RU2053378C1

RU2053378C1 - Steam-gas power plant

Info

Publication number: RU2053378C1
Application number: RU93002875A
Authority: RU
Original assignee: Чуркин Рудольф Кузьмич; Чуркин Дмитрий Рудольфович
Priority date: 1993-01-15
Filing date: 1993-01-15
Publication date: 1996-01-27

Abstract

FIELD: heat-power engineering. SUBSTANCE: device has gas-turbine engine 1 with free gas turbine 2 which is connected by its shaft with drive rotary member 6 and shaft of steam turbine 3; plant is also provided with steam generator 5 connected to exhaust of gas turbine 2 by heating medium. Mounted at inlet of steam generator 5 is closed gas-filled reservoir 8 made in form of hollow rotor with shaft 9. Reservoir 8 is filled with heavy inert gas or mixture of several gases at excessive pressure. Shaft 9 of reservoir 8 is connected to shaft of turbine 2 through angular velocity step-up gear. Reservoir 8 is provided with streamlined tight casing with off-center hollow partition and one-sided blades located on side of gas flow inlet. Steam generator is mounted coaxially relative to rotor of reservoir 8 and is provided with heat-insulated axial zone where shaft 9 of rotor and rotational supports are located. EFFECT: enhanced reliability. 2 dwg

Description

Изобретение относится к судовым, а также к водо-нефте- и/или газоперекачивающим силовым газотурбинным установкам на особых рабочих телах. Известна парогазовая силовая установка, включающая в себя газотурбинный двигатель со свободной турбиной и замкнутый паросиловой контур с паровой турбиной, конденсатором, парогенератором, при этом последний выполнен цилиндрической формы с размещением в его внутренней полости теплообменных поверхностей замкнутого паросилового контура и подсоединен по греющей среде к выхлопу газовой турбины, а вал свободной турбины соединен с ротационным органом и валом паровой турбины. Известная парогазовая силовая установка имеет недостаточно высокий коэффициент преобразования тепловой энергии выхлопных газов газовой турбины вследствие их сравнительно низкой температуры. The invention relates to ship, as well as to water, oil and / or gas pumping power gas turbine units on special working fluids. A steam-gas power plant is known, which includes a gas turbine engine with a free turbine and a closed steam-power circuit with a steam turbine, a condenser, a steam generator, while the latter is cylindrical in shape with a closed steam-power circuit placed in its internal cavity of the heat exchange surfaces and connected to a gas exhaust via a heating medium turbines, and the shaft of the free turbine is connected to the rotational body and the shaft of the steam turbine. The well-known combined-cycle power plant has an insufficiently high coefficient of conversion of thermal energy of the exhaust gases of a gas turbine due to their relatively low temperature.

Цель изобретения повышение коэффициента преобразования тепловой энергии выхлопных газов газовой турбины, а также обеспечение возможности использования путем инжекции низкопотенциального тепла окружающей и/или перекачиваемой среды. The purpose of the invention is to increase the coefficient of conversion of thermal energy of the exhaust gases of a gas turbine, as well as providing the possibility of using by injection low potential heat of the surrounding and / or pumped medium.

Поставленная цель достигается тем, что установка дополнительно снабжена мультипликатором угловой скорости и замкнутым газонаполненным сосудом, выполненным в виде осесимметричного полого ротора с собственным валом и опорами вращения и размещенным на входе в парогенератор в зоне подвода к последнему греющей среды, при этом указанный сосуд заполнен одним из тяжелых инертных газов: аргоном, криптоном, ксеноном или их смесью при избыточном давлении и выполнен обтекаемой формы с герметичным кожухом, асимметричной полой внутренней перегородкой, лопастями, образующими собственный малый циркуляционный контур, а парогенератор выполнен с размещением указанных теплообменных поверхностей по кольцу в его периферийной части и с теплоизолированной осевой зоной, установлен коаксиально ротору газонаполненного сосуда, а вал последнего и его опоры вращения размещены в теплоизолированной осевой зоне парогенератора, при этом вал ротора подсоединен к валу свободной турбины через мультипликатор угловой скорости. This goal is achieved by the fact that the installation is additionally equipped with an angular velocity multiplier and a closed gas-filled vessel made in the form of an axisymmetric hollow rotor with its own shaft and rotation supports and placed at the inlet of the steam generator in the zone of supply to the last heating medium, while this vessel is filled with one of heavy inert gases: argon, krypton, xenon or their mixture at overpressure and is streamlined with a hermetic casing, an asymmetric hollow internal burnout the blade, the blades forming their own small circulation loop, and the steam generator is made with the placement of these heat exchange surfaces in a ring in its peripheral part and with a heat-insulated axial zone, mounted coaxially to the rotor of the gas-filled vessel, and the shaft of the latter and its rotation bearings are placed in the heat-insulated axial zone of the steam generator, wherein the rotor shaft is connected to the shaft of the free turbine through the angular velocity multiplier.

На фиг. 1 схематично показана предложенная парогазовая силовая установка, общий вид; на фиг. 2 то же, продольный разрез. In FIG. 1 schematically shows the proposed combined cycle power plant, General view; in FIG. 2 same, longitudinal section.

Парогазовая силовая установка включает в себя газотурбинный двигатель 1 со свободной турбиной 2, замкнутый паросиловой контур с паровой турбиной 3 и конденсатным насосом, конденсатором 4, парогенератором 5, выполненным цилиндрической формы с размещенными в его внутренней полости теплообменными поверхностями паросилового контура. Парогенератор подсоединен по греющей среде к выхлопу газовой турбины. Вал свободной турбины соединен с ротационным органом 6 и валом паровой турбины посредством выключающихся контактных или бесконтактных муфт или без таковых напрямую или через понижающую передачу. В установку дополнительно включены мультипликатор 7 угловой скорости и замкнутый газонаполненный сосуд 8, выполненный в виде осесимметричного полого ротора с собственным валом 9, снабженным осевым каналом и опорами вращения, размещенный на входе в парогенератор в зоне подвода к нему греющей среды. Combined-cycle power plant includes a gas turbine engine 1 with a free turbine 2, a closed steam-power circuit with a steam turbine 3 and a condensate pump, a condenser 4, a steam generator 5 made of a cylindrical shape with heat-exchange surfaces of the steam-powered circuit placed in its internal cavity. The steam generator is connected via a heating medium to the exhaust of a gas turbine. The shaft of the free turbine is connected to the rotary body 6 and the shaft of the steam turbine by means of disconnecting contact or non-contact couplings, either directly or via a reduction gear. The installation additionally includes an angular velocity multiplier 7 and a closed gas-filled vessel 8, made in the form of an axisymmetric hollow rotor with its own shaft 9, equipped with an axial channel and rotation supports, located at the entrance to the steam generator in the zone of supply of the heating medium to it.

Устройство газонаполненного сосуда показано отдельно на фиг. 2. The gas-filled vessel arrangement is shown separately in FIG. 2.

Оговоренный сосуд выполнен обтекаемой, например конической, формы с герметичным кожухом 10, асимметричной полой внутренней перегородкой 11 и радиальными лопастями 12, совместно образующими собственный малый циркуляционный контур сосуда. The stipulated vessel is made streamlined, for example, conical, with an airtight casing 10, an asymmetric hollow inner partition 11 and radial blades 12, together forming their own small circulation circuit of the vessel.

Сосуд заполнен под избыточным давлением порядка 6-12 кгс/см² одним из тяжелых инертных газов: аргоном, криптоном, ксеноном или их смесью. Парогенератор выполнен коаксиальным сосуду, а его периферийная часть по кольцу заполнена теплообменными поверхностями паросилового контура, при этом внутренняя приосевая зона теплоизолирована от периферийной и в ней установлены опоры вращения и вал газонаполненного сосуда. Вал газонаполненного сосуда через мультипликатор угловой скорости под прямым углом подключен к валу свободной газовой турбины.The vessel is filled under an overpressure of about 6-12 kgf / cm ^{2 with} one of the heavy inert gases: argon, krypton, xenon, or a mixture thereof. The steam generator is made coaxial to the vessel, and its peripheral part along the ring is filled with heat-exchange surfaces of the steam-power circuit, while the inner axial zone is thermally insulated from the peripheral one and the supports of rotation and the shaft of the gas-filled vessel are installed in it. The shaft of the gas-filled vessel through the angular velocity multiplier is connected at right angles to the shaft of the free gas turbine.

Парогазовая силовая установка работает следующим образом. Combined-cycle power plant operates as follows.

Газотурбинный двигатель 1 создает интенсивный скоростной поток горячих выхлопных газов, вращающий свободно установленную газовую турбину 2 и связанные с ее валом через муфты или напрямую валы паровой турбины 3 с конденсатным насосом и рабочего ротационного органа 6. Расширившийся в свободной турбине 2 газ, отдав ей часть своей энергии и понизив температуру, обтекает газонаполненный сосуд 8 и поступает в периферийную кольцевую зону парогенератора 5, нагревает остаточным теплом теплообменные поверхности и рабочее тело паросилового контура и практически охлажденным выбрасывается в атмосферу. The gas turbine engine 1 creates an intense high-speed flow of hot exhaust gases, rotating a freely installed gas turbine 2 and connected to its shaft through couplings or directly shafts of a steam turbine 3 with a condensate pump and a working rotary organ 6. The gas expanded in a free turbine 2, giving it part of its energy and lowering the temperature, flows around the gas-filled vessel 8 and enters the peripheral annular zone of the steam generator 5, heats the heat-exchange surfaces and the working fluid of the steam-powered circuit with residual heat and almost chilled emitted into the atmosphere.

Пар рабочего тела из парогенератора под давлением поступает в паровую турбину 3, расширяется в ней и отдает ротору часть своей энергии. Конический мультипликатор 7 угловой скорости отбирает часть механической энергии на разгон газонаполненного сосуда 8 до скорости 20-60 тыс.об/мин, превышающей скорость свободной турбины. The steam of the working fluid from the steam generator under pressure enters the steam turbine 3, expands in it and gives the rotor part of its energy. The conical angular velocity multiplier 7 selects part of the mechanical energy to accelerate the gas-filled vessel 8 to a speed of 20-60 thousand rpm, exceeding the speed of a free turbine.

При вращении газонаполненного сосуда 8 наполняющая его полость рабочая среда сжимается в радиальном компрессорном канале и нагревается при этом, отбирая тепло из приосевой зоны, далее отдает это тепло обтекающему газовому потоку на периферии сосуда и расширяется в другом радиальном канале детандере, охлаждаясь при этом до температур ниже температуры выхлопных газов. За счет асимметрии формы сосуда и его внутренней перегородки 11, а также лопастей 12 при вращении сосуда в образованном ими малом циркуляционном контуре возникает принудительная циклическая циркуляция с сжатием и нагревом, расширением и охлаждением. Сжатие рабочей среды в сосуде обеспечивается центробежными силами вращения. Циркуляция среды внутри сосуда обеспечивает перенос тепла из приосевой зоны на периферию и предотвращает развитие спонтанной термической турбулентности, обусловленной возникновением в свободном вращающемся пространстве паразитных вихрей Тейлора, уносящих тепловую энергию и стремящихся к выравниванию температурного потенциала по радиусу газонаполненного сосуда. During the rotation of the gas-filled vessel 8, the working medium filling its cavity is compressed in the radial compressor channel and is heated, taking heat from the near-axis zone, then it transfers this heat to the flowing gas stream at the periphery of the vessel and expands in the other radial channel of the expander, while cooling to temperatures below exhaust temperature. Due to the asymmetry of the shape of the vessel and its inner partition 11, as well as the blades 12, when the vessel rotates in the small circulation circuit formed by them, forced cyclic circulation occurs with compression and heating, expansion and cooling. Compression of the working medium in the vessel is provided by centrifugal rotation forces. The circulation of the medium inside the vessel provides heat transfer from the axial zone to the periphery and prevents the development of spontaneous thermal turbulence due to the occurrence of spurious Taylor vortices in the free rotating space, which carry thermal energy and tend to equalize the temperature potential along the radius of the gas-filled vessel.

Поток выхлопных газов, омывающий горячую периферию сосуда 8, дополнительно нагревается за счет теплообмена с ней и поступает в кольцевую периферийную часть парогенератора 5 и отдает свое тепло при высокой температуре рабочему телу паросилового контура и обеспечивает за счет более высокой температуры рабочего тела, его эксергии или работоспособности более эффективную работу паровой турбины 3 и соответствующий выигрыш КПД. В приосевой зоне сосуда 8 часть потока выхлопных газов по осевому каналу вала 9 попадает в холодную область ротора и парогенератора, отдает ей свое тепло и охлажденной удаляется в атмосферу. Тепло выхлопных газов, отобранное путем теплообмена в холодной приосевой зоне, путем многократной циркуляции по малому циркуляционному контуру внутри сосуда переносится из осевой зоны на периферию с одновременным повышением температурного потенциала. Таким образом тепло выхлопных газов после свободной газовой турбины 2 распределяется на два рукава подогреваемый периферийный, аккумулирующий тепло центробежного сжатия, и охлаждаемый осевой, из которого извлекается тепло расширения. Высокопотенциальное тепло с периферии сосуда поступает в парогенератор и работает в паровой турбине, низкопотенциальный поток газов выбрасывается через теплоизолированную осевую зону парогенератора в атмосферу. The exhaust gas stream washing the hot periphery of the vessel 8 is additionally heated by heat exchange with it and enters the annular peripheral part of the steam generator 5 and gives off its heat at high temperature to the working fluid of the steam-power circuit and provides due to the higher temperature of the working fluid, its exergy or working capacity more efficient operation of the steam turbine 3 and the corresponding gain in efficiency. In the near-axial zone of the vessel 8, part of the exhaust gas flow through the axial channel of the shaft 9 enters the cold region of the rotor and the steam generator, gives it its heat and is cooled off and is removed to the atmosphere. The heat of exhaust gases taken by heat exchange in the cold paraxial zone, by repeated circulation along the small circulation circuit inside the vessel is transferred from the axial zone to the periphery with a simultaneous increase in the temperature potential. Thus, the heat of exhaust gases after a free gas turbine 2 is distributed into two arms, heated peripheral, accumulating heat of centrifugal compression, and cooled axially, from which expansion heat is extracted. High-potential heat from the periphery of the vessel enters the steam generator and works in a steam turbine, a low-potential gas stream is released through the heat-insulated axial zone of the steam generator into the atmosphere.

Таким образом, вращающийся газонаполненный сосуд 8 работает как центробежный тепловой насос и активный термотрансформатор, регенератор тепла. Такой термотрансформатор позволяет не только повысить температуру пара перед турбиной и коэффициент преобразования в турбине, но и увеличить выход тепловой энергии за счет инжекции низкопотенциального тепла окружающей и перекачиваемой среды, поскольку коэффициент трансформации тепловых насосов всегда более 1. Такая инжекция низкопотенциального тепла в холодную приосевую зону может осуществляться, например, со стороны ротационного органа через встроенную внутри вала тепловую трубу (на чертеже не показана). Thus, the rotating gas-filled vessel 8 operates as a centrifugal heat pump and an active thermotransformer, a heat regenerator. Such a thermotransformer allows not only to increase the steam temperature in front of the turbine and the conversion coefficient in the turbine, but also to increase the output of thermal energy due to the injection of low potential heat from the surrounding and pumped medium, since the transformation coefficient of the heat pumps is always more than 1. Such injection of low potential heat into the cold axial zone can carried out, for example, from the side of the rotational organ through the heat pipe built inside the shaft (not shown in the drawing).

В качестве рабочей среды паросилового контура могут быть использованы как низкокипящие экологически чистые жидкости хладоны, так и обычная очищенная от минеральных солей вода. As a working medium of the steam-power circuit, both low-boiling environmentally friendly liquids freons and ordinary water purified from mineral salts can be used.

Тяжелые инертные газы аргон, криптон, ксенон, используемые в качестве рабочего тела в малом циркуляционном контуре внутри сосуда 8, имеют высокие тепловые характеристики и низкую теплоемкость, позволяющие достигать более высоких температур, чем возможно при использовании легкокипящих жидкостей паросилового контура. Избыточное давление газа внутри сосуда интенсифицирует процесс теплопереноса и позволяет сократить диаметр и длину сосуда. Heavy inert gases argon, krypton, xenon, used as a working fluid in a small circulation circuit inside the vessel 8, have high thermal characteristics and low heat capacity, which allows to reach higher temperatures than is possible when using low-boiling fluids of a steam-power circuit. Excessive gas pressure inside the vessel intensifies the heat transfer process and reduces the diameter and length of the vessel.

Claims

ПАРОГАЗОВАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА, включающая газотурбинный двигатель со свободной турбиной и замкнутый паросиловой контур с паровой турбиной, конденсатором и парогенератором, при этом последний выполнен цилиндрической формы с размещением в его внутренней полости теплообменных поверхностей замкнутого паросилового контура и подсоединен по греющей среде к выхлопу газовой турбины, а вал свободной турбины соединен с ротационным органом и валом паровой турбины, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена мультипликатором угловой скорости и замкнутым газонаполненным сосудом, выполненным в виде осесимметричного полого ротора с собственным валом и опорами вращения и размещенным на входе в парогенератор в зоне подвода к последнему греющей среды, при этом указанный сосуд заполнен одним из тяжелых инертных газов: аргоном, криптоном, ксеноном или их смесью при избыточном давлении и выполнен обтекаемой формы с герметичным кожухом, асимметричной полой внутренней перегородкой, лопастями, образующими собственный малый циркуляционный контур, а парогенератор выполнен с размещением указанных теплообменных поверхностей по кольцу в его периферийной части и с теплоизолированной осевой зоной, установлен коаксиально ротору газонаполненного сосуда, вал последнего и его опоры вращения размещены в теплоизолированной осевой зоне парогенератора, при этом вал ротора подсоединен к валу свободной турбины через мультипликатор угловой скорости. STEAM-GAS POWER PLANT, including a gas turbine engine with a free turbine and a closed steam-power circuit with a steam turbine, a condenser and a steam generator, the latter being made of a cylindrical shape with a closed steam-powered circuit placed in its internal cavity of the heat exchange surfaces and connected to the exhaust of the gas turbine via a heating medium, and the shaft of the free turbine is connected to the rotational body and the shaft of the steam turbine, characterized in that it is additionally equipped with an angular velocity multiplier and a closed gas-filled vessel made in the form of an axisymmetric hollow rotor with its own shaft and rotation supports and placed at the inlet of the steam generator in the zone of supply to the last heating medium, while this vessel is filled with one of the heavy inert gases: argon, krypton, xenon or their the mixture at overpressure and made streamlined with a sealed casing, an asymmetric hollow internal partition, blades forming its own small circulation circuit, and the steam generator is made with placement By installing said heat-exchange surfaces in a ring in its peripheral part and with a heat-insulated axial zone, it is installed coaxially to the rotor of a gas-filled vessel, the shaft of the latter and its rotation bearings are placed in the heat-insulated axial zone of the steam generator, while the rotor shaft is connected to the shaft of the free turbine through the angular velocity multiplier.