Способ преобразования энергии в газотурбинной установке замкнутого цикла и устройство для его осуществления

 

Использование: на тепловых и атомных электростанциях, на надводных и подводных судах, а также в наземных транспортных установках. Сущность изобретения: осуществление сепарации твердых частиц с помощью роторов винтовых машин, имеющих одинаковые размеры профиля и углы наклона винтов, установленных на общих валах в противофазе с изохорными теплообменными аппаратами - нагревателем 3, рекуператором 4 и охладителем 5. Изобретение позволяет реализовать цикл Стирлинга, повысить экономичность и сократить габариты силовой установки. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТ8Е1+Ый КОМИТЕТ

IlO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ЮхюжДра ю

Ыа

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

I (21) 4881860/06

{22) 12.11.90 (46) 23,11.92. Бюл, ЬЬ 43 (71) Ленинградский кораблестроительный институт (72) Н.Ф.Галицкий (56) Труды Краснодарского политехнического института. Вып.3, 1973, с. 98 — 1 02.

Патент США г Ь 3258925, кл. F 02 С 6/00, опублик. 1966. (54) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ В ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКЕ

ЗАМКНУТОГО ЦИКЛА И УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

5U,, 177б843 А1 (505 F 01 С 1/10 ! ! йм;.

Г

1 (57) Использование; на тепловых и атомных электростанциях, на надводных и подводных судах, а также в наземных транспортных установках. Сущность изобретения: осуществление сепарации твердых частиц с помощью роторов винтовых машин, имеющих одинаковые размеры профиля и углы. наклона винтов. установленных на общих валах в противофазе с изохорными теплообменными аппаратами — нагревателем 3, рекуператором 4 и охладителем 5.

Изобретение позволяет реализовать цикл

Стирлинга повысить экономичность и со кратить габариты силовой установки. 2 с.п, ф-лы, 1 ил.

1776843

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано на тепловых и атомных электростанциях, на морских надводных и подводных судах, а также на транспортных машинах.

Известен аналог — способ преобразования энергии в газотурбинной установке замкнутого цикла (1), В нем сначала производят сжатие с промежуточным охлаждением чистого газа в двух лопаточных компрессорах, затем подогревают газ в рекуператоре теплом отработавшего газа, после этого смешивают гаэ с твердыми частицами в количестве 10 кг/1 кг газа в смесителе. Затем смесь нагревают в реакторе и расширяют в лопаточной турбине. В результате этого тепловая энергия здесь преобразуется в механическую. Часть ее расходуется на сжатие газа в компрессорах. а остающаяся часть отдается внешнему потребителю. Газ расширяют в туроине при постоянной температуре иэотермически. так как ему передают тепло твердые частицы, После этого твердые частицы удаляют из отработавшего газа в сепараторе, охлаждают газ в рекуператоре и концевом охладителе и вновь подают в компрессоры, а твердые частицы транспортируют струйным газовым компрессором и смешивают с газом, Газотурбинная установка замкнутого типа содержит два лопаточных компрессора на общем валу, промежуточный охладитель, рекуператор, нагреватель — атомный реактор, двухфазное рабочее тело — смесь газа с твердыми частицами, турбину на общем валу с компрессорами. сепаратор и смеситель твердых частиц с газом, а также концевой охладитель газа, замыкающий цикл. ственное снижение КПД лопаточной машины-турбины при работе на двухфазном рабочем теле с концентрацией частиц 10 кг/1 Kl газа. которая является оптимальной для получения наивысшего КПД цикла; неизотермическое сжатие газа в компрессорах с промежуточным охлаждением снижает

КПД термодинамического цикла, наличие двух компрессоров, промежуточного охладителя, сепаратора значительных размеров и смесителя усложняет установку, увеличивает ее габариты, а наличие струйного газового компрессора, имеющего низкий КПД, снижает экономичность установки. Наконец, осуществление теплоотдачи в упомянутых теплообменных аппаратах при постоянном давлении также приводит к увеличению площади теплообменных поверх-. результате указанные недостатки снижают эффективность способа и газотурбинной установки, которая включает в себя как экономичность, так и габариты.

5 Известен прототип — способ преобразования энергии в газотурбинной установке замкнутого цикла и газотурбинная установка замкнутого типа . В этом способе производят сжатие смеси газа и твердых частиц

10 в лопаточном компрессоре при постоянной температуре- изотермически благодаря поглощению тепла нагревающегося газа твердыми частицами. На выходе из компрессора твердые частицы отделяют от газа в сепара15 торе и возвращают на вход в концевой охладитель. После этого сжатый гаэ подогревают в рекуператоре теплом отработавшего газа, смешивают с твердыми частицами и полученную смесь окончательно 20 нагревают в.нагревателе или реакторе. Далее ее расширяют в лопаточной турбине при постоянной температуре — изотермически благодаря передаче тепла от твердых частиц охлаждающемуся газу. На выходе из

25 турбины твердые частицы отделяются от газа в сепараторе и вновь подают их газоструйным компрессором на вход в нагреватель, где они смешиваются с подсгрвтым газом. Затем очищенный отработав30 ший газ охлаждают в рекуператоре, смешивают с твердыми частицами и охлаждают в концевом охладителе, откуда смесь снова направляют в компрессор. Тепловую энергию рабочего тела преобразуют в меха35 ническую в лопаточной турбине, часть механической энергии затрачивается на сжатие газа в компрессоре, а остальную часть передают внешнему потребителю.

Газотурбинная установка замкнутого

40 типа содержит лопаточный компрессор, Недостатками аналога являются: суще- связанную с ним лопаточную турбину, рекуператор, нагреватель, концевой охладитель, рабочее тело — смесь газа с твердыми частицами, сепараторы твердых частиц на выходе

45 иэ компрессора и турбины, смесители и газоструйные компрессоры на входе в охладитель и нагреватель.

Недостатками этого способа преобразования энергии является пониженная эф50 фективность вследствие низких КПД процессов сжатия и расширения соответственно в компрессоре и турбине, увеличенное количество тепла, передаваемого в теплообменных аппаратах, работающих

55 при постоянном давлении.

Недостатком самой гаэотурбинной установки замкнутого типа является: лопаточный тип компрессора и турбины принципиально не способный работать с ностей и габаритов теплообменников. В высоким КПД на смеси газа с твердыми ча1776843 стицами с концентрацией последних 5-10 кг/1 кг газа, а также газоструйный тип компрессора для транспортировки отсепарированных твердых частиц., обладающий низким КПД, огромные объемы и габариты теплообменных аппаратов, обусловленные теплопередачей при постоянном давлении, составляющие в существующих ГТУ замкнутого типа около 90% общего объема, занимаемого установкой беззубчатой передачи, а также наличие в ее составе громоздких стационарных циклонных сепараторов твердых частиц, которые еще более увеличивают габариты ГТУ. Все указанные недостатки существенно снижают эффективность, как способа преобразования энергии, так и самой ГТУ замкнутого типа.

Целью изобретения является повышение эффективности способа преобразования энергии в газотурбинной установке замкнутого цикла и газотурбинной установки замкнутого типа. . Эта цель достигается тем, что в способе преобразования энергии в газотурбинной установке замкнутого цикла, заключающемся в изотермическом сжатии в компрессоре. и расширении в турбине рабочего тела с твердыми частицами, сепарации твердых частиц, нагреве рабочего тела перед расширением и охлаждении его перед сжатием, тем, что сжатие и расширение производят в компрессоре и турбине винтового типа, сепарацию твердых частиц осуществляют за счет вращения винтов, а нагрев и охлаждение рабочего тела осуществляют при постоянном объеме посредством вращения винтов в противофазе с одинаковым числом оборотов.

Указанная цель достигается в гаэотурбинной установке замкнутого типа, содержащей установленные на одном валу компрессор и турбину, работающие на рабочем теле с твердыми частицами, соединенный с входом турбины нагреватель, подключенный к входу в компрессор по охлаждаемой среде холодильник, теплообменник, подключенный входом по охлаждаемой среде к выходу из турбины, а по нагреваемой — к выходу из компрессора, выходом по нагреваемой среде к нагревателю, а по охлаждаемой — к холодильнику, устройства подачи холодных и горячих твердых частиц тем, что компрессор и турбина выполнены винтового типа, имеющими роторы с одинаковыми размерами, профилями и углами наклона витков и снабжены патрубками сбора отсепарированных твердых частиц, подключенными соответственно к охлаждаемой и нагреваемой сторонам холодильника и нагревателя и соединенными с устройствами подачи твердых частиц, последние выполнены в виде шнековых транспортеров с выходами размещенными соответственно на входе в компрессор и турбину.

Винтовой тип компрессора и турбины вместо лопаточных турбомашин в прототи10 пе, в условиях работы в среде двухфазного рабочего тела содержащего 5-10 кг твердых частиц на 1 кг газа, позволяет повысить КПД процессов сжатия и расширения на 5-10$ за счет уплотнения зазоров между винтовыми ро1Ърами и корпусом твердыми частицами и устранить недостаток существующих винтовых машин. Последние, будучи, как поршневые машины, объемно вытеснительными позволяют осуществить в энергетиче20 ской установке замкнутый цикл Стирлинга

Однако в отличие от поршневых машин они обладают более высокой быстроходностью, отсутствием возвратно-поступательного движения массивных поршневых механизмов, поэтому позволяют реализовать более высокие агрегатные мощности, способные удовлетворить большую энергетику. Одинаковые геометрические размеры, профили, новленных на общих валах в противофазе, обеспечивают одинаковые, но противоположное изменение объема их парных полостей и этим позволяют осуществить

35 передачу тепла в теплообменных аппаратах — нагревателе, рекуператоре, охладителе при постоянном объеме, что существенно сокращает количество передаваемого тепла по сравнению с теплопередачей при посто40 янном давлении. Это в свою очередь приводит к сокращению площади теплообменных поверхностей в них в К - - раз, равные

c„

v показателю изоэнтропы (адиабаты) рабоче45 ro газа, нагреваемого и охлаждаемого в этих аппаратах. В случае гелия упомянутые поверхности сокращаются в 1,6 раза, в случае азота — в 1,4 раза, что резко уменьшает габариты установки.

Сепарация твердых частиц винтами компрессора и турбины в конце соответственно процессов сжатия и расширения исключает.из состава установки громоздкие стационарные сепараторы и этим также существенно сокращаются габариты установ55 ки по сравнению с прототипом. Шнековые транспортеры твердых частиц с газом, из которых один вращает второй за счет переноса давления, создаваемого копрессором, а также обычные распылители исключают углы наклона витков соответственных рото30 ров винтовых компрессора и турбины, уста1776843

10

25

35

55 потери энергии в основном потоке рабочего тела, который в прототипе проходит через струйные транспортеры-смесители Вентури, обладающие низким КПД. Изохорные теплообменные аппараты, предложенные автором, в которых с помощью пластинчатых клапанов сокращается вредное пространство и его негативное влияние позволяет повысить КПД цикла Стирлинга в условиях мощных энергетических установок. Все это вместе взятое повышает эффективность.

В результате проведенного анализа научно-технической и патентной литературы автором не обнаружены решения со сходными признаками и полезным эффектом, который они обеспечивают, Поэтому, по мнению автора, предлагаемое решение обладает существенными отличиями, На чертеже изображен продольный разрез газотурбинной установки замкнутого типа, в которой реализуется предложенный способ, цикл Стирлинга и устройство.

Установка содержит винтовой компрессор 1, связанную общим валом с ним турбину винтового типа 2, изохорные нагреватель

3, рекуператор 4, охладитель 5. На выходе из компрессора 1 и винтовой турбины 2 установлены патрубки 6 для сбора и вывода твердых частиц и примыкающие к ним соответственно ведущий шнековый транспортер 7 и ведомый шнековый транспортер 7 на общем валу 8. На входе в полости сжатия компрессора 1 и полости расширения винтовой турбины 2 установлены обычные распылители 9 твердых частиц, Геометрические размеры, профили, углы наклона витков соответственных ведомых и ведущих роторов компрессоры,1 и винтовой турбины 2 одинаковы, но они установлены на общих валах s противофазе, В качестве нагревателя может использоваться атомный реактор. Вал 8 шнековых транспортеров 7 соединен цепной или зубчатой передачей 10 с общим ведущим валом компрессора 1. и винтовой турбины 2, Выход газа из винтового компрессора 1 подключен к входу в нагреваемую сторону изохорного рекуператора 4, а выходной патрубок 6 отсепарированных винтами компрессора твердых частиц связан через ведущий шнековый транспортер 7 с изохорным охладителем 5, установленным на входе в компрессор 1 и сообщающимся с выходом греющей стороны рекуператора 4.

Выход газа из винтовой турбины 2 подключен к входу греющей стороны рекуператора

4, а выходной патрубок 6 твердых частиц, отсепарированных винтами турбины, связан через ведомый шнековый транспортер

7 с входом в изохорный нагреватель 3, установленный на входе в винтовую турбину 2 и сообщенный с выходом нагреваемой стороны рекуператора 4. Для пуска установки предусмотрен вспомогательный пусковой двигатель 11, а для поворота лопастей 13

ВРШ вЂ” гидравлический механизм 12.

Формула изобретения

1. Способ преобразования энергии в газотурбинной установке замкнутого цикла, заключающийся в изотермических сжатиях в компрессоре и расширении в турбине рабочего тела с твердыми частицами, сепарации твердых частиц, нагреве рабочего тела перед расширением и охлаждении его перед сжатием, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, сжатие и расширение производят в компрессоре и турбине винтового типа, сепарацию твердых частиц осуществляют за счет вращения винтов, а нагрев и охлаждение рабочего тела осуществляют при постоянном объеме посредством вращения винтов, в противофазе с одинаковым числом оборотов, 2. Устройство для преобразования энергии в газотурбинной установке замкнутого цикла, содержащая установленные на одном валу компрессор и турбину, работающие на рабочем теле с твердыми частицами, соединенный с входом турбины нагреватель, подключенный к входу в компрессор по охлаждаемой среде холодильник, теплообменник, подключенный входом flo охлаждаемой среде к выходу из турбины, а по нагреваемой — к выходу из компрессора и выходом по охлаждаемой к холодильнику, устройства подачи холодных и горячих твердых частиц, о т л и ч а ю щ е е с я тем. что компрессор и турбина выполнены винтового типа, имеющими роторы с одинаковыми размерами, профилями и углами наклона винтов и снабжены патрубками сбора отсепарированных твердых частиц, подключенными соответственно к охлаждаемой и нагреваемой сторонам холодильника и нагревателя и соединенными с устройствами подачи твердых частиц, последние выпал нены в виде шнековых транспортеров с выходами, размещенными соответственно на входе в компрессор и турбину.