RU2330975C1 - Gas turbine power plant - Google Patents
Gas turbine power plant Download PDFInfo
- Publication number
- RU2330975C1 RU2330975C1 RU2007101407/06A RU2007101407A RU2330975C1 RU 2330975 C1 RU2330975 C1 RU 2330975C1 RU 2007101407/06 A RU2007101407/06 A RU 2007101407/06A RU 2007101407 A RU2007101407 A RU 2007101407A RU 2330975 C1 RU2330975 C1 RU 2330975C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- turbine
- engine
- gas turbine
- shaft
- free
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Abstract
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007101407/06A RU2330975C1 (en) | 2007-01-15 | 2007-01-15 | Gas turbine power plant |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007101407/06A RU2330975C1 (en) | 2007-01-15 | 2007-01-15 | Gas turbine power plant |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2330975C1 true RU2330975C1 (en) | 2008-08-10 |
Family
ID=39746430
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007101407/06A RU2330975C1 (en) | 2007-01-15 | 2007-01-15 | Gas turbine power plant |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2330975C1 (en) |
-
2007
- 2007-01-15 RU RU2007101407/06A patent/RU2330975C1/en active
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN102345490B (en) | Turbulated arrangement of thermoelectric elements for utilizing waste heat generated from turbine engine | |
US7637108B1 (en) | Power compounder | |
CN102549239A (en) | Engine waste heat recovery power-generating turbo system and reciprocating engine system provided therewith | |
ES2763347T3 (en) | A hot air engine | |
US7044718B1 (en) | Radial-radial single rotor turbine | |
RU2342546C2 (en) | Electric generator based on piston-free engine with remote combustion chamber | |
CN102086850A (en) | Systems relating to geothermal energy and the operation of gas turbine engines | |
RU2323344C1 (en) | Turbogenerator | |
RU2322588C1 (en) | Gas-turbine engine | |
RU2330975C1 (en) | Gas turbine power plant | |
RU2334886C1 (en) | Combined heat-recovery cooled gas turbine power plant | |
RU2334114C1 (en) | Gas turbine vehicle propulsion unit | |
RU2095634C1 (en) | Combined gas pimping unit | |
RU2799744C1 (en) | Closed loop combined air motor system with natural heat supply | |
RU2790904C1 (en) | Closed loop combined air motor system with natural heat supply | |
RU2334885C1 (en) | Heat-recovery gas turbine power plant | |
CN102562359A (en) | Cooling system for power generator and engine | |
RU1837113C (en) | Aircraft engine for supersonic flying speeds | |
RU2312230C1 (en) | Power plant of gas-turbine locomotive with recovery of heat | |
RU2334887C1 (en) | Heat-recovery cooled gas turbine power plant | |
RU2312231C1 (en) | Power plant of gas-turbine locomotive with recovery of heat | |
RU2374468C1 (en) | Gas turbine for gas-compressor plant | |
RU2316440C1 (en) | Power plant of gas turbine locomotive with cooled turbine and recovery of heat | |
RU183746U1 (en) | Adaptation device for a heat pump (VT) with an internal combustion engine (ICE) | |
RU2349777C1 (en) | Power plant of gas turbine locomotive with heat recovery |