RU2066390C1

RU2066390C1 - Gas turbine

Info

Publication number: RU2066390C1
Authority: RU
Inventors: Виталий Сергеевич Максимов
Original assignee: Виталий Сергеевич Максимов
Priority date: 1991-02-12
Filing date: 1991-02-12
Publication date: 1996-09-10

Abstract

FIELD: power-plant engineering. SUBSTANCE: gas turbine has rotor with shaft carrying disks where radial blades are secured in each of their rims and separated from stator by air gap passing flow of self-igniting gaseous fuel coming from nozzles to blades upon mixing its components in chamber: hydrogen with oxygen or air, paraffin hydrocarbons with oxygen or air; this flow sets rotor and servo mechanism in rotary motion. EFFECT: reduced cost and increased energy output due to simplified design; improved environment orientation and capacity due to increased number of units. 5 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к энергомашиностроению. The invention relates to power engineering.

Известна газовая турбина, состоящая из компрессоров низкого и высокого давления, расположенных последовательно. В корпусе трубчато-кольцевой камеры сгорания находятся жаровые трубы с форсунками, последовательно расположенные турбины осевые высокого и низкого давлений, причем турбина высокого давления с помощью пустотелого вала приводит во вращение осевые компрессоры высокого давления, а турбина низкого давления с помощью вала, проходящего внутри вала турбины высокого давления, вращает компрессор низкого давления. Турбина оснащена воздухозаборником и топливными насосами, которые подключены к аккумулирующим емкостям с топливом. Турбина может содержать регенератор тепла выхлопных газов. Known gas turbine, consisting of low and high pressure compressors arranged in series. In the casing of the tubular-annular combustion chamber there are flame tubes with nozzles, successive axial high and low pressure turbines, the high pressure turbine using the hollow shaft drives the high pressure axial compressors and the low pressure turbine with the shaft passing inside the turbine shaft high pressure, rotates the low pressure compressor. The turbine is equipped with an air intake and fuel pumps, which are connected to storage tanks with fuel. The turbine may include an exhaust heat regenerator.

К недостаткам описанной конструкции относятся следующие: последовательное соединение компрессорных и турбинных агрегатов увеличивает аксиальную длину агрегата, что утяжеляет его за счет корпусных, фундаментных и валопроводных конструкций, требующих при большой длине больших запасов прочности для снижения деформаций; сложная конструкция валопроводов и их большая длина усложняет изготовление, сборку, эксплуатацию и обслуживание турбинного агрегата, вызывают дополнительные вибрации и шумы, что снижает надежность и комфортность эксплуатации; наличие воздухозаборного устройства усложняет конструкцию, удоражает агрегат и вызывает конструкцию, удорожает агрегат и вызывает аэродинамические шумы высокой интенсивности, требующие дорогостоящих устройств шумоглушения, используемое органическое топливо дорого, а ресурсы его на земле невозобновляемы, оно имеет также токсичный выхлоп, загрязняющий атмосферу. The disadvantages of the described construction include the following: the serial connection of compressor and turbine units increases the axial length of the unit, which makes it heavier due to hull, foundation and shaft structures, which require large strength margins for a long length to reduce deformations; the complex design of the shaft shafts and their long length complicates the manufacture, assembly, operation and maintenance of the turbine unit, cause additional vibration and noise, which reduces the reliability and comfort of operation; the presence of an air intake device complicates the design, makes the unit more expensive and causes the structure, makes the unit more expensive and causes high-intensity aerodynamic noises that require expensive sound attenuation devices, the fossil fuel used is expensive, and its resources on the ground are non-renewable, it also has toxic exhaust polluting the atmosphere.

Целью изобретения являются снижение стоимости турбины путем упрощения ее конструкции, повышение энерговыработки турбины путем увеличения ее КПД, повышение экологической чистоты выхлопных газов путем применения регенератора с фильтрующими элементами, повышение экологичности турбины и снижение топливной составляющей эксплуатационных издержек путем использования в качестве топлива самовоспламеняющихся водородно-кислородных или водородно-воздушных смесей; повышение единичной мощности турбины путем увеличения числа ее рабочих блоков. The aim of the invention is to reduce the cost of the turbine by simplifying its design, increasing the energy production of the turbine by increasing its efficiency, increasing the environmental cleanliness of exhaust gases by using a regenerator with filter elements, increasing the environmental friendliness of the turbine and reducing the fuel component of operating costs by using self-igniting hydrogen-oxygen or fuel hydrogen-air mixtures; increasing the unit power of the turbine by increasing the number of its working blocks.

Сущностью изобретения является следующее: выполнение турбинного блока, состоящим из диска рабочего колеса, насаженного на вал и который опирается на подшипники, причем по ободу диска радиально закреплены лопасти, которые отделены по наружному диаметру радиальным воздушным зазором от кольцеобразного статора, в котором по касательной к окружности его внутренней расточки выполнены сквозные отверстия, в которых закреплены сопла, соединенные непосредственно с камерами смешивания топливных самовоспламеняющихся компонент, подводимых в них по топливной арматуре с помощью топливных насосов и дозаторов; материал камер смещения выполнен из жаростойких материалов, обладающих устойчивостью к воздействию водородно-кислородных смесей; материал камер смешения выполнен из жаростойкого материала, устойчивого к воздействию газовых смесей предельноуглеродных с кислородом или воздухом; регенератор при использовании водородно-кислородных или воздушно-воздушных смесей топливных компонент выполняется в виде конденсатора; регенератор при использовании газовых смесей предельных углеводородов с кислородом или воздухом оснащен фильтрующим элементов; повышение мощности газовой турбины осуществляется увеличением числа блоков, скомпанованных на одном валу при установке промежуточных подшипников через 1,5-2 м длины вала турбины. The essence of the invention is the following: the implementation of a turbine block, consisting of an impeller disk mounted on a shaft and which is supported by bearings, with blades radially fixed along the rim of the disk, which are separated by an outer diameter with a radial air gap from the annular stator, in which it is tangential to the circle through-holes are made in its inner bore, in which nozzles are fixed, connected directly to the mixing chambers of fuel self-igniting components supplied to reinforcement of fuel via injection pumps and metering devices; the material of the displacement chambers is made of heat-resistant materials that are resistant to the effects of hydrogen-oxygen mixtures; the material of the mixing chambers is made of heat-resistant material resistant to the effects of gas mixtures of extreme carbon with oxygen or air; the regenerator when using hydrogen-oxygen or air-air mixtures of fuel components is made in the form of a capacitor; when using gas mixtures of saturated hydrocarbons with oxygen or air, the regenerator is equipped with filter elements; increasing the power of a gas turbine is carried out by increasing the number of blocks arranged on one shaft when installing intermediate bearings through 1.5-2 m of the length of the turbine shaft.

На фиг. 1 изображен вид газовой турбины с продольным разрезом одного из блоков; на фиг. 2 поперечное сечение газовой турбины; на фиг. 3 продольный разрез регенератора. In FIG. 1 shows a view of a gas turbine with a longitudinal section of one of the blocks; in FIG. 2 cross section of a gas turbine; in FIG. 3 longitudinal section of the regenerator.

На фиг. 1 представлена газовая турбины 1, содержащая ротор 2 и статор 3, подшипники 4 и 5, регенератор 6. Ротор 2 состоит из вала 7, на котором закреплены диски 8, в ободе 9 каждого из которых закреплены радиальные лопасти 10, отделенные радиальным воздушным зазором 11 от корпуса 12 статора 3, выполненного в виде кольцевого элемента, в котором по касательной выполнены сквозные отверстия 13, в каждом из которых закреплены сопла 14, соединенные проходной частью 15 плавно, аэродинамично с полостями 16 камер 17 смешения, к которым подсоединены топливопроводы 18 и 19, подключенные через дозаторы 20 и 21 к топливным насосам 22 и 23, которые через автоматические запорные вентили 24 и 25 подключены к топливным емкостям с газовыми компонентами. Корпус 12 с торцов закрыт крышками 26 и 27, содержащими выхлопные камеры 28 и 29 и уплотнения 30. Причем выхлопные камеры 28 и 29 соединены трубопроводами с регенератором 6, содержащим корпус 31 с внутренним 32 и наружным 33 оребрениями, торцевые крышки 34 и 35, последняя выполнена со сливным трубопроводом 36. В торцовых крышках 26 и 27 выполнены гидравлические каналы 37 жидкостного охлаждения статора 3. Через 1,5-2,0 м длины корпуса 12 установлены промежуточные подшипники 38. In FIG. 1 shows a gas turbine 1 containing a rotor 2 and a stator 3, bearings 4 and 5, a regenerator 6. The rotor 2 consists of a shaft 7, on which disks 8 are mounted, in the rim 9 of each of which are mounted radial blades 10 separated by a radial air gap 11 from the housing 12 of the stator 3, made in the form of an annular element in which through holes 13 are made tangentially, in each of which nozzles 14 are fixed, connected by the passage 15 smoothly, aerodynamically with the cavities 16 of the mixing chambers 17, to which the fuel lines 18 and 19 are connected , sub li ne through dispensers 20 and 21 to the fuel pumps 22 and 23, which through an automatic shut-off valves 24 and 25 are connected to the fuel tank with the gas components. The housing 12 from the ends is closed by covers 26 and 27, containing exhaust chambers 28 and 29 and seals 30. Moreover, the exhaust chambers 28 and 29 are connected by pipelines to a regenerator 6, comprising a housing 31 with inner 32 and outer 33 fins, end caps 34 and 35, the last made with a drain pipe 36. In the end caps 26 and 27 there are hydraulic channels 37 for liquid cooling of the stator 3. Through 1.5-2.0 m of the length of the housing 12, intermediate bearings 38 are installed.

Корпус 12 статора 3 опирается через лапы 39 на фундаментную плиту 40, установленную на фундаменте 41. В ободе 9 каждого диска 8 ротора 2 выполнено "n" радиальных лопаток 10. В торцовых крышах 26 и 27 выполнены газовыпускные отверстия 42. При использовании газовых смесей предельных углеводородов с кислородом или воздухом в регенераторе установлены фильтрующие элементы 43, а в крышке 34 выполнен выхлопной патрубок 44. The housing 12 of the stator 3 is supported through paws 39 on a foundation plate 40 mounted on the foundation 41. In the rim 9 of each disk 8 of the rotor 2 there are "n" radial blades 10. In the end roofs 26 and 27, gas outlets 42 are made. When using gas mixtures hydrocarbons with oxygen or air in the regenerator filter elements 43 are installed, and in the cover 34 an exhaust pipe 44 is made.

В аккумулирующих емкостях содержатся топливные газообразные компоненты в сжатом виде: водород и кислородом или воздух или газообразные предельные углеводороды и кислород или воздух. Storage tanks contain compressed gaseous fuel components: hydrogen and oxygen or air or gaseous saturated hydrocarbons and oxygen or air.

Газовая турбина работает следующим образом. Gas turbine operates as follows.

Топливные насосы 22 и 23 после открытия вентилей 24 и 25 подают в дозаторы 20 и 21 газообразные топливные компоненты, которые по топливопроводам 18 и 19 поступают из распределительных коллекторов 45 и 46 в камеры 17 смешения, в которых при определенной их концентрации они при смешении самовоспламеняются и через проходные часть 15 истекают из сопл 14, неся кинетическую энергию, пропорциональную кубу скорости истечения газовой смеси из сопла 14. Заряд кинетической энергии передается через зазор 11 на лопатки 10 и за счет давления газовой смеси, которое она оказывает на лопатки 10, последние поворачивают ротор 2 на некоторый угол. При чередовании импульсов подачи газообразных топливных смесей в камеры 17 смешения так, чтобы процессы самовозгорания в отдельных камерах 17 образовывали непрерывный процесс истечения заряда кинетической энергии на лопатки 10 и этим непрерывный равномерный процесс вращения ротора 2, вращающего присоединенный к нему исполнительный механизм: генератор, насос. В регенератор 6 отработанная газовая смесь поступает через выпускные отверстия 42 и трубопроводы 47 из выхлопных камер 28 и 29 и, конденсируясь на ребрах 32 до жидкого состояния (в воду), по сливному трубопроводу 36 поступает в аккумулирующую емкость для использования после очистки на нужды агрегата. При газовых топливных смесях: предельные углеводороды и кислород или воздух, образующаяся в результате реакции окись углерода, очищаются фильтрами 43 и выходят через выхлопной патрубок 44, а вода сливается по трубопроводу 36 в систему водоподготовки. The fuel pumps 22 and 23, after the valves 24 and 25 are opened, supply gaseous fuel components to the dispensers 20 and 21, which through the fuel pipes 18 and 19 come from the distribution manifolds 45 and 46 into the mixing chambers 17, in which, at a certain concentration, they self-ignite when mixed and through the passage part 15, flow out from the nozzles 14, carrying kinetic energy proportional to the cube of the velocity of the gas mixture from the nozzle 14. The charge of kinetic energy is transmitted through the gap 11 to the blades 10 and due to the pressure of the gas mixture, which it points to the blades 10, the latter rotate the rotor 2 at a certain angle. When alternating the pulses of the supply of gaseous fuel mixtures into the mixing chambers 17 so that the spontaneous combustion processes in the individual chambers 17 form a continuous process of the kinetic energy charge flowing out onto the blades 10 and thereby the continuous uniform process of rotation of the rotor 2, rotating the actuator connected to it: generator, pump. The exhaust gas mixture enters the regenerator 6 through the exhaust openings 42 and pipelines 47 from the exhaust chambers 28 and 29 and, condensing on the ribs 32 to a liquid state (into water), enters the storage tank through the drain pipe 36 for use after cleaning for the needs of the unit. For gas fuel mixtures: saturated hydrocarbons and oxygen or air resulting from the reaction of carbon monoxide are cleaned by filters 43 and exit through the exhaust pipe 44, and the water is drained through line 36 into the water treatment system.

По сравнению с прототипом изобретение имеет следующие преимущества: более простая конструкция турбины обеспечивает более высокую надежность эксплуатации, меньшую себестоимость, меньшую массу и габариты; из-за упрощения конструкции турбины повышается ее КПД до 60-70% с 40-50% у прототипа, что обеспечивается за счет меньших внутриагрегативных потерь из-за исключения компрессоров и воздухозаборника; при использовании газовых топливных компонент: предельные углеводороды и кислород или воздух, экономится дорогостоящее невозобновляемое органическое топливо; при использовании в качестве газообразных топливных смесей: водорода и кислорода или воздуха, обеспечивается экономия дорогостоящего невозобновляемого органического топлива и одновременно экологическая чистота; более простая конструкция валопровода турбины обеспечивает меньшие вибрации и более простое техническое обслуживание, что повышает ресурс турбины. Compared with the prototype, the invention has the following advantages: a simpler turbine design provides higher operational reliability, lower cost, lower weight and dimensions; due to the simplification of the design of the turbine, its efficiency increases to 60-70% from 40-50% of the prototype, which is achieved due to lower intra-unit losses due to the exclusion of compressors and air intake; when using gas fuel components: saturated hydrocarbons and oxygen or air, costly non-renewable fossil fuels are saved; when used as gaseous fuel mixtures: hydrogen and oxygen or air, saving expensive non-renewable fossil fuels and at the same time environmental cleanliness; The simpler design of the turbine shafting provides less vibration and easier maintenance, which increases the life of the turbine.

Изобретение может быть использовано в качестве приводного двигателя для генераторов, насосов, компрессоров в стационарных и передвижных энергетических установках и на транспорте. The invention can be used as a drive motor for generators, pumps, compressors in stationary and mobile power plants and in transport.

Claims

1. A gas turbine containing a stator, on the housing of which end shields with seals are fixed, combustion chambers made of heat-resistant material with fuel lines connected to accumulating tanks through metering devices and fuel pumps, and separated from the stator by a radial clearance and mounted on bearings with a rotor on the shaft of which fixed discs with evenly spaced blades, an exhaust pipe and an exhaust product regenerator, characterized in that, in order to reduce cost and increase energy production by simplifying I designs, the stator and the rotor of the gas turbine are divided into blocks, and in the case of each stator block on the outer diameter there are combustion chambers made in the form of mixing chambers of self-igniting components, adapters and nozzles, and holes are made in the end shields and they are equipped with holes installed in the area of the holes exhaust chambers that are connected to the regenerator through the exhaust pipe.

2. The turbine according to claim 1, characterized in that, in order to increase environmental friendliness, the combustion chambers, adapters and nozzles are made of a material resistant to the effects of hydrogen-oxygen mixtures of fuel components.

3. The turbine according to claims 1 and 2, characterized in that, in order to increase efficiency, the regenerator is made in the form of a condenser body with internal and external fins.

4. The turbine according to claims 1 and 3, characterized in that, in order to expand applicability by using a larger number of pairs of gaseous fuel components, the combustion chambers, adapters and nozzles are made of a material resistant to the effects of extremely carbon-oxygen mixtures, and in filters are installed in the regenerator.

5. The turbine according to claims 1 to 4, characterized in that, in order to increase the power of the turbine by increasing the number of blocks over a length of more than 1.5-2.0 m, additional bearings are installed on the rotor.