PL120655B1 - Gas turbine - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest turbina gazowa, a zwlaszcza turbina gazowa o mocy w zakresie 6.000—-10.000 KW posiadajaca wieloczesciowa obu¬ dowe, w której zamocowane sa na wspólosiowych walach turbina i kompresor odsrodkowy.Podobne turbiny gazowe sa znane lecz dla mocy nizszej od wspomnianego zakresu.Dotychczasowe wysilki czynione dla ulepszenia calkowitej wydajnosci turbin ograniczaly sie jedy¬ nie do ulepszen w zamknietym cyklu procesu i nie umozliwily, jak dotychczas, uzyskania turbi¬ ny dla jej zastosowania w niskim zakresie produ¬ kcji energii.Celem wynalazku bylo rozszerzenie zakresu za¬ stosowania turbiny gazowej przez skonstruowanie turbiny gazowej, szczególnie dla tak niskiego za¬ kresu mocy jaki dotychczas posiadaly tylko silniki spalinowe o stopniu sprawnosci 40% i wiecej.Cel wynalazku zostal osiagniety przez to, ze tur¬ bina gazowa, w szczególnosci o mocy 6.000 do 10.000 KW posiadajaca dwuczesciowa obudowe i odsrodkowy kompresor, ma jednostopniowa tur¬ bine zamocowana na tym samym wale, na którym jest zamocowany kompresor oraz dwustopniowa turbine zamocowana na oddzielnym zewnetrznym wale.Przy wylocie turbin jest umieszczony kociol pa¬ rowy. Turbina ma zamkniety cykl pary zlozony z kotla parowego, turbiny parowej, kondensatora oraz pompy wymuszajacej obieg. Tunbina ma wy- 10 15 miennik ciepla ustawiony przy wylocie dwustop¬ niowej turbiny.Ten wymiennik ciepla wchodzi w sklad cyklu obejmujacego obieg czynnika o niskiej tempera¬ turze parowania w zamknietym ukladzie zlozonym z wymiennika ciepla, turbiny expansywnej, kon¬ densatora i pompy. Turbina ma posredni cykl obiegu czynnika, korzystnie wody, w zamknietym ukladzie zlozonym z wymienników ciepla i obie¬ gowej pompy.Wykorzystanie posredniej chlodnicy sprezonego powietrza powoduje zmniejszenie zapotrzebowania mocy kompresora. Dlatego tez wystarczajacym sta¬ je sie zastosowanie do napedu kompresora jedno- stopniowej turbiny o odpowiednio dobranej mocy.Bez zastosowania posredniej chlodnicy sprezonego powietrza konieczne byloby zastosowanie turbiny wielostopniowej. Turbina jednostopniowa wymaga mniejszej ilosci powietrza chlodzacego, niz turbina wielostopniowa co ma dodatni wplyw na moc wyj¬ sciowa urzadzenia.Posrednia chlodnica obniza temperature powie¬ trza wchodzacego do drugiego stopnia kompresora do okolo 150°C oraz umozliwia odprowadzenie wiekszej ilosci ciepla z gazów^wylotowych turbiny do powietrza dostarczanego przez kompresor.Dzieki regeneratorowi kompensowana jest podat¬ kowa ilosc paliwa potrzebna do podgrzania powie- 30 trza do temperatury wlotu turbiny. W takim przy- 25 120 655120 655 3 padku mówi sie o cyklu „Vregenerotywnymz chlo¬ dzeniem posrednim".W urzadzeniu wedlug wynalazku za jednostop- niowa turbina osiowa umieszczone sa dwa kolejne stopnie turbiny.W wyniku zastosowania takiej konfiguracji uzy¬ skano poprawny kszitalt przejscia pomiedzy pierw¬ sza, a druga turbina przy jednoczesnym uzyskaniu wystarczajacej ilosci miejsca za ostatnia turbina umozliwiajacego umieszczenie dyfuzora zmniejsza¬ jacego do minimum straty energii przy wylocie gazów.Rozwiazanie wedlug wynalazku mozliwe jest do zrealizowania na wale pojedynczym. W przedsta¬ wionym ponizej korzystnym przykladzie wykonania turbiny wedlug wynalazku zastosowano dwa waly, przy czyim na jednym z nich zamocowany jest kompresor i jednostopniowa turbina, a na dru¬ gim pozositale stopnie turbiny.Moc wyjsciowa urzadzenia mozna podniesc przez zastosowanie polaczonego z cyklem regene¬ racyjnym tak zwanego cyklu wykanczajacego na przyklad cyklu RANKINE. Takie rozwiazanie jest szczególnie korzystne, przy wytwarzaniu energii mechanicznej z ciepla przy niskiej temperaturze lub tez, aby zmniejszyc straty ciepla w gazach wy¬ lotowych turbiny i w posredniej chlodnicy kom¬ presora. W cyklu RANKINE sprezanie czynnika do fazy cieklej i rozprezanie do fazy gazowej na¬ stepuje w ukladzie zamknietym.Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przy¬ kladzie jego wykonania na rysunku, na którym fig. 1 — przedstawia turbine gazowa w przekroju wzdluznym, fig. 2 — turbine gazowa z chlodnica posrednia chlodzona woda, w widoku perspekty¬ wicznym, fig. 3 — turbine gazowa z chlodnica posrednia chlodzona powietrzem, w widoku per¬ spektywicznym, fig. 4 — przyklad turbiny gazowej wedlug wynalazku, fig. 5 — inny przyklad wy¬ konania turbiny wedlug wynalazku, fig. 6 — dal¬ szy przyklad wykonania turbiny wedlug wyna¬ lazku, fig. 7 i 8 — wykres przedstawiajacy efek¬ tywnosc zastosowania chlodzenia posredniego w kompresorze dwustopniowym.Turbina wedlug wynalazku zawiera obudowe 1 i obudowe 2 kompresora, z których kazda jest wykonana z pewnej ilosci mniejszych elementów.Pomiedzy obudowa 1 i obudowa 2 kompresora jest umieszczona rurowa czesc posrednia 3. Kazda z obudów 1 i 2 sa umocowane oddzielnie. Wewnatrz obudowy 1 turbiny umieszczona jest na osi jed¬ nostopniowa turbina 4 natomiast wewnatrz obu¬ dowy 2 umieszczony jest dwustopniowy odsrodko¬ wy kompresor 5. Za turbina 4 ustawione sa dwa kolejne stopnie 6 i 7 turbiny. Wirnik turbiny dwu¬ stopniowej 6 i 7 zamocowany jest na wale 8. Wir¬ nik 9 jednostopniowej turbiny 4 jest zamocowany wraz z kompresorem 5 na wielosekcyjnym wale 10.Lewa czesc walu 10 jest podparta w lozyskach 11 natomiast prawa czesc walu podparta jest na lo¬ zyskach 12.Turbina 4 ma pierstieniowa komore spalania 13 zawierajaca pewna ilosc (przykladowo szesnascie) dysz 14. Powietrze z kompresora 5 doprowadzane jest poprzez element posredniczacy 3 i wchodzi do wnetrza obudowy 1 turbiny przez pewna ilosc (jprzykladowo cztery) ustawionych promieniowo wlotów 15 prowadzacych do komory spalania 13.Obudowa 1 turbiny ma pewna ilosc otworów 16. 5 Pomiedzy wirnikieni 9 turbiny 4, a nastepnym stopniem 6 turbiny jest umieszczony segment przej¬ sciowy 17, podczas gdy za stopniem 7 turbiny umieszczony jest wylotowy dyfuzor 18. Wirniki stopni 6 i 7 turbany podtrzymywane sa, przy kon- io cach walu 8, za pomoa lozysk 19 i 20. Lozysko 20 (fig. 1) jest lozyskiem promieniowo-osiowym. Po¬ dobnie, co najmniej jedno z lozysk 11 i 12 pod¬ trzymujacych kazda z czesci walu 10 jest lozys¬ kiem promieniowo-osiowym. 15 Kompresor 5 sklada sie z jednostopniowego, dwustronnego stopnia 21, niskocisnieniowego, któ¬ rego wirnik umocowany jest na lewej czesci walu 10, na której umocowany jest równiez wirnik wy¬ sokocisnieniowego stopnia 22 kompresora. Wielo 20 sekcyjny wal 10 podparty jest w lozyskach 11 i 12, w róznych punktach, przy czym niektóre z tych lozysk moga przenosic sily osiowe. Wal 10 usta¬ wiony jest w jednej osi z walem 8 stopni 6 i 7 turbiny. 25 Turbina ma umieszczona w podstawie 24 (fig. 2) posrednia chlodnice 23 tisnieniowa, chlodzaca sprezone powietrze. Rozwiazanie takie przeznaczo¬ ne jest dla zastosowan jest woda chlodzaca. 30 Regenerator 25, uwidoczniony na rysunku sche¬ matycznie, jest umieszczony pomiedzy wylotem 26 stopni 4, 6 i 7 turbiny oraz przewodem 27 lacza¬ cym stopien 22 kompresora z wlotem 15.Ponadto, na figurze 2 pokazany jest silnik roz- 35 ruchowy 28, oraz pewna ilosc chlodnic oleju sma¬ rujacego.W przykladzie* wykonania przedmiotu wynalazku, przedstawionym na fig. 3, zastosowano powietrzna, chlodnice 30 sprezonego powietrza. Ze wzgledu 40 na jasnosc rysunku nie zostal pokazany regenera¬ tor. Ten przyklad wykonania przedmiotu wyna¬ lazku jest odpowiedni dla zastosowan w miejscach, gdzie nie ma wody chlodzacej, jak na przyklad na terenach pustynnych. 45 Turbina wedlug wynalazku umozliwia osiagnie¬ cie duzej sprawnosci wyjsciowej. Jest to mozliwe po pierwsze dzieki wykorzysitaniu posredniej chlo¬ dnicy cisnieniowej 23 i 30, wspólpracujacej z re¬ generatorem 25 (fig. 4—6), a po drugie dzieki 50 wprowadzeniu jednostopniowej turbiny osiowej 4 o korzystnej wydajnosci osiagnietej przez zastoso¬ wanie chlodnicy posredniej.Przy braku chlodzenia posredniego koniecznym byloby wykorzystanie turbiny wielostopniowej. 55 Turbina jednostopniowa wymaga mniejszej ilosci powietrza chlodzacego, niz turbina wielostopniowa, w rezultacie czego korzystnie wzrasta sprawnosc turbiny. Ponadto, w turbinie wedlug wynalazku rozwiazanie takie jest szczególnie korzystne, z tego w wzgledu, ze stosunek miedzy iloscia powietrza za¬ sysanego i moca turbiny jest mniejszy niz w wie¬ kszosci znanych turbin tego typu.W celu podniesienia sprawnosci turbiny, mozli¬ we jest polaczenie cyklu chlodzenia posredniego w z tak zwanym cyklem wykanczajacym, korzystnie120 655 z cyklem RANKINE. Obejmuje on zamkniety sy¬ stem zlozony z wymiennika ciepla 32, turbiny ekspansywnej 33, kondensora 34 i pompy 39 pra¬ cujacych z czynnikiem o niskiej temperaturze pa¬ rowania, przykladowo z freonem.W przykladzie wykonania przedstawionym na fig. 6, zastosowano dodatkowy obieg wody prze¬ chodzacej przez wymiennik ciepla 38 i posrednia chlodnice 23, dostarczajacej odebrane cieplo po¬ przez wymiennik ciepla 32 do czynika obiegowego w cyklu RANKINE. Obieg wody wymuszony jest pompa 39.Dalsza korzyscia wynikajaca z takiego rozwiaza¬ nia jest to, ze czynnik obiegowy w cyklu RANKI¬ NE nie styka sie bezposrednio z goracymi cze¬ sciami turbiny gazowej, co ma duzy wplyiw na bez¬ pieczenstwo. W pewnych okolicznosciach korzyst¬ nym moze byc zastosowanie cyklu obiegu pary w zamknietym ukladzie zlozonym z kotla parowego 35 turbiny parowej 36 (fig. 5). W takim przypadku nie stosuje sie regeneratora.Figura 7 i 8 ilustruja korzysci mozliwe do osiag¬ niecia dzieki wykorzystaniu posredniej'* fchiodnicy 23 lub 30, umieszczonej pomiedzy stdpndami 21 i 22 kompresora 5. Zakreskowane pole wykresu na fig. 7 pokazuje ilosc ciepla zawarta w gazach wy¬ lotowych mozliwa do odzyskania przez podniesie¬ nie temperatury sprezonego powietrza przed spa¬ laniem. Przez zastosowanie chlodzenia posredniego dysponuje sie wieksza iloscia ciepla. Cieplo do¬ starczane do posrednich chlodnic 23, 29 (fig. 6) moze byc równiez wykorzystane w cykju obdegu wody pomiedzy wymiennikami ciepla 32 i 38.Dzieki mozliwosci zastosowania gazu o wysokiej temperaturze na wejsciowej stronie stopnia 4 t\fr- biny osiaga sie wyzsza sprawnosc (fig. 8). W re¬ zultacie zastosowania chlodzenia posredniego w kompresorze 5, moc konieczna do napedu kom¬ presora moze byc dostarczana przez jednostopnio- wa turbine 4 w wyniku czego, stopnie 6 i 7 turbi¬ ny moga w calosci przekazywac swoja moc na 10 wal 8. Korzystnym jest równiez, ze lozyska 19 i 20 walu 8 turbiny umieszczone sa we wzglednie chlodnej czesci turbiny.Turbina gazowa wedlug wynalazku znajduje naj¬ czesciej korzys-tne zastosowanie w napedzie kom¬ presorów gazu, napedzie pomp i kompresorów do produkcji nafty i gazu, wytwarzanaa elektrycz¬ nosci, w napedzie statków.Zastrzezenia patentowe 1. Turbina gazowa, w szczególnosci o mocy 6.000 KW do 10.000 KW, posiadajaca wieloczescao- wa obudowe i odsrodkowy kompresor, zamocowa¬ ne na ustawionych w jednej linii walach, przy 15 czym kompresor ma posrednia chlodnice, a pola¬ czenie pomiedzy kompresorem i turbina ma wy¬ miennik ciepla z wylotem turbiny, znamienna tym, ze jednostopniowa turbina (4) jest zamocowana na tym samym wale (10), na którym jest zamocowa- 30 „ ny kompresor (5), zas dwustopniowa turbina (6, 7) jest zamocowana na oddzielnym zewnetrznym wale (8). 2. Turbina wedlug zastrz. 1, znamienna tym, ze przy wylocie turbin (6 i 7) ma umieszczony ko- » ciol parowy (35). 3. Turbina wedlug zastrz. 2, znamienna tym, ze ma zamkniety cykl pary, zlozony z kotla paro¬ wego (35), turbiny parowej (36), kondensora (37) oraz wymuszajacej obieg pompy (39). 30 4. Turbina wedlug zastrz. 1, znamienna tym, ze ma ustawiony przy wylocie turbin (6 i 7) wymien¬ nik ciepla (38) wchodzacy w sklad cyklu obejmuja¬ cego obieg czynnika o niskiej temperaturze paro¬ wania w zamknietym ukladzie zlozonym z wymien- 35 nika ciepla (32), turbiny expansywnej (33), konden¬ sora (34) i pompy(39). \ 5. Turbina wedlug zastrz. 4, znamienna tym, ze ma posredni cykl obiegu czynnika, korzystnie wody, w zamknietym ukladzie zlozonym z wy- 40 mdenników ciepla (23, 32, 38) i obiegowej pompy (39).120 655120 655 « tf* ^23,30 ^-±-* ^* 38-\t 32. :ljt~ ^ 33 "Vi Ffe , <£_£*; r 3,30^- f" z-io-.-b;120 655 T--7- ±-za-:a.Drukarnia Narodowa, Zaklad nr 6, 144/83 Cena 100 zl PL PL PL

Claims (5)

1.Zastrzezenia patentowe 1. Turbina gazowa, w szczególnosci o mocy 6.000 KW do 10.000 KW, posiadajaca wieloczescao- wa obudowe i odsrodkowy kompresor, zamocowa¬ ne na ustawionych w jednej linii walach, przy 15 czym kompresor ma posrednia chlodnice, a pola¬ czenie pomiedzy kompresorem i turbina ma wy¬ miennik ciepla z wylotem turbiny, znamienna tym, ze jednostopniowa turbina (4) jest zamocowana na tym samym wale (10), na którym jest zamocowa- 30 „ ny kompresor (5), zas dwustopniowa turbina (6, 7) jest zamocowana na oddzielnym zewnetrznym wale (8).

2. Turbina wedlug zastrz. 1, znamienna tym, ze przy wylocie turbin (6 i 7) ma umieszczony ko- » ciol parowy (35).

3. Turbina wedlug zastrz. 2, znamienna tym, ze ma zamkniety cykl pary, zlozony z kotla paro¬ wego (35), turbiny parowej (36), kondensora (37) oraz wymuszajacej obieg pompy (39). 30

4. Turbina wedlug zastrz. 1, znamienna tym, ze ma ustawiony przy wylocie turbin (6 i 7) wymien¬ nik ciepla (38) wchodzacy w sklad cyklu obejmuja¬ cego obieg czynnika o niskiej temperaturze paro¬ wania w zamknietym ukladzie zlozonym z wymien- 35 nika ciepla (32), turbiny expansywnej (33), konden¬ sora (34) i pompy(39). \

5. Turbina wedlug zastrz. 4, znamienna tym, ze ma posredni cykl obiegu czynnika, korzystnie wody, w zamknietym ukladzie zlozonym z wy- 40 mdenników ciepla (23, 32, 38) i obiegowej pompy (39).120 655120 655 « tf* ^23,30 ^-±-* ^* 38-\t 32. :ljt~ ^ 33 "Vi Ffe , <£_£*; r 3,30^- f" z-io-.-b;120 655 T--7- ±-za-:a. Drukarnia Narodowa, Zaklad nr 6, 144/83 Cena 100 zl PL PL PL