CS57391A2 - Two-rotor radial high-pressure gas turbine - Google Patents

Description

Vynález se týká plynových turbin s radiálními turbinamia odstředivými kompresory, které ve vysokotlakých součástecha zařízeních vykazují nízkou spotřebu paliva.

Dosavadní stav techniky

Dosud byla nižší spotřeba paliva v menších plynových tur-binách limitována problémy při ochlazování malých součástíturbin, problémy při docilování vysokého kompresního poměru,nežádoucími nepřesnostmi při měření malých dílů a vysokou ce-nou přesných malých součástek. Pro tyto nedostatky nenalezlymalé plynové turbiny dosud širší využití, přestože jsou schop-né pracovat s nižšími emisemi než plynové motory, dieselovémotory a benzinové motory.

Dosud bylo provedeno mnoho pokusů pro odstranění výše uve-dených nedostatků, ale pouze některá řešení se týkají užitídvojitých vstupů do prvního stupně kompresoru v jednorotorovéplynové turbině. Těmito úpravami se dosahuje vyššího výkonu,ale jsou příliš nákladné pro využití při výkonech nižších ne-bo rovných 1 000 kW.

Podstata vynálezu Většina výše zmíněných nedostatků obvyklých u konvenčních a známých plynových turbin je odstraněna vysoceúčinnou plyno- vou turbinou podle vynálezu. Tato je určena především pro niž- ší výkony, s nižší spotřebou paliva a s přijatelnou výrobní cenou.

I _ 2 -

Plynová turbina podle vynálezu má pružná využití v růz-ných pracovních režimech bez větších konstrukčních úprav. V souladu s daným vynálezem, jak je jasně popsán v pa-tentových nárocích, vysoceúčinná dvourotorová plynová turbinaobsahuje vysokotlaký rotor s hřídelem opatřeným speciálním od-středivým kompresorem a turbinou s radiálním vtokem nasazenouna tomto hřídeli. Expanzní poměr na radiálním vtoku turbinyje 4/1 až 8/1. Křídel je pomocí spojovacích prvků propojens poháněnou vnější zátěží. Dále obsahuje spalovací prvky pro-pojené s vysokotlakým rotorem pro převedení stlačeného vzduchuz odstředivého kompresoru pro využití stlačeného vzduchu v ho-řícím palivu a odvedení plynových spalin do radiálního vtokuturbiny. Dvourotorová plynová turbina rovněž obsahuje nízko-tlaký rotor s dalším hřídelem opatřeným nízkotlakým kompreso-rem a nízkotlakou turbinou. Nízkotlaký rotor se otáčí nezávis-le na vysokotlakém rotoru a je v podstatě bez zátěže. Dále jedvourotorová turbina opatřena prvním rozvodem spojujícím níz-kotlaký kompresor s odstředivým vysokotlakým kompresorem, mi-mo jiné pro dodávku předem stlačeného vzduchu a druhým rozvo-dem pro propojení vysokotlaké turbiny s radiálním vstupems nízkotlakou turbinou, mimo jiné pro dodávku části odváděnýchplynových spalin. S výhodou je kompresní poměr nízkotlakého kompresoru niž-ší nebo shodný s kompresním poměrem ve vysokotlakém odstředi-vém kompresoru a nízkotlaký kompresor je s výhodou, nikolibezpodmínečně, tvořen odstředivým kompresorem s jedním vstu-pem a nízkotlaká turbina může být tvořena axiální, radiálnínebo axiálně-radiální turbinou. Vnější zátěž je s výhodou men-ší nebo rovna 1 000 kW.

Dvourotorová plynová turbina může obsahovat mezistupňové chladiče propojené s prvním rozvodem pro ochlazování předem stlačeného vzduchu. S výhodou je první rozvod opatřen čifuzé- 3 rem, přivádějícím a rozptylujícím část stlačeného vzduchupřiváděného z nízkotlakého kompresoru před zavedením vzduchudo vysokotlakého odstředivého kompresoru. Rovněž první rozvoda druhý rozvod mohou být upevněny a nasměrovány tak, že prvnírotory a další rotory vystupují- kruhově z dalšího jednoho.

Dvourotorová plynová turbina může déle obsahovat rekupe-rátor pro odvod tepla ze spalovaného plynu odcházejícího z nízkotlaké turbiny a předehříváného stlačeného vzduchu vycházejí-cího z vysokotlakého odstředivého kompresoru před spalováním.Dále může obsahovat hořák s nízkou tvorbou NO a s vnitřním Λ kónickým tvarem. Přehled obrázků na výkresech

Zařízení podle vynálezu a jeho vlastnosti jsou blíže vy-světleny v popisu konkrétních příkladů provedení podle přilo-žených výkresů, kde na obr. 1 je v nárysu znázorněn částečnýřez vysoceúčinnou dvourotorovou plynovou turbinou podle vyná-lezu. Na obr. 2 schéma zapojení uvedené plynové turbiny s tím,že je zanesen i rekuperátor a mezistupnový chladič. Na obr. 3A.je schematicky znázorněno sériové zapojení dané plynové turbi-ny a na obr. 3B je schematicky znázorněno paralelní zapojení.Na obr. 4 je schematicky znázorněn cyklus konkrétního zapoje-ní této dvourotorové plynové turbiny podle vynálezu a na obr. 5 je v nárysu znázorněn částečný řez další variantou plynovéturbiny podle vynálezu. Dále bude popsáno výhodné tělesné vytvoření podle přilo-žených výkresů. Příklady provedení vynálezu

Na obr. 1 je znázorněn výhodný typ vysoceúcinné dvouro- torové plynové turbiny 10 zhotovené v souladu s daným vynále- zem. Modifikace a varianty uvedené v tomto výhodném řešenímohou být odborníkovi v dané oblasti techniky okamžitě jasnépo přečtení podrobného popisu spojeného s přiloženými obráz-ky. Tyto modifikace a varianty jsou podstatou daného vynálezu,který je vymezen pouze patentovými nároky a jejich ekvivalenty. V souladu s uvedeným vynálezem je plynová turbina 10 opat-řena vysokotlakým rotorem 11 s hřídelem 12 , s charakteristic-kým odstředivým kompresorem 14 a zvláště s turbinou 16 s ra-diálním vtokem usazenou na tomto hřídeli 12 . Plynová turbina10 je tedy opatřena vysokotlakým rotorem 11 s hřídelem 12, od-středivým kompresorem 14 s jedním vstupem na jedné straně aturbinou 16 s radiálním vtokem na opačné straně.

Turbina 16 s radiálním vtokem je zhotovena pro prácis expanzním poměrem od 4/1 do 8/1 a obecně je tvořena rotoremo průměru menším nebo rovném 500 mm s tahem menším než 1000 kW. Dále je hřídel 12 podle vynálezu opatřen spojujícímiprvky 18 pro jeho propojení s poháněnou vnější zátěží 20.Schematicky znázorněné spojovací prvky 18 propojují poháněnouvnější zátěž 20 s hřídelem 12 vysokotlakého rotoru 11 v blíz-kosti kompresoru 14. Zátěží 20 může být například vysokootáč-kový elektrický generátor. Spojovací prvky 18 mohou obsahovatpřevodovku, spojku a podobně. Spojovací prvky 18 mohou obsaho-vat neznázorněné prostředky pro mazání vysokotlakého rotoru11, palivové prostředky a další pomocné prostředky plynovýchturbin 10. Tyto prostředky mohou být rovněž umístěny v nízko-tlakém rotoru 30 nebo mezi vysokotlakým rotorem 11 a nízkotla-kým rotorem 30.

Plynová turbina 10 podle vynálezu dále obsahuje spalova- cí prvky 22 pro převedení stlačeného vzduchu z vysokotlakého odstředivého kompresoru 14 pro spalování paliva využívajícího stlačený vzduch a odvedení plynovýchspalin do radiálního vtoku turbiny 16. Plynová turbina 10 tedy obsahuje spalovací prvky 5 22 obsahující hořák 23., který přijímá stlačený vzduch z difu-zéru 24 vysokotlakého odstředivého kompresoru 14 a palivopřes potrubí 26 z palivového zásobníku - nezakreslen. Plynovéspaliny opouštějí hořák 23 a vstupují do radiálního vtoku tur-biny 16 vstupem 28 pro následnou expanzi. Největší výhodou je z to, že hořák 23 využívá kruhového hořáku s vnitřním konickýmtvarem s nízkou tvorbou emisí NO , který je předmětem přihláš-ky vynálezu PV -0/ste jných autorů o názvu "Hořák plynové turbiny s nízkými emisemi". Tyto dva vynálezy se mohou navzá-jem doplňovat.

Plynová turbina 10 je dále podle vynálezu opatřena nízko-tlakým rotorem 30 s dalším hřídelem 32 spojeným s nízkotlakýmkompresorem 34 a nízkotlakou turbinou 36. Plynová turbina 10tak obsahuje nízkotlaký rotor 30 opatřený dalším hřídelem 32s nízkotlakým kompresorem 34 na jedné a nízkotlakou turbinou36 na druhé straně. Nízkotlaký kompresor 34 je s výhodou tvo-řen odstředivým kompresorem a nízkotlaká turbina 36 je tvoře-na jako radiálně-axiální turbina. Další řešení umožňují využítčistě axiální a čistě radiální kompresorové a turbinové prvky. Důležité je, že další hřídel 32 nízkotlakého rotoru 30se otáčí nezávisle na hřídeli 12 vysokotlakého rotoru 11 tak,že mohou vykazovat různé rychlosti v závislosti na zátěži amnožství dodaného paliva. Z operačních podmínek, které sledujevysokotlaký rotor 11 vyplývá v podstatě konstantní rychlost,která je výhodná pro konstantní frekvenční zátěžový požadavek.Vysokotlaký rotor 11 tak může být využit v jiných případech.Při nízké zátěži může klesnout spotřeba energie v nízkotlakémrotoru 30 a tím stoupá účinnost. Nízkotlaký rotor 30 není spojen s vnější zátěží. Výkon získaný z nízkotlaké turbiny 36 je využit pouze v nízkotlakém kompresoru 34 a dále umožňuje dodávat sílu do hnacích nebo dalších pomocných systémů plynové turbiny 10. Jak již bylo uvedeno dříve, pomocnými systémy nejsou uvažovány pouze vnější 6 zátěže, které procházejí vysokotlakým rotorem 11. Nízkotlaký rotor 30 je s výhodou opatřen, difuzérem 3.5pro odvedení a úplné rozptýlení plynových spalin odcházejícíchz nízkotlaké turbiny 36. Plynová turbina 10 může s výhodouobsahovat rekuperátor 40 pro odvod tepla z difuzéru odcházejí-cí z nízkotlaké turbiny 36 a teplého stlačeného vzduchu z vy-sokotlakého kompresoru 14 přednostně do vstupů spalovacíchprvků 2 2.

Plynová turbina 10 je podle vynálezu dále opatřena prvnímrozvodem 41 a druhým rozvodem 54. První rozvod 41 rozvádípředem stlačený vzduch z nízkotlakého kompresoru 34 do odstře-divého vysokotlakého kompresoru 14 a druhý rozvod 54 odvádíčást plynových spalin z vysokotlaké turbiny 16 s radiálnímvtokem, do nízkotlaké turbiny 36.

První rozvod 41 je opatřen rozdělovacím kusem 42 prohromadění předem stlačeného vzduchu z dalšího difuzéru 44nízkotlakého kompresoru 34 a potrubím 46 pro odvod nahromadě-ného předem stlačeného vzduchu z rozdělovacího kusu 42 do od-středivého vysokotlakého kompresoru 14 přetlakovým ventilem48. Další difuzér 44 nízkotlakého kompresoru 34 s výhodouupravuje pouze část vysokorychlostního stlačeného vzduchu vy-cházejícího z nízkotlakého kompresoru 34 na vyšší tlaky a niž-ší rychlosti. Rozdělovači kus 42 je s výhodou opatřen vnitř-ními sekcemi, příčnými ke směru toku pro zvýšení difúze. Vněj-ší rozměry nízkotlakého modulu jsou závislé na vnějším polo-měru dalšího difuzéru 44 nízkotlakého kompresoru 34, kterýsouvisí s otáčkami, poměrem toku a střední rychlostí. Rovněžrozdělovači kus 42 může ovlivnit velikost zařízení.

První rozvod 41 je opatřen mezistupňovým chladičem 50 pro zvýšení měrné hustoty předem stlačeného vzduchu před konečnou kompresí v odstředivém vysokotlakém kompresoru 14. Kompresní poměr nízkotlakého kompresoru 34 je nižší nebo shodný s kom- 7 přesním poměrem odstředivého vysokotlakého kompresoru 14 poprůchodu mezistupňovým chladičem 60» První rozvod 41 může býtrovněž opatřen vypouštěcím ventilem 62 . V daném případě jepřipojen k potrubí 46. Vypouštěcí ventil ?2 je určen pro po-užití během rozběhu a během jiných mimořádných událostí.

Druhý rozvod $4 .je opatřen jedním difuzérem 66 pro difú-zi částí odcházejících expandovaných plynových spalin z vyso-kotlaké turbiny 16 s radiálním vtokem a dalším rozdělovacímkusem _6g pro distribuci difundované části expandovaných plynůdo vstupu 60 nízkotlaké turbiny 36. Plynová turbina 10 je te-dy s výhodou opatřena na tlakovém obalu nízkotlakého rotorudalším rozdělovacím kusem 68. Jeden difuzér % je s výhodouopatřen lopatkami 62 eliminujícími rotaci z vysokotlaké tur-biny 16 s radiálním vstupem.

První rozvod 41 a druhý rozvod 64 propojují vysokotlakýrotor 11 s nízkotlakým rotorem 30 v uzavřeném okruhu. Výstupz nízkotlakého rotoru 30 je v daném případě okolo 90°, alev jiných případech může být úhel jiný, dokonce i rovný 0°.Uspořádání s 90° snižuje teplo a tok mezi vysokotlakým rotorem11 a nízkotlakým rotorem 30 a mezi nízkotlakou turbinou 16 aatmosférou. Tímto je zvýšena tepelná účinnost a mechanickávhodnost.

Na obr. 5 je znázorněna jiná varianta vytvoření dalšíhonízkotlakého rotoru z obr. 1. Na obr. 5 další nízkotlaký ro-tor 30 další plynové turbiny 10 obsahuje další nízkotlakouturbinu 36 z, která je uspořádána jako axiální turbina srovna-telná s radiálně-axiální nízkotlakou turbinou 36 z obr. 1.Axiální nízkotlaké turbina 36 pohání nízkotlaký odstředivýkompresor 34 přes další hřídel 32 . Přídavná Část axiálního z kompresoru jako axiální kompresor 34 - zakreslen schematicky čárkovaně - může být umístěna k nízkotlakému kompresoru 34 v dalším nízkotlakém rotoru 30 v souladu s uvedeným vvnále- 8 zem. Důležité pro všechny varianty znázorněné na obr. 5 azde popsané je to, že vysokotlaký rotor 11 je zachován s vy-sokotlakým kompresorem 14 a turbinou 16 s radiálním vtokem.

Jak je zřejmé z uvedeného popisu, vynález se týká plyno-vé turbiny s dvojicí samostatných hřídelů s kompresory a tur-binami. Na rozdíl od konvenčních uspořádání je vystupujícívýkon v podstatě výlučně dodáván z vysokotlaké části stroje.Tento vynález se týká pouze turbiny, kde je vysokotlaká tur-bina radiálního typu, kde vysokotlakým kompresorem radiálníturbiny je odstředivý kompresor a kde vnější zátěž je dávánapřes vysokotlaký rotor, jak je vidět z obr. 1.

Dva hřídele s jejich rotujícími prvky jsou nazvány "roto-ry". Vysokotlaký rotor je tedy tvořen odstředivým kompresorema tak zvanou turbinou s radiálním vtokem. V navrženém řešení je výkon získáván z kompresoru vysoko-tlakého rotoru, ale výkon vycházející z turbiny se ukazujev souladu se záměrem vynálezu stejně velký jako výkon vycháze-jící z vysokotlakého rotoru.

Jedním účelem nízkotlakého rotoru je absorbce dodatečnéenergie z vycházejícího plynu po jeho expanzi pres vysokotla-kou turbinu a její využití v kompresoru, který je spojen s hřídelem tohoto nízkotlakého rotoru. Tento otáčející se kompre-sor odvádí stlačený vzduch (nebo jiný plyn užitý při spalová-ní'1 do druhého stupně kompresoru tak, že dosahovaný jmenovitýkompresní poměr využitý ve stroji z obou kompresorů je zpra-vidla pod.20/1. Z nízkotlakého rotoru nebude vycházet výkon. Pomocné po- hony jako palivová a olejová čerpadla a podobně, nejsou pova- žována za vnější zatížení v kontextu s daným vynálezem a mo- hou být hnána nízkotlakým rotorem, vysokotlakým rotorem nebo rozděleně. Účelem vynálezu obsahujícím turbinu s radiálním vtokemjsko hnacím komponentem pro oba vysokotlaké kompresory avnější zátěž je turbina schopna mimo nadbytečných mechanickýchztrát maximální možné práce pro turbinu s radiálním vtokemv případě vysokých obvodových rychlostí turbinového rotoru.Tato vyšší obvodová rychlost je možná díky šípovitému profiluradiálních turbinových lopatek s širokou sekcí v kořenové čás-ti a s tenkou lehčí sekcí ve Špici lopatky. Axiální turbinanemá tento tvar a může mít na rozdíl od radiálního stupně ta-ké znatelné v^tší ztráty v účinnosti při vysokých expanzníchpoměrech. Výsledkem vysokých obvodových rychlostí radiálníturbiny je rovněž nižší teplota lopatek. Není tedy nutné chla-dit lopatky, což je důležité pro stavbu malých turbin.

Tok turbinou je popsán následovně: Vzduch vstupujícínízkotlakým kompresorem 34 je stlačen a vyveden přes rozdělo-vači kus 42 potrubím 46 do vysokotlakého kompresoru 14. Podalším stlačení odstředivým vysokotlakým kompresorem 14 vstu-puje vzduch do hořáku 23 , kde je podpálen s palivem. Výslednéhorké plyny jsou expandovány přes radiální vstup vysokotlakéturbiny 16, která se točí s vysokotlakým kompresorem 14 avnější zátěží 20 přes hřídel 12 a spojující prvky 18. Po opuš-tění vysokotlaké turbiny 16 plyny dále odevzdávají energiiv jednom difuzéru , zde uvedeném jako radiální typ, kterýdodává točivý pohyb spalinám s minimálními ztrátami. V uvede-ném tělesném vytvoření jsou nízkotlaký hřídel 32 a vysokotla-ký hřídel 12 skloněny pod úhlem, který může být různý (zde jeznázorněn 90°). Plyny jsou pouze z části expandovány ve vyso-kotlaké turbině a opouštějí nízkotlakou turbinu přes další rezdělovací kus 98. Následuje konečné expanze přes nízkotlakouturbinu 36 . znázorněnou na obr. 1 jako radiálně-axiální typ,plyny vycházejí přes difuzér 38. Připojení mezistupnového chladiče a rekuperátoru do obvo- du, jako mezistupnového chladiče 90 a rekuperátoru 40, může zvýšit efektivnost při velice malých úpravách. Tyto úpravy ře- Ί šení jscu popsány na obr. 1 a obr. 2. fZe zi stupňový chladič arekuperátor však nejsou podstatnými součástmi daného vynálezu.

Od té doby, co rozdíl mezi teplotou na vstupu turbiny(to jest přibližně střední hodnota na výstupu hořáku) a rela-tivné stálou teplotou u klasických radiálních stupňů turbinna vstupu bude blízko 50 % z celkového teplotního spádu v tom-to stupni, je vyšší výsledný expanzní poměr v méně teplé lo-patce turbiny. Tento vnější tvar umožňuje cirkulaci 'spalová-ní) s vyšší teplotou, což zvyšuje tepelnou účinnost.

Nejlepší výsledky jsou u radiální turbiny s dobrou účin-ností dosaženy nad expanzním poměrem 8/1. Toto může odpovídatpřibližná stejným kompresním poměrům pro jednorotorový radiál-ní stroj. -Jednocykl o vý stroj, to jest stroj bez rekuperátorunebo jiných obdobných součástek zvyšujících tepelnou účinnost,musí v podstatě zvyšovat kompresní poměry uspořádáním zlepšu-jícím účinnost pro získání vstupní teploty do turbiny 1000 °C.Podle vynálezu se obvykle účinnost zvyšuje konstrukční úpra-vou zvyšující tlak vnějšího okruhu a zvýšenou účinností pře-tlakových prvků nízkotlakého rotoru. V souladu s vynálezem probíhá největší část expanze vevysokotlaké radiální turbině v uspořádání dosahujícím výšezmíněné účinnosti minimalizací teploty turbinových lopatekpro získání střední spalovací teploty. Pro stroje s kompres- .ním poměrem okolo 21/1 je vysokotlaká turbina uspořádána běž-ně na expanzní poměr okolo 7/1 a nízkotlaká turbina okolo 3/1.Vnější tlakové poměry jsou však možné přibližně mezi 8/1 a30/1. S vyššími kompresními poměry korespondují vyšší výtěžky.Pro výstupní výkony v rozmezí pod 1000 kW jsou kompresní po-měry většinou v rozmezí mezi 12/1 až 21/1. Účinnost součástí odstředivých kompresorů a radiálních turbin je velmi závislá na specifické rychlosti. Pojem speci- fická rychlost (N ) se týká pracovní průtočné rychlosti sou- - 11 - částí a je popsána v US patentovém spisu č. 4 641 495 ve spo-jení s jinou konstrukcí stroje stejného autora. V konvenčních plynových turbinách s odstředivou a radiál-ní turbinami je přijatelná N dosažena jednou expanzí kompres-ního poměru nebo užitím dvojitého vstupu prvního stupně kom-presoru v plynovém generátoru s konstrukcí popsanou v US pa-tentovém spisu č. 4 461 495· V takovéto konstrukci musí býtseparované síla turbiny vyvedena vnějším hřídelem. Toto výšezmíněné zařízení je více komplikované než zmíněný vynález,který je tedy vhodnější pro nižší výkony.

Konstrukce stroje zde popsaná má dva rotující nezávisléhřídele, které pracují při různých rychlostech tak, že vyho-vují požadavku na optimální specifickou rychlost pro vysoko-tlaké rotační kolo a zároveň připravují nejlepší možný tokpro nízkotlaký kompresor a turbinu.

Zařízení podle vynálezu vyžaduje to, že vycházející vý-kon je dodán z vysokotlakého rotoru, který je zároveň největ-ším hřídelem. Tato konstrukce může vykazovat drobnou nevýhoduv tom, že je-li redukční ústrojí řešeno jako součást spojova-cích prvků 18, bude zapotřebí o něco větší redukční poměr. V porovnání s významnou výhodou spočívající v možnosti praco-vat se vstupní teplotou vysokotlaké turbiny o 100 °C vyššínež je schopná nechlazená axiální turbina, je tato nevýhodabezvýznamnou v porovnání s podstatnými hodnotami vynálezu.Běžící vývod na poli přímého řízení vysokorychlostních elek-trických generátorů by mohl být výhodný v energetických sys-témech s výše popsanými stroji.

Momentové charakteristiky strojních zařízení mohou být jedinečné v tom, že mohou být rozloženy mezi charakteristika- mi jednorotorových strojů a charakteristikami výkonné turbiny. Výsledkem tohoto je přirozeně výše popsaný stroj jako "pře- plňovaný" jednorotorový stroj. - 12 - . ....

Aplikace jistého stupně variabilnosti v toku vzduchumůže byt požadována mezi a/nebo případně uvnitř dvou kompre-sorů a turbinových stupňů. Jednodušší konstrukcí pro přizpů-sobení pro takovéto varianty je dána mezistupnovým výstupemjako například vypouštěním ventilem 52 , přiváděným do činnos-ti pro pomoc během dočasného většího průtoku do jednotlivýchsoučástí.

Oba, relativně vysokotlaký okruh a nižší kompresní poměrstroje mohou být zhotoveny v souladu s tímto vynálezem. Verzes nižším kompresním poměrem může být běžně opatřena rekuperá-torem a mezistupnovým chladičem mezi kompresorovými stupni.

Lva samostatné kompresory a konstrukce prvního rozvodu 41jsou tak velice výhodné.

Mimo umístění rotorů podle konstrukce zobrazené na obr. 1, může mít mechanická část stroje několik dalších podob. Naobr. 3a je znázorněno sériové propojení rotorů a na obr. 3bje schematicky znázorněno paralelní propojení. Tyto další kon-strukce připadají do úvahy v menší míře při využití vynálezu.

Se stejnou součástkovou technologií a životností turbinyje sestrojen stroj podle vynálezu asi pro 400 kW, který bymohl vykazovat 30¾ teplotní účinnost v porovnání s 22% účin-ností u konvenčních konstrukcí jako jsou jednookruhové stroje.Pro rekuperační stroje může být pro porovnání účinnost okolo40 % až 35 %.

Typická konvenční konstrukce v tomto výkonovém rozsahumůže být tvořena jedním rotorem s jednostupnovým kompresorem.Tyto nebývají opatřeny mezistupnovým chladičem. Výsledkem jeto, že požadované průtočné množství a odtud i rekuperátor bu-dou mít o 30 % větší objem.

Uvedené konstrukce vykazuje nejvyšší účinnost mezi 100 kW až 1000 kW. Výkony větší než 1000 kW mohou být rovněž uvažo- 13 vány, ale jejich využití může eventuelně omezovat výrobní ce-na velkých radiálních kol a jim odpovídajících statorů. Na-opak při malých velikostech je výrobní cena malých radiálnícha odstředivých součástí velmi výhodná ve srovnání s produkcíturbodmychadel. Dílčí účinnost těchto typů kol je také veskutečnosti větší než u malých axiálních kompresorů a turbi-nových stupňů.

Dvourotorové stroje jsou obyčejně opatřeny samostatnousilovou turbinou na samostatném hřídeli. Turbohřídel nebo-liturbovrtule Rolls-Hoyce Týne odebírá například výkon z nízko-tlakého rotoru. Jiná takováto známá strojní konstrukce odebí-rá stejné jako daný vynález, výkon z vysokotlakého rotoru. Toto je prováděno se záměrem využít co nejvíce turbiny s radiálním vtokem a tak zužitkovat charakteristickou nižší teplotukovu kol pro získání průměrné spalovací teploty. Z kombinace tohoto řešení s výše zmíněnou výhodou dvou-rotorcvého uspořádání je vidět, že klíčovými faktory pro do-sažení dobré účinnosti jsou potřebná teplota a vyšší kompres-ní poměr.

Vysokotlaký rotor bude v souladu s vynálezem rovněž opatřen odstředivým kompresorem a turbinou s radiálním vtokem.Nízkotlaký rotor může být opatřen buď díly axiálního typu ne-bo díly radiálně odstředivého typu pro pozdější přesnější re-gulaci při nižším pozorovaném výkonu.

Plynová turbina podle vynálezu může mít několik podob,kromě jiných i následující: A) jednookruhový stroj bez mezistupnovéno chladiče nebore kuperá toru 3) jednookruhový stroj s mezistupnovým chladičem se zvý-šeným výstupním výkonem a zlepšenou účinností. Je zdekomplikovanější expanze. Podle žádaných požadavků na 14 kombinaci výkonu a tepla (páry) mčže být s výhodouužita konstrukce A nebo 3 C) stejně jako B, ale s přidáním rekuperátoru. Tento zvy-šuje možnosti při prodeji a bude u verze s rekuperáto-rerc podstatně zvýšena účinnost. Složitost a cena za-řízení s rekuperátorem však budou značné. D) shodně s C, ale s okruhovými součástmi vyrobenými pří-mo pro verzi s rekuperátorem, zhotovenými pro nejvyš-ší možnou účinnost. V případě, že je tato verze bezrekuperátoru, ale s me zi stupňovým. chladičem, neníúčinnost tak dobrá jako v případě 3. Optimální rekupe-rační cyklus je příznivě ovlivněn teplem získaným přizákladním zatížení elektrickým výkonem. Přiklad 1

Pro větší názornost je předmět vynálezu objasněn na kon-krétním případu pro nominální výkon 400 k’.7. V tomto případěbyla navržena dvourotorová plynová turbina s mezistupnovýmchladičem.

Na obr. 4 je znázorněno navržené řešení s účinností 30 %,která může být očekávána při daném jednookruhovém uspořádánís mezistupnovým chladičem se základní výstupní teplotou hořá-ku 1051 °C.

Uvedený okruh je znázorněn na obr. 4 a dále je popsánoužití tohoto stroje pro stroje s a bez rekuperátcru v provede-ní odpovídajícím velmi vhodné tržní pružnosti.

Jestliže je tento obvod zhotoven s rekuperačním okruhem,jednoduchým připojením rekuperátoru do daného strojního vyba-vení s přizpůsobením drobných zm^n, bude výkonnost následující 15 výstupní výkon 37 5 k.V tepelné účinnost 40,1 % Podíly předpokládané pro jednoduchý okruh s mezistupňovým chladičem a rekuperační okruh jsou následuj ící : pracovní kompresní poměr 15/1 nízkotlaká isemtropie 82,8 % vysokotlaká isemtropie 80,4 % pracovní expanzní účinnost celková isemtropie .87,0 % účinnost rekuperátoru 80 % Příklad 2

Za účelem porovnání byl okruh navržený na obr. 4 využitpro případ s nižší výstupní teplotou spalování. Při počátečníužité hodnotě vystupující teploty z hořáku o 50 °G nižší než1051 °0 špičkového řádu bude výsledná účinnost 30,1 % a výkon363 k?/ pro jednoduchý okruh s mezistupňovým chladičem, jest-liže se jednalo v daném případě o stejný stroj. Stejný obvods rekuperačním okruhem vykazuje 38,3 % účinnost a výkon 341 kW.V případě, že bude dodržena základní myšlenka a podstata vy-nálezu, budou tyto výsledky dosahovány při různých variantácha modifikacích výše popsaného tělesného vytvoření podle vvná- z lezu. Účelem tohoto vynálezu je chránit všechny tyto modifika-ce a varianty podle přiložených patentových nároků.

Průmyslová využitelnost

Vysoceúčinnou dvourctorovou plynovou turbinu lze využítnapříklad v energetice, popřípadě v dopravě. / / Z U ( JUDr. Jarmila Traolovó

Claims (13)

1. NÁROKY 16 PATENTOVÉ ΐθ R \rad(&lnS vysoltot/a-bzO

   jící se tím, že obsahuje vysokotlaký rotor s hřídelem opatřeným odstředivým kompre-sorem a turbinou s radiálním vtokem, který vykazuje expanz-ní poměr od 4/1 do 8/1; spojovací prvky pro propojení hřídele s poháněnou vnějšízátěží; spalovací prvky propojené s vysokotlakým rotorem pro převe-dení stlačeného vzduchu z odstředivého kompresoru, pro vy-užití stlačeného vzduchu v hořícím palivu a odvedení plyno-vých spalin do radiálního vtoku turbiny; nízkotlaký rotor s dalším hřídelem opatřeným nízkotlakýmkompresorem a nízkotlakou turbinou, přičemž nízkotlaký ro-tor se otáčí nezávisle na vysokotlakém rotoru a je v pod-statě bez zátěže; první rozvod pro propojení nízkotlakého kompresoru a vyso-kotlakého odstředivého kompresoru mimo jiné pro dodávkypředem stlačeného vzduchu; a druhý rozvod pro propojení vysokotlaké turbiny s radiálnímvtokem s nízkotlakou turbinou mimo jiné pro dodávku částiodváděných plynových spalin.
2. 2. Vysoceúčinná dvourotorová plynová turbina podle bodu 1,vyznačující se tím, že obsahuje mezi-stupňové chladiče propojené s prvním rozvodem pro chlazenípředem stlačeného vzduchu.
3. 3. Vysoceúčinná dvourotorová plynová turbina podle bodu 2,vyznačující se tím, že kompresní pc-měr v nízkotlakém kompresoru je menší nebo shodný s kompresním poměrem ve vysokotlakém odstředivém kompresoru. 17
4. 4. Vysoceúčinná dvourotorová plynová turbina podle bodu 1, 2nebo 3, vyznačující se tím, že jeopatřena rekuperétorem pro odvod tepla ze spalovaného ply-nu odcházejícího z nízkotlaké turbiny a předehřívanéhostlačeného vzduchu vycházejícího z vysokotlakého odstředi-vého kompresoru do spalovacích prvků.
5. 5. Vysoceúčinná dvourotorová plynová turbina podle bodu 1,vyznačující se tí m , že první rozvod adruhý rozvod jsou vestavěny v prvním rotoru a druhém roto-ru a jsou orientovány pod úhlem okolo 90°.
6. 6. Vysoceúčinná dvourotorová plynová turbina podle bodu 1,vyznačující se tím, že spalovací prvkyobsahují kruhový hořák s vnitřním konickým tvarem a s níz-kou tvorbou NO . Jí
7. 7. Vysoceúčinná dvourotorová plynová turbina podle bodu 1,vyznačující se tím, že nízkotlaký kom-presor obsahuje odstředivý kompresor s jedním vstupem anízkotlaká turbina je tvořena axiálně-radiální turbinou.
8. 8. Vysoceúčinná dvourotorová plynová turbina podle bodu 1,vyznačující se tím, že nízkotlaký kom-presor obsahuje odstředivý kompresor s jedním vstupem anízkotlaká turbina je tvořena axiální turbinou.
9. 9. Vysoceúčinná dvourotorová plynová turbina podle bodu 1,vyznačující se tím, že nízkotlaký kom-presor je tvořen axiálním kompresorem a nízkotlaká turbinaje tvořena axiální turbinou.
10. 10. Vysoceúčinná dvourotorová plynová turbina podle bodu 1, vyznačující se tím, že poháněná vnější zátěž je prakticky spojena s hřídelem vysokotlakého rotoru v blízkosti vysokotlakého odstředivého kompresoru. 18
11. 11. Vysoceúčinná dvourotorová plynová turbina podle bodu 1,vyznačující se tím, že stlačený vzduchvedený prvním rozvodem z nízkotlakého kompresoru je di-fundován pouze částečně, a první rozvod je opatřen rozdě-lovacím kusem pro připuštění části difundovaného vzduchu,přičemž rozdělovači kus je opatřen zvětšeným příčným prů-řezem ve směru toku pro další difúzi stlačeného vzduchu.
12. 12. Vysoceúčinná dvourotorová plynová turbina podle bodu 1,vyznačující se tím, že druhý rozvod jeopatřen difuzérem pro připuštění a difúzi části expando-vaných palivových spalin vystupujících z vysokotlaké tur-biny před dodáním plynu do nízkotlaké turbiny.
13. 13· Vysoceúčinná dvourotorová plynová turbina podle bodu 1,vyznačující se tím, že první rozvodje opatřen vypouštěcím ventilem. ? t'Ui