Газотурбінний двигун

Реферат: Газотурбінний двигун містить одновальний чи багатовальний газогенератор та силовий турбокомпресорний агрегат, що складається з вала, силової турбіни пере розширення, регенератора для підігріву газу поперед камери згоряння, охолоджувача газу га дотискуючого компресора, причому між турбіною компресора та силовою турбіною перерозширення силового турбокомпресорного агрегату встановлена камера згоряння проміжного підігріву газу. UA 93472 U (54) ГАЗОТУРБІННИЙ ДВИГУН UA 93472 U UA 93472 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до теплових двигунів, зокрема до газотурбінних двигунів (ГTД), які використовуються як приводи газоперекачувальних агрегатів (ГПА) газопроводів і ГПА морських нафтогазовидобувних платформ, генераторів теплових електростанцій і головних двигунів суднових енергетичних установок (СЕУ). Відомі ГТД СЕУ, що реалізують цикл Брайтона - див., наприклад, патент України № 76, МПК (2006) F02C 3/00, патент України № 24458, МПК (2006) F01D 17/00, патент України № 73206. МПК (2006) F02C 3/00 та ін. Недоліки приведених двигунів у тому, що у них невисока питома потужність, для підвищення загальної потужності потрібна значна реконструкція газогенератору та ГТД не виробляє теплової енергії, бо не є когенераційним. За прототип заявленої корисної моделі вибрано ГТД за патентом України № 398 МПК (2006) F02C 3/00. Одним з шляхів підвищення ККД є ГТД з регенератором теплоти відпрацьованих газів, тобто які працюють за ускладненому циклу і підвищеним коефіцієнтом корисної дії (ККД) завдяки утилізації теплоти відпрацьованих газів. Перспективним й нетрадиційним є спосіб підвищення ККД за рахунок перетворення частини внутрішньої енергії відпрацьованих газів, яка утилізується, в додаткову механічну енергію з застосуванням турбіни перерозширення на виході з силової турбіни. З урахуванням регенератора і охолоджувача газу, встановленого перед дотискаючим компресором, це дозволяє підвищити ефективний ККД і потужність ГТД, утилізацію теплоти відпрацьованих газів на найсучаснішому технічному рівні зі зменшенням забруднення та утеплення атмосфери, забезпечуючи все підвищуючи економічні та екологічні вимоги до СЕУ. Недоліки цього ГТД у тому, що в ньому при наявності турбіни перерозширення недостатньо високий потенціал (особливо температура) газу, що розширюється у турбіні перерозширення й відсутність можливості подальшого підвищення питомої потужності ГТД. У заявленої корисної моделі вирішується задача створення ГТД з підвищеною потужністю без зміни конструкції газогенератора, високою питомою потужністю ГТД когенераційного типу, що виробляє механічну та теплову енергію. Для СЕУ суден зі значними масогабаритними характеристиками, особливо за наявності регенератора, вага якого порівнюється з вагою ГТД, серйозною проблемою є підвищення питомої потужності ГТД. Перспективним шляхом вирішення цієї проблеми є застосування у ГТД з турбіною перерозширення і регенератором ще додаткового проміжного підігріву газу в камері згоряння, встановленої між турбіною компресора газогенератора та силовою турбіною перерозширення. При цьому ККД ГТД збільшується на 15…25 % відносних, питома потужність двигуна - в 1,5…1,65 разу. Крім цього, з'являється ще один перемінний параметр - підігрів газу перед СТП, який дозволяє регулювати характеристики ГТД. Поєднання камери проміжного підігріву саме з силовою турбіною перерозширення дозволяє максимально використовувати потенціал енергії, яка виробляється в результаті додаткової затрати палива у камері згорання проміжного підігріву. Це нетрадиційне ускладнення циклу Брайтона ГТД, де здійснюється внутрішньо циклова утилізація теплоти відпрацьованих газів в силовому турбокомпресорному агрегаті (ТКА), який складається з силової турбіни перерозширення, встановлених між ними регенератора та охолоджувача газу, й дотискуючого компресора, з'єднаного валом з силовою турбіною перерозширення. Силова турбіна перерозширення також валом з'єднана з навантаженням. Охолоджувач газу в ТКА може бути використано як утилізаційний котел для забезпечення тепловою енергією загальносуднових та технологічних споживачів. Таким чином, ГТД з ТКА (включно з регенератором теплоти) є когенераційною установкою, яка дозволяє, наприклад, на нафтоналивних суднах забезпечити підігрів нафти, яка перевозиться в танках. При цьому теплотехнічний ККД досягає 80…85 %, він характеризує ступінь корисного використання теплоти палива. Другим варіантом (п. 2 формули корисної моделі) є конструкція ГТД, у якому силова турбіна виконана вільною, а турбіна перерозширення, що встановлена на одному валу з дотискуючим компресором, з регенератором та охолоджувачем газу між ними утворюють турбокомпресорний утилізатор. Обидва варіанти ГТД за п. 1 та п. 2 формули корисної моделі можуть мати одновальний чи багатовальний газогенератор (наприклад, у двокаскадних ГТД - двовальний), а навантаження може бути розташоване як попереду компресора газогенератора, так і за дотискуючим компресором. Авторами у Севастопольському національному технічному університеті виконані розрахункові наукові дослідження ефективності заявленої корисної моделі ГТД як на номінальному, так і на змінних режимах його роботи, що підтвердили підвищення характеристик двигуна: питомої потужності, ефективного коефіцієнту корисної дії (паливної економічності) та теплотехнічного ККД. На основі наукових досліджень авторів проектне бюро з ГТД ЗМКБ 1 UA 93472 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 "Прогрес", м. Запоріжжя розробило технічну пропозицію (ескізний проект) ГТД з камерою проміжного підігріву газу та турбокомпресорним утилізатором: завдяки введенню камери промпідігріву та ТКУ потужність ГТД підвищилась з 10 МВт до 16 МВт, на 20 % відносних підвищився ефективний ККД, питома потужність підвищилась у 1,5 разу, теплотехнічний ККД цього когенераційного ГТД досяг 75…80 %. Особливе покращення характеристик двигуна здійснюється на часткових та змінних режимах роботи. Креслення. На фіг. 1 (п. 1 формули корисної моделі) зображений газотурбінний двигун з силовим турбокомпресорним агрегатом. Він включає одновальний чи многовальний газогенератор, який складається, наприклад, для одновального газогенератора з компресора К, основної камери згоряння КЗ, турбіни компресора ТК, яка приводить до обертання компресор К. Стиснутий у компресорі К повітря надходить до регенератора Р, де підігрівається теплом відпрацьованих газів з силової турбіни перерозширення СТП (без додаткової витрати палива) й з підвищеною температурою надходить до камери згоряння КЗ. На виході з газогенератора - на вході до силової турбіни перерозширення СТП встановлено камеру проміжного підігріву газу КЗП, в якій при згорянні палива додатково підвищується температура газу, що надходить з газогенератору. Силова турбіна перерозширення СТП з'єднана валом ВДК з дотискуючим компресором, а валом ВН - з валом навантаження Н (наприклад, з - редуктором, валопроводом і гребним гвинтом судна). Вал навантаження може знаходитись як попереду ГТД, так і позаду за дотискуючим компресором ДК. У силовій турбіні перерозширення СТП газ додатково розширюється до тиску, нижче атмосферного: СТП підвищує ступінь внутріциклової утилізації тепла та виробляє додатково механічну потужність без додаткового згоряння палива - частина з цієї потужності витрачується на привід дотискуючого компресора ДК, а остання - підвищує загальну та питому потужність ГТД. Охолоджувач газу ОГ (який може бути використано як котел-утилізатор КУ), охолоджує газ, який надходить з регенератора Р та охолоджений газ надходить у ДК, й тим зменшує роботу стиску газу в ДК і, відповідно, потужність на його привід від силової турбіни перерозширення СТП. Теплова енергія, яка виробляється в котлі-утилізаторі КУ, наприклад, підігріта у ньому вода (що подається насосом), може бути використана для виробничих (наприклад, підігрів нафти у танкерах) або побутових споживачів, що значно підвищує загальний теплотехнічний ККД ГТД до 80…85 %. Силова турбіна перерозширення СТП, яка встановлена на одному валу ВДК з дотискуючим компресором ДК, разом з регенератором Р і охолоджувачем газу ОГ утворюють силовий турбокомпресорний агрегат (ТКА). Такий ГТД з ТКА є когенераційним, бо окрім механічної енергії виробляє значну кількість теплової енергії з високим теплотехнічним ККД. Після дотискуючого компресора ДК газ надходить у систему вихлопу газу й далі у атмосферу. Після охолодження відпрацьованого газу у регенераторі Р та у охолоджувачі газу ОГ в атмосферу за ДК викидається газ із значно більш низькою температурою, що значно покращує екологічні характеристики ГТД. На фіг. 2 (п. 2 формули корисної моделі) зображений газотурбінний двигун з вільним турбокомпресорним утилізатором. Він включає одновальний чи багатовальний газогенератор, який складається, наприклад, для одновального газогенератора з компресора К, основної камери згоряння КЗ, турбіни компресора ТК, яка приводить до обертання компресор К. Стиснутий у компресорі К повітря надходить до регенератора Р, де підігрівається теплом відпрацьованих газів з турбіни перерозширення ТП (без додаткової витрати палива) й з підвищеною температурою надходить до камери згоряння КС. Нa виході з газогенератора - на вході до силової турбіни СТ встановлено камеру проміжного підігріву газу КЗП, в якій при згорянні палива додатково підвищується температура газу, що надходить з газогенератору. Силова турбіна СТ виконана вільною та з'єднана валом ВН з валом навантаження Н (наприклад, з редуктором, валопроводом і гребним гвинтом судна). Вал навантаження може знаходитись як попереду ГТД, так і позаду за дотискуючим компресором ДК. Після силової турбіни СТ газ надходить до турбіни перерозширення ТП, де газ додатково розширюється до тиску, нижче атмосферного: ТП підвищує ступінь внутріциклової утилізації тепла та виробляє додаткову механічну потужність без додаткового згоряння палива - потужність її витрачається на привід дотискуючого компресора ДК. Охолоджувач газу ОГ (який може бути використано як котел-утилізатор КУ), охолоджує газ, який надходить з регенератора Р та охолоджений надходить у ДК, й тим зменшує роботу стиску газу в ДК і, відповідно, потужність на його привід від турбіни перерозширення ТП. Теплова енергії, яка виробляється в котлі-утилізаторі КУ, наприклад, підігріта у ньому вода 2 UA 93472 U 5 10 (що подається насосом), може бути використана для виробничих (наприклад, підігрів нафти у танкерах) або побутових споживачів, що значно підвищує загальний теплотехнічний ККД ГТД до 80…85 %. Турбіна перерозширення ТП, яка встановлена на одному валу ВДК з дотискуючим компресором ДК, разом з регенератором Р і охолоджувачем газу КУ утворюють вільний турбокомпресорний утилізатор (ТКУ). Такий ГТД з ТКУ є когенераційним, бо окрім механічної енергії виробляє значну кількість теплової енергії з високим теплотехнічним ККД. Після дотискуючого компресора ДК газ надходить у систему вихлопу газу й далі у атмосферу. Після охолодження відпрацьованого газу у регенераторі Р та у охолоджувачі газу ОГ в атмосферу викидається газ із значно більш низькою температурою, що значно покращує екологічні характеристики ГТД. Обидва варіанти ГТД за п. 1 та п. 2 формули корисної моделі можуть мати одновальний чи багатовальний газогенератор (наприклад, у двокаскадних ГТД - двовальний), а навантаження може бути розташоване як попереду компресора газогенератора, так і за дотискуючим компресором. 15 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 1. Газотурбінний двигун, що містить одновальний чи багатовальний газогенератор та силовий турбокомпресорний агрегат, що складається з вала, силової турбіни перерозширення, регенератора для підігріву газу поперед камери згоряння, охолоджувача газу га дотискуючого компресора, який відрізняється тим, що між турбіною компресора та силовою турбіною перерозширення силового турбокомпресорного агрегату встановлена камера згоряння проміжного підігріву газу. 2. Газотурбінний двигун за п. 1, який відрізняється тим, що силова турбіна виконана вільною, а турбіна перерозширення, що встановлена на одному валу з дотискуючим компресором, з регенератором та охолоджувачем газу між ними утворюють турбокомпресорний утилізатор. 3 UA 93472 U Комп’ютерна верстка С. Чулій Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4