ДВУХКОНТУРНАЯ ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к теплотехнике.
∑
г
∑
В известных газотурбинных установках (ГТУ) используется термодинамический цикл Брайтона, термический КПД которого зависит от степени повышения давления воздуха в цикле , где π - суммарная степень повышения давления в цикле, k - показатель адиабаты. Повышение π в ГТУ ведет к тому, что температура воздуха за компрессором приближается к температуре газа перед турбиной, которая в ГТУ менее 1100 К. Данный факт вынуждает ограничивать степени повышения давления воздуха в ГТУ (менее 40), соответственно, ограничены термический и эффективный к.п.д. (эффективный к.п.д. менее 0,5).
Целью полезной модели является повышение эффективного к.п.д. газотурбинной установки.
Известна двухконтурная газотурбинная установка, состоящая из входного устройства, вентилятора, внутреннего контура, внутри которого расположены компрессор среднего давления, компрессор высокого давления, камера сгорания, турбина; внешнего контура, внутри которого расположен воздуховоздушный теплообменник, газоотводящие каналы (выхлопные патрубки), соединяющие внутренний контур с атмосферой, свободная турбина, выходной канал [1].
Поставленная цель достигается тем, что в двухконтурной газотурбинной установке, состоящей из входного устройства, вентилятора, внутреннего контура, внутри которого расположены компрессор среднего давления, компрессор высокого давления, камера сгорания, турбина; внешнего контура, внутри которого расположен воздуховоздушный теплообменник, выхлопные патрубки, соединяющие внутренний контур с атмосферой, свободная турбина, выходной канал, воздуховоздушный теплообменник соединен на входе с компрессором среднего давления, а на выходе - с компрессором высокого давления, а выхлопные патрубки выполнены пересекающими внешний контур.
Сущность полезной модели заключается в том, что охлаждение воздуха на входе в компрессор высокого давления посредствам передачи части теплоты из внутреннего контура во внешний позволяет повысить суммарную степень повышения давления воздуха в ГТУ до 100 и более и, как следствие, повысить эффективный к.п.д.
На фиг. 1 показана двухконтурная ГТУ;
на фиг. 2 показан термодинамический цикл ГТУ;
на фиг. 3 показана зависимость эффективного к.п.д. ГТУ от суммарной степени повышения давления в ГТУ.
ГТУ (фиг. 1) состоит из входного устройства 1, вентилятора 2, внутреннего и внешнего контуров.
Во внутреннем контуре расположены: компрессор среднего давления 3, компрессор высокого давления 4, камера сгорания 5, турбина 6.
Во внешнем контуре расположены: воздуховоздушный теплообменник 7, который соединен на входе с компрессором среднего давления, а на выходе - с компрессором высокого давления, выхлопные патрубки 8, которые пересекают внешний контур - соединяют внутренний контур с атмосферой, свободная турбина 9, выходной канал 10.
Между компрессором низкого давления и вентилятором расположен редуктор 11.
Воздух через входное устройство 1 попадает в вентилятор 2. После вентилятора часть воздуха попадает во внутренний (первый) контур, а часть - в наружный (второй) контур.
В компрессоре 3 воздух сжимается, его температура повышается, после чего воздух поступает в теплообменник 7.
В теплообменнике 7 температура воздуха понижается, после чего он поступает в компрессор высокого давления 4, сжимается, поступает в камеру сгорания 5, смешивается с топливом, которое сгорает. Образовавшийся газ расширяется в турбине 6, приводя в действие вентилятор и компрессоры. Продукты сгорания удаляются в атмосферу через выхлопные патрубки 8. Наличие патрубков позволяет, во-первых, реализовать в турбине максимально-возможный перепад давлений, что необходимо для получения максимально-возможной степени двухконтурности ГТУ (отношение расхода воздуха через внешний контур к расходу воздуха через внутренний контур), во-вторых, увеличить количество теплоты, которое передается из внутреннего контура во внешний, что позволяет (за счет регенерации передаваемой теплоты) увеличить общую работу цикла ГТУ.
Другая часть воздуха, сжатого в вентиляторе, поступает во внешний контур установки, где воздух нагревается в теплообменнике 7, а также - при контакте с патрубками 8, после чего воздух расширяется в турбине 9, создавая механическую работу на валу турбины.
1
1
1
2
На фиг. 2 показан термодинамический цикл ГТУ в Р-υ координатах. Здесь н - в - сжатие воздуха в вентиляторе; в - к - сжатие воздуха в компрессоре среднего давления; к' - в' - процесс отвода теплоты в воздуховоздушном теплообменнике; в' - к - сжатие воздуха в компрессоре высокого давления; к - г - процесс подвода теплоты в камере сгорания; г - т - расширение газа в турбине; т - п - процесс отвода теплоты в выхлопных патрубках; п - н - отвод теплоты в атмосферу; в - г' - процесс подвода теплоты во внешнем контуре; г' - т' - процесс расширения воздуха в свободной турбине; т' - н - отвод теплоты в атмосферу. Lц - работа внешнего цикла; Lц - работа внутреннего цикла [2].
1
2
Работа цикла ГТУ складывается из работ внешнего и внутреннего циклов: Lц=Lц+m⋅Lц, где m - степень двухконтурности ГТУ.
∑
е
∑
Термический к.п.д. цикла ГТУ (фиг. 2), имеющего в своем составе внутренний цикл , выше термического к.п.д. цикла Брайтона, имеющего ту же степень повышения давления воздуха π, по определению [2]. Если полагать, что эта разница соизмерима с внутренними потерями в цикле Брайтона, то в первом приближении можно считать, что эффективный к.п.д. цикла ГТУ (фиг. 2) приближается к термическому к.п.д. соответствующего цикла Брайтона. С учетом сделанного допущения, зависимость эффективного к.п.д. η двухконтурной ГТУ от суммарной степени повышения давления воздуха π показана на фиг. 3. Видно, что эффективный к.п.д. ГТУ выше 0,5.
Газотурбинная установка предназначена для использования на тепловых электростанциях. Техническим результатом является уменьшение расхода топлива пропорционально росту эффективного к.п.д. (рис. 3).
Источники информации:
[1] Письменный В.Л. Газотурбинная установка. Пат. РФ 2675167, 2018, бюл. №35, 8 с.
[2] Письменный В.Л. Внутренние термодинамические циклы // Общероссийский научно-технический журнал «Конверсия в машиностроении», 2006, №3, с. 5-10.