EA 020476B1 20141128

	Патентная документация ЕАПВ
Запрос:	ea000020476b*\id
Результат:	ID\|Номер и дата охранного документа

больше ...

Термины запроса в документе

Реферат

[**]

1. Газовая турбина (10) для преобразования тепловой энергии в механическую работу, содержащая компрессор (11), турбину (13), вращающиеся на общем валу, по меньшей мере один регенеративный теплообменник (16), выполненный с возможностью вращения и расположенный между выходом компрессора (11) и входом турбины (13), камеру (15) сгорания и соответствующую систему трубок, при этом регенеративный теплообменник подает тепло воздушному потоку, проходящему от компрессора (11) к турбине (13), посредством горячего топочного газа от камеры (15) сгорания, а газовая турбина (10) также содержит байпасную линию (23), проходящую в обход камеры сгорания, отличающаяся тем, что вращающийся регенеративный теплообменник (16) выполнен с возможностью непрерывного равномерного вращения и содержит большое количество параллельных разделенных каналов (21), открытых с обоих торцов, расположенных параллельно оси вращения вращающегося регенеративного теплообменника или с отклонением относительно нее и выполненных с обеспечением возможности прохождения разделенного двунаправленного потока через вращающийся регенеративный теплообменник, при этом указанная байпасная линия (23) расположена между выходом компрессора (11) и входом по меньшей мере одного регенеративного теплообменника (16), с обеспечением возможности прохождения части сжатого воздуха из компрессора в обход камеры (15) сгорания и последующего ее направления во вращающийся регенеративный теплообменник вместе с горячим газом из камеры (15) сгорания.

2. Газовая турбина (10) по п.1, в которой перед камерой сгорания расположен регулирующий клапан для направления по меньшей мере части сжатого воздуха в камеру сгорания.

3. Газовая турбина (10) по п.1 или 2, в которой открытые для тепла внутренние поверхности вращающегося регенеративного теплообменника покрыты каталитическим слоем, например платиновым покрытием.

4. Газовая турбина (10) по одному из пп.1-3, в которой указанный по меньшей мере один теплообменник (16) имеет разделенные каналы (21), расположенные параллельно основному направлению потока воздуха и выполненные таким образом, что их часть в любое время находится в воздушном потоке между компрессором (11) и турбиной (13) для нагревания этого воздушного потока, а остальная часть каналов (21) находится на пути проходящего из камеры (15) сгорания топочного газа и вследствие этого нагревается.

5. Газовая турбина (10) по п.4, в которой продольные оси каналов (21) отклонены относительно оси вращения указанного по меньшей мере одного регенеративного теплообменника.

6. Газовая турбина (10) по п.5, в которой часть отверстий для впуска сжатого воздуха через указанный по меньшей мере один вращающийся теплообменник (16) слегка смещена в окружном направлении относительно выпускных отверстий, расположенных перед турбиной (13), с обеспечением направления части сжатого воздушного потока в воздушный поток, проходящий от камеры (15) сгорания, с обеспечением очищения каналов (21) указанного по меньшей мере одного регенеративного теплообменника для частиц образовавшимся в результате этого промывающим потоком.

7. Газовая турбина (10) по одному из пп.1-6, в которой электрическая энергия производится компрессором, ротор которого используется в качестве генератора, вырабатывающего электричество, при этом статор (24) размещен вокруг компрессора (11) и содержит одну или более обмоток.

8. Газовая турбина (10) по п.1, в которой ротор компрессора (11) постоянно намагничен.

9. Газовая турбина (10) по п.8, в которой ротор компрессора (11) намагничен посредством внешнего магнитного поля.

10. Газовая турбина (10) по п.1, преобразующая тепловую энергию от угля или биомассы.

11. Газовая турбина (10) по п.1, в которой вращающийся регенеративный теплообменник (16) разделен радиальными стенками (22) на отделения в виде секторов.

Полный текст патента

(57) Реферат / Формула:

8. Газовая турбина (10) по п.1, в которой ротор компрессора (11) постоянно намагничен.

9. Газовая турбина (10) по п.8, в которой ротор компрессора (11) намагничен посредством внешнего магнитного поля.

10. Газовая турбина (10) по п.1, преобразующая тепловую энергию от угля или биомассы.

Евразийское 020476 (13) B1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ
(45) Дата публикации и выдачи патента
2014.11.28
(21) Номер заявки
(51) Int. Cl. F02C 7/105 (2006.01)
F02C 7/10 (2006.01) F02C 7/08 (2006.01) F02C1/04 (2006.01)
201190014 (22) Дата подачи заявки 2009.11.24
(54) ГАЗОВАЯ ТУРБИНА ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ С ВРАЩАЮЩИМСЯ РЕГЕНЕРАТИВНЫМ ТЕПЛООБМЕННИКОМ
(31) 20084943 (56) US-B1-7444818
(32) 2008.11.24 FR-A1-2916240
(33) NO
(43) 2012.02.28
(86) PCT/NO2009/000404
(87) WO 2010/064921 2010.06.10
(71) (73) Заявитель и патентовладелец:
АРЕС ТУРБИН АС (NO)
(72) Изобретатель:
Клевен Оле Бьёрн (NO)
(74) Представитель:
(57) Изобретение относится к газовой турбине (10) для преобразования тепловой энергии от угля, биомассы и т.п. в механическую работу, содержащей компрессор (11), турбину (13), камеру (15) сгорания и теплообменник (14) с соответствующей системой трубок. Газовая турбина (10) выполнена с возможностью подачи тепла воздушному потоку, проходящему между компрессором (11) и турбиной (13), посредством горячего топочного газа от камеры (15) сгорания, при этом тепло поступает в камеру (12) сжатия, расположенную между компрессором (11) и турбиной (13).
Поликарпов А.В. (RU)
Область изобретения
Настоящее изобретение относится к способу и установке для использования твердого топлива или частиц топлива в качестве источника энергии для газовых турбин без необходимости предварительной выработки пара для производства работы, используя, например, сжигание отходов, сжигание угля, гранул и т.д.
Предпосылки изобретения
В течение последних лет было предложено множество технических решений для преобразования тепловой энергии в механическую работу. В связи с тем, что до сих пор нефть являлась относительно дешевым продуктом, научно-исследовательские работы в целом были направлены на развитие теплоэнергетических машин, использующих нефть в качестве источника энергии. Ситуация на сегодняшний день такова, что цена на нефть намного выше, чем на энергию, например, биомассы.
Было предложено несколько технических решений для преобразования тепловой энергии от угля, биоэнергии и т.п. в механическую работу. В представленных технических решениях предлагалось использовать паросиловые турбины. Указанные технические решения являются отлаженными, за исключением того, что такие установки являются крупногабаритными и сложными относительно выхода энергии.
Если автотранспортное средство может приводиться в действие с помощью биоэнергии, то ее цена соответствует цене бензина, равной 1,50 норвежских крон за 1 л. В 40-х годах прошлого века биоэнергия обычно использовалась для приведения в действие автомобилей с помощью генераторов энергии из древесного топлива; такое энергоснабжение было основано на пиролизе древесины.
В международной патентной публикации № 02/055855 описана энергетическая установка, содержащая газовую турбину, в которой воздушный поток, проходящий между компрессором и турбиной, нагревается с помощью теплообменника, расположенного в камере сгорания. В соответствии с этим техническим решением проходящий от компрессора к турбине воздушный поток содержится отдельно от топочного газа, произведенного в камере сгорания, при этом разреженный воздух из турбины поступает в камеру сгорания. В соответствии с данным техническим решением теплообменник является стационарным теплообменником, выполненным с возможностью, по меньшей мере, частичного извлечения деталей теплообменника во время вынужденного простоя для удаления углеродистых отложений и других отходов с внутренних поверхностей теплообменника.
В патенте Франции № 2916240 описана установка для производства энергии, использующая компрессор и турбину, в которой воздушный поток, выходящий из компрессора, проходит через вращающийся регенеративный теплообменник и поступает в турбину. Тепловая энергия передается указанному воздушному потоку во вращающемся регенераторе при помощи противотока горячего топочного газа, образующегося в камере сгорания при сжигании биоматериала.
Сущность изобретения
Целью настоящего изобретения является создание газовой турбины, в которой сгорание может происходить в воздушном потоке за работающей турбиной, передавая энергию сжатому воздуху до его расширения в работающей турбине.
Второй целью настоящего изобретения является увеличение преобразования энергии путем уменьшения времени вынужденного простоя, вызванного ремонтом, техническим обслуживанием и очисткой различных узлов турбинной установки, включая теплообменник.
Третьей целью настоящего изобретения является улучшение производительности, эффективности и периода эксплуатации используемого в газотурбинной установке теплообменника, а также снижение возможного времени вынужденного простоя, вызванного техническим обслуживанием и ремонтными работами.
Четвертой целью изобретения является возможность совершения механической работы при отсутствии неблагоприятного воздействия на турбину горячих углеродистых отложений или зольного остатка загрязненного топочного газа.
Другой целью изобретения является возможность управления автомобилем, использующим в качестве топлива биомассу в форме гранул или уголь и создание газовой турбины в комплекте, имеющей массовые соотношения/коэффициенты производительности, превышающие те же коэффициенты бензинового двигателя.
Еще одной целью изобретения является возможность использования твердого топлива или частиц топлива в качестве источника энергии для газовых турбин без промежуточной фазы превращения энергии в пар.
Другой целью настоящего изобретения является использование, помимо нефти, других источников энергии для стационарной и мобильной выработки энергии, например, для снабжения энергией автомашин, двигателей и т.д.
В соответствии с изобретением газовая турбина содержит вращающиеся на общем валу компрессор и турбину, камеру сгорания и вращающийся регенеративный теплообменник, причем сгорание происходит в воздушном потоке за турбиной, при этом воздушный поток между компрессором и турбиной увеличивает свою тепловую энергию посредством твердого материала, который нагревается горячим топоч
ным газом от сгорания.
В соответствии с изобретением установка предпочтительно выполнена таким образом, что газообразные продукты сгорания не контактируют с турбиной, тепло вводится в более холодный газовый поток в ходе непрерывного и равномерного процесса, нагревая при этом более холодный газовый поток, а затем возвращая газ-теплоноситель в нагреватель для возобновления нагрева.
В соответствии с изобретением тепловая энергия непрерывным или периодическим образом может передаваться воздушному потоку между компрессором и турбиной посредством вращающегося регенератора, нагревающегося теплом от камеры сгорания, предназначенного для введения в указанный воздушный поток между компрессором и турбиной и выведения из указанного воздушного потока.
Учитывая то, что сгорание происходит в воздушном потоке за турбиной, а также то, что теплота сгорания обменивается с потоком сжатого воздуха между компрессором и турбиной, были получены следующие преимущества по сравнению с предшествующим уровнем техники, причем сгорание непосредственно выполняется в камере сгорания между компрессором и турбиной.
Остаточное тепло воздушного потока за турбиной является частью процесса горения, при этом меньшая часть тепла остается в топочном газе.
Может использоваться топливо, при сгорании которого образуются зольные и углеродистые отложения. Частицы углеродистых отложений и зольный остаток не контактируют с ротором турбины. Это имеет важное значение, так как частота вращения ротора турбины приближается к скорости звука. Частицы углеродистых отложений, ударяющиеся о ротор турбины с такой высокой скоростью, могут привести к серьезному повреждению указанной части турбины. К тому же, следует понимать, что углеродистые отложения и частицы зольного остатка вызывают эрозию и оказывают вредное воздействие на ротор турбины.
Горение происходит при давлении, близком к атмосферному. Горение при таком низком давлении приводит к меньшему объему NOx, чем горение при высоких давлениях в камере сгорания, расположенной между компрессором и турбиной.
Другим преимуществом является то, что главный теплообменник является самоочищающимся и, к тому же, может быть малогабаритным и иметь существенно меньший размер по сравнению с установками, известными из предшествующего уровня техники. Это означает, что установку не следует очищать так часто, как традиционные технические решения.
Регенеративный теплообменник имеет очень большую поверхность, по сравнению с объемом регенератора (до 6000 м2 на 1 м3) и, соответственно, предполагает более компактное и эффективное техническое решение.
В соответствии с настоящим изобретением теплообменник может иметь каталитическую поверхность, например поверхность, покрытую слоем платины.
Цели могут быть достигнуты путем введения байпасной линии, расположенной между выходом компрессора и входом, по меньшей мере в один регенеративный теплообменник, в обход камеры сгорания, обеспечивая тем самым возможность для части сжатого воздуха из компрессора миновать камеру сгорания.
В соответствии с одним вариантом выполнения изобретения указанный побочный воздух предназначен для охлаждения внешней поверхности по меньшей мере одного теплообменника со стороны прохождения топочного газа. Для направления по меньшей мере части сжатого воздуха в камеру сгорания регулирующий клапан предпочтительно может быть выполнен с возможностью размещения перед входом в камеру сгорания.
Кроме того, теплообменник может быть выполнен таким образом, что часть сжатого воздуха из компрессора может охлаждать внешнюю поверхность по меньшей мере одного регенеративного теплообменника со стороны прохождения топочного газа.
В соответствии с дополнительным вариантом выполнения изобретения могут использоваться два или большее количество регенеративных теплообменника, в которые поступает воздух из компрессора и тепло от камеры (15) сгорания, при этом указанные два теплообменника или большее количество предпочтительно размещены параллельно.
Указанный по меньшей мере один теплообменник может иметь ряд разделенных каналов, расположенных параллельно основному направлению потока воздуха и выполненных таким образом, что часть каналов в любое время находится в воздушном потоке между компрессором и турбиной для нагревания воздушного потока, а другая часть каналов находится на пути движущегося из камеры сгорания топочного газа, который, вследствие этого, нагревается. Продольные оси каналов расположены под углом относительно оси вращения по меньшей мере одного регенеративного теплообменника.
В соответствии с другим вариантом выполнения изобретения часть отверстий для впуска сжатого воздуха через по меньшей мере один вращающийся теплообменник слегка смещены в окружном направлении относительно выпускных отверстий, расположенных перед турбиной, так что часть потока сжатого воздуха направляется в воздушный поток, проходящий из камеры сгорания, в результате чего этим промывающим потоком очищаются каналы по меньшей мере одного регенеративного теплообменника для частиц.
Согласно еще одному варианту выполнения изобретения выполняемую турбиной работу получают в виде электрической энергии с помощью генератора; кроме того, электрическая энергия вырабатывается компрессором, ротор которого используется в качестве генератора, вырабатывающего электричество, при этом статор размещен вокруг компрессора, и указанный статор содержит одну или более обмоток. В таком случае ротор компрессора предпочтительно может быть постоянно намагниченным. Ротор компрессора (11) намагничен с помощью внешнего магнитного поля.
В соответствии с настоящим изобретением дополнительным его преимуществом является то, что теплообменник может очищаться практически непрерывно, без остановки установки, путем удаления возможных углеродистых отложений или зольных остатков на теплопередающей поверхности регенеративного теплообменника.
Краткое описание чертежей
Варианты выполнения изобретения ниже проиллюстрированы более подробно, со ссылкой на чертежи, на которых:
фиг. 1 иллюстрирует с помощью упрощенного схематического вида, частично в разрезе, принцип действия установки, применяемой в соответствии с настоящим изобретением;
фиг. 2 представляет собой упрощенный схематический вид варианта выполнения изобретения с используемым вращающимся регенеративным теплообменником;
фиг. 3 представляет собой упрощенный схематический вид вращающегося регенеративного теплообменника, выполненного в соответствии с настоящим изобретением;
фиг. 4 представляет собой упрощенный схематический вид варианта выполнения изобретения, имеющего внешнюю камеру сгорания;
фиг. 5 представляет собой схематический вид возможного варианта выполнения вращающегося регенеративного теплообменника, выполненного в соответствии с настоящим изобретением;
фиг. 6 представляет собой схематический поперечный разрез по линии 6-6 теплообменника, показанного на фиг. 5;
фиг. 7 представляет собой альтернативный вариант выполнения изобретения, с компрессором, выполненным в виде постоянного магнита, в котором обмотка размещена вокруг компрессора, таким образом, компрессор работает как генератор для выработки электроэнергии;
фиг. 8 и 9 представляют собой альтернативный вариант выполнения настоящего изобретения, в котором часть сжатого воздуха из компрессора может обходить камеру сгорания;
фиг. 10 и 11 представляют собой техническое решение обходного канала, как показано на фиг. 8 и 9, содержащее два вращающихся регенеративных теплообменника, выполненных в соответствии с настоящим изобретением.
Подробное описание изобретения
Фиг. 1 иллюстрирует с помощью упрощенного схематического вида, частично в разрезе, принцип действия установки, применяемой в соответствии с настоящим изобретением. Газовая турбина 10 содержит компрессор 11, использующийся для сжатия воздуха при давлении p1=1 бар до давления р2=2 бар и температуре, возрастающей вследствие сжатия от температуры Т1=20°С до температуры Т2=200°С. По всему компрессору скорость воздуха уменьшается со скорости v1=1 м3/с до скорости v2=0,86 м3/с. В камере 12 сжатия, расположенной между компрессором 11 и турбиной 13 газовой турбины 10, сжатый газ с помощью регенеративного теплообменника 14 далее нагревается до температуры Т2=800°С, в то время как давление поддерживается на уровне р3=2 бар. За счет нагревания скорость воздуха увеличивается до v3=1,83 м3/с. Затем сжатый и горячий газ направляется к турбине 13, в которой воздух расширяется до давления p4=1 бар, а температура понижается до Т4=50°С, причем скорость увеличивается до v4=2,64 м3/с.
Затем расширенный воздух поступает в камеру 15 сгорания, в которой упомянутый расширенный воздух способствует сгоранию твердого топлива или частиц топлива, например отходов или биомассы, как гранулы и т.п. С этой целью камера 15 сгорания содержит входные каналы (не показаны) для подачи топлива и средства для удаления зольных остатков (не показаны). На выходе из камеры 15 сгорания температура Т5=900°С при прежнем давлении в р5=1 бар. Далее скорость увеличивают до v5=4 м3/с. Горячий воздух направляют мимо той части В регенеративного теплообменника, которая в любое время расположена внутри камеры 15 сгорания. Указанная часть В оказывается повторно нагретой и вновь установленным в положение А внутри камеры 12 сжатия. Воздух, который повторно нагревает указанную часть В теплообменника, состоит из смеси воздуха и топочных газов от сгорания.
На выходе из части В регенеративного теплообменника давление p6 топочного газа все еще равно р6=1 бар, в то время как температура снизилась до Т6=300°С. Скорость теперь снизилась до v6=0,86 м3/с.
Теоретический коэффициент полезного действия для данного варианта выполнения определяется по формуле п=1-Т6/Т3=1-573 К/1073 К и составляет ~46%.
Компрессор 11 приводится в действие обычным способом при помощи турбины 13 посредством общего вала 17.
Для технического решения в соответствии с фиг. 1 углеродистые отложения топочного газа не будут контактировать с подвижными узлами турбины 13. Дополнительно возможно использование оста
точного тепла воздуха от турбины 13 при направлении остаточного тепла и теплоты сгорания обратно к турбине 13 для нагрева сжатого воздуха в камере 12 сжатия. Это достигается путем обеспечения возможности нагревания твердого материала в положении В, т.е. в камере сгорания, и путем передачи тепловой энергии, заключенной в твердом материале, сжатому воздуху в положении А, т.е. в камере 12 сжатия. В соответствии с данным техническим решением, без повреждения турбины 13, можно использовать твердое топливо или частицы топлива, например древесные опилки, уголь, биогранулы.
Фиг. 2 схематично изображает техническое решение, в котором основное отличие заключается в том, что вращающийся регенеративный теплообменник 16 используется как регенеративный теплообменник А и В. Устройство и принцип действия указанного вращающегося регенеративного теплообменника 15 будут описаны ниже в отношении фиг. 3.
Фиг. 3 представляет собой упрощенный схематичный вид варианта выполнения вращающегося регенеративного теплообменника 16. Указанный теплообменник 16 может содержать две торцевые крышки 17 с отверстиями и окружающую его газонепроницаемую рубашку 18, вмещающую теплообменные элементы (не показаны). Теплообменные элементы содержат параллельные каналы трубчатой формы с круглым, треугольным, шестиугольным или многоугольным поперечным сечением. При использовании каналов с круглым сечением материал, из которого выполнены стенки каналов, будет нагреваться с обеих сторон, увеличивая, тем самым, количество тепла в камере сгорания и, следовательно, увеличивая количество тепла, выделяемого в камере сжатия.
Как показано на фиг. 3, загрязненный нагретый горячий газ вытекает из камеры 15 сгорания через одну половину вращающегося регенеративного теплообменника 16 и нагревает при этом эту часть, после чего охлажденный топочный газ выпускается в атмосферу. Так как в данном показанном варианте выполнения регенеративный теплообменник 16 вращается против часовой стрелки, то новые части подогреваемой половины регенеративного теплообменника будут последовательно входить в камеру 12 сжатия и, таким образом, в сжатый воздушный поток, вытекающий из компрессора 11 турбины 10. Следовательно, воздушный поток нагревается до его попадания в камеру 15 сгорания, при этом часть вращающегося регенеративного теплообменника, соответственно, последовательно охлаждается. Следовательно, рабочий цикл будет непрерывным двухступенчатым циклом.
Как показано на фиг. 3, отверстия 18 в торцевой крышке 17 предназначены для подачи приточного воздуха из компрессора 11 и, соответственно, отверстие для выхода 18 топочного газа будет смещено в окружном направлении относительно соответствующего отверстия в торцевой крышке 17, расположенного на противоположном конце вращающегося регенеративного теплообменника 16. Как показано на фиг. 3, эта особенность обеспечивает возможность вытекания чистого сжатого воздуха обратно по каналам, обозначенным позицией 25, в ту часть, которая в любое время цикла вращения первой входит в камеру 12 сжатия, таким образом, любые имеющиеся частицы углеродистых отложений будут удалены до момента возможного входа в камеру 12 сжатия. Таким образом, снижается риск повреждения частей турбины. Стрелки на фиг. 3 показывают направление потока и вращения.
Фиг. 4 схематично изображает газовую турбину внешнего сгорания, имеющую регенеративный теплообменник, расположенный между камерой 12 сжатия и положением за камерой 15 сгорания. В соответствии с данным техническим решением сжатый воздух в камере сжатия, расположенной между компрессором 11 и турбиной 12, нагревается с помощью регенеративного теплообменника 14. Теплообменник 14 накапливает тепло от топочного газа и пламени в камере 15 сгорания и действует по тому же принципу, как описано выше. При нагревании твердого материала с помощью введения внешних газообразных продуктов горения в положении В, а затем перемещения указанного твердого материала в камеру 12 сжатия, теплота передается сжатому приточному воздуху в положении А. В положении А горячий твердый материал 14 отдает тепло сжатому воздуху, выходящему из компрессора 11, после чего твердый материал 14 перемещается обратно в положение В, в котором твердый материал повторно нагревается новым теплом от сгорания. Этот процесс продолжается непрерывно, поскольку между положениями В и А в процесс теплообмена вовлечены несколько твердых тел. Преимущество такого технического решения заключается в том, что сгорание происходит независимо от воздушного потока турбины. Частицы и углеродистые отложения, полученные в результате сгорания газов, не будут контактировать с подвижными узлами турбины. В частности, но не исключительно, данное техническое решение применимо для использования полученной от сжигания теплоты сгорания, например, в установках для сжигания отходов. Следует заметить, что регенеративное, т.е. попеременное нагревание и охлаждение материала, является более эффективным способом передачи тепла по сравнению с теплопередачей с помощью теплопроводности теплообменника. Применяя такой регенеративный теплообменник, можно снизить вес, объем и частоту проведения технического обслуживания, по сравнению с известным уровнем техники в области теплообменников, не снижая при этом выходную эффективную мощность и теплопередающую способность установки.
В соответствии с настоящим изобретением фиг. 5 представляет собой схематичный вид сверху, частично в разрезе, вращающегося регенеративного теплообменника 16. Вращающийся регенеративный теплообменник 16 имеет, как показано на фиг. 6, круглое поперечное сечение. Кроме того, теплообменник имеет вал 18, выполненный с возможностью поддержки подшипниками (не показаны) так, чтобы в
любое время часть теплообменника располагалась в камере 15 сгорания для нагрева вращающегося теплообменника, а другая часть располагалась в камере 12 сжатия, в которой теплообменник 16 передает тепло сжатому газу до того, как данная часть теплообменника войдет в турбину 13. Поскольку теплообменник 16 вращается, в камеру 12 сжатия будет непрерывно поступать новое количество тепла от камеры 15 сгорания.
Кроме того, теплообменник 16 ограничен цилиндрическим корпусом 19, каждый конец которого оканчивается более или менее открытой торцевой пластиной 10. Внутри теплообменник 16 имеет расположенные в продольном направлении открытые каналы, по которым обеспечивается возможность протекания жидкости, не допуская потока газа в боковом направлении. Предпочтительно каналы могут иметь круглое поперечное сечение, так что газ может протекать по каналам 21 и снаружи в имеющих звездообразное сечение секциях, образованных между соседними трубками 21. Однако следует отметить, что трубки могут иметь любое соответствующее поперечное сечение, например треугольное, квадратное или многоугольное поперечное сечение.
Фиг. 6 представляет собой поперечный разрез показанного на фиг. 5 теплообменника 16, если смотреть по линии 6-6 на фиг. 5. Как показано на фиг. 6, теплообменник 16 имеет стенки 22, образующие внутренние секторы. В соответствии с показанным на фиг. 5 и 6 вариантом выполнения изобретения для перемещения горячего топочного газа от камеры сгорания через вращающийся регенеративный теплообменник используется большое количество прямых, параллельных, цилиндрических трубок. Однако следует заметить, что указанные трубки могут быть выполнены в виде каналов с треугольным, квадратным или многоугольным поперечным сечением, не отклоняясь от идеи изобретения. Каналы могут иметь также рифленую форму, аналогичную форме, использующейся в рифленом картоне. В соответствии с вариантом выполнения изобретения, показанном на фиг. 5 и 6, топочный газ будет протекать внутри как по цилиндрическим каналам или трубкам, так и по каналам, образованным стенками смежно расположенных каналов. Ребра 22 выполнены для придания устойчивости пучкам трубок или каналов. Однако следует отметить, что применение таких ребер не является обязательным, хотя такие стенки увеличивают жесткость периферической стенки 19, охватывающей элементы 21 трубок. Также следует отметить, что настоящее изобретение не ограничено применением четырех ребер.
Фиг. 7 представляет собой альтернативный вариант выполнения настоящего изобретения. Данный вариант выполнения преимущественно соответствует варианту выполнения, показанному на фиг. 1. Единственным главным отличием является, по существу, то, что компрессор 11 выполнен как постоянный магнит с северным и южным полюсами и то, что одна или несколько обмоток 23 с магнитным сердечником 24, предназначенные для выработки электроэнергии путем вращения компрессора 11, расположены вокруг вращающегося компрессора 11. Указанные обмотки 23 действуют как статор. Следует учесть, что указанное техническое решение показано схематично, при этом детали не показаны.
Фиг. 8 представляет собой вариант выполнения изобретения, в котором основное отличие, по сравнению с показанными выше вариантами выполнения, состоит в том, что установка содержит байпасную линию 23. Во всем другом показанный на фиг. 8 вариант выполнения изобретения соответствует варианту выполнения изобретения, показанному на фиг. 1. Фиг. 9 представляет собой вариант выполнения изобретения с применением вращающегося теплообменника 16. Показанный на фиг. 9 вариант выполнения изобретения соответствует варианту выполнения изобретения, показанному на фиг. 2, за исключением введения байпасной линии 23.
В результате экспериментальных исследований выяснилось, что температура топочного газа со стороны вращающегося регенеративного теплообменника 16 становится чрезмерно высокой за счет высокой температуры газа, производимого камерой 15 сгорания, что приводит к расплавлению по меньшей мере некоторых частей теплообменника 16. Чтобы снизить данную чрезмерно высокую температуру теплообменника 16, обеспечивают возможность прохождения части сжатого воздуха снаружи камеры 15 сгорания, а затем ее вместе с горячим газом из камеры 15 сгорания направляют в регенеративный теплообменник 14/вращающийся теплообменник 16. Газ, который обходит камеру 15 сгорания, пускают вдоль наружной поверхности регенеративного теплообменника, охлаждая, таким образом, указанный теплообменник, например, до 600°С. Для регулирования температуры теплообменника 14, 16 предусмотрен клапан/заслонка 24 соответствующего типа, направляющий более холодный сжатый воздух в обход камеры 15 сгорания, обеспечивая, таким образом, допустимый и безопасный уровень температуры теплообменника 14, 16 со стороны камеры сгорания. Безопасный уровень температуры составляет от 900 до 1000°С. Количество воздуха, проходящего от компрессора 13 в обход камеры 15 сгорания, составляет от 30 до 50%, предпочтительно около 45% от общего количества воздуха, доставляемого компрессором.
Следует учесть, что для увеличения допустимой рабочей температуры теплообменника 16 его теп-лопередающие поверхности в соответствии с настоящим изобретением могут быть покрыты каталитическим слоем, например платиновым покрытием. Материал, из которого изготовлен теплообменник, предпочтительно может быть жаростойким железоникелевым сплавом.
Фиг. 10 и 11 представляют собой альтернативный вариант выполнения изобретения, показанного на фиг. 9, с той лишь разницей, что представлены два варианта выполнения изобретения вращающихся регенеративных теплообменников, вместо одного. Кроме того, в соответствии с данными чертежами уста
новка содержит клапан и байпасную линию, которые предназначены для тех же целей, что указаны выше.
Несмотря на то что на фиг. 10 и 11 показан вариант выполнения с двумя расположенными параллельно вращающимися регенеративными теплообменниками, следует учитывать, что количество теплообменников может быть больше, например три или более теплообменников.
Следует отметить, что торцевая крышка в передней и задней части теплообменника, с учетом модификации, будет нагреваться до высокой температуры самого теплообменника, что приведет к тепловому расширению и деформации структуры. Чтобы избежать такой деформации вследствие расширения, указанные торцевые крышки могут быть обеспечены средствами для расширения, позволяющими изменять размеры в зависимости от изменения температуры.
Следует также отметить, что вал указанного вращающегося регенеративного теплообменника может охлаждаться, поддерживая, таким образом, допустимую температуру вала без применения сложных подшипников и конструкций.
В соответствии с показанными вариантами выполнения изобретения каналы 21, сформированные как составная часть вращающегося регенеративного теплообменника 16, размещают параллельно оси вращения теплообменника. Однако следует отметить, что оси каналов 21 теплообменника могут образовывать угол с осью вращения теплообменника. Дополнительно, температура на выходе из регенеративных теплообменников предпочтительно может составлять около 200°С.
Экспериментальные исследования дополнительно показали, что частота вращения турбины может приближаться к скорости звука и составлять, например, 120000 об/мин. Следует также отметить, что в соответствии с настоящим изобретением регенеративный теплообменник располагают в непосредственной близости от турбины, в результате чего высокая частота вращения турбины приводит к высокой или сверхвысокой частоте колебания в теплообменнике, предотвращая или, по меньшей мере, частично препятствуя, тем самым, образованию углеродистых отложений на стенках каналов и увеличивая эксплуатационный срок службы установки.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Газовая турбина (10) для преобразования тепловой энергии в механическую работу, содержащая компрессор (11), турбину (13), вращающиеся на общем валу, по меньшей мере один регенеративный теплообменник (16), выполненный с возможностью вращения и расположенный между выходом компрессора (11) и входом турбины (13), камеру (15) сгорания и соответствующую систему трубок, при этом регенеративный теплообменник подает тепло воздушному потоку, проходящему от компрессора (11) к турбине (13), посредством горячего топочного газа от камеры (15) сгорания, а газовая турбина (10) также содержит байпасную линию (23), проходящую в обход камеры сгорания, отличающаяся тем, что вращающийся регенеративный теплообменник (16) выполнен с возможностью непрерывного равномерного вращения и содержит большое количество параллельных разделенных каналов (21), открытых с обоих торцов, расположенных параллельно оси вращения вращающегося регенеративного теплообменника или с отклонением относительно нее и выполненных с обеспечением возможности прохождения разделенного двунаправленного потока через вращающийся регенеративный теплообменник, при этом указанная байпасная линия (23) расположена между выходом компрессора (11) и входом по меньшей мере одного регенеративного теплообменника (16), с обеспечением возможности прохождения части сжатого воздуха из компрессора в обход камеры (15) сгорания и последующего ее направления во вращающийся регенеративный теплообменник вместе с горячим газом из камеры (15) сгорания.
2. Газовая турбина (10) по п.1, в которой перед камерой сгорания расположен регулирующий клапан для направления по меньшей мере части сжатого воздуха в камеру сгорания.
3. Газовая турбина (10) по п.1 или 2, в которой открытые для тепла внутренние поверхности вращающегося регенеративного теплообменника покрыты каталитическим слоем, например платиновым покрытием.
4. Газовая турбина (10) по одному из пп.1-3, в которой указанный по меньшей мере один теплообменник (16) имеет разделенные каналы (21), расположенные параллельно основному направлению потока воздуха и выполненные таким образом, что их часть в любое время находится в воздушном потоке между компрессором (11) и турбиной (13) для нагревания этого воздушного потока, а остальная часть каналов (21) находится на пути проходящего из камеры (15) сгорания топочного газа и вследствие этого нагревается.
5. Газовая турбина (10) по п.4, в которой продольные оси каналов (21) отклонены относительно оси вращения указанного по меньшей мере одного регенеративного теплообменника.
6. Газовая турбина (10) по п.5, в которой часть отверстий для впуска сжатого воздуха через указанный по меньшей мере один вращающийся теплообменник (16) слегка смещена в окружном направлении относительно выпускных отверстий, расположенных перед турбиной (13), с обеспечением направления части сжатого воздушного потока в воздушный поток, проходящий от камеры (15) сгорания, с обеспечением очищения каналов (21) указанного по меньшей мере одного регенеративного теплообменника для
1.
частиц образовавшимся в результате этого промывающим потоком.
7. Газовая турбина (10) по одному из пп.1-6, в которой электрическая энергия производится компрессором, ротор которого используется в качестве генератора, вырабатывающего электричество, при этом статор (24) размещен вокруг компрессора (11) и содержит одну или более обмоток.
8. Газовая турбина (10) по п.1, в которой ротор компрессора (11) постоянно намагничен.
9. Газовая турбина (10) по п.8, в которой ротор компрессора (11) намагничен посредством внешнего магнитного поля.
Ib is
10. Газовая турбина (10) по п.1, преобразующая тепловую энергию от угля или биомассы.
11. Газовая турбина (10) по п.1, в которой вращающийся регенеративный теплообменник (16) разделен радиальными стенками (22) на отделения в виде секторов.
7.
10.
10.
10.
Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2
020476
020476
- 1 -
- 1 -
(19)
020476
020476
- 1 -
- 1 -
(19)
020476
020476
- 1 -
- 1 -
(19)
020476
020476
- 2 -
- 1 -
020476
020476
- 7 -
020476
020476
- 7 -
020476
020476
- 9 -