ПАРОГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к энергетике, в частности к парогазотурбинным установкам транспортных средств, работающих на легкокипящих жидкостях (метан, водород).
Известна газопаротурбинная установка, содержащая входное устройство, компрессор, камеру сгорания, камеру смешения, турбину привода компрессора, свободную турбину, теплообменник, расположенный за свободной турбиной и соединенный с одной стороны с источником рабочего тела - жидкостью (вода), а с другой стороны с камерой смешения и выходное устройство. Наличие теплообменника позволяет обеспечить регенеративный теплообмен с выхлопными газами и тем самым уменьшить затраты энергии, связанные с испарением воды в камере смешения [Дикий Н.А. Судовые газопаротурбинные установки. Л: Судостроение, 1978, с. 913, рис. 4].
Недостатком парогазотурбинных установок является то, что для их работы требуется постоянный источник жидкости (воды), что создает серьезную проблему при использовании парогазотурбинных установок, например, на транспортных средствах и летательных аппаратах.
Решением проблемы является использование в качестве жидкости, повышающей энтальпию рабочего тела, топлива, находящегося на транспортном средстве. Наилучшим образом для этих целей подходит водород, основным продуктом сгорания которого в смеси с воздухом, как известно, являются водяные пары.
Известна парогазотурбинная установка, содержащая входное устройство, компрессор, камеру сгорания, камеру смешения, турбину привода компрессора, свободную турбину, теплообменник, расположенный за свободной турбиной и соединенный с одной стороны с источником рабочего тела - жидкостью (вода), а с другой стороны - с камерой смешения, и выходное устройство, при этом теплообменник выполнен в виде теплообменника-испарителя, расход рабочего тела через который составляет не менее 15% от расхода воздуха, проходящего через компрессор, степень сжатия воздуха в установке не менее 25, а коэффициент избытка воздуха в камере сгорания не более 3,0, за теплообменником-испарителем установлен теплообменник-конденсатор паров воды, рабочими телами которого являются легкокипящие жидкости (метан, водород) [Патент РФ №2272916 МПК: F01K 21/04,опубликована 27.03.2006. Бюл. №9, автор Письменный В.А. «Парогазотурбинная установка»].
Недостатком данного технического устройства является недостаточная мощность, высокий удельный расход топлива, высокая температура на входе в турбину, кроме того, не используется хладоресурс легкокипящей жидкости для снижения температуры на входе в двигатель.
Данное техническое решение выбрано авторами в качестве прототипа.
Техническим результатом является повышение мощности парогазотурбинной установки, снижение удельного расхода топлива, за счет рекуперации теплоты отработавших газов, использование хладоресурса легкокипящей жидкости для конденсации паров воды и снижения температуры воздуха на входе в парогазотурбинную установку.
Технический результат достигается тем, что в парогазотурбинной установке, содержащее входное устройство, компрессор, первую камеру сгорания, камеру смешения, турбину привода компрессора, свободную турбину, теплообменник-испаритель, расположенный за свободной турбиной и соединенный с источником рабочего тела - жидкостью (вода), выходное устройство в котором установлен теплообменник-конденсатор паров воды соединенный с источником легкокипящей жидкости (водорода, метана), во входном устройстве дополнительно установлены теплообменник-пароперегреватель легкокипящей жидкости, турбина привода компрессора выполнена с охлаждаемыми сопловыми лопатками и размещена перед первой камерой сгорания, в камере смещения выполнена вторая камера сгорания, за которой размещена свободная турбина с охлаждаемыми сопловыми лопатками, топливные коллекторы первой и второй камер сгорания соединены с выходом теплообменника-пароперегревателя легкокипящей жидкости, вход которого соединен с теплообменником-конденсатором паров воды, вход которого через топливный насос соединен с системой подачи легкокипящей жидкости, под теплообменником-конденсатором паров воды выполнен сборник конденсата паров воды, который соединен источником рабочего тела, выход которого через насос высокого давления соединен со входом теплообменника-испарителя, выход которого соединен с охлаждаемыми сопловыми лопатками турбин.
В предлагаемой парогазотурбинной установке мощность увеличивается, а удельный расход топлива уменьшается в результате установки во входном устройстве теплообменника-пароперегревателя, в котором температура воздуха на входе в парогазотурбинную установку снижается, что приводит к увеличению расхода воздуха и снижению температуры по газо-воздушному тракту парогазотурбинной установки. Одновременно мощность увеличивается, а удельный расход топлива уменьшается в результате выполнения турбины привода компрессора с охлаждаемыми сопловыми лопатками и расположения ее за первой камерой сгорания, а также выполнения второй камеры сгорания, расположенной за турбиной привода компрессора, а также выполнения свободной турбины с охлаждаемыми сопловыми лопатками и размещения свободной турбины после второй камеры сгорания. Удельный расход топлива снижается так же за счет рекуперации теплоты отработавших газов в теплообменнике-испарителе на подогрев и испарение рабочей жидкости. Хладоресурс легкокипящей жидкости используется в результате установки теплообменника-конденсатора для конденсации паров воды и установки теплообменника-пароперегревателя для охлаждения воздуха на входе в парогазотурбинную установку.
На фиг. изображена схема парогазотурбинной установки. Парогазотурбинная установка состоит из входного устройства 1, теплообменника-пароперегревателя легкокипящей жидкости 2, компрессора 3, топливного коллектора 4 первой камеры сгорания 5, сопловых лопаток 6 турбины привода компрессора 7, камера смешения 8, топливного коллектора 9 второй камеры сгорания 10, сопловых лопаток 11 свободной турбины 12, теплообменника-испарителя 13, насоса высокого давления 14, источника рабочего тела 15, сборника конденсата паров воды 16, выходного устройства 17, теплообменника-конденсатора паров воды 18, топливного насоса 19, источника легкокипящей жидкости 20.
Источник легкокипящей жидкости 20 через топливный насос 19 соединен со входом теплообменника- конденсатора 18, который расположен в выходном устройстве 17. Под теплообменником-конденсатором 18 выполнен сборник конденсата паров воды 16. Выход теплообменника-конденсатора паров воды 18 соединен со входом теплообменника-пароперегревателя 2, который расположен во входном устройстве 1. Выход теплообменника-пароперегревателя 2 соединен с топливными коллекторами 4 и 9 первой 5 и второй 10 камер сгорания. Вторая камера сгорания 10 установлена в камере смешения 8. Сборник конденсата паров воды 16 соединен с источником рабочего тела 15, выход которого через насос высокого давления 14 соединен со входом теплообменника-испарителя 13. Выход теплообменника-испарителя 13 соединен с охлаждаемыми сопловыми лопатками 6, 11 турбин 7, 12. Компрессор 3 установлен перед первой камерой сгорания 5 и соединен с турбиной привода компрессора 7.
кс
Работа установки осуществляется следующим образом. Воздух через входное устройство 1 поступает в теплообменник-пароперегреватель 2, где температура воздуха понижается, а пар легкокипящей жидкости перегревается. Далее охлажденный воздух поступает в компрессор 3. Сжатый до заданного давления воздух непрерывным потоком подается в первую 5 и вторую 10 камеры сгорания, куда одновременно через топливные коллекторы 4 и 9 первой 5 и второй 10 камер сгорания впрыскивается легкокипящая жидкость, поступающая из источника легкокипящей жидкости 20 с помощью топливного насоса 19 в теплообменник-конденсатор паров воды 18, находящийся в выходном устройстве 17. Выход теплообменника-конденсатора паров воды 18 соединен со входом теплообменника-пароперегревателя 2, выход которого соединен с топливными коллекторами 4 и 9 первой 5 и второй 10 камер сгорания. Состав топливовоздушной смеси в первой камере сгорания приближается к стехиометрическому (α менее 3,0), что при сгорании смеси ведет к росту температуры продуктов сгорания выше допустимой по прочности лопаток турбины 7 привода компрессора. Для снижения температуры продуктов сгорания на входе в турбину 7 привода компрессора 3 в охлаждаемые сопловые лопатки 6 подается водяной пар из теплообменника-испарителя 13. Продукты сгорания из первой камеры сгорания 5 проходят через охлаждаемые сопловые лопатки 6 турбины 7 привода компрессора, смешиваются с парами воды. В результате температура смеси понижается до значений, допустимых по условиям прочности лопаток турбины, а энтальпия рабочего тела увеличивается. Смесь продуктов сгорания и паров воды расширяется в турбине 7 привода компрессора 3, где их температура понижается. Эта смесь поступает во вторую камеру сгорания 10, установленную в камере смешения 8, где перемешается с парами легкокипящей жидкости. При сгорании этой смеси температура продуктов сгорания повышается выше допустимой по прочности лопаток свободной турбины 12. Для снижения температуры продуктов сгорания на входе в свободную турбину 12 в сопловые лопатки 11 свободной турбины 12 подается водяной пар. Продукты сгорания из второй камеры сгорания 10 проходят через сопловые лопатки 11 свободной турбины 12 и смешиваются с парами воды. В результате температура смеси продуктов сгорания и пара воды понижается до значений, допустимых по условиям прочности лопаток турбины 12, а энтальпия рабочего тела увеличивается. Смесь поступает в свободную турбину 12, в которой совершает полезную работу. При этом температура смеси дополнительно понижается, но остается достаточно высокой. Смесь с этой температурой проходит через теплообменник-испаритель 13, где нагревает и испаряет воду и частично охлаждается. Далее смесь поступает в теплообменник-конденсатор 18, где часть паров воды из смеси конденсируется на наружной поверхности теплообменника-конденсатора 18. Конденсат паров воды поступает в сборник конденсата паров воды 16, выход которого соединен с источником рабочего тела 15. Из источника рабочего тела 15 вода с помощью насоса высокого давления 14 поступает в теплообменник-испаритель 13, где вода нагревается и испаряется. Из теплообменника-испарителя 13 пары воды поступают в охлаждаемые сопловые лопатки 6 и 11 турбин 7 и 12. В результате конденсации паров воды в теплообменнике-конденсаторе 18 легкокипящая жидкость нагревается и испаряется, а температура смеси понижается. Это обеспечивает рекуперацию теплоты смеси.
Предложенное техническое решение по сравнению с прототипом повышает мощность парогазотурбинной установки на 15-25%, снижает удельный расход топлива на 20-30%, обеспечивает использование хладоресурса легкокипящей жидкости для снижения температуры воздуха на входе в парогазотурбинную установку.