RU2371588C2 - Gas turbine drive of electric generator - Google Patents
Gas turbine drive of electric generator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2371588C2 RU2371588C2 RU2008100869/06A RU2008100869A RU2371588C2 RU 2371588 C2 RU2371588 C2 RU 2371588C2 RU 2008100869/06 A RU2008100869/06 A RU 2008100869/06A RU 2008100869 A RU2008100869 A RU 2008100869A RU 2371588 C2 RU2371588 C2 RU 2371588C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- turbine
- stage
- combustion chamber
- compressor
- heat
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к авиационным одноконтурным газотурбинным двигателям, служащим приводом электрогенератора, нагнетателя газа или водяного подкачивающего насоса.The invention relates to the field of engine building, in particular to single-circuit aircraft gas turbine engines serving as a drive for an electric generator, gas supercharger or water booster pump.
Наиболее близким техническим решением к изобретению является турбореактивный двигатель НК-37, служащий в качестве привода электрогенератора (Зрелов В.А., Карташов Г.Г. Двигатели НК. - г. Самара: Дом печати, 1999, с.96-97) - прототип.The closest technical solution to the invention is the NK-37 turbojet engine serving as the drive of the electric generator (Zrelov V.A., Kartashov G.G. Engines NK. - Samara: Printing House, 1999, p.96-97) - prototype.
Одноконтурный газотурбинный двигатель состоит из трехкаскадного сверхзвукового высоконапорного компрессора, средней опоры, турбодетандера с тепломассообменным аппаратом, двухзонной камеры сгорания, трехступенчатой турбины, газодинамически связанной со свободной турбиной, соединенной с промежуточным валом и служащей приводом электрогенератора, регенератора пара, выполненного заодно целое с сопловыми направляющими лопатками турбины.A single-circuit gas turbine engine consists of a three-stage supersonic high-pressure compressor, a middle support, a turboexpander with a heat and mass transfer apparatus, a two-zone combustion chamber, a three-stage turbine, gas-dynamically coupled to a free turbine connected to the intermediate shaft and serving as an electric generator drive, and steam generators directed to the generator turbines.
Недостатком этого привода является низкий КПД (36,4%), а располагаемая мощность не отвечает потребностям настоящего времени.The disadvantage of this drive is its low efficiency (36.4%), and the available capacity does not meet the needs of the present.
Задачей изобретения является повышение КПД, мощности и снижение металлоемкости всей конструкции привода электрогенератора за счет использования в качестве топлива водорода.The objective of the invention is to increase efficiency, power and reduce the metal consumption of the entire structure of the drive of the generator due to the use of hydrogen as fuel.
Технический результат достигается тем, что в газотурбинном приводе электрогенератора, представляющем собой одноконтурный газотурбинный двигатель, включающий осевой сверхзвуковой высоконапорный компрессор (ОСВНК), среднюю опору, турбодетандер с тепломассообменным аппаратом и коллектором запуска, двухзонную камеру сгорания, ступенчатую турбину, свободную турбину, соединенную валом с промежуточным валом и служащую приводом электрогенератора, регенератор пара, выполненный заодно целое с сопловыми направляющими лопатками первой ступени турбины, компрессор выполнен четырехступенчатым и соединен через мультипликатор с промежуточным валом турбины, на входе компрессора для охлаждения поступающего воздуха до криогенной температуры (минус 120°С) установлены последовательно теплообменник жидкого неона с вакуумной камерой и теплообменник жидкого водорода с вакуумной камерой, соединенный через диссоциатор с камерой сгорания, перед которой установлен турбодетандер, имеющий загрузочное устройство в виде радиально-осевой центростремительной ступени, а снаружи корпуса турбодетандера установлен теплообменный аппарат с агрегатами управления, соединенный трубопроводом с тепломассобменным аппаратом турбодетандера и раздельно - с каждой ступенью компрессора, турбина выполнена активно-реактивной пятиступенчатой, смонтирована на двух опорах (передней и задней), за которой по оси двигателя смонтированы соосно и жестко связаны корпусами второй регенератор пара шаровой формы, снабженный микроволновым нагревателем для нагрева воды до температуры парообразования, соединенный через органы управления с коллектором запуска турбодетандера, накопитель раскаленного каменного угля и накопитель горючих компонентов (окиси углерода и водорода), который соединен с топливным коллектором второй зоны камеры сгорания.The technical result is achieved in that in a gas turbine drive of an electric generator, which is a single-circuit gas turbine engine, including an axial supersonic high-pressure compressor (AISC), a middle support, a turboexpander with a heat and mass transfer apparatus and a start manifold, a two-zone combustion chamber, a step turbine, a free turbine, an intermediate shaft and serving as the drive of the electric generator, a steam regenerator made integrally with the nozzle guide vanes of the first stupa no turbine, the compressor is four-stage and connected via a multiplier to the turbine intermediate shaft, at the compressor inlet for cooling the incoming air to a cryogenic temperature (minus 120 ° C), a liquid neon heat exchanger with a vacuum chamber and a liquid hydrogen heat exchanger with a vacuum chamber connected through a dissociator are installed in series with a combustion chamber in front of which a turboexpander is installed, having a loading device in the form of a radial-axial centripetal stage, and a tour outside the housing A cloakroom is equipped with a heat exchanger with control units, connected by a pipe to a heat-exchanger of a turboexpander and separately - with each compressor stage, the turbine is made of an active-reactive five-stage, mounted on two supports (front and rear), behind which are mounted coaxially and rigidly connected by bodies along the axis of the engine a second ball-shaped steam regenerator equipped with a microwave heater for heating water to a vaporization temperature, connected via collector controls rum of launching a turboexpander, an accumulator of hot coal and an accumulator of combustible components (carbon monoxide and hydrogen), which is connected to the fuel collector of the second zone of the combustion chamber.
Предлагаемый газотурбинный привод электрогенератора иллюстрируется чертежами.The proposed gas turbine drive of the generator is illustrated by drawings.
На фиг.1 показан продольный разрез предлагаемого газотурбинного привода электропривода;Figure 1 shows a longitudinal section of the proposed gas turbine drive electric drive;
на фиг.2 изображен неоновый теплообменник;figure 2 shows a neon heat exchanger;
на фиг.3 изображен водородный теплообменник;figure 3 shows a hydrogen heat exchanger;
на фиг.4 изображен осевой сверхзвуковой высоконапорный компрессор с мультипликатором;figure 4 shows an axial supersonic high-pressure compressor with a multiplier;
на фиг.5 изображена средняя опора с турбодетандером;figure 5 shows the middle support with a turboexpander;
на фиг.6 изображена двухзонная камера сгорания с коллектором запуска, коллекторами подачи пара в камеру сгорания;figure 6 shows a dual-zone combustion chamber with a start manifold, steam supply manifolds into the combustion chamber;
на фиг.7 изображена пятиступенчатая турбина;figure 7 shows a five-stage turbine;
на фиг.8 изображен регенератор пара с микроволновым нагревателем воды.on Fig depicts a steam regenerator with a microwave water heater.
Газотурбинный привод электрогенератора представляет собой газотурбинный двигатель, содержащий последовательно размещенные теплообменник жидкого неона 1 для охлаждения воздуха, имеющий вакуумную камеру 2, теплообменник жидкого водорода 3 с вакуумной камерой 4, соединенный с диссоциатором (не показан), выход которого соединен с двухзонной камерой сгорания 5 газотурбинного привода, имеющей коллектор подвода топлива 6 с центральной перегородкой, соединенный трубопроводами с накопителем горючих компонентов 7, и запальное устройство 8, четырехступенчатый сверхзвуковой высоконапорный компрессор 9, соединенный через мультипликатор 10 ведущей шестерней 11 с промежуточным валом турбины 12 и закреплен в подшипнике средней опоры 13, в которой размещен центральный привод, турбодетандер 14, имеющий загрузочное устройство в виде радиально-осевой центростремительной ступени 15, тепломассообменный аппарат 16 и коллектор запуска 17, теплообменный аппарат 18 с агрегатами управления, смонтированный снаружи корпуса турбодетандера 14 и соединенный трубопроводом 19 с его тепломассообменным аппаратом, активно-реактивную пятиступенчатую турбину 20, смонтированную на двух опорах: передней 21 и задней 22, имеющую вал 23, соединенный шаровой муфтой 24 с промежуточным валом 12, связанным через муфту включения 25 с ротором электрогенератора 26, регенератор пара 27, выполненный заодно целое с сопловыми направляющими лопатками первой ступени турбины, второй регенератор пара 28 с микроволновым нагревателем воды 29, установленный за турбиной, накопитель раскаленного каменного угля 30.The gas turbine drive of the electric generator is a gas turbine engine containing a sequentially placed liquid neon heat exchanger 1 for cooling air, having a
Газотурбинный привод электрогенератора работает следующим образом.The gas turbine drive of the electric generator operates as follows.
Теплообменники 1 с вакуумной камерой 2 и 3 с вакуумной камерой 4 (регенераторы холода) охлаждают воздух, поступающий в двигатель, который подсасывается I ступенью ОСВНК 9 и поджимается последующими ступенями до необходимой степени сжатия (Пк), при этом температуры жидкого неона (минус 245°С) и жидкого водорода (минус 253°С) поддерживаются постоянными за счет использования энергии вакуумных камер.Heat exchangers 1 with a
Охлаждение воздуха, проходящего через неоновый теплообменник 1, осуществляется за счет разветвленной площади теплообменника, высокой плотности и удельной холодопроизводительности неона (в 3,3 раза больше, чем у жидкого водорода). Неон, являясь эффективным хладагентом, позволяет получить низкие температуры. Ожижение неона не представляет технических трудностей и обычно производится с помощью жидкого азота (температура кипения равна минус 196°С) с последующим дросселированием. Система охлаждения (неона) закольцована.The cooling of the air passing through the neon heat exchanger 1 is carried out due to the branched area of the heat exchanger, high density and specific cooling capacity of neon (3.3 times more than that of liquid hydrogen). Neon, being an effective refrigerant, allows to obtain low temperatures. Neon liquefaction does not present technical difficulties and is usually carried out using liquid nitrogen (boiling point is minus 196 ° C) followed by throttling. The cooling system (neon) is looped.
Водородный теплообменник 3, установленный за неоновым теплообменником 1, перед входом в ОСВНК 9 позволяет охладить воздух до криогенной температуры (минус 120°С) с последующим понижением энтальпии воздуха, проходящего через контур ОСВНК, в который газообразный воздух подводится от теплообменного аппарата с агрегатами управления 18 трубопроводом 19 с тепломассообменным аппаратом 16 турбодетандера 14.The
При вращении рабочего колеса I ступени ОСВНК 9 (ступень высоконагруженная, сверхзвуковая), закрепленного в подшипнике средней опоры 13 и соединенного через мультипликатор 10 ведущей шестерней 11 с промежуточным валом 12 турбины, за счет сообщенной внешней энергии повышается скорость потока до 600 м/с и выше и перед компрессором обеспечивается разрежение - непрерывное поступление воздуха, самоуплотнение и ускорение переходит в кинетическую энергию с последующим переходом в энергию давления при сжатии в ОСВНК.When the impeller of the 1st stage of the OSVNK 9 is rotated (highly loaded, supersonic), fixed in the bearing of the
От водородного теплообменника 3 газообразный молекулярный водород поступает на диссоциатор (не показан), где электрическим разрядом с частотой 100 МГц расщепляется на атомарный водород, который подается в камеру сгорания 5 на крейсерских режимах работы газотурбинного привода электрогенератора.From a
Дополнительное повышение степени сжатия достигается за счет подачи жидкого воздуха из турбодетандера 14 (температура кипения равна минус 193°С). Через теплообменный аппарат с агрегатами управления 18 воздух подается раздельно (в газообразном состоянии) на каждую ступень ОСВНК для понижения энтальпии воздуха. В конечном итоге все это делается для того, чтобы уменьшить величину удельной энергии, затрачиваемой на сжатие воздуха до максимально возможного значения при минимальном количестве ступеней компрессора, тем самым повышается экономический эффект - снижение металлоемкости и веса всего ОСВНК.An additional increase in the compression ratio is achieved by supplying liquid air from the turboexpander 14 (boiling point is minus 193 ° C). Through a heat exchanger with
К коллектору запуска 17 турбодетандера 14 от стационарной установки подается сжатый воздух давлением 10 кг/см2 и весовым расходом 50-60 кг/с на вход двухзонной камеры сгорания 5 и одновременно пусковое топливо - газообразный молекулярный водород, который поджигается запальным устройством 8.Compressed air with a pressure of 10 kg / cm 2 and a mass flow rate of 50-60 kg / s is supplied to the start-up manifold of the
Пятиступенчатая активно-реактивная турбина 20, смонтированная на двух опорах передней 21 и задней 22, начинает медленно раскручивать вал 23 и передавать вращение жестко связанной с ним шаровой муфте 24, а далее промежуточному валу 12.A five-stage active-reactive turbine 20 mounted on two bearings of the
Газотурбинный привод выходит на обороты «малого газа». Этот режим соответствует жесткому сцеплению муфты включения 25 с ротором электрогенератора 26.The gas-turbine drive reaches the “small gas” speed. This mode corresponds to the tight coupling of the
Начиная с оборотов малого газа газотурбинного привода, управление всей конструктивной системой (включая диссоциатор и т.д.) превращения молекулярного водорода в атомарный водород осуществляется автоматикой.Starting with small gas revolutions of a gas turbine drive, the control of the entire structural system (including a dissociator, etc.) of the conversion of molecular hydrogen into atomic hydrogen is carried out automatically.
На режимах работы газотурбинного привода основным топливом является атомарный водород. Расщепляя молекулярный водород (Н2) на атомы, затрачивается энергия 2,14780·105 кДж/кг, т.е. имеем потери. Однако подавая атомарный водород в камеру сгорания, происходит рекомбинация с выделением теплоты (Q)(2H→Н2+Q(Q=2,2·105 кДж/кг), при этом получается положительный баланс приращения энергии (ΔЕ) (ΔЕ=2,2·105 (кДж/кг)-2,14780·105 (кДж/кг)=0,0522·105 кДж/кг=5,22·103 кДж/кг=5,22·106 Дж/кг). Энергия рекомбинации возвращается в газотурбинный привод и тратится на нагревание поступающего воздуха. Образовавшийся молекулярный водород сгорает в воздухе с дополнительным выделением тепла.At the gas turbine drive operating modes, the main fuel is atomic hydrogen. By splitting molecular hydrogen (H 2 ) into atoms, an energy of 2.14780 · 10 5 kJ / kg is expended, i.e. we have losses. However, supplying atomic hydrogen to the combustion chamber, recombination occurs with the release of heat (Q) (2H → Н 2 + Q (Q = 2.2 · 10 5 kJ / kg), and a positive balance of the energy increment (ΔЕ) is obtained (ΔЕ = 2.2 · 10 5 (kJ / kg) -2.14780 · 10 5 (kJ / kg) = 0.0522 · 10 5 kJ / kg = 5.22 · 10 3 kJ / kg = 5.22 · 10 6 J / kg). The recombination energy is returned to the gas turbine drive and spent on heating the incoming air. The resulting molecular hydrogen is burned in the air with additional heat.
Впрыскивая в камеру сгорания 5 атомарный водород при его рекомбинации в молекулярный водород (Н2), происходит выделение теплоты на порядок больше, чем при любых известных реакциях горения.When atomic hydrogen is injected into the
При горении молекулярного водорода и кислорода (Н2+О2) - удельный импульс равен 526 с. При рекомбинации атомарного водорода (2Н→H2) и последующем сгорании молекулярного водорода - удельный импульс равен 2120 с. Скорость горения атомарного водорода 800 м/с, максимальная скорость распространения пламени при горении молекулярного водорода (Н2) в воздухе равняется 259 см/с.When molecular hydrogen and oxygen (Н 2 + О 2 ) are burned, the specific impulse is 526 s. Upon the recombination of atomic hydrogen (2Н → H 2 ) and the subsequent combustion of molecular hydrogen, the specific impulse is 2120 s. The atomic hydrogen burning rate is 800 m / s, the maximum flame propagation velocity during the combustion of molecular hydrogen (H 2 ) in air is 259 cm / s.
На режимах длительной работы газотурбинного привода во вторую зону камеры сгорания 5 подается из накопителя горючих компонентов 7 водяной газ (смесь окиси углерода и водорода). Теплотворная способность водяного газа составляет 1,1723·107 Дж/м3. Образование водяного газа сопровождается поглощением теплоты, поэтому уголь охлаждается. Чтобы этого не происходило, по трубкам, проложенным внутри накопителя раскаленного угля 30, непрерывно проходит газ с высокой температурой, отбираемый из первой ступени активно-реактивной турбины 20 с целью поддержания температуры раскаленного угля на оптимальном уровне.During continuous operation of the gas turbine drive, water gas (a mixture of carbon monoxide and hydrogen) is supplied to the second zone of the
Из регенератора пара 27, выполненного заодно целое с направляющими лопатками первой ступени активно-реактивной турбины 20, через коллектор 6 с форсунками, расположенными на наружном корпусе камеры сгорания 5, подается водяной пар под требуемым давлением и температурой свыше или равной 1000°С в пространство между наружным корпусом камеры сгорания 5 и жаровой трубой для предварительного нагрева холодного воздуха, поступающего в загрузочное устройство ступени 15 в виде радиально-осевой центростремительной ступени турбодетандера 14.From the steam regenerator 27, which is integral with the guide vanes of the first stage of the active-reactive turbine 20, water vapor is supplied through the
Использование в газотурбинном приводе энергии водяного газа и пара вызвано с одной стороны тем, чтобы не допустить прогаров в деталях жаровой трубы и наружного корпуса камеры сгорания (атомарный водород имеет очень высокую температуру горения), а с другой стороны, используя тепловую энергию водяного газа и пара, тем самым снижаем расход атомарного водорода, что способствует экономии труднодобываемого, дорогого экологически чистого топлива.The use of water gas and steam energy in a gas turbine drive is caused, on the one hand, to prevent burnout in the parts of the flame tube and the outer housing of the combustion chamber (atomic hydrogen has a very high combustion temperature), and on the other hand, using the thermal energy of water gas and steam , thereby reducing the consumption of atomic hydrogen, which contributes to the saving of hard-to-get, expensive environmentally friendly fuel.
Энергия газового потока, выходящего из сопла за турбиной, может быть утилизирована для отопления теплиц, жилищных помещений, подсобных строений и использована в котле-утилизаторе с установкой тепловой турбины и генератора.The energy of the gas stream leaving the nozzle behind the turbine can be utilized for heating greenhouses, residential premises, utility buildings and used in a waste heat boiler with the installation of a heat turbine and generator.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008100869/06A RU2371588C2 (en) | 2008-01-09 | 2008-01-09 | Gas turbine drive of electric generator |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008100869/06A RU2371588C2 (en) | 2008-01-09 | 2008-01-09 | Gas turbine drive of electric generator |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2008100869A RU2008100869A (en) | 2009-07-20 |
RU2371588C2 true RU2371588C2 (en) | 2009-10-27 |
Family
ID=41046707
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2008100869/06A RU2371588C2 (en) | 2008-01-09 | 2008-01-09 | Gas turbine drive of electric generator |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2371588C2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2457346C1 (en) * | 2010-12-16 | 2012-07-27 | Открытое акционерное общество Авиамоторный научно-технический комплекс "Союз" | Gas turbine drive |
EP3042853A1 (en) * | 2015-01-08 | 2016-07-13 | Airbus Group India Private Limited | On-board aircraft oxygen enriched air and nitrogen enriched air generation system and method |
-
2008
- 2008-01-09 RU RU2008100869/06A patent/RU2371588C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2457346C1 (en) * | 2010-12-16 | 2012-07-27 | Открытое акционерное общество Авиамоторный научно-технический комплекс "Союз" | Gas turbine drive |
EP3042853A1 (en) * | 2015-01-08 | 2016-07-13 | Airbus Group India Private Limited | On-board aircraft oxygen enriched air and nitrogen enriched air generation system and method |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2008100869A (en) | 2009-07-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7600368B2 (en) | High compression gas turbine with superheat enhancement | |
US7603860B2 (en) | High efficiency flexfuel internal combustion engine | |
US20100000217A1 (en) | Turbine engine with interstage heat | |
WO2002025083A1 (en) | Two stage expansion and single stage combustion compressed air storage power plant | |
US10634046B2 (en) | Combustion chamber arrangement and system comprising said arrangement | |
RU2066777C1 (en) | Engine | |
Karaali et al. | Efficiency improvement of gas turbine cogeneration systems | |
RU2371588C2 (en) | Gas turbine drive of electric generator | |
RU2199020C2 (en) | Method of operation and design of combination gas turbine plant of gas distributing system | |
Weatherston et al. | The energy exchanger, a new concept for high-efficiency gas turbine cycles | |
EP3146182B1 (en) | System and method for generating electric energy | |
WO2014020277A1 (en) | Device for storing and restoring electrical energy and method for storing and restoring electrical energy using such a device | |
JP6615347B2 (en) | System and method for power generation | |
RU2528214C2 (en) | Gas turbine co-generation power plant | |
US20100300099A1 (en) | Air-medium power system | |
RU2463462C1 (en) | Combined gas turbo expander plant to run on natural gas | |
RU2554392C1 (en) | Hydrogen gas turbine engine | |
RU2561772C1 (en) | Air-jet engine | |
Gvozdetskyi et al. | Gas turbine plant on the basis of the converted aviation engine with heat regeneration | |
RU2379532C1 (en) | Nuclear gas turbine aircraft engine | |
RU2529296C2 (en) | Two-rotor air compressor for combined-cycle plants | |
RU2239080C1 (en) | Gas-turbine engine with turbocooler at inlet | |
US5873233A (en) | Method of operating a gas-turbine group | |
RU2779808C1 (en) | Method for operation of a universal gas turbine power unit | |
US20100150713A1 (en) | Rotating-Plate Radial Turbine in Gas-Turbine-Cycle Configurations |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110110 |