RU2192552C2 - Gas turbine with regeneration of heat - Google Patents

Abstract

FIELD: mechanical engineering; gas turbine engines. SUBSTANCE: proposed gas turbine engine with regeneration of heat has compressor, combustion chamber, high pressure turbine, power gas turbine and gas-to-air heat exchanger and additional compressor. Compressor is installed on one shaft with power air turbine. Inlet of air turbine is coupled with outlet of additional compressor through air space of heat exchanger. Gas space of heat exchanger is connected with outlet of power gas turbine. Ratio of area of passage of additional compressor at inlet to area of passage of additional compressor at outlet is 2-5. Ratio of area of neck of first nozzle assembly of power air turbine to area of neck of first nozzle assembly of gas turbine is 0.5-1. EFFECT: increased economy and power output of engine. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение может использоваться преимущественно в наземных установках для механического привода, например нагнетателей природного газа или электрогенераторов. The invention can be used mainly in ground installations for mechanical drive, for example, natural gas blowers or electric generators.

Известен турбореактивный газотурбинный двигатель с регенерацией тепла, содержащий вентилятор, включающий в себя компрессор, камеру сгорания и турбину высокого давления, турбину низкого давления, а также теплообменник с воздушным и газовым трактами, причем вход воздушного тракта соединен с компрессором, выход - с камерой сгорания, а вход газового тракта соединен с выходом из турбины [1]. Known turbojet gas turbine engine with heat recovery, containing a fan, including a compressor, a combustion chamber and a high pressure turbine, a low pressure turbine, as well as a heat exchanger with air and gas ducts, the air duct inlet connected to the compressor, the output to the combustion chamber, and the inlet of the gas path is connected to the outlet of the turbine [1].

Недостатком такой конструкции является относительно низкая экономичность двигателя вследствие ограничения по степени сжатия. The disadvantage of this design is the relatively low efficiency of the engine due to restrictions on the degree of compression.

Наиболее близким к заявляемому по конструкции является газотурбинный двигатель с регенерацией тепла, содержащий компрессор, камеру сгорания, турбину высокого давления, силовую газовую турбину и газовоздушный теплообменник [2]. Closest to the claimed design is a gas turbine engine with heat recovery, containing a compressor, a combustion chamber, a high pressure turbine, a power gas turbine and a gas-air heat exchanger [2].

Недостатками известной конструкции являются низкие термический КПД двигателя и полезная мощность на валу силовой свободной турбины и, как следствие, низкая экономичность установки в целом. The disadvantages of the known design are low thermal efficiency of the engine and net power on the shaft of the power free turbine and, as a result, low efficiency of the installation as a whole.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении экономичности и мощности двигателя со снижением стоимости при использовании его в наземных приводных установках за счет увеличения полезной мощности на валах двигателя, а также повышения термического КПД двигателя. The technical problem solved by the invention is to increase the efficiency and power of the engine with lower costs when used in ground-based drive installations by increasing the net power on the motor shafts, as well as increasing the thermal efficiency of the engine.

Сущность изобретения заключается в том, что в газотурбинном двигателе с регенерацией тепла, содержащем компрессор, камеру сгорания, турбину высокого давления, силовую газовую турбину и газовоздушный теплообменник, согласно изобретению двигатель снабжен дополнительным компрессором, установленным на одном валу с силовой воздушной турбиной, вход в которую через воздушную полость теплообменника связан с выходом дополнительного компрессора, газовая полость теплообменника соединена с выходом газовой силовой турбины, при этом F₁:F₂=2-5; F₃:F₄=0,5-1, где
F₁ - площадь проточной части дополнительного компрессора на входе,
F₂ - площадь проточной части дополнительного компрессора на выходе,
F₃ - площадь горла первого соплового аппарата воздушной силовой турбины,
F₄ - площадь горла первого соплового аппарата газовой турбины.The essence of the invention lies in the fact that in a gas turbine engine with heat recovery containing a compressor, a combustion chamber, a high pressure turbine, a power gas turbine and an air-gas heat exchanger, according to the invention, the engine is equipped with an additional compressor mounted on one shaft with a power air turbine, the input of which through the air cavity of the heat exchanger is connected to the output of the additional compressor, the gas cavity of the heat exchanger is connected to the output of the gas power turbine, with F ₁ : F ₂ = 2-5; F ₃ : F ₄ = 0.5-1, where
F ₁ - the area of the flow part of the additional compressor at the inlet,
F ₂ - the area of the flow part of the additional compressor at the outlet,
F ₃ - the throat area of the first nozzle apparatus of an air power turbine,
F ₄ is the throat area of the first nozzle apparatus of a gas turbine.

Под площадью горла соплового аппарата турбины понимают суммарную площадь критических сечений сопл, образованных лопатками соплового аппарата. By the throat area of a nozzle apparatus of a turbine is meant the total area of critical sections of nozzles formed by the blades of a nozzle apparatus.

Кроме того, газовая и воздушная силовые турбины установлены на одном валу, а дополнительный компрессор снабжен расположенным между его ступенями теплообменником-охладителем. In addition, gas and air power turbines are mounted on the same shaft, and the additional compressor is equipped with a heat exchanger-cooler located between its stages.

По существу предлагаемое устройство состоит из двух двигателей - основного и дополнительного. Основной двигатель включает компрессор, камеру сгорания, турбину высокого давления и газовую силовую турбину, выход которой соединен с газовой полостью газовоздушного теплообменника. Дополнительный двигатель включает дополнительный компрессор, сжатый воздух из которого поступает в воздушную полость газовоздушного теплообменника, а также силовую воздушную турбину, в которой расширяется подогретый в теплообменнике воздух, совершая полезную работу на валу. Тем самым тепло выхлопных газов из силовой газовой турбины частично утилизируется и используется для работы силовой воздушной турбины, за счет чего увеличиваются мощность и КПД двигателя на 10-30% по сравнению с прототипом. Essentially, the proposed device consists of two engines - the main and additional. The main engine includes a compressor, a combustion chamber, a high pressure turbine and a gas power turbine, the output of which is connected to the gas cavity of the gas-air heat exchanger. The additional engine includes an additional compressor, the compressed air from which enters the air cavity of the gas-air heat exchanger, as well as a power air turbine, in which the air heated in the heat exchanger expands, doing useful work on the shaft. Thus, the heat of the exhaust gases from the power gas turbine is partially utilized and used to operate the power air turbine, which increases the engine power and efficiency by 10-30% compared with the prototype.

Соотношение площадей F₁/F₂ определяет степень повышения давления воздуха в дополнительном компрессоре, а соотношение площадей F₃/F₄ определяет соотношение расходов воздуха и газа через воздушную и газовую силовые турбины и соответственно через воздушную и газовую полости газовоздушного теплообменника.The ratio of the areas F ₁ / F ₂ determines the degree of increase in air pressure in the additional compressor, and the ratio of the areas F ₃ / F ₄ determines the ratio of air and gas flows through the air and gas power turbines and, accordingly, through the air and gas cavities of the gas-air heat exchanger.

Заявляемые диапазоны соотношений площадей обеспечивают оптимальные условия передачи максимального количества тепла от выхлопных газов на выходе из газовой силовой турбины в газовоздушном теплообменнике к воздуху на входе в воздушную силовую турбину, тем самым обеспечивая получение максимальных величин мощности и КПД двигателя при минимальных габаритах и стоимости газовоздушного теплообменника. The claimed ranges of area ratios provide optimal conditions for the transfer of the maximum amount of heat from the exhaust gases at the outlet of the gas power turbine in the gas-air heat exchanger to the air at the inlet of the air power turbine, thereby ensuring maximum power and efficiency of the engine with the minimum dimensions and cost of the gas-air heat exchanger.

При F₁/F₂<2 снижается давление воздуха за дополнительным компрессором, что приводит к уменьшению давления перед воздушной силовой турбиной, снижению ее мощности и КПД в целом.When F ₁ / F ₂ <2, the air pressure behind the additional compressor decreases, which leads to a decrease in pressure in front of the air power turbine, a decrease in its power and efficiency in general.

При F₁/F₂>5 значительно повышается давление воздуха за дополнительным компрессором, что приводит к существенному росту его температуры в процессе сжатия и уменьшает подогрев этого воздуха в газовоздушном теплообменнике теплом газов из силовой газовой турбины, т.е. снижается утилизация тепла этих газов, что приводит к снижению мощности и КПД двигателя.At F ₁ / F ₂ > 5, the air pressure behind the additional compressor increases significantly, which leads to a significant increase in its temperature during compression and reduces the heating of this air in a gas-air heat exchanger by the heat of gases from a power gas turbine, i.e. the heat recovery of these gases is reduced, which leads to a decrease in engine power and efficiency.

В случае F₃/F₄<0,5 возможно снижение мощности и КПД двигателя из-за значительного снижения расхода воздуха, работающего в воздушной турбине. При этом тепло выхлопных газов из силовой газовой турбины не в полной мере утилизируется в воздушной турбине, а выбрасывается в атмосферу.In the case of F ₃ / F ₄ <0.5, a decrease in the power and efficiency of the engine is possible due to a significant reduction in the air flow in the air turbine. In this case, the heat of the exhaust gases from the power gas turbine is not fully utilized in the air turbine, but is released into the atmosphere.

При F₃/F₄>1 наблюдается значительный рост расхода воздуха через воздушную силовую турбину и соответственно через воздушный тракт газовоздушного теплообменника, что приводит к существенному увеличению площади его теплообменной поверхности, массы и стоимости, а также к снижению КПД двигателя из-за значительного снижения температуры воздуха на входе в силовую воздушную турбину, т.к. при этом значительно снижается мощность этой турбины.At F ₃ / F ₄ > 1, there is a significant increase in air flow through the air power turbine and, accordingly, through the air path of the gas-air heat exchanger, which leads to a significant increase in the area of its heat exchange surface, mass and cost, as well as to lower engine efficiency due to a significant decrease air temperature at the entrance to the power air turbine, because this significantly reduces the power of this turbine.

Силовая газовая турбина может быть выполнена с отдельным отбором мощности с вала, а также может быть установлена на одном валу с силовой воздушной турбиной и соответственно с дополнительным компрессором. В последнем случае происходит суммирование мощностей газовой и воздушной силовых турбин, что позволяет проводить в действие более мощные агрегаты. A power gas turbine can be made with a separate power take-off from the shaft, and can also be installed on the same shaft with a power air turbine and, accordingly, with an additional compressor. In the latter case, the capacities of gas and air power turbines are summed up, which makes it possible to carry out more powerful units.

Установка теплообменника-охладителя между ступенями дополнительного компрессора позволяет снизить работу сжатия охлажденного в этом теплообменнике воздуха, что еще в большей степени увеличивает КПД и мощность двигателя. The installation of a heat exchanger-cooler between the stages of an additional compressor allows you to reduce the compression work of the air cooled in this heat exchanger, which further increases the efficiency and engine power.

На фиг.1 представлена схема заявляемого устройства с отдельными отборами мощности от газовой и воздушной силовых турбин. На фиг.2 показана схема устройства с силовой газовой турбиной, установленной на одном валу с силовой воздушной турбиной. На фиг.3 - схема устройства с теплообменником-охладителем в дополнительном компрессоре. Figure 1 presents a diagram of the inventive device with separate power take-offs from gas and air power turbines. Figure 2 shows a diagram of a device with a power gas turbine mounted on the same shaft with a power air turbine. Figure 3 - diagram of a device with a heat exchanger-cooler in an additional compressor.

Газотурбинный двигатель 1 состоит из основного компрессора 2, камеры сгорания 3, турбины высокого давления 4 и силовой газовой турбины 5, выход 6 которой соединен с газовой полостью газовоздушного теплообменника 7. The gas turbine engine 1 consists of a main compressor 2, a combustion chamber 3, a high pressure turbine 4 and a power gas turbine 5, the output 6 of which is connected to the gas cavity of the gas-air heat exchanger 7.

Воздушная полость газовоздушного теплообменника 7 на входе с помощью трубопровода 8 соединена с выходом 9 дополнительного компрессора 10, который установлен на одном валу 11 с силовой воздушной турбиной 12, выход 13 которой соединен, например, с атмосферой. The air cavity of the gas-air heat exchanger 7 at the inlet via a pipe 8 is connected to the output 9 of the additional compressor 10, which is mounted on the same shaft 11 with a power air turbine 12, the output 13 of which is connected, for example, with the atmosphere.

Дополнительный компрессор 10 выполнен с площадями проточной части F₁ на входе и F₂ - на выходе.An additional compressor 10 is made with areas of the flow part F ₁ at the inlet and F ₂ at the outlet.

Силовые воздушные и газовые турбины выполнены с 1-ми сопловыми аппаратами 14 и 15 с площадями горла F₃ и F₄ соответственно.Power air and gas turbines are made with 1 nozzle devices 14 and 15 with throat areas F ₃ and F _4, respectively.

Силовые газовая и воздушная турбины 5 и 12 могут выполняться как с отдельными валами 16 и 17 отбора мощности, так и с общим валом 18, когда силовая газовая турбина 5 установлена на одном валу 18 с силовой воздушной турбиной 14 и дополнительным компрессором 10. В последнем случае двигатель 1 может служить для привода одного агрегата повышенной мощности. Power gas and air turbines 5 and 12 can be performed with separate shafts 16 and 17 of the power take-off, as well as with the common shaft 18, when the power gas turbine 5 is mounted on the same shaft 18 with the power air turbine 14 and an additional compressor 10. In the latter case engine 1 can serve to drive one unit of high power.

Между ступенями 19 и 20 компрессора 10 может быть размещен дополнительный теплообменник-охладитель 21 воздуха. Between the stages 19 and 20 of the compressor 10 can be placed an additional heat exchanger-cooler 21 of the air.

Заявляемое устройство работает следующим образом. The inventive device operates as follows.

Поступающий на вход в двигатель 1 воздух сжимается в основном компрессоре 2, подогревается в камере сгорания 3 и далее полученный газ расширяется в турбине высокого давления 4, которая приводит во вращение компрессор 2. Далее газ расширяется в силовой газовой турбине 5, полезная мощность которой с помощью вала 16 или 18 передается для механического привода электрогенератора или нагнетателя газа (не показаны). The air entering the engine 1 is compressed in the main compressor 2, heated in the combustion chamber 3, and then the resulting gas expands in the high-pressure turbine 4, which drives the compressor 2. The gas further expands in the power gas turbine 5, the useful power of which shaft 16 or 18 is transmitted for mechanical drive of an electric generator or gas blower (not shown).

Газ 22 с выхода 6 силовой газовой турбины 5 поступает в газовую полость газовоздушного теплообменника 7, где отдает свое тепло воздуху, который нагнетается в воздушную полость теплообменника 7 с помощью дополнительного компрессора 10 по трубопроводам 8. Gas 22 from the output 6 of the power gas turbine 5 enters the gas cavity of the gas-air heat exchanger 7, where it gives its heat to the air, which is pumped into the air cavity of the heat exchanger 7 using an additional compressor 10 through pipelines 8.

Воздух, подогретый в теплообменнике 7, расширяется в силовой воздушной турбине 12, совершая полезную работу. При этом мощность с помощью вала 11 или 18 передается потребителю. The air heated in the heat exchanger 7 expands in the power air turbine 12, doing useful work. In this case, the power is transmitted to the consumer using the shaft 11 or 18.

Источники информации
1. Патент Великобритании 1501879, F 02 С 7/10, 1978 г.Sources of information
1. British patent 1501879, F 02 C 7/10, 1978

2. Патент CША 4506502, F 02 С 7/10, 1983 г. 2. US patent 4506502, F 02 C 7/10, 1983

Claims (3)

1. Газотурбинный двигатель с регенерацией тепла, содержащий компрессор, камеру сгорания, турбину высокого давления, силовую газовую турбину и газовоздушный теплообменник, отличающийся тем, что двигатель снабжен дополнительным компрессором, установленным на одном валу с силовой воздушной турбиной, вход в которую через воздушную полость теплообменника связан с выходом дополнительного компрессора, газовая полость теплообменника соединена с выходом газовой силовой турбины, при этом
F₁: F₂= 2-5; F₃: F₄= 0,5-1,
где F₁ - площадь проточной части дополнительного компрессора на входе,
F₂ - площадь проточной части дополнительного компрессора на выходе,
F₃ - площадь горла первого соплового аппарата воздушной силовой турбины,
F₄ - площадь горла первого соплового аппарата газовой турбины.1. A gas turbine engine with heat recovery, comprising a compressor, a combustion chamber, a high pressure turbine, a power gas turbine and an air-gas heat exchanger, characterized in that the engine is equipped with an additional compressor mounted on one shaft with a power air turbine, the entrance to which is through the air cavity of the heat exchanger connected to the output of the additional compressor, the gas cavity of the heat exchanger is connected to the output of the gas power turbine, while
F ₁ : F ₂ = 2-5; F ₃ : F ₄ = 0.5-1,
where F ₁ - the area of the flow part of the additional compressor at the inlet,
F ₂ - the area of the flow part of the additional compressor at the outlet,
F ₃ - the throat area of the first nozzle apparatus of an air power turbine,
F ₄ is the throat area of the first nozzle apparatus of a gas turbine. 2. Газотурбинный двигатель с регенерацией тепла по п. 1, отличающийся тем, что газовая и воздушная силовые турбины установлены на одном валу. 2. A gas turbine engine with heat recovery according to claim 1, characterized in that the gas and air power turbines are mounted on the same shaft. 3. Газотурбинный двигатель с регенерацией тепла по п. 1, отличающийся тем, что дополнительный компрессор снабжен расположенным между его ступенями теплообменником-охладителем. 3. A gas turbine engine with heat recovery according to claim 1, characterized in that the additional compressor is equipped with a heat exchanger-cooler located between its stages.

Images