ГАЗОТУРБИННЫЙ ПРИВОД С РЕГЕНЕРАЦИЕЙ ТЕПЛА ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ

Полезная модель относится к газотурбостроению, в частности к газотурбинным приводам с регенерацией тепла выхлопных газов, и может быть использована в энергетике, например, для привода нагнетателей газа или электрических генераторов.
Известен газотурбинный привод с регенерацией тепла выхлопных газов, содержащий компрессор, камеру сгорания, турбину газогенератора, воздушную и газовую силовые турбины, установленные на одном валу, и теплообменник, газовые тракты которого по входу гидравлически соединены с выходом газовой силовой турбины а по выходу - с атмосферой, а воздушные тракты по входу - с полостью отбора воздуха из промежуточной ступени компрессора, а по выходу - с воздушной силовой турбиной (см. патент RU №2192551, Кл. F02C 7/08, опубл. 10.04.2002).
Недостатками данного газотурбинного привода являются его пониженная экономичность из-за увеличенного расхода воздуха на охлаждение двух турбин, увеличенные габаритные осевые размеры и масса, повышенная трудоемкость изготовления и повышенные эксплуатационные расходы, например, по расходу масла.
Технический результат полезной модели - повышение экономичности, уменьшение осевых габаритных размеров и массы, уменьшение трудоемкости изготовления и снижение эксплуатационных расходов.
В газотурбинном приводе с регенерацией тепла выхлопных газов, содержащем компрессор, камеру сгорания, турбину газогенератора, силовую турбину, теплообменник и устройство для отвода выхлопных газов в атмосферу, согласно полезной модели, силовая турбина выполнена двухъярусной, при этом лопатки внутреннего яруса расположены в воздушном тракте, гидравлически соединенном с выходом теплообменника по его воздушному тракту и с атмосферой, а лопатки внешнего яруса расположены в газовом тракте, гидравлически соединенном с турбиной газогенератора и со входом теплообменника по его газовому тракту.
Расположение лопаток внутреннего яруса в воздушном тракте, а внешнего яруса - в газовом тракте, является существенным, так как при таком расположении улучшаются газодинамические характеристики и повышаются прочностные характеристики роторных лопаток.
Устройство для отвода выхлопных газов может состоять из диффузора и улитки. Такое выполнение позволяет стабилизировать поток газа в устройстве.
Для обеспечения равномерного распределения газового потока в газовом тракте теплообменника, теплообменник может быть выполнен из отдельных секций и размещен так, что его газовые тракты по входу гидравлически сообщены с выходом диффузора устройства для отвода выхлопных газов, что позволяет равномерно распределить газовый поток по газовому тракту.
Теплообменник может быть выполнен из отдельных секций и расположен так, что его газовые тракты по входу гидравлически сообщены с выходом улитки устройства для отвода выхлопных газов. Такое выполнение позволяет улучшить структуру газового потока в теплообменнике.
На фиг.1 схематично представлен газотурбинный привод на базе двухконтурного авиационного газотурбинного двигателя;
на фиг.2 - схематично представлен газотурбинный привод на базе двухконтурного авиационного газотурбинного двигателя с вариантом расположения теплообменника;
на фиг.3 - вариант выполнения теплообменника, сечение А-А рис.1;
на фиг.4 - сечение Б-Б рис.1
Газотурбинный привод может быть выполнен на базе существующего двухконтурного авиационного газотурбинного двигателя с его некоторой доработкой, так и на базе вновь создаваемого.
Газогенераторная часть газотурбинного двигателя может содержать различное число компрессоров (компрессор низкого давления, компрессор среднего давления и компрессор высокого давления). Количество турбин зависит от количества компрессоров.
В данном конкретном примере рассмотрен газотурбинный привод, созданный на базе существующего двухконтурного авиационного двигателя.
Газотурбинный привод (фиг.1) содержит авиационный двухконтурный газотурбинный двигатель. Внутренний контур (первый или газогенераторный) двигателя содержит компрессор 1 низкого давления, компрессор 2 высокого давления, камеру сгорания 3, турбину 4 высокого давления, турбину 5 низкого давления 5. Наружный контур 6 двигателя содержит компрессор 1 низкого давления, наружную оболочку 7, включенную в силовую схему двигателя, и входное устройство 8. Компрессор низкого давления 1 и входное устройство 8 работают на оба контура. Компрессор 1 низкого давления и компрессор 2 высокого давления содержат устройства регулирования напорных характеристик этих компрессоров. За счет регулирования напорных характеристик компрессора низкого давления и компрессора высокого давления давление воздуха на входе в воздушный тракт силовой турбины обеспечивается на 3%÷5% больше, чем давление газа на входе в газовый тракт силовой турбины.
Привод также содержит силовую турбину 9, выполненную двухъярусной: с лопатками 10 внутреннего яруса и лопатками 11 внешнего яруса. Указанное превышение давления воздуха над давлением газа на величину 3%÷5% необходимо для обеспечения удовлетворительного состояния лопаток 11 внешнего яруса по температуре и прочности.
Лопатка внутреннего яруса и лопатка внешнего яруса составляют единое целое вместе с разделительной полкой. При этом количество лопаток 11 внешнего яруса может быть равным количеству лопаток 10 внутреннего яруса. Количество лопаток 11 внешнего яруса может быть отличным от количества лопаток 10 внутреннего яруса, например, быть большим в два или более раз. Это относится как к рабочим (роторным) лопаткам турбины, так и к сопловым (статорным) лопаткам турбины.
Силовая турбина 9 гидравлически и механически соединена с турбиной газогенератора посредством комбинированного газовоздушного переходника 12.
Внутренний ярус (наименее удаленный от продольный оси установки) силовой турбины - воздушный - через систему трубопроводов 13, кольцевые полости 14, 15 и каналы 16 подключен по входу к выходу теплообменника 17 по воздушному тракту, а по выходу - к устройству для отвода воздуха в атмосферу, состоящему из диффузора 18 и улитки 19. Кольцевая полость 14 может отсутствовать; в этом случае трубопроводы 13 соединены непосредственно с каналами 16.
Внешний ярус силовой турбины - газовый - сообщен с газовым трактом теплообменника 17. Внешний ярус силовой турбины по входу гидравлически соединен с турбиной газогенератора каналом 20, а по выходу - с устройством для отвода выхлопных газов в атмосферу, состоящим из диффузора 21 и улитки 22.
Теплообменник 17 может быть расположен либо на выходе из диффузора 21, т.е. на входе в улитку 22 (фиг.1), либо на выходе из улитки 22 (фиг.2). В зависимости от места расположения теплообменника 17, газовый поток из внешнего яруса силовой турбины отводится в атмосферу либо (фиг.1) через диффузор 21, теплообменник 17 и улитку 22, либо (фиг.2) через диффузор 21, улитку 22 и теплообменник 17.
В случае расположения теплообменника 17 на выходе из диффузора 21, теплообменник 17 выполнен в виде отдельных секций, закрепленных на корпусе диффузора 21 по окружности концентрично силовой турбине (фиг.3, фиг.4). В случае расположения теплообменника 21 на выходе из улитки 22, теплообменник 17 также выполнен из отдельных секций, закрепленных на корпусе улитки 22.
Воздух отбирается из наружного контура 6 за компрессором 1 низкого давления и подводится к воздушному тракту теплообменника 17 через систему трубопроводов 23 (или по одному трубопроводу). Силовая турбина расположена на валу 24.
Газотурбинный привод работает следующим образом.
Воздух, поступающий через входное устройство 8 на вход в газотурбинный двигатель, сжимается компрессором низкого давления 1 и далее разделяется на два потока.
Один поток поступает во внутренний контур, где сжимается компрессором 2 высокого давления, подогревается в камере сгорания 3, расширяется в турбине 4 высокого давления и турбине 5 низкого давления. Далее поток газа через канал 20 направляется во внешний ярус, на лопатки 11, силовой турбины, откуда поступает через диффузор 21 в газовый тракт теплообменника 17, где отдает тепло потоку воздуха. После теплообменника 17 поток газа поступает в улитку 22 и отводится в атмосферу.
Второй поток воздуха поступает в наружный контур 6, отбирается за компрессором низкого давления 1 и по трубопроводам 23 (или по одному трубопроводу) подается на вход в теплообменник 17, где подогревается теплом выхлопных газов, и подогретый поступает по трубопроводам 13 (или одному трубопроводу) через кольцевые полости 14, 15 и каналы 16 во внутренний ярус, на лопатки 10, силовой турбины и далее через диффузор 18 и улитку 19 отводится в атмосферу.
Механическая мощность, создаваемая на валу 24 силовой турбины, поглощается электрогенератором либо нагнетателем газоперекачивающего агрегата, либо другим потребителем, сидящем на одном валу с силовой турбиной.