газотурбинная силовая установка с охлаждаемой турбиной и регенерацией тепла

Формула изобретения

1. Газотурбинная силовая установка с охлаждаемой турбиной и регенерацией тепла, содержащий два контура и установленные последовательно входное устройство двигателя, вентилятор, компрессор, камеру сгорания, турбины высокого и низкого давления, соединенные механически с вентилятором и компрессором соответственно, теплообменник и воздушную свободную турбину, отличающаяся тем, что теплообменник выполнен кольцевым и установлен во втором контуре, выход по газовой полости теплообменника осуществлен в выхлопное устройство газов, расположенное около входного устройства двигателя, внутри выхлопного устройства газов установлен теплообменник газификатор и теплообменник системы охлаждения турбины, при этом теплообменник-газификатор соединен по топливной линии с одной стороны с насосом сжиженного природного газа, а с другой - с форсунками камеры сгорания, воздушная свободная турбина установлена также во втором контуре газотурбинного двигателя.

2. Газотурбинная силовая установка с охлаждаемой турбиной и регенерацией тепла по п.1, отличающаяся тем, что теплообменник-газификатор соединен с форсунками камеры сгорания через кольцевой коллектор.

3. Газотурбинная силовая установка с охлаждаемой турбиной и регенерацией тепла по п.1, отличающаяся тем, что теплообменник выполнен многосекционным, газовые секции теплообменника соединены последовательно, при этом каждая последующая секция размещена со смещением к входному устройству двигателя, а выхлопное устройство газов установлено около входного устройства двигателя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к двигателестроению, в том числе к авиационным и стационарным двигателям ГТД, работающим на сжиженном природном газе - СПГ.

Известна силовая установка по патенту РФ №2189477, которая содержит газотурбинный двигатель - ГТД, газовый тракт, соединяющий этот газотурбинный двигатель со свободной турбиной и нагрузку в виде электрогенератора, вал которого подсоединен к валу свободной турбины через муфту.

Недостатком этой силовой установки является то, что она имеет низкий КПД, около 20%, что почти в 2 раза меньше, чем у современных дизельных установок.

Известна силовая установка газотурбовоза по патенту РФ №2272916, которая содержит газотурбинный двигатель с турбиной и свободную турбину, за которой установлен регенеративный теплообменник, выход из которого соединен с газотурбинным двигателем, конкретно - с системой охлаждения турбины.

Недостатками этого двигателя является низкий КПД силовой установки.

Известен газотурбинный двигатель по патенту РФ №2252316 (прототип), который содержит турбокомпрессор, состоящий из компрессора, камеры сгорания и турбины, и не менее двух электрических машин (электрогенератор и электродвигатель), встроенных в турбокомпрессор. Система постоянных магнитов установлена на внутренней поверхности ротора турбокомпрессора, а статор электрической машины установлен на корпусе подшипниковой опоры, т.е. на малом диаметре.

Недостатки этого двигателя: очень маленькая мощность электрических машин, связанная с тем, что они размещены на малом диаметре и имеют по одной ступени. Кроме того, возникают проблемы с охлаждением обмоток статора, размещенных внутри двигателя. Эта конструкция применима для использования электрической машины в качестве стартера или в качестве вспомогательного электрогенератора для питания агрегатов газотурбинного двигателя и самолета.

Известен газотурбинный двигатель с регенерацией тепла по патенту РФ №2192551, который содержит компрессор, камеру сгорания, турбины высокого давления, турбину низкого давления, теплообменник и две свободные турбины, газовую и воздушную, установленные на общем валу с нагрузкой.

Предложенная схема двигателя имеет низкие КПД и надежность. Кроме того, она сложная по конструкции, т.к. имеет четыре неунифицированные турбины: высокого давления, низкого давления, свободную газовую турбину и свободную воздушную турбину. Установка обеих свободных турбин на одном валу приводит к несогласованности их работы в широком диапазоне режимов работы, т.к. если турбины спроектировать на один из режимов работы, расчетный режим, то при отклонении от этого режима турбины будут вращаться с одинаковыми угловыми скоростями, но КПД обеих турбин резко уменьшатся из-за несогласованности газодинамических характеристик работы этих турбин, т.к. расходы газа (продуктов сгорания) и воздуха не согласованы между собой для создания оптимальных углов атаки на рабочих лопатках обеих турбин. В результате общий КПД сдвоенной турбины будет значительно уменьшаться при отклонении режимов работы газовой и воздушной турбин от расчетного режима.

Задачи создания изобретения: повышение экономичности и надежности двигателя.

Решение указанных задач достигнуто за счет того, что газотурбинная силовая установка с регенерацией тепла, содержащая два контура и установленные последовательно входное устройство двигателя, вентилятор, компрессор, камеру сгорания турбины высокого и низкого давления, соединенные механически с вентилятором и компрессором соответственно, теплообменник и воздушную свободную турбину, отличающаяся тем, что теплообменник выполнен кольцевым и установлен во втором контуре, выход по газовой полости теплообменника осуществлен в выхлопное устройство газов, расположенное около входного устройства двигателя, внутри выхлопного устройства газов установлен теплообменник-газификатор и теплообменник системы охлаждения турбины, соединенный по топливной линии с одной стороны с насосом сжиженного природного газа, а с другой - с форсунками камеры сгорания, воздушная свободная турбина установлена также во втором контуре газотурбинного двигателя. Теплообменник-газификатор соединен с форсунками камеры сгорания через кольцевой коллектор. Теплообменник выполнен многосекционным, газовые секции теплообменника соединены последовательно, при этом каждая последующая секция размещена со смещением к входному устройству двигателя, а выхлопное устройство газов установлено около входного устройства двигателя.

Предложенное техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью, т.е. всеми критериями изобретения.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1 и 2,

где

на фиг.1 приведена схема газотурбинного двигателя,

на фиг.2 приведен разрез по А-А.

Предложенное техническое решение (фиг.1) содержит корпус первого контура 1, корпус второго контура 2, установленный концентрично ему с образованием второго контура, полость «Б». Последовательно по потоку установлены входное устройство 3, вентилятор 4, компрессор 5, камеру сгорания 6 и турбину высокого давления 7, турбину низкого давления 8. Вентилятор 4 соединен механически валом с турбиной высокого давления 7, а компрессор 5 соединен другим валом с турбиной низкого давления 8. Далее по потоку (по второму контуру) идет теплообменник 9, свободная воздушная турбина 10 и выхлопное воздушное устройство 11.

Свободная воздушная турбина 10 соединена с нагрузкой 12 (компрессор, электрогенератор и т.д.) валом нагрузки 13. Теплообменник 9 целесообразно выполнить кольцевым (фиг.2) с заполнением от 70 до 100% от объема полости второго контура «Б». При этом целесообразно теплообменник 9 выполнить многосекционным и соединить секции теплообменника по газовой полости трубопроводами 14, при этом каждая последующая секция должна быть размещена ближе к входному устройству 3, в выхлопное устройство газа 15 установить около входного устройства 3. Такая конструкция позволит увеличить площадь теплообмена теплообменника 9, обеспечить эффективную противоточную схему движения теплоносителя (газа) и воздуха и получить максимальный КПД теплообменника 9 и всей установки в целом. В выхлопном устройстве газа 15 установлены теплообменник-газификатор 16 и теплообменник системы охлаждения турбины 17, который соединен с одной стороны трубопроводом отбора 18 с выходом из компрессора 5, а с другой стороны - трубопроводом подачи воздуха 19 с системой охлаждения турбины высокого давления 7.

Газотурбинный двигатель содержит топливный бак 20, систему топливоподачи с топливопроводом низкого давления 21, подключенным к входу в топливный насос 22 (сжиженного природного газа), который имеет привод 23, топливопровод высокого давления 24, вход которого соединен с выходом из топливного насоса 22, а выход соединен с кольцевым коллектором 25, кольцевой коллектор 25 соединен патрубками, размещенными равномерно по окружности с форсунками 26 камеры сгорания 6.

При работе запускают газотурбинный двигатель при помощи стартера (стартер на фиг.1 и 2 не показан), подают сжиженный природный газ через форсунки 26 в камеру сгорания 6. Образовавшийся газ (продукты сгорания) срабатывает энергетический потенциал на турбинах 7 и 8, далее достаточно горячий газ, имеющий температуру около 500°С, проходит через секции теплообменника 9 и сбрасывается в выхлопное устройство газа 15, а подогретый воздух второго контура проходит через свободную воздушную турбину 10 и сбрасывается в выхлопное воздушное устройство 11.

Одновременно часть сжатого в компрессоре 5 воздуха (примерно от 1 до 5%) отбирается от компрессора 5 и по воздушной линии высокого давления 18 через теплообменник системы охлаждения турбины 17 подается к турбине высокого давления 7.

При работе двигателя температура воздуха (газа) вдоль него распределится следующим образом:

Т₀ - температура воздуха на входе в двигатель,

Т ₁ - температура воздуха за вентилятором,

T ₂ - температура воздуха за компрессором,

Т ₃ - температура газа (продуктов сгорания) на выходе из турбины,

Т₄ - температура газа на выходе из турбины низкого давления,

Т₅ - температура сбрасываемого газа до теплообменника-газификатора,

Т₆ - температура сбрасываемого газа после теплообменника-газификатора,

Т₇ - температура воздуха на входе в свободную воздушную турбину,

T₈ - температура воздуха на выходе из двигателя,

Т₉ - температура сбрасываемого газа на выходе из теплообменника системы охлаждения турбины.

При работе правильно спроектированного двигателя, а именно при большой эффективной поверхности теплообменника 9, температура сбрасываемого газа и воздуха, соответственно Т ₆ и T₈, практически не отличается от Т₀, а это значит, что может быть достигнут теоретически возможный КПД цикла.

Наличие теплообменника-газификатора 16 дополнительно уменьшает температуру газа на выхлопе Т ₆. Вследствие подогрева выхлопных газов в теплообменнике системы охлаждения турбины Т₉>Т ₆ на несколько градусов (из-за относительно небольшого расхода воздуха на охлаждение турбины высокого давления 7), это не влияет отрицательно на КПД установки. Зато появляется возможность повысить температуру газов на входе в турбину на 300...500°С, что позволит повысить КПД установки дополнительно на 5...7%.

Применение изобретения позволило:

1. Повысить КПД газотурбинного двигателя практически до теоретического

- в первую очередь за счет больших габаритов теплообменника, наличия теплообменника-газификатора и за счет более рациональной компоновки двигателя и отсутствия жесткой кинематической связи между компрессором и турбиной, и свободной воздушной турбиной. Это позволило спроектировать оптимальные компрессор, турбины низкого давления и свободную воздушную турбину, например, на разные рабочие обороты (без редуктора и длинного вала, проходящего внутри камеры сгорания, т.е. в зоне чрезвычайно высоких температур) и оптимально согласовать их совместную работу,

- за счет увеличения температуры газа перед турбиной, что достигнуто применением ее эффективного охлаждения.

2. Улучшить надежность силовой установки за счет:

- отказа от второй свободной турбины,

- размещения нагрузки вне двигателя.

3. Обеспечить запуск газотурбинного двигателя и питание электроэнергией очень энергоемких потребителей за счет практически неограниченной мощности нагрузки. Размещение теплообменника на большом диаметре позволит спроектировать одноступенчатую турбину большой мощности и уменьшить гидравлические потери на газоводах и воздуховодах, которые имеют место у прототипа.

4. Уменьшить вес и габариты силовой установки за счет:

- создания оптимальных турбины и компрессора, например, с расчетом работы на различных оборотах за счет различного числа полюсов обмоток статора на нагрузке (электродвигателе и электрогенераторе).

- отказа от громоздких опор с подшипниками, которые размещены в зоне высоких температур, систем смазки этих опор и систем охлаждения масла, применяющегося для смазки этих опор,

- размещения теплообменника во втором контуре двигателя, в котором давление, температуры и скорости потока относительно низкие, следовательно меньше силовые нагрузки.

5. Реально обеспечить модульность конструкции двигателя за счет того, что каждый его основной узел может быть спроектирован независимо от характеристик сопрягаемого узла.