RU2330975C1 - Gas turbine power plant - Google Patents

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: invention relates to power engineering and gas turbine power plants. The gas turbine power plant incorporates a gas turbine engine with a compressor, a combustion chamber, a turbine, its wheel coupled, via the engine shaft, with the compressor rotor, a free turbine arranged behind the turbine and connected, via a load shaft, with a generator, and an exhaust device. A Sterling engine is arranged after the free turbine, the generator being furnished with two rotors, one of which being coupled, via the load shaft, with the free turbine and the other, via the external shaft, is coupled with the Sterling engine. The latter contains, at least, one working cylinder arranged behind the free turbine and, at least, one expansion cylinder arranged outside the engine.

EFFECT: higher efficiency and reliability of the gas turbine plant.

2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к газотурбинным силовым установкам и может быть применено для выработки электрической энергии или силовой установки газотурбовоза.The invention relates to gas turbine power plants and can be used to generate electrical energy or power plant gas turbine.

Известна газотурбинная силовая установка по патенту РФ на изобретение №2137617, эта установка имеет жидкостную систему охлаждения и вентилятор для создания потока охлаждающего воздуха.Known gas turbine power plant according to the patent of the Russian Federation for the invention No. 2137617, this installation has a liquid cooling system and a fan to create a flow of cooling air.

Известна силовая установка по патенту РФ №2189477, которая содержит газотурбинный двигатель - ГТД, газовый тракт, соединяющий этот газотурбинный двигатель со свободной турбиной, и нагрузку в виде электрогенератора, вал которого подсоединен к валу свободной турбины через муфту.A known power plant according to the patent of the Russian Federation No. 2189477, which contains a gas turbine engine - gas turbine engine, a gas path connecting this gas turbine engine with a free turbine, and a load in the form of an electric generator, the shaft of which is connected to the shaft of the free turbine through a coupling.

Недостатком этой силовой установки является то, что она имеет низкий КПД - около 20%, что почти в 2 раза меньше, чем у современных дизельных установок.The disadvantage of this power plant is that it has a low efficiency of about 20%, which is almost 2 times less than that of modern diesel plants.

Известна газотурбинная силовая установка по патенту РФ №2272916 (прототип), которая содержит газотурбинный двигатель с турбиной и свободную турбину, за которой установлен регенеративный теплообменник, выход из которого соединен с газотурбинным двигателем, конкретно - с системой охлаждения турбины.Known gas turbine power plant according to the patent of the Russian Federation No. 2272916 (prototype), which contains a gas turbine engine with a turbine and a free turbine, behind which a regenerative heat exchanger is installed, the outlet of which is connected to a gas turbine engine, specifically, a turbine cooling system.

Недостатками этого двигателя является низкий КПД силовой установки из-за того, что подача пара на вход в турбину резко уменьшает температуру продуктов сгорания, проходящих через нее, и тем самым снижает КПД турбины и силовой установки в целом. Если же компенсировать снижение температуры газа перед турбиной увеличением расхода топлива, это приведет к дефектам в виде прогара сопловых и рабочих лопаток турбины. Кроме того, длительное пропускание большого расхода воды через систему охлаждения турбины приводит к отложению накипи в системе охлаждения турбины и ухудшению охлаждения. Применение дистиллированной воды невозможно по техническим и экономическим соображениям. Кроме того, регенеративный теплообменник имеет недостаточную поверхность теплообмена, для того чтобы полностью утилизировать тепло выхлопных газов.The disadvantages of this engine is the low efficiency of the power plant due to the fact that the steam supply to the turbine inlet sharply reduces the temperature of the combustion products passing through it, and thereby reduces the efficiency of the turbine and the power plant as a whole. If to compensate for the decrease in the gas temperature in front of the turbine with an increase in fuel consumption, this will lead to defects in the form of burnout of the nozzle and working blades of the turbine. In addition, prolonged transmission of a large flow rate of water through the turbine cooling system leads to scale deposits in the turbine cooling system and poor cooling. The use of distilled water is not possible for technical and economic reasons. In addition, the regenerative heat exchanger has an insufficient heat exchange surface in order to completely utilize the heat of the exhaust gases.

Задачи создания изобретения: повышение экономичности и надежности установки.Objectives of the invention: improving the efficiency and reliability of the installation.

Решение указанных задач достигнуто за счет того, что газотурбинная силовая установка, содержащая газотурбинный двигатель с компрессором, камерой сгорания, турбиной, рабочее колесо которой соединено валом двигателя с ротором компрессора, свободную турбину, установленную за турбиной и соединенную валом нагрузки с электрогенератором, выхлопное устройство, отличается тем, что после свободной турбины установлен двигатель Стирлинга, генератор выполнен с двумя роторами, один из которых соединен с валом нагрузки со свободной турбиной, а другой соединен внешним валом с двигателем Стирлинга. Двигатель Стирлинга содержит, по меньшей мере, один рабочий цилиндр, установленный за свободной турбиной и по меньшей мере, один расширительный цилиндр, установленный вне двигателя.The solution to these problems was achieved due to the fact that the gas turbine power plant, comprising a gas turbine engine with a compressor, a combustion chamber, a turbine, an impeller of which is connected by an engine shaft to a compressor rotor, a free turbine installed behind a turbine and connected by a load shaft to an electric generator, an exhaust device, characterized in that after the free turbine a Stirling engine is installed, the generator is made with two rotors, one of which is connected to the load shaft with a free turbine, and the other second shaft is connected to the outside with a Stirling engine. The Stirling engine comprises at least one working cylinder mounted behind a free turbine and at least one expansion cylinder mounted outside the engine.

Предложенное техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью, что подтверждается проведенными патентными исследованиями. Для реализации изобретения достаточно применения известных узлов и деталей, ранее разработанных и реализованных в конструкции газотурбинных двигателей и в машиностроении.The proposed technical solution has novelty, inventive step and industrial applicability, as evidenced by patent research. To implement the invention, it is sufficient to use the known components and parts previously developed and implemented in the design of gas turbine engines and in mechanical engineering.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1-4, где:The invention is illustrated in figures 1-4, where:

на фиг.1 приведена схема газотурбинной силовой установки,figure 1 shows a diagram of a gas turbine power plant,

на фиг.2 и 3 приведена схема двигателя Стирлинга,figure 2 and 3 shows a diagram of a Stirling engine,

на фиг.4 приведено распределение температуры воздуха и продуктов сгорания по длине установки.figure 4 shows the distribution of air temperature and combustion products along the length of the installation.

Предложенное техническое решение (фиг.1) содержит газотурбинный двигатель ГТД 1 и подсоединенную газовым трактом свободную турбину 2, после которой по потоку установлен двигатель Стирлинга 3 и далее выхлопное устройство 4. Генератор 5 установлен вне газобурбинного двигателя 1.The proposed technical solution (Fig. 1) comprises a gas turbine engine GTE 1 and a free turbine 2 connected by a gas path, after which a Stirling engine 3 and then an exhaust device 4 are installed upstream. A generator 5 is installed outside the gas turbine engine 1.

ГТД 1 содержит воздухозаборник 6, компрессор 7 с ротором компрессора 8, камеру сгорания 9 с форсунками 10, турбину 11 с сопловым аппаратом 12 и рабочим колесом 13. Турбина 11 может быть выполнена многоступенчатой, но в дальнейшем приведен пример конструкции энергетической установки с одной ступенью турбины. Рабочее колесо турбины 13 и ротор турбины 8 установлены на валу ГТД 14, который установлен в опорах двигателя 15.A turbine engine 1 contains an air intake 6, a compressor 7 with a compressor rotor 8, a combustion chamber 9 with nozzles 10, a turbine 11 with a nozzle apparatus 12 and an impeller 13. The turbine 11 can be multi-stage, but a further example of the design of a power plant with one turbine stage is given . The impeller of the turbine 13 and the rotor of the turbine 8 are installed on the shaft of the turbine engine 14, which is installed in the bearings of the engine 15.

ГТД 1 содержит систему топливоподачи 16 с топливным насосом 17 и приводом топливного насоса 18, топливный трубопровод 19, кольцевой коллектор 20, к которому подключен топливный трубопровод 19 и далее он подсоединен к форсункам 10 камеры сгорания 9.The gas turbine engine 1 comprises a fuel supply system 16 with a fuel pump 17 and a fuel pump drive 18, a fuel pipe 19, an annular manifold 20 to which a fuel pipe 19 is connected, and then it is connected to the nozzles 10 of the combustion chamber 9.

Компрессор 6 установлен на валу ГТД 14. Свободная турбина 3 может быть выполнена одноступенчатой, двухступенчатой и с большим числом ступеней в зависимости от мощности установки.The compressor 6 is mounted on the shaft of the gas turbine engine 14. The free turbine 3 can be made single-stage, two-stage and with a large number of stages, depending on the capacity of the installation.

Свободная турбина 2 содержит, как минимум, одно рабочее колесо свободной турбины 21, установленное на валу нагрузки 22, внешний вал нагрузки 23 выполнен концентрично валу нагрузки 22 и установлен в опорах 24. Двигатель Стирлинга 3 (фиг.1 и 2) состоит из двух частей: рабочих цилиндров 25 и расширительных цилиндров 26, внутренние полости которых «Г» и «Д» соединены трубопроводами 27. Расширительные цилиндры 26 предпочтительно установить вне ГТД 1 и выхлопного устройства 4 в атмосфере на некотором удалении от ГТД 1, во-первых, для использования хладоресурса окружающего воздуха, во-вторых, для значительного увеличения площади теплообмена с целью повышения КПД установки до теоретически возможного значения.The free turbine 2 contains at least one impeller of the free turbine 21 mounted on the load shaft 22, the external load shaft 23 is concentric with the load shaft 22 and installed in the supports 24. The Stirling engine 3 (Figs. 1 and 2) consists of two parts : working cylinders 25 and expansion cylinders 26, the internal cavities of which “G” and “D” are connected by pipelines 27. It is preferable to install the expansion cylinders 26 outside the turbine engine 1 and exhaust device 4 in the atmosphere at a certain distance from the turbine engine 1, firstly, for use cold resource ambient air, and secondly, to significantly increase heat transfer area to improve efficiency of the plant up to the theoretically possible value.

На фиг.2 приведена схема одного из вариантов исполнения двигателя Стирлинга 3, который содержит рабочие цилиндры 25, имеющие оребрение 28 с установленным внутри каждого из них в полости «Г» рабочим поршнем 29, который шатуном 30 соединен через механизм преобразования поступательного движения во вращательное 31 (например, коленвал) с внешним валом нагрузки 23 и расширительные цилиндры 26 с оребрением 32 и установленным внутри каждого из них в полости «Д» вытеснительным поршнем 33, который шатуном 34 через механизм преобразования поступательного движения во вращательное 31 соединен с внешним валом нагрузки 23. Трубопровод 27 соединяет полости «Г» и «Д» для перетекания рабочего тела из рабочего цилиндра 25 в расширительный цилиндр 26. Расширительные цилиндры 26 охлаждаются за счет естественной конвекции или воздухом, подаваемым маломощным (по сравнению с мощностью ГТД 1) вентилятором 42.Figure 2 shows a diagram of one embodiment of the Stirling engine 3, which contains the working cylinders 25, having a fin 28 with a working piston 29 installed inside each of them in the cavity "G", which is connected by a connecting rod 30 through the translational to rotational movement 31 (for example, a crankshaft) with an external load shaft 23 and expansion cylinders 26 with fins 32 and a displacement piston 33 installed inside each of them in the cavity “D”, which is connected by a connecting rod 34 through the translational movement conversion mechanism pressure in the rotary 31 is connected to the external load shaft 23. The pipe 27 connects the cavity "G" and "D" for the flow of the working fluid from the working cylinder 25 into the expansion cylinder 26. The expansion cylinders 26 are cooled by natural convection or air supplied by low-power ( compared with the power of a gas turbine engine 1) by a fan 42.

Генератор 5 содержит два ротора: внешний ротор генератора 35 с постоянными магнитами 36 и внутренний ротор 37 с обмотками возбуждения 38, токосъемник 39, электрическую проводку 40 и статор 41. Внутренний ротор генератора 37 соединен с валом нагрузки 22, а внешний ротор генератора 35 соединен с внешним валом нагрузки 23. В схеме может быть применен вентилятор 42 (фиг.4). Обмотки возбуждения 38 и постоянные магниты могут быть установлены с точностью до наоборот, т.е. обмотки возбуждения 38 можно установить на внешнем роторе 37.The generator 5 contains two rotors: an external rotor of the generator 35 with permanent magnets 36 and an internal rotor 37 with field windings 38, a current collector 39, electrical wiring 40 and a stator 41. The internal rotor of the generator 37 is connected to the load shaft 22, and the external rotor of the generator 35 is connected to an external load shaft 23. In the circuit, a fan 42 can be used (FIG. 4). Field windings 38 and permanent magnets can be installed exactly the opposite, i.e. field winding 38 can be mounted on the outer rotor 37.

При работе при помощи стартера (на фиг.1 и 2 не показан) запускается ГТД 1, при этом подается на привод топливного насоса 18, который приводит в действие топливный насос 17, топливо по топливному трубопроводу 19 подается в форсунки 10 камеры сгорания 9, где воспламеняется при помощи электрозапальника (на фиг.1-3 электрозапальник не показан). Выхлопные газы проходят по газовому тракту и далее из камеры сгорания 9 в полость «Б» перед турбиной 11, часть теплоперепада срабатывает на рабочем колесе турбины 13, проходит через свободную турбину 2. Рабочее колесо свободной турбины 21 с валом нагрузки 22 раскручивается.When working with a starter (not shown in FIGS. 1 and 2), a gas turbine engine 1 is started, and it is supplied to the fuel pump drive 18, which drives the fuel pump 17, fuel is supplied through the fuel pipe 19 to the nozzles 10 of the combustion chamber 9, where it is ignited by means of an electric igniter (in FIGS. 1-3, an electric igniter is not shown). The exhaust gases pass through the gas path and then from the combustion chamber 9 to the cavity “B” in front of the turbine 11, part of the heat difference is activated on the impeller of the turbine 13, passes through the free turbine 2. The impeller of the free turbine 21 with the load shaft 22 is untwisted.

Одновременно выхлопные газы поступают в полость «В», нагревают через оребрение 28 рабочее тело внутри рабочих цилиндров 25. Нагретое рабочее тело по трубопроводам 27 периодически поступает в расширительные цилиндры 26, где расширяется и совершает работу, передавая энергию на внешний вал нагрузки 23. Для работы двигателя Стирлинга 3 достаточно иметь разницу температур на двух группах цилиндров 25 и 26. Двигатель Стирлинга 3 через 5-10 мин выходит на режим. Медленный выход двигателя Стирлинга на режим является одним из его недостатков, но высокий КПД, надежность и хорошие экологические свойства в сочетании с ГТД 1 и свободной турбиной 2, имеющими хорошие характеристики запуска и работы на переходных режимах, делает предложенную установку чрезвычайно интересной по всем показателям одновременно. Только применение этой схемы позволит согласовать оптимальную работу всех узлов установки на всех режимах и практически полностью утилизировать тепло в выхлопном устройстве. Утилизация тепла при помощи теплообменников, используемая традиционно, неэффективна, например, из-за больших габаритов теплообменников и необходимости дальнейшего преобразования тепловой энергии пара в механическую энергию, например, на паровой турбине.At the same time, the exhaust gases enter the cavity "B", heated through the fins 28, the working fluid inside the working cylinders 25. The heated working fluid through pipelines 27 periodically enters the expansion cylinders 26, where it expands and performs work, transmitting energy to the external load shaft 23. For operation Stirling 3 engine is enough to have a temperature difference on the two groups of cylinders 25 and 26. The Stirling 3 engine goes into mode after 5-10 minutes. The slow exit of the Stirling engine to the mode is one of its drawbacks, but the high efficiency, reliability and good environmental properties in combination with the turbine engine 1 and free turbine 2, which have good starting and transient operation characteristics, makes the proposed installation extremely interesting in all respects at the same time . Only the application of this scheme will allow coordinating the optimal operation of all units of the installation in all modes and almost completely utilize heat in the exhaust device. The heat recovery using heat exchangers, used traditionally, is inefficient, for example, due to the large dimensions of the heat exchangers and the need for further conversion of thermal energy of steam into mechanical energy, for example, on a steam turbine.

Другой значительной проблемой при проектировании силовых установок с двигателем Стирлинга является невозможность согласования частот вращения свободной турбины, двигателя Стирлинга и нагрузки (электрогенератора). Если свободную турбину и двигатель Стирлинга установить на один вал, то это приведет к их несогласованной нагрузке и, как следствие, к уменьшению КПД установки в целом и большим нагрузкам на вал. На переходных режимах нагрузки будут значительными и будут носить ударный характер, что приведет к разрушению валов, масляных уплотнений и опор.Another significant problem in the design of power plants with a Stirling engine is the impossibility of matching the rotational speeds of a free turbine, a Stirling engine and a load (electric generator). If a free turbine and a Stirling engine are installed on the same shaft, this will lead to their inconsistent load and, as a result, to a decrease in the efficiency of the installation as a whole and large loads on the shaft. In transient conditions, the loads will be significant and will be shock-like, which will lead to the destruction of shafts, oil seals and bearings.

Генератор 5, имеющий два ротора 35 и 37, вращающиеся в разные стороны, позволит увеличить в 2 раза скорость изменения магнитного поля в обмотках возбуждения, т.к. при скоростях вращения рабочего колеса свободной турбины 21 n₁=5000 об/мин и скорости вращения внешнего вала нагрузки 23 приблизительно n₂=5000 об/мин относительная скорость вращения роторов 35 и 37 генератора 5 будет около 10000 об/ мин, т.е. в два раза выше достигнутой в традиционный схемах энергетических установок аналогичного назначения.The generator 5, having two rotors 35 and 37, rotating in different directions, will allow to increase by 2 times the rate of change of the magnetic field in the field windings, because when the speeds of rotation of the impeller of a free turbine 21 n ₁ = 5000 rpm and the speed of rotation of the external shaft of the load 23 approximately n ₂ = 5000 rpm, the relative speed of rotation of the rotors 35 and 37 of the generator 5 will be about 10,000 rpm, i.e. two times higher than that achieved in traditional schemes of power plants of a similar purpose.

Это позволит уменьшить габариты генератора, повысить его мощность и надежность за счет меньших центробежных нагрузок.This will reduce the size of the generator, increase its power and reliability due to lower centrifugal loads.

В результате использования регенерации тепла в двигателе Стирлинга КПД силовой установки возрастает более чем в 2 раза, а именно с 30 до 60% и более.As a result of the use of heat recovery in the Stirling engine, the efficiency of the power plant increases by more than 2 times, namely from 30 to 60% or more.

При работе двигателя по его контурам температуры распределяются следующим образом:When the engine is running, temperatures are distributed along its contours as follows:

- T₁ - температура воздуха в атмосфере или на входе в ГТД,- T ₁ - air temperature in the atmosphere or at the entrance to the gas turbine engine,

- Т₂ - температура продуктов сгорания на входе в турбину,- T ₂ - temperature of the combustion products at the entrance to the turbine,

- Т₃ - температура продуктов сгорания на выходе из турбины или входе в свободную турбину,- T ₃ - the temperature of the combustion products at the exit of the turbine or the entrance to a free turbine,

- Т₄ - температура продуктов сгорания на выходе из свободной турбины- T ₄ - temperature of the combustion products at the exit of the free turbine

- Т₅ - после рабочих цилиндров двигателя Стирлинга,- T ₅ - after the working cylinders of the Stirling engine,

- Т₆ - температура воздуха, охлаждающего расширительные цилиндры двигателя Стирлинга,- T ₆ - the temperature of the air cooling the expansion cylinders of the Stirling engine,

- Т₇ - температура охлаждающего воздуха после расширительных цилиндров.- T ₇ - temperature of the cooling air after the expansion cylinders.

Очевидно, что Т₆≈T₁, а Т₅ и Т₇ незначительно превышают T₁ при больших габаритах и хорошем оребрении расширительных цилиндров. Это позволяет достичь теоретически возможный КПД цикла Карно, т.е. реализовать максимально возможный КПД для силовых установок аналогичного назначения даже по сравнению с двигателями, имеющими современную систему утилизации тепла выхлопных газов.It is obvious that T ₆ ≈ T ₁ , and T ₅ and T ₇ slightly exceed T ₁ with large dimensions and good finning of the expansion cylinders. This allows achieving the theoretically possible efficiency of the Carnot cycle, i.e. realize the maximum possible efficiency for power plants of a similar purpose, even compared to engines with a modern exhaust heat recovery system.

Применение изобретения позволило:The application of the invention allowed:

1. Значительно повысить КПД силовой установки за счет:1. Significantly increase the efficiency of the power plant due to:

- использования для получения энергии на валу нагрузки, кроме свободной турбины двигателя Стирлинга, который утилизирует тепло, раньше сбрасываемое в выхлопное устройство и в атмосферу,- use to obtain energy on the load shaft, in addition to the free turbine of the Stirling engine, which utilizes the heat previously discharged into the exhaust device and into the atmosphere,

- повышения КПД цикла двигателя Стирлинга за счет использования практически бесплатного и неограниченного хладоресурса атмосферного воздуха или применением внешнего обдува воздухом, например применением вентилятора, или скоростным напором встречного воздуха при движении транспорта, например для газотурбовоза или естественной конвекции в энергоустановках для выработки электроэнергии в стационарных установках, когда ее габариты и вес не имеют решающего значения.- increasing the efficiency of the Stirling engine cycle through the use of almost free and unlimited air coolant or by using external air blowing, for example by using a fan, or by the oncoming air velocity when transporting, for example, for a gas turbine or natural convection in power plants to generate electricity in stationary installations, when its dimensions and weight are not critical.

2. Согласовать работу свободной турбины и двигателя Стирлига за счет их кинематической развязки и возможности вращения роторов с различными угловыми скоростями вращения и даже в противоположные стороны. За счет вращения двух роторов генератора в противоположные стороны уменьшить габариты генератора примерно в 2 раза, повысить его мощность, напряжение и надежность.2. Coordinate the operation of the free turbine and the Stirlig engine due to their kinematic isolation and the possibility of rotation of the rotors with different angular rotational speeds and even in opposite directions. By rotating the two rotors of the generator in opposite directions, reduce the size of the generator by about 2 times, increase its power, voltage and reliability.

3. Снизить эмиссию токсичных веществ в атмосферу за счет того, что двигатель Стирлинга имеет значительно более лучшие экологические показатели по сравнению с другими типами двигателей.3. To reduce the emission of toxic substances into the atmosphere due to the fact that the Stirling engine has significantly better environmental performance compared to other types of engines.

Claims (2)

1. Газотурбинная силовая установка, содержащая газотурбинный двигатель с компрессором, камерой сгорания, турбиной, рабочее колесо которой соединено валом двигателя с ротором компрессора, свободную турбину, установленную за турбиной и соединенную валом нагрузки с электрогенератором, выхлопное устройство, отличающаяся тем, что после свободной турбины установлен двигатель Стирлинга, генератор выполнен с двумя роторами, один из которых соединен с валом нагрузки со свободной турбиной, а другой соединен внешним валом с двигателем Стирлинга.1. A gas turbine power plant comprising a gas turbine engine with a compressor, a combustion chamber, a turbine, an impeller of which is connected by an engine shaft to a compressor rotor, a free turbine installed behind the turbine and connected by a load shaft to an electric generator, an exhaust device, characterized in that after a free turbine a Stirling engine is installed, the generator is made with two rotors, one of which is connected to the load shaft with a free turbine, and the other is connected by an external shaft to the Stirling engine. 2. Газотурбинная силовая установка по п.1, отличающаяся тем, что двигатель Стирлинга содержит, по меньшей мере, один рабочий цилиндр, установленный за свободной турбиной и, по меньшей мере, один расширительный цилиндр, установленный вне двигателя.2. The gas turbine power plant according to claim 1, characterized in that the Stirling engine comprises at least one working cylinder mounted behind a free turbine and at least one expansion cylinder mounted outside the engine.

Images