ПАРОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2007 года по МПК F02C3/30 

Изобретение относится к области газотурбинных установок для промышленной теплоэнергетики, в частности к энергетическим установкам для привода электрогенераторов и других различных потребителей энергии.

Известна энергетическая установка для привода электрогенераторов типа «Водолей» (см. Цанев С.В., Буров В.Д., Ремезов А.Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций. М., Издательство МЭИ, 2002, стр.564-565 [1]) на основе газотурбинного двигателя, которая с целью утилизации тепла выхлопных газов, повышения КПД и уменьшения вредных выбросов содержит устройство подачи водяного пара в камеру сгорания двигателя, системы подачи воды, утилизатор тепла выхлопных газов, установленный за выхлопным соплом, контактный конденсатор-пароохладитель и другие устройства системы подачи и регенерации воды.

Известен способ регенерации тепла в газотурбинном двигателе с подачей водяного пара в камеру сгорания (см. патент РФ №2042847, кл. МПК F02C 3/30, 1995 г. «Способ регенерации топлива и экологической очистки выхлопных газов в газотурбинном авиационном двигателе со свободной турбиной» [2]), в котором с целью повышения КПД и экологичности ГТУ дополнительно содержит теплообменник-конденсатор, регенератор, с обеспечением регулирования расходов рабочего тела, топлива и водяного пара.

Недостатком известных парогазовых установок является то, что в них не обеспечивается мелкодисперсное распыление капель воды.

Предлагается парогазовая установка, содержащая емкость с водой, парогенератор и газотурбинный двигатель, включающий компрессор, камеру сгорания с вращающейся с ротором двигателя форсункой подачи топлива, соединенную с корпусом топливоподводящую (топливоподающую) втулку, газовую турбину с выхлопным соплом, причем установка имеет два контура подачи воды в зону горения камеры сгорания, при этом первый контур включает топливоподающую втулку с каналами подачи воды из емкости на торцевую поверхность вращающейся форсунки, второй контур включает парогенератор в виде кольцевого коллектора, расположенного на стенках сопла, соединенного с эжекторами подачи пара в ядро горения камеры. Эжекторы расположены в закомпрессорном пространстве и обращены входной частью к компрессору, а выходной частью - в зону горения камеры сгорания двигателя.

Такое выполнение парогазовой установки позволяет подачей воды через каналы топливоподающей втулки в первом контуре в полость высокооборотной вращающейся форсунки улучшить предварительное перемешивание и измельчение капель топлива в полости форсунки перед впрыском смеси в зону горения. Подача водяного пара во втором контуре в ядро горения камеры сгорания позволяет за счет использования энергии сжатого в компрессоре воздуха достаточно высокой температуры (300...400°С) улучшить перемешивание топливовоздушной смеси в зоне камеры сгорания. Это позволяет повысить качество измельчения и распыливания топливовоздушной смеси до мелкодисперсного состояния, что повышает полноту сгорания топлива и КПД двигателя.

Парогенератор размещен на выхлопном сопле и частично совмещен со стенкой сопла, при этом общая стенка сопла и парогенератора является испарительной и обеспечивает образование пара за счет температуры выходящих газов выхлопного сопла. Такое выполнение парогенератора повышает экономичность установки путем утилизации тепла выходящих газов.

Струи воды из топливоподающей втулки направлены на внутреннюю торцевую поверхность вращающейся форсунки наклонно к торцевой поверхности под углом 10...15 градусов в сторону направления вращения форсунки. Такое направление струй предотвращает явление кавитации и гидроудара при смешивании потоков воды и топлива.

Изобретение поясняется чертежами фиг.1, 2 и 3. На фиг.1 изображена общая схема парогазовой установки. На фиг.2 изображен канал с эжекторами подачи водяного пара в зону горения. На фиг.3 изображено устройство подачи воды в полость вращающейся форсунки.

Парогазовая установка содержит газотурбинный двигатель 1, включающий компрессор 2, кольцевую камеру сгорания 3 с вращающейся форсункой 4 подачи топлива, закрепленной на роторе двигателя, турбину 5, соединенную общим ротором с компрессором 2, и силовую турбину 6, приводящую электрогенератор 7. Установка содержит также емкость с водой (не показана), дождевальный генератор пара 8, расположенный на выхлопном сопле 9 двигателя. Установка содержит два контура подачи воды в камеру сгорания. Первый контур включает канал 10 подачи пара, размещенный между компрессором 2 и передней стенкой 11 камеры сгорания 3 в пространстве «В». Канал 10 имеет несколько эжекторов 12, которые соединены с генератором пара 8, расположенном на выхлопном сопле 9. Каждый эжектор 12 имеет установленную внутри соосно выходному патрубку трубку 13, направляющую в ядро горения камеры сгорания горячий сжатый воздух из закомпрессорного пространства «В». Эжекторы 12 расположены так, что входное отверстие трубки 13 обращено в закомпрессорное пространство «В», а выходные отверстия патрубков 12 направлены в сторону камеры сгорания и подают пар в ядро горения «А» камеры сгорания 3 (фиг.2).

Второй контур подачи воды включает емкость с водой (не показана), коллектор 14, соединенный с каналами 15, расположенными в топливоподающей втулке 16. Топливоподающая втулка 16 закреплена на корпусе двигателя.

В процессе работы парогазовой установки из компрессора 2 двигателя в камеру сгорания 3 и закомпрессорное пространство «В» поступает воздух, сжатый до давления 5...7 атмосфер с температурой 300...400°С. Через осевые каналы (не показаны) топливоподающей втулки 16 в полость «Б» вращающейся форсунки 4 подается топливо. Первый контур подачи воды по стрелке «Д» осуществляет поступление воды через коллектор 14 и каналы 15 топливоподающей втулки 16 также в полость «Б» вращающейся форсунки 4 наклонно к торцевой поверхности «Г» под углом 10...15 градусов в сторону направления вращения форсунки. В полости «Б» форсунки 4 под действием энергии вращения и центробежных сил потоки топлива и воды измельчаются и перемешиваются с воздухом, поступающим по кольцевой щели между форсункой 4 и втулкой 16 из закомпрессорного пространства «В». Образованная таким образом топливоводовоздушная смесь впрыскивается в камеру сгорания 3 через радиальные отверстия форсунки 4. Одновременно второй контур подачи воды осуществляет подачу водяного пара из парогенератора 8 в ядро горения «А» камеры сгорания 3 через канал 10 и эжекторы 12. Водяной пар образуется в парогенераторе 8 путем нагрева воды теплом выходящих газов выхлопного сопла 9 газотурбинного двигателя 1. Канал 10 с эжекторами 12 размещен в закомпрессорном пространстве «В» около передней стенки 11 снаружи камеры сгорания 3. Такое расположение канала 10 позволяет использовать для процесса эжекции энергию давления и температуры сжатого в компрессоре воздуха.

Эжекторы 12 подачи пара имеют установленную внутри соосно выходному патрубку трубку 13, направляющую в ядро горения камеры сгорания горячий сжатый воздух из закомпрессорного пространства «В». Такое выполнение эжекторов улучшает эжекцию пара.

Подача воды в первом контуре в полость высокооборотной вращающейся форсунки позволяет улучшить предварительное перемешивание топлива и воды в полости «Б» форсунки 4 и измельчение капель при впрыске смеси в зону «А» горения. Второй контур подачи воды в виде водяного пара через эжекторы 12 в ядро горения «А» камеры сгорания создает дополнительное перемешивание и измельчение топливовоздушной смеси за счет использования энергии сжатого в компрессоре горячего воздуха (300...400°С), что позволяет получать 95% капель топлива и воды размером менее 15 мкм [4], которые ведут себя как паровоздушная смесь, обеспечивая полноту сгорания без испарения с соответствующим повышением КПД двигателя на 20...30%.

Как показали исследования [3], в камере сгорания газотурбинного двигателя происходит дальнейший перегрев водяного пара, его термическая диссоциация с разложением на кислород и водород, что способствует повышению полноты сгорания топлива, увеличению КПД установки на 20...30% и снижению выбросов в атмосферу вредных веществ, а также улучшению дисперсности распыливания топлива.

Источники информации

1. Цанев С.В., Буров В.Д., Ремезов А.Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций. М., Издательство МЭИ, 2002, стр.564-565.

2. Патент РФ №2042847, кл. F02C 3/30, 1995 г. «Способ регенерации топлива и экологической очистки выхлопных газов в газотурбинном авиационном двигателе со свободной турбиной».

3. И.А.Холмянский. О горении топлива в камерах сгорания газотурбинного двигателя с вращающейся форсункой. Журнал «Физика горения и взрыва», 2004, т.40, №4, c.1...6.

4. И.А.Холмянский. Исследование распыла капель топлива вращающейся форсункой газотурбинного двигателя. Журнал «Физика горения и взрыва», 2002, т.38, №5, с.65...69.

Изобретение относится к области газотурбинных установок для промышленной теплоэнергетики для привода электрогенераторов. Парогазовая установка содержит емкость с водой, генератор пара и газотурбинный двигатель, включающий компрессор, камеру сгорания с форсункой подачи топлива, топливоподводящую втулку с каналами подачи воды из емкости, соединенный эжекторами коллектор подачи пара в ядро горения камеры сгорания, газовую турбину с выхлопным соплом, ротор двигателя. Генератор пара выполнен в виде кольцевой емкости, расположенной на внешних стенках выхлопного сопла. Форсунка подачи топлива выполнена вращающейся и закреплена на валу двигателя. Каналы подачи топлива в топливной втулке выполнены с направлением струи воды внутрь полости вращающейся форсунки в сторону направления вращения последней на ее торцевую поверхность. Изобретение повышает КПД газотурбинного двигателя путем улучшения качества распыления топливоводяной смеси в камере сгорания двигателя и улучшения полноты сгорания топлива. 3 ил.

Парогазовая установка, содержащая емкость с водой, генератор пара и газотурбинный двигатель, включающий компрессор, камеру сгорания с форсункой подачи топлива, топливоподводящую втулку с каналами подачи воды из емкости, соединенный эжекторами коллектор подачи пара в ядро горения камеры сгорания, газовую турбину с выхлопным соплом, ротор двигателя, отличающаяся тем, что генератор пара выполнен в виде кольцевой емкости, расположенной на внешних стенках выхлопного сопла, форсунка подачи топлива выполнена вращающейся и закреплена на валу двигателя, при этом каналы подачи воды в топливной втулке выполнены с направлением струи воды внутрь полости вращающейся форсунки в сторону направления вращения последней на ее торцевую поверхность.