способ работы силовой установки и его варианты

Формула изобретения

1. Способ работы силовой установки путем подогрева поступающего в нее газа теплом отработавших газов в регенераторе, подвода тепла к поступившему в нее газу при постоянном давлении в камере нагрева, использования секционного рекуператора, работающего при постоянном объеме, отличающийся тем, что охлаждаемый секционный рекуператор используется после камеры нагрева, в котором подогретый газ поочередно предварительно расширяется в его секциях, сжимает и проталкивает потребителю предварительно охлажденный газ, занимает его место, охлаждается при постоянном объеме, создавая разрежение, необходимое для работы силовой установки.

2. Способ работы силовой установки путем подогрева поступающего в нее газа теплом отработавших газов в регенераторе, подвода тепла к поступившему в нее газу при постоянном давлении в камере нагрева, использования секционного рекуператора, работающего при постоянном объеме, отличающийся тем, что подогретый газ после камеры нагрева поступает потребителю, затем - в охлаждаемый секционный рекуператор, а после него - в регенератор для подогрева поступающего в силовую установку газа.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что подвод тепла при постоянном давлении осуществляется за счет сгорания топлива и газа в камере сгорания, в регенераторе подогревается только та часть газа, которая участвует в сгорании, а в регенератор идет соответствующая часть отработавших газов, оставшаяся часть отработавших газов идет, минуя регенератор, для смешивания с высокотемпературными газами после камеры сгорания, чтобы обеспечить рабочую температуру газов перед потребителем.

4. Способ работы силовой установки путем подвода тепла к поступившему в нее газу при постоянном давлении в камере нагрева, использования секционного рекуператора, работающего при постоянном объеме, отличающийся тем, что газ после подвода к нему тепла в камере нагрева без сгорания поступает потребителю, затем - в охлаждаемый секционный рекуператор, а после него - опять в камеру нагрева при постоянном давлении.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано в качестве двигателя транспортного средства, а также в качестве силовой установки на теплоэлектростанциях.

Известен газотурбинный двигатель (Г. Н. Алексеев. Общая теплотехника. Москва, Высшая школа, 1980 г. , стр. 144), в котором воздух сжимается в компрессоре, подогревается в регенераторе теплотой отработавших газов, сжигается вместе с топливом в камере сгорания, затем горячий газ подается в силовую турбину, после нее в регенератор и далее в атмосферу.

Недостатком данного двигателя является снижение КПД вследствие необходимости предварительного сжатия воздуха в компрессоре для обеспечения работоспособности двигателя, а также неэффективного использования теплоты отработавших газов из-за минимального температурного напора и максимального перепада давления в регенераторе.

Известен способ работы газотурбинного двигателя транспортного средства (патент 1719684, А1 F 02 С 7/08, 5/00 от 15.03.92 г. , бюллетень 10) путем сжатия воздуха в компрессоре, последующего подогрева в секционном рекуператоре при постоянном объеме, подачи нагретого в рекуператоре воздуха в камеру сгорания поочередно из каждой секции, сгорания воздуха с топливом в камере сгорания с последующей подачей части горячего воздуха в силовую турбину, а частично на турбокомпрессор, а затем подачей всех отработавших газов в секционный рекуператор, а далее в атмосферу.

Недостатком данного способа является снижение эффективного КПД вследствие наличия дополнительного узла-турбокомпрессора, который необходим для обеспечения известного способа работы, а также неэффективного использования теплоты отработавших газов из-за минимального температурного напора и максимального перепада давлений секционном рекуператоре.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективного коэффициента полезного действия (КПД) силовой установки.

Поставленная цель достигается тем, что поступающий в силовую установку газ при атмосферном давлении подогревается во вращающемся регенераторе, затем к нему подводится тепло при постоянном давлении, а охлаждаемый секционный рекуператор используется после камеры нагрева и в котором подогретый газ поочередно предварительно расширяется в его секциях, сжимает и проталкивает потребителю предварительно охлажденный газ, занимает его место, охлаждается при постоянном объеме, создавая разрежение, необходимое для работы силовой установки.

Охлаждаемый секционный рекуператор может быть установлен после силовой турбины, когда в нем создается разрежение, необходимое для ее работы, а газ в нем сжимается до атмосферного давления и поступает во вращающийся регенератор для подогрева поступающего в силовую установку газа.

Кроме того, при сгорании газа, например воздуха, с топливом в камере сгорания при постоянном давлении в регенераторе подогревается только та часть газа, которая участвует в сгорании, соответственно в регенератор идет соответствующая часть отработавших газов, а оставшаяся часть отработавших газов идет, минуя регенератор, для смешивания с высокотемпературными газами после камеры сгорания, чтобы обеспечить рабочую температуру газов перед силовой турбиной.

И, наконец, при подводе тепла к газу без сгорания, он идет в силовую турбину, затем в охлаждаемый секционный рекуператор, а после него, минуя регенератор, к нему вновь подводится тепло при постоянном давлении.

Сущность изобретения состоит в том, что силовая установка работает за счет поочередного охлаждения порций газа при постоянном объеме в охлаждаемом секционном рекуператоре, вследствие чего создается необходимое разрежение, куда под действием атмосферного давления входит газ, работа предварительного расширения которого переходит в работу сжатия и проталкивания предварительно разреженного газа потребителю с необходимым давлением и температурой.

На чертеже изображен термодинамический цикл работы установки по предлагаемому способу.

Процесс 1-2 - подогрев газа (например, воздуха), поступающего в силовую установку, во вращающемся регенераторе при атмосферном давлении.

Процесс 2-3 - подвод тепла к газу (например, в камере сгорания) при постоянном давлении.

Процесс 3-3"-4 - адиабатное расширение газа.

Процесс 4-5 - отвод тепла от газа при постоянном объеме в секционном рекуператоре.

Процесс 5-2-6 - адиабатное сжатие газа до необходимого давления и температуры в секционном рекуператоре.

Процесс 6-2 - адиабатное расширение газа до атмосферного давления в силовой установке потребителя.

Процесс 2-1 - охлаждение отработавшего газа при постоянном давлении во вращающемся регенераторе.

Пример конкретного выполнения.

Термодинамический цикл газотурбинного двигателя с подводом теплоты при постоянном давлении и полной регенерацией описан в книге (Г. Н. Алексеев. Общая теплотехника. Москва, Высшая школа, 1980 г. , стр. 145) и описывается формулой



где Т₁= 300 К - температура окружающей среды;

T₄ = 600 К - температура конца адиабатного расширения газа в турбине при атмосферном давлении.

Температура воздуха после компрессора



где К = 1,4 - показатель адиабаты для воздуха;

Р₁= 1 бар - атмосферное давление;

P₂= h х Р₁ = 6 х 1 = 6 бар - давление после компрессора, где h= 6 - оптимальная степень повышения давления воздуха в компрессоре.

Перепад температур в регенераторе

Т_р= Т₄ - Т₂= 600-500 = 100 К.

Перепад давления в регенераторе

Р_р = Р₂ - Р₁ = 6-1= 5 бар.

Максимальная температура цикла Т₃= 100 К - задается из условий надежной работы силовой турбины.

Эффективный КПД газотурбинного двигателя (там же, стр. 502)



где ^гтд_ад = ^ад_T^ад_к= 0,850,85 = 0,7225 - адиабатный КПД турбины и компрессора (там же, стр. 503)

_кc - КПД камеры сгорания;

^гтд_м- механический КПД газотурбинного двигателя;

_кс и ^гтд_м - считаем одинаковым с силовой установкой по предлагаемому способу, тогда _e= 0,7225^гтд_мкс.

Термический КПД цикла при подводе теплоты при постоянном давлении полной регенерации находим из зависимости (см. там же, стр. 145)



где q₁= C_p(Т₃-Т₁)= C_р(1000-300)= 700 С_р - количество подведенного тепла в цикле;

С_р - константа - теплоемкость при постоянном давлении;

Т₃= 1000 К - максимальная температура цикла (задаваемая из условия нормальной и надежной работы турбины);

Т₁= 300 К - температура окружающей среды



- количество отведенного тепла в цикле;

- теплоемкость при постоянном объеме;

Т₅= Т₁= 300 К;

Т₄= 540 К - температура конца адиабатного расширения, задаемся из формулы для адиабатного процесса 3-4.

находим Р₄= 0,168 бар;

Р₁= P₂= P₃= 1 бар - процессы при атмосферном давлении.

Для процесса 4-5 охлаждение при постоянном давлении и объеме

,

тогда Р₅= 0,064 бар - давление разрежения для процесса 5-2 - адиабатного сжатия газа до давления Р₂= Р₁= 1 бар



находим Т₂= 657 К.

Регенерируемая часть тепла

q_рег= xC_p(T₂-T₁)= 1C_p(657-300)= 357C_p;

= 1 - полная регенерация, тогда

такой же, как у известного газотурбинного двигателя.

Перепад температур в регенераторе

Т_р= Т₂-Т₁= 657-300= 357 К.

Перепад давления в регенераторе

P= P₂-P₁= 0 (теоретически).

Эффективный КПД силовой установки по предлагаемому способу

_e= ^ад_Tмкс,

где ^ад_T = 0,8 такой же, как у турбины известного газотурбинного двигателя;

_м= ^гтд_м - одинаковый механический КПД

_кс - одинаковы, тогда _e= 0,85^ктд_мкс.

Таким образом, эффективное КПД силовой установки по предлагаемому способу выше, чем у известного газотурбинного двигателя, а так как секционные рекуператоры присутствуют у прототипа заявляемой установки, то считаем их эффективные КПД одинаковыми и не учитываем.

При работе силовой установки по предлагаемому способу теплообмен между поступающим и отработавшим газами происходит при большем температурном перепаде и меньшем перепаде давлений, что позволяет применить вращающийся регенератор, у которого коэффициент регенерации до 0,95 против 0,8 у трубчатого регенератора (см. И. Н. Нигматуллин и др. Тепловые двигатели. Москва, Высшая школа, 1974, стр. 203, табл. 2-1), при этом условии термодинамические КПД по известному и заявляемому способам также одинаковы:

По п. 2 силовая установка работает следующим образом:

- процесс 1-2 - аналогично по п. 1,

- процесс 2-3 - аналогично по п. 1,

- процесс 3-3" - адиабатное расширение газа в силовой турбине,

- процесс 3"-4 - предварительное адиабатное расширение газа в охлаждаемом секционном рекуператоре,

- процесс 4-5 - аналогично по п. 1,

- процесс 5-2 - адиабатное сжатие газа до Т₂ и Р₂= Р₁= 1 бар и проталкивание его во вращающийся регенератор,

- процесс 2-1 - аналогично по п. 1.

По п. 3 установка работает следующим образом:

- процесс 1-2 - подогрев в регенераторе только той части воздуха, которая участвует в сгорании,

- процесс 2-3 - аналогично по п. 2,

- процесс 3-3" - аналогично по п. 2,

- процесс 3"-4 - аналогично по п. 2,

- процесс 4-5 - аналогично по п. 2,

- процесс 5-2 - аналогично по п. 2,

- процесс 2-1 - охлаждение части отработавших газов в регенераторе, остальная часть, минуя регенератор, идет на смешивание с высокотемпературными газами после камеры сгорания для обеспечения рабочей температуры газов перед силовой турбиной.

По п. 4 установка работает следующим образом:

- процесс 1-2 - подвод тепла без регенератора - однократно при пуске,

- процесс 2-3 - подвод тепла к газу при постоянном давлении без сгорания,

- процесс 3-3" - аналогично по п. 2,

- процесс 3"-4 - аналогично по п. 2,

- процесс 4-5 - аналогично по п. 2,

- процесс 5-2 - аналогично по п. 2.

При работе силовой установки отсутствует регенератор.

Так как все адиабатные процессы в цикле происходят без теплообмена, то термодинамические зависимости по п. 1 справедливы и для п. 2, п. 3, п. 4.

Использование предлагаемого способа работы силовой установки обеспечивает по сравнению с существующими следующие преимущества:

1. При одинаковом термодинамическом КПД цикла получается более эффективная работа без применения турбокомпрессора, что снижает себестоимость и повышает надежность силовой установки, кроме того, так как силовая турбина работает при меньших абсолютных значениях давления, то снижаются механические напряжения, что повышает надежность силовой турбины.

2. Теплообмен между поступающим и отработавшим газами происходит при минимальном перепаде давлений и максимальном перепаде температур, что позволяет применять вращающийся регенератор, который имеет значительно меньший вес, габариты, гидравлическое сопротивление, чем трубчатый, кроме того вращающийся регенератор имеет более высокую степень регенерации, значительно дешевле и надежней в эксплуатации.

3. Так как при работе силовой установки по п. 3 через регенератор проходит меньшая часть воздуха и отработавших газов, а по п. 4 регенератор совсем не нужен, то эффективность и надежность ее работы повышается, а также уменьшаются вес, габариты и себестоимость.