Способ регенерации топлива и экологической очистки выхлопных газов в газотурбинном авиационном двигателе со свободной турбиной
Использование: энергетическое машиностроение, в частности установки для регенерации тепла и очистки выхлопных газов при получении полезной энергии, например, электрической. Сущность изобретения: у серийно изготовленного авиационного газотурбинного двигателя со свободной турбиной, в том числе с выработанным летним ресурсом, предварительно расширяют на величину до 30% площадь критического сечения сопловых аппаратов турбины, приводящей компрессор газотурбинного двигателя, и, обеспечивая обороты двигателя в пределах 0,9 0,97 от максимальных, осуществляют подачу пара в камеру сгорания двигателя в пределах 10 35% к суммарному расходу топлива при понижении температуры перед турбиной на величину до 20% и повышении давления за компрессором на величину до 10% Получение пара соуществляют путем испарения воды парогенераторе теплом выхлопных газов, последние перед выбросом в атмосферу очищаются в теплообменнике конденсаторе путем создания противока стекающей пленки конденсата на холодных стенках и восходящего газового потока, а образовавшийся водяной конденсат отделяют от газового потока, фильтруют, нейтрализуют и принудительно возвращают в парогенератор. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к энергетическому машиностроению, в частности к энергетическим установкам-источникам мощности для привода различных потребителей энергии, а также газотурбинным установкам, характеризующимся использова- нием продукта сгорания в качестве рабочего тела с добавлением воды и пара перед выходом из турбины или другой среды в рабочее тело.
Известен способ регенерации тепла в газотурбинном двигателе, позволяющий использовать часть тепла выходных газов путем установки за турбиной парогенератора (котла) с принудительной подачей в него воды с последующим ее испарением и нагревом до состояния перегретого пара с повышенным давлением, который подается в камеру сгорания и смешивается с воздухом и топливом, обеспечивающими процесс горения и перемешивания, в результате чего увеличивается общий расход рабочего тела через турбину компрессора и турбину привода, а следовательно, мощность и КПД газотурбинной установки в целом. При этом одной из главных технических проблем является согласование расхода рабочего тела через турбину компрессора и турбину потребителя при подаче водяного пара дополнительно к подаче воздуха и топлива в камеру сгорания перед турбиной компрессора. Известен способ регенерации тепла, при которой указанное согласование расхода рабочего тела через турбину, приводящую компрессор, осуществляется путем перепуска из камеры сгорания после компрессора за турбину компрессора части расхода рабочего тела, эквивалентного дополнительному расходу подаваемого пара в камеру сгорания. Этот способ невыгоден тем, что пропускаемая часть рабочего тела дросселируется с потерей давления и потенциальной энергии, и связан с очень сложными конструктивными доработками, если применить его к готовому серийному авиадвигателю. Разработка новой турбины с увеличенной пропускной способностью с новыми лопатками связана с большими затратами средств и времени. Предлагаемый способ регенерации тепла и экологической очистки выхлопных газов в авиационном газотурбинном двигателе с турбиной привода потребителя энергии предусматривает, в частности, принципиально иное решение указанной проблемы согласования расхода рабочего тела через турбину, а также ряд других новых технических решений по экологической очистке продуктов сгорания. Изобретение поясняется фиг. 1 и 2. Авиационный газотурбинный двигатель с контуром регенерации тепла и системой очистки продуктов сгорания с турбиной привода потребителя энергии (например, электрогенератора) включает многоступенчатый осевой компрессор 1, камеру сгорания 2, газовую турбину 3 компрессора и газовую турбину 4 с валом привода к потребителю 5, например к электрогенератору (в состав газотурбинной электростанции), выхлопной тракт, в котором установлен парогенератор 6 с магистралью подачи воды насосом высокого давления и магистралью подвода перегретого пара к камере сгорания с регулятором расхода пара 7, и магистраль с регулятором подачи топлива 8. На выхлопном тракте за турбиной привода установлены теплообменник-конденсатор 9 и вихревой циклон 10, а в системе сбора и очистки конденсата воды установлены после насоса подкачки фильтр 11 и нейтрализатор 12 с магистралью возврата воды к насосу высокого давления. Атмосферный воздух поступает из шахты всасывания в осевой компрессор, где его давление повышается за счет сжатия (в 5-35 раз и более), далее воздух поступает в камеру сгорания, куда одновременно через форсунки под высоким давлением подаетcя топливо и производится процесс сгорания и перемешивания, после чего горячий газ поступает в турбины, где еге энергия частично преобразуется в механическую энергию для привода компрессора и потребителя (например, электрогенератора), после этого еще сильно нагретые продукты сгорания (t= 450-850оC) поступают через парогенератор и теплообменник-конденсатор (охлаждаясь до t=50-60оС) в шахту выхлопа. В контуре регенерации тепла воды с помощью насоса высокого давления подается в парогенератор, где за счет контактной передачи части тепла отходящих газов нагревается, испаряется и в виде перегретого пара подается вместе с топливом в зону сгорания камеры сгорания, где нагревается, смешиваясь с потоком воздуха из компрессора, и доводится до заданной температуры перед турбиной. Цель изобретения заключается в повышении КПД процесса выработки энергии и улучшении его экологичности при использовании в качестве генератора энергии серийно изготовленных газотурбинных авиадвигателей, включая двигатели с выработанным летным ресурсом. Это достигается тем, что согласование расхода рабочего тепла через турбину, приводящую компрессор, с расходами подаваемых в камеру сгорания воздуха, топлива и водяного пара с учетом изменения температуры и давления перед турбиной выполняют за счет предварительного расширения на величину до 30% площади критического сечения сопловых аппаратов турбины, приводящей компрессор газотурбинного двигателя, и, обеспечивая обороты в пределах 0,9-0,97 от максимальных, осуществляют наибольшую возможную подачу пара в камеру сгорания, находящуюся в зависимости от параметров двигателя в пределах 10-35% к суммарному расходу воздуха и топлива, при понижении температуры перед турбиной на величину до 20% и повышении давления за компрессором на величину до 10% при этом выхлопные газы перед выбросом в атмосферу очищают в теплообменнике-конденсаторе путем создания противотока из стекающей вниз пленки конденсата на холодных стенках и восходящего вверх газового потока, а полученный водяной конденсат отделяют от газового потока, фильтруют, нейтрализуют и принудительно возвращают в парогенератор. Прежде всего предлагается определить конкретную наибольшую возможную величину подаваемого расхода пара. Эта величина находится в пределах 10-35% от суммарного расхода воздуха и топлива и определяется из баланса тепла при работе парогенератора с учетом конкретных параметров выбранного конкретного газотурбинного двигателя и привода потребителя. При температуре перед турбиной Т3= 1150-1450 К и давлении из компрессором Рк=5-35 ат с учетом других параметров авиадвигателя привода и контура регенерации возможная подача пара находится в пределах 10-35% Подача пара ограничивается уровнем температуры выхлопных газов, т.е. их внутренней энергией. Конкретные величины расхода пара, расширения площади критического сечения сопловых аппаратов, понижения температуры Т3 и повышения давления Рк в каждом конкретном случае определяются с учетом параметров и ограничений для выбранных авиадвигателя и потребителя и строго связаны между собой определенными зависимостями для обеспечения надежной длительной работы, получения максимальной мощности и наибольшего КПД установки в целом. Снижение температуры перед турбиной Т3 на величину до 20% применяется при высокой исходной температуре Т3= 1400-1450о до величины порядка 1150-1200о, так как при этом значении повышается ресурс авиадвигателя и одновременно увеличивается до 10% пропускная способность турбины, приводящей компрессор. При этом КПД установки с водяным контуром регенерации изменяется незначительно. Снижение оборотов до 0,9-0,97 от максимальных также в малой степени влияет на КПД установки, для которой основным фактором, определяющим КПД, является подача водяного пара. Снижение оборотов необходимо для увеличения ресурса установки и антипомпажного запаса, что позволяет повысить давление за компрессором. Повышение давления за компрессором Рк до 10% возможно практически на всех готовых авиадвигателях за счет допустимого уменьшения антипомпажного запаса в 1,5-2 раза при работе на земле по сравнению с широким изменением начальных условий в полете. Увеличение давления Рк на 10% позволяет также на 10% увеличить пропускную способность турбины, приводящую компрессор. В связи с увеличением расхода газов через турбину, приводящую во вращение компрессор, ее мощность возрастет, тогда как мощность компрессора изменяется незначительно, поэтому необходимо уменьшить степень понижения давления в турбине Пт, что достигается соответствующим расширением проходных сечений сопловых аппаратов турбины. Избыток давления перекладывается на турбину привода потребителя энергии, мощность которой возрастает за счет увеличения расхода газов и увеличения Пт, что требует уменьшения проходных сечений ее сопловых аппаратов. Для обеспечения эффективной экологической очистки продуктов сгорания авиационного двигателя с регенерацией тепла и с турбиной привода потребителя энергии предлагается новый способ, заключающийся в установке в тракте после парогенератора дополнительного теплообменника- конденсатора (фиг. 2), в котором внешним хладоносителем производится охлаждение потока газа ниже точки росы водяного пара с созданием противотока стекающей вниз по охлаждающим стенкам водяной пленки и восходящего вверх газового потока, так как в этом случае на границе жидкой и парогазовой среды возникает интенсивный процесс конвективного перемешивания и абсорбции из газа в водяной конденсат вредных компонентов: несгоревших углеводородов от неполного сгорания в камере сгорания, окислов азота и углерода, сернистых соединений, твердых частиц углерода (сажи) и других включений. В теплообменнике-конденсаторе и установленном за ним вихревом циклоне (при пониженной tо до 50-60оС) произойдет почти полная конденсация и отделение от газовых компонентов потока водяных паров. Поэтому при выбросе газа из выхлопной шахты шумоглушения практически исключаются вредные компоненты в пар, что в целом значительно улучшает экологическую обстановку в окружающей атмосфере вблизи работающего газотурбинного авиадвигателя. Возвращение очищенного (отфильтрованного и нейтрализованного) водяного конденсата в виде практически чистой воды на вход к насосу подачи воды в парогенератор в десятки раз снижает потребность в подпитке контура извне, очистка и водоподготовка которой при подаче в паровой котел (парогенератор) также требует дополнительных технических сооружений и капитальных затрат. В связи с увеличением расхода газов через турбины предлагается новый и технологически легко осуществимый в условиях ремонтного завода авиадвигателей способ расширения на величину до 30% проходного сечения сопловых аппаратов турбины компрессора путем подрезки по всей высоте задней кромки лопаток с увеличением угла выхода потока от![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/319/3192804.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
Формула изобретения
1. СПОСОБ РЕГЕНЕРАЦИИ ТОПЛИВА И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ В ГАЗОТУРБИННОМ АВИАЦИОННОМ ДВИГАТЕЛЕ СО СВОБОДНОЙ ТУРБИНОЙ, заключающийся в сжигании в камере сгорания топлива и сжатого в компрессоре воздуха, нагреве и испарении воды в регенераторе посредством подвода к ней тепла выхлопных газов двигателя перед их выбросом в атмосферу, подаче полученного пара в камеру сгорания с одновременным повышением давления за компрессором и снижением температуры подаваемого на турбину рабочего тела, согласовании расходов рабочего тела, подаваемого на компрессорную и свободную турбину, с расходами, подаваемыми в камеру сгорания сжатого воздуха, топлива и водяного пара, отличающийся тем, что дополнительно перед выбросом в атмосферу выхлопные газы очищают и охлаждают в теплообменнике-конденсаторе путем создания противотока стекающей вниз пленки конденсата на холодных стенках и восходящих вверх выхлопных газов, полученный водяной конденсат отделяют от выхлопных газов, фильтруют и подают в регенератор, подачу пара в камеру сгорания осуществляют в размере 10 35% от суммарного расхода топлива и сжатого воздуха, при этом снижение температуры рабочего тела, подаваемого на компрессорную турбину не должно быть больше 20% от номинального значения температуры, а повышение давления за компрессором не более 10% от номинального значения давления, согласование расходов рабочего тела, подаваемого на турбины, с расходами сжатого воздуха, топлива и пара осуществляют посредством увеличения до 30% площади проходного сечения лопаточного соплового аппарата компрессорной турбины, при поддержании числа оборотов вала двигателя в пределах 0,9 0,97 от максимальных. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что увеличение площади проходного сечения лопаточного соплового аппарата компрессорной турбины осуществляют посредством подрезки по всей высоте выходной кромки лопаток. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно уменьшают площади критического сечения сопловых аппаратов свободной турбины на величину до 20% 4. Способ по пп.1 и 3, отличающийся тем, что уменьшение площади критического сечения лопаточного аппарата свободной турбины осуществляют установкой по периферии проточной части турбины между лопатками соплового аппарата и над рабочими вкладышами-заполнителей и соответствующим уменьшением наружного диаметра рабочих лопаток. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что пар подают в камеру сгорания непосредственно в зоне горения. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что охлаждение выхлопных газов в теплообменнике-конденсаторе осуществляют до температуры ниже точки росы водяного пара при регулируемой подаче конденсата с расходом, в 10 20 раз превышающем расход пара.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2