СИСТЕМА ПРОИЗВОДСТВА СЖАТОГО ВОЗДУХА И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ
SYSTEM OF COMPRESSED AIR PRODUCTION AND ITS APPLICATION

Изобретение относится к системе производства сжатого воздуха, в частности к системе производства сжатого воздуха из перегретого пара для обеспечения системы сжатого воздуха летательного аппарата и для запуска газовой турбины, например, авиационного двигателя.
Газовая турбина должна быть приведена во вращение с достаточной скоростью для того, чтобы степень сжатия стала достаточной для ее работы на топливе. В настоящее время газовые турбины преимущественно запускаются механическими пусковыми устройствами, которые могут иметь привод от пускового электродвигателя или пневматический привод.
Однако автономный электрический запуск газовой турбины, например, авиационного двигателя требует очень большого расхода электроэнергии и использования тяжелого пускового электродвигателя. Пневматический запуск требует очень большого расхода сжатого воздуха, который трудно обеспечить передвижным агрегатом.
Задачей настоящего изобретения является создание системы, которая могла бы обеспечить легкий запуск газовой турбины, например, авиационного двигателя.
Решение этой задачи обеспечивается предлагаемой в изобретении системой, которая отличается использованием парогенератора, в частности водородно-кислородного парогенератора, который может обеспечить производство достаточно больших количеств пара высокого давления. Затем этот пар или горячая смесь пара и подаваемого воздуха может быть использована для запуска газовой турбины, например, авиационного двигателя. В этом случае отпадает необходимость в использовавшихся до настоящего времени вспомогательных установках, например, в пусковом электродвигателе. В качестве альтернативного варианта вырабатываемый пар также может подаваться непосредственно в систему сжатого воздуха.
При использовании парогенераторов Н2/O2, имеющих высокую удельную мощность, для запуска двигателей или газовых турбин можно существенно снизить вес летательного аппарата по сравнению с вариантом использования пускового электродвигателя.
В соответствии с другим вариантом предлагаемой в изобретении системы пар, вырабатываемый парогенератором Н2/O2, подается в генератор сжатого воздуха, содержащий паровую турбину и компрессор, для производства необходимого количества сжатого воздуха, который может использоваться для запуска стационарной или передвижной газовой турбины или же может подаваться в систему сжатого воздуха.
Принцип работы парогенераторов Н2/O2 прост, а их удельная мощность высока так, что пусковая установка, использующая такой парогенератор, может быть особенно полезна в тех областях, где требуется малый вес установки, высокий КПД и высокий коэффициент готовности.
Вместо чистого кислорода в парогенераторе Н2/O2 можно использовать воздух или смесь воздуха и кислорода. Однако это приводит к увеличению эмиссии NOx.
В соответствии с изобретением возможна замена турбины с приводом от набегающего потока воздуха, поскольку она может быть заменена установкой, содержащей парогенератор Н2/O2 и паровую турбину, которая может обеспечивать привод генератора и/или поддержание давления в гидравлической системе или в системе горячего сжатого воздуха. Таким образом, в соответствии с изобретением достигается снижение веса и повышение эффективности по сравнению с традиционными турбинами с приводом от набегающего потока воздуха.
Поскольку парогенераторы Н2/O2 могут производить большие количества пара высокого давления, то в соответствии с другим вариантом реализации изобретения возможно использование пара, производимого парогенератором Н2/O2, для привода паровой турбины, которая в свою очередь используется для привода генератора сжатого воздуха для систем сжатого воздуха. Возможные применения могут относиться, например, к системам сжатого воздуха транспортных средств, в частности летательных аппаратов. Предлагаемая в изобретении система особенно полезна в тех случаях, когда отсутствует какой-либо внешний источник энергии, и когда требуется высокая эффективность.
Предлагаемая в изобретении система парового генератора может использоваться, например, в антиобледенительной системе летательного аппарата (для удаления льда с аэродинамических поверхностей). До настоящего времени в таких системах сжатого воздуха использовался горячий сжатый воздух, который отбирался на выходе двигателя. Такие системы не используются постоянно в течение всего полета, а только на этапах набора высоты и снижения, когда имеется опасность образования льда. Однако отбор сжатого воздуха из двигателей приводит к потере мощности, увеличению расхода горючего и, соответственно, к увеличенному взлетному весу летательного аппарата. КПД антиобледенительных систем, которые работают на сжатом воздухе, отбираемом от двигателей, низок, и поэтому замена и/или поддержка этих систем предлагаемой в изобретении системой может быть целесообразной. В этом случае сжатый воздух получают с помощью генератора сжатого воздуха, работающего на перегретом паре (например, паровая турбина с компрессором). Дополнительно возможно смешивание перегретого пара с воздухом и/или его охлаждение воздухом и непосредственное использование пара.
Благодаря высокой эффективности предлагаемой в изобретении системы может быть снижен вес антиобледенительной системы и летательного аппарата в целом. Таким образом, экономичность системы может быть улучшена, а эмиссия вредных газов может быть уменьшена.
Сжатый воздух, вырабатываемый предлагаемой в изобретении системой, также может быть использован в других системах сжатого воздуха, в частности в системе кондиционирования воздуха, вместо использования воздуха, отобранного от двигателя. При таком устройстве можно говорить о полной замене или поддержке традиционных систем (например, в периоды пиковых нагрузок, в частности при быстром падении давления). В предлагаемой в изобретении системе сжатый воздух получают с помощью генератора сжатого воздуха, работающего на перегретом паре (например, паровая турбина с компрессором).
Ниже со ссылками на чертеже описан предпочтительный вариант предлагаемой в изобретении системы. На чертеже представлена блок-схема предпочтительного варианта предлагаемой в изобретении системы для использования на летательном аппарате.
Как можно видеть на чертеже, система 1 отличается в частности тем, что водородно-кислородный парогенератор 2 вырабатывает перегретый пар, который используется для поддержки системы сжатого воздуха летательного аппарата и пусковой установки для пуска двигателя, как это описано ниже.
Водородно-кислородный парогенератор 2 - это известное устройство, которое используется для стерилизации паром пищевых продуктов, упаковочных материалов, медицинских инструментов, текстильных изделий и растворов, а также для производства чистой воды в фармацевтической промышленности.
В водородно-кислородном генераторе 2 осуществляют управляемую реакцию водорода с кислородом (или с воздухом) для получения пара. В частности в водородно-кислородном парогенераторе 2 в соответствии с принципом работы ракетного двигателя создается стехиометрическая водородно-кислородная смесь, и осуществляется управляемое сгорание этой смеси для образования пара.
Как можно видеть на чертеже, система содержит также охлаждающий блок 3 для подвода воды или воздуха к производимому пару, в результате чего становится возможным получение необходимых характеристик чистого пара. С помощью охлаждающего блока 3 необходимые характеристики пара могут быть получены за очень короткое время. Достоинствами такого генератора 2 перегретого пара являются высокая степень чистоты пара, высокий коэффициент готовности, возможность управления параметрами состояния и малые размеры.
В соответствии с изобретением с помощью водородно-кислородного парогенератора 2 и охлаждающего блока 3 температура пара может быть установлена в диапазоне 200°С-3300°С, путем впрыска воды или подмешивания воздуха для охлаждения пара. В соответствии с предпочтительным вариантом реализации изобретения, представленным на чертеже, перегретый пар, температура которого регулируется, как указано выше, подается в генератор 4 сжатого воздуха. Генератор 4 сжатого воздуха может содержать, например, паровую турбину 5 с компрессором 6. Паровая турбина 5 работает на перегретом пару, температуру которого поддерживают на заданном уровне с помощью охлаждающего блока 3. В качестве альтернативного варианта горячий воздух, вырабатываемый водородно-кислородным генератором, может также подаваться непосредственно (без охлаждения) в генератор 4 сжатого воздуха. В этом случае генератор 4 сжатого воздуха вырабатывает сжатый воздух из перегретого пара с помощью паровой турбины 5 и компрессора 6.
Сжатый воздух, вырабатываемый генератором 4 сжатого воздуха, может подаваться в систему 7 сжатого воздуха, которая в соответствии с изобретением может быть антиобледенительной системой 7а, гидравлической системой 7b, системой 7с кондиционирования воздуха и другой аналогичной системой.
Как показано на чертеже, сжатый воздух, производимый генератором 4 сжатого воздуха, может также использоваться для раскрутки двигателя 8 для достижения такой степени сжатия воздуха, которая достаточна для работы двигателя на топливе.
Хотя изобретение было описано выше на примере предпочтительного варианта его реализации в отношении летательного аппарата, однако ясно, что предлагаемая в изобретении система может также быть использована в других транспортных средствах, содержащих газовые турбины, которые необходимо запускать. Кроме того, предлагаемая в изобретении система может также использоваться для запуска стационарных газовых турбин.
Перечень ссылочных обозначений
1 - система
2 - водородно-кислородный парогенератор
3 - охлаждающий блок
4 - генератор сжатого воздуха
5 - паровая турбина
6 - компрессор
7 - система сжатого воздуха
7а - антиобледенительная система
7b - гидравлическая система
7с - система кондиционирования воздуха
8 - газовая турбина/двигатель