение потоком образующихся продуктов сгорания топлива и добавляемого пара, трансмиссия танка 33, механически соединенная с силовой турбиной 6, теплообменник 8, предназначенный для нагрева подаваемой воды за счет теплоты продуктов сгорания и получения пара, которые используют в качестве рабочего тела для работы турбин высокого и низкого давлений, резервуар с водой 10, сепаратор 9, имеющий выход конденсата, соединенный с резервуаром с водой 10, первый насос подачи воды 11 из резервуара с водой 10 в теплообменник 8, второй насос подачи воды 12 из резервуара с водой 10 в систему впрыска мелкодисперсной жидкости в компримируемый воздух, обратный клапан 13, первая регулируемая паровая заслонка 15, вторая регулируемая паровая заслонка 14, аккумулятор пара 16, байпасный клапан 17, конденсатор 18, датчик акселератора 23, датчик частоты вращения силовой турбины 31, блок управления 24, датчики температуры и давления, установленные на выходе из компрессора первого каскада 25, на выходе из компрессора второго каскада 26, в камере сгорания 27, на выходе из камеры сгорания 28, в выхлопном патрубке перед теплообменником 29, в аккумуляторе пара 30, систему впрыска мелкодисперсной жидкости в компримируемый воздух, включающую емкость с активатором 19, дозатор 20, смеситель 21, регулируемую заслонку 22 и форсунку распыла жидкости 32.
Устройство на фиг. 1 работает следующим образом. После запуска ГТД танка, блок управления получает сигналы от датчиков температуры и давления 25, 26, 27, 28, 29, 30 и датчика частоты вращения силовой турбины 31 и по заложенной программе осуществляет расчет величины и выдачу управляющего сигнала на первый насос подачи воды 11, который закачивает воду в теплообменник 8, где вода превращается в пар и поступает в сепаратор 9, который отделяет пар и остатки неиспарившейся воды. Неиспарившаяся вода сбрасывается из сепаратора 9 в резервуар с водой 10, а образовавшийся в теплообменнике 8 пар через обратный клапан 13 поступает в аккумулятор пара 16, где он накапливается под высоким давлением. В случае избыточного накопления пара в аккумуляторе пара 16, в целях безопасной работы устройства предусмотрен байпасный клапан 17, срабатывание которого приводит к сбросу излишков накопленного в аккумуляторе пара 16 пара в конденсатор 18, где пар конденсируется в воду и сбрасывается в резервуар с водой 10.
В процессе движения танка с ГТД, в случае возникновения необходимости быстрого кратковременного увеличения удельной мощности двигателя (например, для преодоления препятствия, или быстрого ухода с линии прицеливания противотанковых средств противника) механик-водитель воздействует на педаль подачи топлива - датчик акселератора 23, который подает управляющий сигнал на блок управления 24. Управление процессом увеличения удельной мощности осуществляется по двум каналам: управлением системой впрыска мелкодисперсной жидкости в компримируемый воздух и управлением подачей пара под высоким давлением из аккумулятора пара на турбины высокого и низкого давления.
При поступлении управляющего сигнала на емкость с активатором 19, активатор начинает поступать в дозатор 20, который в зависимости от величины поступившего от блока управления 24 сигнала регулирует подачу активатора (увеличивает или уменьшает количество активатора) в смеситель 21, в котором происходит смешение активатора и воды с дальнейшей их подачей на регулируемую заслонку 22. Регулируемая заслонка 22 в зависимости от величины поступившего от блока управления 24 сигнала регулирует подачу жидкости в форсунку распыла жидкости 32 с последующим распылом жидкости на компрессор первого каскада 1.
В результате в компрессор первого каскада 1 поступает мелкодисперсная жидкость, содержащая необходимую концентрацию активатора горения в воде. При нагревании воздуха в процессе сжатия капли жидкости испаряются, и за счет теплоты испарения охлаждают компримируемый воздух, обеспечивая энергетически выгодное квазиизотермическое сжатие. При увеличении подачи мелкодисперсной жидкости в компримируемый воздух происходит «проскок» не успевших испариться микрокапель жидкости в камеру сгорания 3. Температура кипения активатора горения составляет 150°С при нормальном давлении, что заметно выше температуры кипения воды. Вследствие этого в условиях повышенных температур в компрессоре с поверхности микрокапель будет испаряться преимущественно вода, и концентрация активатора горения при этом в микрокаплях будет нарастать, а с ростом концентрации активатора горения в микрокаплях соответственно возрастают его свойства как активатора горения. При проскоке неиспарившихся капель с высокой концентрацией активатора горения в камеру сгорания 3 горение топлива вблизи таких капель значительно ускоряется по сравнению с горением вблизи капель воды без добавки активатора горения. Это происходит благодаря процессу разложения (диссоциации) перекиси водорода на гидроксильные радикалы в объеме капли и их выходу в газовую фазу, т.е. в зону горения. Кроме того, из-за нестабильности концентрированной перекиси водорода при высоких температурах часть перекиси водорода в условиях испарения капель успевает превратиться в воду и газообразный кислород и подобно пропелленту дополнительно распыляет капли. Благодаря этому капли быстро разрушаются с выделением кислорода и гидроксильных радикалов, способных быстро окислять промежуточные вещества и продукты неполного сгорания, такие, как СО. Поэтому добавка активатора горения в распыляемую жидкость способствует эффективному сгоранию топлива и при более высоких недостижимых ранее в отсутствие активатора соотношениях воды к воздуху, необходимых для квазиизотермического и высокоэффективного сжатия воздуха в компрессоре.
В случае недостаточного увеличения удельной мощности ГТД, которая регистрируется датчиком частоты вращения силовой турбины 31, блок управления 24 соотнеся сигналы, полученные от датчиков температуры и давления 25, 26, 27, 28, 29, 30, а также объемы подаваемого на компрессор первого каскада жидкости (воды и активатора), по заложенной программе осуществляет расчет величины и выдачу управляющих сигналов на первую 15 и вторую 14 регулируемые паровые заслонки, которые в зависимости от полученного сигнала с блока управления 24 регулируют подачу пара (уменьшают или увеличивают) под высоким давлением на турбину высокого давления 4 и турбину низкого давления 5 соответственно, увеличивая частоту вращения турбины высокого и низкого давления и совмещенных с ними компрессоров первого и второго каскада. В результате чего объем воздуха поступающего в камеру сгорания 3 увеличивается.
Таким образом, осуществляется снижение эффекта «турбоямы», быстрым увеличением частоты вращения турбокомпрессора 1 и 2 каскада подачей пара на турбины высокого и низкого давления, а также подачей жидкости в компрессор первого каскада, которая за счет теплоты испарения охлаждает компримируемый воздух, обеспечивая энергетически выгодное квазиизотермическое сжатие и увеличением количества активатора в камере сгорания, повышая тем самым температуру горения топливно-воздушной смеси и выходящих из камеры сгорания продуктов сгорания.
В случае резкого последующего увеличение давления воздуха, нагнетаемого компрессорами первого и второго каскада ГТД, возникновения эффекта «турбоподхвата», с последующим увеличением оборотов силовой турбины, обусловленного инертностью турбокомпрессоров. Блок управления 24 подает управляющий сигнал на регулируемую заслонку 22, которая перекрывает подачу жидкости в компримируемый воздух компрессора первого каскада 1. Также подается блоком управления 24 управляющие сигналы на первую регулируемую паровую заслонку 15 и вторую регулируемую паровую заслонку 14, тем самым перекрывая подачу пара на турбину высокого давления и турбину низкого давления. Вышеуказанными действиями несколько снижается эффект «турбоподхвата».
Таким образом, в устройстве кратковременного увеличения мощности газотурбинного двигателя танка подачей жидкости и(или) пара благодаря наличию системы впрыска мелкодисперсной жидкости в компримируемый воздух и подачей пара из аккумулятора пара на турбины высокого и низкого давления, управляемых по заранее заложенной программе блоком управления, осуществляется быстрое кратковременное увеличение удельной мощности ГТД танка и снижение при этом эффектов «турбоямы» и «турбоподхвата».