RU2157902C2 - Ветрогазотурбинная электростанция - Google Patents

Abstract

Ветрогазотурбинная электростанция содержит компрессор, камеру сгорания с форсунками для подачи топлива, а также нагретой воды или пара, и с воздухоприемными окнами, корпус, многоступенчатый струйный аппарат, трубчатую башню с наружным слоем теплоизоляции и с установленной на ней силовой установкой в виде ветрогазотурбинного двигателя, имеющего конфузор для подвода воздушного потока. Силовая установка снабжена многоступенчатой турбиной, выполненной с направляющими сопловыми аппаратами и эжектором. Эжектор выполнен в виде кольцевого сопла, расположенного коаксиально относительно корпуса. Корпус выполнен в виде диффузора и конфузора спереди и снабжен патрубком, шарнирно установленным на стволе трубчатой башни. Осуществление изобретения позволяет повысить КПД ветрогазотурбинной электростанции. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

Description

Изобретение относится к энергетике, а более конкретно к газотурбинным силовым установкам большого диаметра, в которых осуществляется совместное использование энергии углеводородного топлива и энергии ветра.

Уровень техники
Известны стационарные газотурбинные установки, работающие на углеводородном жидком или газообразном топливе, с высокой температурой рабочего тела на лопатках турбины и высокой скоростью движения газа в проточной части турбомашины /см. "Стационарные газотурбинные установки" под редакцией Л.В. Арсеньева, Л.: Машиностроение, 1989 г., стр. 14-18/.

ГТУ имеют невысокий эффективный КПД, не превышающий 28-32% и сравнительно небольшую мощность - до 20-28 тыс. л.с., что является следствием отбора большей части сжатого воздуха от компрессора на цели снижения температуры продуктов сгорания до требуемого уровня температуры на лопатках турбины.

Известны также установки комбинированного типа, в которых используется энергия продуктов сгорания углеводородного топлива и энергия ветра. Например, ветроагрегаты с дизельными тепловыми двигателями, причем ветроагрегат содержит ветродвигатель с диффузором, корпусом, в котором размещена многоступенчатая турбина с направляющими сопловыми аппаратами.

Использование в этой схеме двух двигателей с электрическими генераторами существенно повышает стоимость киловатт-часа, снижает надежность электрической станции, и значительно возрастает стоимость одного киловатта мощности установки.

Сущность изобретения.

Целью изобретения является снижение расхода углеводородного топлива за счет существенного повышения термического и эффективного КПД силовой установки, повышения ее мощности, а также обеспечения ее работы и на энергии ветра.

Поставленная в изобретении цель достигается за счет дополнительного снабжения газотурбинной установки комбинированного типа многоступенчатым /многоструйным/ струйным аппаратом/ эжектором с несколькими рабочими соплами/, размещенным между камерой сгорания и многоступенчатой турбиной и выполненным в виде корпуса с отверстиями для всасывания атмосферного воздуха, площадь сечения которых регулируется установленными в них поворотными клапанами-заслонками, а внутри корпуса последовательно друг за другом установлены сопла, площадь выходных отверстий которых увеличивается от камеры сгорания в сторону многоступенчатой турбины.

Кроме того, поставленная в изобретении цель достигается за счет ввода в камеру сгорания всего объема сжатого воздуха, нагнетаемого компрессором, и участия его в процессе горения, а охлаждение стенок пламенной трубы /камеры сгорания/ осуществляется влажным воздухом.

В режиме работы на энергии ветра поставленная цель - увеличение КПД и мощности силовой установки - достигается за счет снабжения многоступенчатой турбины ветрогазотурбинной электростанции струйным аппаратом-эжектором, выполненным в виде кольцевого сопла, размещенным коаксиально относительно корпуса турбины, причем корпус содержит патрубок, шарнирно установленный на столе башни.

В результате чего обеспечивается свободный поворот вокруг ствола башни многоступенчатой турбины и установка "на ветер" за счет разности сил, динамического давления ветра на поверхность корпуса и кольцевого сопла.

Во втором варианте силовой установки поставленная цель - увеличение КПД и повышение мощности - достигается за счет размещения многоступенчатых турбин на поворотных пустотелых балках, симметрично установленных относительно башни последовательно друг за другом по ее высоте, причем поворот балок и установка турбин на "ветер" осуществляется принудительно системой автоматики, а многоступенчатый струйный аппарат подсоединен к камере сгорания и стволу башни.

Из изложенного видно, что критерий "новизны" в заявленном техническом решении заключается в новом конструктивном его исполнении, описанном новой совокупностью существенных признаков.

Таким образом, весь сжатый воздух поступает от компрессора в камеру сгорания и участвует в процессе горения, в результате чего многократно повышается мощность силовой установки, а охлаждение стенок пламенной трубы /камеры сгорания/ этим же воздухом, увлажненным впрыском воды, позволяет реализовать преимущества от повышения начальной температуры цикла ветрогазотурбинной установки, заключающиеся в увеличении КПД /термического/. Вместе с этим повышается и эффективный КПД газотурбинного агрегата за счет отсутствия потерь энергии на подачу компрессором вторичного воздуха /в рабочем цикле ветрогазотурбинной установки вторичного воздуха нет/, а также более высокого термического КПД.

В режиме работы газотурбинного агрегата на энергии ветра поступающий через конфузор воздух под напором ветра последовательно отдает свою кинетическую энергию на каждой ступени двигателя, в результате чего многократно повышается коэффициент использования энергии ветра, а установка струйного аппарата в виде кольцевого сопла /эжектора/ еще в большей степени способствует увеличению мощности. Учитывая изложенное правомерен вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "промышленная применимость".

Перечень фигур
- на фиг. 1 показан поперечный разрез по однокорпусной ветрогазотрубинной электростанции;
- на фиг. 2 показан продольный разрез турбинного двигателя ветрогазотурбинной электростанции.

- на фиг. 3 показана развертка по турбине и направляющим сопловым аппаратам;
- на фиг. 4 показан вид сверху на камеру с вспомогательными механизмами /по II-II/.

- на фиг. 5 показан в поперечном сечении узел N - конструкция опирания и уплотнения патрубка корпуса турбины и ствола башни;
- на фиг. 6 показан поперечный разрез по многокорпусной ветрогазотурбинной электростанции;
- на фиг. 7 - вид сверху на турбинный двигатель по III-III.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

В целях существенной экономии природных углеводородных топлив, а также реального уменьшения выбросов в атмосферу твердых частиц и частиц жидкости, различных газов и большего количества теплоты, ниже рассматривается два типа газотурбинных установок с турбинами большого диаметра, в которых осуществляется совместное использование энергии углеводородных топлив и энергии ветра в широком диапазоне скоростей.

1-ый тип ветрогазотурбинной электростанции
На фиг. 1 показана однокорпусная ветрогазотурбинная электростанция /ВГТС/, содержащая: многоступенчатую турбину 1 активного типа со ступенями скорости, установленную в корпусе 2 /см. фиг. 2/, который с помощью цилиндрического "патрубка" большого диаметра 3 шарнирно расположен на трубчатой башне 4, имеющей в месте соединения ее с патрубком 3 суженную цилиндрическую часть 5.

Опирание трубчатой части 4 на фундаменты осуществляется с помощью опор 6. Башня 4 в нижней части имеет многоступенчатый /многоструйный/ эжектор, состоящий из ряда сопел 7, 8, 9, 10, 11, 12, последний из которых подсоединен к газоходу 13 к камере сгорания 14. Все сопла размещены в одном корпусе 15 многоступенчатого эжектора, с одной стороны имеющего входные отверстия для поступления атмосферного воздуха, в которых установлены клапаны-заслонки 16, обеспечивающие изменение площади входных отверстий при повороте их с помощью системы автоматического регулирования /не показана/.

В конце корпуса 2 турбин соосно /коаксиально/ к нему укреплено кольцевое сопло 17, образующее совместно с корпусом струйный аппарат /эжектор/, обеспечивающий на всех возможных скоростях ветра обтекающего корпус существенное увеличение скорости воздушного потока от ветра внутри корпуса - в проточной части многоступенчатой турбины - и значительное повышение мощности ВГТС.

Ветрогазотурбинная силовая установка электростанции, показанная на фиг. 1-2, содержит многоступенчатую турбину 1 в корпусе 2, которая в свою очередь состоит из барабана 18, имеющего на концах полуоси 19, 20. На барабане установлено два ряда рабочих лопаток многоступенчатой турбины - первой ступени рабочие лопатки 21 и второй - 22, между которыми размещен направляющий аппарат с лопатками 23, укрепленными на внутренней поверхности корпуса 2. Барабан турбин с помощью полуосей установлен в подшипниках, размещенных в переднем и заднем направляющих сопловых аппаратах 24 и 25, причем полуось 19 служит также в качестве вала, соединенного через муфту с электрогенератором 26.

Электрогенератор размещен в обтекателе 27, который укреплен на неподвижном переднем направляющем аппарате 24.

Электрогенератор может быть соединен через редуктор.

Корпус 2 имеет внутреннюю поверхность, выполненную со стороны входа воздуха, генерируемого ветром, в виде конфузора 28, и с размещением многоступенчатой турбины в его расширяющейся части /диффузоре/.

Подвод смеси продуктов сгорания с воздухом к турбине осуществляется через патрубок 3, каналы 29, выполненные в корпусе, и сопла 30, 31 и 32.

Кольцевой канал 33, образуемый корпусом 2 и кольцевым соплом 17, выполнен с переменным сечением, уменьшающимся в сторону движения воздуха, что создает условия для повышения скорости воздушного потока в наименьшем сечении 34 сопла. Выходное отверстие сопла - поз. 35.

Камера сгорания 14 силовой установки выполнена переменным сечением и размещена внутри кожуха 36, являющегося силовым корпусом и рубашкой охлаждения. С торца камеры сгорания установлена форсунка 37, а на боковых поверхностях размещены окна 38, через которые поступает вовнутрь камеры сгорания сжатый и нагретый воздух в смеси с парами воды.

Для нагрева жидкого топлива в камере 14 установлен трубчатый теплообменник 39, топливный насос 40, компрессор 41, водяной насос 42, теплообменник для нагрева воды 43.

На фиг. 5 показаны устройства, обеспечивающие опирание и свободный поворот вокруг оси патрубка 3 силовой установки.

Устройства состоят из опорного кольцевого бруса 44, закрепленного на суженной части 5 башни 4, в кольцевой полости которого свободно перемещаются опорные ролики 45, установленные равномерно по окружности на кронштейнах 46, которые в свою очередь соединены с другим кольцевым брусом 47, жестко закрепленным на патрубке 3.

Для предотвращения утечки продуктов сгорания между кольцевыми брусьями 44, 47 выполненно лабиринтное уплотнение 48 в виде вертикальных гребней, размещенных на поверхностях дополнительных колец 49, 50.

Кроме того, патрубок 3 силовой установки касается суженной части 5 башни через ролики 51, с передачей к ним усилия и центрирования патрубка 3, по отношению к оси башни, с помощью пружин 52 и нажимной гайки 53 с выступом, опирающимся на пружину, размещенную в цилиндрах 54, прикрепленных к патрубку на заданном расстоянии друг от друга, по его периметру.

В целях уменьшения потерь тепла башня 4 и корпус 15 многоступенчатого эжектора, газоход 13 и кожух 36 камеры сгорания снаружи покрываются слоем теплоизоляции, поз. 55.

Сущность работы ветрогазотурбинной электростанции заключается в следующем:
- в периоды отсутствия ветра ВГТС работает в режиме газотурбинной установки за счет сгорания топлива в камере 14 при подаче в нее через форсунку 37 топлива и сжатого воздуха от компрессора 41. При этом в ствол башни 4 поступают нагретые газы в смеси с атмосферным воздухом, инжектируемые через многоступенчатый струйный аппарат /эжектор/ 15.

В результате на многоступенчатую турбину 1 через сопла 30, 31, 32 поступает газовая смесь с температурой, значительно меньшей, чем температура продуктов сгорания в камере сгорания 14, что обеспечивает передачу энергии топлива большей массе газа и работу лопаток турбины при низких температурах.

- в периоды слабых ветров, когда воздух с небольшой скоростью входит в двигатель через конфузор 28 и отдает свою кинетическую энергию на рабочих лопатках 21, 22 многоступенчатой турбины 1, системой автоматического регулирования /не показана/ уменьшается подача топлива форсункой 37 в камеру сгорания 14. В этом случае силовая установка работает в комбинированном режиме - как газовая и воздушная многоступенчатая турбина, причем количество сжигаемого топлива в камере сгорания 14 уменьшается с увеличением скорости ветра.

- в период умеренных и сильных ветров /при скоростях ветра от 10-12 м/с до 25-30 (50-55) м/с/ ветрогазотурбинная электростанция /ВГТС/, в зависимости от ее конструкции /имеется ввиду как величина среднего диаметра турбины с лопатками корытообразной формы/ может работать:
а/ наполовину в режиме газовой и воздушной многоступенчатой турбины при достижении скорости ветра V=10-12 м/с, или при этой для данной ВГТС уже расчетной скорости ветра полностью переходить на режим воздушной турбины с использованием только энергия ветра и отключением камеры сгорания 14;
б/ поддерживать горение в камере сгорания на минимальном расходе /подаче форсункой 37 топлива/ горючего при достижении ветром расчетной скорости /10-12 м/с/ с работой турбины в комбинированном режиме. Этот режим работы силовой установки необходим в тех районах строительства ВГТС, в которых наблюдается неустойчивый характер возникновения и действия ветров.

Однако на любых режимах работы ветер в описываемой силовой установке ВГТС комбинированного типа является только дополнительным источником энергии при непрерывном генерировании станцией электрической энергии.

В результате обеспечивается, за счет использования энергии ветра в этой станции, реальное, достигающее для отдельных районов, от 45 до 65 /75/% снижение расхода основного минерального сырья - углеводородного топлива планеты и значительное сокращение вредных и вреднейших /мышьяка, урана/ выбросов в атмосферу, а также ликвидируется угроза повышения температуры планеты за счет парникового эффекта, из-за накопления в воздухе углекислого газа и водяного пара, твердых частиц угольной золы и избыточного сбросного тепла.

Вместе с тем ветер, а не углеводородное топливо в некоторых районах суши или на морской поверхности может оказаться не дополнительным источником энергии в комбинированной силовой установке ВГТС, а основным источником энергии, а сжигание в камере сгорания углеводородного топлива становится необходимым лишь в периоды отсутствия ветра на короткое время или его низкой скорости. Например, в районах крайнего Севера, Камчатке и др.

Рассмотрим работу отдельных агрегатов ветрогазотурбинной электростанции более подробно.

Камера сгорания ВГТС
Камера сгорания /или несколько камер/ показана на фиг. 1,4.

Камера сгорания 14 или по другой терминологии - пламенная /жаровая/ труба /см. "Стационарная газотурбинные установки" - Справочник под редакцией Л.В. Арсеньева и др. Л.: Машиностроение, 1989 г., стр. 250 - 2662 (1), размещена внутри корпуса /кожуха/ 36 и имеет воздухоприемное устройство с окнами 38. Кроме того, внутри пламенной трубы 214 установлен теплообменник /нагреватель/ 39 для жидкого топлива. Рабочее сопло 12 и газоход 13 /короткий отвод из камеры сгорания, точнее пламенной трубы 14/ выполняются водоохлаждаемыми.

Корпус /кожух/ 36 является еще и рубашкой охлаждения, имеющей патрубок 56 пламенной трубы 14 /камеры сгорания/.

В этой камере сгорания в отличие от камер сгорания существующих ГТУ весь воздух от компрессора 41 поступает в пламенную трубу 14 через воздухоприемное устройство с окнами 38 и полностью участвует в горении и нагревается от ее стенок /которые могут выполняться: гладкими, оребренными или оребренными с искусственной шероховатостью на поверхности трубы и ребер, по типу камер сгорания жидкостных ракетных двигателей /см."Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей" под редакцией В.М. Кудрявцева, М.: Высшая школа, 1983 г., стр. 429 - 437 (2)/.

В ввиду сравнительно удельной теплоемкости газа - воздуха для интенсификации охлаждения пламенной трубы 14 в патрубок 56 установлена форсунка /не показана/, через которую с помощью насоса 42 поступает сильно нагретая вода или пар. Вода или пар поступает из теплообменника 43. Сжатый воздух от компрессора 41 также поступает в патрубок 56 и смешивается с жидкой или газообразной водой, что существенно /в несколько раз - в зависимости от количества подаваемой воды/ увеличивает эффективность охлаждения.

В результате этого метода комбинированного охлаждения стенок пламенной трубы обеспечивается возможность значительного повышения температуры продуктов сгоранияв пламенной трубе и реализация преимуществ от повышения начальной температуры цикла ветрогазотурбинной электростанции, заключающиеся в увеличении удельной мощности и КПД ВГТС.

Вместе с тем комбинированное охлаждение позволяет получать такие температурный уровень и перепады градиентов температуры в материале охлаждаемой пламенной трубы, которые обеспечивают ее надежность во всем диапазоне рабочих режимов.

Процесс нагрева воздуха, поступающего в камеру сгорания за счет теплоты нагретых до высокой температуры стенок трубы, как известно позволяет повысить экономичность газотурбинной установки /регенерация/, а нагрев топлива /жидкого, а также и газообразного/ в теплообменнике 39 до высокой температуры t_T=200-300^oC и выше создает условия для еще большего повышения экономичности ВГТС.

Холодная вода подается в теплообменник 43, который размещается, например, в направляющем /спрямляющем/ сопловом аппарате 25 многоступенчатой турбины 1 или в охлаждающем тракте газохода 13 и сопла 12. Из-за простоты конструкции, а также возможности нагрева воды до высокой температуры предпочтительным оказывается второй вариант, который и следует применять на практике.

В этом варианте вода нагревается до температуры кипения и перегревается, например, до температуры t_B=160-180^oC, т.е. она нагревается и перегревается в рубашках охлаждения сопла 12 и газохода 13 и поступает в форсунку, установленную в патрубке 56. Вытекая из форсунки, частицы воды дробятся на мелкие капли, подхватываются струей сжатого воздуха, поступающего в патрубок 56 из компрессора 41, и испаряются за счет внутренней теплоты перегрева и высокой температуры пламенной трубы 14 с образованием влажного воздуха, обеспечивающего охлаждение трубы 14.

Влажный и сильно нагретый волздух поступает через окна 38 в пламенную трубу 14 и смешивается с топливом, вытекающим из форсунки 37, образуя горячую смесь, которая поджигается запальным устройством /не показано/, с дальнейшим горением новых порций топлива самостоятельно.

Влагосодержание, т.е. отношение веса пара к весу чистого воздуха в смеси влажного охлаждающего воздуха, регулируется за счет изменения подачи воды через форсунку, установленную в патрубке 56.

"Точно установлено, что вода позволяет: снизить температуру горения и скорость горения горючей смеси, снизить концентрацию особо токсичных составляющих в дымовых газах; ускоряет превращение вредной окиси углерода в нейтральную двуокись; уменьшает содержание в дымовых газах окислов азота и экономить топливо" /см. К. Чириков "Двигатель", Знание, Техника, N 2, 1983 г., 40-46 (3)/.

Однако в целях повышения КПД силовой установки, зависящего от начальной температуры цикла, необходимо вести процесс горения с высокой скоростью сгорания горючей смеси, что достигается за счет подачи в пламенную трубу 14 влажного воздуха с температурой R₁=400-450^oC и выше, нагретого от конвективного теплообмена со стенками трубы 14, и поступления через форсунку 37 в камеру сгорания /точнее смесительное устройство с воздухом в начале пламенной трубы 14/ не струй жидкого топлива, а паровой струи топлива, обеспечивающей увеличение скорости горения горючей смеси.

Причем в данном процессе горения достигается и наименьший коэффициент избытка воздуха, приближающийся к теоретическому значению - α ≈1,01-1,05, что также обеспечивает повышение температуры цикла и КПД рабочего процесса. Нагрев жидкого топлива до температуры испарения и перегрев паров осуществляется в теплообменнике 39, расположенном в виде экрана в трубе 14 камеры сгорания.

В целях существенного увеличения температурного перепада и достижения высокого КПД силовой у газотурбинной установки ВГТС между камерой сгорания 14 и многоступенчатой турбиной 1 размещена многоступенчатая струйная установка 15 с рабочими соплами 7-12 /в этом аппарате (установке) число сопел-ступеней устанавливается расчетным путем и уточняется экспериментальным способом для каждой конкретно заданной ВГТС/.

Причем основным рабочим соплом является сопло 12 с наибольшим давлением P_p1, температурой t₁ и скоростью истечения газов V₁, а сопла 11-7 являются одновременно рабочими соплами и камерами смешения, с поступлением в них атмосферного воздуха через отверстия в корпусе 15 перекрытыми заслонками 16 обеспечивающие возможность изменения площади отверстий для входа воздуха.

При последовательной схеме включения струйных аппаратов полный перепад давлений (P_c-P_p), где P_c - давление смеси газов и воздуха за соплом 7 в стволе башни 4, получается в результате работы нескольких последовательно установленных друг за другом ступеней /сопел 7-12/, и энергетическая эффективность многоступенчатой струйной установки характеризуется суммарным коэффициентом инжекции U. /см. Е.Я.Соколов "Струйные аппараты", Энергия, М., 1970 г. , стр. 20-22 (4)/. Коэффициент /суммарный/ инжекции опр., например, по следующим формулам:
при двухступенчатой схеме

при трехступенчатой схеме

где U', U'', U''' - коэффициенты инжекции первой, второй и третьей ступени:

G'_н - расход инжектируемой среды в первой ступени; G'_p, G''_p, G'''_p - расходы рабочей /инжектирующей/ среды в первой, второй и третьей ступенях /см. стр. 22/.

Однако в отличие от паровоздушной струйной установки, для которой выведены вышеприведенные формулы, в многоступенчатом струйном аппарате 15 существует только один источник рабочей среды, вытекающей из сопла 12, а в качестве рабочих и инжектирующих сред в первой, второй и т.д. ступенях становятся смеси продуктов сгорания и всасываемого воздуха, поступающего через отверстия в корпусе 15, площадь сечения которых регулируется с помощью заслонок 16.

Во время работы камеры сгорания поток газов из сопла 12 увлекает атмосферный воздух из нижнего отверстия корпуса 15 многоступенчатого струйного аппарата, смешивается с ним с понижением температуры газов, и уже в качестве смеси газов вытекает из сопла 11 в сопло 10 с поступлением дополнительного количества атмосферного воздуха из вышерасположенного отверстия в корпусе 15.

В результате последовательного всасывания атмосферного воздуха и его смешивания - вначале с продуктами сгорания, а выше по корпусу 15 - со смесью газов и воздуха, повышается КПД аппарата, коэффициент инжекции и расход инжектируемой среды с одновременным уменьшением температуры смеси газов и воздуха до заданных значений. В итоге температура смеси газов в башне становится равной t₂≈250-400^oC, что обеспечивает работу многоступенчатой турбины 1 при нормальных условиях, а не в потоке раскаленных газов, и выполнение ее из обычных конструкционных сталей с низкой стоимостью.

Причем КПД многоступенчатого струйного аппарата 15 повышается, за счет снижения потери энергии на удар в каждом двухпоточном эжекторе /например, сопло 12 и корпус 15, сопло 11 и корпус 15 и т.д./, в связи со значительно меньшей разностью скоростей смешивающихся потоков в каждом из них.

Этот вывод подтверждается работой многоструйного эжектора Шведской фирмы "Пиаб", в котором расход воздуха снижен на 90% /4-х ступенчатый эжектор/, по сравнению с одноступенчатым. /см. журнал ИР N 1, 1987 г., стр. 27/.

Многоступенчатая турбина 1 работает в режиме газовой и воздушной турбины одновременно. Она выполняется большого диаметра - от нескольких метров до нескольких десятков метров, в связи с использованием энергии ветра, имеющего невысокую плотность на один квадратный метр /800-1000 Вт/м² для районов Крайнего Севера/. Ветер входит через конфузор 28 и отдает свою кинетическую энергию с помощью направляющих сопловых аппаратов 24, 23 на рабочих лопатках 21, 22 турбины 1.

Кроме того, при отсутствии ветра или его небольшой скорости многоступенчатая турбина работает одновременно и как газовая, за счет работы камеры сгорания 14 и многоступенчатого струйного аппарата 15, из которых смесь продуктов сгорания и атмосферного воздуха с низкой температурой поступает через сопла 30, 31, 32 также на лопатки 21, 22 турбины.

Совместное воздействие на турбину энергии ветра и энергии топлива обеспечивает поддержание номинальной мощности ветрогазотурбинной электростанции при любых погодных условиях на местности.

В зависимости от мощности и расхода газов впуск смеси продуктов сгорания с воздухом на турбину 1 может быть осуществлен через одно, два, три /как на чертеже поз. 30-32/ или более сопл, т.е. при различной степени парциальности ε /см. С.Н. Григорьев "Тепловые двигатели и компрессоры", М., 1959 г. Трансжелдориздат, стр. 244 (5)/, для турбин активного типа.

В целях увеличения мощности многоступенчатой турбины 1 в периоды действия ветра в конце корпуса 2 коаксиально к нему /соосно/ установлено кольцевое сопло 17, которое совместно с наружной поверхностью корпуса образует струйный аппарат или эжектор /см. 4, стр. 86-93/, позволяющий снизить давление воздуха за корпусом 2 и увеличить среднюю скорость воздушного потока от ветра внутри корпуса - в проточной части многоступенчатой турбины 1 и значительно повысить мощность /примерно в 1,52-1,6 раза/ силовой установки. Башня 4 опирается на фундаменты 57.

2-ой вариант. Многокорпусная ветрогазотурбинная электростанция
Принципиальная схема многокорпусной ветрогазотурбинной электростанции /МК ВГТС/ показана на фиг. 6,7.

В этой установке многоступенчатые турбины 1 расположены на поворотных балках 58 симметрично относительно друг друга, которые в свою очередь с помощью цилиндрических опор 59 шарнирно установлены на башне 60 на разных уровнях по ее высоте.

В конструктивном отношении нет принципиальной разности в работе турбин по сравнению с однокорпусной установкой /фиг. 1/, Отличие лишь в том, что корпуса 2 турбин жестко закреплены на поворотных балках 58, а вход газов осуществляется по патрубкам 61, пустотелым балкам 58 и щелевым барабанам 62, установленным в башне 60. Каждый барабан состоит из нескольких направляющих жестких ребер 63 /см. фиг. 7/ и служит в качестве не только направляющего газ аппарата, но и в виде усиливающего звена ствола башни в месте размещения балок 58.

Каждая цилиндрическая опора 59 балок 58 с помощью кронштейнов 46 с роликами 45 опирается на кольцевой брус 44 /как и в первом варианте силовой установки по фиг. 1/ и обеспечивает балкам 58 с многоступенчатыми турбинами 1 свободный поворот вокруг оси башни 60 и установку их "на ветер" с помощью системы автоматики /не показана/. Уплотнение на поверхности башни 60 цилиндрических опор 59 и предотвращение утечки газов осуществляется также с помощью устройств, показанных на фиг. 5, т.е. с помощью лабиринтных уплотнений 48 выполненных в виде вертикальных гребней, размещенных на поверхностях дополнительных колец 49, 50 установленных, в отличие от первого варианта, с 2-х сторон опор 59.

Многоступенчатый эжектор в корпусе 15, как и в первом типе ВГТС, размещен снизу башни 60 и подсоединен к камере сгорания 14 в корпусе 36.

Работает МК ВГТС так же как и однокорпусная установка при совместном использовании энергии топлива и ветра, и отличается от первой существенно более высокой мощностью.

Технико-экономическая часть.

Использование ветрогазотурбинной электростанции новой конструкции обеспечивает:
- масса воздуха, поступающего в камеру, сгорания, обычно в существующих стационарных газотурбинных установках, существенно /примерно в три раза и более - до 9/ превышает требуемую для полного сгорания топлива, благодаря чему в них достигается заданный температурный уровень продуктов сгорания перед газовой турбиной /см. 1, стр. 250 - 275/.

Эта особенность работы известных ГТУ накладывает существенные ограничения на достигаемую мощность и эффективный КПД силовой установки, и дальнейшее повышение характеристик ГТУ на современном уровне развития материаловедения практически невозможно.

В описываемой ВГТС заданный температурный уровень продуктов сгорания перед турбиной достигается за счет многоступенчатого всасывания атмосферного воздуха и смешения его с высокотемпературными продуктами сгорания, вытекающими из сопла 12, и со смесью газов и воздуха в последующих соплах 11-7. В результате значительно - в 8-12 и более раз, по сравнению с объемом продуктов сгорания, увеличивается поток смеси газов и воздуха на турбину с одновременным снижением температуры до 250 - 400^oC на лопатках первой ступени турбины.

Причем сжатый воздух поступает из компрессора в камеру сгорания 14 /пламенную трубу/ в полном объеме его производительности, с одновременным нагревом его от стенок камеры 14 и охлаждением их и полностью участвует в процессе горения топлива, поступающего из форсунки 37.

В итоге мощность турбины 1 повышается, по сравнению с известными ГТУ в три и более раз, и значительно снижается ее стоимость за счет применения сплавов с более низкой жаропрочностью для изготовления турбины.

Кроме того, установка между камерой сгорания 14 и турбиной 1 многоступенчатого струйного аппарата /эжектора/ в корпусе 15 позволяет не только существенно повысить термической и эффективный КПД ВГТС, но и обеспечить значительное уменьшение числа оборотов турбины.

КПД цикла газовой турбины 1 повышается за счет существенного повышения температуры продуктов сгорания, вытекающих из сопла 12, с доведением этой температуры до 2200 - 2700 K, вместо максимум 1370 K для известных ГТУ, что обеспечивает по уравнению

/см. В.В. Сушков "Техническая термодинамика", М. Л., 1960 г. Госэнергоиздат, стр. 99-100 (6)/ повышение термического КПД в 1,4 - 1,5 раза.

Одновременно повышается и эффективный КПД турбины за счет отсутствия потерь энергии на подачу компрессором 41 вторичного воздуха G_вт, причем в несколько раз большего по весу, чем первичного воздуха, идущего на горение, используемого для смешения с продуктами сгорания в целях снижения их температуры до требуемого уровня, а также более высокого термического КПД (η).

Использование на турбине 1 больших масс смеси продуктов сгорания и воздуха обеспечивает изготовление ее большого диаметра, а невысокая скорость этой смеси газов U на лопатках турбины позволяет значительно снизить частоту вращения ее, исходя из уравнения

Эта особенность выполнения турбин 1 большого диаметра также позволяет работать в режиме воздушной турбины и использовать энергию ветра.

- многоступенчатый /многоструйный/ струйный аппарат, размещенный в корпусе 15 /эжектор/, содержит несколько сопел 12-7, каждое из которых является одновременно рабочим соплом и смесительной камерой с выравниванием поля скоростей движущихся потоков газов в стволе 4,60 башни ВГТС.

Как известно принцип действия одноступенчатого эжектора основан на увлечении свободной рабочей струей частиц жидкости или в данном случае газа /воздуха/ из пространства в котором она движется, причем чем больше длина свободной струи, увлекающей инжектируемый газ, и чем больше температура рабочего потока, тем больше коэффициент инжекции. Этим условиям и отвечает многоступенчатый струйный аппарат 15, в котором длина, а следовательно, и площадь наружной поверхности рабочих струй равна сумме длин каждой из струй, вытекающих из сопел 12-7 (см. 4, стр. 48-53, 59-60).

Коэффициент инжекций "и" газоструйного аппарата пропорционален корню квадратному из отношения абсолютных температур рабочего и инжектируемого потоков

растет при повышении температуры рабочего потока и падает при повышении температуры инжектируемого потока.

Причем расход инжектируемого потока пропорционален произведению "и" на расход рабочего потока: G_н="И"•G_p /см. 4, стр. 59-60/.

Таким образом, в многоступенчатом струйном аппарате с несколькими рабочими потоками, вытекающими из ряда сопел 12-7 достигается большая длина и наружная поверхность суммарной свободной струи, увлекающей большое количество инжектируемого воздуха по сравнению с известными - одноступенчатыми, поступающего в аппарат через отверстия в корпусе 15, площадь сечения которых регулируется с помощью заслонок 16.

Одновременно от первого сопла 12 к последнему 7 уменьшается скорость свободной струи ω и соответственно снижается так называемая потеря на удар, связанная со смешением двух соосных потоков с разными начальными скоростями.

В результате коэффициент полезного действия многоступенчатого струйного аппарата, в связи с большим коэффициентом инжекции "и" по сравнению с одноступенчатым и меньшей средней скоростью суммарного рабочего потока существенно превосходит одноступенчатый, примерно в 1,9 раз и более

где e_p, e_н, e_c - удельные эксергии рабочего, инжектируемого и сжатого потоков. /см. 4, стр. 13-14/.

Этот вывод подтверждается на практике работой "Эжекторных турбин", см. О. М. Емин и др. "Воздушные и газовые турбины с одиночными соплами". М.: Машиностроение, 1975 г. , гл. 6 (7) и многоструйного эжектора, выпускаемого Шведской фирмой "Пиаб", см. ИР N 1/87, стр. 27, в котором расход сжатого воздуха снижен на 90% в сравнении с известными одноступенчатыми эжекторами.

Причем КПД многоступенчатого струйного аппарата возрастает пропорционально увеличению температуры и давления продуктов сгорания в камере сгорания 14 и первом сопле 12.

Важной особенностью многоступенчатого эжектора с суживающими соплами 12-7 является возможность срабатывания только части давления продуктов сгорания в каждом из них и достижения небольшой скорости газов по всему тракту движения от сопла 12 к соплу 7, что способствует существенному повышению КПД многоступенчатого струйного аппарата по сравнению с любыми из известных газоструйных компрессоров, эжекторов и инжекторов.

Как известно в них устанавливаются расширяющиеся сопла Лаваля со сверхкритической скоростью движения рабочего потока, практически в неподвижном инжектируемом потоке газов. В результате чего велики потери энергии на удар, а КПД установок не превышает 40-41% /см. 4, стр. 39/;
- охлаждение стенок пламенной /жаровой трубы или камеры сгорания/ трубы влажным воздухом с изменяемой степенью влажности за счет регулирования расхода воды через форсунку, установленную в патрубке 56 /не показана/, позволяет увеличить теплонапряженность камеры сгорания и температуру продуктов сгорания. В результате обеспечивается существенное повышение коэффициента инжекции многоступенчатого струйного аппарата и его КПД, а вместе с ним КПД турбинного агрегата;
- важной особенностью работы ветрогазотурбинной электростанции является метод смесеобразования в камере сгорания. Он заключается в подаче в камеру через форсунку 37 не струй жидкого топлива, а паровых струй с парообразованием его в теплообменнике 39, размещенном в камере 14 и выполненном в виде экрана. Струя из паров топлива находится в одном агрегатном состоянии со сжатым воздухом, в результате обеспечивается качественное смешивание их в камере сгорания /пламенной трубе/ и существенное уменьшение коэффициента избытка воздуха α с приближением его значения до теоретической величины /единицы/. В итоге снижается расход топлива и повышается термический и эффективный КПД ВГТС.

Claims (5)

1. Ветрогазотурбинная электростанция, содержащая компрессор, камеру сгорания с форсункой и с воздухоприемными окнами, корпус, многоступенчатый струйный аппарат, трубчатую башню с наружным слоем теплоизоляции и с установленной на ней силовой установкой в виде ветрогазотурбинного двигателя, имеющего конфузор для подвода воздушного потока, электрогенератор, теплообменники для топлива и воды, систему автоматики и управления, отличающаяся тем, что в патрубке корпуса камеры сгорания дополнительно установлена форсунка для подачи нагретой воды или пара, а силовая установка снабжена многоступенчатой турбиной, выполненной с направляющими сопловыми аппаратами и эжектором, выполненным в виде кольцевого сопла, расположенного коаксиально относительно корпуса, а сам корпус выполнен в виде диффузора и конфузора спереди и снабжен патрубком, шарнирно установленным на стволе трубчатой башни.

2. Электростанция по п.1, отличающаяся тем, что в корпусе силовой установки дополнительно установлены сопла и каналы для подвода к турбине смеси продуктов сгорания с воздухом.

3. Электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что силовая установка снабжена поворотным опорным механизмом.

4. Электростанция по п.1, отличающаяся тем, что электрогенератор снабжен редуктором.

5. Электростанция по п.1, отличающаяся тем, что силовые установки (в виде ветрогазотурбинных двигателей) установлены на многоэтажной трубчатой башне и закреплены на поворотных пустотелых балках для подвода к установкам смеси продуктов сгорания с воздухом.

Images