Способ преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе и газотурбинный двигатель

 

Использование: в энергетике, а именно в газотрубостроении. Сущность изобретения: изменяют турбодинамическое состояние вводимого в турбинную ступень рабочего тела посредством расширения и охлаждения частью отработавшего в турбинной ступени рабочего тела, последующего ввода в турбинную ступень охлажденного рабочего тела для расширения в ней с получением механической энергии, причем создают разрежения за турбинной ступенью путем увеличения кинетической энергии части отработавшего в турбинной ступени рабочего тела, идущей на охлаждение. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к энергетике.

Известен газотурбинный двигатель, содержащий по меньшей мере две размещенные в проточной части турбинные ступени и источник нагретого рабочего тела [1] Воздух забирается из атмосферы компрессором и поступает в источник нагретого рабочего тела в виде камеры сгорания, в которую подают топливо. Воздух в камере сгорания разделяется на два потока, один из которых используется для собственно сгорания топлива, а другой для подмешивания к продуктам сгорания с целью снижения их температуры. Получаемое нагретое рабочее тело расширяется в ступенях турбины, в результате чего совершается полезная работа. Мощность газотубинного двигателя частично расходуется на привод компрессора, а оставшаяся часть мощности является полезной мощностью двигателя.

Полезная мощность газотурбинного двигателя составляет сравнительно небольшую долю от мощности, развиваемой турбинными ступенями. Эта доля мощности определяется коэффициентом полезной работы, который для существующих газотурбинных двигателей составляет всего 0,3-0,4. Описанный двигатель имеет низкий КПД, не превышающий 30% и небольшую полезную мощность, составляющую максимум 40% от мощности, развиваемой турбинными ступенями. Таким образом, основным недостатком этого газотурбинного двигателя является низкий КПД при низкой полезной мощности. Кроме того, этот двигатель выбрасывает в атмосферу большое количество выхлопных газов, что крайне нежелательно с точки зрения охраны окружающей среды.

Известен способ преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе, имеющем по меньшей мере одну размещенную в проточной части турбинную ступень и источник нагретого рабочего тела, по которому изменяют термодинамическое состояние вводимого в турбинную ступень рабочего тела с его расширением и охлаждением отработавшим рабочим телом турбиной ступени до ввода в турбинную ступень путем соединения потока рабочего тела с потоком отработавшего рабочего тела турбинной ступени [2] При этом обеспечивается повышение КПД благодаря тому, что расширение и закручивание нагретого рабочего тела при повышенной температуре приводит к повышению его кинематической энергии, что и повышает эффективность использования энергии рабочего тела. При этом также снижается количество атмосферного воздуха, необходимого для нормальной работы двигателя, и соответственно уменьшается количество выхлопных газов. Рост теплоемкости рабочего тела благодаря применению отработавшего рабочего тела для охлаждения рабочего тела перед первой туpбинной ступенью также приводит к повышению КПД. Описанный способ осуществляется с помощью газотурбинного двигателя, имеющего по меньшей мере две размещенные в проточной части турбинные ступени, источник нагретого рабочего тела и эжектор, имеющий два входа и выход. Первый вход эжектора сообщается с источником нагретого рабочего тела, второй вход эжектора сообщается с выходом первой турбинной ступени, а выход эжектора сообщается с входом первой турбинной ступени.

Осуществление этого способа в газотурбинном двигателе описанного типа требует наличия соплового аппарата в проточной части источника нагретого рабочего тела, т. е. в камере сгорания. Наличие соплового аппарата в этой высокотемпературной зоне в значительной мере усложняет реализацию описанного способа преобразования энергии и делает газотурбинный двигатель дорогостоящим. Кроме того, наличие протяженного канала для подачи отработавшего рабочего тела для охлаждения нагретого рабочего тела приводит к повышенным тепловым и гидравлическим потерям, что в целом снижает КПД двигателя и усложняет его конструкцию. Другим не менее важным недостатком является падение кинетической энергии в результате смешения двух потоков: потока нагретого рабочего тела и потока отработавшего рабочего тела вследствие повышения давления из-за падения скорости получаемого потока в результате перераспределения скоростей двух соединяемых потоков. Таким образом, имеет место вредное преобразование кинетической энергии потока в потенциальную. Следствием этого является недоиспользование возможностей описанного способа преобразования энергии с точки зрения повышения КПД несмотря на некоторое увеличение габаритов рабочего колеса первой турбинной ступени.

В основу изобретения положена задача использовать в способе преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе такое изменение термодинамического состояния рабочего тела, чтобы увеличить кинетическую энергию рабочего тела при снижении количества выхлопных газов, и изменить конструкцию газотурбинного двигателя так, чтобы организация потоков рабочего тела обеспечила повышение КПД и надежности двигателя в работе.

Поставленная задача решается тем, что по способу преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе, имеющем по меньшей мере одну размещенную в проточной части турбинную ступень и источник нагретого рабочего тела, изменяют термодинамическое состояние вводимого в турбинную ступень рабочего тела с его расширением и закруткой и с последующим охлаждением до ввода в турбинную ступень путем соединения потока рабочего тела с потоком охладителя. При этом изменение термодинамического состояния рабочего тела включает в себя повышение его кинематической энергии путем создания разрежения за турбинной ступенью.

При таком способе повышенная кинетическая энергия рабочего тела, движущегося по проточной части газотурбинного двигателя, обеспечивает необходимые кинетические параметры рабочего тела (скорость), согласованные с номинальной частотой вращения рабочего колеса турбины, не прибегая к нежелательному повышению температуры нагретого рабочего тела. При этом, с одной стороны, повышается полезная мощность турбины, а с другой, возрастает надежность и долговечность благодаря снижению температуры рабочего тела, поступающего в турбину, а следовательно, и температуры рабочих элементов турбины.

Поставленная цель также решается тем, что газотурбинный двигатель, содержащий источники топлива и окислителя, источник нагретого рабочего тела и по меньшей мере одну размещенную в проточной части турбинную ступень, имеет устройство для увеличения кинетической энергии отработавшего рабочего тела, имеющее выход и вход, сообщающийся с выходом турбинной ступени. При таком устройстве на выходе турбинной ступени создается разрежение, что позволяет повысить кинетическую энергию рабочего тела, поступающего в турбину для снижения температуры подаваемого в турбину рабочего тела. При этом повышается надежность и увеличивается долговечность двигателя. Если температуру подаваемого в турбину рабочего тела не снижать, то в предлагаемом двигателе возможно увеличение отбора энергии от рабочего тела.

Предпочтительно выход устройства для увеличения кинетической энергии отработавшего рабочего тела сообщить с зоной, расположенной между выходом источника нагретого рабочего тела и входом турбинной ступени. При этом обеспечивается повышение кинетической энергии рабочего тела, поступающего в турбину, путем более полного использования энергии потока нагретого рабочего тела в смеси с охладителем.

Целесообразно устройство для увеличения кинетической энергии отработавшего рабочего тела выполнить в виде установленного в проточной части газотурбинного двигателя двухъярусного рабочего колеса, один ярус которого представляет турбинную ступень, а другой компрессорную ступень. При этом обеспечивается компактность конструкции при получении указанных выше преимуществ.

Устройство для увеличения кинетической энергии отработавшего рабочего тела может быть выполнено в виде направляющего аппарата с наклонными относительно продольной оси газотурбинного двигателя лопатками, установленного в проточной части газотурбинного двигателя в зоне выхода источника нагретого рабочего тела. При такой конструкции обеспечивается возможность использования стандарных узлов (направляющих аппаратов) осевых или диагональных компрессоров для получения указанных выше преимуществ.

На фиг. 1 представлена схема для осуществления предлагаемого способа преобразования тепловой энергии в механическую; на фиг.2 показан газотурбинный двигатель, продольный разрез; на фиг.3 разрез А-А на фиг.2; на фиг.4 разрез Б-Б на фиг.3; на фиг.5 вариант газотурбинного двигателя, продольный разрез; на фиг.6 разрез В-В на фиг.5; на фиг.7 разрез Г-Г на фиг.6; на фиг.8 разрез Д-Д на фиг. 6; на фиг.9 еще один вариант газотурбинного двигателя, продольный разрез.

От источника (фиг.1) окислителя поступает окислитель (например, воздух), который направляется по стрелке А к источнику 2 нагретого рабочего тела, в который также подается топливо по стрелке В. В источнике нагретого рабочего тела происходит образование смеси воздуха и топлива и их сгорание, приводящее к образованию потока нагретого рабочего тела. Для доведения параметров нагретого рабочего тела до необходимых его закручивают относительно продольной оси газотурбинного двигателя и расширяют, после чего смешивают с охладителем. В качестве охладителя, поступающего по стрелке С, можно использовать атмосферный воздух, воздух после компрессора или любой его ступени или отработавшее в турбинной ступени рабочее тело. Смесь нагретого рабочего тела с охладителем поступает по стрелке D в турбинную ступень 3. На выходе турбинной ступени создают разрежение посредством устройства 4.

Известно, что рабочее тело, поступающее в турбину, имеет определенную кинетическую энергию, реализуемую в турбине. Эта кинетическая энергия определяется температурой и кинетическими параметрами рабочего тела и охладителя. Повышение температуры рабочего тела приводит к повышению его кинетической энергии. Однако этот путь не может быть эффективно использован, так как рабочие элементы турбины рассчитаны на определенную температуру, выше которой они либо не могут работать, либо требуется применение более дорогих и дефицитных материалов для их изготовления. Поэтому целесообразно повышать кинетическую энергию рабочего тела, направляемого в турбину, не повышая его температуру. Этот результат достигается путем создания разрежения за турбиной (или турбинной ступенью). Такое разрежение позволяет увеличить скорость потока нагретого рабочего тела в смеси с охладителем на входе в турбину, в результате чего в турбине реализуется повышенная кинетическая энергия рабочего тела.

В результате применения описанного выше способа повышается КПД газотурбинного двигателя и появляется возможность увеличения его ресурса, так как предлагаемый способ позволяет снизить температуру рабочего тела, поступающего в турбину.

Описанный выше способ осуществляется с помощью газотурбинного двигателя (фиг. 2), имеющего источник 2 нагретого рабочего тела, сообщающийся с источником 1 окислителя, например с компрессором. В источник 2 нагретого рабочего тела поступает топливо с помощью форсунки 5. На выходе источника 2 нагретого рабочего тела установлена турбинная ступень 3 радиальной турбины. Турбина может иметь несколько турбинных ступеней. Она может быть любого другого типа.

На выходе источника 2 нагретого рабочего тела установлен сопловой аппарат 6 для расширения и закручивания нагретого рабочего тела относительно продольной оси газотурбинного двигателя. Выход из соплового аппарата сообщается с входом турбинной ступени 3 через проточную часть 7 газотурбинного двигателя.

Турбинная ступень 3 имеет вход 8 для подачи потока рабочего тела и выход 9 для выпуска отработавшего рабочего тела. Вход 8 сообщается с проточной частью 7 газотурбинного двигателя. На выходе 9 турбинной ступени 3 установлено устройство для увеличения кинетической энергии отработавшего тела. В данном варианте осуществления предлагаемого газотурбинного двигателя оно выполнено в виде обычного направляющего аппарата 10 от компрессора. Направляющий аппарат 10 (фиг.3 и 4) представляет собой две концентричные обечайки 11, 12, установленные в корпусе 13 газотурбинного двигателя. Между обечайками 11, 12 расположены наклонные лопатки 14, наклон которых относительно продольной оси и оси развертки обечайки 11 приводит к преобразованию кинетической энергии в потенциальную в потоке газа, движущегося через кольцевое пространство между обечайками 11, 12, в результате чего перед направляющим аппаратом создается разрежение, а за ним полное давление повышается.

Предлагаемый газотурбинный двигатель работает следующим образом.

Перед поступлением в турбинную ступень нагретое рабочее тело, образованное в источнике 2 нагретого рабочего тела в результате сгорания топлива с окислителем, расширяется и закручивается с помощью соплового аппарата 6, установленного на выходе источника 2 нагретого рабочего тела. После прохода через сопловой аппарат 6 расширенное и закрученное относительно продольной оси газотурбинного двигателя рабочее тело, движущееся в проточной части 7 двигателя, поступает в турбинную ступень 3 через вход 8. Наличие на выходе 9 турбинной ступени 3 направляющего аппарата 10 от компрессора приводит к тому, что отработавшие в турбинной ступени газы, как показано стрелкой Е (которые в данном случае используются в качестве охладителя нагретого рабочего тела)отсасываются через направляющий аппарат 10 и часть их выбрасываются в атмосферу (стрелка G). Можно использовать несколько направляющих аппаратов для повышения эффективности. При этом в проточной части 7 двигателя на выходе 9 из турбинной ступени создается разрежение, которое обеспечивает повышение кинетической энергии потока смеси нагретого и части отработавшего нагретого тела, направляемой в турбинную ступень 3.

Следует отметить, что благодаря взаимодействию потока нагретого рабочего тела, закрученного и расширенного в сопловом аппарате 6, с частью отработавшего рабочего тела с выхода 9 турбинной ступени 3 последнее может выбрасываться в атмосферу, несмотря на наличие разрежения в проточной части 7 газотурбинного двигателя. Таким образом, обеспечивается работоспособность предлагаемого газотурбинного двигателя.

В варианте газотурбинного двигателя, представленном на фиг.5-8, отличие заключается в том, что используется двухъярусная осевая турбинная ступень 3, у которой рабочее колесо 15 имеет два яруса 16, 17 лопаток, разделенные кольцевой перегородкой 18. Ярусы имеют однонаправленные углы атаки, обеспечивающие расширение газа в ярусе 16 и сжатие в ярусе 17. Выход 9 турбинной ступени 3 сообщается с атмосферой через канал 19, проточная часть 7 сообщается с атмосферой через канал 20.

Этот вариант конструкции газотурбинного двигателя работает аналогично описанному выше с той лишь разницей, что разрежение за турбинной ступенью 3 создается ярусом 17 рабочего колеса 15 турбинной ступени 3, а охлаждение нагретого, расширенного и закрученного рабочего тела производится воздухом, который всасывается из атмосферы через канал 19 благодаря разрежению, создаваемому ярусом 17 рабочего колеса 15 турбинной ступени 3. В этом варианте охлаждение можно производить воздухом от компрессора или отработавшим рабочим телом.

В варианте на фиг.9 конструкция аналогична описанным выше, но на выходе турбинной ступени установлен осевой компрессор 21, который может быть расположен на валу турбины или имеет отдельный привод. Двигатель имеет канал 22 для подачи отработавшего рабочего тела к нагретому рабочему телу и канал для отвода части отработавшего рабочего тела в атмосферу. Работа этого газотурбинного двигателя аналогична описанной выше с той лишь разницей, что разрежение в проточной части 7 двигателя создается компрессором 21, что обеспечивает подачу отработавшего рабочего тела в поток нагретого рабочего тела для его охлаждения и выброс части отработавшего рабочего тела в атмосферу.

Формула изобретения

1. Способ преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе путем изменения термодинамического состояния вводимого в турбинную ступень рабочего тела в источнике нагретого рабочего тела посредством расширения и охлаждения частью отработавшего в турбинной ступени рабочего тела, последующего ввода в турбинную ступень охлажденного рабочего тела для расширения в ней с получением механической энергии, создания разрежения на выходе из нее, выпуска отработавшего рабочего тела, отличающийся тем, что разрежение за турбинной ступенью создают путем увеличения кинетической энергии части отработавшего в турбинной ступени рабочего тела, идущей на охлаждение.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно создают разрежение за турбинной ступенью путем увеличения кинетической энергии отработавшего в турбинной ступени рабочего тела, идущего на выпуск.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что увеличение кинетической энергии потока отработавшего рабочего тела осуществляют с использованием кинетической энергии нагретого рабочего тела.

4. Газотурбинный двигатель, содержащий источники топлива и окислителя, источник нагертого рабочего тела и по меньшей мере одну размещенную в проточной части турбинную ступень, выход из которой подключен к выходу источника нагретой рабочей среды перед входом в турбинную ступень, отличающийся тем, что он снабжен устройством для увеличения кинетической энергии отработавшего рабочего тела, посредством которого выход из турбинной ступени подключен к выходу источника нагретой рабочей среды.

5. Двигатель по п. 4, отличающийся тем, что устройство для увеличения кинетической энергии отработавшего рабочего тела выполнено в виде установленного на выходе из турбинной ступени двухъярусного рабочего колеса, один ярус которого выполнен в виде турбинной ступени, а другой в виде компрессорной ступени.

6. Двигатель по п. 4, отличающийся тем, что устройство для увеличения кинетической энергии отработавшего рабочего тела выполнено в виде направляющего аппарата с наклонными относительно продольной оси двигателя лопатками, установленного в проточной части двигателя в зоне выхода источника нагретого рабочего тела.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 15-2002

Извещение опубликовано: 27.05.2002        

---