Газотурбинный двигатель с газотурбинной надстройкой и с регенерацией тепла

(51) 02 7/08 (2010.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ водовоздушный теплообменник. Вход в воздушную турбину через газовоздушный и водовоздушный теплообменники связан с выходом дополнительного компрессора. Газовая полость газовоздушного теплообменника через дополнительную камеру сгорания соединена с выходом газовой силовой турбины и с выходным устройством. Двигатели газотурбинной надстройки, как и основной двигатель, могут работать в номинальном режиме, что позволяет существенно увеличить мощность энергетической установки при высоком термическом и эффективном КПД, так как утилизируется тепло выходных газов, основного двигателя, а горячий воздух с выхода силовых воздушных турбин газотурбинной надстройки поступает по воздуховоду потребителю для целей теплоснабжения, или кондиционирования воздуха в жилых, административных зданиях и цехах заводов. При этом дополнительно получается горячая вода для целей отопления и горячего водоснабжения, а общий КПД энергетической установки составляет более 90, электрический до 40 и более. Значительное снижение стоимости двигателя происходит за счт использования разработанного и выпускаемого промышленностью газотурбинного оборудования. Изобретение повышает экономичность и мощность двигателя.(73) Некоммерческое акционерное общество Алматинский университет энергетики и связи(57) Изобретение относится к теплоэлектроэнергетике и может использоваться в наземных энергетических установках для механического привода полезной нагрузки,например электрогенераторов газотурбинных теплоэлектростанций. Газотурбинный двигатель с газотурбинной надстройкой и с регенерацией тепла содержит компрессор, камеру сгорания, турбину высокого давления, силовую газовую турбину, вал которой соединн с валом полезной нагрузки,дополнительную камеру сгорания и газовоздушный теплообменник с выходным устройством. Газотурбинная настройка газотурбинного двигателя содержит дополнительный компрессор,установленный на одном валу с воздушной турбиной высокого давления, силовую воздушную турбину, вал которой соединн с валом дополнительной полезной нагрузки и Изобретение относится к теплоэлектроэнергетике и может использоваться в наземных энергетических установках для механического привода полезной нагрузки,например электрогенераторов газотурбинных теплоэлектростанций. Известен газотурбинный двигатель с регенерацией тепла, содержащий компрессор,камеру сгорания, турбину высокого давления (ТВД),силовую газовую турбину,газовоздушный теплообменник и воздушную силовую турбину. Воздушная силовая турбина установлена на одном валу с газовой силовой турбиной, соединнной на выходе с газовой полостью теплообменника. Вход воздушной турбины через воздушную полость теплообменника соединн с полостью отбора из промежуточной ступени компрессора (Патент России, 2192551 С 2, 02 С 7/08, 2000 г.). Недостатком такой конструкции является то, что мощность воздушной турбины ограничена количеством тепловой энергии передаваемой воздуху отбора из промежуточной ступени компрессора в теплообменнике за счт утилизации тепла выходных газов идущих из газовой силовой турбины через теплообменник. Этому способствует также то, что сжатый компрессором воздух,поступающий на вход в теплообменник, имеет достаточно высокую температуру, что в свою очередь вызывает необходимость повышать температуру газов на выходе из теплообменника,идущих на выхлоп в атмосферу. Большая мощность,требуемая от ТВД (турбина высокого давления) на привод компрессора, обеспечивающего подачу воздуха в два контура двигателя, значительно снижает тепловую и потенциальную энергию газового потока после ТВД, что резко снижает мощность газовой силовой турбины. Получаемая эффективная мощность на валу воздушной турбины не в полной мере восполняет потери мощности двигателя, однако при этом дополнительно получается тепловая мощность в виде горячего воздуха поступающего с выхода воздушной турбины. Наиболее близким к заявляемому изобретению по конструкции является газотурбинный двигатель с регенерацией тепла, содержащий компрессор,камеру сгорания, турбину высокого давления,силовую газовую турбину,газовоздушный теплообменник и дополнительный компрессор,который установлен на одном валу с силовой воздушной турбиной. Вход в воздушную турбину через воздушную полость теплообменника связан с выходом дополнительного компрессора, а газовая полость теплообменника соединена с выходом газовой силовой турбины. Дополнительный компрессор и воздушная силовая турбина,установленные на одном валу, представляют собой газотурбинную надстройку, работающую за счт утилизации тепла выходных газов основного двигателя (Патент России 2192552 С 2, 02 С 7/08,2000 г.). Недостатком такой конструкции является то, что мощность воздушной турбины газотурбинной 2 надстройки ограничена количеством тепловой энергии передаваемой воздуху дополнительного компрессора в газовоздушном теплообменнике за счт утилизации тепла выходных газов идущих из газовой силовой турбины через теплообменник. Этому способствует также то, что сжатый дополнительным компрессором воздух,поступающий на вход в теплообменник, имеет достаточно высокую температуру, что в свою очередь вызывает необходимость повышать температуру газов на выходе из теплообменника,идущих на выхлоп в атмосферу. Эти факторы не позволяют выполнить газотурбинную надстройку на базе выпускаемого промышленностью газотурбинного оборудования, работающего на максимально возможном режиме, что ограничивает получение возможной максимальной мощности двигателя. Техническая задача, решаемая изобретением,заключается в повышении мощности двигателя, без снижения термического КПД, в результате увеличения полезной мощности на валу воздушной турбины газотурбинной надстройки со снижением стоимости за счет использования разработанного и выпускаемого промышленностью газотурбинного оборудования. Сущность изобретения заключается в том, что в газотурбинном двигателе с регенерацией тепла,содержащем компрессор, камеру сгорания, турбину высокого давления, силовую газовую турбину,газовоздушный теплообменник, газотурбинную надстройку, состоящую из дополнительного компрессора, установленного на одном валу с воздушной силовой турбиной,согласно изобретению, двигатель снабжен дополнительной камерой сгорания установленной в газовом тракте между выходом силовой газовой турбины и входом газовоздушного теплообменника,а также водовоздушным теплообменником, установленном в воздушном тракте газотурбинной надстройки между выходом дополнительного компрессора и входом в воздушную полость газовоздушного теплообменника. Выход газовоздушного теплообменника по газовому тракту через выходное устройство соединен с атмосферной, а выход по воздушному тракту соединен с входом воздушной силовой турбины газотурбинной надстройки. Выход воздушной силовой турбины надстройки соединен с воздуховодом для передачи горячего воздуха потребителю. Газовая и воздушная силовые турбины установлены на разных валах, служат для привода полезной нагрузки,например электрогенераторов,и могут работать в номинальном режиме. По существу предлагаемое устройство состоит из двух двигателей - основного газотурбинного двигателя и двигателя газотурбинной надстройки. Основной двигатель включает компрессор, камеру сгорания, турбину высокого давления и газовую силовую турбину, выход которой соединен с дополнительной камерой сгорания, где за счет сжигания дополнительного топлива в атмосфере газов с большим избытком воздуха 3 повышается температура газов, поступающих в газовую полость газовоздушного теплообменника. Двигатель газотурбинной надстройки включает дополнительный компрессор, сжатый воздух из которого поступает в воздушную полость водовоздушного теплообменника, где охлаждается,отдавая воде тепло полученное в результате сжатия воздуха в компрессоре. Горячая вода, полученная в водовоздушном теплообменнике, отправляется потребителю, а охлажденный воздух поступает в полость газовоздушного воздушную теплообменника, где нагревается за счет утилизации тепла газов до номинальной температуры и под давлением поступает на вход воздушной силовой турбины газотурбинной надстройки,где расширяется, совершая полезную работу на валу привода полезной нагрузки. Тем самым тепло выходных газов из силовой газовой турбины,подогретых за счет сжигания дополнительного топлива в дополнительной камере сгорания в большей мере передается воздуху воздушного тракта надстройки, за счет чего увеличивается мощность двигателя на 50 и более, по сравнению с прототипом, без снижения термического КПД,составляющего 3040. Общий КПД установки, с учетом получаемой тепловой энергии в виде горячей воды с температурой 80 С и горячего воздуха с температурой 490450 С составляет 90 и более. Установка водовоздушного теплообменника в воздушном тракте надстройки после дополнительного компрессора позволяет снизить температуру воздуха на входе в воздушную полость газовоздушного теплообменника, что в свою очередь позволяет снизить температуру газов на выходе из газовой полости газовоздушного теплообменника уходящих в атмосферу, до температуры 130150 С. Это позволяет уменьшить количество тепловой энергии уходящей в атмосферу с газами и получить оптимальные перепады температур газов и воздуха на входе и выходе газовоздушного теплообменника, что приводит к существенному уменьшению требуемой площади поверхностей теплообмена, габаритов массы и стоимости газовоздушного теплообменника. При этом должно быть выполнено условие, чтобы расход газов, поступающих с выхода силовой газовой турбины через дополнительную камеру сгорания,должен быть близким расходу воздуха через воздушный тракт газотурбинной надстройки. Силовая газовая турбина основного двигателя и силовая воздушная турбина надстройки имеют отдельные валы отбора мощности. Это позволяет выполнить двигатель на базе существующего оборудования без его переделки. При этом для основного двигателя желательно выбирать высокотемпературный двигатель с высокой температурой газов на входе в ТВД, например ГТН 25 УТМЗ. Для двигателя газотурбинной надстройки нужно выбирать низкотемпературный газотурбинный двигатель с более низкой температурой газов(воздуха) на входе в ТВД. Это позволяет получить большую долю тепловой энергии, передаваемой в 3 контур надстройки, за счет утилизации тепла выходных газов основного двигателя в газовоздушном теплообменнике, а также получить приемлемую температуру газов на входе в теплообменник, выходящих из дополнительной камеры сгорания. Для согласования расходов газа с выхода основного двигателя с расходом воздуха двигателя газотурбинной надстройки, можно газотурбинную надстройку выполнить из двух разных газотурбинных двигателей работающих в номинальном режиме,например двигатели агрегатов ГТК-10-4 и ГТ-750-6 НЗЛ. Эти двигатели уже имеют патрубки на выходе из компрессоров и на входе в турбину, а также выносные камеры сгорания, которые можно использовать в качестве дополнительных камер сгорания. На фиг. 1 представлена схема газотурбинного двигателя с газотурбинной надстройкой и с регенерацией тепла, выполненной из одного двигателя, с отдельными отборами мощности от газовой и воздушной силовых турбин. На фиг.2 показана схема газотурбинного двигателя с газотурбинной надстройкой и с регенерацией тепла, выполненной из двух двигателей, с отдельными отборами мощности от газовой и каждый из двух воздушных силовых турбин. Основной газотурбинный двигатель 1 состоит из газогенератора и силовой газовой турбины СТ. Газогенератор состоит из компрессора К турбины высокого давления ТВД и основной камеры сгорания 11.вход компрессора К поступает воздух из атмосферы через воздухоочиститель 5. Выход газовой силовой турбины соединен с входом дополнительной камеры сгорания 12, выход которой соединен с газовой полостью газовоздушного теплообменника 3. Выход газовой полости воздушного теплообменника соединен с выходным устройством 6, соединенным с атмосферой. Воздушная полость газовоздушного теплообменника 3 на входе через воздушную полость водовоздушного теплообменника 4 соединена с выходом дополнительного компрессора К газотурбинной надстройки 2, который установлен на одном валу с воздушной силовой турбиной СТ вход которой соединен с выходом воздушной полости газовоздушного теплообменника 3. Вал двигателя газотурбинной надстройки посредством муфты 8 соединен с валом электрогенератора 7. Выход воздушной силовой турбины СТ газотурбинной надстройки соединен с воздушным трубопроводом потребителя горячего воздуха. Вход компрессора К газотурбинной надстройкой 2 посредством воздухоочистителя 5 соединен с атмосферой, а вал двигателя газотурбинной надстройки посредством муфты 10 соединен с устройством запуска 9. Газотурбинная надстройка может быть выполнена из двух одинаковых или разных по мощности двигателей с отдельными отборами мощности каждой из двух воздушных силовых турбин. При этом каждый из двух двигателей газотурбинной надстройки имеет свою дополнительную выносную камеру сгорания,газовоздушный теплообменник и выходное устройство для выхода газов в атмосферу, причем общий расход выходных газов основного двигателя разделяется на два потока,идущих в дополнительные камеры сгорания двигателей надстройки, пропорциональные расходу воздуха через их воздушный тракт. Заявляемое устройство работает следующим образом Поступающий на вход основного двигателя 1 воздух сжимается в компрессоре К, поступает в основную камеру сгорания 11, где в результате сжигания топлива Т образуются горячие газы,которые расширяются в турбинах газогенератора и в силовой газовой турбине приводящие во вращение компрессор и полезную нагрузку в виде электрогенератора. Горячий газ с выхода силовой турбины СТ поступает в дополнительные камеры сгорания 12, 12 двигателей газотурбинной надстройки 2, 2, где подогревается в результате сжигания дополнительного топлива, а затем поступает в газовую полость газовоздушных теплообменников 3, 3, где отдает свое тепло воздуху, который нагнетается через водовоздушные теплообменники 4, 4 в воздушную полость теплообменников 3, 3 с помощью компрессоров газотурбинной надстройки. Воздух, подогретый в теплообменниках 33 до номинальных температур расширяется в воздушных силовых турбинах газотурбинной надстройки вырабатывающих механическую энергию, идущую на привод компрессоров К, К и на привод полезной нагрузки в виде электрогенераторов 7, 7. Двигатели газотурбинной надстройки, как и основной двигатель, могут работать в номинальном режиме, что позволяет существенно увеличить мощность энергетической установки при высоком термическом и эффективном КПД, так как утилизируется тепло выходных газов, основного двигателя, а горячий воздух с выхода силовых воздушных турбин газотурбинной надстройки поступает по воздуховоду потребителю для целей теплоснабжения, или кондиционирования воздуха в жилых, административных зданиях и цехах заводов. При этом дополнительно получается горячая вода для целей отопления и горячего водоснабжения, а общий КПД энергетической установки составляет более 90, электрический до 40 и более. Значительное снижение стоимости двигателя происходит за счт использования разработанного и выпускаемого промышленностью газотурбинного оборудования. Изобретение повышает экономичность и мощность двигателя. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Газотурбинный двигатель с регенерацией тепла, содержащий компрессор, камеру сгорания,турбину высокого давления, силовую газовую турбину,газовоздушный теплообменник,дополнительный компрессор, воздушную турбину для привода дополнительного компрессора и силовую воздушную турбину, отличающийся тем,что двигатель снабжен дополнительной камерой сгорания, установленной в газовом тракте двигателя между выходом газовой силовой турбины и входом газовоздушного теплообменника по газовой полости. 2. Газотурбинный двигатель с регенерацией тепла по п.1, отличающийся тем, что в воздушном тракте газотурбинной надстройки установлен водовоздушный теплообменник между выходом дополнительного компрессора и входом в воздушную полость газовоздушного теплообменника. 3. Газотурбинный двигатель с регенерацией тепла по п.1,отличающийся тем,что газотурбинная надстройка с воздушной силовой турбиной может быть выполнена из двух одинаковых, или разных по мощности двигателей с отдельными отборами мощности каждой из двух воздушных силовых турбин.