способ охлаждения сжатого воздуха или газа и компрессорная установка

Формула изобретения

1. Способ охлаждения сжатого воздуха или газа в силовой или компрессорной установке, имеющей в своем составе двигатель внутреннего сгорания и теплообменник, заключающийся в охлаждении в теплообменнике атмосферным воздухом нагретого в процессе сжатия в самом двигателе или во входящем в состав установки отдельном компрессоре воздуха или газа, отличающийся тем, что расход атмосферного воздуха через охлаждающий контур теплообменника обеспечивают с помощью эжектора, в сопло эжектируемого газа которого подают прошедший через теплообменник охлаждающий воздух, а в сопло эжектирующего газа подают выхлопные газы входящего в состав установки двигателя.

2. Компрессорная установка, содержащая двигатель внутреннего сгорания газотурбинного типа, состоящий из компрессора, камеры сгорания и турбины, а также теплообменник, в котором отбираемый от компрессора двигателя к потребителю сжатый воздух охлаждается атмосферным воздухом, отличающаяся тем, что к выходу из охлаждающего контура теплообменника подключено эжектируемое сопло эжектора, эжектирующее сопло которого подключено к выходу из турбины двигателя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в силовых установках, включая газотурбинные установки (ГТУ), и компрессорных установках (КУ), имеющих в своем составе двигатель внутреннего сгорания (ДВС), включая двигатель внутреннего сгорания газотурбинного типа (ГТД), компрессор, включая компрессор, входящий в состав двигателя, и теплообменник для охлаждения нагревающегося в процессе сжатия в компрессоре воздуха или газа.

Известны различные варианты ГТУ и КУ, где применяют охлаждение нагревающегося в процессе сжатия воздуха или газа. Например, в схеме одновальной ГТУ с промежуточным подводом теплоты и промежуточным охлаждением воздуха (Соколов B. C. Газотурбинные установки. М., Высш. шк., 1986, с. 44...45 и рис. 64), сжатый воздух между компрессором низкого давления (КНД) и компрессором высокого давления (КВД) охлаждают в теплообменнике за счет теплообмена с охлаждающей водой.

Недостатком этого способа охлаждения является использование дополнительного теплоносителя - воды.

В случае охлаждения проточной водой теряется автономность установки, а в случае охлаждения циркулирующей водой или другой жидкостью недостатком способа является то, что для его осуществления в конструктивную схему силовой установки дополнительно к двигателю и теплообменнику включают, как минимум, радиатор, насос для обеспечения указанной циркуляции и привод этого насоса - достаточно сложные изделия, увеличивающие стоимость изготовления и эксплуатации установки, и снижающие ее надежность.

В компрессорной установке на базе авиационного двигателя ТКА - 1,9/10 (Турбокомпрессорные установки на базе авиадвигателей и их модулей. Учебное пособие. Уфа, изд. Уфимского авиационного института, 1986, с. 84...87, рис. 4.5) сжатый воздух между ступенями компрессора охлаждают в теплообменнике атмосферным воздухом, который подают с помощью вентилятора, имеющего электропривод.

Недостатком этого способа охлаждения является то, что для его реализации используют вентилятор с электроприводом, что увеличивает сложность, а значит и стоимость изготовления и эксплуатации установки, а также снижает надежность за счет применения изделий с вращающимися элементами (вентилятор и привод) и профилированными лопастями (вентилятор). При использовании электропривода, питающегося от внешнего источника энергии, теряется еще и автономность установки.

В прототипе способа, примененном в газотурбинной установке (А.С. СССР N 408587, МКИ² F 02 C 7/14, 1977) часть сжатого воздуха отбирают за компрессором двигателя внутреннего сгорания газотурбинного типа и охлаждают в теплообменнике атмосферным воздухом, который сначала через воздушную турбину, механически связанную с валом того же компрессора, затем через теплообменник подают на вход в тот же компрессор.

Недостатком прототипа способа является сложность его практической реализации, связанная с тем, что для того, чтобы не нарушить газодинамическую устойчивость и сохранить КПД компрессора, а также обеспечить высокий КПД установки в целом, необходимо, чтобы воздух, прошедший через охлаждающий контур теплообменника, до входа в компрессор был выровнен по полю температур и скоростей, а также не было значительных гидравлических потерь. Указанные требования практически невыполнимы без существенного увеличения габаритов и удельного веса установки.

Задача изобретения - упрощение системы, обеспечивающей подачу атмосферного воздуха в охлаждающий контур теплообменника установки с соответствующим снижением стоимости изготовления и эксплуатации, а также повышением надежности и автономности установки и, наконец, в частном случае, повышение коэффициента полезного действия (КПД).

Поставленная задача решается тем, что в способе охлаждения сжатого воздуха или газа в силовой или компрессорной установке, имеющей в своем составе двигатель внутреннего сгорания и теплообменник, заключающемся в охлаждении в теплообменнике атмосферным воздухом нагретого в процессе сжатия в самом двигателе или во входящем в состав установки отдельном компрессоре воздуха или газа, в отличие от прототипа расход атмосферного воздуха через охлаждающий контур теплообменника обеспечивают с помощью эжектора, в сопло эжектируемого газа которого подают прошедший через теплообменник охлаждающий воздух, а в сопло эжектирующего газа подают выхлопные газы входящего в состав установки двигателя.

Поставленная задача достигается также компрессорной установкой, содержащей двигатель внутреннего сгорания газотурбинного типа, состоящий из компрессора, камеры сгорания и турбины, а также теплообменник, в котором отбираемый от компрессора двигателя к потребителю сжатый воздух охлаждается атмосферным воздухом, в отличие от прототипа к выходу из охлаждающего контура теплообменника подключено эжектируемое сопло эжектора, эжектирующее сопло которого подключено к выходу из турбины двигателя.

Таким образом, в заявленной установке для обеспечения подачи атмосферного воздуха в охлаждающий контур теплообменника установки не применяют элементы, где есть вращающиеся детали, подшипники, лопатки и т.п. сложные изделия, не создают дополнительного сопротивления и нарушения поля температур и скорости на входе в компрессор, а в качестве источника энергии для создания расхода охлаждающего воздуха используют выхлопные газы двигателя, входящего в состав установки. Упрощение системы охлаждения, снижение стоимости изготовления и эксплуатации, повышение надежности и автономности при этом очевидны.

Что касается КПД, то в установках с двигателем внутреннего сгорания газотурбинного типа, имеющим турбину полного расширения, способ охлаждения сжатого воздуха с помощью эжектора, использующего энергию выхлопных газов двигателя, энергетически менее выгоден, чем способ охлаждения, принятый за прототип и даже способ охлаждения, при котором поток охлаждающего воздуха через теплообменник обеспечивают вентилятором, т.к. КПД системы вентилятор-привод может быть получен все же выше, чем КПД газовоздушного эжектора в сочетании с уменьшением КПД самого двигателя за счет увеличения сопротивления на выхлопе. Поэтому применение этого способа обосновано в передвижных, аварийных и т. п. установках, где задача получить дешевую и надежную конструкцию превалирует над задачей получения высокого КПД.

В компрессорных установках специального назначения, разработанных на базе авиационных турбореактивных двигателей (ТРД), заявленный способ охлаждения дает возможность безусловно повысить КПД в сравнении с использованием для подачи охлаждающего воздуха вентилятора с электроприводом. При использовании ТРД с отбором воздуха за компрессором в качестве базы для компрессорной установки не удается без существенной переделки двигателя достичь полного расширения газов на турбине, что приводит к большим потерям энергии с выхлопными газами, создающими реактивную тягу - полезную для авиационного двигателя, но бесполезную для компрессорной установки. Использование этой энергии взамен дополнительной энергии на привод вентилятора дает очевидный выигрыш в КПД.

Возможность использования эжектора для создания разряжения, необходимого для организации воздушного потока через охлаждающий контур теплообменника, вытекает из самого понятия "эжектор - струйный аппарат, в котором для отсасывания газов или жидкостей используется кинетическая энергия другого газа или жидкости" (Политехнический словарь. Гл. ред. Артоболевский И.И., М.: Советская Энциклопедия, 1976, с. 570).

Возможность использовать кинетическую энергию выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания также вытекает из наличия целого ряда известных способов и устройств.

Для поршневого двигателя внутреннего сгорания это, например, агрегатный наддув с турбокомпрессором. (Политехнический словарь. Гл. ред. Артоболевский И. И., М.: Советская Энциклопедия, 1976, с. 305, 306), где кинетическую энергию выхлопных газов используют для работы турбины, приводящей в действие компрессор, с помощью которого повышают давление воздуха, поступающего в двигатель при впуске и, соответственно, мощность двигателя.

У двигателя внутреннего сгорания газотурбинного типа энергию выхлопных газов используют в эжекторе, например, при организации вентиляции стенда для испытаний реактивных двигателей, а также для увеличения реактивной тяги путем подмешивания внешнего воздуха к струе газа, вытекающего из сопла реактивного двигателя (Абрамович Г.А. Прикладная газовая динамика. М., 1969, с. 439, 440, 503, 504, Рис. 9.2 и Рис. 9.30).

ПРИМЕР КОНКРЕТНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА

К потребителю подают сжатый воздух с температурой, не превышающей температуру окружающего воздуха более чем на 30^oC, например при продувке магистральных трубопроводов с полимерным покрытием.

Для решения этой задачи используют компрессорную установку, которая изображена на чертеже.

Установка содержит двигатель внутреннего сгорания газотурбинного типа, состоящий из компрессора 1, камеры сгорания 2 и турбины 3, а также размещенный вне проточной части двигателя теплообменник 4, подключенный на входе в охлаждаемый контур и выходу из компрессора, а на выходе из охлаждающего контура - к соплу эжектируемого газа эжектора 5, сопло эжектирующего газа которого соединено с выходом из турбины двигателя.

Установка работает следующим образом. Атмосферный воздух, засасываемый в тракт двигателя компрессором 1, частично поступает в камеру сгорания 2, где обеспечивает горение топлива, а частично - в охлаждаемый контур теплообменника 4, где охлаждается атмосферным воздухом и поступает к потребителю. Полученные в процессе горения газы из камеры сгорания поступают в турбину 3, приводящую в действие компрессор, а затем, потеряв на турбине часть энергии, - в сопло эжектирующего газа эжектора 5, обеспечивая поток охлаждающего воздуха, который после выхода из теплообменника поступает в сопло эжектируемого газа эжектора.

Пусть давление за компрессором установки 10 кгс/см² (1,0 МПа), суммарный расход воздуха, отбираемого к потребителю 10 кг/с, а температура газов перед турбиной двигателя не должна, из условий прочности, превышать 1250 К.

Для обеспечения привода компрессора турбина должна иметь мощность



где N_Т - мощность турбины, Вт;

N_К - мощность компрессора, Вт;

k = 1,4 - показатель адиабаты для воздуха;

R = 287,3 Дж/(кгК) - газовая постоянная для воздуха;

T_н = 288K - температура атмосферного воздуха;

P_К^* = (P_н + 10 кгс/см²) = 11,03 кгс/см² - полное давление за компрессором;

P_н = 1,03 кгс/см² - полное атмосферное давление;

^*_к = 0,85 - адиабатический КПД компрессора;

G_в = 50 кг/с - расход воздуха через компрессор.

(А. М. Поляков, Ю. И. Шальман и др. Авиационные газотурбинные вспомогательные силовые установки. М.: Машиностроение, 1978, с. 67...73).

В свою очередь



где k_г = 1,33 - показатель адиабаты для горячих газов на турбине,

R_г = 288,3 Дж/(кгК) - газовая постоянная для газов,

T_г^* = 1250 К - температура газов перед турбиной,

P_r^* P_K^* = 11,0 кгс/см² - полное давление перед турбиной,

P_Т^* - полное давление за турбиной (не известно),

^*_т = 0,85 - адиабатический КПД турбины,

G_г (G_в - G_отб) = 40 кг/с - расход газа через турбину,

G_отб = 10 кг/с - расход воздуха, отбираемого из-за компрессора.

Решая это уравнение относительно P_Т^*, получаем P_Т^* = 2,13 кгс/см² и, соответственно, все основные параметры выхлопных газов двигателя:



- температура газов за турбиной,

G_Т = G_r = 40 кг/с - расход газов за турбиной.

Так как P_н/P_Т^* < 0,540 - критического перепада давления для газа при k_г = 1,33, то в обычном сужающемся сопле можно получить истечение выхлопных газов с критической скоростью звука



Соответственно, мощность потока выхлопных газов



Температура воздуха за компрессором 1 равна



Чтобы снизить ее до заданной T_отб = T_н + 30 = 288 + 30 = 318 К используют теплообменник 3, через охлаждаемый контур которого пропускают сжатый воздух, а через охлаждающий - атмосферный. Расход охлаждающего воздуха можно определить из соотношения

G_отб(T_К^* - T_отб) = G_охл(T_охл - T_н),

где G_охл - расход охлаждающего воздуха, кг/с,

T_охл - температура охлаждающего воздуха на выходе из теплообменника, К.

При использовании сравнительно компактного теплообменника с противотоком легко получить, например, T_охл = 80^oC = 368 К, т.к., в пределе, T_охл при противотоке ограничена условием T_охл < T_К^* = 616 К. Отсюда G_охл = 37,3 кг/с.

Расход охлаждающего воздуха создают с помощью эжектора 4, в сопло эжектируемого газа которого подают прошедший через теплообменник охлаждающий воздух, а в сопло эжектирующего газа - выхлопные газы двигателя.

При скорости потока охлаждающего воздуха в теплообменнике W_охл = 15 м/с (Бажан П. И. и др., Справочник по теплообменным аппаратам. - М.: Машиностроение, 1989. Табл. 1.8.) для обеспечения G_охл = 37,3 кг/с необходима мощность



что составляет менее 0,1% от мощности потока выхлопных газов двигателя. Следовательно, даже при КПД эжектора 0,1% поток охлаждающего воздуха можно обеспечить. Это говорит о том, что при практической реализации способа конструкция эжектора может быть упрощенной с укороченной камерой смешения и т. п. Можно снизить T_охл, увеличить G_отб (препятствием здесь является не охлаждение, а термодинамические и прочностные характеристики самого двигателя) и т.д. В любом случае энергии выхлопных газов будет достаточно, чтобы обеспечить в данном примере необходимый расход охлаждающего воздуха через теплообменник с помощью эжектора.