Изобретение относится к области газотурбостроения и может использоваться при создании как стационарных, так и транспортных газотурбинных установок (ГТУ) с более высокими экономичностью и удельной мощностью по сравнению с существующими, в частности для насосных станций газопроводов.
В качестве прототипа приняты способ конвертирования топлива в теплосиловой установке и устройство для его осуществления [1] . При использовании этого способа установку покидает только часть отработавших газов, а другую их часть направляют в камеру конверсии, туда же подают топливо, а образовавшиеся продукты конверсии сжимают и возвращают в камеру сгорания. Принятая в качестве прототипа ГТУ содержит компрессор, камеру сгорания, турбину и камеру конверсии. Конвертирование топлива в ней позволяет повысить экономичность установки.
Однако конвертирование топлива таким способом эффективно лишь в энергетических установках, работающих на стехиометрических продуктах сгорания. Современные же ГТУ работают на продуктах сгорания обедненных топливовоздушных смесей. В таком случае введение топлива в отработавшие газы, содержащие избыточное количество кислорода, сопровождалось бы окислением, а не конвертированием топлива. Но и в перспективных ГТУ со стехиометрической камерой сгорания повышение экономичности будет сопровождаться снижением удельной мощности установки из-за большей работы сжатия горячей среды, которую надо затратить, направляя продукты конверсии в камеру сгорания.
Целью изобретения является повышение экономичности и удельной мощности ГТУ регенерацией теплоты путем конвертирования топлива при любых условиях работы камеры сгорания.
Для достижения поставленной цели воздух, сжатый компрессором ГТУ, разделяют на две части, одну из которых направляют в конвертер, где организуют дополнительный термодинамический цикл теплового двигателя со стехиометрическим сгоранием и отводом теплоты путем конвертирования топлива. В конвертере тепловую энергию преобразуют в механическую энергию сил давления рабочей среды. Регенерируют не теплоту потока отработавших газов на выходе установки, а всю теплоту, отводимую в дополнительном цикле. Кроме ее частичной регенерации в самом дополнительном цикле, продукты конверсии из конвертера направляют в камеру сгорания, где их сжигают в остальной части воздуха, подаваемого компрессором. Величина этой части воздуха обусловлена допустимой температурой газа перед турбиной.
Для осуществления предлагаемого способа конвертирования топлива предлагается газотурбинная установка, содержащая компрессор, камеру сгорания и турбину, между компрессором и камерой сгорания которой установлен конвертер, где и происходит дополнительный цикл теплового двигателя. Конвертер состоит из расположенных последовательно форкамеры, разгонного сопла, камеры конверсии, диффузора и турбины конвертера.
Часть воздуха от компрессора поступает в форкамеру конвертера. Туда же подают стехиометрическую по отношению к этому количеству воздуха порцию продуктов конверсии и сжигают ее. Образовавшиеся газы расширяют в разгонном сопле и подают в камеру конверсии, куда поступает и топливо. Течение в камере конверсии осуществляют с высокой скоростью. В результате эндотермических реакций температура потока в камере конверсии снижается, а его плотность возрастает. Возникает термопрессовый эффект: вследствие отвода теплоты полное давление потока становится выше начального, которое он имел в форкамере.
Такое повышение давления путем отвода теплоты от потока является непосредственным полезным эффектом дополнительного цикла. Избыток давления продуктов конверсии, имеющих допустимую температуру, используют для получения полезной работы на турбине конвертера, расширяя их до давления воздуха за компрессором. После этого продукты конверсии сжигают, осуществляя регенерацию их теплоты, в форкамере и камере сгорания. Температура за камерой сгорания не будет превышать допустимого по условиям прочности лопаток турбины ГТУ уровня при соответствующим образом выбранном расходе части воздуха, направляемого в камеру сгорания непосредственно от компрессора.
Существенным отличием заявляемого способа конвертирования топлива в ГТУ является дополнительный отбор части сжатого воздуха и части конвертированного топлива, смешение их в стехиометрическом соотношении и осуществление конвертирования топлива путем его смешения с продуктами сгорания этой стехиометрической смеси после их расширения. Чтобы осуществить этот способ в схему ГТУ включают конвертер, подключенный к выходу компрессора, причем конвертер выполнен в виде последовательно соединенных по газу форкамеры, разгонного сопла, камеры конверсии, диффузора и турбины конвертера, выход которой подключен к камере сгорания и форкамере.
В результате повышается не только экономичность, но и удельная мощность установки. Благодаря организации стехиометрического процесса в форкамере конвертера положительный эффект достигается при любых условиях работы камеры сгорания ГТУ, обеспечивающей допустимую температуру газов.
На чертеже представлена схема предлагаемой газотурбинной установки с регенерацией теплоты путем конвертирования топлива.
Газотурбинная установка содержит компрессор 1, камеру сгорания 2, турбину 3 и конвертер 4, который состоит из расположенных последовательно форкамеры 5, разгонного сопла 6, камеры конверсии 7, диффузора 8 и турбины 9 конвертера. Форкамера 5 имеет топливоподающее устройство 10 для ввода в нее продуктов конверсии, а камера конверсии 7 - топливоподающее устройство 11. Вход конвертера 4 подключен к выходу компрессора 1, а его выход - к камере сгорания 2 и форкамере 5. Турбина 3 и турбина 9 конвертера связаны силовой передачей с компрессором 1 и потребителем полезной работы 12.
Воздух из окружающей среды с массовым расходом Gв поступает в компрессор 1, за которым его разделяют на два потока. Активный поток, расход которого равен Gв1, поступает в форкамеру 5 конвертера 4. Туда же через топливоподающее устройство 10 подают продукты конверсии, отбираемые от потока за турбиной 9 конвертера. Образовавшиеся в форкамере 5 стехиометрические продукты сгорания ускоряют в разгонном сопле 6 и направляют в камеру конверсии 7. Сюда же через топливоподающее устройство 11 вводят с расходом Gт топливо. В камере конверсии 7 происходят эндотермические реакции конверсии топлива, и полное давление высокоскоростного потока в результате отвода теплоты возрастает. Для преобразования кинетической энергии потока в энергию сил давления установлен диффузор 8. Продукты конверсии поступают затем на турбину 9 конвертера, где их давление, повышенное вследствие термопрессового эффекта, снижается до давления воздуха за компрессором 1.
Пассивную часть воздуха с расходом Gв2 от компрессора 1 направляют непосредственно в камеру сгорания 2, куда поступают и продукты конверсии из конвертера 4. Расход воздуха Gв2 устанавливают таким, чтобы продукты сгорания имели бы температуру, допустимую по условиям прочности лопаток турбины 3.
Включение в схему ГТУ конвертера, в котором создают и полезно используют повышение полного давления потока при отводе теплоты эндотермических реакций конверсии топлива, улучшает экономичность и энергетические показатели ГТУ.
Использование: в газотурбинных установках. Сущность изобретения: в газотурбинном цикле организуют дополнительный цикл для части рабочей среды со стехиометрическим сгоранием и конвертированием топлива в высокоскоростном потоке. Газотурбинная установка содержит компрессор, камеру сгорания, турбину, конвертер, состоящий из форкамеры, разгонного сопла, камеры конверсии, диффузора, турбины конвертера и топливоподающих устройств. Турбина, компрессор и турбина конвертера связаны силовой передачей. 2 с. п. ф-лы, 1 ил.
