close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент РФ 2334886

код для вставки
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
(19)
RU
(11)
2 334 886
(13)
C1
(51) МПК
F02C 7/08
(2006.01)
ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА
ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ,
ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ
(12)
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ
На основании пункта 1 статьи 1366 части четвертой Гражданского кодекса Российской Федерации патентообладатель
об зуетс заключить договор об отчуждении патента на услови х, соответствующих установившейс практике, с любым
гражданином Российской Федерации или российским юридическим лицом, кто первым изъ вил такое желание и уведомил об
этом патентообладател и федеральный орган исполнительной власти по интеллектуальной собственности.
(21), (22) За вка: 2007110588/06, 22.03.2007
(24) Дата начала отсчета срока действи патента:
22.03.2007
(73) Патентообладатель(и):
Болотин Николай Борисович (RU)
R U
(72) Автор(ы):
Болотин Николай Борисович (RU)
(45) Опубликовано: 27.09.2008 Бюл. № 27
2 3 3 4 8 8 6
(56) Список документов, цитированных в отчете о
поиске: US 4147024 А, 03.04.1979. ЕР 0173774
А1, 12.03.1986. DE 2712136 A1, 28.09.1978. RU
1045686 C, 15.09.1994. SU 422296 A,
27.11.2005. SU 1464598 A1, 10.04.2001.
РЕГЕНЕРАЦИЕЙ ТЕПЛА
(57) Реферат:
Комбинированна силова установка с
охлаждаемой турбиной и регенерацией тепла
содержит
два
контура
и
установленные
последовательно входное устройство двигател ,
вентил тор, компрессор, камеру сгорани , турбины
высокого и низкого давлени , соединенные
механически с вентил тором и компрессором
соответственно
теплообменник
и
силовой
двигатель,
соединенный
с
нагрузкой.
Теплообменник выполнен кольцевым и установлен
во втором контуре. Выход по газовой полости
теплообменника
осуществлен
в
выхлопное
устройство продуктов сгорани , расположенное
около входного устройства двигател . Внутри
выхлопного устройства продуктов сгорани установлен
теплообменник-газификатор
и
теплообменник системы охлаждени турбины.
Теплообменник-газификатор
соединен
по
топливной линии с одной стороны с насосом
сжиженного природного газа, а с другой - с
форсунками камеры сгорани . Силовой двигатель
выполнен
в
виде
двигател Стирлинга.
Изобретение направлено на увеличение КПД,
улучшение экологических свойств и повышение
надежности двигател . 4 з.п. ф-лы, 9 ил.
R U
2 3 3 4 8 8 6
(54) КОМБИНИРОВАННАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА С ОХЛАЖДАЕМОЙ ТУРБИНОЙ И
Страница: 1
RU
C 1
C 1
Адрес дл переписки:
443112, г.Самара, ул. Крайн , 18-17, Н.Б.
Болотину
C 1
C 1
2 3 3 4 8 8 6
2 3 3 4 8 8 6
R U
R U
Страница: 2
RUSSIAN FEDERATION
RU
(19)
(11)
2 334 886
(13)
C1
(51) Int. Cl.
F02C 7/08
(2006.01)
FEDERAL SERVICE
FOR INTELLECTUAL PROPERTY,
PATENTS AND TRADEMARKS
(12)
ABSTRACT OF INVENTION
According to Art. 1366, par. 1 of the Part IY of the Civil Code of the Russian Federation, the patent holder shall be
committed to conclude a contract on alienation of the patent under the terms, corresponding to common practice, with any
citizen of the R ussian Federation or Russian legal entity who first declared such a willingness and notified this to the
patent holder and the Federal Executive Authority for Intellectual Property.
(21), (22) Application: 2007110588/06, 22.03.2007
(24) Effective date for property rights: 22.03.2007
(73) Proprietor(s):
Bolotin Nikolaj Borisovich (RU)
(45) Date of publication: 27.09.2008 Bull. 27
2 3 3 4 8 8 6
power engine represents the Stirling engine.
EFFECT: gas turbine higher efficiency and
reliability and improved ecological characteristics.
5 cl, 9 dwg
R U
(57) Abstract:
FIELD: engines and pumps.
SUBSTANCE: combined heat-recovery cooled gas
turbine power plant incorporates two stages, a
consecutively mounted engine, fan, compressor,
combustion chamber, low- and high-pressure
turbines linked to the fan and compressor, heat
exchanger and a free air turbine. The circular
heat exchanger is arranged in the second stage.
The heat exchanger gas space communicates with
the gas exhauster arranged nearby the engine
intake device. The said exhauster houses a heat
exchanger-gasifier communicating, on one side,
via the fuel line with the liquefied natural gas
pump and, on the other side, with the combustion
chamber nozzles. The free air turbine is also
arranged in the gas turbine second stage. The
Страница: 3
EN
C 1
C 1
(54) COMBINED HEAT-RECOVERY COOLED GAS TURBINE POWER PLANT
2 3 3 4 8 8 6
Mail address:
443112, g.Samara, ul. Krajnjaja, 18-17, N.B.
Bolotinu
R U
(72) Inventor(s):
Bolotin Nikolaj Borisovich (RU)
RU 2 334 886 C1
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Изобретение относитс к двигателестроению, в том числе к авиационным и
стационарным двигател м ГТД, работающим на сжиженном природном газе - СПГ.
Известна силова установка по патенту РФ №2189477, котора содержит газотурбинный
двигатель - ГТД, газовый тракт, соедин ющий этот газотурбинный двигатель со свободной
турбиной и нагрузку в виде электрогенератора, вал которого подсоединен к валу
свободной турбины через муфту.
Недостатком этой силовой установки вл етс то, что она имеет низкий КПД около 20%,
что почти в 2 раза меньше, чем у современных дизельных установок.
Известна силова установка газотурбовоза по патенту РФ №2272916, котора содержит
газотурбинный двигатель с турбиной и свободную турбину, за которой установлен
регенеративный теплообменник, выход из которого соединен с газотурбинным двигателем,
конкретно- с системой охлаждени турбины.
Недостатком этого двигател вл етс низкий КПД силовой установки.
Известен газотурбинный двигатель по патенту РФ №2252316 (прототип), который
содержит турбокомпрессор, состо щий из компрессора, камеры сгорани и турбины, и не
менее двух электрических машин (электрогенератора и электродвигател , встроенных в
турбокомпрессор). Система посто нных магнитов установлена на внутренней поверхности
ротора турбокомпрессора, а статор электрической машины установлен на корпусе
подшипниковой опоры, т.е. на малом диаметре.
Недостатки этого двигател : очень маленька мощность электрических машин,
св занна с тем, что они размещены на малом диаметре и имеют по одной ступени. Кроме
того, возникают проблемы с охлаждение обмоток статора, размещенных внутри двигател .
Эта конструкци применима дл использовани электрической машины в качестве
стартера или в качестве вспомогательного электрогенератора дл питани агрегатов
газотурбинного двигател и самолета.
Известен газотурбинный двигатель с регенерацией тепла по патенту РФ №2192551,
который содержит компрессор, камеру сгорани , турбины высокого давлени , турбину
низкого давлени , теплообменник и две свободные турбины, газовую и воздушную,
установленные на общем валу с нагрузкой.
Предложенна схема двигател имеет низкий КПД и надежность. Кроме того, она
сложна по конструкции, т.к. имеет четыре неунифицированные турбины: высокого
давлени , низкого давлени , свободную газовую турбину и свободную воздушную турбину.
Установка обеих свободных турбин на одном валу приводит к несогласованности их работы
в широком диапазоне режимов работы, т.к. если турбины спроектировать на один из
режимов работы, расчетный режим, то при отклонении от этого режима турбины будут
вращатьс с одинаковыми угловыми скорост ми, но КПД обеих турбин резко уменьшатс из-за несогласованности газодинамических характеристик работы этих турбин, т.к.
расходы газа (продуктов сгорани ) и воздуха не согласованы между собой дл создани оптимальных углов атаки на рабочих лопатках обеих турбин. В результате общий КПД
сдвоенной турбины будет значительно уменьшатьс при отклонении режимов работы
газовой и воздушной турбин от расчетного режима.
Задачи создани изобретени : повышение экономичности и надежности двигател .
Задачи создани изобретени : увеличение КПД, улучшение экологических свойств и
повышение надежности двигател .
Решение указанных задач достигнуто за счет того, что комбинированна силова установка с охлаждаемой турбиной и регенерацией тепла, содержаща два контура и
установленные последовательно входное устройство двигател , вентил тор, компрессор,
камеру сгорани турбины высокого и низкого давлени , соединенные механически с
вентил тором и компрессором соответственно, теплообменник и силовой двигатель,
соединенный с нагрузкой, отличающа с тем, что теплообменник выполнен кольцевым и
установлен во втором контуре, выход по газовой полости теплообменника осуществлен в
выхлопное устройство газов, расположенное около входного устройства двигател , внутри
выхлопного устройства газов установлен теплообменник-газификатор и теплообменник
Страница: 4
DE
RU 2 334 886 C1
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
системы охлаждени турбины, при этом теплообменник-газификатор соединен по
топливной линии с одной стороны с насосом сжиженного природного газа, а с другой - с
форсунками камеры сгорани , силовой двигатель выполнен в виде двигател Стирлинга.
Расширительные цилиндры двигател Стирлинга установлены в первом контуре
газотурбинного двигател или во втором его контуре. Теплообменник-газификатор
соединен с форсунками камеры сгорани через кольцевой коллектор. Теплообменник
выполнен многосекционным, газовые секции теплообменника соединены последовательно,
при этом кажда последующа секци размещена со смещением к входному устройству
двигател , а выхлопное устройство газов установлено около входного устройства
двигател .
Предложенное техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и
промышленной применимостью, т.е. всеми критери ми изобретени .
Сущность изобретени по сн етс на чертежах фиг.1...9, где:
на фиг.1 приведена схема комбинированной силовой установки,
на фиг.2 приведена схема силовой двигательной установки с перепуском воздуха из-за
вентил тора в двигатель Стирлинга,
на фиг.3 приведен разрез по А-А,
на фиг.4 - схема двигател Стирлинга,
на фиг.5 приведен вид по Б-Б,
на фиг.6 приведена схема комбинированной силовой установки с расположением
расширительных цилиндров во втором контуре,
на фиг.7 приведен вид И-И,
на фиг.8 приведен вариант исполнени комбинированной силовой установки с
двухтопливной системой,
на фиг.9 приведен вид К-К.
Предложенное техническое решение (фиг.1) содержит корпус первого контура 1, корпус
второго контура 2, установленный концентрично ему с образованием второго контура,
полость «В». Последовательно по потоку установлены: входное устройство 3, вентил тор
4, компрессор 5, камера сгорани 6, турбина высокого давлени 7 и турбина низкого
давлени 8. Вентил тор 4 соединен механически валом с турбиной высокого давлени 7, а
компрессор 5 соединен другим валом с турбиной низкого давлени 8. Далее по потоку по
второму контуру идет теплообменник 9, двигатель Стирлинга 10 и выхлопное воздушное
устройство 11.
Двигатель Стирлинга 10 соединен с нагрузкой 12 (компрессор, насос, электрогенератор
и т.д.) валом двигател Стирлинга 13. Теплообменник 9 целесообразно выполнить
кольцевым (фиг.2) с заполнением от 70 до 100% от объема полости второго контура «Б».
При этом целесообразно теплообменник 9 выполнить многосекционным и соединить
секции теплообменника 9 по газовой полости трубопроводами 14, при этом кажда последующа секци должна быть размещена ближе к входному устройству 3, выхлопное
устройство продуктов сгорани 15 установить около входного устройства 3. Така конструкци увеличит площадь теплообмена теплообменника 9, обеспечит эффективную
противоточную схему движени теплоносителей (газа и воздуха) и получить максимальный
КПД теплообменника 9 и всей установки в целом. В выхлопном устройстве продуктов
сгорани 15 установлены теплообменник-газификатор 16 и теплообменник системы
охлаждени турбины 17, который соединен с одной стороны трубопроводом отбора 18 с
выходом из компрессора 5, а с другой стороны - трубопроводом подачи воздуха 19 с
системой охлаждени турбины высокого давлени 7.
Газотурбинный двигатель содержит топливный бак 20, систему топливоподачи с
топливопроводом низкого давлени 21, подключенным к входу в топливный насос 22
(например, сжиженного природного газа), который имеет привод 23, топливопровод
высокого давлени 24, вход которого соединен с выходом из топливного насоса 22, а
выход соединен с кольцевым коллектором 25, кольцевой коллектор 25 соединен
патрубками, равномерно размещенными по окружности с форсунками 26 камеры сгорани Страница: 5
RU 2 334 886 C1
6.
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Двигатель Стирлинга 10 содержит рабочие цилиндры 27, размещенные в полости «Г» и
расширительные цилиндры 28, размещенные в полости «Д», внутренние полости этих
цилиндров «Е» и «Ж» соединены трубопроводами 29 (фиг.1 и 3). Полость «Г» соединена с
теплообменником 9 трубопроводом перепуска продуктов сгорани 30. Полости
теплообменника 9 и полость «Д» соедин ют трубопроводом перепуска воздуха.
К полости «В» подведен трубопровод охлаждени 32, подсоединенный к выходу из
регул тора расхода 33. Ко входу регул тора расхода 33 подсоединен трубопровод отбора
воздуха 34, другой конец которого подсоединен к полости за вентил тором 4.
На фиг.3 приведена схема двигател Стирлинга 10, который содержит рабочие
цилиндры 27, расширительные цилиндры 28 и соедин ющие их внутренние полости «Е» и
«Ж», трубопроводы перепуска 29. Каждый рабочий цилиндр 27 имеет оребрение 35,
рабочий поршень 36, установленный внутри, шатун 37. Каждый раширительный цилиндр 28
имеет установленный внутри вытеснительный поршень 38 и шатун 39, соединенный с
валом двигател Стирлинга 13. Расширительные цилиндры также могут содержать
эффективное оребрение.
Возможна установка в комбинированной силовой установке перед рабочими цилиндрами
27 дополнительной камеры сгорани 40 с форсунками 41 (фиг.8 и 9). К форсункам
дополнительной камеры сгорани 41 подведена дополнительна топливна система 42,
содержаща дополнительный топливный насос 43. В качестве дополнительного топлива
дл двигател Стирлинга может быть использовано другое низкосортное, дешевое
топливо.
При работе запускают газотурбинный двигатель при помощи стартера (стартер на
фиг.1...9 не показан), подают топливо через форсунки 26 в камеру сгорани 6.
Образовавшиес продукты сгорани срабатывают энергетический потенциал на турбинах 7
и 8, далее достаточно гор чие продукты сгорани , имеющие температуру около 500°С
проход т через секции теплообменника 9, охлаждаютс , отдава энергию воздушному
потоку второго контура, и сбрасываютс в выхлопное устройство продуктов сгорани 15,
а подогретый воздух второго контура проходит через двигатель Стирлинга 10 и
сбрасываетс в выхлопное воздушное устройство 11. При работе двигател Стирлинга 10
рабочее тело перетекает поочередно из полости «Б» в полость «Ж» и обратно, при этом
поршни 26 и 28 совершают возвратно-поступательное движение, враща вал двигател Стирлинга 13, подсоединенный с одной стороны к вентил тору 4, а с другой - к нагрузке
12. Вентил тор 4 сжимает атмосферный воздух и перемешает достаточно большой его
расход по второму контуру, при этом он значительно подогреваетс . Энергетического
потенциала подогретого воздуха второго контура достаточно дл выработки при помощи
двигател Стирлинга 10 большой мощности. Если же этой мощности окажетс не
достаточно, то можно воспользоватьс дополнительной топливной системой 42 дл увеличени температуры воздуха перед рабочими цилиндрами 26.
Одновременно часть сжатого в компрессоре 5 воздуха (примерно от 1 до 5%)
отбираетс от компрессора 5 и по воздушной линии высокого давлени 18 через
теплообменник системы охлаждени турбины 17 подаетс к турбине высокого давлени 7.
Весь расход выхлопных газов из полости «Г» перепускаетс по трубопроводу перепуска
продуктов сгорани 30 в теплообменник 9, и пройд все его секции, сбрасываетс в
выхлопное устройство газа 15, при этом в теплообменнике-газификаторе 16 газифицирует
жидкое топливо (сжиженный природный газ), а в теплообменнике системы охлаждени турбины 17 охлаждают воздух, идущий на охлаждение турбины высокого давлени 8.
В случае применени двухтопливной схемы (фиг.7) дополнительное топливо подают по
дополнительной топливной системе 42 дополнительным топливным насосом 43 к
форсункам 41 дополнительной камеры сгорани 40. При этом мощность двигател Стирлинга 10 резко возрастает. Использование в качестве дополнительного топлива
низкосортного дешевого топлива позволит уменьшить эксплуатационные расходы.
При работе правильно спроектированного двигател , а именно, при большой
Страница: 6
RU 2 334 886 C1
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
эффективной поверхности теплообменника 9, температура сбрасываемого газа и воздуха
практически не отличаютс от температуры окружающей среды, а это значит, что может
быть достигнут теоретически возможный КПД цикла.
Наличие теплообменника-газификатора 16 дополнительно уменьшает температуру газа
на выхлопе. Вследствие подогрева выхлопных газов в теплообменнике системы
охлаждени турбины повышаетс на несколько градусов (из-за относительно небольшого
расхода воздуха на охлаждение турбины высокого давлени 7), но это не вли ет
отрицательно на КПД установки. Зато по вл етс возможность повысить температуру
газов на входе в турбину на 300...500°С, что позволит повысить КПД установки
дополнительно на 5...7%.
Применение изобретени позволило:
1. Повысить КПД газотурбинного двигател практически до теоретического за счет:
- больших габаритов теплообменника, наличи теплообменника-газификатора и за счет
более рациональной компоновки двигател и отсутстви жесткой кинематической св зи
между компрессором и турбиной, и свободной воздушной турбиной. Это позволило
спроектировать оптимальные компрессор, турбины низкого давлени и двигатель
Стирлинга, например, на разные рабочие обороты (без редуктора и длинного вала,
проход щего внутри камеры сгорани , т.е. в зоне чрезвычайно высоких температур) и
оптимально согласовать их совместную работу,
- за счет увеличени температуры газа перед турбиной, что достигнуто применением ее
эффективного охлаждени ;
2. Уменьшить эмиссию в атмосферу вредных веществ за счет того, что двигатели
Стирлинга имеют очень хорошие характеристики.
3. Улучшить надежность силовой установки за счет:
- отказа от свободной турбины,
- размещени нагрузки вне двигател , в зоне низких температур.
4. Обеспечить запуск газотурбинного двигател и питание электроэнергией очень
энергоемких потребителей за счет практически неограниченной мощности нагрузки.
Размещение теплообменника на большом диаметре позволит спроектировать
одноступенчатую турбину большой мощности и уменьшить гидравлические потери на
газоводах и воздуховодах, которые имеют место у прототипа.
5. Уменьшить вес и габариты силовой установки за счет:
- создани оптимальных турбин, вентил тора, компрессора и двигател Стерлинга,
- размещени теплообменника во втором контуре двигател , в котором давление,
температуры и скорости потока относительно низкие, следовательно, меньше силовые
нагрузки.
6. Реально обеспечить модульность конструкции двигател за счет того, что каждый
его основной узел может быть спроектирован независимо от характеристик сопр гаемого
узла.
7. В случае применени двухтопливной схемы дл силовой установки можно
использовать дл двигател Стирлинга дешевое низкосортное топливо, тем самым
уменьшить эксплуатационные расходы.
Формула изобретени 1. Комбинированна силова установка с охлаждаемой турбиной и регенерацией тепла,
содержаща два контура и установленные последовательно входное устройство двигател ,
вентил тор, компрессор, камеру сгорани , турбины высокого и низкого давлени ,
соединенные механически с вентил тором и компрессором, соответственно,
теплообменник и силовой двигатель, соединенный с нагрузкой, отличающа с тем, что
теплообменник выполнен кольцевым и установлен во втором контуре, выход по газовой
полости теплообменника осуществлен в выхлопное устройство продуктов сгорани ,
расположенное около входного устройства двигател , внутри выхлопного устройства
продуктов сгорани установлен теплообменник-газификатор и теплообменник системы
Страница: 7
CL
RU 2 334 886 C1
5
10
15
охлаждени турбины, при этом теплообменник-газификатор соединен по топливной линии с
одной стороны с насосом сжиженного природного газа, а с другой - с форсунками камеры
сгорани , силовой двигатель выполнен в виде двигател Стирлинга.
2. Комбинированна силова установка по п.1, отличающа с тем, что расширительные
цилиндры двигател Стирлинга установлены в первом контуре газотурбинного двигател .
3. Комбинированна силова установка по п.1 или 2, отличающа с тем, что
расширительные цилиндры двигател Стирлинга установлены во втором контуре
газотурбинного двигател .
4. Комбинированна силова установка с охлаждаемой турбиной и регенерацией тепла
по п.1 или 2, отличающа с тем, что теплообменник-газификатор соединен с форсунками
камеры сгорани через кольцевой коллектор.
5. Комбинированна силова установка с охлаждаемой турбиной и регенерацией тепла
по п.1 или 2, отличающа с тем, что теплообменник выполнен многосекционным, газовые
секции теплообменника соединены последовательно, при этом кажда последующа секци размещена со смещением к входному устройству двигател , а выхлопное
устройство газов установлено около входного устройства двигател .
20
25
30
35
40
45
50
Страница: 8
RU 2 334 886 C1
Страница: 9
DR
RU 2 334 886 C1
Страница: 10
RU 2 334 886 C1
Страница: 11
RU 2 334 886 C1
Страница: 12
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
461 Кб
Теги
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа