Газотурбинная энергетическая установка с рекуперацией тепла

Газотурбинная энергетическая установка с рекуперацией тепла содержит газотурбинный блок, включающий в себя центробежный компрессор, осевую турбину с выходом в сторону компрессора, кольцевой газовоздушный рекуператор, размещенный в осевом пространстве между компрессором и турбиной. Рекуператор содержит корпус с размещенным внутри него теплообменником с входной и выходной трубными досками и теплообменной матрицей. Теплообменная матрица выполнена в виде набора теплообменных пластин, размещенных между трубными досками и закрепленных в них своими торцами с образованием кольцевой формы матрицы. Плоскости симметрии каждой теплообменной пластины имеют радиальное направление, соответствующее углу установки в трубных досках с образованием радиально ориентированных щелей между ними для прохода горячего газа из-за турбины в радиальном направлении от центра к периферии кольцевой матрицы. Каждая теплообменная пластина содержит каналы для прохода нагреваемого воздуха от входной до выходной трубных досок с направлением, параллельным оси газотурбинного блока. Каналы своими выступающими профилями по отношению к плоскостям симметрии теплообменных пластин располагаются в местах впадин профиля соседних теплообменных пластин, образованных тонкими перемычками между воздушными каналами последних, создавая извилистую конфигурацию радиально ориентированных щелей с проходящим в них горячим газом. Изобретение направлено на повышение эффективности теплообмена и уменьшение доли ручного труда при изготовлении теплообменной матрицы. 3 з.п. ф-лы, 11 ил.

 

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано в качестве энергетической установки стационарного или транспортного назначения в виде основного, резервного и аварийного источника электроэнергии и тепла.

Известны газотурбинные энергетические установки с рекуперацией тепла с последовательно установленными по тракту рабочего тела компрессором с отводящим воздуховодом, теплообменником, камерой сгорания с подводящим воздуховодом после подогрева в теплообменнике (см. патент РФ №2224901, МПК F02C 7/10, опубл. 27.02.2002 г.).

Главным недостатком таких энергоустановок является способ ввода в теплообменник нагреваемого воздуха и способ вывода нагретого воздуха из него, а именно через посредство воздуховодов, требующих сбора воздуха в патрубок после кольцевого выхода из компрессора и развода воздуха после нагрева в теплообменнике снова в кольцо на входе в кольцевую камеру сгорания. Все указанные операции сопровождаются ощутимыми потерями давления и вызывают усложнение конструкции корпусов газотурбинного блока.

Кроме того, теплообменники таких энергоустановок зачастую бывают с трубчатой матрицей теплообмена, отличающейся относительно низкой эффективностью теплообмена с единицы площади и большой трудоемкостью сборки.

Задачей изобретения являются повышение эффективности теплообмена и существенное уменьшение доли ручного труда при изготовлении теплообменной матрицы.

Указанный технический результат достигается тем, что в газотурбинной энергетической установке с рекуперацией тепла, содержащей газотурбинный блок, включающий в себя центробежный компрессор, осевую турбину с выходом в сторону компрессора, кольцевой газовоздушный рекуператор, размещенный в осевом пространстве между компрессором и турбиной, и содержащий корпус с размещенным внутри него теплообменником с входной и выходной трубными досками и теплообменной матрицей, при этом теплообменная матрица выполнена в виде набора теплообменных пластин, размещенных между трубными досками и закрепленных в них своими торцами с образованием кольцевой формы матрицы, плоскости симметрии каждой теплообменной пластины имеют радиальное направление, соответствующее углу установки в трубных досках с образованием радиально ориентированных щелей между ними для прохода горячего газа из-за турбины в радиальном направлении от центра к периферии кольцевой матрицы, причем каждая теплообменная пластина содержит каналы для прохода нагреваемого воздуха от входной до выходной трубных досок с направлением, параллельным оси газотурбинного блока, кроме того, эти каналы своими выступающими профилями по отношению к плоскостям симметрии теплообменных пластин располагаются в местах впадин профиля соседних теплообменных пластин, образованных тонкими перемычками между воздушными каналами последних, создавая извилистую конфигурацию радиально ориентированных щелей с проходящим в них горячим газом.

Кроме того, в газотурбинной энергетической установке каждая из теплообменных пластин состоит из двух одинаковых исходных пластин с набором выштамповок на всю длину в соответствии с расстоянием между трубными досками и направлением прохода нагреваемого воздуха, в количестве, соответствующем количеству радиально чередующихся рядов каналов для прохода нагреваемого воздуха, исходные пластины зеркально соединены друг с другом герметичными швами, например электросваркой, расположенными вдоль всех выштамповок, причем в концах всех образованных воздушных каналов герметично, например, посредством пайки установлены переходники с выступающими по отношению к торцам пластин концами для последующего герметичного соединения с трубными досками.

Также в газотурбинной энергетической установке в пакет с соединяемыми исходными пластинами, а именно, в стык между ними, установлена третья ровная по профилю исходная пластина, имеющая местные вырубки по краям для размещения переходников, при этом, толщина третьей исходной пластины занимает в проходной площади каналов для прохода нагреваемого воздуха 2…2,5%

Кроме того, в газотурбинной энергетической установке в третьей исходной пластине в местах ее нахождения внутри каналов для прохода нагреваемого воздуха, по всей длине этих каналов, выполнены турбулизаторы потока воздуха, например в виде чередующихся по направлению потока выштамповок.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена принципиальная конструктивная схема продольного разреза газотурбинной установки с рекуперацией тепла.

На фиг.2 представлен фрагмент А поперечного сечения кольцеобразной теплообменной матрицы с радиально направленными теплообменными пластинами, содержащими воздушные каналы, и радиально ориентированными извилистыми щелями для прохода газа.

На фиг.3 представлен внешний вид обогреваемой поверхности теплообменной пластины с выступающими концами переходников.

На фиг.4 представлен в поперечном сечении пакет из двух исходных пластин перед их соединением.

На фиг.5 представлена в поперечном сечении образующаяся теплообменная пластина после соединения двух исходных пластин.

На фиг.6 представлена в продольном сечении герметичная заделка переходников в теплообменной пластине.

На фиг.7 представлен в поперечном сечении пакет из трех исходных пластин перед их соединением.

На фиг.8 представлена в поперечном сечении образующаяся теплообменная пластина после соединения трех исходных пластин.

На фиг.9 представлен внешний вид третьей исходной пластины с ровным профилем с вырубками для установки переходников.

На фиг.10 представлен внешний вид третьей исходной пластины с выштамповками-турбулизаторами.

На фиг.11 представлено продольное сечение по череде выштамповок для одного из воздушных каналов теплообменной пластины.

Газотурбинная энергетическая установка с рекуперацией тепла содержит центробежный компрессор 1, осевую турбину 2 с выходом в сторону компрессора, кольцевой газовоздушный рекуператор 3, размещенный в осевом пространстве между компрессором и турбиной и содержащий корпус 4 с размещенным внутри него теплообменником 5 с входной 6 и выходной 7 трубными досками и теплообменной матрицей 8. Теплообменная матрица 8 выполнена в виде набора теплообменных пластин 9, размещенных между трубными досками 6 и 7 и закрепленных в них. Плоскости симметрии 10 каждой теплообменной пластины 9 имеют радиальное направление, соответствующее углу установки в трубных досках 6 и 7 с образованием радиально ориентированных щелей 11 между ними. Каждая теплообменная пластина 9 содержит каналы 12, оси которых параллельны оси газотурбинного блока.

Кроме того, выступающие профили 13 по отношению к плоскостям симметрии 10 располагаются в местах впадин 14 профиля соседних теплообменных пластин 9, образованных тонкими перемычками 15, создавая извилистую конфигурацию 16 у радиальных ориентированных щелей 11.

Каждая из теплообменных пластин 9 состоит или только из двух одинаковых исходных пластин 17, или из двух этих исходных пластин 17 в сочетании с установленной между ними исходной пластиной 18. Пакет исходных пластин и в одном и в другом варианте соединены герметичными швами 19. Исходные пластины 17 имеют несколько рядов выштамповок 20 на всю длину 21, образующих полупрофиль воздушных каналов 12. Оси выштамповок 20 направлены параллельно оси газотурбинного блока, а их количество соответствует количеству воздушных каналов 12. Во всех концах воздушных каналов 12 герметично установлены переходники 21 таким образом, что они по отношению к торцам 22 теплообменных пластин 9 имеют выступающие концы 23 для последующего герметичного соединения с трубными досками 6 и 7.

В варианте теплообменных пластин, содержащих три исходные пластины, третья исходная пластина 18 по краям в местах размещения переходников 21 имеет местные вырубки 24.

Исходные пластины 18 выполняются из листа, толщина которого занимает в проходной площади воздушных каналов 12 2...2,5% для минимизации потерь давления в потоке нагреваемого воздуха. При этом через участки пластин 18, находящиеся внутри воздушных каналов 12, проходит дополнительный поток тепла в центр струи воздуха, что интенсифицирует теплообмен.

С целью дополнительной интенсификации теплообмена возможен вариант исполнения исходных пластин 18 с турбулизаторами 25. Форма и количество турбулизаторов могут быть оптимизированы между увеличением уровня теплообмена в единице площади теплообмена и приемлемым увеличением уровня потерь давления в нагреваемом воздухе.

Газотурбинная установка с рекуперацией тепла работает следующим образом.

После запуска газотурбинной установки атмосферный воздух поступает в центробежный компрессор 1, после повышения давления в нем сжатый воздух поступает на фронт входной трубной доски 6 и через отверстия в последней поступает в воздушные каналы 12 теплообменных пластин 9 (которые своим множеством образуют теплообменную матрицу 8 кольцевой формы с множеством щелей 11). Проходя пространство до выходной трубной доски 7, сжатый воздух нагревается и подогретый поступает в камеру сгорания, а затем, дополнительно нагретый после сжигания топлива, в виде газа проходит через осевую турбину 2 и отдает в ней часть тепловой энергии для создания работы. С остающимся запасом тепловой энергии газ после турбины проходит через радиально ориентированные щели 11 теплообменной матрицы 8, прогревает стенки 13 воздушных каналов 12 и перемычки 15 теплообменных пластин 9. В результате тепло поступает в потоки нагреваемого воздуха.

В варианте исполнения теплообменных пластин 9 из трех исходных пластин (двух 17 и одной 18) тепловые потоки идут в каналы 12 двумя путями. Помимо теплопередачи через стенки 13, тепло из прогретых перемычек 15 проходит в центр каналов 12 по исходной пластине 18.

В варианте, где в исходной пластине 18 выполнены турбулизаторы, потоки нагреваемого воздуха в каналах 12 постоянно перемешиваются, увеличивая, тем самым, температурный напор при теплообмене, что влечет дополнительную интенсивность подогрева воздуха. Подобный же эффект происходит при извилистом протекании газа по щелям 11.

По сравнению с трубчатым исполнением теплообменной матрицы толщины стенок теплообменных пластин могут быть в 3....5 раз меньше толщин стенок труб, что также интенсифицирует теплообмен.

Исполнение теплообменной матрицы из набора теплообменных пластин существенно сокращает ручной труд при их изготовлении, так как:

- каждая из теплообменных пластин состоит из изготовляемых в штампе исходных пластин;

- соединяются исходные пластины между собой, образуя теплообменные, посредством сварочной машины для контактной сварки;

- переходники в теплообменной пластине устанавливаются посредством пайки в печи с одновременным нагревом;

- сборка теплообменной матрицы из трубных досок и теплообменных пластин осуществляется также в печи с одновременным нагревом всех соединяемых элементов конструкции.

1. Газотурбинная энергетическая установка с рекуперацией тепла, содержащая газотурбинный блок, включающий в себя центробежный компрессор, осевую турбину с выходом в сторону компрессора, кольцевой газовоздушный рекуператор, размещенный в осевом пространстве между компрессором и турбиной и содержащий корпус с размещенным внутри него теплообменником с входной и выходной трубными досками и теплообменной матрицей, при этом теплообменная матрица выполнена в виде набора теплообменных пластин, размещенных между трубными досками и закрепленных в них своими торцами с образованием кольцевой формы матрицы, плоскости симметрии каждой теплообменной пластины имеют радиальное направление, соответствующее углу установки в трубных досках с образованием радиально ориентированных щелей между ними для прохода горячего газа из-за турбины в радиальном направлении от центра к периферии кольцевой матрицы, причем каждая теплообменная пластина содержит каналы для прохода нагреваемого воздуха от входной до выходной трубных досок с направлением, параллельным оси газотурбинного блока, кроме того, эти каналы своими выступающими профилями по отношению к плоскостям симметрии теплообменных пластин располагаются в местах впадин профиля соседних теплообменных пластин, образованных тонкими перемычками между воздушными каналами последних, создавая извилистую конфигурацию радиально ориентированных щелей с проходящим в них горячим газом.

2. Газотурбинная энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что каждая из теплообменных пластин состоит из двух одинаковых исходных пластин с набором выштамповок на всю длину в соответствии с расстоянием между трубными досками и направлением прохода нагреваемого воздуха в количестве, соответствующем количеству радиально чередующихся рядов каналов для прохода нагреваемого воздуха, исходные пластины зеркально соединены друг с другом герметичными швами, например, электросваркой, расположенными вдоль всех выштамповок, причем в концах всех образованных воздушных каналов герметично, например, посредством пайки, установлены переходники с выступающими по отношению к торцам пластин концами для последующего герметичного соединения с трубными досками.

3. Газотурбинная энергетическая установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что в пакет с соединяемыми исходными пластинами, а именно в стык между ними, установлена третья ровная по профилю исходная пластина, имеющая местные вырубки по краям для размещения переходников, при этом толщина третьей исходной пластины занимает в проходной площади каналов для прохода нагреваемого воздуха 2…2,5%.

4. Газотурбинная энергетическая установка по п.3, отличающаяся тем, что в третьей исходной пластине в местах ее нахождения внутри каналов для прохода нагреваемого воздуха по всей длине этих каналов выполнены турбулизаторы потока воздуха, например, в виде чередующихся по направлению потока выштамповок.