Газотурбинная установка со сверхкритическим расширением рабочего газа
GAS TURBINE PLANT WITH SUPERCRITICAL EXPANSION OF WORKING GAS

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и касается конструирования газотурбинных установок, используемых в электроэнергетике.
Известны газотурбинные установки (ГТУ) разомкнутого процесса со сгоранием при постоянном давлении и регенерацией тепла [1], [2], [3].
На Рис. II. 75. [1] представлена схема ГТУ содержащая: компрессор 1; регенератор 2; камеру сгорания 3; газовую турбину 4; электрогенератор 5.
Компрессор 1 засасывает воздух, сжимает его и подает в регенератор 2, где воздух подогревается отработавшими газами и попадает в камеру сгорания 3, откуда рабочий газ направляется в турбину 4. Отработавший газ из турбины 4, через регенератор 2 выбрасывается в атмосферу. Избыточная мощность снимается электрогенератором 5 с вала турбины 4.
Прототипом заявляемому устройству является [1].
Недостатки прототипа [1].
e
1. Низкая экономичность. КПД реально построенных ГТУ не превосходит η≈0,25-0,32 (25-32%).
1 т
1т
Повысить экономичность и одновременно увеличить удельную работу ГТУ можно, снижая работу сжатия и увеличивая работу расширения. Снизить работу сжатия (как вариант) можно путем применения низкой степени повышения давления β<3, а увеличить работу расширения можно применив высокие начальные температуры газа T, которые в настоящее время ограничиваются, главным образом, жаростойкостью используемых материалов для турбины и поэтому Т<1450 К [2].
2. Большие габариты (размеры) и масса установок [1], [2], [3].
Существенный недостаток этих установок заключается в необходимости иметь регенератор с чрезвычайно развитыми поверхностями теплообмена, работающими при высоких давлениях и температурах, что приводит к увеличению их размеров и массы, в том числе и всей установки в целом.
Цель изобретения.
Повышение экономичности и сокращение габаритов и массы установки.
Цель достигается следующим: газотурбинная установка со сверхкритическим расширением рабочего газа, содержащая компрессор, регенератор, камеру сгорания, газовую турбину, электрогенератор, при этом рабочий газ из камеры сгорания направляется в проточную часть канального прямоточного газоохладителя, где расширяется до сверхзвуковой скорости, при этом проточная часть канального прямоточного газоохладителя пристыкована к проточной части турбины, а сам канальный прямоточный газоохладитель расположен вокруг оси камеры сгорания, причем сжатый воздух из компрессора подается в межтрубное пространство канального прямоточного газоохладителя, а из него в камеру сгорания, при этом турбина, электрогенератор, компрессор связаны между собою кинематически через редуктор.
3
3
3
4
4
Сокращение габаритов и массы установки достигается за счет высоких скоростей рабочего газа и высоких коэффициентов теплоотдачи в теплообменник поверхностях канального прямоточного газоохладителя (КГО), являющегося в данном случае регенератором. Например, в точке 3 процесса, при подаче в проточную часть КГО рабочего газа, с параметрами t=1073 K, Р=0,25 Мпа, W=680 м/с (что соответствует критическому истечению), с последующим регенеративным охлаждением рабочего газа до t=453 K (180°C) и увеличением при этом скорости рабочего газа до сверхкритической W=880 м/с, при выходе из КГО в проточную часть турбины, где эта скорость срабатывается до 20-50 м/с. ермодинамическое обоснование этих процессов [4].
4
oi
е
Повышение экономичности установки достигается за счет высокой скорости истечения рабочего газа из проточной части КГО (W=880 м/с) в проточную часть турбины, что позволяет применять турбины с одной или двумя ступенями скорости при η=0,7-0,8 (η=0,63-0,72), а также за счет применения регенерации тепла в КГО.
Предлагаемое устройство поясняется чертежом.
Изображение состоит из одной фигуры - Фигура 1 «Газотурбинная установка со сверхкритическим расширением рабочего газа».
Фигура 1 изображает Схему (а) и термодинамический цикл (б) предлагаемой ГТУ.
ГТУ содержит компрессор 1, прямоточный канальный газоохладитель 2, камеру сгорания 3, газовую турбину 4, электрогенератор 5, редуктор 6, горелку 7.
Устройство работает следующим образом.
2
Компрессор 1 засасывает воздух из атмосферы, сжимает его до Р=0,25 Мпа,
2
4
4
Т=415 К (142°С) и подает в межтрубное пространство КГО, где воздух нагревается, отбирая при этом тепло у сверхкритически расширяющегося рабочего газа, текущего по трубам проточной части КГО (это процесс регенерации теплоты участок 3-4 термодинамического цикла). В результате мы получаем рабочий газ с параметрами t=453 K (180°С) и скоростью W=880 м/с, который направляется в проточную часть турбины 4, где срабатывает скорость до 20-50 м/с и выбрасывается в атмосферу.
Турбина 4, электрогенератор 5, компрессор 1 связаны между собою кинематически через редуктор 6, чтобы согласовать собственные скорости вращения. Поскольку предлагаемая ГТУ работает на электрический генератор с постоянной скоростью вращения, частичные нагрузки можно получить изменением температуры в камере сгорания - увеличивая или уменьшая подачу тепла (топлива).
Литература.
1. Бальян С. В. «Техническая термодинамика и тепловые двигатели». Л. «Машиностроение», 1973 г. С. 18, 219.
2. Манушин Э.А. «Газовые турбины: проблемы и перспективы», М.: «Энергоатомиздат», 1986 г. С. 32-39.
3. Ольховский Г.Г. «Энергетические газотурбинные установки», М.: «Энергоатомиздат», 1985 г. С. 15-18.
4. Вукалович М.П., Новиков И.И. «Термодинамика», М. «Машиностроение», 1972 г. С. 324-327; 554-557.