ГАЗОТУРБИННАЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКА Российский патент 2007 года по МПК F02C7/25 

Изобретение относится к области энергетики.

Преимущественная область применения - контейнерные стационарные и транспортируемые энергоустановки.

Наиболее близка к предлагаемому изобретению по технической сущности газотурбинная энергоустановка по патенту РФ №2124645, F 02 С 7/25, 17.05.1996, которая содержит последовательно газодинамически соединенные устройство подготовки циклового воздуха, газогенератор с пусковым устройством в виде турбостартера, силовую турбину, соединенную валом с агрегатом полезной нагрузки, устройство для поворота потока и выхлопной тракт.

В качестве топлива для газотурбинной энергоустановки чаще всего используется природный или попутный газ. При использовании в газотурбинной установке авиационного или судового газотурбинного привода он содержит штатное пусковое устройство, которое вследствие специфики назначения (оно должно развивать высокую мощность в течение малого времени) имеет малые габариты и высокую теплонапряженность. Это ограничивает время непрерывной работы пускового устройства. Для обеспечения взрыво- и пожаробезопасности перед пуском энергоустановки необходимо продуть газовоздушный тракт в течение нескольких минут. Для этого пусковое устройство вращает ротор газогенератора в течение заданного времени. Продувка с большой длительностью работы возможна только при работе пускового устройства с перерывами для охлаждения.

Например, распространенный турбостартер ТС-21 имеет рабочий цикл 60 секунд с повторным пуском через 5 минут. Таким образом, даже без учета дополнительных ограничений общее время продувки увеличивается до 1 часа. Ресурс турбостартера (1000 пусков) также ограничен и влияет на работоспособность установки.

Технический результат от использования изобретения состоит в увеличении ресурса и упрощении эксплуатации установки.

Этот результат достигается тем, что газотурбинная энергоустановка, содержащая последовательно газодинамически соединенные устройство подготовки циклового воздуха, газогенератор с пусковым устройством, силовую турбину, соединенную валом с агрегатом полезной нагрузки и выхлопной тракт, снабжена вентилятором, а в выхлопном тракте размещена камера смешения с установленными внутри нее приточными насадками, входы которых соединены с выходом вентилятора, а выходы направлены по потоку выхлопного газа.

На чертеже представлен продольный разрез газотурбинной энергоустановки.

Газотурбинная энергетическая установка содержит устройство подготовки циклового воздуха 1, газогенератор 2 с турбостартером 3, силовую турбину 4, соединенную валом 5 с электрогенератором 6, газосборник 7, с выходом которого сопряжена камера смешения 8, внутри которой установлены приточные насадки 9, входы которых связаны с выходом вентилятора 10. Между выходом вентилятора 10 и входами приточных насадков 9 размещена заслонка 11. Выход камеры смешения 8 через диффузор 12 соединен с входом дополнительного агрегата полезной нагрузки - котла-утилизатора 13.

Стрелки показывают направление потока.

Газотурбинная энергетическая установка работает следующим образом.

В исходном состоянии все агрегаты установки выключены, заслонка 11 закрыта. Перед пуском установки открывают заслонку 11, включают вентилятор 10. Воздух засасывается вентилятором 10 и подается в приточные насадки 9, из которых он струями истекает в камеру смешения 8. Расположение насадков обеспечивает равномерное распределение струй по поперечному сечению камеры смешения, причем струи направлены к выходу камеры смешения 8. Струи создают эффект эжекции и увлекают с собой воздух, проходящий через устройство подготовки циклового воздуха 1, газогенератор 2, силовую турбину 4 и газосборник 7. При правильном проектировании соотношение расходов воздуха через газогенератор 2 и вентилятор 10 достигает 4...5. Таким образом обеспечивается достаточная вентиляция газовоздушного тракта газотурбинной установки. Далее суммарный расход воздуха из камеры смешения 10 через диффузор 12 и котел-утилизатор 13 уходит в атмосферу и обеспечивает эффективную вентиляцию дымовой полости котла-утилизатора 13. После окончания продувки вентилятор 10 выключают, заслонку 11 закрывают и включают турбостартер 3. Он раскручивает ротор газогенератора 2, в камеру сгорания которого подают топливо, поджигают его (средства подачи и поджига топлива не показаны), газогенератор 2 разгоняется и выходит на рабочий режим.

Если по какой-либо причине в камере сгорания газогенератора 2 не произойдет разжигание топливной смеси, то выключаются системы подачи топлива и зажигания, вновь включается система продувки газовоздушного тракта, а затем опять повторяется запуск двигателя в установленной последовательности.

Во время работы газотурбинной установки на полезную нагрузку камера смешения 8 является пассивным элементом. Дополнительных потоков в ней не возникает, т.к. заслонка 11 закрыта. Приточные насадки 9 занимают малую часть поперечного сечения камеры смешения 8, а скорость потока выхлопных газов на выходе газосборника 7 невелика, поэтому гидравлические потери в камере смешения 8 незначительны. Заслонка 11 контактирует с выхлопными газами и поэтому должна быть термостойкой.

Длительность продувки в предлагаемой установке не ограничена ее оборудованием и устанавливается необходимой по нормам техники безопасности.

Ресурс дорогостоящего турбостартера при этом не расходуется ни на что, кроме пуска газогенератора.

При мощности пускового устройства более 100 кВт мощность вентилятора 10 около 5 кВт, поскольку в предложенной схеме не требуется вращать валы газогенератора и силовой турбины. Это делает изобретение полезным и в газотурбинных установках, не имеющих ограничений по длительности работы пускового устройства (воздушная турбина или электропривод, рассчитанный на длительную работу). Их избыточная мощность означает большие потери электроэнергии или рабочего тела для привода турбины.

Следует отметить, что схемы эжектирующих устройств, подобных примененному в предлагаемом изобретении, известны (например, из авторского свидетельства СССР №857568, F 04 F 5/14, 1981). Однако указанный выше технический результат не достигается ни прототипом, ни отдельно эжектирующим устройством, а только совокупностью существенных признаков, изложенных в формуле изобретения.

Газотурбинная энергоустановка содержит последовательно газодинамически соединенные газогенератор с пусковым устройством в виде турбостартера, силовую турбину, соединенную валом с агрегатом полезной нагрузки, и выхлопной тракт. Газотурбинная энергоустановка также снабжена размещенной в выхлопном тракте камерой смешения с установленными внутри нее приточными насадками, входы которых соединены с выходом вентилятора, а выходы направлены по потоку выхлопного газа. Изобретение обеспечивает увеличение ресурса пускового устройства и снижение расходов на продувку газовоздушного тракта. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Газотурбинная энергоустановка, содержащая последовательно газодинамически соединенные газогенератор с пусковым устройством, силовую турбину, соединенную валом с агрегатом полезной нагрузки, и выхлопной тракт, отличающаяся тем, что она снабжена размещенной в выхлопном тракте камерой смешения с установленными внутри нее приточными насадками, входы которых соединены с выходом вентилятора, а выходы направлены по потоку выхлопного газа.2. Газотурбинная энергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что пусковое устройство выполнено в виде турбостартера.