Способ работы газотурбинной установки

 

Использование: в газотурбинном двигателестроении. Сущность изобретения: часть рабочего тела, отбираемую за ступенями сжатия после дополнительного сжатия в дополнительных ступенях сжатия oxлаждают, после нагрева теплообменом с горячими деталями ступеней расширения дополнительно нагревают сжиганием топлива в дополнительной камере сгорания, расширяют в дополнительных ступенях расширения, выделенную работу передают на вал двигателя. Сжигание топлива в дополнительной камере сгорания и расширение части рабочего тела в дополнительных ступенях расширения производят с коэффициентом избытка окислителя меньше 1, а в камере сгорания и ступенях расширения - с коэффициентом избытка окислителя не меньше 1. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к газотурбинному двигателестроению.

Известен способ выполнения термодинамического цикла и охлаждения турбины ГТД [1] (см. с. 248, рис. 94г), в котором из-за последних ступеней сжатия производят отбор части рабочего тела, сжимают ее в дополнительных ступенях сжатия, нагревают теплообменом с горячими деталями ступеней расширения и возвращают в камеру сгорания, смешивая и нагревая сжиганием топлива с основной частью рабочего тела и, далее, ступенчато расширяют.

Способ [1] не позволяет достичь высокой эффективности охлаждения горячих деталей ступеней расширения, т.к. ограничен по расходу и давлению части рабочего тела. Повышены также затраты энергии на сжатие отбираемой части рабочего тела из-за необходимости сжатия ее при высокой температуре.

Известен также способ [2] выбранный в качестве прототипа, включающий сжатие рабочего тела, отбор части рабочего тела после ступеней сжатия, охлаждение ее, дополнительное сжатие в дополнительных ступенях сжатия за счет энергии, отбираемой с вала двигателя, нагрев теплообменом с горячими деталями ступеней расширения, направление в камеру сгорания, смешение и нагрев с основной частью рабочего тела сжиганием топлива, ступенчатое расширение, причем определение расхода части рабочего тела производят из условия преобладания эффективности использования системы охлаждения над затратами, необходимыми для ее функционирования, а степени повышения давления при дополнительном сжатии из условия обеспечения необходимого перепада давления для преодоления гидравлических потерь.

К недостаткам способа-прототипа [2] cледует отнести также невозможность достижения высокой эффективности охлаждения горячих деталей ступеней расширения из-за ограниченности расхода и давления oтбиpae- мой части рабочего тела, т.к. энергия, необходимая для дополнительного сжатия и прокачки части рабочего тела, отбирается с вала двигателя, то величины расхода и давления ограничены условием преобладания эффективности использования системы охлаждения над затратами, необходимыми для ее функционирования.

Отмеченные недостатки устранены в предлагаемом способе. В нем часть рабочего тела после дополнительного сжатия охлаждают, после нагрева теплообменом с горячими деталями ступеней расширения дополнительно нагревают сжиганием топлива в дополнительной камере сгорания, расширяют в дополнительных ступенях расширения, а выделенную работу передают на вал двигателя, причем расход части рабочего тела определяют из условия обеспечения заданной глубины охлаждения горячих деталей ступеней расширения, а степень повышения давления при дополнительном сжатии из условия обеспечения пропускной способности выбранного расхода части рабочего тела при заданном в ней уровне относительных потерь полного давления.

Т.к. величины расхода и давления отбираемой части рабочего тела не ограничиваются, а выбираются из условий обеспечения необходимой глубины охлаждения и заданного уровня относительных потерь полного давления, то обеспечивается высокая, наперед заданная, эффективность охлаждения горячих деталей ступеней расширения с одновременной передачей выделенной дополнительной энергии на вал двигателя. В результате увеличиваются предельные температуры в цикле двигателя, его надежность и ресурс, а также работа цикла.

В отличие от прототипа [2] введены новые операции: отобранную часть рабочего тела после дополнительного сжатия охлаждают, после нагрева теплообменом с горячими деталями ступеней расширения дополнительно нагревают сжиганием топлива в дополнительной камере сгорания, расширяют в дополнительных ступенях расширения, выделенную работу передают на вал двигателя. Эти операции достаточны во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый патент. Для более полной характеристики способа приведены словесные эквиваленты математических формул, позволяющих определить параметры цикла и системы охлаждения.

Если в способе-прототипе [2] давление сжатия части рабочего тела ограничено величиной давления, необходимой для преодоления гидросопротивлений, то в предлагаемом способе давление сжатия всегда значительно больше этой величины.

В предлагаемом способе имеет место органическая связь способа охлаждения со способом выполнения цикла или способом преобразования тепловой энергии в работу за счет включения отбираемой части рабочего тела, используемой в системе охлаждения, в активный термодинамический цикл, т.е. цикл, способный преобразовать тепловую энергию в работу. Предложенный способ охлаждения без способа выполнения термодинамического цикла существовать не может, т.к. только благодаря ему отсутствуют затраты энергии на прокачку части рабочего тела через систему охлаждения со стороны основного контура и возможно интенсивное охлаждение горячих деталей ступеней расширения.

Интенсификация охлаждения достигается за счет увеличения расхода части рабочего тела, проходящей через систему охлаждения. Увеличение расхода обеспечивается путем увеличения плотности части рабочего тела при ее сжатии. В результате мощность, потребная для прокачки части рабочего тела через систему охлаждения, может быть либо уменьшена, либо сохранена неизменной. Последнее хорошо подтверждается опытом [2] (см. с. 18, рис.6).

Во втором пункте формулы изобретения приведены операции, соответствующие оптимальному по составу горючей смеси варианту выполнения способа по п.1. В этом случае дополнительно повышается КПД двигателя и уменьшается токсичность выхлопных газов.

В третьем пункте формулы изобретения приведен один из вариантов конструкции, осуществляющий способы по п.1 и 2. В нем для увеличения и лучшего использования хладоресурса части рабочего тела каналы охлаждения в подвижных и неподвижных горячих деталях соединены через дополнительный теплообменник последовательно друг с другом. Последовательная проводка части рабочего тела через каналы охлаждения позволяет уменьшить расход теплоносителя, что очень важно при использовании воздухо -воздушных теплообменников, когда топливо, используемое на нагрев рабочего тела, обладает ограниченным хладоресурсом.

На фиг. 1 и 2 изображены два варианта схемы ГТД, осуществляющего предлагаемые способы по пп.1 и 2.

Интенсификация охлаждения горячих деталей ступеней расширения достигается за счет увеличения расхода отбираемой части рабочего тела путем повышения ее плотности при дополнительном сжатии. Согласно известной зависимости Nu A·Reⁿ, (1) где Nu, Re критерии Нуссельта и Рейнольдса; А, n эмпирические коэффициенты, увеличение расхода ведет к увеличению коэффициента теплоотдачи при сохранении неизменными температуры теплоносителя и геометрии каналов охлаждения. Несложно получить требуемую величину степени повышения расхода отбираемой части рабочего тела в зависимости от степени интенсификации процесса теплообмена G/G_o = (α/α_o)^1/n, (2) где G, G₀ расходы частей рабочего тела, проходящих через систему охлаждения соответственно при давлениях и скоростях в характерном сечении, равных (P, λ) и (P_o, λ_o);; α, α_o коэффициенты теплоотдачи при расходах G и G₀ соответственно.

Используя известную формулу, связывающую коэффициент суммарного гидросопротивления ζ с коэффициентом восстановления полного давления s где k коэффициент адиабаты; M число Маха; λ безразмерный коэффициент скорости; q(λ), ε(λ) газодинамические функции, определим степень изменения относительных потерь полного давления в зависимости от скорости Из уравнения расхода будем иметь требуемую степень повышения давления в системе охлаждения
Используя формулы (2) и (3), найдем

Из последней формулы видно, что потребная степень повышения давления при дополнительном сжатии зависит от степени интенсификации процесса теплообмена или пропускной способности системы охлаждения выбранного расхода части рабочего тела, а также от уровня относительных потерь полного давления. Величина P^*/P^*_o растет с увеличением α/α_o и уменьшением относительных потерь. Согласно (3) и (4) относительные потери можно уменьшить за счет уменьшения скорости рабочего тела в характерном сечении системы охлаждения при его сжатии (за счет увеличения плотности).

Мощность, потребную для прокачки части рабочего тела, можно найти из формулы

Отсюда видно, что за счет уменьшения скорости хладоагента или относительных потерь полного давления мощность прокачки можно либо уменьшить, либо оставить неизменной. Последнее хорошо подтверждается экспериментом в [2] (см. с. 18, рис. 6).

Приведенные на фиг.1 и 2 варианты схем ГТД осуществляющих способы по п. 1 и 2, отличаются друг от друга тем, что в первом варианте дополнительное сжатие части рабочего тела производится в выносимых ступенях сжатия и дополнительное расширение происходит в двух раздельных ступенях расширения.

Согласно способу по п.1 часть рабочего тела, отобранную из-за ступеней сжатия 1, после дополнительного сжатия в дополнительных ступенях сжатия 2 охлаждают в теплообменнике 3, после нагрева теплообменом с горячими деталями в каналах охлаждения 4 ступеней расширения 5 дополнительно нагревают сжиганием топлива в дополнительной камере сгорания 6, расширяют в дополнительных ступенях расширения 7. Выделенную в результате расширения часть рабочего тела в дополнительных ступенях расширения передают на вал 8 двигателя.

Согласно способу по п.2 сжигание топлива в дополнительной камере сгорания 6 и расширение части рабочего тела в дополнительных ступенях расширения 7 производят с коэффициентом избытка окислителя меньше 1, а в камере сгорания 9 и ступенях расширения 5 с коэффициентом избытка окислителя не меньше 1.

В устройстве, приведенном на фиг. 3, каналы охлаждения в подвижных и неподвижных горячих деталях 10,11 ступеней расширения 5 соединены последовательно друг с другом через включенный между ними третий теплообменник 12, причем входное сечение каналов охлаждения подвижных горячих деталей 10 ступеней расширения 5 подключено к выходу из второго теплообменника 3, а выходное сечение каналов охлаждения в неподвижных горячих деталях 11 ступеней расширения 5 соединено с дополнительной камерой сгорания 6.

Часть рабочего тела, охлажденная в теплообменнике 3, поступает в каналы охлаждения в подвижных горячих деталях 10 ступеней расширения 5. После нагрева в них производится ее охлаждение в теплообменнике 12. В каналах охлаждения в неподвижных горячих деталях 11 ступеней расширения 5 она вновь нагревается и подается затем в дополнительную камеру сгорания 6.

Следует отметить, что лопатки ступеней расширения 5 могут охлаждаться как путем пропускания части рабочего тела непосредственно через них, так и путем пропускания ее через радиаторы теплообменников термосифонных систем и тепловых труб. Сущность способа по п. 1 от этого не изменится, т.к. для межреберных каналов радиаторов также справедлива зависимость (1) [2] (см. с. 81).

Приведенные формулы, сделанные на их основе выводы, известные опытные данные [2] (cм. c. 18, рис. 6), а также схемы ГРД подтверждают возможность осуществления изобретения.

Формула изобретения

1. Способ работы газотурбинной установки, включающий сжатие рабочего тела, отбор части сжатого рабочего тела, дополнительное сжатие и охлаждение его горячих неподвижных и подвижных деталей основных ступеней расширения, последующую подачу ее в камеру сгорания для смешивания с основной частью рабочего тела и нагрева посредством сжигания топлива, ступенчатое расширение с получением полезной работы в основных ступенях расширения, отличающийся тем, что дополнительную отбираемую часть сжатого рабочего тела перед и после дополнительного сжатия охлаждают, а после охлаждения горячих деталей основных ступеней расширения перед подачей в камеру сгорания нагревают сжиганием топлива в дополнительной камере сгорания и расширяют в дополнительных ступенях расширения с получением полезной работы, которую объединяют с полезной работой, полученной от основных ступеней расширения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сжигание топлива в дополнительной камере сгорания производят с коэффициентом избытка окислителя меньше 1, а в камере сгорания не меньше 1.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что подачу отобранной части рабочего тела для охлаждения горячих подвижных и неподвижных деталей ступеней расширения осуществляют последовательно от одних к другим, причем перед подачей рабочего тела от неподвижных деталей к подвижным или наоборот дополнительно осуществляют охлаждение рабочего тела.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3