Малоразмерный газотурбинный двигатель с регенерацией тепла



Малоразмерный газотурбинный двигатель с регенерацией тепла
Малоразмерный газотурбинный двигатель с регенерацией тепла
Малоразмерный газотурбинный двигатель с регенерацией тепла

 


Владельцы патента RU 2563079:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" (RU)

Малоразмерный газотурбинный двигатель с регенерацией тепла содержит компрессор с входным устройством, газовоздушный рекуперативный теплообменник, камеру сгорания, турбину привода компрессора и свободную турбину привода потребителя эффективной мощности, расположенные в едином корпусе с газосборником. Теплообменник установлен после турбин, соединен входом воздуха с выходом компрессора через воздушную полость, а выходами - с входами жаровых труб камеры сгорания и соединен входами газовых каналов с выходом свободной турбины, а выходами - с газосборником двигателя. Камера сгорания выполнена трубчато-кольцевой, а теплообменник - из модулей. Жаровые трубы камеры сгорания и модули теплообменника интегрированы в единый узел. При этом модули теплообменника и жаровые трубы камеры сгорания равномерно расположены по окружности. Жаровые трубы размещены между модулями теплообменника. Выходы воздуха модулей теплообменника гидравлически соединены с входами жаровых труб камеры сгорания через кольцевой воздушный коллектор. Выходы жаровых труб подключены к турбине привода компрессора через индивидуальные газоходы. Вал свободной турбины соединен с потребителем эффективной мощности через редуктор с выводным валом. Изобретение позволяет повысить экономичность, уменьшить габаритные размеры и массу двигателя. 3 ил.

 

Изобретение может быть использовано в двигателях вертолетов и самолетов с большой продолжительностью полета, легких беспилотных летательных аппаратов, наземных транспортных средств, вспомогательных силовых установок (ВСУ) и в качестве мобильных энергетических установок.

Интерес к улучшению экономичности сохраняется на протяжении всего периода развития газотурбинных двигателей (ГТД).

Регенерация тепла выхлопных газов посредством установки в двигателе теплообменника является эффективным средством улучшения экономичности ГТД. Трудности реализации этого технического решения связаны с усложнением конструкции, увеличением габаритов и массы двигателя из-за установки теплообменника (особенно в авиационных малоразмерных газотурбинных двигателях).

Развитие ГТД в рамках традиционной схемы путем повышения параметров цикла (степени повышения полного давления компрессора π к * и температуры торможения газа Т г * ), применительно к малоразмерным ГТД (МГТД) приводит к уменьшению проточной части двигателя и уменьшению лопаточных венцов ротора. Вследствие этого увеличиваются относительные зазоры и растут утечки воздуха и гидравлические потери, что ведет к снижению кпд компрессора, турбин и двигателя в целом. Использование регенерации тепла выхлопных газов в таких двигателях оказывает такое же влияние на экономичность двигателя, как и повышение параметров цикла ( π к * и Т г * ), однако кпд узлов не уменьшаются (в отдельных случаях даже увеличиваются), а эффективный кпд двигателя также увеличивается.

Предшествующие конструкции теплообменников - большие и тяжелые, поэтому они мало подходили для использования на летательных аппаратах (ЛА). Двигатели для ЛА должны иметь минимальный наружный диаметр и вес, что улучшает их аэродинамическое качество.

Имеется ряд патентов-аналогов, в которых использованы разные схемы компоновки теплообменников в двигателе, например:

- заявка США №2011/0146226 используется применительно к ГТД с выносным теплообменником. Теплообменник является самостоятельным узлом и располагается в отдельном газовоздушном тракте. Такая схема обеспечивает хорошие теплофизические показатели и не требует большой переделки серийного ГТД. Однако компоновка применима только для наземного использования, так как значительно увеличиваются массовые и габаритные параметры двигателя;

- заявка США №2009/0282804 (Honeywell International Inc.) используется применительно к турбовальному ГТД. Традиционный для фирмы Honeywell МГТД с трубчатой камерой сгорания (КС) и обратным током газа после КС. Кольцевой теплообменник является самостоятельным узлом и опоясывает камеру сгорания и турбины. Однако система подвода и отвода теплоносителей сложна. Имеются дополнительные потери давления в подводящих и отводящих патрубках. Увеличены наружный диаметр и масса двигателя;

- патент США №7,961,510 используется применительно к вспомогательной газотурбинной установке (ВСУ). Здесь использован многоходовой трубчатый теплообменник и обеспечивается высокая степень регенерации тепла выхлопных газов. Однако теплообменник соизмерим с базовым двигателем без теплообменника. С теплообменником габаритные размеры и масса двигателя увеличиваются почти вдвое. Система подвода и отвода теплоносителей сложна.

Наиболее близким аналогом того же назначения, что и заявляемое техническое решение, является газотурбинный двигатель с системой рекуперации тепла (заявка США №2013/0255268 А1). Двигатель содержит компрессор с входным устройством, рекуперативный теплообменник с воздушным и газовым контурами, камеру сгорания, турбину привода компрессора и свободную турбину, расположенные в едином корпусе. Теплообменник установлен после турбин, соединен входом воздушного контура с выходом компрессора, а выходом - с входом камеры сгорания. Теплообменник соединен входом газового контура с выходом свободной турбины, а выходом - с газосборником двигателя. Данная компоновка двигателя способна обеспечить хорошую степень регенерации тепла выхлопных газов и надежную работу теплообменника. Однако при этом значительно увеличиваются габаритные размеры (наружный диаметр, длина) и масса двигателя.

В основу изобретения положено решение следующих задач:

- уменьшение габаритных размеров и массы МГТД с теплообменником;

- повышение экономичности МГТД.

Поставленные задачи решаются тем, что малоразмерный газотурбинный двигатель с регенерацией тепла содержит газотурбинный блок, включающий в себя компрессор с радиальным входным устройством, газовоздушный рекуперативный теплообменник, камеру сгорания, турбину привода компрессора и свободную турбину с валом привода потребителя эффективной мощности. Причем теплообменник установлен после свободной турбины, соединен входом воздуха с выходом компрессора через воздушную полость, а выходом - с входом камеры сгорания и соединен входом газа с выходом свободной турбины, а выходом - с газосборником.

Новым в изобретении является то, что камера сгорания выполнена трубчато-кольцевой, а теплообменник - из отдельных модулей. Жаровые трубы камеры сгорания и модули теплообменника интегрированы в единый узел. При этом модули теплообменника и жаровые трубы камеры сгорания равномерно расположены по окружности. Причем жаровые трубы камеры сгорания размещены между модулями теплообменника. Выходы воздуха модулей теплообменника гидравлически соединены с входами жаровых труб камеры сгорания через кольцевой воздушный коллектор. Выходы жаровых труб камеры сгорания гидравлически соединены с турбиной привода компрессора через индивидуальные газоходы. Кроме того, вал свободной турбины соединен с потребителем эффективной мощности через редуктор с выводным валом.

Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленных задач, так как:

- трубчато-кольцевая камера сгорания МГТД по сравнению с кольцевой камерой позволяет обеспечить компактное размещение модулей теплообменника и индивидуальных жаровых труб в едином узле двигателя. Это уменьшает габаритные размеры и массу МГТД;

- применение в двигателе теплообменника, который обеспечивает непрерывный подогрев сжатого воздуха из компрессора горячими газами свободной турбины, который затем подается в камеру сгорания, обеспечивая существенное повышение экономичности МГТД;

- формирование жаровых труб камеры сгорания и модулей теплообменника в интегральный узел, ограниченный на входе и выходе кольцевыми стойками и заключенный в единый корпус, где модули теплообменника и жаровые трубы равномерно расположены по окружности, причем жаровые трубы размещены между модулями теплообменника, обеспечивает дополнительный подогрев воздуха в теплообменнике (кроме подогрева воздуха горячими газами из-за свободной турбины), а кольцевые стойки включены в силовую схему двигателя, что обеспечивает хорошую механическую прочность и повышает экономичность МГТД;

- соединение выходов воздушных полостей модулей теплообменника гидравлически с входами жаровых труб камеры сгорания через кольцевой воздушный коллектор и подключение выходов жаровых труб к турбине привода компрессора через индивидуальные газоходы обеспечивает малые потери полного давления и, дополнительно, повышает экономичность МГТД.

Таким образом, реализация предложенных технических решений позволяет решить поставленные в изобретении задачи для МГТД с регенерацией тепла, а также создать модельный ряд высокоэффективных МГТД различной размерности и назначения.

Предложенный МГТД с регенерацией тепла выхлопных газов позволяет:

- повысить экономичность МГТД на 25-30% по сравнению с двигателем без теплообменника;

- обеспечить компактность конструкции МГТД и минимальное увеличение габаритных размеров по сравнению с двигателями-аналогами, имеющими теплообменники.

Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием МГТД с регенерацией тепла и его работы со ссылкой на иллюстрации, представленные на фиг. 1-3, где:

на фиг. 1 изображен продольный разрез МГТД;

на фиг. 2 - поперечный разрез А-А интегрального узла камеры сгорания и теплообменника МГТД на фиг. 1;

на фиг. 3 - продольный разрез интегрального узла камеры сгорания и теплообменника в аксонометрической проекции.

Малоразмерный газотурбинный двигатель с регенерацией тепла содержит (см. фиг. 1-3) компрессор 1 с радиальным входным устройством 2, газовоздушный рекуперативный теплообменник 3, камеру сгорания 4, турбину 5 привода компрессора 1 и свободную турбину 6 с валом 7 привода потребителя эффективной мощности. Теплообменник 3 установлен после свободной турбины 6, соединен входом воздуха с выходом компрессора 1 через воздушную полость 8, а выходом - с входом камеры сгорания 4 и соединен входом газа с выходом свободной турбины 6, а выходом - с газосборником 9. Камера сгорания 4 выполнена трубчато-кольцевой, а теплообменник 3 - из отдельных модулей 10. Жаровые трубы 11 камеры сгорания 4 и модули 10 теплообменника 3 интегрированы в единый узел. При этом модули 10 теплообменника 3 и жаровые трубы 11 камеры сгорания 4 равномерно расположены по окружности. Жаровые трубы 11 камеры сгорания 3 размещены между модулями 10 теплообменника 4. Выходы воздуха модулей 10 теплообменника 3 гидравлически соединены с входами жаровых труб 11 камеры сгорания 4 через кольцевой воздушный коллектор 12. Выходы жаровых труб 11 камеры сгорания 4 гидравлически соединены с турбиной 5 привода компрессора 1 через индивидуальные газоходы 13. Кроме того, вал 7 свободной турбины 6 соединен с потребителем эффективной мощности (не показано) через редуктор 14 с выводным валом 15. Конструкция модулей 10 теплообменника 3 может быть различной, в том числе пластинчатой или трубчатой.

МГТД работает следующим образом (см. фиг. 1). Воздух из атмосферы, поступающий через входное устройство 2 в двигатель, сжимается в компрессоре 1, а затем через воздушную полость 8 направляется на входы воздуха модулей 10 теплообменника 3. Подогретый горячими газами из свободной турбины 6 в модулях 10 теплообменника 3 воздух поступает в воздушный коллектор 12. Из коллектора 12 сжатый и подогретый воздух направляется на входы жаровых труб 11 камеры сгорания 4. Отдельно в форсунки 16 каждой жаровой трубы камеры сгорания 4 подается топливо. В камере сгорания 4 осуществляется образование, воспламенение и сгорание топливовоздушной смеси (ТВС). Газ продуктов сгорания ТВС, нагретый до заданной температуры, через индивидуальные газоходы 13 из жаровых труб 11 камеры сгорания 4 направляется на турбину 5, в которой кинетическая энергия газа преобразуется в механическую работу турбины 5 привода компрессора 1. Далее газ, потерявший часть своей энергии в турбине 5, направляется на свободную турбину 6, в которой его кинетическая энергия преобразуется в механическую работу, которая через вал 7 и редуктор 14 передается на выводной вал 15 привода потребителя эффективной мощности. Расширившись почти до атмосферного давления, но все еще горячий газ продуктов сгорания из свободной турбины 6 через кольцевую газовую полость 17 направляется на входы газа модулей 10 теплообменника 3. Проходящий в газовых полостях модулей теплообменника 3 горячий газ продуктов сгорания подогревает проходящий в воздушных полостях модулей теплообменника 3 сжатый в компрессоре 1 воздух и далее собирается в газосборнике 9. Из газосборника 9 газ выбрасывается в атмосферу (не показано).

Малоразмерный газотурбинный двигатель с регенерацией тепла, содержащий газотурбинный блок, включающий в себя компрессор с радиальным входным устройством, газовоздушный рекуперативный теплообменник, камеру сгорания, турбину привода компрессора и свободную турбину с валом привода потребителя эффективной мощности, причем теплообменник установлен после свободной турбины, соединен входом воздуха с выходом компрессора через воздушную полость, а выходом - с входом камеры сгорания и соединен входом газа с выходом свободной турбины, а выходом - с газосборником, отличающийся тем, что камера сгорания выполнена трубчато-кольцевой, а теплообменник - из отдельных модулей, жаровые трубы камеры сгорания и модули теплообменника интегрированы в единый узел, при этом модули теплообменника и жаровые трубы камеры сгорания равномерно расположены по окружности, причем жаровые трубы камеры сгорания размещены между модулями теплообменника, выходы воздуха модулей теплообменника гидравлически соединены с входами жаровых труб камеры сгорания через кольцевой воздушный коллектор, а выходы жаровых труб камеры сгорания гидравлически соединены с турбиной привода компрессора через индивидуальные газоходы, кроме того, вал свободной турбины соединен с потребителем эффективной мощности через редуктор с выводным валом.



 

Похожие патенты:

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

Изобретение относится к энергетическим установкам и может быть использовано при создании наземных установок для получения электроэнергии и тепла с высокой эффективностью и при высоких экологических показателях, в том числе и при утилизации твердых бытовых и промышленных отходов (ТБО).

Изобретение относится к энергосберегающим технологиям в области теплоэнергетики, в частности к утилизации тепла газов. .

Изобретение относится к области теплоэнергетики. .

Изобретение относится к области энергомашиностроения, а именно к проблеме вредного экологического воздействия газотурбинных установок (ГТУ) на окружающую среду, в первую очередь, выбросов окислов азота.

Изобретение относится к энергетическим и транспортным установкам и касается газотурбинных установок. .

Регенеративная газотурбодетандерная установка собственных нужд компрессорной станции содержит газопровод топливного газа высокого давления, связанный с магистральным газопроводом высокого давления, турбодетандер с регулируемым сопловым аппаратом, компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, электрогенератор, газопровод топливного газа среднего давления, утилизационный подогреватель топливного газа высокого давления, редукционное устройство. Газопровод топливного газа высокого давления через утилизационный подогреватель топливного газа высокого давления связан с входом турбодетандера, выход которого через трубопровод топливного газа среднего давления связан с камерой сгорания. В газопровод топливного газа высокого давления подают весь топливный газ высокого давления для всех газоперекачивающих агрегатов компрессорной станции и газотурбодетандерной установки. Регенеративная газотурбодетандерная установка дополнительно снабжена регенеративным воздухоподогревателем, утилизационным подогревателем топливного газа среднего давления, газоводяным подогревателем топливного газа, утилизационными теплообменниками выхлопных газов газоперекачивающих агрегатов. Ротор турбодетандера связан общим валом с ротором компрессора газотурбодетандерной установки, а ротор газовой турбины связан общим валом с ротором электрогенератора. В выхлопном газоходе газовой турбины по ходу газов установлены регенеративный воздухоподогреватель, утилизационный подогреватель топливного газа высокого давления и утилизационный подогреватель топливного газа среднего давления. Газопровод топливного газа высокого давления через утилизационный подогреватель топливного газа высокого давления соединен с входом турбодетандера, выход которого через утилизационный подогреватель топливного газа среднего давления и газоводяной подогреватель топливного газа связан газопроводом топливного газа с камерами сгорания газотурбодетандерной установки и с камерами сгорания газоперекачивающих агрегатов. Утилизационные теплообменники выхлопных газов газоперекачивающих агрегатов соединены трубопроводами теплоносителя с газоводяным подогревателем топливного газа. Газопровод топливного газа высокого давления соединен через редукционное устройство с газопроводом топливного газа. Изобретение позволяет увеличить мощность и КПД газотурбодетандерной установки. 1 ил.

Компрессорная станция магистрального газопровода с газотурбодетандерной энергетической установкой снабжена газотурбинными газоперекачивающими агрегатами с нагнетателями природного газа и аппаратами воздушного охлаждения. Газотурбодетандерная энергетическая установка содержит газопровод топливного газа высокого давления, сепаратор, теплообменник-регенератор, турбодетандер с регулируемым сопловым аппаратом и устройством для его управления, газотурбинную установку. Газопровод топливного газа высокого давления соединен через сепаратор и теплообменник-регенератор с входом турбодетандера и обеспечивает топливоснабжение газотурбодетандерной энергетической установки и всех газоперекачивающих агрегатов компрессорной станции. Газотурбодетандерная энергетическая установка выполнена регенеративной и дополнительно снабжена эжекторной турбохолодильной машиной с низкотемпературным рабочим телом. Выход турбодетандера соединен через газопровод топливного газа среднего давления, газопровод топливного газа газотурбодетандерной установки с камерой сгорания этой установки, а также через газопроводы топливного газа с камерами сгорания газотурбинных газоперекачивающих агрегатов. Выхлопной газоход газовой турбины газотурбодетандерной энергетической установки связан с атмосферой через дополнительный регенеративный воздухоподогреватель и теплообменник-регенератор. Изобретение направлено на повышение мощности и экономичности газотурбодетандерной установки и газоперекачивающих агрегатов компрессорной станции. 2 ил.
Наверх