ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА
GAS TURBINE PLANT

Изобретение относится к газотурбинным установкам и газотурбинным двигателям.
Известны газотурбинные установки, включающие в себя компрессор, камеру сгорания, газовую турбину и регенеративный подогреватель воздуха (см., например, Манушин Э.А. Газовые турбины: проблемы и перспективы. М., Энергоатомиздат, 1986, стр.12, рис.13). Их недостатком является низкая экономичность.
Наиболее близким к предложенному техническому решению является газотурбинная установка, описанная в патенте РФ №2044145. Установка содержит многоступенчатый компрессор с полыми рабочими лопастями, полости которых посредством полого вала присоединены к каналам системы охлаждения рабочих лопастей турбины. Рабочие лопасти компрессора выполнены также с отверстиями для выпуска охлаждающего теплоносителя в межлопаточные пространства компрессора. Полый вал подключен к конденсатору воды. Установка содержит воздуховоды, соединяющие соответствующие по давлению ступени с сопловыми лопатками турбины, последние выполнены с отверстиями для выпуска воздуха в межлопаточные пространства турбины. Таким образом, газообразный теплоноситель, охлаждающий лопатки, выпускается в межлопаточное пространство через отверстия в лопатках. При этом повышение экономичности установки достигается последовательным дожиганием топлива в межлопастных пространствах турбины.
Недостатком этого технического решения является сравнительно высокий расход топлива при достигаемой мощности установки и невозможность существенно сократить расход топлива без потери мощности установки.
Задачей изобретения является существенное повышение экономичности установки при сохранении ее мощности.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности работы установки, в частности существенное снижение расхода топлива при сохранении мощности установки или существенное повышение мощности установки при том же расходе топлива.
Технический результат достигается тем, что в газотурбинной установке, содержащей компрессор, камеру сгорания, по крайней мере, одну турбину с сопловыми и рабочими лопатками, вал, соединяющий компрессор с турбиной, систему отбора и подачи охлаждающего газа, сопловые и рабочие лопатки снабжены каналами охлаждения и отверстиями для выпуска газа в межлопаточное пространство турбины, часть отверстий для выпуска газа через поверхность рабочей лопатки в межлопаточное пространство, расположенных на вогнутой поверхности лопатки, выполнены в виде проницаемых вставок с совокупностью отверстий, причем суммарная площадь отверстий вставки составляет 30-60% от площади самой вставки, ширина проницаемой вставки в 6-8 раз меньше расстояния между соседними вставками.
Кроме того, вал установки выполнен полым и его полость подключена к каналам системы охлаждения рабочих лопаток и каналам для подвода газа к проницаемым вставкам.
Кроме того, к каналам для подвода газа к проницаемым вставкам подключена вихревая труба.
Кроме того, отверстия для выпуска охлаждающего газа размещены от проницаемых вставок на расстоянии, не меньшем двух значений ширины самой вставки.
Кроме того, проницаемые вставки размещены вдоль вогнутой поверхности рабочей лопатки, по крайней мере, в один ряд.
Кроме того, несколько рядов вставок являются параллельными друг другу и передней кромке рабочей лопатки.
Таким образом, локальный дозвуковой выдув через решетчатую вставку с указанными параметрами низкотемпературной плоской струи газа в набегающий основной дозвуковой высокотемпературный, высокоскоростной поток газа в соответствии с уравнением обращения воздействия (см., например, Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М., Наука, 1969 г., стр.188-189) приводит к интенсивному торможению основного высокоскоростного, высокотемпературного газового потока, сопровождающемуся повышением давления. Кроме того, дозвуковая выдуваемая плоская холодная газовая струя является препятствием для основного высокоскоростного, высокотемпературного газового потока. В результате этого воздействия на поток возникает дополнительный импульс силы давления, который передается на поверхность рабочей лопатки. Повышение давления в зоне локального выдува низкотемпературного газа приводит к возникновению продольного - вдоль хорды лопатки - положительного градиента давления, который приводит к развороту потока вязкого газа на обтекаемой поверхности и образованию локальной области возвратного течения. Образование этой области приводит к усилению геометрического воздействия на основной обтекающий лопатку газовый поток, дальнейшему повышению давления и к увеличению длительности теплового воздействия на основной поток, интенсивность торможения которого возрастает. Возникшее повышение давления распространяется вниз по основному потоку вдоль пристеночного слоя. Силовое воздействие на поверхность увеличивается также за счет силы реакции струи выдуваемого газа. Возникшая дополнительная поперечная сила, действующая на вогнутую или плоскую поверхность рабочей лопатки, при неизменной силе давления на ее выпуклую поверхность, которая обусловлена только воздействием набегающего потока в межлопаточном пространстве, оказывается значительной и может в несколько раз превысить силу давления на вогнутую поверхность рабочей лопатки при отсутствии локального выдува плоской газовой струи. Это приводит к соответствующему увеличению крутящего момента - в полтора-два раза - турбины, а значит и ее винтовой мощности, которая пропорциональна мощности турбины. Мощность турбины прямо пропорциональна температуре газа на входе в турбину и зависит от перепада давлений на входе и выходе турбины (см., например, Казанджан П.К., Кузнецов А.В. Турбовинтовые двигатели. М., Военное издательство, 1961 г., стр.13). Поскольку поперечная сила, формирующая крутящий момент, зависит от силы давления на вогнутую поверхность рабочей лопатки, постольку перепад давлений может быть увеличен, а температура газа на входе в турбину может быть понижена, что означает появление возможности соответствующего уменьшения расхода топлива. То есть, если мощность турбины оставить прежней, то можно соответственно уменьшить расход топлива.
Таким образом, сравнительно небольшое изменение конструкции и технологии приводит к существенной экономии топлива на газотурбинных установках любого типа.
Следует также отметить, что одним из важных показателей, от которого зависит значение поперечной силы, является разница температур выдуваемого через проницаемые вставки низкотемпературного газа и основного межлопаточного высокотемпературного и высокоскоростного газового потока, при увеличении которой растет дополнительная поперечная сила. Однако в силу нелинейности протекающих при взаимодействии этих газовых потоков процессов при определенной разнице температур указанных потоков - менее 300 К - дополнительная поперечная сила на вогнутой поверхности рабочей лопатки турбины резко уменьшается.
Что касается суммарной площади отверстий в проницаемой вставке, то следует отметить, что уменьшение площади отверстий в проницаемой вставке ниже 30% от площади всей вставки приводит к уменьшению скорости выдува газовой струи и эта струя превращается в тонкую пленку, что приводит к прекращению взаимодействия обоих указанных газовых потоков. Увеличение площади совокупных отверстий проницаемой вставки больше 60% от площади всей вставки приводит к ухудшению прочностных свойств рабочей лопатки, а также к избыточному расходу выдуваемого газа.
При уменьшении расстояния между соседними вставками ниже шести значений ширины вставки параметры набегающего основного потока газа на следующей вставке не успеют восстановиться до значений в основном потоке газа.
Для устранения помех при выдуве низкотемпературного газа через проницаемую вставку отверстия для выпуска охлаждающего газа на вогнутой поверхности рабочей лопатки размещены не вплотную к вставке.
Выдуваемый через проницаемые вставки газ может отбираться от компрессора через внешний штуцер с подачей его на вход вихревой трубы для последующего его подвода к вставкам. Использование вихревой трубы целесообразно в газотурбинных установках со сравнительно низкой температурой на входе в турбину, вследствие чего интервал между температурами выдуваемого и основного газовых потоков можно удержать в указанных пределах.
На фиг.1 в схематическом виде показана газотурбинная установка с выдувом низкотемпературного воздуха через проницаемые вставки на вогнутых поверхностях рабочих лопаток.
На фиг.2-а показана рабочая лопатка установки со стороны ее вогнутой поверхности, на фиг.2-б показана рабочая лопатка турбины со стороны ее выпуклой поверхности.
г∞
г∞
На фиг.3-а показано поперечное сечение полой рабочей лопатки с проницаемыми вставками на вогнутой поверхности для выдува низкотемпературного газа, где V - вектор скорости основного газового потока на входе в межлопаточное пространство, P - давление основного газового потока на входе в межлопаточное пространство,
г∞
доп
г∞
г∞
г∞
доп
Т - температура основного газового потока на входе в межлопаточное пространство, P - давление в окрестности проницаемой вставки, Т - температура выдуваемого через вставки газа, F - дополнительная поперечная сила, возникающая при выдуве низкотемпературного газа через вставки. На фиг.3-б показано поперечное сечение рабочей лопатки с каналами в корпусе для подвода низкотемпературного газа к проницаемым вставками на вогнутой поверхности и последующего его выдува, где V - вектор скорости основного газового потока на входе в межлопаточное пространство, P - давление основного газового потока на входе в межлопаточное пространство, Т - температура основного газового потока на входе в межлопаточное пространство, P - давление в окрестности проницаемой вставки, Т - температура выдуваемого через вставки газа, F - дополнительная поперечная сила, возникающая при выдуве низкотемпературного газа через вставки.
Газотурбинная установка содержит входное устройство 1, компрессор 2, камеру сгорания 3, турбину 4 с сопловыми лопатками 5, рабочими лопатками 6, полый вал 7, соединяющий компрессор 2 с турбиной 4, систему отбора и подачи охлаждающего газа (не показана), отверстия 8 для выпуска охлаждающего газа в межлопаточное пространство, проницаемые вставки 9 для выдува части охлаждающего газа в виде, например, воздуха или низкотемпературного воздуха, поступившего из вихревой трубы (не показана) через каналы в рабочих лопатках 6 турбины 4 к проницаемым вставкам 9, выхлопной патрубок 10 (фиг.1, 2, 3). Перед каждой проницаемой вставкой 9 и параллельно ей в некоторых случаях может быть выполнена плоская прямоугольная щель 11 (фиг.3-а) для разрыва и возобновления приповерхностного пограничного слоя.
Газотурбинная установка работает следующим образом.
Воздух через входное устройство 1 поступает в компрессор 2, где происходит его сжатие. В компрессоре 2 производят отбор частей сжатого воздуха от его промежуточных ступеней соответствующего давления. Из последней ступени компрессора 2 воздух после отбора подают в камеру сгорания 3, куда одновременно подают топливо из соответствующей емкости (не показана). В камере сгорания 3 происходит сгорание топлива и газообразные продукты сгорания направляют в турбину 4 для преобразования выделяющегося тепла в работу. Газообразные продукты сгорания поступают в каналы, образованные сопловыми лопатами 5, разгоняются там до высокой скорости и поступают на рабочие лопатки 6 турбины 4, обтекают их, изменяют свое направление движения в межлопаточном пространстве и расширяются. Благодаря этому на рабочих лопатках 6 формируется поперечная сила, создающая крутящий момент (фиг.1).
После турбины 4 расширившиеся газообразные продукты сгорания поступают в выхлопной патрубок 10 (фиг.1).
Отобранный в компрессоре 2 воздух через отверстия (не показаны) во вращающемся валу 7 поступает в его внутреннюю полость, проходит к сопловым 5 и рабочим 6 лопаткам. Этот сравнительно низкотемпературный воздух используется для охлаждения указанных лопаток. В рабочих лопатках 6 охлаждающий воздух после их охлаждения вытекает через отверстия 8 в межлопаточное пространство.
Часть охлаждающего воздуха, поступившего в каналы рабочей лопатки 6, направляют к проницаемым вставкам 9, размещенным на вогнутой или плоской поверхности лопатки 6 (фиг.2). Подведенный к проницаемым вставкам 9 воздух, охлаждая их, проходит насквозь и выдувается в виде плоской дозвуковой струи со скоростью не более 10 м/с и не менее 1 м/с в основной высокоскоростной, высокотемпературный дозвуковой газовый поток, протекающий в межлопаточном пространстве. Выдуваемая плоская струя воздуха взаимодействует с высокоскоростным, высокотемпературным газовым потоком. При этом расход воздуха, отбираемого от компрессора 2 для выдува через проницаемые вставки 9, составляет не более 1-1,5% от массового расхода газа через газотурбинную установку (фиг.3).
При локальном выдуве струи низкотемпературного воздуха через вставки 9 в основной высокоскоростной, высокотемпературный газовый поток, протекающий в межлопаточном пространстве, в соответствии с уравнением обращения воздействия Вулиса (см., например, Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М., Наука, 1969 г., стр.188-189) происходит интенсивное торможение основного высокоскоростного, высокотемпературного газового потока, сопровождающееся повышением давления.
Кроме того, дозвуковая выдуваемая плоская струя является препятствием для основного высокоскоростного, высокотемпературного газового потока, число Маха которого составляет 0,6 и более. Основной газовый поток вблизи поверхности лопатки интенсивно тормозится в соответствии с особенностями изоэнтропических течений, а пониженная температура выдуваемого воздуха делает препятствие более плотным. В результате давление в области выдува значительно возрастает и передается на вогнутую поверхность рабочей лопатки 6. Повышение давления приводит к возникновению возвратного течения и дальнейшему повышению давления, которое по пограничному слою распространяется вдоль всей поверхности лопатки 6 (см., например, Г.Шлихтинг. Теория пограничного слоя. М., Наука. 1964 г., стр.65). Силовое воздействие на вогнутую поверхность рабочей лопатки 6 увеличивается и за счет силы реакции струи выдуваемого воздуха.
Увеличение давления, действующего на вогнутую поверхность рабочей лопатки 6, за счет указанных процессов приводит к формированию дополнительной поперечной силы, которая в 1,5-2 раза превышает поперечную силу, возникавшую ранее, при отсутствии выдува низкотемпературной плоской струи воздуха (газа) через проницаемые вставки 9.
В том случае, если на рабочие лопатки 6 турбины 4 из камеры сгорания 3 поступает недостаточно разогретый основной поток высокоскоростного газа, например, с температурой 600-800 К, необходимо обеспечить дополнительное охлаждение воздуха, отбираемого от компрессора и подаваемого на проницаемые вставки 9 рабочих лопаток 6. С этой целью отбираемый от компрессора 2 воздух подают в вихревую трубу (не показана), где он охлаждается до температуры около 300 К. Далее его подают на рабочие лопатки 6 к проницаемым вставкам 9, сохраняя тем самым достаточную разницу температур между низкотемпературной выдуваемой струей и основным высокотемпературным, высокоскоростным газовым потоком в межлопаточном пространстве.
Следует отметить, что в стационарных газотурбинных установках газ из выхлопного патрубка 10 поступает в регенератор (не показан) для последующего использования тепла.
Пример
2
Температура воздуха, поступающего в турбину 4 составляет 1100 К, температура выдуваемого через вставки 9 воздуха - 400 К. Массовый расход выдуваемого воздуха составляет 0,8% от расхода газа через турбину 4. Ширина вставки в 8 раз меньше расстояния между вставками 9. Суммарная площадь отверстий во вставке 9 составляет от общей площади вставки 9 примерно 40%. Скорость основного потока газа в межлопастном пространстве соответствует числу Маха, равному 0,65, среднее давление в потоке высокотемпературного, высокоскоростного газа в межлопаточном пространстве составляет 8 кгс/см. В результате образуется дополнительная поперечная сила на вогнутой поверхности лопаток 6, превышающая поперечную силу, формирующуюся на лопатках 6 в отсутствие выдува, в 1,8 раза.
Таким образом, мощность турбины 4 можно увеличить пропорционально при том же расходе топлива, а при сохранении прежней мощности газотурбинной установки - уменьшить расход топлива на 20-25%.
Этот пример характерен для газовых авиационных турбин.
Что касается стационарных газотурбинных установок, где температура воздуха, поступающего в турбину намного ниже - около 700 К, то снижение расхода топлива благодаря выдуву через вставки низкотемпературного газа будет несколько меньше и составит 10-15%.