способ преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе и газотурбинный двигатель

Формула изобретения

СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В МЕХАНИЧЕСКУЮ В ГАЗОТУРБИННОМ ДВИГАТЕЛЕ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ.

1. Способ преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе, заключающийся в изменении термодинамического состояния нагретого рабочего тела посредством расширения и смешивания с отобранной частью отработавшего в турбинной ступени рабочего тела, последующей подачи и расширения в турбинной ступени с получением механической энергии на валу двигателя, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют подачу вспомогательной текучей среды в отобранную часть отработавшего в турбинной ступени рабочего тела, идущей на смешивание, а расширение нагретого рабочего тела осуществляют перед смешением с отобранной частью отработавшего рабочего тела.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве вспомогательной текучей среды используют текучую среду, имеющую удельную теплоемкость выше удельной теплоемкости отработавшего рабочего тела.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что вспомогательная текучая среда имеет температуру не выше температуры отработавшего рабочего тела.

4. Способ по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что в качестве вспомогательной текучей среды используют воду.

5. Способ по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что в качестве вспомогательной текучей среды используют водяной пар.

6. Способ по пп. 1 - 5, отличающийся тем, что вспомогательную рабочую среду перед смешиванием с отобранной частью отработавшего в турбинной ступени рабочего тела, идущей на смешивание, нагревают расширенным в турбинной ступени рабочим телом до получения пара.

7. Способ по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что в качестве вспомогательной текучей среды используют тонкомолотый металлический порошок.

8. Газотурбинный двигатель, содержащий размещенную в проточной части по меньшей мере одну турбинную ступень, источник нагретого и расширенного рабочего тела, выполненный с зоной смешения, расположенной перед входом турбинной ступени, устройство для изменения термодинамического состояния нагретого и расширенного рабочего тела, соединенное с одной стороны с выходом турбинной ступени, а с другой - с источником нагретого рабочего тела, отличающийся тем, что он снабжен источником вспомогательной текучей среды, устройство для изменения термодинамического состояния выполнено с зоной смешения, источник вспомогательной среды подключен к последней, источник нагретого рабочего тела выполнен с зоной смешения, а устройство для изменения термодинамического состояния соединено с источником нагретого рабочего тела в зоне смешения.

9. Двигатель по п.8, отличающийся тем, что он снабжен теплообменником, подключенным горячей стороной к выходу турбинной ступени, входом холодной стороны - к источнику вспомогательной текучей среды и выходом - к зоне смещения устройства для изменения термодинамического состояния.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в газотурбинных двигателях, предназначенных для применения в стационарных энергетических установках и в силовых установках, используемых на различных наземных транспортных средствах и воздушных и водных судах.

Известен способ преобразования тепловой энергии в механическую, по которому используют два рабочих тела - продукты сгорания топлива и водяной пар [1] . В газовом цикле температура газов на входе в турбину составляет 900-1000^оС, а на выходе - 350^оС и выше. В паросиловых установках температура перегретого пара достигает 600-650^оС, но зато температура воды в конденсаторе составляет всего 25-30^оС. Таким образом, в бинарном цикле можно осуществить перепад температур значительно больший, чем в каждом из отдельных циклов и тем самым увеличить КПД цикла.

Недостатком такого способа является громоздкость устройства для его осуществления, так как необходимы две турбины: газовая и паровая. Кроме того, при открытой паровой системе необходимо большое количество воды. При закрытой системе необходима система конденсации отработавшего пара и охлаждения полученной воды. Таким образом, если реализация такой системы в принципе возможна в стационарных условиях, то ее практически нельзя использовать в силовых установках транспортных средств и особенно летательных аппаратов. Кроме того, надежность стационарной силовой установки с бинарным циклом невелика из-за ее сложности.

Газовый и паровой циклы могут быть объединены в газопаровой цикл (с рабочим телом в виде парогазовой смеси, состоящей из продуктов сгорания и водяного пара). В парогазовых установках впрыск воды перед турбиной приводит к снижению температуры газов и одновременно к увеличению энтальпии рабочего тела, так как удельная энтальпия воды больше, чем у продуктов сгорания. Применительно к газотурбинному двигателю такая схема практически неосуществима, так как при этом вода для образования пара подается непосредственно на вход турбинной ступени. Известно, что в камерах сгорания газотурбинных двигателей часто происходит срыв факела. Это приводит к резкому снижению температуры нагретого рабочего тела, поступающего на турбинные лопатки. В то же время при подаче воды или даже пара на раскаленные турбинные лопатки при резком понижении температуры продуктов сгорания происходит их разрушение. Прекратить подачу воды или пара практически мгновенно не представляется возможным. Этот цикл также требует большого количества воды со всеми вытекающими из этого отрицательными последствиями.

Известен газотурбинный двигатель, содержащий размещенную в проточной части турбинную ступень, источник нагретого и расширенного рабочего тела и устройство для изменения термодинамического состояния нагретого и расширенного рабочего тела с использованием вспомогательной текучей среды [2]. В этом газотурбинном двигателе расширяют нагретое рабочее тело, а затем изменяют термодинамическое состояние вводимого в турбинную ступень рабочего тела с использованием вспомогательной текучей среды и подают в турбинную ступень.

Вспомогательная текучая среда-вода-подается с помощью сжатого воздуха в поток нагретого рабочего тела непосредственно в зоне расширения нагретого рабочего тела, что приводит к снижению располагаемой работы расширения. Кроме того, для подачи воды используется дополнительный потребитель энергии (сжатый воздух), что отрицательно сказывается на общем КПД двигателя. Следует добавить, что добавление таким образом сжатого воздуха вместе с водой приводит к снижению общей теплоемкости смеси, так как удельная теплоемкость воздуха примерно в 1,4 раза ниже, чем у отработавшего рабочего тела. Вместе с тем этот двигатель и реализуемый в нем способ имеют те же недостатки, что и описанный выше газопаровой цикл, а также требует большого количества воды со всеми вытекающими из этого отрицательными последствиями.

Известен способ преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе посредством изменения термодинамического состояния путем расширения нагретого рабочего тела и смешивания его с отобранной отработавшей в турбинной ступени части рабочего тела [3].

Недостатком данного способа является недостаточная его эффективность.

В основу изобретения положена задача создания способа преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе, по которому изменяют термодинамическое состояние нагретого рабочего тела с помощью вспомогательной текучей среды за пределами зоны расширения нагретого рабочего тела и таким образом, чтобы исключить непосредственный контакт вспомогательной текучей среды с нагретым рабочим телом, а следовательно, и с лопатками турбины.

Поставленная задача решается тем, что по способу преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе, по которому расширяют нагретое рабочее тело, а затем изменяют термодинамическое состояние вводимого в турбинную ступень рабочего тела с использованием вспомогательной текучей среды и подают в турбинную ступень, отводят часть отработавшего в турбинной ступени рабочего тела и изменяют его термодинамическое состояние введением в него вспомогательной текучей среды, затем смешивают отработавшее рабочее тело с измененным термодинамическим состоянием с нагретым и расширенным рабочим телом перед его подачей в турбинную ступень.

Благодаря тому, что вспомогательную текучую среду смешивают с отработавшим в турбине рабочим телом и подают полученную смесь для изменения термодинамического состояния нагретого рабочего тела, обеспечивается изменение состояния нагретого рабочего тела при косвенном воздействии на него вспомогательной текучей среды. В результате появляется возможность получения на входе турбинной ступени заданных параметров нагретого и расширенного рабочего тела без опасности повреждения турбинной ступени из-за непосредственного контакта вспомогательной текучей среды с ее лопатками. Другим не менее важным преимуществом является то, что количество вспомогательной текучей среды значительно снижено по сравнению с известными способами, поскольку она используется в сочетании с отработавшим в турбинной ступени рабочим телом. Кроме того, введение смеси вспомогательной текучей среды с отработавшим рабочим телом за зоной расширения нагретого рабочего тела не приводит к снижению располагаемой работы расширения нагретого рабочего тела.

Следует отметить, что при таком способе возрастает удельный съем энергии с единицы массы рабочего тела, так как расширению подвергается неохлажденное рабочее тело, с одновременным уменьшением удельного съема энергии с единицы массы смешанного потока рабочего тела, поступающего в турбинную ступень. Последнее обстоятельство приводит к повышению температуры рабочего тела, которое может использоваться на последующих турбинных ступенях, что повышает КПД последующих турбинных ступеней и всего двигателя.

В качестве вспомогательной текучей среды предпочтительно используют текучую среду, имеющую удельную теплоемкость выше удельной теплоемкости отработавшего рабочего тела. При этом уменьшается количество смеси отработавшего рабочего тела и вспомогательной текучей среды, направляемой для охлаждения нагретого и расширенного рабочего тела, в результате чего снижаются потере на смешение перед турбинной ступенью.

Наиболее предпочтительно в качестве вспомогательной текучей среды использовать текучую среду, имеющую удельную теплоемкость выше удельной теплоемкости отработавшего рабочего тела и температуру не выше температуры отработавшего рабочего тела. При этом усиливается эффект снижения количества смеси отработавшего рабочего тела с вспомогательной текучей средой.

Наиболее целесообразно в качестве вспомогательной текучей среды использовать воду, так как она является самой дешевой и доступной в большинстве применений газотурбинных двигателей и имеет высокую удельную теплоемкость среди всех жидких сред.

В качестве вспомогательной текучей среды можно использовать водяной пар. При этом параметры водяного пара могут быть такими, чтобы снизить потери на смешение пара с отработавшим рабочим телом и потери на смешение полученной смеси с нагретым и расширенным рабочим телом.

Целесообразно нагревать вспомогательную текучую среду рабочим телом, направляемым на выхлоп из турбинной ступени с получением пара. Полученный пар затем смешивают с отработавшим в турбинной ступени рабочим телом, направляемым для изменения термодинамического состояния нагретого и расширенного рабочего тела. При этом обеспечивается повышение общего КПД газотурбинного двигателя.

В качестве вспомогательной текучей среды можно использовать тонкомолотый металлический порошок. Это может оказаться необходимым при невозможности использования воды, например при низких отрицательных температурах.

Поставленная задача также решается тем, что в газотурбинном двигателе, имеющем турбинную ступень, источник нагретого и расширенного рабочего тела и устройство для изменения термодинамического состояния нагретого и расширенного рабочего тела с использованием вспомогательной текучей среды, источник нагретого рабочего тела выполнен с зоной расширения нагретого рабочего тела и зоной смешения, расположенной между зоной расширения и входом турбинной ступени. Кроме того, имеется устройство для изменения термодинамического состояния отработавшего рабочего тела, имеющее зону смешения, сообщающуюся с одной стороны с выходом турбинной ступени и с источником вспомогательной текучей среды, а с другой стороны с участком зоны смешения источника нагретого рабочего тела, расположенным со стороны зоны расширения нагретого рабочего тела. При таком устройстве газотурбинного двигателя обеспечивается смешение вспомогательной текучей среды с нагретым и расширенным рабочим телом через посредство отработавшего рабочего тела без опасности непосредственного контакта вспомогательной текучей среды с деталями турбинной ступени, а также за зоной расширения нагретого рабочего тела. При этом не только повышаются надежность и эффективность двигателя, но и обеспечивается снижение количества отработавшего рабочего тела, направляемого на охлаждение нагретого рабочего тела, что способствует повышению общего КПД двигателя.

Газотурбинный двигатель может быть снабжен теплообменником, горячая сторона которого сообщается с выходом турбинной ступени, вход холодной стороны - с источником вспомогательной текучей среды, а выход холодной стороны - с зоной смешения устройства для изменения термодинамического состояния отработавшего рабочего тела. При этом обеспечивается получение вспомогательной текучей среды в виде пара с необходимыми параметрами при использовании тепла выхлопных газов, что повышает общий КПД двигателя.

На фиг. 1 схематично изображен газотурбинный двигатель, общий вид; на фиг. 2 - он же, продольный разрез.

Предлагаемый способ преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе осуществляется следующим образом. Нагретое рабочее тело поступает из источника 1 нагретого рабочего тела (фиг. 1) в устройство 2 для расширения рабочего тела. Это устройство может быть выполнено в виде эжектора. В качестве источника 1 нагретого рабочего тела используется камера сгорания, в которую поступают окислитель, например воздух, от компрессора 3 (показано стрелкой А) и топливо (показано стрелкой В). В источнике 1 происходит смешивание топлива и окислителя известным способом, воспламенение топливно-воздушной смеси и ее сгорание с помощью известных устройств (не показаны). Нагретое рабочее тело, поступающее из источника 1 в эжектор 2 (показано стрелкой С), далее направляется в турбину 4 (показано стрелкой D), где происходит его расширение в первой турбинной ступени (не показана). При этом нагретое рабочее тело совершает работу и охлаждается, отдавая часть своей энергии рабочему колесу первой турбинной ступени. Часть отработавшего рабочего тела с выхода первой турбинной ступени турбины 4 возвращают (показано стрелкой Е) в эжектор 2. В этот поток отработавшего рабочего тела вводят вспомогательную текучую среду от источника 5 (показано стрелкой F). Далее происходит смешение полученной смеси вспомогательной текучей среды с нагретым и расширенным рабочим телом перед его подачей в турбинную ступень. Таким образом, вспомогательная текучая среда подмешивается к отработавшему рабочему телу вне источника нагретого рабочего тела и вводится в смеси с отработавшим рабочим телом в поток нагретого рабочего тела за зоной его расширения.

В качестве вспомогательной текучей среды используют текучую среду, имеющую удельную теплоемкость выше удельной теплоемкости отработавшего рабочего тела. При этом обеспечивается повышение удельной теплоемкости отработавшего рабочего тела, что позволяет производить охлаждение нагретого и расширенного рабочего тела, направляемого в турбинную ступень, используя меньшее количество отработавшего рабочего тела.

В качестве вспомогательной текучей среды используют текучую среду, имеющую удельную теплоемкость выше удельной теплоемкости отработавшего рабочего тела и температуру не выше температуры отработавшего рабочего тела. При этом снижение количества отработавшего рабочего тела, используемого для охлаждения нагретого рабочего тела, обеспечивается как за счет повышения его теплоемкости, так и за счет снижения его температуры.

Наиболее предпочтительно в качестве вспомогательной текучей среды использовать воду. Вода является наиболее дешевой и доступной текучей средой. Кроме того, удельная теплоемкость воды гораздо выше удельной теплоемкости газов. Следует отметить, что благодаря смешиванию с отработавшим рабочим телом количество воды, используемой для охлаждения, значительно меньше по сравнению со способами, при которых воду используют в парогазовом или газопаровом цикле. В связи с этим не возникает проблем даже при использовании воды в силовых установках транспортных средств и летательных аппаратов. Применяемые количества воды невелики, вследствие чего можно обойтись без оборотных систем с конденсаторами и насосами для рециркуляции воды.

В качестве вспомогательной текучей среды можно использовать водяной пар.

В качестве вспомогательной текучей среды можно использовать металлический порошок, например алюминиевую пудру. Удельная теплоемкость алюминиевой пудры весьма велика, а ее применение может оказаться необходимым, например, при сверхнизких температурах, когда жидкие среды, имеющие удельную теплоемкость, превышающую удельную теплоемкость газов, использовать невозможно.

Газотурбинный двигатель (фиг. 2) имеет две размещенные в проточной части 6 турбинные ступени 7, 8, причем первая турбинная ступень 7 имеет сопловой аппарат 9. Турбина имеет проточную часть 6 и источник 1 нагретого рабочего тела, выполненный в виде камеры сгорания, на входе которой размещен компрессор 3 для подачи окислителя, например воздуха, необходимого для сгорания топлива, подаваемого в источник 1 с помощью форсунки 10. Газотурбинный двигатель имеет устройство для расширения нагретого рабочего тела, например, в виде эжектора 2, имеющего первый вход 11, сообщающийся с источником 1 нагретого рабочего тела, и второй вход 12, сообщающийся с выходом первой турбинной ступени 7. Эжектор имеет выход 13, который сообщается с входом первой турбинной ступени 7. Газотурбинный двигатель имеет устройство для изменения термодинамического состояния отработавшего рабочего тела. Это устройство имеет зону 14 смешения, образованную вторым входом эжектора, сообщающуюся с одной стороны с выходом турбинной ступени 7 и с источником 5 вспомогательной текучей среды, а с другой стороны с участком G зоны 14 смешения источника 1 нагретого рабочего тела, расположенным со стороны зоны расширения нагретого рабочего тела, образованной эжектором 2. Зона 14 смешения расположена между зоной расширения или эжектором 2 и сопловым аппаратом 9 турбинной ступени 7. Вход 12 эжектора 2 сообщается с участком зоны 14 смешения, расположенным со стороны зоны расширения нагретого рабочего тела.

Вариант газотурбинного двигателя имеет теплообменник 15 (показано пунктирными линиями), горячая сторона 16 которого сообщается с выходом турбинной ступени 8. Вход холодной стороны 17 сообщается с источником 5 вспомогательной текучей среды, а выход холодной стороны - с зоной 14 смешения устройства для изменения термодинамического состояния отработавшего рабочего тела.

Газотурбинный двигатель работает следующим образом.

При подаче воздуха от компрессора 3 и топлива по стрелке В к форсунке 10 в источнике 1 нагретого рабочего тела образуются продукты сгорания, которые поступают на вход 11 эжектора 2, где происходит их расширение. Таким образом, на выход эжектора 2 поступает расширенное нагретое рабочее тело, которое направляется к сопловому аппарату 9 турбинной ступени 7 для совершения полезной работы.

Одновременно часть отработавшего в турбинной ступени 7 рабочего тела отбирается на вход 12 эжектора 2, куда также подается вспомогательная текучая среда, например вода, от источника 5 по стрелке F. Для подачи воды не требуется дополнительного источника энергии, так как вода может эжектироваться потоком отработавшего рабочего тела. На входе 12 эжектора 2 происходит смешение воды с отработавшим рабочим телом, и полученная смесь поступает через эжектор в зону 14 смешения на участке G со стороны зоны расширения нагретого рабочего тела, образованной эжектором. При этом происходит смешение смеси воды с отработавшим рабочим телом, имеющим таким образом, измененное термодинамическое состояние, с нагретым и расширенным рабочим телом, поступающим на турбинную ступень 7. В результате охлаждение нагретого рабочего тела производится средой, имеющей повышенную удельную теплоемкость по сравнению с обычной газовой средой. При этом не возникает опасности разрушения соплового аппарата или лопаток турбины при срыве горения в источнике 1 нагретого рабочего тела. Если по какой-либо причине происходит срыв горения, то вспомогательная текучая среда, например вода, продолжает поступать с отработавшим рабочим телом до тех пор, пока на выходе турбинной ступени имеется отработавшее рабочее тело, температура которого превышает заданный уровень. Далее поступление воды автоматически прекращается и возобновляются горение и образование отработавшего рабочего тела. Даже при принудительной подаче воды опасность для турбины не возникает, так как вода не подается непосредственно на вход турбины, а поступает в канал эжектора, являющийся относительно холодным.

В варианте, показанном на фиг. 2 пунктирными линиями, вспомогательная текучая среда, например вода, поступает на вход 12 эжектора 2 таким же образом, но через теплообменник 15. При этом для нагревания воды используют тепло выхлопных газов из проточной части 6. Это позволяет уменьшить количество отработавшего рабочего тела, направляемого на охлаждение нагретого и расширенного рабочего тела благодаря повышенной температуре вспомогательной текучей среды и повышенной ее теплоемкости (от нагревания). Вместе с тем при этом используется тепло выхлопных газов, что обеспечивает повышение общего КПД двигателя. Кроме того, при получении водяного пара в результате нагревания воды в теплообменнике параметры пара могут быть такими, чтобы обеспечить безударное смешение с отработавшим рабочим телом и получение термодинамического состояния отработавшего рабочего тела, позволяющего производить смешение отработавшего рабочего тела в смеси с водяным паром и нагретого и расширенного рабочего тела с пониженными потерями на удар.

Вспомогательная текучая среда может приготовляться отдельно. Например, при наличии парогенератора на борту транспортного средства или в составе стационарной силовой установки можно использовать водяной пар в качестве вспомогательной текучей среды. Эжектирование вспомогательной текучей среды в поток отработавшего рабочего тела также не является обязательным, и текучая среда может подаваться самотеком под действием силы тяжести. Кроме того, поскольку давление отработавшего рабочего тела сравнительно невелико, вспомогательная текучая среда может подаваться с использованием устройств небольшой мощности. Применение эжектора для образования зоны расширения не является обязательным. Можно расширять нагретое рабочее тело другими способами, а ввод отработавшего рабочего тела в смеси с вспомогательной текучей средой может производиться любыми известными способами, например с помощью вспомогательного компрессора.

При использовании изобретения газотурбинный двигатель эффективной мощностью 1500 л.с. имеет следующие технические характеристики: расход топлива 145-147 г/л.с.-ч., габаритные размеры (с редуктором): длину 725 мм, ширину 385 мм, высоту 425 мм. Расход топлива газотурбинного двигателя примерно на 30-35% ниже, чем у известных двигателей аналогичной мощности.