КОНЦЕПТУАЛЬНОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЙ, ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ НАЗЕМНОГО, ВОДНОГО И ВОЗДУШНОГО ТРАНСПОРТА, А ТАКЖЕ СТАЦИОНАРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

 

АННОТАЦИЯ

Статья посвящена описанию нового концептуального технического решения высокоэффективной, экологически чистой энергетической установки для наземного, водного и воздушного транспорта, а также стационарных энергетических объектов.

Предлагаемое техническое решение включает в себя термодинамические циклы Брайтона и цикла Ренкина, но в отличие от хорошо известного способа в предлагаемом решении используются технологии органического цикла Ренкина, позволяющие в большей мере исключить многие известные недостатки, связанные с использованием водяного пара.

Также предложен ряд технических решений, позволяющих повысить эффективность газотурбинного двигателя и ORC турбины, а также улучшить экологические характеристики и надёжность энергетической установки, упростить конструкцию газотурбинного двигателя за счёт применения новых технологий.

Прилагаются, расчётные схемы и результаты расчётов, которые подтверждают полученные результаты.

ABSTRACT

The article is devoted to the description of a new conceptual technical solution for a highly efficient, environmentally friendly energy plant for land, water and air transportation, as well as steady power facilities.

The proposed technical solution includes thermodynamic Brayton cycles and the Rankine cycle, but unlike the well-known method, the proposed solution uses organic Rankine cycle technologies, which make it possible to largely eliminate many of the known disadvantages associated with the usage of water vapor.

A number of technical solutions have also been proposed to increase the efficiency of the gas turbine engine and ORC turbine, as well as improve the environmental characteristics and reliability of the power plant, and simplify the design of the gas turbine engine through the use of new technologies.

Attached are the initial data, design diagrams and calculation results that confirm the results obtained.

 

Ключевые слова: органический цикл Ренкина; скрытая теплота парообразования; рекуператор; ORC турбина; газо-магнитные подшипники; цикл Брайтона; сжиженный пропан-бутан.

Keywords: organic Rankine circle; latent heat of vaporization; recuperator; ORC turbine; gas-magnetic bearing; Brayton circle; liquefied propane-butane.

 

Введение

В современных условиях ограниченного запаса углеводородного топлива повышение эффективности энергетических установок с двигателями внутреннего сгорания, а также снижение уровней эмиссии выхлопных газов является актуальной задачей.

Поставленные задачи по повышению эффективности и снижения уровней эмиссии в выпускаемых энергетических установках возможно решать различными способами, в частности за счёт использования глубокой утилизации тепла выхлопных газов.

Хорошо известно, что электростанция с комбинированным циклом представляет собой комбинацию из нескольких тепловых двигателей, в частности, газотурбинного двигателя и паровой турбины, которые работают в тандеме от одного и того же источника тепла, преобразующие тепловую энергию в механическую и далее в электрическую.

Комбинация двух или более термодинамических циклов, в частности цикла Брайтона и Ренкина повышает общую эффективность установки, что снижает затраты на топливо.

В настоящее время использование комбинированного цикла для стационарных установок позволяет достичь эффективности около 64% [7], [8], [9], что составляет более 84% теоретической эффективности цикла Карно.

В связи с тем, что в комбинированном цикле предполагается использование теплообменного оборудования, для надёжной продолжительной работы парогазовой установки обычно используется газообразное топливо, например, сжатый или сжиженный природный газ, пропан-бутан или водород [4], сгорание которых не сопровождается образованием сажистых частиц.

Данное обстоятельство накладывает ограничения на использование комбинированного цикла на воздушном, наземном и водном транспорте, поскольку там основными топливами являются керосин, бензин, дизельное топливо и флотский мазут, при сгорании которых обычно образуются сажистые частицы.

Следующим ограничением является использование водяного пара в качестве рабочего тела в паровой турбине: данное обстоятельство существенно осложняет использование парогазовой установки при низких отрицательных температурах, а также в регионах с жарким климатом, где отсутствует в необходимых количествах вода.

Использование воды делает парогазовую установку достаточно сложной в связи с наличием большого количество систем и номенклатуры оборудования.

Задачей предлагаемого концептуального технического решения является предложение установки для использования на транспорте и стационарных объектах, которые эксплуатируются в районах с холодным и жарким климатом, где отсутствуют источники воды.

Предлагаемое концептуальное решение позволит получить такую энергетическую установку, которая не уступает в эффективности лучшим существующим наземным, имеющая более высокую надежность и экологичность, простоту конструкции, с более низкими уровнями шума, заметности в инфракрасном и видимом диапазоне электромагнитного спектра.

1. Перечень технических решений, входящих состав концептуального решения

1.1. Использование органического цикла Ренкина (ORC) вместо обычного цикла Ренкина, в котором в качестве рабочего тела используются высокомолекулярные рабочие жидкости [5], незамерзающие при низких отрицательных температурах.

Известно, что ORC турбины перед обычными конденсационными паровыми имеют следующие преимущества [6]:

• более высокую эффективность при одинаковой температуре рабочего тела на входе в турбину;
• более высокий ресурс в связи с отсутствием эрозии и коррозии рабочих лопаток;
• несущественное снижение эффективности на частичных нагрузках;
• более простую процедуру запуска и останова;
• меньшие рабочие давления и температуры;
• более компактные размеры.

1.2. Решение для применения на воздушном транспорте: единый компонент, используемый в качестве топлива в цикле Брайтона и рабочего тела в органическом цикле Ренкина, например, пропан-бутан в сжиженном и газообразном состояниях, а также одновальная схема, у которой электрический генератор, ORC турбина и газотурбинный двигатель вращают один генератор без редуктора, см. рисунок 1.

 

Рисунок 1. Принципиальная технологическая схема, у которой в качестве топлива и рабочего тела используется один и тот же компонент, а также одновальная схема

 

1.3. Решение для применения на железнодорожном и водном транспорте, а также стационарных объектах, где отсутствуют жёсткие ограничения по массе и габаритам как на воздушном транспорте. Использование в качестве топлива в цикле Брайтона, например, сжиженного природного газа, хранящегося на борту в криогенных ёмкостях, а в контурах ORC, например, толуэна или высокотемпературных диатермических масел. По причине отсутствия жёстких ограничений по массе и габаритам установка может быть многовальной, где газотурбинный двигатель и ORC турбина работают на отдельные электрические генераторы с различными скоростями вращения см. рисунок 2.

 

Рисунок 2. Принципиальная технологическая схема, у которой в качестве топлива и рабочего тела используется различные компоненты, а также многовальная схема

 

1.4. Использование низкого избыточного давления в конденсаторе для совершения рабочим телом в колёсах ORC турбин большой работы. Данное решение может быть легко реализовано на воздушном транспорте, при полётах на больших высотах, где давление окружающей среды на высоте, например, 12 000 м, составляет около 19 000 Па, а температура минус 56,5 С. На рисунке 3 показано влияние давления в конденсаторе на работу, совершаемую ORC турбиной для пропана.

 

Рисунок 3. Зависимость работы, совершаемой пропаном в ORC турбине от разрежения в ресивере конденсаторе и высоты над уровнем моря для пропана

 

1.5. Создание глубокого разрежения в ресивере-конденсаторе значительно ниже атмосферного давления с помощью вакуумного насоса. Такое решение может быть использовано на железнодорожном и водном транспорте, а также в стационарных объектах. Далее с целью предотвращения безвозвратных потерь рабочего тела, откачанная газовоздушная смесь компримируется с помощью малоразмерного поршневого компрессора, с последующей подачей в газоразделительную систему, состоящую из мембранных фильтров, где происходит её разделение на рабочее высокомолекулярное рабочее тело и пермеат.

Затем сепарированное рабочее тело в газообразном состоянии направляется обратно в цикл, а пермеат, состоящий из азота, кислорода и других газов см. рисунок 4, отводится наружу.

 

Рисунок 4. Принудительное создание в ресивере-конденсаторе разрежения с последующим разделением откачанной газовоздушной смеси на рабочее тело, например, пропан-бутан, и пермеат

 

Использование данного решения позволяет повысить работу, совершаемую рабочим телом в ORC турбине примерно в 1,87 раза, см. рисунок 3.

1.6. Применение рекуператора в газотурбинном двигателе, который используется для повышения его эффективности путём подогрева воздуха поступающего от компрессора в камеру сгорания за счёт энергии выхлопных газов, см. рисунок 5.

 

Рисунок 5. Использование рекуператора для повышения эффективности газотурбинного двигателя

 

Использование рекуператора позволяет повысить эффективность исходного газотурбинного двигателя на 6,86%.

1.7. Использование двух контуров давления в органическом цикле Ренкина: контура высокого и низкого давления. В контуре высокого давления используется ORC турбина, а в контуре низкого давления ORC турбина, работающая в режиме турбодетандера, см. рисунок 6.

Данное решение, позволяет увеличить эффективность газотурбинного двигателя на 21,33%.

 

Рисунок 6. Использование двух контуров давления в органическом цикле Ренкина с целью повышения эффективности цикла

 

1.8. Конденсация рабочего тела из ORC турбины в ресивере-конденсаторе за счёт сжиженного, охлаждённого до криогенной температуры рабочего тела из турбодетандера, см. рисунок 6.

1.9. Применение электрической схемы со статическими преобразователями напряжения, в которой требуемые для потребителей напряжения генерируются с помощью полупроводниковых преобразователей. В данном решении все генераторы работают на общую электрическую шину постоянного тока в связи с чем нет необходимости синхронизировать частоты вращения генераторов, см. рисунок 7.

 

Рисунок 7. Однолинейная электрическая схема

 

1.10. Использование в контуре высокого давления рекуперации тепла, содержащегося в рабочем теле за ORC турбиной для подогрева рабочего тела, поступающего из ресивера конденсатора в теплообменник перегреватель высокого давления, см. рисунок 8. Данное решение позволяет возвратить обратно в цикл тепло, которое было бы безвозвратно потеряно в ресивере-конденсаторе.

 

Рисунок 8. Использование рекуператора в контуре высокого давления для повышения эффективности ORC турбины

 

Использование рекуператора позволяет повысить эффективность на 4,73%.

1.11. Предварительный подогрев рабочего тела, поступающего в теплообменник перегреватель низкого давления за счёт тепла, выделяемого в опорах роторов и обмотках статоров генераторов и тяговых электродвигателей, см. рисунок 9. Данное решение позволяет использовать тепло, безвозвратно теряемое при охлаждении статоров электрических машин и статических преобразователей напряжения, которое позволяет повысить эффективность на 0,61%.

 

Рисунок 9. Предварительный подогрев рабочего тела за счёт энергии, выделяемой в обмотках статоров электрических машин и опор роторов

 

1.12. Снижение температуры статоров электрических машин от плюс 50…60 до минус -56,5 °С за счёт прокачки рабочего тела с криогенной температурой: данное решение снижает потери с 5 до 2,2% и как следствие повышает эффективность с 95 до 97,8 %.

Снижение потерь объясняется снижением электрического сопротивления медных проводников статоров в 1,7 раза, см. рисунок 10.

 

Рисунок 10. Зависимость сопротивления меди и железа от температуры

 

1.13. Использование тепла выхлопных газов и скрытой теплоты парообразования в теплообменнике перегревателе низкого давления за счёт охлаждения выхлопных газов ниже точки росы: такое охлаждение возможно за счёт начальной криогенной температуры рабочего тела в ресивере-конденсаторе минус 56,5 °С, которая остаётся достаточно низкой (отрицательной), даже после его подогрева в обмотках статоров электрических машин и статических преобразователей напряжения, см. рисунок 11.

 

Рисунок 11. Охлаждение выхлопных газов ниже точки росы с целью использования скрытой теплоты парообразования в органическом цикле Ренкина

 

Из результатов расчётов следует, что скрытая теплота парообразования при охлаждении выхлопных газов ниже точки росы при впрыске воды перед рекуператором газотурбинного двигателя позволяет получить примерно в 5,2 раз больше тепла, содержащегося в газовой составляющей выхлопных газов при их охлаждении от 60 до 15 °С.

Данное решение позволяет увеличить эффективность на 8,54%.

1.14. Использование воды, сконденсировавшейся в теплообменнике перегревателе низкого давления:

• для водоснабжения морских судов и электростанций, эксплуатирующихся в условиях дефицита пресной воды;
• для получения пара, который подаётся в камеру сгорания для одновременного повышения мощности и эффективности установки (энергетический впрыск), а также снижения уровней эмиссии по NO_x, СО и СО₂ (экологический впрыск). При этом образование пара происходит в два этапа: на первом этапе обессоленная, прошедшая катионитную и анионитную очистку вода распыляется и испаряется за воздушным компрессором, а затем поступает в рекуператор, после чего на втором этапе гомогенная паровоздушная смесь поступает в камеру сгорания, см. рисунок 12.

 

Рисунок 12. Сбор сконденсированной воды в теплообменнике испарителе низкого давления, её обессоливание и впрыск за компрессором газотурбинного двигателя для повышения эффективности, мощности и снижения уровней эмиссии по NO_x и СО

 

Впрыск пара в камеру сгорания ГТУ позволяет повысить мощность газотурбинного двигателя, разгрузить воздушный компрессор за счёт снижения коэффициента избытка воздуха в камере сгорания, снизить температуру сгорания и продлить срок службы камеры и турбины, а также уменьшить выбросы вредных веществ. Также использование впрыска пара позволяет иметь при одинаковой эффективности газотурбинного значительно меньшую степень повышения давления в компрессоре.

Впрыск пара на рассматриваемом газотурбинном двигателе позволяет повысить его эффективность на 1,92%.

1.15. Впрыск пара в камеру сгорания для снижения уровней эмиссии по NO_x и СО.

На рисунок 13 показано влияние впрыска пара в диффузионной камере сгорания на образование оксидов азота NO_х при температуре 1 327 °С и давлении 50 бар при различных коэффициентах избытка воздуха a_кс, отношениях впрыскиваемого пара к расходу воздуха и временах нахождения продуктов сгорания в камере [15].

 

Рисунок 13. Зависимость концентрации оксидов азота NO_x и угарного газа СО от соотношения расхода пара к расходу воздуха для коэффициентов избытка воздуха a_кс =1,2 а) и a_кс =1,4 б) при различных временах пребывания продуктов сгорания в камере при давлении 50 бар: 1- 0,01 с, 2-0,03, 3-0,05 с

 

На рисунок 14 показано влияние температуры и концентрации оксидов азота NO_x, времени горения смеси метана в воздухе в гомогенной в камере сгорания для разных соотношений расходов пара к расходу воздуха, давлении 50 бар и температуре 700 К, [15].

 

Рисунок 14. Зависимость концентрации оксидов азота NO_х и температуры продуктов сгорания от времени их нахождения в камере при сгорании метана в воздухе при впрыске пара в камеру при температуре

700 К и 50 бар при коэффициенте избытка воздуха a_кс =1,2, при отношениях впрыскиваемого массового расхода пара к массовому расходу воздуха 0,3 (1), 0,35 (2), 0,4 (3) и 0,45 (4)

 

На рисунке 15 представлены результаты расчетов уровней эмиссии оксидов NO_x и CО при впрыске пара в камеру сгорания [1] и [3], выполненные различными авторами.

 

Рисунок 15. Влияние впрыска пара в камеру сгорания на образование NO_х и СО,   из разных источников [1] и [3]

 

Из представленных на рисунке 15 графиков следует, что выбор отношения массового расхода пара к массовому расходу топлива для одновременного снижения уровней эмиссии по NO_х и СО является компромиссным решением, поскольку с одной стороны увеличение отношения расхода пара к расходу топлива ведёт к увеличению эффективности газотурбинного двигателя и снижению эмиссии по NO_x, а с другой ведёт к увеличению выбросов угарного газа CO в связи со снижением температуры в стехиометрических зонах горения.

1.16. Поглощение углекислого СО₂ и угарного газа NO_x в теплообменнике испарителе контура низкого давления при охлаждении выхлопных газов ниже точки росы: см. рисунки 16 и 17, [10] и [15].

 

Рисунок 16. Поглощение сконденсированной водой СО₂ [15] и NO_x [10]

 

Рисунок 17. Пример поглощения NO_x сконденсированной водой при глубоком охлаждении выхлопных газов газового парового котла [10]

 

1.17. Подготовка воды, используемой для получения пара, впрыскиваемого камеру сгорания.

В Таблице 1 представлен химический состав конденсата, который образуется в конденсационном газовом котле при его полной конденсации, [11], а также оценка концентраций в случае впрыска пара в зону горения при отношении расхода пара к расходу газообразного топлива равного 6, а в Таблице 2 [14] требования компании General Electric к качеству воды, используемой для получения пара, впрыскиваемого в камеру сгорания.

Таблица 1.

Химический состав конденсата, который образуется в конденсационном газовом котле без впрыска и с впрыском пара в зону горения в 6 раз превышающих расход топлива

 

Таблица 2.

Требования к качеству воды, используемой для получения пара впрыскиваемого в камеру сгорания для газотурбинных двигателей компании General Electric

 

Из представленных данных в Таблицах 1 и 2, а также на рисунке 16 следует, что сконденсированная вода перед впрыском в двигатель для получения пара должна подвергаться очистке от солей: также впрыск пара существенно снижает концентрацию поглощённых выбросов в сконденсированной воде, что существенно упрощает задачу очистки (обессоливания) воды.

1.17. Использование газообразного топлива и охлаждения выхлопных газов ниже точки росы, например, до плюс 15 °С, позволяет исключить из выхлопных газов сажистые частицы и воду. Данное решение позволяет, например, для летательного аппарата, снизить уровень его заметности в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазоне электромагнитного спектра, см. рисунки 18 и 19.

 

Рисунок 18. Примеры демаскирования летательных аппаратов в видимом диапазоне спектра струями выхлопных газов, содержащие сажистые частицы и воду

 

Рисунок 19. Примеры сигнатур двух истребителей в инфракрасном диапазоне спектра с различными температурами струй выхлопных газов и содержанием сажистых частиц

 

1.18. Использование гомогенной камеры сгорания, в которую предварительно смешанные с воздухом топливо и пар и поступают в газообразном состоянии.

Перед подачей в камеру жидкое топливо последовательно нагревается в статорах электродвигателей циркуляционных насосов от температуры -56,5 °С, а затем испаряется и перегревается в теплообменниках перегревателях низкого и высокого давления до температуры выхлопных газов, см. рисунок 20: при этом дозирование топлива осуществляется в газообразном состоянии перед его нагревом до температуры выхлопных газов.

 

Рисунок 20. Подача топлива в камеру сгорания в газообразном состоянии с предварительным подогревом, испарением и перегревом за счёт тепла, выделяемого в обмотках статоров циркуляционных насосов и выхлопных газов

 

Данное решение позволяет увеличить КПД рассматриваемого газотурбинного двигателя с рекуператором примерно на 1,28%.

На рисунке 21 показаны процессы горения топлива в жидком и газообразном состоянии [2] в диффузионной и гомогенной камерах сгорания.

 

Рисунок 21. Сравнение процессов горения топлива в диффузионной и гомогенной камере сгорания в жидком и газообразном состоянии

 

Как следует из рисунка 21 процесс образования газовоздушной смеси в гомогенной камере сгорания происходит вне объёма факела. Поэтому горение в гомогенном факеле протекает интенсивнее и полностью завершается на небольшом участке, а факел получается коротким и несветящимся. При этом значительно повышается полнота сгорания и уменьшается коэффициент избытка воздуха [4], а также образуется более равномерное поле температур на входе в турбину.

В диффузионном факеле, в котором обычно происходит горение жидкого топлива процессы смешения и горения протекают в реакционном объёме. В данном случае лимитирующим является процесс смесеобразования в связи с чем диффузионный факел, в котором происходит горение жидкого топлива, оказывается значительно более протяжённым, чем гомогенный.

Следствием этого является значительно большее время нахождения продуктов сгорания в диффузионной камере чем в гомогенной, см. рисунок 21.

Таким образом предлагаемое решение по использованию гомогенной камеры сгорания с горением нагретого топлива в газообразном состоянии позволяет не только повысить эффективность газотурбинного двигателя, но и существенно снизить уровень эмиссии по NO_х в связи с существенным сокращением времени нахождения продуктов сгорания в камере, например, за счёт сокращения её размеров, см. рисунки 13 и 14.

1.19. Исключение из конструкции установки масляной системы за счёт использования для охлаждения опор роторов рабочего тела, которое используется в органическом цикле Ренкина, см. рисунок 9;

1.20. Использования в качестве опор роторов установки:

• гибридных и керамических подшипников качения см. рисунок 22;

 

Рисунок 22. Использование гибридных и керамических подшипников вместо металлических подшипников качения [13]

 

• газо-магнитных подшипников, см. 23, не требующие для обеспечения своей работы маслосистемы.

 

Рисунок 23. Использование газомагнитных подшипников вместо металлических подшипников качения, являющихся симбиозом магнитных и газодинамических

 

1.21. Использование одновальной двухопорной схемы ротора с положением опор в холодных зонах, запуск газотурбинного двигателя с помощью генератора, который работает в стартёрном режиме вместо традиционной двухвальной с отдельным стартёром, см. рисунок 24.

 

Рисунок 24. Использование одновальной двухопорной схемы ротора с положением опор в холодных зонах, запуск газотурбинного двигателя с помощью генератора, который работает в стартёрном режиме

 

Выводы

Разработаны технические решения для установок с комбинированным циклом, которые могут быть использованы на водном, наземном и воздушном транспорте, а также стационарных энергетических объектах, которые используются в районах с холодным и жарким климатом, где отсутствуют источники воды, не уступающие по своей эффективности существующим установкам с аналогичной электрической мощностью, которые в цикле Ренкина используют водяной пар.

2. Предложенные технические решения позволяют существенно упростить технологический процесс генерации электрической энергии за счёт использования органического цикла Ренкина с ORC турбинами, в которых в качестве рабочего тела используются высокомолекулярные рабочие тела с невысокими рабочими температурами и давлениями.

3. Технологии ORC турбин (органический цикл Ренкина), также позволяют исключить и сократить:

• систему подпитки котла-утилизатора водой;
• систему продувки котла-утилизатора;
• систему химводоподготовки;
• маслосистему, используемой для обеспечения работы опор роторов;
• специальные системы, обеспечивающих отвод тепла из конденсатора;
• систему деаэрации пара (деаэратор);
• источник воды;
• систему вакуумирования конденсатора, работа которой сопровождается большими безвозвратными потерями воды;
• количество используемых рабочих жидкостей сокращается с шести (масло, вода, топливо, воздух, антифриз, химические реагенты) до одного…двух (топливо и рабочее тело).

3. Предложены следующие технические решения, позволяющие повысить эффективность цикла Брайтона (газотурбинного двигателя):

• рекуператор, который подогревает поступающий в камеру сгорания воздух за счёт энергии выхлопных газов за газовой турбиной: использование данного решения позволяет повысить эффективность, механический КПД газотурбинного двигателя с исходных 25,42 до 32,28 %, способный работать надёжно в связи отсутствием сажистых частиц при сгорании топлива;
• гомогенная камера сгорания, которая использует топливо в газообразном состоянии, последовательно нагреваемое в обмотках статоров циркуляционных насосов и далее теплообменниках перегревателях низкого и высокого давления: использование данного решения, позволяет повысит эффективность с 32,28 до 33,53%;
• впрыск воды за компрессором газотурбинного двигателя, которая испаряется и затем поступает рекуператор, дополнительно в нём перегреваясь перед поступлением в гомогенную камеру сгорания: применение данного решения позволяет поднять эффективность газотурбинного двигателя с 33,53 до 35,48% за счёт повышения удельной теплоёмкости выхлопных газов.

При этом эффективность газотурбинного двигателя 35,48% достигается при использовании одновальной, а не многовальной схемы, в два раза меньшей степени повышения давления в компрессоре и на 160 °С низкой температуре продуктов сгорания на входе в турбину.

4. Предложен способ получения высокоэнергетической паровоздушной смеси в рекуператоре газотурбинного двигателя перед её подачей в камеру сгорания без использования отдельного теплообменника.

5. Предложено решение с двумя контурами, высокого и низкого давления, для повышения эффективности органического цикла Ренкина.

Данное решение в комплексе с дополнительными решениями позволяет увеличить эффективность установки с 35,48 до 72,49%, а мощность с 594 до 1213,83 кВт.

6. Предложен способ, позволяющий обеспечить условия, при которых рабочее тело в ORC турбине совершает значительно большую работу, чем в обычных условиях за счёт:

• глубокого охлаждения рабочего тела с помощью турбодетандера в контуре низкого давления, который связан с контуром высокого давления через ресивер-конденсатор без использования внешнего источника холода;
•  конденсации рабочего тела контура высокого давления за счёт использования низкотемпературного рабочего тела из контура низкого давления без использования отдельной системы охлаждения конденсатора;
• принудительного, гарантированного поддержания разрежения в ресивере-конденсаторе с помощью вакуумного насоса, исключающее поступление воздуха во внутрь контура.

7. Предложен способ охлаждения обмоток статоров электрических машин с помощью криогенного рабочего тела используемого в органическом цикле Ренкина, позволяющего повысить КПД генератора и приводных электродвигателей  с 95 до 97,8% за счёт снижения их сопротивления и исключения отдельной системы охлаждения.

При этом за счёт тепла  и отводимого из обмоток статоров генератора электродвигателей в контуре низкого давления дополнительно вырабатывается ещё 10,26 кВт мощности.

8. Предложено решение для охлаждения выхлопных газов ниже точки росы с помощью криогенного рабочего тела, позволяющее существенно снизить массу и габариты теплообменника перегревателя низкого давления.

9. Предложен способ повышения эффективности органического цикла Ренкина за счёт использования скрытой теплоты парообразования в контуре низкого давления при охлаждении выхлопных газов ниже точки росы: поступающий в камеру сгорания газотурбинного двигателя пар существенно повышает эффект в связи с конденсацией значительно большего количества воды, чем только при сгорании топлива.

Так из мощности турбодетандера  равной 184,74 кВт, 152,39 кВт приходится на вклад от скрытой теплоты парообразования, причём из них 122,528 кВт обеспечивает сконденсированная вода, которая впрыскивается за компрессором, и лишь 29,86 кВт сконденсированная вода, образующаяся при сгорании топлива. Оставшиеся мощность 32,35 кВт вырабатывается за счёт тепла выхлопных газов.

10. Предложено решение, позволяющие снизить риски наступления термической деструкции рабочего тела, используемого в контуре высокого давления за счёт снижения температуры выхлопных на входе теплообменник-перегреватель высокого давления с 600…700 до 350…460 °С за счёт использования рекуператора в газотурбинном двигателе.

11. Предложено решение по снижению уровней эмиссии в камере сгорания за счёт впрыска пара, для генерации которого используется сконденсированная вода, получаемая при охлаждении выхлопных газов ниже точки росы.

12. Предложено решение по снижению уровней эмиссии выхлопных газов за счёт их поглощения конденсируемой водой, образующейся при охлаждении выхлопных газов ниже точки росы.

13. Предложены следующие технические решения с целью упрощения конструкции газотурбинного двигателя:

• использование керамических, гибридных и газомагнитных подшипников вместо обычных металлических качения для опор роторов;
• использование электрического генератора вместо стартёра для запуска газотурбинного двигателя;
• исключение маслосистемы;
• размещение опор ротора в холодных зонах;
• использование одновальной схемы для газотурбинного двигателя вместо двухвальной с опорами в холодных зонах;
• упрощения конструкции компрессора за счёт снижения степени повышения давления с 8…9 до 4,2.

2 Исходные данные для предварительных расчётов концептуальной турбоэлектрической установки, в которой реализованы предлагаемые технические решения

2.1 Исходные данные для расчёта параметров газотурбинного двигателя

За основу для расчёта был принят перспективный газотурбинный турбовальный двигатель мощностью 594 кВт с характеристиками для  стандартных атмосферных условий.

В Таблице 3 представлены исходные данные, которые были приняты для расчётов в программе Gasturb, а на рисунок 25 представлена используемая расчётная схема.

 

Рисунок 25. Расчётная схема для расчёта параметров газотурбинного двигателя

 

2.2 Исходные данные для расчёта параметров ORC турбин

На рисунке 26 представлена диаграмма Мольера для пропана с нанесёнными рабочими циклами, а также энтальпии, температуры и давления, которые были использованы для расчётов.

 

Рисунок 26. Диаграмма Мольера для пропана с нанесёнными рабочими циклами, а также энтальпии, температуры и давления схема, которые была использованы для расчётов

 

На рисунке 27 представлена технологическая схема, с учитывающая предложенные технические решения, которая использовалась для расчётов.

 

Рисунок 27. Технологическая схема, используемая для проведения расчётов

 

3. Результаты расчётов

Таблица 3.

Результаты расчётов основных параметров установки

 

4. Эскизная компоновка установки, выполненная по одновальной схеме

 

Рисунок 28. Эскизная компоновка установки, выполненная по одновальной схеме

 

5. Принципиальные схемы, отображающие процессы, протекающие внутри установки

 

Рисунок 29. Принципиальные схемы контура низкого и высокого давления

 

Рисунок 30. Принципиальные схемы топливной системы и газовоздушного тракта

 

6. Сравнение характеристик БПЛА Альтиус с дизельными двигателями и предлагаемой силовой установкой

 

Рисунок 31. Сравнение характеристик БПЛА Альтиус с дизельными двигателями RED A03 и предлагаемой силовой установкой

 

Список литературы:

1. Акользин А.П, Жуков А.П., Кислородная коррозия оборудования химических производст.-М.:Химия, 1985.
2. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П; под ред. В.П. Глушко Теория ракетных двигателей: Учебник для студентов высших учебных заведений.-М: Машиностроение, 1989.-464с.: ил. ISBN 5-217-00358-8.
3. Ashkan SEHATa , Fathollah OMMIb, Zoheir SABOOHIc a PhD student, Kish International Campus University of Tehran, Kish Island, Iran b* Professor, Tarbiat Modares University (TMU), EFFECTS OF STEAM ADDITION AND/OR INJECTION ON THE COMBUSTION CHARACTERISTICS: A REVIEW.
4. Белоусов В.Н., Смородин С.Н., Смирнов О.С Топливо и теория горения. Часть II, Учебное пособие, Санкт-Петербургский государственный технологический институт растительных полимеров, Санкт-Петербург 2011.
5. Babatunde, A. Fakeye and 1 Sunday, O. Oyedepo, A Review of Working Fluids for Organic Rankine Cycle (ORC) Applications, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 413 (2018).
6. B. Vanslambroucka, I. Vankeirsbilcka , M. van den Broeka , S. Guseva, M. Efficiency Comparison between the Steam Cycle and the Organic Rankine Cycle for Small Scale Power Generation De Paepeb aDepartment of Electromechanics, Howest, Graaf Karel de Goedelaan 5, 8500 Kortrijk, Belgium bDepartment of Flow, Heat, and Combustion Mechanics, Ghent University, Sint-Pietersnieuwstraat 41, 9000 Gent, Belgium.
7. https://www.guinnessworldrecords.com/world-records/431420-most-efficient-combined-cycle-power-plant.
8. https://power.mhi.com/news/20200402.html.
9. https://power.mhi.com/products/gtcc.
10. John Patrick Herrmann. THE ABSORPTION OF NITROGEN DIOXIDE BY CONDENSING WATER DROPLETS. In Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree Master of Science in Chemical Engineering.
11. Jirí Horák , Lenka Kubo nová , Milan Dej, Jirí Ryšavý, Stanislav Bajer, Zden ek Kysuˇcan, Pavel Ulrich , Pavel Mareˇcek , Filip Tesaˇr , Martin Garba, František Hopan and Petr Praus, Long-Term Neutralization of Acidic Condensate from Gas Condensing Boilers, Sustainability 2022, 14, 15015. https://doi.org/10.3390/ su142215015.
12. Кудинов А.А. УДК 662.613 Энергосбережение в теплогенерирующих установках. - Ульяновск: УлГТУ, 2000.-139.
13. Ножницкий Ю.А., Петров Н.И., Лаврентьев Ю.Л., УДК 621.452:621.822.6, Гибридные подшипники качения для авиационных двигателей (обзор), Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова, г. Москва, Авиационные двигатели 12 (3) 2019.
14. Requirements for Water and Steam Purity for Injection in Aero Derivative Gas Turbines, GE Energy, MID-TD-0000-3 June 2004.
15. Чунарев Т. Ф. УДК 621.438.038.2, БАКАЛАВРСКАЯ РАБОТА, Влияние на экологические и энергетические характеристики ГТУ впрыска экологического и энергетического пара в камеру сгорания, «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ».