RU2334885C1

RU2334885C1 - Heat-recovery gas turbine power plant

Info

Publication number: RU2334885C1
Application number: RU2007104674/06A
Authority: RU
Inventors: Николай Борисович Болотин (RU); Николай Борисович Болотин
Original assignee: Николай Борисович Болотин
Priority date: 2007-02-06
Filing date: 2007-02-06
Publication date: 2008-09-27

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: heat-recovery gas turbine power plant incorporates two stages, a consecutively mounted engine, fan, compressor, combustion chamber, low- and high-pressure turbines linked to the fan and compressor, heat exchanger and a free air turbine. The circular heat exchanger is arranged in the second stage. The heat exchanger gas space communicates with the gas exhauster arranged nearby the engine intake device. The said exhauster houses a heat exchanger-gasifier communicating, on one side, via the fuel line with the liquefied natural gas pump and, on the other side, with the combustion chamber nozzles. The free air turbine is also arranged in the gas turbine second stage.

EFFECT: gas turbine higher efficiency and reliability.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к двигателестроению, в том числе к авиационным и стационарным двигателям ГТД, работающим на сжиженном природном газе - СПГ.The invention relates to engine building, including aircraft and stationary gas turbine engines running on liquefied natural gas - LNG.

Известна силовая установка по патенту РФ №2189477, которая содержит газотурбинный двигатель - ГТД, газовый тракт, соединяющий этот газотурбинный двигатель со свободной турбиной, и нагрузку в виде электрогенератора, вал которого подсоединен к валу свободной турбины через муфту.A known power plant according to the patent of the Russian Federation No. 2189477, which contains a gas turbine engine - gas turbine engine, a gas path connecting this gas turbine engine with a free turbine, and a load in the form of an electric generator, the shaft of which is connected to the shaft of the free turbine through a coupling.

Недостатком этой силовой установки является то, что она имеет низкий КПД, около 20%, что почти в 2 раза меньше, чем у современных дизельных установок.The disadvantage of this power plant is that it has a low efficiency, about 20%, which is almost 2 times less than that of modern diesel plants.

Известна силовая установка газотурбовоза по патенту РФ №2272916, которая содержит газотурбинный двигатель с турбиной и свободную турбину, за которой установлен регенеративный теплообменник, выход из которого соединен с газотурбинным двигателем, конкретно с системой охлаждения турбины.A gas turbine locomotive power plant is known according to RF patent No. 2272916, which contains a gas turbine engine with a turbine and a free turbine, behind which a regenerative heat exchanger is installed, the outlet of which is connected to a gas turbine engine, specifically, a turbine cooling system.

Недостатками этого двигателя является низкий КПД силовой установки.The disadvantages of this engine is the low efficiency of the power plant.

Известен газотурбинный двигатель по патенту РФ №2252316 (прототип), который содержит турбокомпрессор, состоящий из компрессора, камеры сгорания, турбины и не менее двух электрических машин (электрогенератор и электродвигатель, встроенных в турбокомпрессор. Система постоянных магнитов установлена на внутренней поверхности ротора турбокомпрессора, а статор электрической машины установлен на корпусе подшипниковой опоры, т.е. на малом диаметре.A gas turbine engine is known according to the patent of the Russian Federation No. 2252316 (prototype), which contains a turbocompressor consisting of a compressor, a combustion chamber, a turbine and at least two electric machines (an electric generator and an electric motor built into the turbocompressor. A permanent magnet system is installed on the inner surface of the rotor of the turbocompressor, and the stator of the electric machine is mounted on the housing of the bearing support, i.e., on a small diameter.

Недостатки этого двигателя: очень маленькая мощность электрических машин, связанная с тем, что они размещены на малом диаметре и имеют по одной ступени. Кроме того, возникают проблемы с охлаждением обмоток статора, размещенных внутри двигателя. Эта конструкция применима для использования электрической машины в качестве стартера или в качестве вспомогательного электрогенератора для питания агрегатов газотурбинного двигателя и самолета.The disadvantages of this engine: the very small power of electric machines, due to the fact that they are placed on a small diameter and have one step. In addition, there are problems with cooling the stator windings located inside the motor. This design is applicable for using an electric machine as a starter or as an auxiliary electric generator to power the units of a gas turbine engine and aircraft.

Известен газотурбинный двигатель с регенерацией тепла по патенту РФ №2192551, который содержит компрессор, камеру сгорания, турбины высокого давления, турбину низкого давления, теплообменник и две свободные турбины: газовую и воздушную, установленные на общем валу с нагрузкой.Known gas turbine engine with heat recovery according to the patent of the Russian Federation No. 2192551, which contains a compressor, a combustion chamber, high pressure turbines, a low pressure turbine, a heat exchanger and two free turbines: gas and air, mounted on a common shaft with a load.

Предложенная схема двигателя имеет низкий КПД и надежность. Кроме того, она сложная по конструкции, т.к. имеет четыре неунифицированные турбины: высокого давления, низкого давления, свободную газовую турбину и свободную воздушную турбину. Установка обеих свободных турбин на одном валу приводит к несогласованности их работы в широком диапазоне режимов работы, т.к. если турбины спроектировать на один из режимов работы, расчетный режим, то при отклонении от этого режима турбины будут вращаться с одинаковыми угловыми скоростями, но КПД обеих турбин резко уменьшатся из-за несогласованности газодинамических характеристик работы этих турбин, т.к. расходы газа (продуктов сгорания) и воздуха не согласованы между собой для создания оптимальных углов атаки на рабочих лопатках обеих турбин. В результате общий КПД сдвоенной турбины будет значительно уменьшаться при отклонении режимов работы газовой и воздушной турбин от расчетного режима.The proposed engine design has low efficiency and reliability. In addition, it is complex in design, because It has four unified turbines: high pressure, low pressure, free gas turbine and free air turbine. Installation of both free turbines on one shaft leads to inconsistency of their operation in a wide range of operating modes, because if the turbines are designed for one of the operating modes, the design mode, then when deviating from this mode, the turbines will rotate at the same angular speeds, but the efficiency of both turbines will decrease sharply due to inconsistencies in the gas-dynamic characteristics of these turbines, because the flow rates of gas (combustion products) and air are not consistent with each other to create optimal angles of attack on the working blades of both turbines. As a result, the overall efficiency of a twin turbine will significantly decrease if the operating modes of the gas and air turbines deviate from the design mode.

Задачи создания изобретения: повышение экономичности и надежности двигателя.Objectives of the invention: improving the efficiency and reliability of the engine.

Решение указанных задач достигнуто за счет того, что газотурбинная силовая установка с регенерацией тепла, содержащая два контура и установленные последовательно входное устройство двигателя, вентилятор, компрессор, камеру сгорания турбины высокого и низкого давления, соединенные механически с вентилятором и компрессором соответственно, теплообменник и воздушную свободную турбину, отличающается тем, что теплообменник выполнен кольцевым и установлен во втором контуре, выход по газовой полости теплообменника осуществлен в выхлопное устройство газов, расположенное около входного устройства двигателя, внутри выхлопного устройства газов установлен теплообменник-газификатор, соединенный по топливной линии с одной стороны с насосом сжиженного природного газа, а с другой с форсунками камеры сгорания, воздушная свободная турбина установлена также во втором контуре газотурбинного двигателя. Теплообменник-газификатор соединен с форсунками камеры сгорания через кольцевой коллектор. Теплообменник выполнен многосекционным, газовые секции теплообменника соединены последовательно, при этом каждая последующая секция размещена со смещением к входному устройству двигателя, а выхлопное устройство газов установлено около входного устройства двигателя.The solution to these problems was achieved due to the fact that the gas turbine power plant with heat recovery, containing two circuits and sequentially installed engine input device, a fan, a compressor, a combustion chamber of a high and low pressure turbine, mechanically connected to a fan and compressor, respectively, a heat exchanger and an air free turbine, characterized in that the heat exchanger is made circular and installed in the second circuit, the output through the gas cavity of the heat exchanger is carried out in the exhaust stroystvo gases disposed about the engine inlet, inside the exhaust gas apparatus installed heat-gasifier connected by a fuel line on one side to pump liquefied natural gas, and on the other with the nozzles of the combustion chamber, air free turbine is mounted also in the second turbomachine circuit. The gasifier heat exchanger is connected to the nozzles of the combustion chamber through an annular collector. The heat exchanger is multi-sectional, the gas sections of the heat exchanger are connected in series, with each subsequent section being offset to the input device of the engine, and the exhaust gas device is installed near the input device of the engine.

Предложенное техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью, т.е. всеми критериями изобретения.The proposed technical solution has novelty, inventive step and industrial applicability, i.e. all the criteria of the invention.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:The invention is illustrated by drawings, where:

на фиг.1 приведена схема газотурбинного двигателя,figure 1 shows a diagram of a gas turbine engine,

на фиг.2 приведен разрез по А-А.figure 2 shows a section along aa.

Предложенное техническое решение (фиг.1) содержит корпус первого контура 1, корпус второго контура 2, установленный концентрично ему с образованием второго контура, полость «Б». Последовательно по потоку установлены входное устройство 3, вентилятор 4, компрессор 5, камеру сгорания 6 и турбину высокого давления 7, турбину низкого давления 8. Вентилятор 4 соединен механически валом с турбиной высокого давления 7, а компрессор 5 соединен другим валом с турбиной низкого давления 8. Далее по потоку (по второму контуру) идет теплообменник 9, свободная воздушная турбина 10 и выхлопное воздушное устройство 11.The proposed technical solution (figure 1) contains a housing of the first circuit 1, the housing of the second circuit 2, mounted concentrically to it with the formation of the second circuit, the cavity "B". The input device 3, the fan 4, the compressor 5, the combustion chamber 6, and the high-pressure turbine 7, the low-pressure turbine 8 are installed in series with the fan. The fan 4 is mechanically connected by a shaft to the high-pressure turbine 7, and the compressor 5 is connected by another shaft to the low-pressure turbine 8 Further downstream (along the second circuit) is a heat exchanger 9, a free air turbine 10 and an exhaust air device 11.

Свободная воздушная турбина 10 соединена с нагрузкой 12 (компрессор, электрогенератор и т.д.) валом нагрузки 13. Теплообменник 9 целесообразно выполнить кольцевым (фиг.2) с заполнением от 70 до 100% от объема полости второго контура «Б». При этом целесообразно теплообменник 9 выполнить многосекционным и соединить секции теплообменника по газовой полости трубопроводами 14, при этом каждая последующая секция должна быть размещена ближе к входному устройству 3, в выхлопное газовое устройство установить около входного устройства 3. Такая конструкция увеличит площадь теплообмена теплообменника 9, обеспечит противоточную схему движения теплоносителя (газа) и воздуха и позволит получить максимальный КПД всей установки в целом. В выхлопном устройстве газа 15 установлен теплообменник-газификатор 16.A free air turbine 10 is connected to the load 12 (compressor, electric generator, etc.) by the load shaft 13. The heat exchanger 9 is expedient to perform an annular (figure 2) with filling from 70 to 100% of the volume of the cavity of the secondary circuit "B". In this case, it is advisable to make the heat exchanger 9 multi-sectional and connect the heat exchanger sections through the gas cavity by pipelines 14, with each subsequent section to be placed closer to the inlet device 3, to be installed near the inlet device 3 in the exhaust gas device, This design will increase the heat exchange area of the heat exchanger 9, will ensure countercurrent flow diagram of the coolant (gas) and air and will allow to obtain maximum efficiency of the entire installation as a whole. In the exhaust gas device 15, a heat exchanger-gasifier 16 is installed.

Газотурбинный двигатель содержит топливный бак 17, систему топливоподачи с топливопроводом низкого давления 18, подключенным к входу в насос сжиженного природного газа 19, имеющий привод 20, топливопровод высокого давления 21, вход которого соединен с топливным насосом 19, а выход соединен с кольцевым коллектором 20, кольцевой коллектор 22 соединен с форсунками 23 камеры сгорания 6.The gas turbine engine contains a fuel tank 17, a fuel supply system with a low pressure fuel pipe 18 connected to an inlet of a liquefied natural gas pump 19, having a drive 20, a high pressure fuel pipe 21, the input of which is connected to the fuel pump 19, and the output is connected to the annular manifold 20, the annular manifold 22 is connected to the nozzles 23 of the combustion chamber 6.

При работе запускают газотурбинный двигатель при помощи стартера (стартер на фиг.1и 2 не показан), подают сжиженный природный газ через форсунки 23 в камеру сгорания. При образовании газа (продукты сгорания) срабатывает энергетический потенциал на турбинах 7 и 8, далее достаточно горячий газ, имеющий температуру около 500°С, проходит через секции теплообменника 9 и сбрасывается в выхлопное устройство газа 15, а подогретый воздух второго контура проходит через свободную воздушную турбину 10 и сбрасывается в выхлопное воздушное устройство 11.During operation, a gas turbine engine is started using a starter (the starter is not shown in FIGS. 1 and 2), liquefied natural gas is fed through nozzles 23 into the combustion chamber. During the formation of gas (combustion products), the energy potential of the turbines 7 and 8 is triggered, then a sufficiently hot gas having a temperature of about 500 ° C passes through the sections of the heat exchanger 9 and is discharged into the exhaust gas device 15, and the heated air of the second circuit passes through the free air the turbine 10 and is discharged into the exhaust air device 11.

При работе двигателя температура воздуха (газа) вдоль него распределится следующим образом:When the engine is running, the temperature of the air (gas) along it will be distributed as follows:

Т₀ - температура воздуха на входе в двигатель,T ₀ - air temperature at the inlet to the engine,

T₁ - температура воздуха за вентилятором,T ₁ - air temperature behind the fan,

Т₂ - температура воздуха за компрессором,T ₂ - air temperature behind the compressor,

Т₃ - температура газа (продуктов сгорания) на выходе из турбины,T ₃ - the temperature of the gas (combustion products) at the outlet of the turbine,

Т₄ - температура газа на выходе из турбины низкого давления.T ₄ - gas temperature at the outlet of the low pressure turbine.

Т₅ - температура сбрасываемого газа до теплообменника-газификатора,T ₅ - temperature of the discharged gas to the heat exchanger-gasifier,

Т₆ - температура сбрасываемого газа после теплообменника-газификатора,T ₆ is the temperature of the discharged gas after the heat exchanger-gasifier,

Т₇ - температура воздуха на входе в свободную воздушную турбину,T ₇ - air temperature at the entrance to a free air turbine,

T₈ - температура воздуха на выходе из двигателя.T ₈ - air temperature at the exit of the engine.

При работе хорошо спроектированного двигателя, а именно при большой эффективной поверхности теплообменника 9, температура сбрасываемого газа и воздуха соответственно T₆ и T₈ практически не отличаются от Т₀, а это значит, что может быть достигнут теоретически возможный КПД цикла.When operating a well-designed engine, namely, with a large effective surface of the heat exchanger 9, the temperatures of the discharged gas and air, respectively, T ₆ and T ₈ practically do not differ from T ₀ , which means that theoretically possible cycle efficiency can be achieved.

Наличие теплообменника-газификатора дополнительно уменьшает температуру газа на выхлопе Т₆.The presence of a heat exchanger-gasifier further reduces the temperature of the gas at the exhaust T ₆ .

Применение изобретения позволило:The application of the invention allowed:

1. Повысить кпд газотурбинного двигателя практически до теоретического в первую очередь за счет больших габаритов теплообменника, наличия теплообменника-газификатора и за счет более рациональной компоновки двигателя и отсутствия жесткой кинематической связи между компрессором и турбиной и свободной воздушной турбиной. Это позволило спроектировать оптимальные компрессор, турбины низкого давления и свободную воздушную турбину, например, на разные рабочие обороты (без редуктора и длинного вала, проходящего внутри камеры сгорания, т.е. в зоне чрезвычайно высоких температур) и оптимально согласовать их совместную работу.1. To increase the efficiency of a gas turbine engine to almost theoretical, primarily due to the large dimensions of the heat exchanger, the presence of a gasifier heat exchanger and due to a more rational engine layout and the absence of a rigid kinematic connection between the compressor and the turbine and a free air turbine. This made it possible to design the optimal compressor, low pressure turbines and a free air turbine, for example, at different operating revolutions (without a gearbox and a long shaft passing inside the combustion chamber, i.e., in an extremely high temperature zone) and optimally coordinate their joint work.

2. Улучшить надежность силовой установки за счет:2. Improve the reliability of the power plant due to:

- отказа от свободной газовой турбины,- abandonment of a free gas turbine,

- размещения нагрузки вне двигателя.- placing the load outside the engine.

3. Обеспечить запуск газотурбинного двигателя и питание электроэнергией очень энергоемких потребителей за счет практически неограниченной мощности нагрузки. Размещение свободной воздушной турбины на большом диаметре позволит спроектировать одноступенчатую турбину большой мощности и уменьшить гидравлические потери на газоводах и воздуховодах, которые имеют место у прототипа.3. To ensure the start of the gas turbine engine and power supply to very energy-intensive consumers due to the almost unlimited load power. Placing a free air turbine on a large diameter will allow designing a single-stage turbine of high power and reducing hydraulic losses on gas and air ducts that occur with the prototype.

4. Уменьшить вес и габариты силовой установки за счет:4. To reduce the weight and dimensions of the power plant due to:

- создания оптимальных турбины и компрессора, например, с расчетом работы на различных оборотах за счет различного числа полюсов обмоток статора на электродвигателе и электрогенераторе.- creating an optimal turbine and compressor, for example, with the calculation of work at different speeds due to the different number of poles of the stator windings on the electric motor and generator.

- отказа от громоздких опор с подшипниками, которые размещены в зоне высоких температур, систем смазки этих опор и систем охлаждения масла, применяющегося для смазки этих опор,- rejection of bulky bearings with bearings that are located in the high temperature zone, the lubrication systems of these bearings and the oil cooling systems used to lubricate these bearings,

- размещения теплообменника во втором контуре двигателя.- placement of the heat exchanger in the second circuit of the engine.

5. Реально обеспечить модульность конструкции двигателя за счет того, что каждый его основной узел может быть спроектирован независимо от характеристик сопрягаемого узла.5. It is realistic to ensure the modular design of the engine due to the fact that each of its main components can be designed independently of the characteristics of the mating assembly.

Claims

1. Gas turbine power plant with heat recovery, comprising two circuits and sequentially installed engine input device, fan, compressor, combustion chamber, high and low pressure turbines mechanically connected to the fan and compressor, respectively, a heat exchanger and an air free turbine, characterized in that the heat exchanger is made annular and installed in the second circuit, the gas outlet of the heat exchanger is carried out in the exhaust gas device located near the inlet The engine is equipped with a heat exchanger-gasifier installed inside the exhaust gas device, connected via a fuel line to a liquefied natural gas pump on one side and a combustion chamber nozzle on the other, and an air-free turbine is also installed in the second circuit of the gas turbine engine.

2. Gas turbine power plant with heat recovery according to claim 1, characterized in that the heat exchanger-gasifier is connected to the nozzles of the combustion chamber through an annular collector.

3. A gas turbine power plant with heat recovery according to claim 1, characterized in that the heat exchanger is multi-sectional, the gas sections of the heat exchanger are connected in series, with each subsequent section being offset to the engine input device, and the gas exhaust device is installed near the engine input device.