ПАРОГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к энергетике, в частности к парогазотурбинным установкам транспортных средств, работающих на легкокипящих жидкостях на водорода или метана.
Известна парогазотурбинная установка, содержащая входное устройство, компрессор, камеру сгорания, камеру смешения, турбину привода компрессора, свободную турбину, теплообменник, расположенный за свободной турбиной и соединенный с одной стороны с источником рабочего тела - жидкостью (вода), а с другой стороны - с камерой смешения, и выходное устройство, при этом теплообменник выполнен в виде теплообменника-испарителя, расход рабочего тела через который составляет не менее 15% от расхода воздуха, проходящего через компрессор, степень сжатия воздуха в установке не менее 25, а коэффициент избытка воздуха в камере сгорания не более 3,0, за теплообменником-испарителем установлен теплообменник-конденсатор паров воды, рабочими телами которого являются легкокипящие жидкости (метан, водород) [Патент РФ №2272916, МПК F01K 21/04, опубл. 27.03.2006. Б. №9, автор Письменный В.А. «Парогазотурбинная установка»].
Недостатком данного технического устройства является недостаточная мощность, высокий удельный расход топлива, высокая температура на входе в турбину, кроме того, не используется хладоресурс легкокипящей жидкости для снижения температуры на входе в двигатель.
Известна парогазотурбинная установка, содержащая входное устройство, компрессор, первую камеру сгорания, камеру смешения, турбину привода компрессора, свободную турбину, теплообменник-испаритель, расположенный за свободной турбиной и соединенный с источником рабочего тела - жидкостью (вода), выходное устройство в котором установлен теплообменник-конденсатор паров воды соединенный с источником легкокипящей жидкости (водорода, метана), во входном устройстве дополнительно установлены теплообменник-пароперегреватель легкокипящей жидкости, турбина привода компрессора выполнена с охлаждаемыми сопловыми лопатками и размещена перед первой камерой сгорания, в камере смещения выполнена вторая камера сгорания, за которой размещена свободная турбина с охлаждаемыми сопловыми лопатками, топливные коллекторы первой и второй камер сгорания соединены с выходом теплообменника-пароперегревателя легкокипящей жидкости, вход которого соединен с теплообменником-конденсатором паров воды, вход которого через топливный насос соединен с системой подачи легкокипящей жидкости, под теплообменником-конденсатором паров воды выполнен сборник конденсата паров воды, который соединен источником рабочего тела, выход которого через насос высокого давления соединен со входом теплообменника-испарителя, выход которого соединен с охлаждаемыми сопловыми лопатками турбин. [Патент РФ №150661, МПК F01K 21/04, опубл. 20.02.2015., авторы Носырев Д.Я., Мутаев М.А, «Парогазотурбинная установка»].
Недостатком данного технического устройства является ограниченная мощность, высокий удельный расход топлива, высокая температура на входе в турбину привода компрессора и в свободную турбину.
Данное техническое решение выбрано авторами в качестве прототипа.
Техническим результатом является повышение мощности парогазотурбинной установки, снижение удельного расхода топлива, снижение температуры на входе в турбину привода компрессора и в свободную турбину, за счет рекуперации теплоты отработавших газов.
Технический результат достигается тем, что в парогазотурбинной установке, содержащее входное устройство с теплообменником-пароперегревателем легкокипящей жидкости, компрессор, первую камеру сгорания с топливными коллекторами, турбину привода компрессора с охлаждаемыми сопловыми лопатками, вторую камеру сгорания с топливными коллекторами, свободную турбину с охлаждаемыми сопловыми лопатками, выходное устройство с теплообменником испарителем паров воды, теплообменником-конденсатором паров воды из отработавших газов, вход теплообменника-испарителя паров воды через насос высокого давления соединен с источником рабочего тела водой, а выход соединен со входами охлаждаемых сопловых лопаток турбин, вход теплообменника-конденсатора через топливный насос соединен с системой подачи легкокипящей жидкости водорода или метана, под теплообменником-конденсатором паров воды расположен сборник конденсата паров воды, выход которого соединен со входом источника рабочего тела - водой, выход теплообменника-конденсатора соединен со входом теплообменника-пароперегревателя легкокипящей жидкости, а выход теплообменника-пароперегревателя легкокипящей жидкости соединен с топливными коллекторами первой и второй камер сгорания, согласно полезной модели дополнительно введены два местных регулятора расхода топлива, которые установлены на входах в камеры сгорания, две камеры смешения, которые установлены за первой и второй камерами сгорания и в них выполнены два коллектора подачи паров воды, четыре местных регулятора расхода паров воды, два из которых установлены на входах в камеры смешения, и два регулятора расхода паров воды, которые установлены на входах в сопловые лопатки турбин, причем коллектора подачи паров воды первой и второй камер смешения соединены через местные регуляторы расхода паров воды с выходом теплообменника-испарителя паров воды.
На фиг. приведена схема парогазотурбинной установки.
Парогазотурбинная установка состоит из входного устройства 1, теплообменника-пароперегревателя легкокипящей жидкости 2, компрессора 3, первой камеры сгорания 4, топливного коллектора 5, регулятора расхода топлива 6, первой камеры смешения 7, коллектора подачи паров воды 8, регулятора расхода паров воды 9, сопловых лопаток 10, регулятора расхода паров воды 11, турбины привода компрессора 12, второй камеры сгорания 13, топливного коллектора 14, регулятора расхода топлива 15, второй камеры смешения 16, коллектора подачи паров воды 17, регулятора расхода паров воды 18, сопловых лопаток 19, регулятора расхода паров воды 20, свободной турбины 21, выходного устройства 22, теплообменника-испарителя 23, насоса высокого давления 24, источника рабочего тела воды 25, сборника конденсата паров воды 26, теплообменника-конденсатора паров воды 27, топливного насоса 28, источника легкокипящей жидкости водорода или метана 29.
Источник легкокипящей жидкости водорода или метана 29 через топливный насос 28 соединен со входом теплообменника-конденсатора паров воды 27, который расположен в выходном устройстве 22. Под теплообменником-конденсатором паров воды 27 выполнен сборник конденсата паров воды 26. Выход теплообменника-конденсатора паров воды 27 соединен со входом теплообменника-пароперегревателя легкокипящей жидкости 2, который расположен во входном устройстве 1. Выход теплообменника-пароперегревателя легкокипящей жидкости 2 через регуляторы расходов топлива 6 и 15 соединен с топливными коллекторами 5 и 14 первой 4 и второй 13 камер сгорания. Сборник конденсата паров воды 26 соединен с источником рабочего тела водой 25, выход которого через насос высокого давления 24 соединен со входом теплообменника-испарителя 23. Выход теплообменника-испарителя 23 через регуляторы 9, 11, 18, 20 расхода паров воды соединен с охлаждаемыми сопловыми лопатками 9, 17 турбин 11, 19, а также с коллекторами 8, 17 подачи паров воды камерами смешения 7, 15.
Работа установки осуществляется следующим образом.
кс
Воздух из окружающей среды через входное устройство 1 поступает в теплообменник-пароперегреватель легкокипящей жидкости 2, где пар легкокипящей жидкости перегревается, а температура воздуха понижается. Далее охлажденный воздух поступает в компрессор 3. Сжатый до заданного давления воздух непрерывным потоком подается в первую камеру сгорания 4, куда одновременно через регулятор расхода топлива 6 и топливный коллектор 5 поступают пары легкокипящей жидкости, поступающие из холодного контура теплообменника-конденсатора паров воды 27. Легкокипящая жидкость водород или метан поступает в холодный контур теплообменника-конденсатора паров воды 27 из источника легкокипящей жидкости водорода или метана 29 с помощью насоса высокого давления 28. В камере сгорания 4 образуется топливовоздушная смесь. Состав топливовоздушной смеси в первой камере сгорания 6 приближается к стехиометрическому (α менее 3,0), что при сгорании смеси ведет к росту температуры продуктов сгорания. Продукты сгорания из первой камеры сгорания 4 поступают в первую камеру смешения 7, куда одновременно из теплообменника-испарителя 23 через регулятор расхода паров воды 9 и коллектор подачи паров воды 8 подается водяной пар, который перемешивается с продуктами сгорания, образуя при этом смесь паров с продуктами сгорания с пониженной температурой. Из первой камеры смешения 7 смесь паров с продуктами сгорания с пониженной температурой проходит через сопловые лопатки 10. Сопловые лопатки 10 охлаждаются водяным паром, который подается из теплообменника-испарителя 23 через регуляторы расхода паров воды 11. В результате температура смеси продуктов сгорания и паров воды понижается до значений, допустимых по условиям прочности лопаток турбины 12, а энтальпия рабочего тела увеличивается. Смесь паров воды и продуктов сгорания поступает в рабочие лопатки турбины привода компрессора 12, где расширяется и совершает полезную работу. Отработавшие газы из турбины привода компрессора 12 поступают во вторую камеру сгорания 13, куда одновременно через регулятор расхода топлива 15 и топливный коллектор 14 поступают пары легкокипящей жидкости, которые перемешиваются с отработавшими газами и образуют продукты сгорания. Далее продукты сгорания поступают во вторую камеру смешения 16, куда одновременно из теплообменника-испарителя 23 через регулятор расхода паров воды 18 и коллектор подачи паров воды 17 подается водяной пар и смешивается с продуктами сгорания, в результате чего образуется смесь паров воды с продуктами сгорания, что приводит к понижению температуры. Из второй камеры смешения 16 смесь паров воды и продуктов сгорания с пониженной температурой проходит через сопловые лопатки 19. Сопловые лопатки 19 охлаждаются водяным паром, который подается из теплообменника-испарителя 23 через регуляторы расхода паров воды 20. В результате температура смеси продуктов сгорания и паров воды понижается до значений, допустимых по условиям прочности лопаток турбины 12, а энтальпия рабочего тела увеличивается. Смесь паров воды и продуктов сгорания поступает в свободную турбину 21, где расширяется и совершает полезную работу. При этом температура смеси паров воды и продуктов сгорания дополнительно понижается, но остается достаточно высокой. Смесь паров воды и продуктов сгорания с этой температурой проходит через теплообменник-испаритель 23, где нагревает и испаряет воду и частично охлаждается. Далее смесь паров воды и продуктов сгорания поступает в теплообменник-конденсатор 27, где часть паров воды из смеси конденсируется на наружной поверхности теплообменника-конденсатора 27. В результате конденсации паров воды в теплообменнике-конденсаторе 27 часть легкокипящей жидкости нагревается и испаряется, а температура смеси понижается. Это обеспечивает рекуперацию теплоты смеси. Конденсат паров воды поступает в сборник конденсата паров воды 26, выход которого соединен с источником рабочего тела водой 25. Из источника рабочего тела 25 вода с помощью насоса высокого давления 24 поступает в теплообменник-испаритель 23, где вода нагревается и испаряется.
Предложенное техническое решение по сравнению с прототипом повышает мощность парогазотурбинной установки на 10-15%, снижает удельный расход топлива на 5-10%.