КОМБИНИРОВАННАЯ ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА

Изобретение относится к энергетическим и транспортным силовым установкам и касается газотурбинных установок, использующих продукты сгорания топлива.
Известна газотурбинная установка, в которой используются камера сгорания и следующая за ней камера дожигания топлива, что позволяет увеличить ресурс двигателя и при определенных условиях повысить экономичность. (Судовые энергетические установки, Г.А.Артемов и др., Судостроение, 1987, стр.385).
Наиболее близкой к заявляемой установке является - «Теплофикационная регенеративная энергетическая газотурбинная установка с выносным энергоблоком», опубликованная в тезисах докладов «LIV научно-технической сессии по проблемам газовых турбин», 26-27 июня 2007 г., С-Петербург., стр 97.
Установка содержит основной многорежимный двигатель с камерой сгорания и камерой дожигания топлива и дополнительный двигатель, которые имеют компрессоры, турбины, приводящие компрессоры, силовые турбины и теплообменник, в котором сжатый в компрессоре дополнительной части воздух нагревается теплом выпускного газа основной части. Однако, мощность дополнительного воздушно-турбинного двигателя ограничена.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является отсутствие ограничения мощности дополнительного двигателя и возможность широкого регулирования мощности основного двигателя только изменением подачи топлива в камеру сгорания основного двигателя.
Поставленная задача достигается тем, что в комбинированной газотурбинной установке, содержащей основной многорежимный двигатель и дополнительный двигатель, которые имеют компрессоры, камеры сгорания и камеру дожигания топлива, турбины, приводящие компрессоры, силовые турбины и теплообменник, согласно изобретению, роторы генераторов газа основного и дополнительного двигателей объединены конструктивно и газодинамически, а именно вал турбокомпрессора основного двигателя расположен внутри полого вала генератора газа дополнительного двигателя, турбина компрессора основного двигателя расположена за камерой дожигания топлива, при этом основной газотурбинный двигатель имеет камеру сгорания, расположенную перед силовой турбиной.
На фиг.1 изображена комбинированная (гибридная) газотурбинная установка (ГТУ), на фиг 2 - газотурбинная установка без дожимающего газового компрессора, где
1 - воздухозаборное устройство;
2 - компрессор основной части двигателя;
3 - турбина компрессора основной части;
4 - компрессоры низкого и высокого давления; (КНД и КВД)
5 - камера сгорания;
6 - турбина, приводящая компрессоры 4 генератора газа дополнительной части;
7 - камера дожигания топлива;
8 - силовая турбина дополнительной части;
9 - газовоздушный теплообменник;
10 - камера сгорания основной части;
11 - силовая турбина основной части; 12-дополнительный теплообменник основной части;
13 - дожимающий газовый компрессор;
14 - газо-выпускное устройство;
15 -общий редуктор основной и дополнительной частей ГТУ;
16 - потребитель механической энергии;
17 - промежуточный охладитель сжатого в КНД 4 воздуха.
Предлагаемая комбинированная ГТУ работает следующим образом: воздух через воздухозаборное устройство 1 поступает в компрессор 2 основного двигателя и компрессор низкого давления 4, на выходе из которого происходит промежуточное охлаждение сжимаемого воздуха дополнительной части. Из компрессора высокого давления 4 дополнительной части сжатый воздух поступает в камеру сгорания 5 с умеренной температурой газа на выходе и используется в турбине 6, приводящей компрессор 4. Затем газ поступает в камеру дожигания топлива 7 и приводит в действие турбину 3 для привода компрессора 2 основной части. После чего газ поступает в силовую турбину 8 дополнительной части ГТУ.
Тепло выпускного газа дополнительной части нагревает в теплообменнике 9 сжатый в компрессоре 2 воздух основной части. Нагретый воздух основной части поступает в камеру сгорания 10, затем в силовую многоступенчатую с высоким перепадом давления турбину 11 основной части. Газ из силовой турбины 11 поступает в газовыпускное устройство 14. Мощность силовых турбин 8 и 11 дополнительной и основной частей может быть через общий редуктор 15 отдана на потребитель механической энергии 16, либо каждая из силовых турбин может приводить различные потребители механической энергии.
Для увеличения мощности силовой турбины 11 и экономичности основной части могут использоваться дополнительный теплообменник 12 и дожимающий газовый компрессор 13, применение которого понижает давление газа на выходе из силовой турбины 11.
Предлагаемый комбинированный газотурбинный двигатель позволит отказаться от двух самостоятельных газотурбинных двигателя, при этом упрощается регулирование мощности и обеспечивается при высоком ресурсе требуемая экономичность.
Газодинамическая связь турбин для привода компрессоров дополнительного и основного двигателей с применением камеры дожигания топлива позволяет уменьшить температуру газа перед турбиной компрессора дополнительного двигателя и тем самым увеличить ресурс турбины его генератора газа.
Применение камеры дожигания топлива при наличии затурбинного газовоздушного теплообменника в дополнительном двигателе повышает экономичность комбинированной газотурбинной установки.
В затурбинном газовоздушном теплообменнике дополнительного двигателя тепло его выпускного газа подогревает сжатый в компрессоре основного двигателя воздух, что позволяет уменьшить расход топлива в камере сгорания основного двигателя, расположенной на входе в его силовую турбину и тем самым увеличить его экономичность.
Применение камер сгорания топлива перед силовой турбиной многорежимного основного двигателя предельно упрощает регулирование его мощности, изменение которой достигается только изменением подачи топлива в камеру сгорания основного двигателя (без изменения параметров его генератора газа: температуры газа на выходе из камеры дожигания топлива и повышения давления воздуха в компрессоре основного двигателя).
Конструктивное объединение генераторов газа дополнительного и основного двигателей при использовании камеры дожигания топлива не влияет на выбор степени повышения давления воздуха в компрессоре основного двигателя в диапазоне 6…12 и на отношении расходов воздуха в основном и дополнительном двигателях в диапазоне 0,5…1,5, что позволяет осуществить возможность получения отношения мощностей силовых турбин основного и дополнительного двигателей в диапазоне 2,5…1,0. Замена компрессора дополнительного двигателя с высокой степенью повышения давления воздуха 16…20 на компрессор низкого давления и компрессор высокого давления с промежуточным охлаждением сжатого в компрессоре низкого давления воздуха на 80…120°С уменьшает работу потребляемую компрессором высокого давления и тем самым увеличивает экономичность дополнительного двигателя на 2,0…3,5%.
Применяя дожимающий газовый осевой компрессор за силовой турбиной основного двигателя можно увеличить степень понижения давления газа в ней и, следовательно, немного увеличить мощность силовой турбины основного двигателя.
При высокой температуре газа на выходе из камеры сгорания основного двигателя возможно использование затурбинного газовоздушного теплообменника на выходе из силовой турбины основного двигателя для дополнительного подогрева воздуха основного двигателя после нагрева в затурбинном газовоздушном теплообменнике дополнительного двигателя. При этом уменьшает расход топлива в камере сгорания основного двигателя, а также уменьшает работу сжатия газа в дожимающем газовом компрессоре.