Газотурбинная энергетическая установка
Изобретение относится к энергетике и газотурбинным силовым и энергетическим установкам. Газотурбинная силовая установка содержит газотурбинный двигатель с компрессором, камерой сгорания, турбиной, рабочее колесо которой соединено валом двигателя с ротором компрессора, свободную турбину, установленную за турбиной и соединенную валом нагрузки с электрогенератором, выхлопное устройство. После свободной турбины установлен двигатель Стирлинга, генератор выполнен с двумя роторами, один из которых соединен с валом нагрузки со свободной турбиной, а другой соединен внешним валом с двигателем Стирлинга. Двигатель Стирлинга содержит, по меньшей мере, один рабочий цилиндр, установленный за свободной турбиной и, по меньшей мере, один расширительный цилиндр, установленный вне двигателя. Изобретение позволяет повысить КПД силовой установки и ее надежность. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к газотурбинным силовым установкам и может быть применено для выработки электрической энергии или силовой установки газотурбовоза.
Известна газотурбинная силовая установка по патенту РФ на изобретение №2137617, эта установка имеет жидкостную систему охлаждения и вентилятор для создания потока охлаждающего воздуха.
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 газотурбинная силовая установка по патенту РФ №2272916 (прототип), 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 из-за того, что подача пара на вход в турбину резко уменьшает температуру продуктов сгорания, проходящих через нее, и тем самым снижает КПД турбины и силовой установки в целом. Если же компенсировать снижение температуры газа перед турбиной увеличением расхода топлива, это приведет к дефектам в виде прогара сопловых и рабочих лопаток турбины. Кроме того, длительное пропускание большого расхода воды через систему охлаждения турбины приводит к отложению накипи в системе охлаждения турбины и ухудшению охлаждения. Применение дистиллированной воды невозможно по техническим и экономическим соображениям. Кроме того, регенеративный теплообменник имеет недостаточную поверхность теплообмена, для того чтобы полностью утилизировать тепло выхлопных газов.
Задачи создания изобретения: повышение экономичности и надежности установки.
Решение указанных задач достигнуто за счет того, что газотурбинная силовая установка, содержащая газотурбинный двигатель с компрессором, камерой сгорания, турбиной, рабочее колесо которой соединено валом двигателя с ротором компрессора, свободную турбину, установленную за турбиной и соединенную валом нагрузки с электрогенератором, выхлопное устройство, отличается тем, что после свободной турбины установлен двигатель Стирлинга, генератор выполнен с двумя роторами, один из которых соединен с валом нагрузки со свободной турбиной, а другой соединен внешним валом с двигателем Стирлинга. Двигатель Стирлинга содержит, по меньшей мере, один рабочий цилиндр, установленный за свободной турбиной и по меньшей мере, один расширительный цилиндр, установленный вне двигателя.
Предложенное техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью, что подтверждается проведенными патентными исследованиями. Для реализации изобретения достаточно применения известных узлов и деталей, ранее разработанных и реализованных в конструкции газотурбинных двигателей и в машиностроении.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1-4, где:
на фиг.1 приведена схема газотурбинной силовой установки,
на фиг.2 и 3 приведена схема двигателя Стирлинга,
на фиг.4 приведено распределение температуры воздуха и продуктов сгорания по длине установки.
Предложенное техническое решение (фиг.1) содержит газотурбинный двигатель ГТД 1 и подсоединенную газовым трактом свободную турбину 2, после которой по потоку установлен двигатель Стирлинга 3 и далее выхлопное устройство 4. Генератор 5 установлен вне газобурбинного двигателя 1.
ГТД 1 содержит воздухозаборник 6, компрессор 7 с ротором компрессора 8, камеру сгорания 9 с форсунками 10, турбину 11 с сопловым аппаратом 12 и рабочим колесом 13. Турбина 11 может быть выполнена многоступенчатой, но в дальнейшем приведен пример конструкции энергетической установки с одной ступенью турбины. Рабочее колесо турбины 13 и ротор турбины 8 установлены на валу ГТД 14, который установлен в опорах двигателя 15.
ГТД 1 содержит систему топливоподачи 16 с топливным насосом 17 и приводом топливного насоса 18, топливный трубопровод 19, кольцевой коллектор 20, к которому подключен топливный трубопровод 19 и далее он подсоединен к форсункам 10 камеры сгорания 9.
Компрессор 6 установлен на валу ГТД 14. Свободная турбина 3 может быть выполнена одноступенчатой, двухступенчатой и с большим числом ступеней в зависимости от мощности установки.
Свободная турбина 2 содержит, как минимум, одно рабочее колесо свободной турбины 21, установленное на валу нагрузки 22, внешний вал нагрузки 23 выполнен концентрично валу нагрузки 22 и установлен в опорах 24. Двигатель Стирлинга 3 (фиг.1 и 2) состоит из двух частей: рабочих цилиндров 25 и расширительных цилиндров 26, внутренние полости которых «Г» и «Д» соединены трубопроводами 27. Расширительные цилиндры 26 предпочтительно установить вне ГТД 1 и выхлопного устройства 4 в атмосфере на некотором удалении от ГТД 1, во-первых, для использования хладоресурса окружающего воздуха, во-вторых, для значительного увеличения площади теплообмена с целью повышения КПД установки до теоретически возможного значения.
На фиг.2 приведена схема одного из вариантов исполнения двигателя Стирлинга 3, который содержит рабочие цилиндры 25, имеющие оребрение 28 с установленным внутри каждого из них в полости «Г» рабочим поршнем 29, который шатуном 30 соединен через механизм преобразования поступательного движения во вращательное 31 (например, коленвал) с внешним валом нагрузки 23 и расширительные цилиндры 26 с оребрением 32 и установленным внутри каждого из них в полости «Д» вытеснительным поршнем 33, который шатуном 34 через механизм преобразования поступательного движения во вращательное 31 соединен с внешним валом нагрузки 23. Трубопровод 27 соединяет полости «Г» и «Д» для перетекания рабочего тела из рабочего цилиндра 25 в расширительный цилиндр 26. Расширительные цилиндры 26 охлаждаются за счет естественной конвекции или воздухом, подаваемым маломощным (по сравнению с мощностью ГТД 1) вентилятором 42.
Генератор 5 содержит два ротора: внешний ротор генератора 35 с постоянными магнитами 36 и внутренний ротор 37 с обмотками возбуждения 38, токосъемник 39, электрическую проводку 40 и статор 41. Внутренний ротор генератора 37 соединен с валом нагрузки 22, а внешний ротор генератора 35 соединен с внешним валом нагрузки 23. В схеме может быть применен вентилятор 42 (фиг.4). Обмотки возбуждения 38 и постоянные магниты могут быть установлены с точностью до наоборот, т.е. обмотки возбуждения 38 можно установить на внешнем роторе 37.
При работе при помощи стартера (на фиг.1 и 2 не показан) запускается ГТД 1, при этом подается на привод топливного насоса 18, который приводит в действие топливный насос 17, топливо по топливному трубопроводу 19 подается в форсунки 10 камеры сгорания 9, где воспламеняется при помощи электрозапальника (на фиг.1-3 электрозапальник не показан). Выхлопные газы проходят по газовому тракту и далее из камеры сгорания 9 в полость «Б» перед турбиной 11, часть теплоперепада срабатывает на рабочем колесе турбины 13, проходит через свободную турбину 2. Рабочее колесо свободной турбины 21 с валом нагрузки 22 раскручивается.
Одновременно выхлопные газы поступают в полость «В», нагревают через оребрение 28 рабочее тело внутри рабочих цилиндров 25. Нагретое рабочее тело по трубопроводам 27 периодически поступает в расширительные цилиндры 26, где расширяется и совершает работу, передавая энергию на внешний вал нагрузки 23. Для работы двигателя Стирлинга 3 достаточно иметь разницу температур на двух группах цилиндров 25 и 26. Двигатель Стирлинга 3 через 5-10 мин выходит на режим. Медленный выход двигателя Стирлинга на режим является одним из его недостатков, но высокий КПД, надежность и хорошие экологические свойства в сочетании с ГТД 1 и свободной турбиной 2, имеющими хорошие характеристики запуска и работы на переходных режимах, делает предложенную установку чрезвычайно интересной по всем показателям одновременно. Только применение этой схемы позволит согласовать оптимальную работу всех узлов установки на всех режимах и практически полностью утилизировать тепло в выхлопном устройстве. Утилизация тепла при помощи теплообменников, используемая традиционно, неэффективна, например, из-за больших габаритов теплообменников и необходимости дальнейшего преобразования тепловой энергии пара в механическую энергию, например, на паровой турбине.
Другой значительной проблемой при проектировании силовых установок с двигателем Стирлинга является невозможность согласования частот вращения свободной турбины, двигателя Стирлинга и нагрузки (электрогенератора). Если свободную турбину и двигатель Стирлинга установить на один вал, то это приведет к их несогласованной нагрузке и, как следствие, к уменьшению КПД установки в целом и большим нагрузкам на вал. На переходных режимах нагрузки будут значительными и будут носить ударный характер, что приведет к разрушению валов, масляных уплотнений и опор.
Генератор 5, имеющий два ротора 35 и 37, вращающиеся в разные стороны, позволит увеличить в 2 раза скорость изменения магнитного поля в обмотках возбуждения, т.к. при скоростях вращения рабочего колеса свободной турбины 21 n1=5000 об/мин и скорости вращения внешнего вала нагрузки 23 приблизительно n2=5000 об/мин относительная скорость вращения роторов 35 и 37 генератора 5 будет около 10000 об/ мин, т.е. в два раза выше достигнутой в традиционный схемах энергетических установок аналогичного назначения.
Это позволит уменьшить габариты генератора, повысить его мощность и надежность за счет меньших центробежных нагрузок.
В результате использования регенерации тепла в двигателе Стирлинга КПД силовой установки возрастает более чем в 2 раза, а именно с 30 до 60% и более.
При работе двигателя по его контурам температуры распределяются следующим образом:
- T1 - температура воздуха в атмосфере или на входе в ГТД,
- Т2 - температура продуктов сгорания на входе в турбину,
- Т3 - температура продуктов сгорания на выходе из турбины или входе в свободную турбину,
- Т4 - температура продуктов сгорания на выходе из свободной турбины
- Т5 - после рабочих цилиндров двигателя Стирлинга,
- Т6 - температура воздуха, охлаждающего расширительные цилиндры двигателя Стирлинга,
- Т7 - температура охлаждающего воздуха после расширительных цилиндров.
Очевидно, что Т6≈T1, а Т5 и Т7 незначительно превышают T1 при больших габаритах и хорошем оребрении расширительных цилиндров. Это позволяет достичь теоретически возможный КПД цикла Карно, т.е. реализовать максимально возможный КПД для силовых установок аналогичного назначения даже по сравнению с двигателями, имеющими современную систему утилизации тепла выхлопных газов.
Применение изобретения позволило:
1. Значительно повысить КПД силовой установки за счет:
- использования для получения энергии на валу нагрузки, кроме свободной турбины двигателя Стирлинга, который утилизирует тепло, раньше сбрасываемое в выхлопное устройство и в атмосферу,
- повышения КПД цикла двигателя Стирлинга за счет использования практически бесплатного и неограниченного хладоресурса атмосферного воздуха или применением внешнего обдува воздухом, например применением вентилятора, или скоростным напором встречного воздуха при движении транспорта, например для газотурбовоза или естественной конвекции в энергоустановках для выработки электроэнергии в стационарных установках, когда ее габариты и вес не имеют решающего значения.
2. Согласовать работу свободной турбины и двигателя Стирлига за счет их кинематической развязки и возможности вращения роторов с различными угловыми скоростями вращения и даже в противоположные стороны. За счет вращения двух роторов генератора в противоположные стороны уменьшить габариты генератора примерно в 2 раза, повысить его мощность, напряжение и надежность.
3. Снизить эмиссию токсичных веществ в атмосферу за счет того, что двигатель Стирлинга имеет значительно более лучшие экологические показатели по сравнению с другими типами двигателей.
1. Газотурбинная силовая установка, содержащая газотурбинный двигатель с компрессором, камерой сгорания, турбиной, рабочее колесо которой соединено валом двигателя с ротором компрессора, свободную турбину, установленную за турбиной и соединенную валом нагрузки с электрогенератором, выхлопное устройство, отличающаяся тем, что после свободной турбины установлен двигатель Стирлинга, генератор выполнен с двумя роторами, один из которых соединен с валом нагрузки со свободной турбиной, а другой соединен внешним валом с двигателем Стирлинга.
2. Газотурбинная силовая установка по п.1, отличающаяся тем, что двигатель Стирлинга содержит, по меньшей мере, один рабочий цилиндр, установленный за свободной турбиной и, по меньшей мере, один расширительный цилиндр, установленный вне двигателя.
