СПОСОБ РАБОТЫ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 1997 года по МПК F02C3/16 

Изобретение относится к теплоэнергетике.

Известен способ работы газотурбинной установки, включающий сжатие окислителя, сжигание топливного газа, полученного в газификаторе, путем смешения с окислителем и расширения рабочего тела в много ступенчатой осевой турбине с лопатками [1]
Недостатком известного способа являются недостаточно высокие технико - экономические показатели способа. Задачей на решение которой направлено настоящее изобретение, является устранение указанных недостатков.

Поставленная задача решается за счет того, что при осуществлении способа работы газотурбинной установки, включающего сжатия окислителя, сжигание топливного газа путем смешения его с окислителем и расширение рабочего тела в многоступенчатой осевой турбине с лопатками, сжигание топливного газа производят в процессе его расширения в качестве компонента рабочего тела в турбине, подавая топливный газ на вход последней, а окислитель - непосредственно в ступени расширения турбины через ее лопатки, при этом температуру топливного газа на входе в турбину поддерживают выше температуры его воспламенения, а подачу окислителя распределяют по ступеням расширения так, чтобы температура топливного газа при расширении оставалась выше температуры его воспламенения.

Это позволит максимально приблизить процесс расширения в турбине к изотермическому, практически совмещая его с процессом горения топлива. При этом воздушное охлаждение лопаток турбины естественным образом вписывается в тепловой цикл установки. В конечном счете повышаются технико-экономические и экологические показатели установки.

На чертеже изображена принципиальная схема станции, реализующей заявляемый способ работы предлагаемой установки и включающей последнюю в качестве составной части.

Станция содержит компрессор 1, камеру газификации (т. е. неполного сжигания) топлива 2 и турбину 3. При этом межлопаточное пространство (по крайней мере его часть) проточной части турбины 3 выступает здесь и как камера сгорания (в т. ч. может рассматриваться как продолжение камеры 2). Проточность часть компрессора 1 связана с проточной частью турбины 3 посредством воздуховодов 4, которые через лопатки 5 турбины 3.

Работает станция следующим образом.

Атмосферный воздух сжимается компрессором 1 и подается в камеру 2, где сжигается топливо с коэффициентом избытка воздуха меньше единицы. Продукты неполного сгорания топлива в виде топливного газа, содержащего водород и окись углерода, с температурой порядка 800^oС или выше поступают на вход турбины 3. Одновременно воздух из отборов компрессора 1 по воздуховодам 4 подается через направляющие и/или рабочие лопатки 5, охлаждая их, в проточную часть турбины 3. Поскольку поступающий в турбину топливный газ содержит горючие составляющие и имеет температуру выше температуры воспламенения последних (510 659^oС), то смешение такого газа с подаваемым через лопатки 5 воздухом вызовет протекание реакций с повышением температуры газа. При этом скорость и полнота протекания реакций тепломассообмена будут достаточно большими из за высокой температуры, сильного перемешивания и высокой реакционности горючих составляющих газа. Рабочее тело, расширяясь в турбине 3, приводит во вращение ее, компрессор 1 и любую нагрузку, например электрогенератор.

Следовательно, в данном случае рабочее тело на входе в турбину состоит из единственного компонента топливного газа, но в процессе расширения к ней добавляются другие: окислитель (по крайней мере на некоторых участках движения газа в проточной части турбины) и продукты сгорания. Причем расход воздуха через лопатки 5 подбирается таким, чтобы выделение тепла при горении топливного газа в его атмосфере компенсировало снижение температуры рабочего тела из за расширения и температура топливного газа (в составе рабочего тела) всегда была выше температуры его воспламенения. Это необходимо для инициирования. Это необходимо для инициирования реакций горения при подмешивании окислителя (через лопатки 5 к рабочему телу в процессе его расширения в турбине). Более того, при соответствующем распределении подачи воздуха можно обеспечить почти изотермическое расширение рабочего тела в турбине. При этом турбина может быть выполнена в виде нескольких каскадов.

На такой станции может использоваться любое топливо, из которого возможно получение топливного газа: уголь, мазут, природный газ и т. д. Для предотвращения образования сажи в камеру газификации может добавляться водяной пар. При этом ввод топлива в нее предпочтительно проводить в таком количестве, чтобы полученный на его основе топливный газ успел полностью выгореть до завершения процесса расширения в турбине. В качестве топливного газа может использоваться также природный газ ( в смеси с водяным паром) или водород, а в качестве окислителя кислород.

Таким образом, при данном способе работы предлагаемой установки сжигание топливного газа осуществляется практически одновременно (параллельно) с расширением. Поэтому в турбине возможно квазиизотермическое расширение рабочего тела для повышения КПД установки. При этом также: воздушное охлаждение проточной части турбины естественным образом вписывается в тепловой цикл установки; за счет ступенчатого (растянутого) сжигания топлива с организацией восстановительной среды на начальных ступенях подавляется образование окислов азота.

Данные технические предложения могут найти применение как в стационарной энергетике, так и в двигателях судов, самолетов и других транспортных средств.

Использование: в теплоэнергетике. Сущность изобретения: топливный газ из газификатора поступает на вход турбины, а воздух из отборов компрессора по воздуховодам подается через лопатки, охлаждая их, в проточную часть турбины. Поскольку поступающий в турбину топливный газ содержит горючие компоненты и имеет температуру выше температуры воспламенения последних, то смешение такого газа с подаваемым воздухом вызовет горение горючих компонентов и повышение температуры газа. Соответствующим распределением подачи воздуха можно обеспечить почти изотермическое расширение газа в турбине. 1 ил.

Способ работы газотурбинной установки, включающий сжатие окислителя, сжигание топливного газа путем смешения его с окислителем и расширение рабочего тела в многоступенчатой осевой турбине с лопатками, отличающийся тем, что сжигание топливного газа осуществляют в процессе его расширения в качестве компонента рабочего тела в турбине, подавая топливный газ на вход последней, а окислитель непосредственно в ступени расширения турбины через ее лопатки, при этом температуру топливного газа на входе в турбину поддерживают выше температуры его воспламенения, а подачу окислителя распределяют по ступеням расширения так, чтобы температура топливного газа при расширении оставалась выше температуры его воспламенения.