Способ получения механической энергии в газотурбинном двигателе

 

Использование: в теплоэнергетике, конкретнее в газотурбинных двигателях. Сущность изобретения: сжигание топлива в камере сгорания ГТД и вращение полученными газами трех последовательно расположенных турбин - высокого давления (ТВД), среднего давления (ТСД) и низкого давления (ТНД). ТВД постоянно соединена с компрессором двигателя. ТНД является свободной силовой турбиной и соединена с потребителем мощности. ТСД на номинальной и близких к ней нагрузкам соединяют с компрессором, а на пониженных нагрузках - со свободной силовой турбиной. 1 ил.

Изобретение относится к теплоэнергетике, а конкретнее к газотурбинным двигателям (ГТД).

Известны различные способы получения механической энергии в ГТД с одним компрессором. Эти способы различаются числом используемых турбин и схемой подключения турбин к компрессору и потребителю.

Наиболее простой способ включает в себя подачу в камеру сгорания воздуха от компрессора и топлива, сжигание топлива и вращение полученными газами одной турбины, передающей крутящий момент (мощность) как компрессору, так и потребителю.

Недостатком способа являются неустойчивость работы ГТД при снижении скорости вращения и резкое уменьшение КПД при снижении нагрузки, поэтому область применения способа весьма узка.

Более широко используется способ, по которому полученные в камере сгорания газы вращают последовательно расположенные две турбины - высокого давления (ТВД) и низкого давления (ТНД), причем ТВД передает мощность компрессору, а ТНД (ее в этом случае называют свободной силовой турбиной) - потребителю.

Однако и этот способ характеризуется существенным уменьшением КПД при снижении нагрузки.

Известны способы получения механической энергии в ГТД с одним компрессором, включающие вращение газами трех турбин - высокого, среднего (ТСД) и низкого давления. За прототип изобретения принят способ получения механической энергии, осуществляемый в ГТД, в котором газами вращаются соосно и последовательно размещенные три турбины - ТВД, ТСД и ТНД. Ротор ТВД постоянно соединен с валом компрессора. ТНД является свободной силовой турбиной, ее ротор соединен с валом потребителя. ТСД (вспомогательная турбина) на повышенных нагрузках подключается к компрессору, а на пониженных отключается от него. Этим достигается повышение экономичности на пониженных нагрузках за счет перераспределения части теплоперепада с ТВД на ТНД.

Недостатком используемого в прототипе способа получения механической энергии является низкая экономичность ГТД на режимах, близких к режиму холостого хода, т.к. часть теплоперепада, срабатываемого в соплах отключенной ТСД, не используется затем в ТНД, т.е. превращается в потери.

Целью изобретения является повышение экономичности ГТД на частичных (пониженных) нагрузках.

Эта цель достигается за счет того, что развиваемый ТСД крутящий момент используется на всех режимах работы ГТД. На режимах, близких к номинальному, он передается компрессору, а на режимах, близких к холостому ходу, он передается свободной силовой турбине. Перераспределение крутящего момента ТСД обеспечивается наличием в ГТД двух разобщительных муфт.

На чертеже дана схема ГТД, в котором осуществляется предлагаемый способ.

Двигатель содержит компрессор 1 и размещенные соосно и последовательно три турбины: высокого давления 3, среднего давления 4 и низкого давления 7. Турбина 3 и компрессор 1 закреплены на общем валу 2. Турбина 7 является свободной силовой и закреплена на валу 8, к которому подключается потребитель мощности. Валы 2 и 8 выполнены полыми. Турбина 4 закреплена на валу, передняя часть 5 которого размещена внутри вала 2 соосно с ним, а задняя часть 6 - внутри вала 8 соосно с ним. Для соединения вала 2 и части 5 вала предусмотрена разобщительная муфта 9, а для соединения вала 8 и части 6 вала - разобщительная муфта 10. Между компрессором 1 и турбиной 3 размещена камера сгорания 11.

Предложенный способ получения механической энергии в ГТД осуществляется следующим образом. На всех режимах работы двигателя в камеру сгорания 11 подается воздух от компрессора 1 и топливо. Полученными в результате сгорания топлива газами осуществляется вращение турбин 3, 4 и 7. Крутящий момент от турбины 3 через вал 2 передается компрессору 1. Крутящий момент от турбины 7 через вал 8 передается потребителю мощности. На номинальном и близких к нему режимах включением муфты 9 вал 2 и часть 5 вала соединяются и крутящий момент от турбины 4 передается компрессору 1, муфта 10 на этих режимах разобщена. На пониженных режимах, близких к режиму холостого хода, муфта 9 разобщается, а муфта 10 включается. В результате соединяются вал 8 и часть 6 вала и крутящий момент от турбины 4, суммируясь с крутящим моментом свободной силовой турбины 7, передается потребителю мощности.

Отключение турбины 4 от компрессора 1 приводит к существенному снижению производительности компрессора на пониженных режимах и, как следствие, к повышению температуры газов вплоть до номинальной. В результате повышается экономичность ГТД на указанных режимах.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ГАЗОТУРБИННОМ ДВИГАТЕЛЕ, включающий сжигание топлива в камере сгорания и вращение полученными газами роторов последовательно расположенных турбин высокого, среднего давления и свободной, силовой и передачу крутящего момента к компрессору и потребителю энергии, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности на частичных режимах путем повышения температуры газа, на повышенных режимах, близких к номинальному, осуществляют передачу крутящего момента от турбины среднего давления к компрессору, а на пониженных режимах, близких к режиму холостого хода, от турбины среднего давления и свободной силовой турбины к потребителю энергии.

РИСУНКИ

Рисунок 1