Способ применения газовоздушного термодинамического цикла для повышения КПД малогабаритного турбодвигателя
METHOD OF USING GAS-AIR THERMODYNAMIC CYCLE FOR INCREASING EFFICIENCY OF SMALL TURBO-ENGINE

Изобретение относится к энергетике и предназначено для модернизации газотурбинных и газопоршневых двигателей. Устройство, в котором осуществляют газовоздушный термодинамический цикл, содержит в качестве корпуса трубу с фланцами на концах. К одному из концов корпуса, вставляют внутрь и крепят к фланцу сверхзвуковое сопло Лаваля, содержащего на выходной кромке косую заточку, образующей со стенкой корпуса кольцевое сверхзвуковое сопло. Стенкой сопла Лаваля ограждают кольцевое пространство в корпусе, которое используют для камеры сгорания топлива. Во второй конец корпуса вставляют внутрь и крепят выходной патрубок газовоздушного потока, содержащего первый конфузор, переходящий в первый цилиндрический участок, переходящего во второй конфузор, переходящий во второй цилиндрический участок, переходящий в диффузор. В камеру сгорания компрессором высокого давления нагнетают теоретически необходимое количество сжатого воздуха для сгорания топлива. Кольцевым соплом и стенкой конфузора формируют кумулятивный поток горячего газа. Горячий газ, выходящий из кольцевого сопла, течет прижатым к стенке конфузора, одномерным кумулятивным кольцевым потоком, внутри которого создают критическое разряжение, вызванное внутренним разрывом в кольцевом потоке. Компрессором низкого давления нагнетают внутрь кольцевого потока холодный воздух, который ликвидирует разрыв тем, что заполняет пространство внутри кольцевого потока, создавая с рабочим газом общий неразрывный газовоздушный поток. Газовоздушный поток входит в диффузор, где его скоростной напор преобразуют в давление и направляют в турбину, с муфты которой снимают механическую работу. В настоящее время помимо увеличения степени сжатия воздуха и температуры газа перед газовой турбиной, существуют и другие способы повышения экономичности ГТУ.
1. Применяют регенерацию теплоты отработавших в турбине газов для предварительного подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания.
2. Применяют ступенчатое сжатия воздуха в компрессоре и промежуточное его охлаждения.
3. Применяют промежуточный подогрев газа.
4. Создают сложные многовальные турбоустановки, что дает возможность повысить КПД в основном при работе на частичных нагрузках.
5. Создают комбинированные установки, работающие по сложному парогазовому циклу.
6. Применяют утилизацию теплоты уходящих газов для производства пара и горячей воды (снижение потерь теплоты с уходящими газами).
Известен способ повышения эффективности газотурбинных установок.
Патент №2229030 F02C 3/30 опубликован 20.05.2004 г.
Способ повышения эффективности работы газотурбинной установки включает в себя впрыск воды на вход воздушного компрессора и пара в камеру сгорания. Воду в воздушный компрессор подают по ступеням сжатия через осевой канал вала ротора компрессора. Воду в камеру сгорания подают в зону законченного горения. Недостатки заключаются в том, что для испарения одного килограмма воды при давлении 0.1 МПа необходимо затратить 2257 кДж/кг. тепловой энергии. Затраченная тепловой энергии на испарение не преобразуется в работу и будет выброшена из выхлопного патрубка турбины. Используется сложная схема, для обслуживания которой необходим дополнительный персонал, что увеличивает трудозатраты и стоимость электроэнергии. Предложенный способ, не может широко использовать в энергетике.
Известная газотурбинная установка с впрыском водяного пара. Патент №2527010 F02C 3/30 опубликован 27.08.2014 г. Газотурбинная установка с впрыском водяного пара в контур ГТУ содержит компрессор для сжатия воздуха, топливный насос, средства для подачи топлива, камеру сгорания, газовую турбину, электрогенератор для выработки электроэнергии, механические средства для передачи механической энергии от турбины на работу компрессора и на вращение электрогенератора, котел-утилизатор. Котел-утилизатор предназначен для нагрева подаваемой воды и получения пара за счет тепла продуктов сгорания, систему впрыска пара в камеру сгорания. Газотурбинная установка оснащена системой подачи активатора горения и системой смешения активатора горения с водяным паром, впрыскиваемым в камеру сгорания. Изобретение направлено на увеличение удельной мощности, повышение КПД, снижение удельного расхода топлива и увеличение ресурса ГТУ.
Недостатки заключаются в использовании сложной и дорогой схемы, которая увеличить КПД, но при этом увеличиваются затраты на ремонт и обслуживания, что может привести к удорожанию электроэнергии, поэтому это не позволяет широко использовать изобретение в энергетике. В области промышленного использования газотурбинных и парогазовых технологий Россия значительно отстала от передовых стран мира. Мировые лидеры в производстве газовых и парогазовых энергоустановок большой мощности: GE, Siemens Wistinghouse, ABB - достигли значений единичной мощности газотурбинных установок 280-320 МВт и КПД свыше 40%, с утилизационной паросиловой надстройкой в парогазовом цикле (называемом также бинарным) - мощности 430-480 МВт при КПД до 60%. За конкурирующий образец и для сравнения способов повышения КПД примем одну из лучших в мире ГТУ Siemens SGT-800. Сайт. ccpowerplant.ru>gazovaya-turbina-siemens-sgt-800/
SGT-800 - газовая одновальная турбина содержит 15 ступенчатый компрессор, первые три ступени которого имеют изменяемую геометрию. Трехступенчатая турбина выполнена одним модулем для простоты техобслуживания. Вал компрессора соединяется с валом турбины болтовым соединением. Первая и вторая ступени статора турбины оборудованы охлаждением. Аэродинамическая поверхность лопаток также оборудована охлаждением и выполнены они из монокристального материала. Предусмотрено воздушное охлаждение фланцев статора турбины для уменьшения зазоров и увеличения КПД. Для присоединения газовой турбины к генератору и снижения частоты вращения генератора, между газовой турбиной и генератором устанавливается понижающий частоту редуктор. Редуктор преобразует частоту с турбины 6600 об/мин до 1500/1800 об/мин на генераторе.
Недостатки ГТУ Siemens SGT-800.
Велика стоимость изготовления газотурбинной установки, что снижает сроки ее окупаемости. Сложный и дорогостоящий текущий ремонт. Для снижения воздействия высокотемпературного газа на лопатки турбины, возникает необходимость в срабатывании большого теплоперепада рабочего газа на трехступенчатой турбине, что снижает внутренний КПД турбины. Для устранения этого недостатка и повышение давления в компрессоре, повышают частоту вращения турбины до 6608 об/мин и устанавливают редуктор между турбиной и генератором, что приводит к дополнительным потерям механической энергии в редукторе. Большие затраты на привод компрессора (соизмеримого с половиной мощности ГТУ), нагнетающий избыточное количество воздуха (от теоретически необходимого) в камеру сгорания. Неоправданно высокая температура выхлопных газов Т.=538°С (811°К), для использования тепла которых требуется установка паровой турбины, котла и химводоочистки для подготовки подпиточной воды парового цикла. Сложная схема ПГТУ не позволяет использовать их в экономном режиме при ликвидации пиковых нагрузок энергосистемы. На конструктивное усовершенствование тепловых двигателей за последний век израсходованы триллионы долларов, и сотни тысяч первоклассных конструкторов рассмотрели миллионы различных вариантов увеличения КПД. Конструкции тепловых двигателей близки к идеалу и дальнейшие попытки повысить КПД газотурбинного термодинамического цикла исчерпали себя.
Общая тупиковая ситуация в современной энергетике заключается в том, что при больших достижениях в разработке новых материалов и технологий в машиностроении, используются термодинамические циклы разработанные в девятнадцатом веке, в состав которых входят устройства преобразующие кинетическую энергию рабочего газа в механическую работу. Параметры рабочего газа, определяют движущиеся детали механических устройств, входящих в состав термодинамических циклов.
Задачей заявленного изобретения является повышение КПД теплового малогабаритного турбодвигателя.
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что применяют газовоздушный термодинамический цикл, который осуществляют в отдельном устройстве, содержащем в качестве корпуса, трубу с фланцами на концах. К одному из концов корпуса вставляют внутрь и крепят к фланцу сверхзвуковое сопло Лаваля, содержащего на выходной цилиндрической кромке косую заточку, образующей со стенкой корпуса кольцевое сверхзвуковое сопло. Стенкой сопла Лаваля ограждают кольцевое пространство в корпусе, которое используют для камеры сгорания топлива. Во второй конец корпуса вставляют внутрь и крепят выходной патрубок газовоздушного потока, содержащего первый конфузор, переходящий в первый цилиндрический участок, переходящего во второй конфузор, переходящий во второй цилиндрический участок, переходящий в диффузор. В камеру сгорания компрессором высокого давления нагнетают теоретически необходимое количество сжатого воздуха для сгорания топлива. Камера сгорания содержит отделение разогрева топлива, участки дозвукового и сверхзвукового догорания паров топлива. Кольцевым соплом и стенкой выходного патрубка формируют одномерный, кумулятивный кольцевой поток горячего газа и создают разрыв внутри кольцевого потока.
Дополнительное разъяснение. В отличие от направленного в точку боевого кумулятивного взрыва, в устройстве кумулятивный поток «обрезают» выходной площадью конфузора, которая заполняется только частично, поэтому по оси потока создается разрыв потока.
Горячий газ, выходящий из кольцевого сопла, течет прижатым к стенке выходного патрубка, одномерным кумулятивным кольцевым потоком и, стремясь ликвидировать разрыв потока, создает критическое разряжение. Компрессором низкого давления нагнетают внутрь кольцевого потока холодный воздух, который расширившись до критического давления, заполняет своим объемом разорванное пространство внутри кольцевого потока, создавая общий неразрывный газовоздушный поток. В конфузоре кумулятивный поток горячего газа в процессе изотермического сжатия передает тепло своего сжатия холодному воздуху. Процесс характеризуется тем, что тепло холодный воздух поглощает своим импульсом скорости, который не имеет энтропии, поэтому преобразует тепло в работу, увеличивающую скорость его течения и адиабатно сжимает холодный воздух до исходной плотности (до расширения). Изотермический процесс горячего газа прекращается и начинается процесс адиабатного сжатия его до одной плотности с холодным воздухом. Во втором цилиндрическом участке, при постоянном объеме, в изохорном процессе происходит передача тепла и энтропии от горячего газа к холодному воздуху. Энтропия и температура горячего газа снижают, обратно пропорционально массе газовоздушного потока. Газовоздушный поток входит в диффузор, где его скоростной напор преобразуют в давление. С устройства выходит сжатый газ с расчетными параметрами. Сжатый газ можно использовать в различных областях промышленности для решения различных задач. В заявленном изобретении сжатый газ используют для получения механической работы, для этого направляют его в турбину, которую используют в качестве турбодвигателя. В газовоздушном термодинамическом цикле турбина выведена за пределы термодинамического цикла и не участвует в нем. Фиг 1. Показана схема, поясняющая сущность заявленного изобретения. Устройство, в котором осуществляют способ, содержит: Корпус 1. Сверхзвуковое сопло Лаваля 2. Выходной патрубок газовоздушного потока 3, состоящего из первого конфузора 4, переходящего в первый цилиндрический участок 5, второго конфузора 6, переходящего во второй цилиндрический участок 7, переходящего в диффузор 8. Отделение разогрева топлива 9. Сверхзвуковое кольцевое сопло 10. Кольцевым кольцом 10 и стенкой выходного патрубка 3, создают кумулятивный поток горячего газа 11, сжимающего холодный воздух 12. Камера сгорания топлива 13 содержит участок дозвукового догорания паров топлива 14 и участок сверхзвукового догорания паров 15. Компрессор высокого давления 16. Система подачи топлива 17. Компрессор низкого давления 18. Газовоздушная турбина 19. Фиг 2. Показано сопло Лаваля в масштабе, позволяющем показать мелкие детали. Заточка на выходной кромке сопла 20, содержащая первую ступень расширения 21, цилиндрический участок догорания топлива 22, вторую ступень расширения 23, фланец для его крепления 24.
Работает компактный турбодвигатель с газовоздушным термодинамическим циклом следующим образом.
В камере сгорания создают горячий газ сверхвысоких параметров, нагнетая компрессором высокого давления 16 теоретически необходимое количество воздуха. Системой подачи топлива 17 подают топливо в отделение его разогрева 9. Нагретое топливо поступает в камеру сгорания, где его смешивают со сжатым воздухом и воспламеняют.Топливовоздушная смесь достигнув, стереометрической температуры прекращает горение, поэтому предусмотрено догорания ее на дозвуковом участке расширении 14 и на сверхзвуковом участке расширение 22. На указанных участках при расширении газа его температура снижается, что позволяет парам топлива гореть, поддерживая при этом постоянную стереометрическую температуру. Горячий газ сверхвысоких параметров, выходящий из сверхзвукового кольцевого сопла 10, течет по инерции, одномерным кольцевым кумулятивным потоком 11. Объема горячего газа, проходящего конфузор 6 и второй цилиндрический участок 7 недостаточно для полного его заполнения, поэтому внутри кумулятивного потока возникает разрыв потока, создающего критическое разряжение. Компрессором низкого давления 18 нагнетают холодный воздух 12, который расширяется в сверхзвуковом сопле 2, за счет критического разряжения в кольцевом потоке горячего газа до максимальной скорости. Холодный воздух своим объемом ликвидирует разрыв горячего потока тем, что заполняют своим объемом пространство внутри кумулятивного кольцевого потока, образуя с горячим газом один неразрывный газовоздушный поток. В конфузоре горячий газ, двигаясь на выход, из его меньшего отверстия изотермически сжимаясь, передает тепло своего сжатия холодному воздуху. Особенностью одномерного, кумулятивного кольцевого потока является то, что в результате массообмена (смешивания) между горячим газом и холодным воздухом в едином газовоздушном потоке, сохраняется импульс и работа. Работа, энтропия и температура горячего потока равномерно распределяется по газовоздушному потоку и теоретически потери отсутствуют, так как молекулы горячего газа, покидая его, отдают ему свой импульс, а молекулы холодного воздуха присоединяясь к горячему газу, поглощают его импульс. Энтропия является логарифмической функцией, а тепловая энергия линейной функцией, поэтому в балансе газовоздушного потока появляется избыток тепловой энергии, лишенной энтропии. Согласно второму закону термодинамике тепловая энергия, не имеющая энтропии это кинетическая или потенциальная энергия (давления), которая дополнительно увеличивает КПД термодинамического цикла. В диффузоре скоростной напор газовоздушного потока преобразуют в давления и направляют в турбину с параметрами безопасными для ее работы.
Разъясним процессы, происходящие в газовоздушном термодинамическом цикле и методику его расчета на T-S диаграмме.
Расчет сокращен, но можно продолжить и проверить конечный результат.
Для теоретического расчета газовоздушного термического цикла принимают идеальный газ с приведенными ниже характеристиками:
Характеристики воздуха и продуктов сгорания топлива:
Ср.=1,015 КДж/кг, Cv.=0,725 КДж/кг. R.=290 Дж/кг × °К.
Теплота сгорания топлива: Q.=44000 кДж/кг.
Параметры наружной среды примем:
3
Ра.=0,1 МПа, Та.=288°К, Va.=0,8352 м/кг.
Работу адиабатного процесса расширения в T-S диаграмме будем определять по формуле: Аа.=Ср.×(Т'-Т"), где Т'. - начальная, а Т". - конечная температура адиабатного процесса расширения.
Работу изотермического процесса расширения будем определять по формуле:
Ат.=T'.×R.×LnP."/P'., где P'. - начальное, а Р.". - конечное давление рабочего газа, Ln. - натуральный логарифм.
Изменение энтропии в изобарном процессе будем определять по формуле:
ΔS.=Ср.×Ln.T'/T".
Для изохорного процесса энтропию будем определять по формуле:
ΔS.=Cv.×Ln.T'/T".
В камеру сгорания компрессором высокого давления нагнетают 19 кг. воздуха с параметрами: Р.=1.2 МПа Т.=586°К. процесс 25-26 и подают 1 кг. топлива с температурой Т.=288°К.
Теплоту сгорания одного килограмма топлива принимают: Определяют температуру горячего газа в камере сгорания:
Т.=(586×19+288+44000/Ср.):20=2738°К.
Компрессором низкого давления нагнетают холодный воздух с параметрами:
3
Р=0.168 МПа, V.=0.577 м/кг. Т.=334°К. в соотношении:
3 кг холодного воздуха на один килограмм продуктов сгорания топлива.
Масса газовоздушного потока. m=(3+1)×20=80 кг/сек.
Фиг. 3. Термодинамический цикл в T-S диаграмме.
Компрессором нагнетают сжатый воздух в камеру сгорания процесс 25-26. Топливо сгорает в изобарном процессе 26-27. Горячий газ расширяется в кольцевом сверхзвуковом сопле 10 в адиабатном процессе 27-28 до давления: Р.=0.1 МПа. Т.=1347°К.
3
В кумулятивном потоке горячего газа создают разрыв потока, образующего разряжение процесс 28-29. Холодный воздух, расширившись в сопле Лаваля до критического расширения процесс 31-32, входит внутрь кольцевого кумулятивного потока горячего газа со сверхзвуковой скоростью и восстанавливает своим объемом разрыв потока. В конфузоре горячий газ, в процессе изотермического сжатия 29-30, передает холодному воздуху тепло, которое поглощается его импульсом скорости 32-31, при этом холодный воздух достигает первоначальных параметров (до расширения) точка 31. Изотермический процесс прекратился и начинается процесс адиабатного сжатия горячего газа процесс 30-33 до достижения общей плотности с холодным воздухом. Т.=2191°К. V.=0,577 кг/м.
3
Дальнейшая передача тепла и энтропии происходит в изохорном процессе 33-31. Точка 36 с параметрами Т.=530°К. V.=0.577 кг/м. Р.=0.266 МПа определяет энтропию общего газовоздушного потока.
ΔS.=Ln2122/334×Cv.=Ln530/334×Cv×4.=1339 Дж/(кг × К°).
ΔT=(530-334)×4=1118-334=784.
В точке 36 произошло сложение всех параметров. Избыточная тепловая энергия процесс 33-35, которая не имеет энтропии, преобразовалась в потенциальную энергию, которая увеличила работоспособность газовоздушного потока процесс 36-38.
ΔА=(2738-1118):4=405×Ср.кДж.
Энтальпия газовоздушного потока точка 40:
I.=(530+405) Ср.=935×Ср.кДж.
Полный теплоперепад рабочего газа процесс 40-39:
ΔT.=935-400=535.
Работа одного килограмма газовоздушного потока:
А.=935-400=535×Ср.=543 кДж.
Работа, создаваемая двигателем, при сгорании одного килограмма топлива:
Ап.=(3+1)×20×543=43442 кДж.
Работа, затраченная на сжатия газа в компрессорах:
Азат.=[(19×298)+(60×46)]×Ср.=8548 кДж.