Турбокомпрессорная энергетическая установка

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано в конструкциях турбокомпрессорных установок с замкнутым термодинамическим циклом Брайтона. Турбокомпрессорная энергетическая установка включает турбокомпрессор, нагреватель рабочего тела и теплообменник-рекуператор, объединенные в замкнутый контур. На выходе проточного тракта рабочего колеса турбины установлен спрямляющий аппарат в виде кольцевой лопаточной решетки, образованной пустотелыми лопатками с проточными каналами, сообщенными с концентрически выполненными наружным и внутренним коллекторами. Наружный коллектор разделен на два полуколлектора, один из которых сообщен патрубком с выходом компрессора, а другой - со входом в теплопринимающий тракт теплообменника-рекуператора. Изобретение решает задачу повышения коэффициента полезного действия энергетического цикла установки и снижения ее массы. 3 ил.

 

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано в конструкциях турбокомпрессорных установок с замкнутым термодинамическим циклом Брайтона.

Известна турбокомпрессорная установка с открытым термодинамическим циклом (см. книгу «Газотурбинные установки», авторы А.Г. Костюк, А.Н. Шерстюк, стр. 15, рис. 1.4), по которому газообразное рабочее тело (воздух) из окружающей среды поступает в компрессор, где повышается его давление, затем в теплообменник-рекуператор, где подогревается за счет теплообмена с рабочим телом турбины, далее в нагреватель, где температура рабочего тела повышается до уровня температуры рабочего тела турбины и поступает в турбину, в которой тепловая энергия рабочего тела преобразуется в механическую, используемую для привода компрессора и электрогенератора, а после турбины и теплоотдающего тракта теплообменника-рекуператора выбрасывается в окружающее пространство. Такая турбокомпрессорная установка имеет достаточно высокие энергетические и экономические характеристики, однако не может быть использована при отсутствии атмосферы в окружающей среде, например в условиях космоса.

В таких условиях возможно использование только турбокомпрессорных установок с термодинамическим циклом, исключающих забор рабочего тела из окружающей среды.

Известна, принятая за прототип изобретения, космическая энергетическая установка с газообразным рабочим телом в замкнутом контуре, реализующем термодинамический цикл Брайтона.

В состав контура входят: турбокомпрессор, нагреватель рабочего тела, теплообменник-рекуператор (TP), теплообменник-холодильник (ТХ) для отвода низко потенциального тепла, через излучатель, в окружающее пространство (патент РФ №2508460 с приоритетом от 10.07.2012 г. ). В значительной мере, коэффициент полезного действия (КПД) такой установки зависит от гидравлического совершенства контура, который определяется относительными потерями давления (отношение потерь давления к давлению на участке контура) в трактах элементов, составляющих контур:

- в теплопринимающем тракте теплообменника-рекуператора;

- в тракте источника тепла (нагревателя);

- в теплоотдающем тракте теплообменника-рекуператора;

- в тракте теплообменника-холодильника;

- в магистралях, сообщающих указанные элементы контура.

При этом наибольшее влияние на гидравлическое совершенство контура оказывают потери давления в части контура между выходом из турбины и входом в компрессор, как имеющие наибольшую относительную величину, вследствие наименьшего давления в этой части контура. Так, в зависимости от компоновки контура и габаритов теплообменных аппаратов, входящих в него, у энергоустановки мощностью ~250 кВт с расходом газообразного рабочего тела через контур - 4,5 кг/с при температурах на входе в компрессор - 310 К и на входе в турбину 1200 К, потери давления на тракте между выходом турбины и входом в компрессор могут достигать 1 атм при давлении в нем 15 атм, что обуславливает снижение КПД энергоустановки на ~6%.

Из указанных выше потерь давления, более половины (~0,6 атм) приходятся на потери в тракте TP и на входе в него из-за закрутки потока, поступающего с выхода турбины, в связи с которыми КПД энергоустановки сможет уменьшиться на ~4% (с 35,6% до 31,6%).

Изобретение направлено на повышение эффективности турбокомпрессорной установки за счет уменьшения потерь давления на участке контура, включающем TP, а также уменьшение ее массы за счет уменьшения габаритов и массы ТР.

Результат обеспечивается тем, что на выходе проточного тракта (из лопаток рабочего колеса турбины) установлен спрямляющий аппарат в виде кольцевой лопаточной решетки, образованной пустотелыми лопатками с проточными каналами, сообщенными с концентрически выполненными наружным и внутренним коллекторами, причем наружный коллектор разделен на два полуколлектора, один из которых сообщен патрубком с выходом компрессора, а другой - со входом в теплопринимающий тракт теплообменника-рекуператора.

Данное техническое решение обеспечивает: рекуперацию тепла за счет нагрева рабочего тела после компрессора в каналах лопаток спрямляющей решетки при теплообмене с газовым потоком на выходе турбины при минимальных потерях давления, уменьшение потерь давления на входе в теплоотдающий тракт TP вследствие спрямления потока и возможность уменьшения поверхности теплообменника в TP и, следовательно, потерь давления как в его теплопередающем, так и тепловоспринимающих трактах за счет указанной дополнительной рекуперации посредством спрямляющей решетки, а также уменьшение габаритов и массы теплообменника-рекуператора.

Принципиальная схема энергетической установки для привода электрогенератора по изобретению показана на фиг. 1, сечение А-А показано на фиг. 2, сечение Б-Б лопатки показано на фиг. 3.

Установка содержит компрессор 1, выход которого сообщен трубопроводом 2 с полуколлектором 3 наружного коллектора. На выходе проточного тракта рабочего колеса турбины 4 установлен спрямляющий аппарат 5 в виде кольцевой лопаточной решетки, образованной пустотелыми лопатками 6 с проточными каналами 7. Каналы 7 сообщают наружный коллектор, состоящий из полуколлектора 3 и полуколлектора 8 с внутренним коллектором 9. Наружный и внутренний коллекторы выполнены концентрически.

Установка содержит также теплообменник-рекуператор 10, нагреватель (реактор) 11, сообщенный трубопроводом 12 с сопловым аппаратом 13 турбины 4, теплообменник-холодильник 14.

Рабочий газ из компрессора 1 по трубопроводу 2 поступает в полуколлектор 3. Из полуколлектора 3 газ через пустотелые лопатки 6 спрямляющего аппарата 5, установленного в газовом тракте после турбинного колеса 4, по каналам 7 поступает во внутренний коллектор 9. Из внутреннего коллектора 9 газ, через вторую половину пустотелых лопаток, поступает в полуколлектор 8, и далее через теплообменник-рекуператор 10 в нагреватель (реактор) 11. Из нагревателя 11 газ по трубопроводу 12 поступает в сопловой аппарат 13 турбины 4, совершает полезную работу и, обтекая лопатки 6 спрямляющего аппарата 5, по межлопаточным каналам 15 поступает в теплообменник-рекуператор 10. Из теплообменника-рекуператора 10 газ поступает в теплообменник-холодильник 14 и затем на вход в компрессор 1.

Использование изобретения увеличивает КПД установки и уменьшает ее массу.

Так, расчетная оценка показывает возможность уменьшения потерь давления в части контура с низким давлением рассмотренной ранее энергоустановки, за счет указанных выше факторов с 0,6 атм до 0,2 атм, обеспечивает увеличение КПД энергоустановки по сравнению с прототипом на ~2,5%, а также приводит к уменьшению массы TP за счет длины на ~20% (с 200 кг до 160 кг).

Турбокомпрессорная энергетическая установка, включающая турбокомпрессор, нагреватель рабочего тела и теплообменник-рекуператор, объединенные в замкнутый контур, отличающаяся тем, что на выходе проточного тракта рабочего колеса турбины установлен спрямляющий аппарат в виде кольцевой лопаточной решетки, образованной пустотелыми лопатками с проточными каналами, сообщенными с концентрически выполненными наружным и внутренним коллекторами, причем наружный коллектор разделен на два полуколлектора, один из которых сообщен патрубком с выходом компрессора, а другой - со входом в теплопринимающий тракт теплообменника-рекуператора.



 

Похожие патенты:

Когенерационная газотурбинная энергетическая установка содержит компрессоры низкого и высокого давления, камеру сгорания, газовую турбину высокого давления и газовую турбину низкого давления, имеющие между собой газовую связь, теплофикационное устройство и основной электрический генератор, подсоединенный к газовой турбине высокого давления и используемый в качестве полезной нагрузки.

Изобретение относится к воздухоочистительным устройствам и может использоваться в составе газоперекачивающего агрегата с газотурбинной установкой (ГТУ). .

Изобретение относится к воздухоочистительным устройствам и может использоваться в составе газоперекачивающего агрегата с газотурбинной установкой (ГТУ). .

Изобретение относится к теплоэнергетическому машиностроению и может быть использовано на магистральных газопроводах для транспортировки газа и производства электрической энергии на базе установок бинарного цикла с комбинированным применением газотурбинных и паротурбинных установок.

Изобретение относится к двигателестроению, в том числе к авиационным и стационарным двигателям ГТД, работающим на сжиженном природном газе - СПГ. .

Изобретение относится к двигателестроению, в том числе к авиационным и стационарным двигателям ГТД, работающим на сжиженном природном газе - СПГ. .

Изобретение относится к преобразованию тепловой энергии в электрическую и может применяться в качестве автономного источника электрической энергии, используя для нагрева, например, солнечную тепловую энергию или любой другой источник тепла.

Конструкция турбомашины с теплообменником, интегрированным в выпускной газовоздушный тракт (10) потока горячих газов (1) турбомашины, отличающаяся тем, что элементы теплообмена (60, 60а-60i; 9), установленные в одном из элементов (11, 14, 14а, 14b, 15, 16, 16а, 16b, 18, 18а, 18с) выпускного газовоздушного тракта (10), выполнены с возможностью направлять часть потока горячих газов (1), проходящую через элементы теплообмена, с последующим использованием остаточной тепловой энергии указанной части потока горячих газов (1) для увеличения мощности на валу (30, 31) турбомашины (20, 20а, 20b), оставляя большую часть потока горячих газов (1) невозмущенной. Позволяет добиться оптимального общего компромисса между техническими характеристиками, массой и эксплуатационными расходами. 8 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к энергетике. Система теплообмена построена на основе регенерации тепла отработавших газов посредством вращающегося роторного теплообменника каркасного типа, установленного внутри корпуса двигателя между патрубком подвода от компрессора сжатого воздуха и патрубком отвода отработавших газов и соответствующими внутренними холодной и горячей полостями и соответственно для подвода сжатого воздуха в камеру сгорания и отвода отработавшего газа от рабочей турбины. Теплообменник в ней выполнен с возможностью комплексного охлаждения стенок каркаса и горячей щеки, причем для охлаждения последней в ее теле имеются поперечные лабиринтные каналы, которые продуваются сжатым воздухом, подаваемым от компрессора в эти каналы в обход теплообменной матрицы регенератора. Таким охлаждением каркаса достигается минимизация термического деформирования (коробления) каркаса, а выравнивание температурного градиента обеспечивается тем, что поступающие в центральную полость потоки воздуха, охлаждающего горячую щеку каркаса, собираются в единый поток, направляемый в рекуперативный теплообменник, неподвижно установленный на стороне отходящих от рабочей турбины горячих газов так, что его выход, размещенный в корпусной стойке двигателя, обращен в полость, где эта часть воздуха смешивается с основным потоком воздуха, прошедшим теплообменную матрицу регенератора. Изобретение позволяет повысить эффективность сжигания топлива и обеспечить выравнивание температурного градиента каркаса регенератора. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к вспомогательным силовым установкам летательных аппаратов. Система (3) питания воздухом вспомогательной силовой установки (2) летательного аппарата включает в себя канал (30) питания воздухом вспомогательной силовой установки, блок (4) управления расходом воздуха, поступающего во вспомогательную силовую установку, и клапан (31) впуска воздуха снаружи летательного аппарата, расположенный на входе канала (30) питания. Система дополнительно содержит контур (32) подачи воздуха, поступающего из герметизированной кабины, в канал питания вспомогательной силовой установки. Контур (32) подачи воздуха соединен с контуром (11) удаления воздуха наружу летательного аппарата через распределительный клапан (33). Клапаном управляет блок (4) управления для отбора части воздушного потока, циркулирующего в контуре (11) удаления. Контур (32) подачи воздуха на выходе содержит сопло (34) для нагнетания указанной части в канал (30) питания вспомогательной силовой установки (2). Изобретение облегчает запуск вспомогательной силовой установки на высоте. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано в конструкциях турбокомпрессорных установок с замкнутым термодинамическим циклом Брайтона. Турбокомпрессорная энергетическая установка включает турбокомпрессор, нагреватель рабочего тела и теплообменник-рекуператор, объединенные в замкнутый контур. На выходе проточного тракта рабочего колеса турбины установлен спрямляющий аппарат в виде кольцевой лопаточной решетки, образованной пустотелыми лопатками с проточными каналами, сообщенными с концентрически выполненными наружным и внутренним коллекторами. Наружный коллектор разделен на два полуколлектора, один из которых сообщен патрубком с выходом компрессора, а другой - со входом в теплопринимающий тракт теплообменника-рекуператора. Изобретение решает задачу повышения коэффициента полезного действия энергетического цикла установки и снижения ее массы. 3 ил.

Наверх