×
19.12.2018
218.016.a8d6

ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
№ охранного документа
0002675167
Дата охранного документа
17.12.2018
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Газотурбинная установка состоит из входного устройства, вентилятора, внутреннего контура, внешнего контура. Внутри внутреннего контура расположены компрессор с отбором воздуха для охлаждения турбины привода вентилятора и компрессора, камера сгорания, турбина привода вентилятора и компрессора, выходное устройство внутреннего контура. Внутри внешнего контура расположены теплообменник, в котором циркулирует воздух, поступающий из смесителя, в котором смешиваются воздух, поступающий из компрессора, и воздух, поступающий из теплообменника, выходное устройство внешнего контура. Внутри внутреннего и внешнего контуров за турбиной привода вентилятора и компрессора расположен теплообменник-регенератор. Выходное устройство внутреннего контура выполнено в виде выхлопного патрубка. Выходное устройство внешнего контура выполнено в виде свободной турбины. Изобретение позволяет повысить температуру газа перед турбиной и понизить температуру выходящих газов, что приводит к повышению работы и к.п.д. цикла тепловой машины. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к теплоэнергетике.

Целью изобретения является повышение эффективного к.п.д. тепловых машин.

В соответствии с законами термодинамики работа тепловой машины определяется как разница подведенной и отведенной в термодинамическом цикле теплоты. При этом природа рабочего тела не влияет на величину указанной работы, а термический к.п.д. не может быть выше, чем в цикле Карно при тех же температурах «источника» и «холодильника».

Задача приближения к.п.д. тепловой машины к к.п.д. цикла Карно в общем случае решается методом внутренних термодинамических циклов (Письменный В.Л. Внутренние термодинамические циклы. // М. - Конверсия в машиностроении. 2006, №3. С. 5-10). Внутренний термодинамический цикл - это цикл, имеющий энергообмен с внешним циклом. Внешний цикл - это цикл, имеющий энергообмен с внешними источниками энергии (внешней средой). Замечательным свойством внутренних циклов является то, что их к.п.д. равен единице, поэтому, чем больше внутренних циклов имеет тепловая машина, тем выше ее к.п.д. (патенты: RU 2269668, RU 50603, RU 2272916, RU 2284418, RU 2287708, RU 2520762, RU 2523087).

Известен двухконтурный турбореактивный двигатель, состоящий из входного устройства, вентилятора, внутреннего контура, внутри которого расположены: компрессор с отбором воздуха для охлаждения турбины привода вентилятора и компрессора, камера сгорания, турбина привода вентилятора и компрессора, выходное устройство внутреннего контура; внешнего контура, внутри которого расположен теплообменник, внутри которого циркулирует воздух, поступающий из смесителя, в котором смешиваются воздух, поступающий из компрессора, и воздух, поступающий из теплообменника, выходное устройство внешнего контура (патент RU 2617026 С1, 2017).

Известны газотурбинные двигатели, в которых используется свободная турбина (Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей / Под ред. С.М. Шляхтенко - М: Машиностроение, 1987, с. 354, рис. 11.4).

Известны газотурбинные двигатели, у которых за турбиной устанавливается диффузорный патрубок, позволяющий повышать перепад давлений в турбине больше, чем располагаемый (Нечаев Ю.Н., Федоров P.M. Теория авиационных газотурбинных двигателей. Ч. 2. М.: Машиностроение, 1978, с. 268, рис. 19.2).

Известны газотурбинные двигатели с регенерацией тепла (Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей / Под ред. С.М. Шляхтенко - М.: Машиностроение, 1987, с. 354, рис. 11.3).

Поставленная цель достигается тем, что в газотурбинной установке (ГТУ), состоящей из входного устройства, вентилятора, внутреннего контура, внутри которого расположены: компрессор с отбором воздуха для охлаждения турбины привода вентилятора и компрессора, камера сгорания, турбина привода вентилятора и компрессора, выходное устройство внутреннего контура; внешнего контура, внутри которого расположен теплообменник, внутри которого циркулирует воздух, поступающий из смесителя, в котором смешиваются воздух, поступающий из компрессора, и воздух, поступающий из теплообменника, выходное устройство внешнего контра. Внутри внутреннего и внешнего контуров расположен теплообменник-регенератор, выходное устройство внутреннего контура выполнено в виде выхлопного патрубка, а выходное устройство внешнего контура - в виде свободной турбины.

Сущность изобретения заключается в том, что использование в ГТУ внешнего (второго) контура позволяет за счет хладоресурса воздуха второго контура повысить температуру газа перед турбиной до предельно возможной (~2300 К), а температуру выходящих газов, наоборот, понизить, что в соответствии с законами термодинамики означает повышение работы и к.п.д. цикла тепловой машины.

Рабочие параметры ГТУ предпочтительно иметь предельно высокими: температура газа пред турбиной привода вентилятора и компрессора более 2300 К (ограничивается прочностью лопаток турбины либо диссоциацией продуктов сгорания), степень повышения давления воздуха в вентиляторе и компрессоре более 40 (ограничивается жаропрочностью лопаток компрессора).

Для снижения отбора воздуха от компрессора ГТУ на охлаждение турбины привода вентилятора и компрессора сопловые аппараты предпочтительно делать керамическими.

Корпус ГТУ предпочтительно покрывать теплоизоляционным материалом.

На фиг. 1 показана ГТУ;

на фиг. 2 показан термодинамический цикл ГТУ;

на фиг. 3 показана зависимость эффективного к.п.д. ГТУ от степени повышения давления в ГТУ;

на фиг. 4 показана зависимость температур газов, выходящих из ГТУ, от степени повышения давления в ГТУ.

ГТУ (фиг. 1) состоит из входного устройства 1, вентилятора 2, внутреннего и внешнего контуров, теплообменника-регенератора 3.

Во внутреннем контуре расположены: компрессор 4, камера сгорания 5, турбина привода вентилятора и компрессора 6 (далее турбина), выходное устройство 7, выполненное в виде выхлопного патрубка.

Во внешнем контуре расположены: теплообменник 8, смеситель 9, нагнетатель 10. Внутренние каналы теплообменника 8 с одной стороны через смеситель 9 соединены с воздушной полостью за компрессором 4, а с другой стороны - со смесителем 9 через нагнетатель 10 и воздушными каналами системы охлаждения турбины 7, выходное устройство 11, выполненное в виде свободной турбины.

Теплообменник-регенератор 3 расположен за турбиной 6 внутри внутреннего и внешнего контуров (газовые каналы теплообменника принадлежат внутреннему контуру, воздушные - внешнему).

Вентилятор 2 соединен с компрессором 4 через редуктор 12.

Работа ГТУ не отличается от работы двухконтурного турбореактивного двигателя с раздельными контурами за исключением работы системы охлаждения турбины и выходных устройств.

Работа системы охлаждения турбины осуществляется следующим образом. Горячий воздух отбирается за компрессором 4 и подается в смеситель 9, и далее в теплообменник 8. Охлажденный в теплообменнике 8 воздух поступает в систему охлаждения турбины 6 и нагнетатель 10, который нагнетает воздух в смеситель 9. В смесителе 9 охлажденный воздух перемешивается с горячим воздухом, поступающим из компрессора. В результате смешения температура горячего воздуха понижается. Образовавшаяся смесь поступает в теплообменник, и цикл повторяется. Снижение температуры воздуха будет продолжаться до тех пор, пока не будет достигнут тепловой баланс между теплом, поступающим в смеситель 9 от компрессора, и теплом, отводимым через теплообменник 8 во внешний контур установки.

Из внутреннего и внешнего контуров газ (воздух) поступает в теплообменник-регенератор 3.

Работа теплообменника-регенератора осуществляется следующим образом. Горячий газ из турбины 7 истекает во внутреннюю полость теплообменника-регенератора 3, через которую по теплопроводящим каналам движется воздух внешнего контура. Статическое давление газа на выходе из турбины за счет скорости истечения газа поддерживается ниже атмосферного, что создает неравномерное поле давлений внутри теплообменника-регенератора (давление в центре теплообменника ниже, чем на периферии). Под действием перепада давлений образуются зоны обратных токов, которые заставляют охлажденный газ возвращаться в зону истечения горячего газа и смешиваться с ним, после чего процесс повторяется (чем больше объем теплообменника, тем больше степень охлаждения газа). Через патрубок 7 охлажденный газ истекает в атмосферу либо поступает в паросиловую установку для дальнейшего преобразования его тепловой энергии в полезную работу и полезную теплоту (например, горячую воду).

Нагретый воздух из теплообменника 3 под высоким давлением поступает в свободную турбину 11, расширяется до атмосферного давления, совершает полезную работу. Из турбины 11 воздух истекает в атмосферу либо поступает в ту же паросиловую установку или используется для обогрева промышленных объектов (теплиц, жилых зданий и др. объектов).

Размещение теплообменника-регенератора 3 в ГТУ (фиг. 1), его работа, описанная выше, позволяют формировать в тепловой машине (ГТУ) внутренние термодинамические циклы, которые являются инструментом повышения к.п.д. тепловой машины (Письменный В.Л. Внутренние термодинамические циклы. // М. - Конверсия в машиностроении. 2006, №3. С. 5-10). Это сделано впервые.

На фиг. 2 в Р-υ координатах показан термодинамический цикл энергетической установки, состоящей из ГТУ (фиг. 1) и паросиловой установки.

Цикл состоит из внешнего цикла Lц1 (цикл Брайтона) и двух внутренних циклов: Lц2 (цикл Брайтона) и Lц3 (циклРенкина).

К внешнему циклу подводится теплота Q1 (процесс к-г). Часть этой теплоты преобразуется в работу Lц1, часть (Q1-2 и Q1-3) передается во внутренние циклы, в которых преобразуется в работу Lц2 и Lц3 (фиг. 2). Оставшаяся теплота Q3 условно возвращается внешнему циклу, после чего рассеивается в атмосфере.

Благодаря наличию внутренних циклов количество отводимой из внешнего цикла теплоты, как видно из фиг. 3, уменьшается до значения Q3 при сохранении неизменной теплоты Q1, а следовательно, повышаются работа и к.п.д. цикла энергетической установки (тепловой машины).

Работа смешанного цикла (внешнего и внутренних) в общем случае определяется как , где mi - относительный расход рабочего тела в отдельных циклах (по отношению к расходу рабочего тела внешнего цикла), n - общее количество циклов, включая внешний.

На фиг. 3 показаны: сплошной линией - эффективный к.п.д. ηе ГТУ (фиг. 1) в зависимости от степени повышения давления воздуха π; пунктирной линией - эффективный к.п.д. той же ГТУ но уже с паросиловой установкой (эффективный к.п.д. паросиловой установки - 30%). На фиг. 4 показаны зависимости температуры газов, истекающих из ГТУ, от степени повышения давления воздуха π.

При определении характеристик (фиг. 3 и фиг. 4) заданы следующие параметры ГТУ: температура газа перед турбиной Тг*=2400 К; степень двух-контурности установки m=4,0; температура лопаток первой ступени турбины Тл=1250 К; коэффициент интенсивности охлаждения лопаток турбины ν=0,65; отбор воздуха на охлаждение турбины δотб=20%; к.п.д. вентилятора ηв=0,85; к.п.д. компрессора ηк=0,85; к.п.д. турбины ηт=0,96; к.п.д. свободной турбины ηт=0,96; механический к.п.д. ηм=0,99; полнота сгорания топлива ηг=0,99; коэффициент восстановления давления в камере сгорания σкс=0,98; коэффициент восстановления давления в теплообменниках σт=0,98; потери теплоты (несгоревшее топливо, теплоотдача через корпус ГТУ) ~4%.

Видно, что ГТУ (фиг. 1) позволяет практически 50% энергии топлива преобразовать в полезную работу, оставшиеся 50% (за малым исключением ~4%) - в конвертируемую теплоту, половину из которой теоретически можно преобразовать в полезную работу.

Газотурбинная установка может быть использована в качестве базового модуля для создания тепловых машин с эффективным к.п.д. 65% и более, что следует рассматривать как решение важной народнохозяйственной задачи. В Японии, например, создание тепловой машины с эффективным к.п.д. 64% объявлено национальной задачей.


ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА
ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-10 из 27.
27.06.2014
№216.012.d6c8

Парогазовая установка

Парогазовая установка (ПГУ) относится к области энергетики. Установка имеет два рабочих контура: парогазовый, представляющий собой газотурбинную установку (ГТУ), и паровой, включающий в себя теплообменник-конденсатор, установленный во входном канале ГТУ, теплообменник-нагреватель, установленный...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002520762
Дата охранного документа: 27.06.2014
20.07.2014
№216.012.dfd5

Парогазотурбинная установка

Парогазотурбинная установка состоит из входного устройства, компрессора, камеры сгорания, камеры смешения, турбины привода компрессора, выходного устройства, теплообменника-испарителя, теплообменника-нагревателя, расположенного за теплообменником-испарителем, паровой турбины,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002523087
Дата охранного документа: 20.07.2014
20.09.2014
№216.012.f5ab

Дождевальная установка

Применение в качестве дождевальной установки, создающей облака, газотурбинного двигателя, содержащего турбокомпрессор, форсажную камеру, установленную вертикально относительно поверхности земли, внутри которой за зоной горения расположен водяной коллектор с форсунками, направленными по потоку...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002528724
Дата охранного документа: 20.09.2014
10.10.2014
№216.012.fa8f

Способ охлаждения газотурбинного двигателя

Способ охлаждения газотурбинного двигателя (ГТД), заключающийся в понижении температуры воздуха, используемого для охлаждения ГТД. Понижение температуры воздуха осуществляется в турбохолодильной установке (ТХУ) и включает сжатие воздуха, используемого при охлаждении, в компрессоре с последующим...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002529989
Дата охранного документа: 10.10.2014
10.12.2014
№216.013.0eb9

Способ регулирования осевого компрессора в системе газотурбинного двигателя

Способ регулирования осевого компрессора в системе газотурбинного двигателя заключается в подаче горячего газа, отбираемого из канала, расположенного за турбиной, в канал, расположенный между входным устройством и компрессором двигателя, в количестве, необходимом для поддержания заданной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002535186
Дата охранного документа: 10.12.2014
27.07.2015
№216.013.66d5

Противообледенительная система газотурбинного двигателя

Противообледенительная система газотурбинного двигателя содержит теплообменник, установленный в проточной части двигателя перед входом в компрессор двигателя. Воздух, отбираемый за последней ступенью компрессора, через теплообменник подается в систему охлаждения турбины. Степень повышения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002557878
Дата охранного документа: 27.07.2015
27.03.2016
№216.014.c974

Способ форсирования двухконтурного турбореактивного двигателя

Способ форсирования двухконтурного турбореактивного двигателя, заключающийся в подаче в основную камеру сгорания форсажного топлива. Коллектор форсажного топлива расположен в зоне вторичного воздуха основной камеры сгорания. Предпочтительно частота вращения компрессора и перепад давлений на...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002578941
Дата охранного документа: 27.03.2016
27.04.2016
№216.015.3880

Способ уплотнения воздушных каналов

Способ уплотнения воздушных каналов заключается в использовании лабиринтного уплотнения. Перед лабиринтным уплотнением расположена полость низкого давления, из которой воздух центробежным компрессором перекачивается в полость высокого давления. Рабочие лопатки компрессора размещены на валу, а...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002582725
Дата охранного документа: 27.04.2016
25.08.2017
№217.015.a603

Теплообменник

Рекуперативный теплообменник, в котором один из теплоносителей, прежде чем попасть в теплообменник, проходит через смеситель, в котором смешивается с этим же теплоносителем, но уже прошедшим через теплообменник, нагнетаемым компрессором. Теплообменник, будучи рекуперативным, по эффективности...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002607916
Дата охранного документа: 11.01.2017
25.08.2017
№217.015.ac9c

Авиационная стехиометрическая силовая установка и способ ее регулирования

Силовая установка состоит из входного устройства, турбокомпрессора с отбором воздуха за компрессором для охлаждения лопаток турбины, выходного устройства. Турбокомпрессор имеет степень повышения давления в компрессоре не более четырех, одну ступень турбины. Воздух охлаждается в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002612482
Дата охранного документа: 09.03.2017
Показаны записи 1-10 из 27.
27.06.2014
№216.012.d6c8

Парогазовая установка

Парогазовая установка (ПГУ) относится к области энергетики. Установка имеет два рабочих контура: парогазовый, представляющий собой газотурбинную установку (ГТУ), и паровой, включающий в себя теплообменник-конденсатор, установленный во входном канале ГТУ, теплообменник-нагреватель, установленный...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002520762
Дата охранного документа: 27.06.2014
20.07.2014
№216.012.dfd5

Парогазотурбинная установка

Парогазотурбинная установка состоит из входного устройства, компрессора, камеры сгорания, камеры смешения, турбины привода компрессора, выходного устройства, теплообменника-испарителя, теплообменника-нагревателя, расположенного за теплообменником-испарителем, паровой турбины,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002523087
Дата охранного документа: 20.07.2014
20.09.2014
№216.012.f5ab

Дождевальная установка

Применение в качестве дождевальной установки, создающей облака, газотурбинного двигателя, содержащего турбокомпрессор, форсажную камеру, установленную вертикально относительно поверхности земли, внутри которой за зоной горения расположен водяной коллектор с форсунками, направленными по потоку...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002528724
Дата охранного документа: 20.09.2014
10.10.2014
№216.012.fa8f

Способ охлаждения газотурбинного двигателя

Способ охлаждения газотурбинного двигателя (ГТД), заключающийся в понижении температуры воздуха, используемого для охлаждения ГТД. Понижение температуры воздуха осуществляется в турбохолодильной установке (ТХУ) и включает сжатие воздуха, используемого при охлаждении, в компрессоре с последующим...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002529989
Дата охранного документа: 10.10.2014
10.12.2014
№216.013.0eb9

Способ регулирования осевого компрессора в системе газотурбинного двигателя

Способ регулирования осевого компрессора в системе газотурбинного двигателя заключается в подаче горячего газа, отбираемого из канала, расположенного за турбиной, в канал, расположенный между входным устройством и компрессором двигателя, в количестве, необходимом для поддержания заданной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002535186
Дата охранного документа: 10.12.2014
27.07.2015
№216.013.66d5

Противообледенительная система газотурбинного двигателя

Противообледенительная система газотурбинного двигателя содержит теплообменник, установленный в проточной части двигателя перед входом в компрессор двигателя. Воздух, отбираемый за последней ступенью компрессора, через теплообменник подается в систему охлаждения турбины. Степень повышения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002557878
Дата охранного документа: 27.07.2015
27.03.2016
№216.014.c974

Способ форсирования двухконтурного турбореактивного двигателя

Способ форсирования двухконтурного турбореактивного двигателя, заключающийся в подаче в основную камеру сгорания форсажного топлива. Коллектор форсажного топлива расположен в зоне вторичного воздуха основной камеры сгорания. Предпочтительно частота вращения компрессора и перепад давлений на...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002578941
Дата охранного документа: 27.03.2016
27.04.2016
№216.015.3880

Способ уплотнения воздушных каналов

Способ уплотнения воздушных каналов заключается в использовании лабиринтного уплотнения. Перед лабиринтным уплотнением расположена полость низкого давления, из которой воздух центробежным компрессором перекачивается в полость высокого давления. Рабочие лопатки компрессора размещены на валу, а...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002582725
Дата охранного документа: 27.04.2016
25.08.2017
№217.015.a603

Теплообменник

Рекуперативный теплообменник, в котором один из теплоносителей, прежде чем попасть в теплообменник, проходит через смеситель, в котором смешивается с этим же теплоносителем, но уже прошедшим через теплообменник, нагнетаемым компрессором. Теплообменник, будучи рекуперативным, по эффективности...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002607916
Дата охранного документа: 11.01.2017
25.08.2017
№217.015.ac9c

Авиационная стехиометрическая силовая установка и способ ее регулирования

Силовая установка состоит из входного устройства, турбокомпрессора с отбором воздуха за компрессором для охлаждения лопаток турбины, выходного устройства. Турбокомпрессор имеет степень повышения давления в компрессоре не более четырех, одну ступень турбины. Воздух охлаждается в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002612482
Дата охранного документа: 09.03.2017
+ добавить свой РИД