Газотурбинная воздухонезависимая установка подводного аппарата

Полезная модель относится к судостроению, а именно к воздухонезависимым судовым энергетическим установкам подводных аппаратов, работающих по замкнутому циклу, т.е. без доступа атмосферного воздуха.
2
Известна энергетическая установка подводного аппарата (пат. RU №2542166, опубл. 20.02.2015 г.). Энергетическая установка подводного аппарата содержит тепловой двигатель, в качестве теплового двигателя установлен газотурбинный двигатель, систему автоматического управления, впускную систему, образованную ресивером-смесителем и регенератором тепла отработанных газов, последовательно соединенные с ним охладитель отработанных газов, фильтр-влагоотделитель, клапан регулирования рециркуляции. Конденсатор углекислого газа системы удаления выполнен в виде трехкамерного газо-газового неконтактного теплообменника. При этом камера отработанных газов конденсатора соединена с сепаратором, который одной своей камерой соединен через устройство понижения давления со смесителем холодных потоков, а другой камерой соединен с емкостью хранения жидкого CO. Криогенная емкость хранения жидкого окислителя соединена через первую охлаждающую камеру конденсатора со смесителем холодных потоков, который соединен через вторую
Недостатками являются частичное использование возможностей по увеличению КПД газотурбинного двигателя, наличие системы сжижения и хранения углекислого газа и как следствие повышенная сложность энергетической установки.
Техническим результатом является повышение КПД, упрощение конструкции и систем газотурбинной установки.
Технический результат достигается тем, что в энергетической установке подводного аппарата установлен газотурбинный двигатель с турбокомпрессорным утилизатором, снабженный регенератором теплоты отработанных газов и охладителем отработанных газов, в качестве рабочего тела используется смесь углекислого газа, как основного компонента, кислорода и водяного пара, а после компрессора газотурбинного двигателя установлена система поглощения углекислого газа, удаляющая углекислый газ в количестве, образовавшемся в результате сгорания топлива.
Повышение КПД установки достигается за счет применения газотурбинного двигателя с турбокомпрессорным утилизатором. Применение турбокомпрессорного утилизатора в газотурбинном двигателе позволяет увеличить перепад давлений в силовой турбине, что приводит к увеличению ее мощности при неизменном расходе топлива, а, следовательно, и к увеличению эффективного КПД всего двигателя. Кроме того, турбокомпрессорный утилизатор может иметь встроенный регенератор теплоты отработанных газов, что снижает расход топлива на подогрев рабочего тела, и также приводит к увеличению эффективного КПД всего двигателя. Встроенный в турбокомпресорный утилизатор охладитель отработанных газов может использоваться в качестве котла-утилизатора, который может передавать утилизируемую теплоту как для нужд теплоснабжения, увеличивая общий КПД установки, так и на утилизационную электрогенерирующую установку, увеличивая эффективный КПД двигателя.
Упрощение конструкции газотурбинной установки происходит за счет отсутствия механической (кинематической) связи пристыкованного к выхлопу силовой турбины турбокомпрессорного утилизатора и использования без изменения конструкции газогенератора двигателя. Использование штатного компрессора газогенератора для сжатия избыточного количества углекислого газа, образованного при сгорании топлива,
В качестве регенератора теплоты отработанных газов может быть установлен газогазовый неконтактный теплообменник, встроенный в турбокомпрессорный утилизатор, камера отработанных газов которого соединена с охладителем отработанных газов, а камера газовой смеси - с камерой сгорания газотурбинного двигателя.
Охладители отработанных газов могут быть выполнены в виде газожидкостных неконтактных теплообменников.
Система поглощения углекислого газа может быть выполнена в виде барботера, с установленным сепаратором пара и заполненного забортной водой, а также снабженного
установленным после барботера влагопоглотителем-адсорбером, который может быть выполнен двухсекционным с возможностью поочередной работы каждой из секций.
Принципиальная схема газотурбинной установки представлена на фиг. 1. Установка содержит газотурбинный двигатель с турбокомпрессорным утилизатором и регенератором теплоты, имеющий повышенную эффективность по сравнению с обычным газотурбинным двигателем. Газотурбинный двигатель с турбокомпрессорным утилизатором представляет из себя роторный тепловой двигатель и включает компрессор 19, камеру сгорания 18, турбину компрессора 17, свободную силовую турбину 16, турбину перерасширения 15 и дожимающий компрессор 14, регенератор теплоты отработанных газов 12, расположенный после турбины перерасширения 15, и охладитель отработанных газов 13, расположенный между регенератором 12 и дожимающим компрессором 14, который прокачивается забортной водой, циркулирующей по системе трубопроводов посредством циркуляционного насоса 5. Компрессор, камера сгорания, турбина компрессора установлены соосно с валом силовой турбины и нагрузкой 20. Система охлаждения газовой смеси образована охладителем отработанных газов 21, включающего фильтр-влагоотделитель 7, соединенный с накопительной цистерной 22 через конденсатный насос 6а соответствующими трубопроводами, расположенным между дожимающим компрессором и ресивером-смесителем 23 и соединенный с ними газопроводами, и циркуляционным насосом 6, обеспечивающим подачу охлаждающей забортной воды, и соединенным с охладителем газов 21 соответствующими трубопроводами. Система подготовки газовой смеси образована ресивером-смесителем 23, расположенным между охладителем 21 и компрессором 19, и предназначенным для формирования состава газовой смеси, и соединена с системой хранения и подачи окислителя 8 (не показана). Регулирующий клапан 4, расположен между компрессором 19 и барботером 1, и предназначен для отбора рабочего тела и подачи его в систему поглощения углекислого газа, которая расположена между компрессором 19 и ресивером-смесителем 23 и выполнена в виде барботера 1, с установленным сепаратором пара 11, заполненного забортной водой и предназначенного для охлаждения части газовой смеси после компрессора и растворения углекислого газа в забортной воде, и снабженного откачивающим насосом 3, предназначенным для удаления нагретой и насыщенной углекислотой забортной воды, нагнетательным насосом 3а, и регулятором уровня 2, предназначенным для поддержания постоянного уровня забортной воды в барботере 1 независимо от глубины погружения, а также влагопоглотителем-адсорбером 10, предназначенным для удаления паров воды из смеси окислителя и водяного пара на выходе из барботера 1. Топливная система (не показана) образована системой хранения и подачи топлива 9.
Установка снабжена регулируемыми автоматическими клапанами (не показано), которые управляющими связями подключены к системе автоматического управления, контроля и защиты установки (стандартные), функционально состоящей из подсистемы управления газотурбинным двигателем с турбокомпрессорным утилизатором и подсистемы управления подготовкой искусственной газовой смеси. Все клапаны и механизмы оснащены исполнительными механизмами, дистанционно управляемыми системой автоматического управления, что обеспечивает функционирование установки с оптимальными для текущего режима технико-экономическими характеристиками. Установка работает следующим образом.
Работу газотурбинного двигателя с турбокомпрессорным утилизатором обеспечивают подачей в камеру сгорания 18 из ресивера-смесителя 23 газовой смеси, сжатой компрессором 19, содержащей необходимую концентрацию окислителя, а также углеводородного топлива из системы хранения и подачи топлива 9. Образовавшиеся в камере сгорания 18 рабочие газы поступают сначала на турбину компрессора 17, а затем на силовую турбину 16, приводящую нагрузку 20. После силовой турбины 16 рабочие газы поступают в турбину перерасширения 15, приводящую дожимающий компрессор 14. Отработанные газы после турбины перерасширения 15 поступают в регенератор 12, где охлаждаются, передавая теплоту газовой смеси перед камерой сгорания 18. После регенератора 12 отработанные газы проходят через охладитель 13, отдавая теплоту прокачиваемой с помощью циркуляционного насоса 5 забортной воде. Охлажденные в охладителе 13 газы сжимаются дожимающим компрессором 14, и подаются на охладитель отработанных газов 21, где отдают теплоту прокачиваемой с помощью циркуляционного насоса 6 забортной воде. Сконденсированная в охладителе 21 влага через фильтр-влагоотделитель 7 сбрасывается в накопительную цистерну 22 конденсатным насосом 6а. Охлажденные и очищенные от влаги отработанные газы представляют собой смесь с недостатком окислителя и избытком углекислого газа. Недостаток окислителя восполняется в ресивере-смесителе 23, куда обедненная окислителем газовая смесь поступает после охладителя 21 и фильтра-влагоотделителя 7. Излишки рабочего тела после компрессора 19 через регулирующий клапан 4, подаются в систему поглощения углекислого газа. Кислород поступает в ресивер-смеситель 23 из системы хранения и подачи окислителя 8, а также от системы поглощения углекислого газа, включающей барботер 1, с установленным сепаратором пара 11, заполненный забортной водой и предназначенный для охлаждения излишков рабочего тела после компрессора и растворения углекислого газа в забортной воде, и снабженный откачивающим насосом 3, предназначенным для удаления нагретой и насыщенной углекислотой забортной воды, нагнетательным насосом 3а и регулятором уровня 2, предназначенным для поддержания постоянного уровня забортной воды в барботере 1 независимо от глубины погружения. Влагопоглотитель-адсорбер 10 поглощает водяной пар из смеси окислителя и водяного пара на выходе из барботера 1. Таким образом выходит из влагопоглотителя-адсорбера 10 чистый окислитель, который затем поступает в ресивер-смеситель 23.