RU34216U1 - Газотурбинная установка - Google Patents

Description

20бз 127296 i j . J,, , пусь iMlita in 9 MnKF04D25/00,25/02 F04D29/00,29/04

ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к областн компрессоро- и турбостроения и касается конструкторских решений организации замкнутого цикла газотурбинной установки и оптимизации условий включения узла регенерации газотурбинной установки и камеры сгорания ы систему газотурбинной установки.

Известна конструкция турбокомпрессора (см. патент RU2186233 от 23.11.2000, опубл. 27.07.2002) с организацией системы уплотнений, компенсирующих протечки путем стабилизации давлений воздуха в думисной полости компрессора и передней думисной полости турбины. Применение в турбинах и компрессорах коьшенсаторов компенсирует деформации трубопроводов. Конструкция отличается сложностью, что не позволяет существенно повысить КПД. Ее использование предназначено для газотурбинного двигателя при нестационарньЬс режимах работы.

За прототип принята конструкция газотурбииной установки, состоящей из турбины, закрепленной на валу компрессора по патенту RU 2199675 (от 25.09.01, опубл. 27.02.2003). Проточная часть турбины сообщена с камерой сгорания, которая соединена с компрессором. Питающий коллектор, подсоединенный к форсункам, разделен на центральную и периферийную полости. Камера сгорания сообщена с турбиной и компрессором через инжектор, предназначенный для нагнетания атмосферного воздуха в проточную часть турбины. Имеется питающий и байбасный трубопровод. Однако инжектор не участвует в регенерации выхлопных газов и оптимизации условий работы камеры сгорания. Рещение направлено на повьппение надежности запуска при малых расходах воздуха. Установка плохо рещает проблему со1фащення внутренних потерь в компрессоре и потерь тепла в камере сгорания, что снижает объем пропуска рабочего тела и приводит к уменьщению КПД установки. Кроме того, не рещается вопрос повышения полезной мощности установки за счет повышения степени регенерации, уменьшения гидравлического сопротивления в воздушных и газовых трактах газотурбинной установки, что приводит к заниженному КПД установки.

Задачей создания предлагаемого решения является повышение эффективного КПД путем повышения объема пропуска рабочего тела и оптимизации температуры рабочего тела за камерой сгорания. (полезная модель)

Техническим результатом полезной модели является повышение полезной мопцюсти газотурбинной установки за счет оптимизации полного цикла газотурбинной установки. Повышение полезной мопцюсти газотурбинной установки осуществляется за счет повышения степени регенерации, уменьшения гидравлического сопротивления в воздушных и газовых трактах газотурбинной установки и оптимизации температуры рабочего тела на выходе из камеры сгорания за счет наилучшего сгорания топлива, обеспечивающего экономию топлива.

В предложенной полезной модели решается задача оптимизации соотношения диаметровг выходного трубопровода компрессора, выхлопного трубопровода турбины, степени регенерации и гидравлического сопротивления в воздушных трактах установки, а также количества сгоревшего в камере сгорания топлива и температуры рабочего тела установки за камерой сгорания. При этом, за счет конструктивного решения частей всей газотурбинной установки достигается следующее. Осуществляется оптимизация соотношения отбираемого из турбины выхлопного газа и давления в компрессоре, при котором обеспечивается подача в регенератор требуемого количества сжатого воздуха. При заданной степени регенерации и уменьшенных динамических потерях в трубопроводах, которые обеспечивает трубчатый регенератор, одновременно создаются более благоприятные условия для сгорания топлива в камере сгорания за счет более высокой скорости подачи воздуха в зону горения. Все вьппесказанное приводит в итоге к более экономичному использованию энергии выхлопных газов, экономии топлива, уменьшению потерь тепла в камере сгорания и улучшению состояния рабочего тела газотурбинной установки.

Поставленная задача достигается за счет того, что в известной газотурбинной установке, состоящей из компрессора с закрепленной на его валу турбиной, камеры сгорания, регенератора, выходного трубопровода компрессора и выхлопного трубопровода турбины. Выходной трубопровод компрессора и выхлопной трубопровод турбины для отбираемого из компрессора воздуха и выхлопных газов из турбины, выбраны из условий оптимизации их диаметров, рассчитанных в соответствии с услбвйём: минимизации потерь утилизированного из турбины тепла и динамических на гидравлическое сопротивление в воздушном и газовом трубопроводах газотурбинной установки, трубопроводы соединены с регенератором трубчатого исполнешш, обеспечивающим заданную степень повышения давления в компрессоре и оптимизацию температуры рабочего тела за камерой сгорания за счет выбора степени регенерации газа не менее 0,82 и уменьшения гидравлического сопротивления в воздушных и газовых трубопроводах газотурбинной установки.

За счет улучшенных характеристик регенератора более полно используется энергия сжатого юздуха, обеспечиваемая компрессором, и температура утилизированного тепла. Вследствие этого уменьшение внутренних потерь в газотурбинной установке приводит к повышению эффективного КПД установки, за счет увеличения отношения эффективной работы установки к действительному количеству теплоты, затраченному на нагрев 1 кг воздуха в камере сгорания.

Таким образом, путем меньших потерь в регенераторе трубчатого исполнения и соответствия выходных трубопроводов компрессора и турбины оптимальным выходным параметрам, решается задача лучшего теплообмена от выхлопных газов из турбины к воздуху в камеру сгорания и большей скорости подачи воздуха в камеру сгорания. Так, например, при пластинчатом регенераторе суммарное относительное сопротивление значительно превышало 6%, в то время, как в трубчатом регенераторе это величина составляет максимум - 5,5%, а степень регенерации 70% - у пластинчатого и 82% - у трубчатого регенератора. Это позволяет более полно использовать давление, создаваемое в компрессоре, обеспечить заданный обьем рабочего тела на выходе камеры сгорания при экономии окислителя и топлива Лучшие условия сгорания топлива при подаче более горячего воздуха, являющегося окислителем, и лучшее перемешивание его с топливом в результате более высокой скорости воздуха приводит к более полному сгоранию топлива, что в свою очередь повышает эффективный КПД и таким образом обеспечивает технический результат, заключающийся в повышении ЮПД установки в целом. Так за счет оптимизации достигается увеличение КПД с 0,25 до 0,32.

Полезная модель поясняется чертежом, где представлен фрагмент газотурбинной установки с узлом регенерации.

Газотурбинная установка состоит из компрессора 1 и закрепленной на его валу турбиной 2. Выходной трубопровод 3 компрессора соединен с входом 4 регенератора трубчатого исполнения 5, а выходной трубопровод 6 турбины соединен с другим входом 7 регенератора 5, выход регенератора 8 соединен с камерой сгорания 9. Размеры выходных трубопроводов 3 и 6 выбраны из условий оптимальной скорости и оптимального теплообмена соответственно. Регенератор 5 выполнен трубчатым из расчета заданного объема газа на выходе камеры сгорания 9. При выборе трубопровода учитывалось условие оптимального соотношения температуры рабочего тела за камерой сгорания, которое за счет предложенного технического решения достигает температуры, которая на 50 °С выше, что приводит к наилучшей, оптимальной степени повьппения температуры в цикле ГТУ - т - не менее 0,04.

Лри работе газотурбинной установки на вход 7 регенератора 5 подается утилизированное тепло по выходному трубопроводу 6 турбины 2, а на вход 4 регенератора подается воздух из компрессора 1 по трубопроводу 3. Параметры трубопроводов соответственно для компрессора выбраны из условий оптимизации давления в компрессоре, а для турбины - оптимизации потерь утилизированного тепла из турбины. Таким образом, добиваются уменьшения потерь степени повышения давления в компрессоре - тс при заборе воздуха из компрессора и более полной (с наименьшими потерями) передачи тепла, что повышает степень регенерации ji и тепловой КЦЦ камеры сгорания. В регенераторе трубчатого исполнения со степенью регенерации не менее 0,82 и потерями регенерации не более 0,042 , т.е. путем меньших потерь в регенераторе, происходит лучший теплообмен тепла выхлопных газов и воздуха, и как следствие большего нагрева воздуха его подача в камеру сгорания 9 осуществляется на большей скорости. Процесс перемешивания в камере сгорания происходит эффективней и приводит к большей равномерности температурного поля за камерой сгорания 9.

Таким образом, добиваются оптимального р, за счет конструкторских решений организации замкнутого цикла газотурбинной установки и расчетных величин диаметров выходного трубопровода компрессора и выхлопного трубопровода турбины.

Claims (1)

1. Газотурбинная установка, содержащая компрессор с закрепленной на его валу турбиной, камеру сгорания, регенератор, выходной трубопровод компрессора и выхлопной трубопровод турбины, отличающаяся тем, что выходной трубопровод компрессора и выхлопной трубопровод турбины для отбираемого из компрессора воздуха и выхлопных газов из турбины, выбраны из условий оптимизации их диаметров, рассчитанных в соответствии с условием минимизации потерь утилизированного из турбины тепла и динамических потерь на гидравлическое сопротивление в воздушном и газовом трубопроводах газотурбинной установки, трубопроводы соединены с регенератором трубчатого исполнения, обеспечивающим заданную степень повышения давления в компрессоре и оптимизацию температуры рабочего тела за камерой сгорания за счет выбора степени регенерации газа не менее 0,82 и уменьшения гидравлического сопротивления в воздушных и газовых трубопроводах газотурбинной установки.