ТУРБОКОМПРЕССОРНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
TURBO COMPRESSOR POWER PLANT

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано в конструкциях турбокомпрессорных установок с замкнутым термодинамическим циклом Брайтона.
Известна турбокомпрессорная установка с открытым термодинамическим циклом (см. книгу «Газотурбинные установки», авторы А.Г. Костюк, А.Н. Шерстюк, стр. 15, рис. 1.4), по которому газообразное рабочее тело (воздух) из окружающей среды поступает в компрессор, где повышается его давление, затем в теплообменник-рекуператор, где подогревается за счет теплообмена с рабочим телом турбины, далее в нагреватель, где температура рабочего тела повышается до уровня температуры рабочего тела турбины и поступает в турбину, в которой тепловая энергия рабочего тела преобразуется в механическую, используемую для привода компрессора и электрогенератора, а после турбины и теплоотдающего тракта теплообменника-рекуператора выбрасывается в окружающее пространство. Такая турбокомпрессорная установка имеет достаточно высокие энергетические и экономические характеристики, однако не может быть использована при отсутствии атмосферы в окружающей среде, например в условиях космоса.
В таких условиях возможно использование только турбокомпрессорных установок с термодинамическим циклом, исключающих забор рабочего тела из окружающей среды.
Известна, принятая за прототип изобретения, космическая энергетическая установка с газообразным рабочим телом в замкнутом контуре, реализующем термодинамический цикл Брайтона.
В состав контура входят: турбокомпрессор, нагреватель рабочего тела, теплообменник-рекуператор (TP), теплообменник-холодильник (ТХ) для отвода низко потенциального тепла, через излучатель, в окружающее пространство (патент РФ №2508460 с приоритетом от 10.07.2012 г. ). В значительной мере, коэффициент полезного действия (КПД) такой установки зависит от гидравлического совершенства контура, который определяется относительными потерями давления (отношение потерь давления к давлению на участке контура) в трактах элементов, составляющих контур:
- в теплопринимающем тракте теплообменника-рекуператора;
- в тракте источника тепла (нагревателя);
- в теплоотдающем тракте теплообменника-рекуператора;
- в тракте теплообменника-холодильника;
- в магистралях, сообщающих указанные элементы контура.
При этом наибольшее влияние на гидравлическое совершенство контура оказывают потери давления в части контура между выходом из турбины и входом в компрессор, как имеющие наибольшую относительную величину, вследствие наименьшего давления в этой части контура. Так, в зависимости от компоновки контура и габаритов теплообменных аппаратов, входящих в него, у энергоустановки мощностью ~250 кВт с расходом газообразного рабочего тела через контур - 4,5 кг/с при температурах на входе в компрессор - 310 К и на входе в турбину 1200 К, потери давления на тракте между выходом турбины и входом в компрессор могут достигать 1 атм при давлении в нем 15 атм, что обуславливает снижение КПД энергоустановки на ~6%.
Из указанных выше потерь давления, более половины (~0,6 атм) приходятся на потери в тракте TP и на входе в него из-за закрутки потока, поступающего с выхода турбины, в связи с которыми КПД энергоустановки сможет уменьшиться на ~4% (с 35,6% до 31,6%).
Изобретение направлено на повышение эффективности турбокомпрессорной установки за счет уменьшения потерь давления на участке контура, включающем TP, а также уменьшение ее массы за счет уменьшения габаритов и массы ТР.
Результат обеспечивается тем, что на выходе проточного тракта (из лопаток рабочего колеса турбины) установлен спрямляющий аппарат в виде кольцевой лопаточной решетки, образованной пустотелыми лопатками с проточными каналами, сообщенными с концентрически выполненными наружным и внутренним коллекторами, причем наружный коллектор разделен на два полуколлектора, один из которых сообщен патрубком с выходом компрессора, а другой - со входом в теплопринимающий тракт теплообменника-рекуператора.
Данное техническое решение обеспечивает: рекуперацию тепла за счет нагрева рабочего тела после компрессора в каналах лопаток спрямляющей решетки при теплообмене с газовым потоком на выходе турбины при минимальных потерях давления, уменьшение потерь давления на входе в теплоотдающий тракт TP вследствие спрямления потока и возможность уменьшения поверхности теплообменника в TP и, следовательно, потерь давления как в его теплопередающем, так и тепловоспринимающих трактах за счет указанной дополнительной рекуперации посредством спрямляющей решетки, а также уменьшение габаритов и массы теплообменника-рекуператора.
Принципиальная схема энергетической установки для привода электрогенератора по изобретению показана на фиг. 1, сечение А-А показано на фиг. 2, сечение Б-Б лопатки показано на фиг. 3.
Установка содержит компрессор 1, выход которого сообщен трубопроводом 2 с полуколлектором 3 наружного коллектора. На выходе проточного тракта рабочего колеса турбины 4 установлен спрямляющий аппарат 5 в виде кольцевой лопаточной решетки, образованной пустотелыми лопатками 6 с проточными каналами 7. Каналы 7 сообщают наружный коллектор, состоящий из полуколлектора 3 и полуколлектора 8 с внутренним коллектором 9. Наружный и внутренний коллекторы выполнены концентрически.
Установка содержит также теплообменник-рекуператор 10, нагреватель (реактор) 11, сообщенный трубопроводом 12 с сопловым аппаратом 13 турбины 4, теплообменник-холодильник 14.
Рабочий газ из компрессора 1 по трубопроводу 2 поступает в полуколлектор 3. Из полуколлектора 3 газ через пустотелые лопатки 6 спрямляющего аппарата 5, установленного в газовом тракте после турбинного колеса 4, по каналам 7 поступает во внутренний коллектор 9. Из внутреннего коллектора 9 газ, через вторую половину пустотелых лопаток, поступает в полуколлектор 8, и далее через теплообменник-рекуператор 10 в нагреватель (реактор) 11. Из нагревателя 11 газ по трубопроводу 12 поступает в сопловой аппарат 13 турбины 4, совершает полезную работу и, обтекая лопатки 6 спрямляющего аппарата 5, по межлопаточным каналам 15 поступает в теплообменник-рекуператор 10. Из теплообменника-рекуператора 10 газ поступает в теплообменник-холодильник 14 и затем на вход в компрессор 1.
Использование изобретения увеличивает КПД установки и уменьшает ее массу.
Так, расчетная оценка показывает возможность уменьшения потерь давления в части контура с низким давлением рассмотренной ранее энергоустановки, за счет указанных выше факторов с 0,6 атм до 0,2 атм, обеспечивает увеличение КПД энергоустановки по сравнению с прототипом на ~2,5%, а также приводит к уменьшению массы TP за счет длины на ~20% (с 200 кг до 160 кг).