[go: up one dir, main page]

RU2474708C1 - Gas turbine engine with two combustion chambers - Google Patents

Gas turbine engine with two combustion chambers Download PDF

Info

Publication number
RU2474708C1
RU2474708C1 RU2011133007/06A RU2011133007A RU2474708C1 RU 2474708 C1 RU2474708 C1 RU 2474708C1 RU 2011133007/06 A RU2011133007/06 A RU 2011133007/06A RU 2011133007 A RU2011133007 A RU 2011133007A RU 2474708 C1 RU2474708 C1 RU 2474708C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
gas
air
gas turbine
turbine
outlet
Prior art date
Application number
RU2011133007/06A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Михаил Аркадьевич Верткин
Original Assignee
Михаил Аркадьевич Верткин
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Михаил Аркадьевич Верткин filed Critical Михаил Аркадьевич Верткин
Priority to RU2011133007/06A priority Critical patent/RU2474708C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2474708C1 publication Critical patent/RU2474708C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

FIELD: engines and pumps.
SUBSTANCE: gas turbine engine comprises two high- and low-pressure combustion chambers, and two gas turbines arranged along gas flow, recuperative air heater, compressor, and air turbine. Second turbine at gas inlet is communicated with low-pressure combustion chamber outlet. Recuperative air heater heating gas inlet is communicated with last gas turbine outlet while heating has outlet is communicated with atmosphere. Air turbine is fitted on one shaft with compressor and has its air inlet communicated with compressor outlet via recuperative air heater air channel and its air outlet, with atmosphere. Low-pressure combustion chamber working medium inlet is communicated with recuperative air heater outlet. Second gas turbine has inlet is communicated with first gas turbine gas outlet.
EFFECT: higher efficiency at moderate gas temperatures ahead of second gas turbine and behind last gas turbine.
4 dwg

Description

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для повышения КПД стационарных и судовых газотурбинных двигателей (ГТД).The invention relates to a power system and can be used to increase the efficiency of stationary and marine gas turbine engines (GTE).

Наибольший эффект может быть получен при использовании изобретения на компрессорных станциях и на других удаленных объектах, расположенных в холодных климатических зонах, где эксплуатация парогазовых установок затруднена и где предпочтение отдают тепловым двигателям, использующим в качестве рабочего тела только атмосферный воздух и продукты сгорания газового топлива в воздухе.The greatest effect can be obtained by using the invention at compressor stations and at other remote sites located in cold climatic zones, where the operation of combined-cycle plants is difficult and where preference is given to heat engines using only atmospheric air and gas fuel products in the air as a working medium .

Используемые термины и определения (согласно ГОСТ Р 51852-2001 «Установки газотурбинные. Термины и определения»)Used terms and definitions (according to GOST R 51852-2001 "Gas turbine units. Terms and definitions")

Газотурбинный двигатель, ГТД: машина, предназначенная для преобразования тепловой энергии в механическую. Машина может состоять из одного или нескольких компрессоров, одного или нескольких тепловых устройств, в которых повышается температура рабочего тела, одной или нескольких газовых турбин, вала отбора мощности, системы управления и необходимого вспомогательного оборудования. Теплообменники в основном контуре рабочего тела, в которых реализуются процессы, влияющие на термодинамический цикл, являются частью ГТД.Gas turbine engine, gas turbine engine: a machine designed to convert thermal energy into mechanical energy. A machine may consist of one or more compressors, one or more thermal devices in which the temperature of the working fluid, one or more gas turbines, a power take-off shaft, a control system, and necessary auxiliary equipment increase. Heat exchangers in the main circuit of the working fluid, in which processes affecting the thermodynamic cycle are realized, are part of the gas turbine engine.

Газотурбинная установка, ГТУ: ГТД и все основное оборудование, необходимое для генерирования энергии в полезной форме (электрической, механической и др.)Gas turbine unit, gas turbine engine: gas turbine engine and all the basic equipment needed to generate energy in a useful form (electrical, mechanical, etc.)

Газогенератор: комплекс компонентов ГТД, которые производят горячий газ под давлением для совершения какого-либо процесса или для привода силовой турбины. Газогенератор ГТД состоит из одного или более компрессоров, устройств(а) для повышения температуры рабочего тела, одной или более турбин, приводящих компрессор(ы), системы управления и необходимого вспомогательного оборудования.Gas generator: a set of components of a gas turbine engine that produce hot gas under pressure to carry out a process or to drive a power turbine. A gas turbine engine generator consists of one or more compressors, devices (a) for raising the temperature of the working fluid, one or more turbines that drive the compressor (s), a control system, and the necessary auxiliary equipment.

Камера сгорания (основного [промежуточного] подогрева), КС ГТД: устройство газотурбинного двигателя для основного [промежуточного] подогрева рабочего тела путем окисления (сжигания) органического топлива в свободном кислороде, содержащемся в рабочем теле на входе в камеру сгорания.Combustion chamber (main [intermediate] heating), gas turbine engine: gas turbine engine device for the main [intermediate] heating of the working fluid by oxidation (burning) of organic fuel in free oxygen contained in the working fluid at the entrance to the combustion chamber.

В известных ГТД на вход по нагреваемому рабочему телу КС ГТД основного подогрева (или КС ГТД высокого давления) подают воздух высокого давления, на вход по нагреваемому рабочему телу КС ГТД промежуточного подогрева (или КС ГТД низкого давления) - продукты сгорания КС ГТД основного подогрева после их расширения в газовой турбине (ступени) высокого давления (Арсеньев Л.В. и др. Стационарные газотурбинные установки. - Л., Машиностроение, Ленингр. отделение, 1989, стр.39, рис.127 и др.).In the well-known gas turbine engines, high pressure air is fed to the main heating compressor КС ГДД (or КС ГГД high pressure) at the entrance; high pressure air is supplied to the main heating КС ГДД gas cylinder (or КС ГДД low pressure); the combustion products of the КС ГДД main heating after their expansion in a gas turbine (stage) of high pressure (Arsenyev L.V. et al. Stationary gas turbine units. - L., Mechanical Engineering, Leningrad Branch, 1989, p. 39, Fig. 127 and others).

Промежуточный перегрев рабочего тела в ГТД, наряду с промежуточным охлаждением воздуха в компрессоре (Арсеньев Л.В. и др. Стационарные газотурбинные установки. - Л., Машиностроение, Ленингр. отделение, 1989, стр.35, рис.123) относится к основным способам повышения КПД ГТД с достаточно высокой степенью сжатия. Однако их применение по известной схеме затруднено из-за проблем с обеспечением надлежащей полноты сгорания топлива во второй камере сгорания, возникающих вследствие низкой концентрации кислорода в рабочем теле перед второй камерой. Из числа стационарных серийных ГТД с промперегревом в мировой практике известны только ГТ-100 производства ПО «ЛМЗ», выпускавшийся в семидесятых годах 20 века, и ГТД типа GT24 и GT26, выпускаемые компанией Alstom в настоящее время. В ГТ-100 приемлемый уровень концентрации кислорода в газе перед второй камерой сгорания был обеспечен низким уровнем температуры перед газовой турбиной высокого давления (720°C), в GT24 и GT26 - рядом других факторов: относительно большим расходом воздуха на охлаждение высокотемпературных ступеней газовой турбины, выводимого в проточную часть турбины перед КС низкого давления, а также высокой температурой воздуха за компрессором (перед первой камерой сгорания), достигаемой за счет высокой степени сжатия (равной 30) в основном компрессоре.The intermediate overheating of the working fluid in a gas turbine engine, along with the intermediate cooling of the air in a compressor (L. Arsenyev et al. Stationary gas-turbine units. - L., Mechanical Engineering, Leningrad Branch, 1989, p. 35, Fig. 123) refers to the main ways to increase the efficiency of a gas turbine engine with a fairly high compression ratio. However, their use according to the known scheme is difficult due to problems with ensuring proper completeness of fuel combustion in the second combustion chamber, arising due to the low concentration of oxygen in the working fluid in front of the second chamber. Of the stationary stationary gas turbine engines with industrial superheating, only GT-100 manufactured by LMZ software, which was produced in the seventies of the 20th century, and gas turbine engines of the GT24 and GT26 type, which are currently manufactured by Alstom, are known in the world. In the GT-100, an acceptable level of oxygen concentration in the gas in front of the second combustion chamber was ensured by a low temperature in front of the high-pressure gas turbine (720 ° C), in the GT24 and GT26, a number of other factors: a relatively high air flow rate for cooling the high-temperature stages of the gas turbine, output to the turbine flow section before the low pressure compressor, as well as the high air temperature behind the compressor (in front of the first combustion chamber), achieved due to the high compression ratio (equal to 30) in the main compressor.

Последнее позволяет повысить содержание остаточного кислорода в продуктах сгорания за первой камерой, но, во-первых, исключает применение промежуточного охлаждения воздуха в компрессоре, во-вторых, существенно осложняет систему охлаждения газовой турбины. В GT24 и GT26, в частности, это потребовало проведения охлаждения воздуха, отбираемого за компрессором на охлаждение газовой турбины и, в итоге, не позволило достичь высокого уровня КПД ГТД, который у GT24 и GT26 оказался ниже, чем, например, у ГТД производства компании «General Electric Со» («GE») LM2500, LM6000 и LMS100, не имеющих промперегрева.The latter allows to increase the residual oxygen content in the combustion products behind the first chamber, but, firstly, it eliminates the use of intermediate air cooling in the compressor, and secondly, it significantly complicates the cooling system of a gas turbine. In GT24 and GT26, in particular, this required cooling of the air taken from the compressor for cooling the gas turbine and, as a result, did not allow to achieve a high level of GTE efficiency, which was lower for GT24 and GT26 than, for example, for a gas turbine manufactured by a company “General Electric Co” (“GE”) LM2500, LM6000 and LMS100, without industrial overheating.

Известны также устройства, основанные на утилизации тепла выхлопных газов ГТД путем установки дополнительного воздушного компрессора, рекуперативного воздухоподогревателя и воздушной турбины для выработки воздухом дополнительной полезной мощности по циклу Брайтона (патент US №5,927,065, МПК F02C 6/18, от 16.07.1996 г., опубл. 27.07.1999 г. и др.).Also known are devices based on heat recovery of gas turbine exhaust gases by installing an additional air compressor, a regenerative air heater and an air turbine to generate additional useful power by the Brighton cycle (US patent No. 5,927,065, IPC F02C 6/18, July 16, 1996, publ. 07.27.1999, etc.).

Наиболее близким аналогом (прототипом) является ГТД (патент US №6,050,082, МПК F02C 3/04, F02C 006/18 от 20.01.1998 г., опубл. 18.04.2000 г., fig.1), содержащий две камеры сгорания высокого и низкого давления 30 и 36, две последовательно размещенные по ходу газа газовые турбины 32 и 38, вторая из которых (38) на входе по газу сообщена с выходом камеры сгорания низкого давления 36 по газу, рекуператор (рекуперативный воздухоподогреватель) 28, сообщенный на входе по греющему газу с выходом последней газовой турбины (в данном случае - турбины 38) по газу, на выходе по газу - с атмосферой, а также компрессор 14 и воздушную турбину 12, установленную на одном валу с компрессором 14 и сообщенную на входе по воздуху с выходом компрессора 14 по воздуху через тракт рекуператора 28 по воздуху, на выходе по воздуху - с атмосферой.The closest analogue (prototype) is a gas turbine engine (US patent No. 6.050.082, IPC F02C 3/04, F02C 006/18 from 01.20.1998, publ. 04/18/2000, fig.1), containing two combustion chambers of high and low pressure 30 and 36, two gas turbines 32 and 38 arranged in series along the gas, the second of which (38) is connected to the outlet of the low pressure combustion chamber 36 by gas at the gas inlet, a recuperator (recuperative air heater) 28, communicated at the inlet through heating gas with the outlet of the last gas turbine (in this case, turbine 38) for gas, at the gas outlet with the atmosphere, as well as a compressor 14 and an air turbine 12 mounted on the same shaft with the compressor 14 and communicated at the air inlet with the compressor 14 through the air through the duct of the recuperator 28 through the air and at the air outlet with the atmosphere.

В прототипе камера сгорания низкого давления 36 на входе по рабочему телу сообщена с выходом первой газовой турбины 32 по рабочему телу (по газу), а весь воздух, подаваемый в рекуператор 28, поступает в воздушную турбину 12, совершающую работу по приводу компрессора 14, сообщенного также на выходе по воздуху через воздушный тракт воздухоохладителя 24 с входом по воздуху компрессора высокого давления 26 ГТД.In the prototype, the low-pressure combustion chamber 36 at the inlet through the working fluid is in communication with the output of the first gas turbine 32 through the working fluid (gas), and all the air supplied to the recuperator 28 enters the air turbine 12, which performs the work of driving the compressor 14, communicated also at the air outlet through the air path of the air cooler 24 with the air inlet of the high pressure compressor 26 GTE.

Недостатком данного устройства является его практическая неосуществимость - как вследствие невозможности обеспечить приемлемую полноту сгорания топлива в камере низкого давления по изложенным выше причинам (недостаточно высокая концентрация кислорода в рабочем теле на входе в камеру сгорания низкого давления 36), так и в связи с тем, что привод дополнительного компрессора 14 воздушной турбиной 12 с расходом воздуха примерно вдвое меньшим расхода воздуха через турбину 12 возможен только при чрезмерно высоком уровне температуры воздуха перед воздушной турбиной 12 (по расчетам заявителя - выше 700°C) и, соответственно, при чрезмерно высокой температуре газа за последней турбиной на входе в рекуператор (выше 770°C).The disadvantage of this device is its practical impracticability - both because of the inability to provide acceptable completeness of fuel combustion in the low pressure chamber for the above reasons (insufficiently high oxygen concentration in the working fluid at the inlet to the low pressure combustion chamber 36), and due to the fact that the drive of the additional compressor 14 by an air turbine 12 with an air flow rate approximately half that of the air flow through the turbine 12 is possible only at an excessively high level of air temperature air turbine unit 12 (estimated applicant - above 700 ° C) and, respectively, at an excessively high temperature of the gas turbine after the last entering the recuperator (above 770 ° C).

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является устранение указанных недостатков прототипа в обеспечение возможности применения промежуточного перегрева рабочего тела в ГТД вне зависимости от состава перегреваемого рабочего тела, с утилизацией тепла отработанных газов для генерации дополнительного рабочего тела ГТД и, в итоге, повышение КПД ГТД.The task to be solved by the claimed invention is aimed at eliminating the indicated disadvantages of the prototype in providing the possibility of using an intermediate overheating of the working fluid in a gas turbine engine, regardless of the composition of the superheated working fluid, with heat recovery from the exhaust gases to generate an additional gas turbine engine and, ultimately, an increase in efficiency GTE.

Данная задача решена в заявляемом газотурбинном двигателе с двумя камерами сгорания, содержащем две камеры сгорания высокого и низкого давления и, по крайней мере, две последовательно размещенные по ходу газа газовые турбины, вторая из которых на входе по газу сообщена с выходом камеры сгорания низкого давления по газу, рекуперативный воздухоподогреватель, сообщенный на входе по греющему газу с выходом последней газовой турбины по газу, на выходе по греющему газу - с атмосферой, а также компрессор и воздушную турбину, установленную на одном валу с компрессором и сообщенную на входе по воздуху с выходом компрессора по воздуху через тракт рекуперативного воздухоподогревателя по воздуху, на выходе по воздуху - с атмосферой.This problem is solved in the inventive gas turbine engine with two combustion chambers, containing two combustion chambers of high and low pressure and at least two gas turbines sequentially placed along the gas, the second of which is connected to the output of the low pressure combustion chamber at the gas inlet gas, a regenerative air heater communicated at the inlet for heating gas with the outlet of the last gas turbine for gas, at the outlet for heating gas with the atmosphere, as well as a compressor and an air turbine installed on one ohm shaft with a compressor and communicated at the inlet through the air with the outlet of the compressor through the air through the duct of the recuperative air heater through the air, at the outlet through the air - with the atmosphere.

Согласно изобретению камера сгорания низкого давления на входе по рабочему телу сообщена с выходом рекуперативного воздухоподогревателя по воздуху, а вторая газовая турбина на входе по газу сообщена также с выходом первой газовой турбины по газу.According to the invention, the low-pressure combustion chamber at the inlet through the working fluid is in communication with the outlet of the regenerative air heater through the air, and the second gas turbine at the gas inlet is also connected with the outlet of the first gas turbine in gas.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение концентрации кислорода в рабочем теле на входе в камеру сгорания низкого давления и снижение минимально необходимой величины температуры воздуха перед воздушной турбиной до приемлемого уровня на всех режимах работы ГТД.The technical result of the claimed invention is to increase the oxygen concentration in the working fluid at the entrance to the low pressure combustion chamber and reduce the minimum required air temperature in front of the air turbine to an acceptable level in all gas turbine operation modes.

Сущность изобретения поясняется схематическими чертежами, на которых изображено:The invention is illustrated by schematic drawings, which depict:

на фиг.1, фиг.2 и фиг.3 - ГТД с двумя камерами сгорания. Варианты с ГТД в трех-, двух- и одновальном исполнении без промежуточного охлаждения воздуха в компрессорах;figure 1, figure 2 and figure 3 - GTE with two combustion chambers. Options with gas turbine engines in three-, two- and single-shaft versions without intermediate air cooling in compressors;

на фиг.4 - ГТД с двумя камерами сгорания. Вариант с ГТД в трехвальном исполнении с промежуточным охлаждением воздуха в компрессорах.figure 4 - gas turbine engine with two combustion chambers. Option with gas turbine engine in three-shaft version with intermediate air cooling in compressors.

Представленный на фиг.1 ГТД с двумя камерами сгорания содержит две камеры сгорания (КС) высокого и низкого давления 1 и 2, две последовательно размещенные по ходу газа газовые турбины 3 и 4, вторая из которых (турбина 4) на входе по газу сообщена с выходом КС низкого давления 2 по газу, рекуперативный воздухоподогреватель 5, сообщенный на входе по греющему газу с выходом последней газовой турбины по газу (в данном примере - турбины 4), на выходе по греющему газу - с атмосферой, а также компрессор 6 и воздушную турбину 7, установленную на одном валу с компрессором 6 и сообщенную на входе по воздуху с выходом компрессора 6 по воздуху через воздушный тракт рекуперативного воздухоподогревателя 5, на выходе по воздуху - с атмосферой.Presented in figure 1, a gas turbine engine with two combustion chambers contains two high and low pressure combustion chambers (KS) 1 and 2, two gas turbines 3 and 4 sequentially placed along the gas, the second of which (turbine 4) is in communication with the gas inlet the output of the low pressure CS 2 for gas, the recuperative air heater 5 communicated at the inlet for heating gas with the outlet of the last gas turbine for gas (in this example, turbines 4), at the outlet for heating gas with atmosphere, as well as compressor 6 and the air turbine 7 mounted on the same shaft as compressors 6 and messages over the air inlet of the compressor 6 in a yield of over the air via the regenerative air heater air path 5, the output of the air - the atmosphere.

Согласно изобретению КС низкого давления 2 на входе по рабочему телу сообщена с выходом рекуперативного воздухоподогревателя 5 по воздуху, а вторая газовая турбина 4 на входе по газу сообщена также с выходом первой газовой турбины по газу 3.According to the invention, the low-pressure CS 2 at the inlet through the working fluid is connected with the outlet of the regenerative air heater 5 through the air, and the second gas turbine 4 at the gas inlet is also connected with the outlet of the first gas turbine through gas 3.

Помимо указанных ограничительных и отличительных признаков ГТД в данном примере содержит основной компрессор 8, установленный на одном валу с турбиной 3, а турбина 4 является силовой (т.е. установлена на одном отдельном валу с потребителем мощности - электрогенератором 9). Таким образом, в приведенном на фиг.1 варианте ГТД выполнен состоящим из силовой турбины 4, основного газогенератора - в составе основного компрессора 8, КС высокого давления 1 и турбины 3, и утилизационного газогенератора, состоящего из компрессора 6, рекуперативного воздухоподогревателя (рекуператора) 5, воздушной турбины 7 и КС низкого давления 2 и обеспечивающего сжатие и подогрев воздуха перед КС низкого давления 2 за счет утилизации теплоты отработанных газов за турбиной 4.In addition to the indicated restrictive and distinctive features, a gas turbine engine in this example contains a main compressor 8 mounted on the same shaft as turbine 3, and turbine 4 is power (i.e. installed on one separate shaft with a power consumer - electric generator 9). Thus, in the embodiment shown in Fig. 1, a gas turbine engine is made up of a power turbine 4, a main gas generator as a part of the main compressor 8, a high pressure compressor 1 and a turbine 3, and a recovery gas generator consisting of a compressor 6, a regenerative air heater (recuperator) 5 , an air turbine 7 and a low pressure compressor 2 and providing compression and heating of air in front of a low pressure compressor 2 due to the utilization of the heat of exhaust gases behind the turbine 4.

ГТД работает следующим образом.GTE works as follows.

Сжатый в основном компрессоре 8 воздух подают в камеру сгорания высокого давления 1. Продуты сгорания из камеры сгорания 1 поступают на вход первой газовой турбины 2 по газу, где, расширяясь, совершают работу по приводу основного компрессора 8, при этом давление газа за первой газовой турбиной 2 (перед второй газовой турбиной 3) составляет порядка 3.0…7.0 бар (в зависимости от начальной температуры газа перед первой газовой турбиной 2, степени сжатия в основном компрессоре 8 и наличия промежуточного охлаждения в основном компрессоре 8). Сжатый в компрессоре 6 утилизационного газогенератора воздух подают в рекуператор 5 в количестве, соответствующем примерному равенству тепловых эквивалентов (произведений расхода на среднюю теплоемкость) со стороны греющего газа и воздуха в рекуператоре 5. Далее, нагретый воздух подают на входы по воздуху КС низкого давления 2 и воздушной турбины 7.Compressed air in the main compressor 8 is supplied to the high-pressure combustion chamber 1. The combustion products from the combustion chamber 1 are supplied to the inlet of the first gas turbine 2 by gas, where, expanding, they work to drive the main compressor 8, while the gas pressure behind the first gas turbine 2 (in front of the second gas turbine 3) is about 3.0 ... 7.0 bar (depending on the initial gas temperature in front of the first gas turbine 2, the compression ratio in the main compressor 8 and the presence of intermediate cooling in the main compressor 8). The air compressed in the compressor 6 of the recovery gas generator is supplied to the recuperator 5 in an amount corresponding to the approximate equality of thermal equivalents (products of consumption by average heat capacity) from the side of the heating gas and air in the recuperator 5. Further, the heated air is supplied to the air inlets of the low pressure compressor 2 and air turbine 7.

Воздух в воздушную турбину 7 поступает в количестве, необходимом и достаточном для привода компрессора 6. Избыточный воздух поступает в КС низкого давления 2. Высокотемпературные продукты сгорания из КС низкого давления 2 подают на смешение с газами за турбиной 3, осуществляя таким образом промежуточной подогрев газов перед силовой турбиной 4. Далее, газы, расширяясь в силовой турбине 4 до примерно атмосферного давления, совершают полезную работу по приводу электрогенератора 9. Отработанные в турбине 4 газы поступают на вход рекуператора 5 по газам, где отдают свое тепло, расходуемое на нагрев воздуха, и далее, отводятся в атмосферу.The air enters the air turbine 7 in an amount necessary and sufficient to drive the compressor 6. Excess air enters the low pressure compressor station 2. High-temperature combustion products from the low pressure compressor station 2 are mixed with the gases behind the turbine 3, thereby providing intermediate heating of the gases before power turbine 4. Further, the gases, expanding in the power turbine 4 to approximately atmospheric pressure, perform useful work to drive the electric generator 9. The exhaust gases in the turbine 4 are fed to the input of the heat exchanger 5 gases, where they give their heat, spent on heating the air, and then are discharged into the atmosphere.

Подача воздуха на вход по рабочему телу КС низкого давления 2 позволяет обеспечить сжигание топлива в этой КС с надлежащей полнотой сгорания независимо от содержания свободного кислорода в газе за турбиной 3. Подогрев воздуха в рекуператоре 5 перед КС низкого давления 2 позволяет снизить расход топлива в КС 2, а параллельное соединение выхода рекуператора 5 по воздуху с входами по воздуху воздушной турбины 7 и КС 2 снимает какие-либо ограничения по минимально допустимой температуре воздуха перед воздушной турбиной 7, характерные для прототипа, поскольку уровень температуры воздуха перед воздушной турбиной 7 влияет только на количество воздуха, поступающего в КС низкого давления 2.The air supply to the inlet through the working fluid of the low pressure compressor station 2 allows for the combustion of fuel in this compressor station with the proper completeness of combustion, regardless of the free oxygen content in the gas behind the turbine 3. Air heating in the recuperator 5 before the low pressure compressor station 2 allows to reduce fuel consumption in the compressor station 2 and the parallel connection of the outlet of the recuperator 5 by air with the air inlets of the air turbine 7 and KS 2 removes any restrictions on the minimum allowable air temperature in front of the air turbine 7, typical for the prototype and, since the level of air temperature in front of the air turbine 7 affects only the amount of air entering the low pressure compressor 2.

Эффективность применения изобретения в приведенном на фиг.1 варианте проиллюстрирована приведенными ниже тепловыми расчетами на примере надстройки утилизационным газогенератором серийного ГТД компании «GE» PGT2500+G4. В расчетах пропускная способность силовой турбины PGT2500+G4 (газовой турбины 4), равная величине

Figure 00000001
(где G - расход газа в турбину, Т и Р - температура и давление газа перед турбиной 4), предполагается увеличенной по условию сохранения давления Р (при увеличении G и Т) неизменным.The effectiveness of the application of the invention in the embodiment of FIG. 1 is illustrated by the following thermal calculations using an example of an add-in by a gas turbine engine gas turbine recovery company GET PGT2500 + G4. In the calculations, the throughput of the power turbine PGT2500 + G4 (gas turbine 4), equal to
Figure 00000001
(where G is the gas flow rate to the turbine, T and P are the temperature and pressure of the gas in front of the turbine 4), it is assumed to be increased by the condition that the pressure P remains (with increasing G and T) unchanged.

ПАРАМЕТРЫ PGT2500+G4 С УТИЛИЗАЦИОННОЙ НАДСТРОЙКОЙPARAMETERS PGT2500 + G4 WITH RECYCLING ADJUSTMENT

Показатели исходного и надстроенного ГТДIndicators of the initial and superstructure GTE

Мощность исходного ГТД (ISO), кВтThe power of the original gas turbine engine (ISO), kW 33057.033057.0 КПД исходного ГТДEfficiency of the original gas turbine engine 0.400000.40000 Расход газов из газогенератора, кг/сGas flow from the gas generator, kg / s 89.60089.600 Давление перед СТ, МПаPressure before ST, MPa 0.472140.47214 Температура перед СТ, °CTemperature before CT, ° C 821.5821.5 Давление за исходной ГТ, МПаPressure behind the initial GT, MPa 0.101320.10132 Температура за исходной ГТ, °CThe temperature behind the initial GT, ° C 510.0510.0 Теплопотери осн. газоген-ра (мех. и др.), кВтHeat losses gas generator (mechanical and other), kW 668.8668.8 Расход тепла в рекуператор (РВП), кВтHeat consumption in the recuperator (RVP), kW 49353.849353.8 в т.ч. тепловосприятие РВП, кВтincluding thermal reception of RVP, kW 49107.149107.1 и теплопотери из РВП, кВтand heat loss from RVP, kW 246.8246.8 Затраты мощн. ВТ на привод осн. компр-ра, кВтCosts are powerful. VT on the drive compressor, kW .0.0 Расход топлива в основную КС, кг/сFuel consumption in the main compressor, kg / s 1.652851.65285 Расход топлива в КС низкого давления, кг/сFuel consumption in low pressure CS, kg / s 0.6051380.605138 Суммарный расход топлива в ГТД, кг/сTotal fuel consumption in gas turbine engine, kg / s 2.2579882.257988 при уд. теплотворн. способн. топлива, кДж/кгat beats calorific. capable fuel, kJ / kg 50000.050000.0 Мощность надстроенного ГТД, кВтPower of the built-in gas turbine engine, kW 52465.052465.0 КПД надстроенного ГТДEfficiency of the built-in gas turbine engine 0.464710.46471

Параметры рабочих телWork fluid parameters

Температура воздуха перед компр-ром ГТД, °CAir temperature before compressor GTE, ° C 15.015.0 Относительная влажность воздухаRelative humidity .600.600 Расход газов на выхлопе ГТ, кг/сGas consumption at the exhaust GT, kg / s 135.464135.464 Коэффициент избытка воздуха за ГТДThe coefficient of excess air for gas turbine engine 3.40853.4085 Объемн. сост. сух. фазы газа за РВП,%: N2 Vol. comp. dry gas phases behind RVP,%: N 2 81.51081.510 O2 O 2 15.31015.310 CO2 CO 2 3.1803.180 Объемное содерж-е Н2O в ух. газах за РВП, %Volumetric content of H 2 O in the ear. gases for RVP,% 6.8986.898 Температура точки росы за РВП, °CDew point temperature behind RVP, ° C 39.039.0 Расход тепла в рекуператор (РВП), кВтHeat consumption in the recuperator (RVP), kW 49353.849353.8 в т.ч. тепловосприятие РВП, кВтincluding thermal reception of RVP, kW 49107.149107.1 и теплопотери из РВП, кВтand heat loss from RVP, kW 246.8246.8

Таблица 1Table 1 Параметры газа в воздушном тракте утилизационной надстройки и в газовом тракте ГТД за камерой сгорания низкого давления и газогенераторомGas parameters in the air path of the disposal superstructure and in the gas path of the gas turbine engine behind the low-pressure combustion chamber and gas generator Наим. уч-каNaim. study Относ. изм-е давл-яRelation change pressure Давл-е на вых., МПаPressure on ex., MPa Расход через уч., кг/сFlow rate, kg / s Мас. доля добавл. вод/параMas. share added water / steam Темпер-ра наTemper ra Энтальпия наEnthalpy on КПД участкаSite efficiency Мощность участка, кВтPower plot, kW входе, °Cinlet, ° C выходе, °Coutput, ° C входе, кДж/кгinlet, kJ / kg выходе, кДж/кгoutput, kJ / kg КВОУKVOU .983.983 .0996.0996 141.92141.92 .00631.00631 15.015.0 15.015.0 30.930.9 30.930.9 .0000.0000 .0.0 компcomp 4.4134.413 .4396.4396 141.92141.92 .00631.00631 15.015.0 183.5183.5 30.930.9 202.2202.2 .9000.9000 24308.824308.8 РВПВRVPV .980.980 .4485.4485 141.92141.92 .00631.00631 183.5183.5 509.1509.1 202.2202.2 548.2548.2 .0000.0000 .0.0 ВТVT 4.2944.294 .1045.1045 96.6696.66 .00631.00631 509.1509.1 273.5273.5 548.2548.2 295.5295.5 .9200.9200 24430.924430.9 КС2KC2 .950.950 .4721.4721 45.8645.86 .03600.03600 509.1509.1 1052.71052.7 548.2548.2 1289.11289.1 .0000.0000 .0.0 смешridiculous .990.990 .4674.4674 135.46135.46 .04381.04381 821.5821.5 899.9899.9 1045.41045.4 1127.91127.9 .0000.0000 .0.0 СТST 4.3834.383 .1067.1067 135.46135.46 .04381.04381 899.9899.9 569.1569.1 1127.91127.9 730.7730.7 .9300.9300 53804.753804.7 РВПГRPVG .950.950 .1013.1013 135.46135.46 .04381.04381 569.1569.1 243.5243.5 730.7730.7 366.4366.4 .0000.0000 .0.0

Обозначения участков газовоздушного тракта утилизационной турбовоздушной надстройки и в ГТД за основным газогенератором:The designations of the sections of the gas-air duct of a turbo-air superstructure and in the gas turbine engine behind the main gas generator:

КВОУ - комплексное воздухоочистительное устройство;KVOU - integrated air cleaning device;

комп - компрессор утилизационной надстройки;comp - compressor utilization superstructure;

РВПВ - воздушный тракт рекуперативного воздухоподогревателя;RVPV - air duct recuperative air heater;

ВТ - воздушная турбина;VT - air turbine;

смеш - участок смешения газа за основным и за утилизационным газогенератором перед силовой турбиной;mix - gas mixing section behind the main and behind the utilization gas generator in front of the power turbine;

СТ - силовая турбина;ST - power turbine;

РВПГ - газовый тракт рекуперативного воздухоподогревателя.RVPG - gas path recuperative air heater.

Из приведенных расчетов следует, что даже без применения промежуточного охлаждения воздуха в компрессорах и с промежуточным перегревом газа до температуры не выше 900°C заявляемое изобретение позволяет достичь КПД более 46,4% в нормальных условиях, что выше известного максимального значения для известных серийных ГТД, использующих в качестве рабочих тел только воздух и продукты сгорания органического топлива в воздухе.From the above calculations it follows that even without the use of intermediate air cooling in compressors and with intermediate gas overheating to a temperature not exceeding 900 ° C, the claimed invention allows to achieve an efficiency of more than 46.4% under normal conditions, which is higher than the known maximum value for known serial gas-turbine engines, using only air and combustion products of organic fuel in air as working bodies.

Представленный на фиг.1 пример, приведенный для иллюстрации принципа действия заявляемого изобретения, не исчерпывает всех возможных вариантов его реализации. Формула заявляемого изобретения ни в ограничительной, ни в отличительной части не накладывает никаких ограничений ни на кинематическую схему ГТД (на число валов и установку компрессоров и турбин на валах), ни на общее чисто компрессоров и турбин (число которых может быть более двух), ни на исполнение компрессоров ГТД.Presented in figure 1, the example shown to illustrate the principle of operation of the claimed invention does not exhaust all possible options for its implementation. The formula of the claimed invention neither in the limiting nor in the distinctive part imposes any restrictions either on the kinematic scheme of the gas turbine engine (on the number of shafts and the installation of compressors and turbines on the shafts), nor on the total of pure compressors and turbines (the number of which can be more than two), nor for the execution of gas turbine compressors.

В частности, компрессор 6 может быть установлен на одном валу с основным компрессором 8 (фиг.2), что позволяет произвести надстройку серийного двухвального ГТД без реконструкции второй газовой турбины 4, связанной с увеличением ее пропускной способности. В этом случае мощность воздушной турбины будет расходоваться не только на привод компрессора 6, но и на компенсацию снижения мощности газовой турбины 3, связанной с увеличением давления за ней вследствие увеличения расхода и температуры газов перед второй турбиной 4. Соответственно, подача воздуха в КС низкого давления 2 снизится, но зато увеличится степень расширения и теплоперепад, срабатываемый в этой турбине.In particular, the compressor 6 can be installed on the same shaft with the main compressor 8 (figure 2), which allows you to add a serial twin-shaft gas turbine without reconstruction of the second gas turbine 4, associated with an increase in its throughput. In this case, the power of the air turbine will be spent not only on the drive of the compressor 6, but also to compensate for the decrease in power of the gas turbine 3, associated with an increase in pressure behind it due to an increase in the flow rate and temperature of the gases in front of the second turbine 4. Accordingly, the air supply to the low-pressure compressor 2 will decrease, but the degree of expansion and heat drop triggered in this turbine will increase.

Кроме того, ГТД может быть выполнен одновальным (фиг.3), либо, наоборот, трехвальным, с двухвальным (двухкаскадным) основным газогенератором, при этом основной компрессор 8 и компрессор 6 могут быть выполнены с промежуточными воздухоохладителями 10 (фиг.4). По оценке заявителя, надстройка вышеупомянутого трехвального ГТД с промежуточным охлаждением воздуха в компрессоре типа LMS100 компании «GE» по варианту, схематически изображенному на фиг.4, позволит достичь КПД выше 51% в нормальных условиях.In addition, the gas turbine engine can be performed single-shaft (figure 3), or, conversely, three-shaft, with a two-shaft (two-stage) main gas generator, while the main compressor 8 and compressor 6 can be performed with intermediate air coolers 10 (figure 4). According to the applicant, an add-on of the aforementioned three-shaft gas turbine engine with intermediate air cooling in a GE type LMS100 compressor according to the variant schematically shown in Fig. 4 will allow achieving an efficiency above 51% under normal conditions.

Наконец, компрессор 6 может быть выполненным совмещенным с основным компрессором низкого давления, как в прототипе, и т.д.Finally, the compressor 6 may be made combined with the main compressor of low pressure, as in the prototype, etc.

Claims (1)

Газотурбинный двигатель с двумя камерами сгорания, содержащий две камеры сгорания высокого и низкого давления и, по крайней мере, две последовательно размещенные по ходу газа газовые турбины, вторая из которых на входе по газу сообщена с выходом камеры сгорания низкого давления по газу, рекуперативный воздухоподогреватель, сообщенный на входе по греющему газу с выходом последней газовой турбины по газу, на выходе по греющему газу - с атмосферой, а также компрессор и воздушную турбину, установленную на одном валу с этим компрессором и сообщенную на входе по воздуху с выходом компрессора по воздуху через тракт рекуперативного воздухоподогревателя по воздуху, на выходе по воздуху - с атмосферой, отличающийся тем, что камера сгорания низкого давления на входе по рабочему телу сообщена с выходом рекуперативного воздухоподогревателя по воздуху, а вторая газовая турбина на входе по газу сообщена также с выходом первой газовой турбины по газу. A gas turbine engine with two combustion chambers, comprising two high and low pressure combustion chambers and at least two gas turbines sequentially arranged along the gas, the second of which is connected to the low pressure gas combustion chamber outlet at the gas inlet, a regenerative air heater, communicated at the inlet for heating gas with the outlet of the last gas turbine for gas, at the outlet for heating gas with the atmosphere, as well as a compressor and an air turbine mounted on the same shaft with this compressor and at the air inlet with the compressor outlet through the air through the duct of the regenerative air heater through the air, at the air outlet with the atmosphere, characterized in that the low-pressure combustion chamber at the inlet through the working fluid is in communication with the outlet of the regenerative air heater through the air, and the second gas turbine at the gas inlet is also communicated with the exit of the first gas turbine in gas.
RU2011133007/06A 2011-07-29 2011-07-29 Gas turbine engine with two combustion chambers RU2474708C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011133007/06A RU2474708C1 (en) 2011-07-29 2011-07-29 Gas turbine engine with two combustion chambers

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011133007/06A RU2474708C1 (en) 2011-07-29 2011-07-29 Gas turbine engine with two combustion chambers

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2474708C1 true RU2474708C1 (en) 2013-02-10

Family

ID=49120475

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011133007/06A RU2474708C1 (en) 2011-07-29 2011-07-29 Gas turbine engine with two combustion chambers

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2474708C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2626038C1 (en) * 2016-10-11 2017-07-21 ОАО "Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И.И. Ползунова" (ОАО "НПО ЦКТИ") Drive gas-turbine plant of gas compressor unit with utilisation turbine plant for independent power supply
RU180073U1 (en) * 2017-12-08 2018-06-01 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" (КНИТУ-КАИ) GAS-TURBINE ENGINE WITH TWO COMBUSTION CHAMBERS

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US605082A (en) * 1898-06-07 Salt-making apparatus
US2814181A (en) * 1952-11-18 1957-11-26 Air Precheater Corp Regenerative heat exchangers for paired gas turbines
GB2180053A (en) * 1985-08-20 1987-03-18 Howden James & Co Ltd Inert gas production by gas turbine
US4751814A (en) * 1985-06-21 1988-06-21 General Electric Company Air cycle thermodynamic conversion system
RU2044145C1 (en) * 1992-12-23 1995-09-20 Лев Кузьмич Хохлов Gas-turbine plant
RU2094636C1 (en) * 1993-02-24 1997-10-27 Виктор Исаакович Особов Gas-turbine plant and its operating process (options)

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US605082A (en) * 1898-06-07 Salt-making apparatus
US2814181A (en) * 1952-11-18 1957-11-26 Air Precheater Corp Regenerative heat exchangers for paired gas turbines
US4751814A (en) * 1985-06-21 1988-06-21 General Electric Company Air cycle thermodynamic conversion system
GB2180053A (en) * 1985-08-20 1987-03-18 Howden James & Co Ltd Inert gas production by gas turbine
RU2044145C1 (en) * 1992-12-23 1995-09-20 Лев Кузьмич Хохлов Gas-turbine plant
RU2094636C1 (en) * 1993-02-24 1997-10-27 Виктор Исаакович Особов Gas-turbine plant and its operating process (options)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2626038C1 (en) * 2016-10-11 2017-07-21 ОАО "Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И.И. Ползунова" (ОАО "НПО ЦКТИ") Drive gas-turbine plant of gas compressor unit with utilisation turbine plant for independent power supply
RU180073U1 (en) * 2017-12-08 2018-06-01 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" (КНИТУ-КАИ) GAS-TURBINE ENGINE WITH TWO COMBUSTION CHAMBERS

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109681329B (en) Gas turbine energy supplement system and heating system
KR100598447B1 (en) Compressed air steam generator for use in cooling combustion turbine transitions
RU2015120738A (en) SYSTEM AND METHOD FOR COMPRESSING AN OXIDATOR IN A GAS TURBINE SYSTEM BASED ON STEECHIOMETRIC EXHAUST GAS RECIRCULATION
CN101598066A (en) The turbine system that has exhaust gas recirculatioon and heat again
JP2009185809A (en) Method and system for reforming combined-cycle working fluid and promoting its combustion
US20110016870A1 (en) Method and apparatus for improved gas turbine efficiency and augmented power output
RU2474708C1 (en) Gas turbine engine with two combustion chambers
US9074491B2 (en) Steam cycle system with thermoelectric generator
RU2409746C2 (en) Steam-gas plant with steam turbine drive of compressor and regenerative gas turbine
RU95105594A (en) Method of operation of gas turbine
US20130061600A1 (en) Method of controlling temperature of gas turbine components using a compressed moisurized coolant
RU2561770C2 (en) Operating method of combined-cycle plant
RU2377428C1 (en) Combined gas turbine plant (versions)
RU2190104C1 (en) Power installation
RU2439446C1 (en) Fluid medium heater
RU2528214C2 (en) Gas turbine co-generation power plant
RU2599082C1 (en) Gas turbine expander power plant of compressor station of main gas line
RU2747704C1 (en) Cogeneration gas turbine power plant
RU2476690C2 (en) Method of combined cycle plant operation
RU2008147392A (en) METHOD FOR OPERATING A POWER UNIT WITH A GAS TURBINE UNIT
RU121863U1 (en) STEAM GAS INSTALLATION
RU2473817C1 (en) Steam and gas plant with combustion chambers of two pressures
RU2466285C2 (en) Steam generating plant
RU51112U1 (en) HEAT GAS TURBINE INSTALLATION
RU2460891C1 (en) Combined gas turbine compressor unit

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20160730