ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА (ЕЕ ВАРИАНТ) Российский патент 1998 года по МПК F02C7/22 

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для тепловой и химической обработки помещений, оборудования и других объектов народного хозяйства рабочим телом (продуктами сгорания углеводородного топлива в воздухе), вырабатываемым установкой в виде горячего газа (продукты сгорания, охлажденные воздухом).

Известны газотурбинные установки, содержащие турбину и компрессор, расположенные на общем валу, камеру сгорания с топливными форсунками, агрегаты управления, магистраль подачи топлива [1].

Данная схема широко используется в авиационных газотурбинных двигателях для выработки газа, создающего тягу двигателя. Однако она не может быть широко применена для получения рабочего тела, используемого для тепловой обработки объектов народного хозяйства из-за высокой стоимости установки и эксплуатационной нетехнологичности.

Известна газотурбинная установка, содержащая турбину и компрессор, расположенные на одном валу, сообщенную выходом со входом в турбину, а входом с выходом из компрессора, камеру сгорания с топливными форсунками, выполненными с каналом течения воздуха в виде диффузора и каналом течения топлива в виде цилиндрического насадка, соосно расположенного во входной части диффузора, магистраль подачи топлива, оснащенную емкостью, соединенной с форсунками камеры сгорания [2].

Недостатком известной установки является то, что она не может быть широко применена для получения рабочего тепла, используемого для тепловой обработки объектов народного хозяйства из-за высокой стоимости установки и эксплуатационной нетехнологичности.

Задачей изобретения является расширение арсенала технических средств и улучшение основных характеристик газотурбинной установки путем создания установки малогабаритной, мобильной, высокоэкономичной, простой по конструкции, с хорошей эксплуатационной технологичностью, обеспечивающей выработку рабочего тела - газа для тепловой обработки различных объектов с требуемыми параметрами и минимальными вредными выбросами в окружающую среду.

Поставленная цель достигается за счет того, что в газотурбинной установке, содержащей турбину и компрессор, расположенные на одном валу, сообщенную выходом со входом в турбину, а входом с выходом из компрессора, камеру сгорания с топливными форсунками, выполненными с каналами течения воздуха в виде диффузора и каналом течения топлива в виде цилиндрического насадка, соосно расположенного во входной части диффузора, магистраль подачи топлива, оснащенную емкостью, соединенной с форсунками камеры сгорания, емкость сообщена с выходом из компрессора и соединена с форсунками через пуско-отсечной клапан с подпружиненным чувствительным элементом, подпружиненная полость которого сообщена с атмосферой, противоположная - с выходом из компрессора, а диффузор канала течения воздуха топливных форсунок выполнен с углом конусности 6-12^o. Емкость сообщена с внешним источником подвода топлива и снабжена поплавковой камерой, поплавок которой взаимодействует с запорным органом, установленным на магистрали подвода топлива.

Для обеспечения работы установки с подачей топлива в камеру сгорания самотеком, т. е. без наддува емкости воздухом после компрессора, в ней магистраль подачи топлива оснащена емкостью, сообщенной не с выходом из компрессора, а с окружающей средой. Остальные элементы и линии соединения сохранены, как и в варианте установки с наддувом емкости воздухом после компрессора.

На фиг. 1 и 2 изображена установка для выработки рабочего тела в виде продуктов сгорания, охлажденных воздухом с подачей топлива соответственно под давлением компрессора и самотеком; на фиг. 3 - фрагмент топливной форсунки камеры сгорания.

Парогазотурбинная установка (варианты) включает: 1 - турбину, 2 - компрессор; 3 - камеру сгорания; 4 - канал течения воздуха в топливной форсунке в виде диффузора; 5 - канал течения топлива в топливной форсунке в виде цилиндрического насадка; 6 - клапан пуско-отсечной; 7 - подпружиненный чувствительный элемент, например, в виде мембраны; 8 - топливную емкость; 9 - поплавок; 10 - запорный орган; 11 - клапан обратный; 12 - клапан обратный; 13 - вентиль; 14 - выход из компрессора (полость после компрессора); 15 - окружающую среду (атмосферу); 16 - подвод топлива от внешнего источника; 17 - магистраль подачи топлива; 18 - входную часть диффузора форсунки; 19 - конфузор форсунки; 20 - свечу накаливания; А - полость чувствительного элемента, противоположную его подпружиненной полости; Б - подпружиненную полость чувствительного элемента; α - угол конусности диффузора форсунки, равный 6-12^oC.

В предложенной газотурбинной установке турбины 1 и компрессор 2 расположены на общем валу, а камера сгорания 3 выполнена с топливными форсунками в виде струйных аппаратов для пневмотранспорта, где в качестве рабочей среды используется упругая среда - сжатый воздух после компрессора 2, а инжектируемой средой является жидкое топливо, при этом сжатый воздух подается по каналу, выполненному в виде диффузора 4, а топливо - по цилиндрическому насадку 5, соосно расположенному во входной части 18 диффузора. При этом подвод воздуха к диффузору выполнен в виде конфузора 19, а угол конусности диффузора равен α = 6-12^oC (с целью уменьшения гидравлических потерь).

Топливо подается через пуско-отсечной клапан 6 с чувствительным элементом, выполненным в виде мембраны 7, которая образует управляющие полости А и Б. Полость А сообщена с полостью 14 после компрессора 2, а полость Б - с атмосферой 15.

Вход в клапан 6 соединен с топливной емкостью 8, установленной на магистрали подачи топлива 17 и выполненной с поплавком 9 и запорным органом 10 в виде поворотной заслонки, установленной на линии подачи топлива в емкость 8 от внешнего источника 16.

Емкость 8 сообщена с выходом 14 из компрессора 2 и внешним источником подачи топлива 16 через обратные клапаны 11, 12. На выходе из емкости до клапана 6 установлен вентиль 13.

В предложенных газотурбинных установках не показаны решения по обеспечению работоспособности опор ротора, организации запуска и др. В данных установках могут быть применены газостатические подшипники или опоры сухого трения. Запуск может быть осуществлен путем подачи воздуха с определенным расходом и давления от внешнего источника на вход в компрессор 2, а поджиг топливо-воздушной смеси можно осуществить от свечи накаливания 20.

Принцип работы газотурбинной установки (фиг. 1) заключается в следующем.

Запуск установки не отличается от запуска известных газотурбинных установок, за исключением того, что перед запуском необходимо емкость 8 заправить топливом и открыть вентиль 13.

Раскрутка ротора газотурбинной установки производится путем подачи сжатого воздуха непосредственно на вход в компрессор 2.

Раскрутка продолжается до тех пор, пока камера сгорания не начнет "работать", что произойдет после того, как давление воздуха за компрессором возрастет до величины, достаточной для открытия клапана 6. После открытия клапана 6 топливо из емкости 8 поступает в камеру сгорания 3, где образуется топливо-воздушная смесь, которая воспламеняется от разогретой свечи накаливания.

Одновременно идет наддув емкости 8 воздухом после компрессора, что необходимо для обеспечения расчетного режима подачи топлива в форсунку камеры сгорания. Достаточность перепада давления для подачи топлива в камеру сгорания достигается, с одной стороны, за счет того, что осуществляется наддув топливной емкости, а с другой - за счет того, что топливо попадает в сечение воздушного потока, в котором самое минимальное давление (используется принцип струйного аппарата). При этом, как известно, достигается высокое качество смесеобразования и следовательно, высокая полнота сгорания топлива.

Емкость 8, оснащенная поплавковой камерой, обеспечивает подачу топлива в камеру сгорания 3 с заданными параметрами, независимо от изменения параметров внешних источников подвода топлива, и позволяет иметь гарантированный запас топлива для выполнения ряда конкретных видов обработки объектов за счет топлива емкости, объем которой может быть различен в зависимости от условий эксплуатации.

После выхода установки на заданный режим продукты сгорания, охлажденные воздухом до определенной температуры, отбираются к потребителю после турбины, где температура газа будет несколько ниже, чем до турбины.

Техническое решение согласно схеме, представленной на фиг. 1, позволяет использовать серийно выпускаемые турбины и компрессоры, используемые для наддува двигателей внутреннего сгорания, например известные турбокомпрессоры типа ТКР6, ТКР8-5, ТКР9 и др.

С другой стороны, расчеты показывают, если в указанных ТКР вместо радиально-осевой турбины выполнить турбину чисто осевой, причем с сопловым аппаратом, то моно создать газотурбинную установку на давление после компрессора не выше 1,6 кгс/см², при котором можно реализовать давление во входной части диффузора форсунки (место расположения топливного насадка) меньше атмосферного, что позволит осуществить подачу топлива без наддува емкости.

Для получения рабочего тела установкой по п. 4 формулы изобретения наддув топливной емкости 8 не требуется (фиг. 2), т.к. в камере сгорания использованы форсунки с подводом топлива во входную часть диффузора сопла, где давление составляет 0,528-0,6 от входного давления воздуха, что обеспечивает хорошие эжекционные свойства форсунки. Так, при давлении воздуха на входе в форсунку 1,5 кгс/см² давление в минимальном сечении сопла (месте впрыска топлива) будет не более 0,9 кгс/см², что обеспечивает перепад давления впрыска топлива не менее 0,1 кгс/см². Это достаточно для таких типов форсунок.

Для перевода работы установки на режим подачи топлив самотеком (без наддува емкости) обратный клапан 12 отсоединяется от топливной емкости 8, что обеспечивает сообщение полости емкости 8 с атмосферой, а обратный клапан 11 исключается из схемы, т.к. на внешний источник подвода топлива давление за компрессором (в емкости) не будет воздействовать.

Останов установки производится путем закрытия вентиля 13. При этом расход топлива из емкости 8 прекращается, обороты падают, давление за компрессором 2 уменьшается и клапан 6 закрывается.

Останов установки может произойти и при прекращении подачи топлива от внешнего источника. В этом случае установка работает до полной выработки топлива из емкости 8.

Таким образом, предложенное техническое решение расширяет область применения теплопроизводящих установок за счет мобильности, простоты конструкции, высокой эффективности и эксплуатационной технологичности, т.е. расширяет арсенал технических средств и улучшает основные характеристики газотурбинной установки, предназначенной для тепловой обработки различных объектов и других целей.

Газотурбинная установка и ее вариант предназначены для тепловой и химической обработки помещений, оборудования рабочим теплом, вырабатываемым установкой в виде горячего газа. Газотурбинная установка содержит турбину и компрессор, расположенные на одном валу, сообщенную соответственно входом с выходом из компрессора и выходом с входом в турбину, камеру сгорания. Камера сгорания имеет топливные форсунки, выполненные с каналом течения воздуха в виде диффузора с углом конусности 6 - 12^o и каналом течения топлива в виде цилиндрического насадка, соосно расположенного во входной части диффузора. Также установка имеет магистраль подачи топлива, оснащенную емкостью, сообщенную выходом из компрессора или с атмосферой в варианте ее выполнения и соединенной с форсунками через пускоотсечной клапан с попружиненным чувствительным элементом. Подпружиненная полость чувствительного элемента сообщена с атмосферой, противоположная - с выходом из компрессора. Емкость сообщена с внешним источником подвода топлива и снабжена поплавковой камерой, поплавок которой взаимодействует с запорным органом, установленным на магистрали подвода топлива от внешнего источника. На магистралях, соединяющих емкость с выходом из компрессора и подвода топлива в емкость, установлены обратные клапаны. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Газотурбинная установка, содержащая турбину и компрессор, расположенные на одном валу, сообщенную выходом со входом в турбину, а входом с выходом из компрессора, камеру сгорания с топливными форсунками, выполненными с каналом течения воздуха в виде диффузора и каналом течения топлива в виде цилиндрического насадка, соосно расположенного во входной части диффузора, магистраль подачи топлива, оснащенную емкостью, соединенной с форсунками камеры сгорания, отличающаяся тем, что емкость сообщена с выходом из компрессора и соединена с форсунками через пуско-отсечной клапан с подпружиненным чувствительным элементом, подпружиненная полость которого сообщена с атмосферой, противоположная - с выходом из компрессора, а диффузор канала течения воздуха топливных форсунок выполнен с углом конусности 6 - 12^o. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что емкость сообщена с внешним источником подвода топлива и снабжена поплавковой камерой, поплавок которой взаимодействует с запорным органом, установленным на магистрали подвода топлива от внешнего источника. 3. Установка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что в ней на магистралях, соединяющих емкость с выходом из компрессора и подвода топлива в емкость, установлены обратные клапаны. 4. Газотурбинная установка, содержащая турбину и компрессор, расположенные на общем валу, сообщенную выходом со входом в турбину, а входом с выходом из компрессора, камеру сгорания с топливными форсунками, выполненными с каналом течения воздуха в виде диффузора и каналом течения топлива в виде цилиндрического насадка, соосно расположенного во входной части диффузора, магистраль подачи топлива, оснащенную емкостью, сообщенной с атмосферой и соединенной с форсунками камеры сгорания, отличающаяся тем, что емкость соединена с форсунками через пуско-отсечной клапан с подпружиненным чувствительным элементом, подпружиненная полость которого сообщена с атмосферой, противоположная - с выходом из компрессора, а диффузор канала течения воздуха выполнен с углом конусности 6 - 12^o. 5. Установка по п.4, отличающаяся тем, что емкость сообщена с внешним источником подвода топлива и снабжена поплавковой камерой, поплавок которой взаимодействует с запорным органом, установленным на магистрали подвода топлива от внешнего источника.