RU2116481C1

RU2116481C1 - Gas-turbine plant (options)

Info

Publication number: RU2116481C1
Application number: RU96110437A
Authority: RU
Inventors: Борис Хаимович Перельштейн
Original assignee: Борис Хаимович Перельштейн
Priority date: 1996-05-23
Filing date: 1996-05-23
Publication date: 1998-07-27

Abstract

FIELD: fire-fighting equipment. SUBSTANCE: gas-turbine plant has primary circuit incorporating inlet device, gas generator, at least one heat-transfer apparatus for conveying heat to secondary circuit, secondary- circuit fan supplying cooling air to heat-transfer apparatus, and secondary-circuit fan drive turbine. Gas generator has compressor that functions to compress working medium, combustion chamber, and compressor drive turbine. Gas-turbine plant is provided with ejector installed in primary circuit downstream of inlet device and outlet flow separator, one of them being connected to ejector. Heat-transfer apparatus used to convey heat to secondary circuit is installed downstream of gas-generator turbine. Fan drive turbine of secondary circuit is of expansion type. Heat-transfer apparatus conveying heat to secondary circuit may be optionally installed downstream of gas-generator turbine and function as contact-type working- medium cooler in the form of aerothermopressor. EFFECT: provision for producing oxygen-free cold combustion products in commercial scale for fire fighting. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области газотурбостроения и может быть использовано при создании установок для тушения пожаров, включая лесные, газонефтяные, пожаров в зданиях, книгохранилищах, музеях. The invention relates to the field of gas turbine construction and can be used to create installations for extinguishing fires, including forest, gas, oil, fires in buildings, book depositories, museums.

Известны различные устройства тушения пожаров, основным из которых является агрегат для подачи воды. Известны устройства для заранее подготовленных баллонов. Эти способы предполагают наличие достаточного количества воды или инертных газов (Охрана окружающей среды: Справочник./Сост. П.П.Шариков. - Л. : Судостроение, 1978, 560 с.; Русак О.Н., Милохов В.В., Яковлев Ю.А. Защита воздушной среды деревообрабатывающих производств. - М.: Лесная промышленность, 1952, 216 с.). Various fire extinguishing devices are known, the main of which is a water supply unit. Known devices for pre-prepared cylinders. These methods require the presence of a sufficient amount of water or inert gases (Environmental protection: Handbook. / Comp. P.P. Sharikov. - L.: Shipbuilding, 1978, 560 p .; Rusak O.N., Milokhov V.V., Yakovlev Yu.A. Protection of the air environment of woodworking industries. - M.: Forestry, 1952, 216 p.).

Для сравнительного анализа с предлагаемым техническим решением выбрано техническое решение, описанное в статье; Перельштейн Б.Х. Анализ параметров и характеристик ТРДД со ступенчатым подводом тепла. ИВУЗ, Авиационная техника, N 3, 1976. For a comparative analysis with the proposed technical solution, the technical solution described in the article was selected; Perelshtein B.Kh. Analysis of parameters and characteristics of turbofan engines with stepwise heat supply. IVUZ, Aviation equipment, N 3, 1976.

Указанная газотурбинная установка последовательно содержит расположенные в первом контуре входное устройство, газогенератор, состоящий из компрессора для сжатия рабочего тела, камеры сгорания и турбины привода компрессора, по крайней мере один теплообменник для отвода тепла во второй контур, вентилятор второго контура для подачи охлаждающего воздуха в теплообменник, турбину привода вентилятора второго контура. В подобной установке получают на выходе из внутреннего контура горячее рабочее тело с содержанием кислорода. При освоенных степенях повышения давления и температур перед турбинами имеют при одной камере сгорания коэффициент избытка воздуха α = 2,4 (П=25, Тз=1640 К), при двух камерах сгорания порядка α = 1,8 при трех порядка α = 1,2 (из-за относительно высоких температур рабочего тела после компрессора и промежуточного расширения). Температура на выхлопе 700-800 К. The specified gas turbine installation sequentially contains an input device located in the first circuit, a gas generator consisting of a compressor for compressing the working fluid, a combustion chamber and a compressor drive turbine, at least one heat exchanger for heat removal to the second circuit, a second circuit fan for supplying cooling air to the heat exchanger , turbine drive fan of the secondary circuit. In such an installation, a hot working fluid with oxygen content is obtained at the outlet of the internal circuit. With the mastered degrees of pressure and temperature increase in front of the turbines, with one combustion chamber, the coefficient of excess air is α = 2.4 (P = 25, Tz = 1640 K), with two combustion chambers of the order of α = 1.8 for three orders of magnitude α = 1, 2 (due to the relatively high temperatures of the working fluid after the compressor and intermediate expansion). The exhaust temperature is 700-800 K.

Изобретение решает задачу получения в промышленных масштабах на месте катастрофы холодных бескислородных продуктов сгорания - технического инертного газа (в смысле его окислительных свойств - далее по тексту "инертный газ") приемлемых параметров для тушения пожаров непосредственно из наружного воздуха, в том числе и с температурой ниже окружающей среды. The invention solves the problem of obtaining, on an industrial scale, at the site of a catastrophe, cold oxygen-free products of combustion - a technical inert gas (in the sense of its oxidizing properties - hereinafter referred to as "inert gas") of acceptable parameters for extinguishing fires directly from outside air, including those with temperatures below the environment.

Поставленная задача достигается тем, что газотурбинная установка, содержащая расположенные в первом контуре входное устройство, газогенератор, состоящий из компрессора для сжатия рабочего тела, камеры сгорания и турбины привода компрессора, по крайней мере один теплообменник для отвода тепла во второй контур, вентилятор второго контура для подачи охлаждающего воздуха в теплообменник, турбину привода вентилятора второго контура, снабжена эжектором, установленным в первом контуре за входным устройством, разделителем выходных потоков, один из которых соединен с эжектором, причем теплообменник для отвода тепла во второй контур установлен за турбиной газогенератора, а турбина привода вентилятора второго контура выполнена детандерного типа. This object is achieved in that a gas turbine installation comprising an input device located in the first circuit, a gas generator, consisting of a compressor for compressing the working fluid, a combustion chamber and a compressor drive turbine, at least one heat exchanger for heat removal to the second circuit, a second circuit fan for supply of cooling air to the heat exchanger, the turbine of the fan drive of the second circuit, is equipped with an ejector installed in the first circuit behind the input device, the separator of the output streams, dynes of which is connected to the ejector, and a heat exchanger for removing heat to the second circuit is set for the gas generator turbine, and the turbine of the second loop formed expander type fan drive.

Поставленная задача достигается тем, что газотурбинная установка, содержащая входное устройство, газогенератор, состоящий из компрессора для сжатия рабочего тела, камеры сгорания и турбины привода компрессора, по крайней мере один теплообменник для отвода тепла во второй контур, снабжена эжектором, установленным за входным устройством, разделителем потоков, один из которых соединен с эжектором, причем теплообменник установлен за турбиной газогенератора и выполнен как контактный холодильник рабочего тела в виде аэротермопрессора. Газотурбинная установка отличается тем, что она снабжена вентилятором и турбиной его привода. This object is achieved in that the gas turbine installation comprising an input device, a gas generator, consisting of a compressor for compressing the working fluid, a combustion chamber and a compressor drive turbine, at least one heat exchanger for removing heat into the second circuit is equipped with an ejector installed behind the input device, a flow separator, one of which is connected to the ejector, the heat exchanger being installed behind the gas generator turbine and made as a contact cooler of the working fluid in the form of an air-thermal compressor. A gas turbine installation is characterized in that it is equipped with a fan and a drive turbine.

На фиг. 1, 2, 3 показаны схемы вариантов газотурбинной установки. In FIG. 1, 2, 3 show diagrams of options for a gas turbine installation.

Газотурбинная установка по фиг. 1 включает входное устройство 1, эжектор 2, газогенератор 3, который состоит из компрессора 4, камеры сгорания 5 и турбины привода компрессора 6. Устройство последовательно включает теплообменник 7, турбину детандерного типа 8, вентилятор 9 второго контура 13, разделитель потока (например, регулируемый) 10, сопло выхлопа инертного газа 11, газовод выхлоп-эжектор 12 и выхлоп 14. The gas turbine installation of FIG. 1 includes an input device 1, an ejector 2, a gas generator 3, which consists of a compressor 4, a combustion chamber 5 and a compressor drive turbine 6. The device sequentially includes a heat exchanger 7, an expander type turbine 8, a fan 9 of the second circuit 13, a flow separator (for example, adjustable ) 10, an inert gas exhaust nozzle 11, a gas outlet exhaust ejector 12 and an exhaust 14.

Газотурбинная установка по фиг. 2 включает входное устройство 1, эжектор 2, газогенератор 3, который состоит из компрессора 4, камеры сгорания 5 и турбины привода компрессора 6. Устройство последовательно включает контактный теплообменник, выполненный в виде аэротермопрессора 15 с водяными форсунками 16, разделитель потока (например, регулируемый) 10, сопло выхлопа инертного газа 11, газовод выхлоп-эжектор 12. The gas turbine installation of FIG. 2 includes an input device 1, an ejector 2, a gas generator 3, which consists of a compressor 4, a combustion chamber 5, and a compressor drive turbine 6. The device sequentially includes a contact heat exchanger made in the form of an air-thermal compressor 15 with water nozzles 16, a flow separator (for example, adjustable) 10, the inert gas exhaust nozzle 11, the exhaust gas ejector 12.

Газотурбинная установка по фиг. 3 включает входное устройство 1, эжектор 2, газогенератор 3, который состоит из компрессора 4, камеры сгорания 5 и турбины привода компрессора 6. Устройство последовательно включает контактный теплообменник, выполненный в виде аэротермопрессора 15 с водяными форсунками 16, турбину детандерного типа 8, вентилятор 9 второго контура 13, разделитель потока (например, регулируемый) 10, сопло выхлопа инертного газа 11, газовод выхлоп-эжектор 12 и выхлоп 14. The gas turbine installation of FIG. 3 includes an input device 1, an ejector 2, a gas generator 3, which consists of a compressor 4, a combustion chamber 5, and a compressor drive turbine 6. The device sequentially includes a contact heat exchanger made in the form of an air heat compressor 15 with water nozzles 16, an expander type turbine 8, fan 9 the second circuit 13, a flow splitter (for example, adjustable) 10, an inert gas exhaust nozzle 11, an exhaust gas ejector 12 and an exhaust gas 14.

Наружный воздух (фиг. 1) поступает во входное устройство 1, смешивается (с увеличением количества движения) с холодным рабочим телом, отобранным из-за турбины детандерного типа 8, и поступает на основной газогенератор. В процессе работы (после запуска) часть рабочего тела, отобранная из-за турбины детандерного типа, уже не содержит в себе кислорода и процесс выгорания топлива идет только за счет свежего воздуха, поступающего во входное устройство. Например, при допустимой с точки зрения прочности турбины температуре 1640 К и подмешивании 60% бескислородного рабочего тела получаем в камере сгорания коэффициент избытка воздуха, равный единице. Далее бескислородное рабочее тело расширяется на турбине газогенератора 6 и поступает (по крайней мере на один) теплообменник 7 и далее на турбину детандерного типа 8, которая нагружена вентилятором 9, на который поступает охлаждающий воздух из входного устройства второго контура 13. Нагретый воздух подается на выхлоп второго контура. Холодный инертный газ после разделителя потоков 10 одной частью поступает через коммуникацию 12 в эжектор 2 и другой частью на сопло выхлопа инертного газа 11. Далее подается струей или по коммуникациям (шлангам) к месту катастрофы. External air (Fig. 1) enters the inlet 1, mixes (with an increase in the amount of movement) with a cold working fluid, selected from the turbine of the expander type 8, and enters the main gas generator. In the process of work (after start-up), the part of the working fluid, selected due to the turbine of the expander type, no longer contains oxygen and the process of burning fuel is only due to fresh air entering the inlet device. For example, at a temperature of 1640 K, acceptable from the point of view of turbine strength and mixing 60% of an oxygen-free working fluid, we obtain in the combustion chamber a coefficient of excess air equal to unity. Next, the oxygen-free working fluid expands on the turbine of the gas generator 6 and enters (at least one) the heat exchanger 7 and then to the turbine of the expander type 8, which is loaded with a fan 9, which receives cooling air from the input device of the second circuit 13. Heated air is supplied to the exhaust second circuit. The cold inert gas after the flow separator 10 is fed in one part through the communication 12 to the ejector 2 and the other part to the inert gas exhaust nozzle 11. Then it is delivered by stream or via communications (hoses) to the accident site.

В ГТУ по фиг. 2 рабочее тело после турбины газогенератора 6 поступает на контактный теплообменник 15, куда подается вода из форсунок 16. Дальнейшая работа подобна ГТУ по фиг. 1. In the gas turbine engine of FIG. 2, the working fluid after the turbine of the gas generator 6 enters the contact heat exchanger 15, where water is supplied from the nozzles 16. Further work is similar to the gas turbine in FIG. one.

В ГТУ по фиг. 3 рабочее тело после турбины газогенератора 6 поступает на контактный теплообменник 15, куда подается вода из форсунок 16, далее на турбину детандерного типа 8 (холодная турбина, обязателен прогрев для недопущения ледообразования в проточной части), которая приводит вентилятор 9 второго контура 13. Сам вентилятор второго контура является, как правило, балластной нагрузкой на турбину 8. Не исключен надув первого контура (не показано). In the gas turbine engine of FIG. 3, the working fluid after the gas generator turbine 6 enters the contact heat exchanger 15, where water is supplied from the nozzles 16, then to the expander type turbine 8 (cold turbine, heating is required to prevent ice formation in the flow part), which leads the fan 9 of the second circuit 13. The fan itself the second circuit is, as a rule, the ballast load on the turbine 8. Inflation of the primary circuit (not shown) is not ruled out.

По всем параметрическим решениям ГТУ не исключается получение рабочего тела при коэффициенте избытка воздуха 1,05-1,1 и выше, с температурой порядка от минус 20^oC до плюс 30^oC (последнее относится к ГТУ по фиг. 2), избыточном давлении 0,15 - 0,4 МПа и др. Все определяется базовым двигателем. Не исключается прямая подача при лесном пожаре и с подачей инертного газа к месту катастрофы при температуре выше 2-3^oC в стандартных пожарных шлангах. По изобретению (фиг. 1) можно производить мобильные, включая разборные, установки на базе малых газотурбинных двигателей с производительностью 0,5 - 3 кг/с и др., вплоть до 20 - 25 кг/c бескислородного газа.For all the parametric decisions of the gas turbine, it is possible to obtain a working fluid with an excess air coefficient of 1.05-1.1 and higher, with a temperature of the order of minus 20 ^o C to plus 30 ^o C (the latter refers to the gas turbine in Fig. 2), overpressure 0.15 - 0.4 MPa, etc. Everything is determined by the base engine. It is not excluded that the direct supply in case of a forest fire and with the inert gas supply to the accident site at a temperature above 2-3 ^o C in standard fire hoses. According to the invention (Fig. 1) it is possible to produce mobile, including collapsible, installations based on small gas turbine engines with a capacity of 0.5 - 3 kg / s and others, up to 20 - 25 kg / s of oxygen-free gas.

Для технико-экономической оценки можно ограничиться следующим. За год на земном шаре выгорает лесов примерно на 10 млрд. долл. Горят нефтяные скважины, библиотеки, картинные галереи, дома. При создании установок для тушения подобных пожаров может быть применена предлагаемая газотурбинная установка. For a feasibility study, we can limit ourselves to the following. About 10 billion dollars of forests are burned out over the globe per year. Oil wells, libraries, art galleries, and houses are burning. When creating installations for extinguishing such fires, the proposed gas turbine installation can be applied.

Claims

1. A gas turbine installation comprising an input device located in the first circuit, a gas generator, consisting of a compressor for compressing the working fluid, a combustion chamber and a compressor drive turbine, at least one heat exchanger for removing heat to the second circuit, a second-circuit fan for supplying cooling air to a heat exchanger, a turbine drive fan of the second circuit, characterized in that the installation is equipped with an ejector installed in the first circuit behind the input device, the separator of the output streams, one of otorrhea connected to the ejector, and a heat exchanger for removing heat to the second circuit is set for the gas generator turbine, and the turbine of the second loop formed expander type fan drive.

2. A gas turbine installation comprising an input device, a gas generator consisting of a compressor for compressing the working fluid, a combustion chamber and a compressor drive turbine, at least one heat exchanger for removing heat into the second circuit, characterized in that the installation is equipped with an ejector installed behind the input device , a separator of the output streams, one of which is connected to the ejector, the heat exchanger installed behind the turbine of the gas generator and made as a contact cooler of the working fluid in the form of an air-pressure compressor.

3. Installation according to claim 2, characterized in that it is equipped with a fan and a turbine of its drive.