RU2272916C2

RU2272916C2 - Steam-gas turbine plant

Info

Publication number: RU2272916C2
Application number: RU2004108597/06A
Authority: RU
Inventors: Владимир Леонидович Письменный (RU); Владимир Леонидович Письменный
Original assignee: Владимир Леонидович Письменный
Priority date: 2004-03-22
Filing date: 2004-03-22
Publication date: 2006-03-27
Also published as: RU2004108597A

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: working medium in proposed steam-gas turbine plant is mixture of combustion products and steam formed in mixing chamber before steam-gas turbine. Combustion products are formed in combustion chamber located after compressor, and steam is formed in heat exchanger-evaporator located after steam-gas turbine. Flow rate of steam is not less than 15% of flow rate of gas. Thermal efficiency of steam-gas turbine plant does not exceed 60%.

EFFECT: possibility of creating aircraft engine on base of steam-gas turbine plant 3-4 times exceeding shaft-turbine engines and turboprop engines by specific power and 2-3 times, by economy.

3 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к энергетикеThe invention relates to energy

Назначением тепловых машин является преобразование энергии топлива в полезную работу. Отношение полезной работы, производимой машиной, к количеству тепла, выделяющемуся при полном сгорания топлива, называется эффективным кпд тепловой машины η_е. Повышение эффективного кпд тепловых машин является важной народнохозяйственной задачей и целью настоящего изобретения.The purpose of heat engines is to convert fuel energy into useful work. The ratio of the useful work produced by the machine to the amount of heat released during complete combustion of the fuel is called the effective efficiency of the heat engine η _e . Improving the efficiency of heat engines is an important national economic task and the aim of the present invention.

В газотурбинных установках (ГТУ) затраты энергии на собственные нужды составляют значительную долю полезной работы установки. Эта доля зависит от значения удельной энтальпии рабочего тела перед турбиной и уменьшается с ростом последней. Повышение теплосодержания рабочего тела путем увеличения температуры ограничивается возможностями охлаждения рабочих лопаток турбины, которые позволяют иметь температуру газа не более 1600÷1800 К для ГТУ, использующих керосин, и не более 1900÷2000 К для ГТУ, использующих жидкий водород. Другой путь состоит в применении рабочего тела с большей энтальпией. В ГТУ эта цель достигается использованием в качестве рабочего тела одновременно с газообразными продуктами сгорания второго рабочего тела, приводящего к увеличению общего теплосодержания. Таким рабочим телом может быть обычная вода, обладающая, как известно, значительной удельной энтальпией. Установки, в которых рабочим телом является смесь продуктов сгорания и водяных паров, получили название парогазовых установок (Вукалович М.П., Новиков И.И. Техническая термодинамика. М: Энергия, 1968 г., стр.462, рис.14-49). Недостатком парогазовых установок является то, что при смешении воды с продуктами сгорания поглощается большое количество энергии, что ведет к снижению к.п.д. установки.In gas turbine units (GTU), energy costs for own needs make up a significant share of the unit's useful work. This fraction depends on the specific enthalpy of the working fluid in front of the turbine and decreases with the growth of the latter. The increase in the heat content of the working fluid by increasing the temperature is limited by the cooling capabilities of the turbine blades, which allow a gas temperature of not more than 1600 ÷ 1800 K for gas turbines using kerosene, and not more than 1900 ÷ 2000 K for gas turbines using liquid hydrogen. Another way is to use a working fluid with a higher enthalpy. In GTU, this goal is achieved by using a second working fluid simultaneously with the gaseous products of combustion as a working fluid, leading to an increase in the total heat content. Such a working fluid can be ordinary water, which, as is known, has a significant specific enthalpy. Installations in which the working fluid is a mixture of combustion products and water vapor are called combined-cycle plants (Vukalovich MP, Novikov II Technical Thermodynamics. M: Energy, 1968, p. 462, p. 14-49 ) The disadvantage of combined cycle plants is that when water is mixed with combustion products, a large amount of energy is absorbed, which leads to a decrease in efficiency installation.

Известна газопаротурбинная установка (Дикий Н.А. Судовые газопаротурбинные установки. Л: Судостроение, 1978, с.913, рис.4), содержащая входное устройство, компрессор, камеру сгорания, камеру смешения, турбину привода компрессора, свободную турбину, теплообменник, расположенный за свободной турбиной и соединенный с одной стороны с источником рабочего тела - жидкостью (вода), а с другой стороны с камерой смешения и выходное устройство. Наличие теплообменника позволяет обеспечить регенеративный теплообмен с выхлопными газами и тем самым уменьшить затраты энергии, связанные с испарением воды в камере смешения.Known gas and steam turbine installation (Wild N.A. Ship gas and steam turbine installations. L: Shipbuilding, 1978, p.913, Fig. 4), containing an input device, a compressor, a combustion chamber, a mixing chamber, a compressor drive turbine, a free turbine, a heat exchanger located behind a free turbine and connected on one side with the source of the working fluid - liquid (water), and on the other hand with the mixing chamber and the output device. The presence of a heat exchanger allows for regenerative heat exchange with exhaust gases and thereby reduce the energy costs associated with the evaporation of water in the mixing chamber.

Сущность изобретения состоит в том, что жидкость (вода) в количестве не менее 15% от расхода воздуха, проходящего через компрессор, подается в теплообменник - испаритель, расположенный за турбиной, где указанная вода испаряется, превращаясь в перегретый пар. Перегретый пар и горячий газ, образующийся в камере сгорания, смешиваются перед турбиной. В результате теплосодержание (энтальпия) рабочего тела увеличивается без затрат химической энергии топлива на испарение веды. Возможность технической реализации установки определяется совокупностью рабочих параметров: коэффициент избытка воздуха в камере сгорания не более 3,0; степень сжатия воздуха в установке не менее 25.The essence of the invention lies in the fact that the liquid (water) in an amount of not less than 15% of the flow rate of air passing through the compressor is supplied to a heat exchanger - evaporator located behind the turbine, where the specified water evaporates, turning into superheated steam. Superheated steam and hot gas generated in the combustion chamber are mixed in front of the turbine. As a result, the heat content (enthalpy) of the working fluid increases without the expense of the chemical energy of the fuel to evaporate the Veda. The technical feasibility of the installation is determined by the combination of operating parameters: the coefficient of excess air in the combustion chamber is not more than 3.0; the degree of air compression in the installation is at least 25.

В основе положительного эффекта лежат высокие значения теплоты парообразования воды - более 2000 кДж/кг. Указанная теплота, по существу, тратится на преодоление межмолекулярных связей и в работе расширения пара не участвует. Если сравнить энтальпию идеального газа, который образуется при испарении веды, с энтальпией пара, то энтальпия идеального газа в зависимости от температуры составляет 25÷40% от энтальпии пара. Разница указанных энергий представляет собой прямые потери, на которые тратится химическая энергия топлива. Замена химической энергии топлива (при испарении воды а теплообменнике-испарителе) на энергию выхлопных газов повышает кпд парогазовой установки. Кроме этого, при испарении воды в теплообменнике-испарителе пар за счет энергии выхлопных газов приобретает внутреннюю энергию, которая может быть преобразована в работу расширения на турбине, что также повышает кпд установки.The positive effect is based on high values of the heat of vaporization of water - more than 2000 kJ / kg. The indicated heat is essentially spent on overcoming intermolecular bonds and is not involved in the expansion of steam. If we compare the enthalpy of the ideal gas, which is formed during the evaporation of the Veda, with the enthalpy of steam, then the enthalpy of the ideal gas, depending on the temperature, is 25–40% of the vapor enthalpy. The difference in the indicated energies represents the direct losses for which the chemical energy of the fuel is spent. Replacing the chemical energy of the fuel (during the evaporation of water in a heat exchanger-evaporator) with the energy of exhaust gases increases the efficiency of a combined cycle plant. In addition, when water evaporates in a heat exchanger-evaporator, steam acquires internal energy due to the energy of exhaust gases, which can be converted into expansion work on the turbine, which also increases the efficiency of the installation.

Применение в качестве топлива жидкого водорода создает для парогазотурбинной установки (ПГТУ) дополнительные возможности, позволяющие реализовать замкнутый цикл, в котором рабочее тело (конденсат) используется повторно. Замкнутый цикл позволяет уменьшить потери тепла в атмосферу (холодильник) и сделать парогазотурбинную установку автономной (пригодной для использования на летательном аппарате).The use of liquid hydrogen as a fuel creates additional opportunities for a steam-gas-turbine unit (ПГТУ) allowing to realize a closed cycle in which the working fluid (condensate) is reused. The closed cycle allows to reduce heat loss to the atmosphere (refrigerator) and make the gas-turbine unit autonomous (suitable for use on an aircraft).

На фиг.1 изображена схема парогазотурбинной установки;Figure 1 shows a diagram of a steam-gas turbine installation;

На фиг.2 изображена схема парогазотурбинной установки;Figure 2 shows a diagram of a steam-gas turbine installation;

На фиг.3 изображены зависимости эффективного кпд и удельной мощности ПГТУ от относительного расхода воды и степени сжатия компрессора;Figure 3 shows the dependence of the effective efficiency and specific power of the PGTU on the relative flow of water and the compression ratio of the compressor;

На фиг.4 изображены зависимости эффективного кпд и удельной мощности ПГТУ от относительного расхода воды и степени сжатия компрессора;Figure 4 shows the dependence of the effective efficiency and specific power of the PGTU on the relative flow of water and the compression ratio of the compressor;

На фиг.5 изображена схема парогазотурбинной установки;Figure 5 shows a diagram of a steam-gas turbine installation;

На фиг.6 изображены зависимости эффективного кпд и удельной мощности ПГТУ от относительного расхода воды и степени сжатия компрессора;Figure 6 shows the dependence of the effective efficiency and specific power of the PGTU on the relative flow of water and the compression ratio of the compressor;

Парогазотурбинная установка (фиг.1) состоит из входного устройства 1, компрессора 2, камеры сгорания 3, камеры смешения 4, турбины привода компрессора 5, свободной турбины 6, теплообменника-испарителя 7, выходного устройства 8, насоса высокого давления 9, топливного насоса 10. При этом теплообменник 7 с одной стороны соединен с насосом 9, а с другой - с камерой смешения 4.A steam-gas turbine installation (Fig. 1) consists of an input device 1, a compressor 2, a combustion chamber 3, a mixing chamber 4, a compressor drive turbine 5, a free turbine 6, a heat exchanger-evaporator 7, an output device 8, a high pressure pump 9, a fuel pump 10 In this case, the heat exchanger 7 is on the one hand connected to the pump 9, and on the other, to the mixing chamber 4.

Работа установки осуществляется следующим образом. Воздух через входное устройство 1 поступает в компрессор 2 для сжатия. Сжатый до заданного давления воздух (степень сжатия не менее 25) непрерывным потоком подается в камеру сгорания 3, куда одновременно через форсунки впрыскивается мелкораспыленное топливо, нагнетаемое насосом 10. Состав топливовоздушной смеси в камере сгорания приближается к стехиометрическому (α_кс менее 3,0), что при сгорании смеси ведет к росту температуры газа выше допустимой по прочности лопаток турбины. Из камеры сгорания 3 горячий газ направляется в камеру смешения 4, куда одновременно направляется перегретый пар из теплообменника-испарителя 7. В камере смешения 4 горячий газ и перегретый пар перемешиваются, в результате чего температура рабочего тела понижается до значений, допустимых по условиям прочности лопаток турбины (1600÷2100 К), а энтальпия рабочего тела увеличивается. Из камеры смешения 4 рабочее тело (смесь пара с газом) поступает в турбину привода компрессора 5, а затем в свободную турбину 6, которая совершает полезную работу. После прохождения свободной турбины рабочее тело отдает значительную часть своей энергии воде, которая под действием насоса 9 движется внутри теплообменника-испарителя 7. В теплообменнике-испарителе вода превращается в перегретый пар, который поступает в камеру смешения 4, а рабочее тело через выходное устройство 8 удаляется в атмосферу.The installation is as follows. Air through the input device 1 enters the compressor 2 for compression. Compressed air to a predetermined pressure (compression ratio of at least 25) is supplied in a continuous stream to the combustion chamber 3, where at the same time finely atomized fuel is injected through the nozzles, pumped by pump 10. The composition of the air-fuel mixture in the combustion chamber approaches stoichiometric (α _cc less than 3.0), which, when the mixture is burned, leads to an increase in gas temperature above the allowable strength of the turbine blades. From the combustion chamber 3, the hot gas is directed to the mixing chamber 4, where superheated steam from the heat exchanger-evaporator 7 is simultaneously sent. In the mixing chamber 4, the hot gas and superheated steam are mixed, as a result of which the temperature of the working fluid decreases to values acceptable under the strength conditions of the turbine blades (1600 ÷ 2100 K), and the enthalpy of the working fluid increases. From the mixing chamber 4, the working fluid (vapor-gas mixture) enters the compressor drive turbine 5, and then into the free turbine 6, which performs useful work. After the passage of a free turbine, the working fluid gives a significant part of its energy to water, which, under the action of the pump 9, moves inside the heat exchanger-evaporator 7. In the heat exchanger-evaporator, the water turns into superheated steam, which enters the mixing chamber 4, and the working fluid through the output device 8 is removed in atmosphere.

Эффективность парогазотурбинной установки может быть повышена, если теплоту рабочего тела парогазотурбинной установки на выходе из теплообменника-испарителя 7, использовать для подогрева воды, поступающей в этот же теплообменник. На фиг.2 показана схема парогазотурбинной установки, в которой установлен дополнительный теплообменник-конденсатор 11. Циркуляция воды в теплообменнике 11 осуществляется за счет насоса низкого давления 12. Поскольку энергетические потребности в подогреве воды на входе в теплообменник 7 существенно меньше энергетических возможностей теплообменника-конденсатора 11, то избыточное тепло в виде горячей воды может быть использовано в промышленных целях. Конденсат, содержащий примеси продуктов сгорания, удаляется в атмосферу либо подвергается очистке, после чего используется в промышленных целях.The efficiency of a steam-gas-turbine installation can be increased if the heat of the working fluid of a steam-gas-turbine installation at the outlet of the heat exchanger-evaporator 7 is used to heat the water entering the same heat exchanger. Figure 2 shows a diagram of a steam-gas-turbine installation in which an additional heat exchanger-condenser 11 is installed. Water is circulated in the heat exchanger 11 by means of a low pressure pump 12. Since the energy requirements for heating water at the inlet to the heat exchanger 7 are significantly less than the energy capabilities of the heat exchanger-condenser 11 , then excess heat in the form of hot water can be used for industrial purposes. Condensate containing impurities of the combustion products is removed to the atmosphere or subjected to purification, after which it is used for industrial purposes.

На фиг.3 и 4 показаны зависимости эффективного кпд η_е и удельной мощности Nуд (эффективной мощности, приходящейся на килограмм расхода воздуха) парогазотурбинной установки (фиг.2) от параметров рабочего процесса: относительного расхода воды m (расход воды, приходящийся на килограмм расхода воздуха) и степени сжатия воздуха Пк. Здесь же нанесены изотермы, соответствующие температурам газа перед турбиной Тг^*. Топливо - керосин. В расчете потери учитывались соответствующими кпд термодинамических процессов, а именно 0,85 для сжатия; 0,92 для расширения; 0,98 для сгорания. Зависимости построены для двух коэффициентов избытка воздуха: α_кс=3,0 и α_кс=1,5 соответственно. Расчет выполнен для стандартных условий: t_н=15°С и Р_н=760 мм рт.ст. Видно, что η_е при m более 15% достигает значений более 50%. При этом Тг^* находится в пределах, допустимых по прочности лопаток турбины.Figures 3 and 4 show the dependences of the effective efficiency η _e and specific power Nsp (effective power per kilogram of air flow) of a steam-gas turbine plant (Fig.2) on the parameters of the working process: relative water flow m (water flow per kilogram of flow air) and air compression ratio Pc. The isotherms corresponding to the gas temperatures in front of the Tg ^* turbine are also plotted here. Fuel is kerosene. In the calculation of losses, the corresponding efficiency of thermodynamic processes was taken into account, namely, 0.85 for compression; 0.92 for expansion; 0.98 for combustion. Dependencies are constructed for two coefficients of excess air: α _ks = 3.0 and α _ks = 1.5, respectively. The calculation was performed for standard conditions: t _n = 15 ° C and P _n = 760 mm Hg It is seen that η _e with m more than 15% reaches values of more than 50%. In this case, Tg ^* is within the permissible strength of the turbine blades.

Недостатком парогазотурбинных установок (фиг.1, фиг.2) является то, что для их работы требуется постоянный источник жидкости (воды), что создает серьезную проблему при использовании парогазотурбинных установок, например, на летательном аппарате. Решением проблемы является использование в качестве жидкости, повышающей энтальпию рабочего тела, топлива, находящегося на борту летательного аппарата. Наилучшим образом для этих целей подходит водород, основным продуктом сгорания которого в воздухе, как известно, являются водяные пары.The disadvantage of steam and gas turbine plants (figure 1, figure 2) is that their operation requires a constant source of liquid (water), which creates a serious problem when using steam and gas turbine plants, for example, on an aircraft. The solution to the problem is to use, as a liquid, increasing the enthalpy of the working fluid, fuel on board the aircraft. Hydrogen is best suited for these purposes, the main combustion product of which in air, as you know, is water vapor.

На фиг.5 показана схема парогазотурбинного двигателя (установки) на базе турбовинтового двигателя, использующего жидкий водород. Новыми элементами являются: жидкостно-воздушный теплообменник 13, теплообменник-конденсатор 14, кран кольцевания 15.Figure 5 shows a diagram of a steam-gas turbine engine (installation) based on a turboprop engine using liquid hydrogen. New elements are: a liquid-air heat exchanger 13, a heat exchanger-condenser 14, a banding valve 15.

Работа парогазотурбинного двигателя (фиг.5) осуществляется следующим образом. Рабочее тело, охлажденное в теплообменнике-испарителе 7, поступает в теплообменник-конденсатор 14, где охлаждается с частичной или полной (в зависимости от расхода водорода) конденсацией водяных паров. В теплообменнике-конденсаторе 11, расположенном за теплообменником-конденсатором 14, происходит окончательная конденсация водяных паров. Теплообменник 11 имеет общее с теплообменником 13 рабочее тело (аммиак), которое циркулирует под воздействием насоса низкого давления 12. Теплообменник 13 расположен в наружном потоке воздуха, температура которого на высоте 11 км составляет -56°С. При циркуляции аммиак из жидкого состояния переходит в газообразное (теплообменник 11) и из газообразного в жидкое (теплообменник 13). Относительный расход аммиака не превышает 1 кг на килограмм расхода воздуха, что с точки зрения весовых характеристик вполне приемлемо для летательного аппарата. Конденсат (вода) насосом высокого давления 9 подается в теплообменник-испаритель 7 и далее в камеру смешения.The operation of a steam-gas turbine engine (figure 5) is as follows. The working fluid, cooled in the heat exchanger-evaporator 7, enters the heat exchanger-condenser 14, where it is cooled with partial or full (depending on hydrogen consumption) condensation of water vapor. In the heat exchanger-condenser 11 located behind the heat exchanger-condenser 14, the final condensation of water vapor occurs. The heat exchanger 11 has a working fluid (ammonia) in common with the heat exchanger 13, which circulates under the influence of a low pressure pump 12. The heat exchanger 13 is located in an external air stream, the temperature of which at an altitude of 11 km is -56 ° C. During circulation, ammonia passes from a liquid state to a gaseous state (heat exchanger 11) and from gaseous to liquid state (heat exchanger 13). The relative consumption of ammonia does not exceed 1 kg per kilogram of air consumption, which from the point of view of weight characteristics is quite acceptable for an aircraft. Condensate (water) with a high pressure pump 9 is supplied to the heat exchanger-evaporator 7 and then to the mixing chamber.

На режимах взлета (в летнее время), когда теплообменник 13 неэффективен, включается кран кольцевания 15, что позволяет увеличить расход жидкого водорода через теплообменник 14 и тем самым обеспечить необходимую для непрерывной работы двигателя конденсацию пара. В виду того, что хладоресурс жидкого водорода, находящегося на борту, ограничен, время работы с включенным краном кольцевания также ограничено. Увеличить хладоресурс жидкого водорода можно применением так называемой шуги - переохлажденного водорода, частично переведенного в твердую фазу. При этом хладоресурс водорода увеличивается на 16÷18% (Ю.Н.Нечаев. Силовые установки гиперзвуковых и воздушно-космических летательных аппаратов. М: Академия космонавтики им. К.Э.Циолковского, 1996 г., стр.58).In take-off modes (in summer), when the heat exchanger 13 is ineffective, the ringing valve 15 is turned on, which allows to increase the flow of liquid hydrogen through the heat exchanger 14 and thereby provide the condensation necessary for continuous operation of the engine. In view of the fact that the cold resource of liquid hydrogen on board is limited, the operating time with the ring tap turned on is also limited. It is possible to increase the cold resource of liquid hydrogen by using the so-called sludge - supercooled hydrogen, partially transferred to the solid phase. At the same time, the hydrogen coolant increases by 16–18% (Yu.N. Nechaev. Power plants of hypersonic and aerospace aircraft. M: KE Tsiolkovsky Academy of Cosmonautics, 1996, p. 58).

На фиг.6 показаны зависимости эффективного кпд η_e и удельной мощности Nуд парогазотурбинного двигателя (фиг.5) от параметров рабочего процесса m и Пк. Здесь же нанесены изотермы, соответствующие температурам газа перед турбиной Тг^*. Коэффициент избытка воздуха в камере сгорания соответствует 1,2. Характеристики даны для условий полета (Н=11 км). Следует отметить, что с увеличением высоты (до 11 км) эффективный кпд несколько снижается, что связано с физическими свойствами воды, а именно невозможностью понижения ее температуры ниже определенного уровня.Figure 6 shows the dependence of the effective efficiency η _e and the specific power Nsp of a steam-gas turbine engine (Fig.5) on the parameters of the working process m and Pc. The isotherms corresponding to the gas temperatures in front of the Tg ^* turbine are also plotted here. The coefficient of excess air in the combustion chamber corresponds to 1.2. Characteristics are given for flight conditions (H = 11 km). It should be noted that with an increase in altitude (up to 11 km), the effective efficiency decreases somewhat, which is associated with the physical properties of water, namely the impossibility of lowering its temperature below a certain level.

Главной особенностью парогазотурбинного двигателя, как это видно из фиг.6, является исключительно высокая удельная мощность и достаточно высокая экономичность, что крайне важно для летательного аппарата.The main feature of the steam-gas turbine engine, as can be seen from Fig.6, is an extremely high specific power and a sufficiently high efficiency, which is extremely important for an aircraft.

Положительным результатом предлагаемого технического решения является повышение эффективного кпд парогазотурбинной установки более 58%, что выше, чем у аналогов, а также возможность создания на базе парогазотурбинной установки авиационного двигателя, превышающего известные турбовальные (турбовинтовые) двигатели по удельной мощности и экономичности.A positive result of the proposed technical solution is to increase the effective efficiency of a steam-gas-turbine installation by more than 58%, which is higher than that of analogues, as well as the possibility of creating an aircraft engine based on a steam-gas-turbine installation that exceeds the known turboshaft (turboprop) engines in terms of power density and efficiency.

Claims

1. Steam-gas-turbine installation containing an input device, a compressor, a combustion chamber, a mixing chamber, a compressor drive turbine, a free turbine (screw drive turbine), a heat exchanger located behind the free turbine and connected on one side to the source of the working fluid - liquid (water), and on the other hand, with a mixing chamber, and an output device, characterized in that the heat exchanger is an evaporator, the flow rate of the working fluid through which is at least 15% of the flow rate of air passing through the compressor, degree air compression in the installation is not less than 25, and the coefficient of excess air in the combustion chamber is not more than 3.0.

2. A gas-turbine installation according to claim 1, characterized in that a heat exchanger-condenser is installed behind the heat exchanger-evaporator.

3. The steam-gas-turbine installation according to claim 1, characterized in that behind the heat exchanger-evaporator there are two heat exchangers-condensers, the working bodies of which are volatile liquids (hydrogen, ammonia).