ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА
GAS-TURBINE PLANT

Изобретение относится к области газотурбинных установок, предназначенных для использования на газотурбовозах, передвижных и стационарных электрических станциях, и отличается использованием криогенного газового топлива.
Известна газотурбинная установка (ГТУ) для двухсекционного газотурбовоза с тендером для тяжелого жидкого нефтяного топлива. Газотурбинная установка содержит газотурбинный двигатель (ГТД) с осевым компрессором, приводящий во вращение через редуктор генераторы (исполнительные агрегаты), устройство воздухоподготовки ГТД, топливную систему с камерами сгорания, подогревателем топлива, топливным трубопроводом, соединяющим камеры сгорания с топливной емкостью тендера, масляную систему узлов трения ГТД и генераторов (исполнительных агрегатов) с водомасляным теплообменником, нагнетающим насосом, с баком для масла. Охлаждение масла в водомасляном теплообменнике производится водой, поступающей через рукава со второй секции, где температура ее понижается холодильником тепловозного типа [1].
Недостатками известной газотурбинной установки являются:
- охлаждение смазочного масла ГТД и электрогенераторов производится за счет холодильника вспомогательного дизель-генератора газотурбовоза, размещенного в другой секции, что усложняет конструкцию межсекционного трубопровода и снижает его надежность (особенно в зимний период);
- дополнительная затрата мощности на привод вентилятора охлаждения смазочного масла;
- потеря тепла, отводимого маслом от узлов трения газотурбинного двигателя и генераторов (исполнительных агрегатов).
Известны ГТУ газотурбинных газоперекачивающих агрегатов, в которых в качестве охладителей масла обычно используют воздухомасляные или водомасляные охладители (теплообменники), при этом в отдельных установках маслоохладители установлены во всасывающем тракте ГТУ и через них воздух просасывается на вход в компрессор двигателя [2].
Недостатками этой конструкции являются:
- воздух в такой конструкции перед поступлением в компрессор нагревается на 3-5°С, что снижает мощность и экономичность ГТУ;
- в теплообменниках теряется тепло, отводимое маслом от узлов трения газотурбинного двигателя и исполнительного агрегата (насоса).
Известны ГТУ, в которых охлаждающий воздух подается через маслоохладитель с помощью электровентиляторов [2].
Недостатком этих ГТУ является то, что существует необходимость приобретения электровентиляторов с системой управления, а также требуются дополнительные затраты на расход электроэнергии для их питания.
Кроме того, в известных конструкциях ГТУ в теплообменниках теряется тепло, отводимое маслом от узлов трения газотурбинного двигателя и исполнительного агрегата (насоса).
Известна газотурбинная установка реактивного газотурбинного локомотива (газотурбовоза), содержащая турбореактивный газотурбинный двигатель, работающий на криогенном газовом топливе, компрессор этого двигателя с входным каналом с воздухозаборником, воздухоочистительное устройство (устройство воздухоподготовки), двухтопливную камеру сгорания, теплообменник-газификатор (подогреватель топлива) сжиженного газа, обогреваемый за счет тепла горячего газа из газотурбинного двигателя, агрегаты систем (устройства) подачи газового топлива и автоматического регулирования [3].
Недостатками известной установки являются:
- тепло, отводимое маслом от узлов трения газотурбинного двигателя, не используется;
- подогрев сжиженного газа, его газифицирование осуществляется в теплообменнике (подогревателе) топлива за счет только тепла горячего газа из газотурбинного двигателя, что требует выполнения теплообменника топлива значительных размеров.
Техническим результатом изобретения является создание экономичной газотурбинной установки с компактными системой охлаждения масла и подогревателем топлива.
Указанный технический результат достигается тем, что в газотурбинной установке, содержащей газотурбинный двигатель с компрессором, работающий на криогенном газовом топливе и приводящий во вращение исполнительные агрегаты, устройство воздухоподготовки газотурбинного двигателя, топливную систему с камерами сгорания, подогревателем топлива, установленным в выхлопном патрубке газотурбинного двигателя, устройством подачи и регулирования топлива, к которому подсоединен топливный трубопровод от емкости для хранения криогенного газового топлива и которое соединено топливными трубопроводами с камерами сгорания непосредственно и через подогреватель топлива, масляную систему узлов трения газотурбинного двигателя и исполнительных агрегатов с теплообменником охлаждения масла, нагнетающим насосом и баком для масла, теплообменник охлаждения масла выполнен в виде топливомасляного теплообменника, охлаждающей средой которого является криогенное газовое топливо, масляные системы газотурбинного двигателя и исполнительных агрегатов выполнены по отдельным регулируемым циркуляционным контурам со своим топливомасляным теплообменником, нагнетающим насосом и баком для масла, охлаждающие полости топливомасляных теплообменников соединены топливными трубопроводами на входе с устройством подачи и регулирования топлива, а на выходе они соединены с подогревателем топлива.
Кроме того, устройство подачи и регулирования топлива связано с датчиками температуры масла узлов трения газотурбинного двигателя и исполнительных агрегатов.
Принципиальная схема газотурбинной установки с масляной и топливной системами представлена на чертеже.
Газотурбинная установка (ГТУ) содержит газотурбинный двигатель (ГТД) 1 с компрессором 2, работающий на криогенном газовом топливе и приводящий во вращение исполнительные агрегаты 3, например генераторы, насосы и др., а также устройство воздухоподготовки 4 ГТД 1, топливную систему с камерами сгорания 5, подогревателем (газификатором) топлива 6, установленным в выхлопном патрубке 7 ГТД 1, с устройством 8 подачи и регулирования топлива, к которому подсоединен топливный трубопровод 9 от емкости для хранения криогенного газового топлива.
ГТУ содержит масляные системы узлов трения (подшипников, контактных уплотнений, зубчатых колес, шлицевых соединений) ГТД 1 и исполнительных агрегатов 3, выполненные для них по отдельным регулируемым циркуляционным контурам со своими теплообменниками охлаждения масла 10 и 11 для поддержания оптимальных значений температуры масла. Теплообменники охлаждения масла 10 и 11 выполнены в виде топливомасляных теплообменников, охлаждающей средой которых является криогенное газовое топливо, поступающее с топливного трубопровода 9. Каждый регулируемый циркуляционный контур масла ГТД 1 и исполнительных агрегатов 3 содержит соответственно нагнетательные насосы 12, 13 и баки для масла 14, 15, которые служат для подпитки циркуляционных контуров и слива с них избыточного масла.
Устройство 8 подачи и регулирования топлива соединено с камерами сгорания 5 непосредственно топливным трубопроводом 16, служащим для пуска ГТД 1, и топливными трубопроводами 17 и 18 через подогреватель топлива 6, при этом трубопровод 17 соединяет устройство 8 с подогревателем топлива 6, а трубопровод 18 соединяет подогреватель топлива 6 с камерами сгорания 5.
Охлаждающие полости топливомасляных теплообменников 10 и 11 соединены на входе топливными трубопроводами 19 и 20 с устройством 8 подачи и регулирования топлива, а на выходе они соединены топливными трубопроводами 21 и 22 с подогревателем топлива 6.
На выходе регулируемых циркуляционных контуров масла ГТД 1 и исполнительных агрегатов 3 установлены датчики температуры масла 23 их узлов трения, которые связаны (на чертеже не показано) с устройством 8 подачи и регулирования топлива.
Газотурбинная установка работает следующим образом.
Криогенное газовое топливо по топливному трубопроводу 9 от емкости для хранения топлива подается в устройство 8 подачи и регулирования топлива. Из устройства 8 топливо подается в камеры сгорания 5 во время пуска ГТД 1 по топливному трубопроводу 16, а при работе ГТД 1 через подогреватель топлива 6 по топливному трубопроводу 17 и по охлаждающим полостям теплообменников охлаждения масла (топливомасляных теплообменников) 10 и 11, которые подключены к регулируемым циркуляционным контурам масла ГТД 1 и исполнительных агрегатов 3. Масло в этих контурах подается нагнетательными насосами 12 и 13 к их узлам трения, в которых оно нагревается и дальше подается в топливомасляные теплообменники 10 и 11 для охлаждения его за счет хладоресурса криогенного газа.
Подогретый в топливомасляных теплообменниках 10 и 11 криогенный газ поступает в подогреватель топлива 6, где он вместе с криогенным газом, поступающим по топливному трубопроводу 17, нагревается газами, выходящими из ГТД 1, переходит в газообразное состояние (газифицируется) и по топливному трубопроводу 18 подается в камеру сгорания 5. В результате сгорания смеси топливного газа и сжатого воздуха, поступающего из компрессора 2, в камере сгорания 5 образуются продукты сгорания с высокой температурой и высоким давлением. Продукты сгорания, расширяясь, приводят во вращение ГТД 1 и далее через выхлопной патрубок 7 и подогреватель топлива 6 выходят из газотурбинной установки в атмосферу.
Температура масла в регулируемых циркуляционных контурах масла, выходящего из узлов трения ГТД 1 и исполнительных агрегатов 3, регулируется устройством 8 подачи и регулирования топлива с помощью датчиков 23.
Предлагаемое изобретение позволяет производить возврат в термодинамический цикл газотурбинного двигателя тепла, отводимого маслом от смазываемых узлов трения, как самого газотурбинного двигателя, так и приводимых им исполнительных агрегатов, чем улучшается экономичность газотурбинной установки. Кроме этого снижается расход мощности на собственные нужды, значительно упрощается конструкция системы охлаждения масла, подогреватель топлива возможно выполнить меньших размеров за счет подогрева криогенного газа в топливомасляных теплообменниках.
Источники информации
1. Журнал «Локомотив» №3, 2005 г., стр.41, статья B.C. Коссова и Э.И. Нестерова «Газотурбинная тяга: история и перспективы».
2. В.А. Щуровский, Ю.А. Зайцев. Газотурбинные перекачивающие агрегаты. М., Недра, 1994 г., стр.85, 87, 88.
3. RU, патент 2251505 С1, кл. В61С 11/06, 2005 г.