ТУРБОМАШИНА С НАГРЕВОМ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ
TURBO MACHINE WITH FLOW SECTION HEATING

Изобретение относится к паровым и газовым турбинам.
Близким по технической сути, или аналогом, является двигатель внешнего сгорания Стирлинга [Уокер Г., Машины,  работающие по циклу Стирлинга, М., Энергия, 1978, стр. 56, рис. 6-1]. В двигателе Стирлинга нагрев и расширение рабочего тела, газа происходит при постоянной температуре, это примерно изотермический процесс. Теплообменный цилиндр имеет сложную конструкцию, где нагрев или охлаждение производится через стенку цилиндра, для увеличения поверхности теплообмена используется система трубок и ребер. Нагревательная головка в ряде случаев заполняется расплавом вещества, обладающего большой теплотой плавления, как расплав окиси алюминия или фтористый литий. Недостатком двигателя Стирлинга можно считать малую удельную мощность в отношении массы, малую единичную мощность. Теоретический коэффициент полезного действия двигателей внешнего сгорания может достигать 70% [Смирнов Г.В. Двигатели внешнего сгорания, М., Знание,1967, стр. 7].
К аналогам можно отнести двигатель предложенный патентом [RU 2379532], который предлагает производить нагрев рабочего тела двигателя в контуре 1 теплообменником 33, горелкой 8, корпусами рабочих цилиндров двигателя Стирлинга, в контуре 2 только теплообменником 34. Это точки, зоны достижения заданной температуры рабочим телом, но для поддержания этой температуры в процессе расширения рабочего тела в двигателе нет технических устройств, не ставится такая задача, а ставиться задача непрерывного полета в течение суток и более с использованием ядерного реактора. Следовательно, это не изотермический процесс.
Наиболее близким по технической сути, или прототипом, является многоагрегатная, многокамерная с промежуточными камерами сгорания газотурбинная установка [Архаров А.М., Афанасьев В.Н. Теплотехника, М, Издательство МГТУ  Им. Н.Э. Баумана, 2004, стр. 299, рис. 4.32]. Основное назначение такой схемы получение высокой удельной мощности и повышение КПД. В паротурбинных установках применяют также промежуточный перегрев пара для увеличения работы цикла, следовательно, КПД. В качестве прототипа можно представить газотурбинную установку [Уваров В.В. Газовые турбины и газотурбинные установки, М., Высшая школа, 1970, стр. 16, рис. 8], где турбина с главной камерой сгорания и четырьмя дополнительными камерами сгорания, а на [Уваров В.В. Газовые турбины и газотурбинные установки, М., Высшая школа, 1970, стр. 15, рис. 7] соответствующая диаграмма в виде ломаной линии с 5 вершинами. На диаграмме соответствующей тепловому процессу этой газотурбинной установки верхние точки относятся примерно к изотерме, и 4 нижние точки относятся примерно к адиабате. Следовательно, только вблизи каждой горелки процесс расширения рабочего тела в турбине приближается к изотермическому процессу, а затем возвращается к адиабатическому. Турбинные установки обладают высокой единичной и удельной мощностью, следовательно, повышение их КПД всегда актуально.
Задачей изобретения является при сохранении достоинства аналога как высокий теоретический коэффициент полезного действия, а прототипов, высокую единичную и удельную мощность, представить простую технологичную конструкцию и надежную.
Указанный технический результат достигается тем, что весь канал движения рабочего тела, газа или пара, проточная часть турбины, по меньшей мере, корпус, сопловые и направляющие аппараты, обоймы, диафрагмы выполняются с каналами, трубками ребрами для газа или жидкости нагрева. Нагрев проточной части производится теплоносителем или отходящими газами или определенной частью рабочего тела и является способом осуществления изотермического процесса расширения в турбине. При нагреве проточной части турбины расширение рабочего тела в турбине будет происходить одновременно и повсеместно с нагревом по всей проточной части, по крайней мере, через корпус турбины.
Следовательно, все точки на соответствующей диаграмме будут примерно на изотерме, без ломаной линии. Следовательно, турбина с нагревом проточной части, по крайней мере, через корпус турбины, предлагает другой, более простой и эффективный способ приближения к изотермическому процессу расширения рабочего тела в турбине в сравнении с прототипами.
Подобная конструкция проточной части, по меньшей мере, корпуса с каналами, трубками, ребрами и другими устройствами турбокомпрессора с охлаждением обеспечит примерно изотермический процесс при сжатии рабочего тела.
Нагреваемая турбина и охлаждаемый турбокомпрессор приближают процесс нагрева и охлаждения к изотермическому процессу, совместно могут быть использованы для осуществления замкнутого теплового цикла [Уокер Г., Машины, работающие по циклу Стирлинга, М., Энергия, 1978,. стр. 26, 27].
Как следствие, применение турбин с нагревом сделает более эффективными тепловые процессы, чем обеспечивает прототип, следовательно, увеличится КПД тепловых процессов в сравнении с классическими турбинами.
Сопоставимый анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемая ТУРБИНА С НАГРЕВОМ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ обеспечат повышение КПД установок с ней в сравнении с прототипом. Автору не известна подобная конструкция турбины. Следовательно, заявляемое решение соответствует критерию «новизна».
Сравнение заявляемого решения с прототипом позволило выявить в нем признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «Изобретательский уровень».
Сущность технического решения подтверждается чертежами (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3) на которых представлены устройство турбины и схемы турбоустановок с применением ТУРБИНЫ С НАГРЕВОМ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ.
На фиг. 1 представлен вариант устройства заявляемой турбины в виде радиально-осевой турбины с нагревом проточной части, где ротор 1; рабочие лопатки 3; сопловые лопатки 7; подшипниковый узел 9; концевое уплотнение 10. Корпус 5 имеет канал 11 для прохода нагревающих газов или жидкости, входной патрубок 6 для газа или жидкости нагрева проточной части; выходной патрубок 8 для газа или жидкости нагрева проточной части; входной патрубок 2 рабочего тела; выходной патрубок 4 рабочего тела, проточная часть турбины 12. При работе турбины, поступающее рабочее тело в патрубок 2, в процессе расширения в турбине нагревается по принципу противотока частью отходящих газов или теплоносителем атомной станции или другими способами или определенной частью рабочего тела, поступающими через патрубок 6. Представленная конструкция позволяет получить примерно изотермический процесс расширения рабочего тела при работе турбины. Подобную конструкцию имеет турбокомпрессор с охлаждением рабочего тела для получения примерно изотермического процесса сжатия при работе его, варианты конструкций которых представлены патентами [6]. Представленный на фиг. 1 вариант конструкции турбины простейший и имеет простую проточную часть, имеющую только корпус с каналами для прохода нагревающих газов или жидкости. Такой способ нагрева проточной части турбины производится теплоносителем или отходящими газами или теплоносителем или определенной частью рабочего тела является способом осуществления изотермического процесса расширения в турбине и применим и для более сложных турбин.
На фиг. 2 представлен один из вариантов использования заявляемой турбины в схеме паротурбинной установки. На схеме часть цилиндров 21 турбины выполнена с нагревом проточной части рабочим телом, паром, поступающим из котла-нагревателя 20, а другая часть цилиндров 14 турбины классическая без нагрева. Следовательно, цилиндры 21 турбины обеспечивают примерно изотермический процесс расширения, а цилиндры 14 турбины адиабатический процесс расширения. На схеме [Фиг. 2] насос 16, конденсатор 15, подогреватель 19, нагрузка 18, подача топлива 13.
Только при изотермическом процессе расширения вся подведенная тепловая энергия превращается механическую работу, что повышает КПД турбины в сравнении с классической турбиной.
На фиг. 3 представлен вариант использования турбин с нагревом проточной части в схеме с замкнутым тепловым циклом и двумя турбоагрегатами. На схеме [Фиг. 3] нагреватель 30 с подачей топлива 31 и отходящими газами 22; турбина 32 с нагревом проточной части отходящими газами; турбина 25 классическая, адиабатного расширения; турбокомпрессор 28 с охлаждением проточной части; турбокомпрессор 24 классический, адиабатного сжатия. Турбина 32 обеспечивает при работе примерно изотермический процесс расширения, а турбокомпрессор 28 обеспечивает при работе примерно изотермический процесс сжатия. На схеме [Фиг. 3] регенератор 29, охладитель 27, нагрузка 23, нагрузка 26. В ряде случаев из этой схемы можно исключить регенератор 29, охладитель 27, или ограничить их функции. Сочетание последовательно примерно изотермического расширения, адиабатного расширения, примерно изотермического сжатия, адиабатного сжатия позволит увеличить КПД замкнутого цикла с использованием ТУРБИН С НАГРЕВОМ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ, в сравнении с классическим КПД замкнутого цикла.
Для понимания сущности технического решения предлагаемого автором приведу подробное описание конструкции турбин с нагревом проточной части и схем турбоустановок с ними. На фиг. 1 представлен вариант устройства заявляемой турбины в виде радиально-осевой турбины с нагревом проточной части, где ротор 1; рабочие лопатки 3; сопловые лопатки 7; подшипниковый узел 9; концевое уплотнение 10.
Корпус 5 с каналом 11 для прохода нагревающих газов или жидкости имеет входной патрубок 6 для газа или жидкости нагрева проточной части; выходной патрубок 8 для газа или жидкости нагрева проточной части; входной патрубок 2 рабочего тела; выходной патрубок 4 рабочего тела, проточная часть турбины 12. При работе турбины, поступающее рабочее тело в патрубок 2, в процессе расширения в турбине нагревается по принципу противотока частью отходящих газов или теплоносителем атомной станции или отдельной газовой камерой сгорания или другими способами или определенной частью рабочего тела, поступающими через патрубок 6. Представленная конструкция позволяет нагревать рабочее тело в процессе расширения в турбине, следовательно, получить примерно изотермический процесс расширения рабочего тела при работе турбины. Подобную конструкцию имеет турбокомпрессор с охлаждением рабочего тела для получения примерно изотермического процесса сжатия при работе его [RU 2499894, 2441998, 2500894, 2144647, 2151310]. Такой способ нагрева проточной части турбины производится теплоносителем или отходящими газами или определенной частью рабочего тела является способом осуществления изотермического процесса расширения в турбине и применим для более сложных турбин. Для примера [Архаров А.М., Афанасьев В.Н. Теплотехника, М, Издательство МГТУ  им. Н.Э. Баумана, 2004, стр. 276, стр. 277, рис. 4.17] представлена конструкция турбины К-300 с более сложной конструкции и сложной проточной частью. Где рабочее тело поступает в цилиндр высокого давления, проходит пять ступеней его в одном направлении, поворачивает на 180 градусов и проходит еще шесть ступеней его и через перегреватель попадает в цилиндр среднего давления, проходит все двенадцать ступеней его, разделяется на три потока и попадает в цилиндр низкого давления с пятью ступенями в каждом потоке. Как на фиг. 1, так и в К-300 способ нагрева проточной части турбины, всего канала движения рабочего тела будут подобные, по меньшей мере, это нагреваемый корпус с каналами для газа или жидкости нагрева проточной части турбины.
При организации нагрева проточной части турбины К-300, от места поступления в цилиндр низкого давления до места поступления рабочего тела в цилиндр высокого давления, без поступления в перегреватель, по способу нагрева, показанному на фиг. 1, в цилиндрах высокого и среднего давления будет иметь место примерно изотермический процесс расширения, а в цилиндре низкого давления будет примерно адиабатический процесс расширения.
Весь канал движения рабочего тела, газа или пара, проточная часть турбины, включая корпус с каналами, сопловые и направляющие аппараты, обоймы, диафрагмы выполняются, совместно или по отдельности, с каналами, трубками для газа или жидкости нагрева, ребрами для увеличения поверхности теплообмена. Каналы, трубы в ряде случаев заполняются расплавом вещества, обладающего большой теплотой плавления, как расплав окиси алюминия или фтористый литий, установив дополнительный нагреватель расплава отходящими газами или рабочим телом или теплоносителем атомной станции.
Такой способ нагрева проточной части турбины производится теплоносителем или отходящими газами или определенной частью рабочего тела с целью создания изотермического процесса расширения в турбине и применим для более сложных турбин.
На фиг. 2 представлен один из вариантов использования заявляемой турбины в схеме паротурбинной установки. На схеме часть цилиндров 21 турбины выполнена с нагревом проточной части рабочим телом, паром, поступающим из котла-нагревателя 20, а другая часть цилиндров 14 турбины классическая без нагрева. Следовательно, цилиндры 21 турбины обеспечивают примерно изотермический процесс расширения, а цилиндры 14 турбины адиабатический процесс расширения. На схеме [Фиг. 2] питательный насос 16, конденсатор 15, подогреватель 19, нагрузка 18, подача топлива 13.
В классических паротурбинных установках для повышения КПД используется промежуточный перегрев пара, то есть кратковременное, разовое приближение к начальной температуре пара, к изотерме [Архаров А.М., Афанасьев В.Н. Теплотехника, М., Издательство МГТУ  им. Н.Э. Баумана, 2004, стр. 99-100]. Только при изотермическом процессе расширения вся подведенная тепловая энергия превращается механическую работу, что повышает КПД заявляемой турбины в сравнении с классической турбиной.
На фиг. 3 представлен вариант использования турбин с нагревом проточной части в схеме с замкнутым тепловым циклом и двумя турбоагрегатами. На схеме нагреватель 30 с подачей топлива 31 и отходящими газами 22; турбина 32 с нагревом проточной части отходящими газами; турбина 25 классическая, адиабатного расширения; турбокомпрессор 28 с охлаждением проточной части; турбокомпрессор 24 классический, адиабатного сжатия. Турбина 32 обеспечивает при работе примерно изотермический процесс расширения, а турбокомпрессор 28 обеспечивает при работе примерно изотермический процесс сжатия [RU 2499894, 2441998, 2500894, 2144647, 2151310]. На схеме [Фиг. 3] регенератор 29, охладитель 27, нагрузка 23, нагрузка 26. В ряде случаев из этой схемы можно исключить регенератор 29, охладитель 27, или ограничить их функции. Сочетание последовательно примерно изотермического расширения, адиабатного расширения, примерно изотермического сжатия, адиабатного сжатия позволит увеличить КПД замкнутого цикла с использованием ТУРБИН С НАГРЕВОМ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ, в сравнении с классическим КПД замкнутого цикла.
Заявляемые турбины просто, легко вписываются в схемы парогазовых или газопаровых установок, где для нагрева проточной части турбины можно использовать энергию отработанных газов. Заявляемые турбины могут применяться на атомных станциях, где теплоноситель может использоваться непосредственно для нагрева проточной части турбины или через теплообменник промежуточного нагрева газа или жидкости или расплава веществ с высокой теплопроводностью и теплоемкостью.
Заявляемые турбины могут применяться на паротурбинных станциях, где для нагрева проточной части применима энергия отходящих газов или рабочее тело, как непосредственно, так и через промежуточный теплообменник.
Следовательно, применение ТУРБИНЫ С НАГРЕВОМ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ повысит КПД многих энергетических установок.
Следовательно, производство ТУРБИН С НАГРЕВОМ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ будет экономически эффективнее, чем классических турбин.