ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2001 года по МПК F02C3/20 

Изобретение относится к газотурбинным установкам (ГТУ), и в частности, реализующим утилизацию тепла выхлопных газов с применением термохимического реактора для конверсии топлива.

Известно устройство тепловой машины (см. журнал "Химия и жизнь", 1987, N 11, с. 29), содержащей термохимический реактор для утилизации тепла выхлопных газов проведением реакции конверсии топлива, например метана или природного газа, углеводородного жидкого топлива. В известном устройстве в термохимический реактор подается топливо и часть продуктов сгорания из выхлопной системы, в которых содержатся пары воды и двуокись углерода, участвующие в химической реакции с топливом с образованием водорода и окиси углерода.

Недостаток известного устройства состоит в том, что продукты сгорания при коэффициенте избытка воздуха более единицы занимают значительный объем и подача их в камеру сгорания требует затрат дополнительной мощности, если в камере сгорания реализуется высокое давление.

Известно устройство газотурбинной установки (см. книгу В.Г. Носач. Энергия топлива. Киев: Наукова думка, 1989, с. 78 - прототип), содержащей термохимический реактор для утилизации тепла выхлопных газов ГТУ путем осуществления химической реакции топлива с частью продуктов сгорания.

Недостатком известного устройства также является затрата значительной мощности на повышение давления смеси топлива и продуктов сгорания при повышении экономичности ГТУ.

Задачей изобретения является уменьшение затрат мощности при повышении экономичности.

Указанная задача достигается за счет того, что в газотурбинной установке, содержащей газотурбинный двигатель с одной или несколькими камерами сгорания и выходным устройством, систему утилизации тепла выхлопных газов, включающую термохимический реактор, теплообменник-утилизатор с топливной и пароводяной секциями, установленный в выходном устройстве, термохимический реактор установлен в выходном устройстве и подключен к выходам из топливной и пароводяной секций, а выход из реактора подключен к камерам сгорания, причем массовый расход водяного пара через реактор определен выражением

где G_пар - массовый расход водяного пара через реактор;
G_т - суммарный массовый расход топлива через камеры сгорания;
μ_пар - молекулярный вес водяного пара;
μ_т - молекулярный вес топлива.

Сущность изобретения поясняется примером конструктивного выполнения, приведенным на фиг. 1, 2.

На фиг. 1 приведена предложенная ГТУ с одной камерой сгорания в газотурбинном двигателе.

На фиг. 2 приведена предложенная ГТУ с дополнительной камерой сгорания, установленной перед силовой турбиной двигателя.

Газотурбинная установка (фиг. 1) содержит газотурбинный двигатель 1 с камерой сгорания 2, силовой турбиной 3, передающей мощность внешней нагрузке 4, например нагнетателю или электрогенератору, выходным устройством 5, в котором установлен теплообменник-утилизатор 6. Теплообменник-утилизатор 6 содержит топливную секцию 7 с трубопроводом 8, краном 9 и патрубком 10, а также пароводяную секцию 11 с трубопроводом 12, краном 13, патрубком 14, трубопроводом 15 и краном 16. В выходном устройстве 5 установлен термохимический реактор 17, соединенный трубопроводом 18 через кран 19 с камерой сгорания 2. В газотурбинной установке может быть установлена дополнительная камера сгорания 20 (фиг. 2), например, перед силовой турбиной 3. Камера сгорания 20 трубопроводом 21 через кран 22 соединена с выходом термохимического реактора 17.

Газотурбинная установка работает следующим образом. Воздух из атмосферы (фиг. 1) поступает в газотурбинный двигатель 1, где благодаря сжиганию топлива в камере сгорания 2, повышаются его давление и температура. Образовавшиеся продукты сгорания совершают работу в силовой турбине 3, приводящей во вращение внешнюю нагрузку 4, например нагнетатель или электрогенератор. Из силовой турбины 3 выхлопные газы через выходное устройство 5 выбрасываются в атмосферу, обтекая элементы теплообменника-утилизатора 6. Тепло выхлопных газов воспринимается топливной секцией 7, в которую топливо подается по трубопроводу 8 через кран 9, а из патрубка 10 топливо, например метан, выходит подогретым. Кроме того, выхлопные газы отдают тепло элементам параводяной секции 11, в которую вода подается по трубопроводу 12 через кран 13, а из патрубка 14 выходит водяной пар. Часть воды или пара из секции 11 может отводиться по трубопроводу 15 через кран 16 на нужды потребителя. Кроме секций 7 и 11 теплообменника 6 выходные газы обтекают термохимический реактор 17, обеспечивая в нем достаточную температуру для реакции паровой конверсии между топливом, поступающим в реактор по патрубку 1 и водяным паром, поступающим в реактор по патрубку 14. Химическая реакция между топливом, например метаном, и водяным паром происходит следующим образом.

CH₄+H₂O=CO+3H₂-Q_погл
Тепловой эффект этой эндотермической реакции Q_погл в стандартных условиях при 20^o равен 49200 ккал/кмоль или 3070 ккал/на 1 кг метана. Образовавшиеся в результате реакции окись углерода (CO) и водорода (H₂) поглотили тепло, воспринятое от выхлопных газов и по трубопроводу 18 через кран 19 и смесь как конвертированное топливо, поступает в камеру сгорания 2, где сгорает в соответствии с экзотермической реакцией
CO+H₂+2O₂=CO₂+3H₂O+Q_сгор
с образованием продуктов полного сгорания и выделением тепла Q_сгор. Теплота сгорания Q_сгор в стандартных условиях при 20^oC равна 240990 ккал/кмоль или 15020 ккал на 1 кг метана, что превышает низшую удельную теплоту сгорания метана, равную 11954 ккал/кг.

Образовавшиеся продукты сгорания обеспечивают работу газотурбинного двигателя 1 и поступают в силовую турбину 3, совершая работу для привода внешней нагрузки 4, а затем выбрасываются в атмосферу через выходное устройство 5, обтекая теплообменник-утилизатор 6.

При установке дополнительной камеры сгорания 20 (фиг. 2) перед силовой турбиной 3, конвертированное топливо также поступает по трубопроводу 21 через кран 22 в камеру сгорания 20, в которой рабочий процесс происходит так же, как в камере сгорания 2, но в среде продуктов сгорания, поступивших из газотурбинного двигателя 1. Образовавшиеся продукты сгорания совершают работу, расширяясь в силовой турбине 3, передавая дополнительную мощность внешней нагрузке 4, после чего выбрасываются в атмосферу через выходное устройство 5, обтекая теплообменник-утилизатор 6.

Использование изобретения позволит на 20-25% повысить экономичность при затратах мощности на подачу конвертированного топлива 1-1,5%.

Газотурбинная установка содержит газотурбинный двигатель с одной или несколькими камерами сгорания и выходным устройством, систему утилизации тепла выхлопных газов, включающую термохимический реактор, теплообменник-утилизатор с топливной и пароводяной секциями, установленный в выходном устройстве. Термохимический реактор установлен в выходном устройстве и подключен к выходам из топливной и пароводяной секций. Выход из реактора подключен к камерам сгорания. Массовый расход водяного пара через реактор определяется по защищаемой формуле и зависит от суммарного массового топлива через камеры сгорания и молекулярных весов водяного пара и топлива. Изобретение позволяет уменьшить затраты мощности при повышении экономичности. 2 ил.

Газотурбинная установка, содержащая газотурбинный двигатель с одной или несколькими камерами сгорания и выходным устройством, систему утилизации тепла выхлопных газов, включающую термохимический реактор, теплообменник-утилизатор с топливной и пароводяной секциями, установленный в выходном устройстве, отличающийся тем, что термохимический реактор установлен в выходном устройстве и подключен к выходам из топливной и пароводяной секций, а выход из реактора подключен к камерам сгорания, причем массовый расход водяного пара через реактор определен выражением

где G_пар - массовый расход водяного пара через реактор;
G_т - суммарный массовый расход топлива через камеры сгорания;
μ_пар - молекулярный вес водяного пара;
μ_т - молекулярный вес топлива.