СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КПД МИКРОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2015 года по МПК F01K21/04 

Заявляемое изобретение относится к микротурбинным энергетическим установкам и может быть использовано для генерации электрической энергии.

Известна микротурбинная установка Capstone C30, разработанная и производимая Capstone Turbine Corporation (www.bpcenergy.ru/capstone/1256/), имеющая компрессор, турбину, электрический генератор, выполненные на одном валу, рекуператор, камеру сгорания, которая работает следующим образом,: воздух проходит через электрический генератор и поступает в компрессор. Компрессор, сжимая воздух, подает его сжатым и от того подогретым в рекуператор, куда во встречном направлении подаются отработавшие, но еще горячие продукты сгорания. В рекуператоре происходит теплообмен, сжатый воздух подогревается и подается в камеру сгорания. В камере сгорания происходит горение обедненной смеси, смесь обедняется для снижения температуры в камере сгорания и уменьшения температурной нагрузки на детали микротурбинной установки. Из камеры сгорания продукты горения истекают на лопатки турбины. После совершения работы по раскручиванию турбины, компрессора и электрического генератора продукты сгорания направляются в рекуператор. Пройдя через рекуператор, продукты сгорания выбрасываются в атмосферу.

Недостатком данной микротурбинной установки является невысокий кпд выработки электрической энергии (не более 33%). При выработке микротурбинной установкой электрической энергии значительная часть тепловой энергии не возвращается в рабочий цикл, что и является причиной низкого КПД.

Известна энергетическая установка с газотурбинным блоком (патент РФ №2411368 C2, МПК F01K 21/04), включающим сжатие воздуха в компрессоре, подвод и сжигание топлива в камере сгорания, ввод пара в проточную часть газотурбинного блока, образование парогазовой смеси, расширение ее в турбине для преобразования тепловой энергии в механическую, охлаждение парогазовой смеси в теплообменном устройстве, дополнительное охлаждение и конденсацию влаги парогазовой смеси во втором теплообменном устройстве, вывод оставшейся охлажденной парогазовой смеси в атмосферу.

Недостатком данной энергетической установки является то, что тепловая энергия наиболее нагретой части конструкции, стенок камеры сгорания не возвращается в рабочий цикл энергетической установки

Задачей изобретения является повышение КПД выработки электрической энергии микротурбинной установкой за счет наиболее полного использования тепловой энергии, образующейся при сгорании топлива.

Поставленная задача решается тем, что компрессором сжимают воздух и подают в камеру сгорания, в которую одновременно подают горючее, смешивают со сжатым воздухом и полученную топливную смесь сжигают, продукты сгорания смешивают в смесительной камере с паром, получая парогазовую смесь, которую затем направляют в турбину, в которой энергию потока парогазовой смеси преобразуют в механическую энергию вращения ротора турбины, отработавшая парогазовая смесь поступает в рекуператор, туда же в рекуператор подают воду из емкости, парогазовой смесью нагревают воду, происходит ее испарение и образовавшийся пар подают в смесительную камеру, в которой он смешивается с продуктами горения, поступающими из камеры сгорания, и далее поступает на турбину. Способ повышения электрического кпд микротурбинной установки отличается от известной установки тем, что пар из рекуператора поступает к наружной стенке камеры сгорания, где происходит дополнительный подогрев пара и охлаждение стенок камеры сгорания, далее пар подается в смесительную камеру.

Таким образом, пар снимает значительную часть тепловой энергии со стенок камеры сгорания и возвращает ее в рабочий цикл микротурбинной установки, следствием чего является повышение кпд выработки электрической энергии.

Сущность изобретения поясняется фиг.1.

Микротурбинная установка состоит из генератора 1, центробежного компрессора 2, камеры сгорания с рубашкой охлаждения 3, смесительной камеры 4, турбины 5, рекуператора 6, емкости для воды 7, водяного насоса 8.

Работа микротурбинной установки происходит следующим образом: воздух проходит через электрический генератор 1 и поступает в компрессор 2, компрессор 2 сжимает воздух и закачивает его в камеру сгорания 3, туда же закачивается горючее, в ней смешиваются топливо и сжатый воздух и происходит сгорание топливной смеси. Продукты сгорания, проходя через смесительную камеру 4, истекают на лопатки турбины 6, совершая работу по раскручиванию турбины, компрессора и электрического генератора. Отработавшие, но еще горячие продукты сгорания подаются в рекуператор 6, туда же насосом 8 подается холодная вода под давлением, равным давлению в камере сгорания. В рекуператоре горячие продукты сгорания разогревают воду до испарения, и пар, образовавшийся в верхней части рекуператора 6, подается к стенкам камеры сгорания 3, при этом происходят охлаждение стенок камеры сгорания 3 и дальнейший подогрев пара, после чего пар и продукты горения смешиваются в смесительной камере 4, где происходит усреднение температуры продуктов горения и пара. Из смесительной камеры 4 парогазовая смесь, расширяясь, подается на лопатки турбины, совершая работу по раскручиванию турбины, компрессора и генератора, после чего парогазовая смесь подается в рекуператор, и далее цикл повторяется.

Таким образом, происходит наиболее полное использование тепловой энергии от сгорания топлива и снижение температурной нагрузки на элементы микротурбинной установки.

Способ повышения КПД выработки электрической энергии микротурбинной парогазовой установки заключается в том, что компрессором сжимают воздух и подают в зону горения камеры сгорания. В камеру сгорания одновременно подают горючее, смешивают со сжатым воздухом и полученную топливную смесь сжигают. Полученные продукты сгорания смешивают в смесительной камере с водяным паром, получая парогазовую смесь. Парогазовую смесь направляют в турбину, где её энергию преобразуют в механическую энергию вращения ротора турбины. Отработавшая парогазовая смесь подается в рекуператор, где тепловая энергия передается встречному потоку воды, преобразуя его в пар. Пар, полученный в рекуператоре, подается к наружным стенкам камеры сгорания, обеспечивая дополнительный нагрев пара и охлаждение стенок камеры. Далее пар поступает в смесительную камеру, обеспечивая возврат значительной части тепловой энергии от стенок камеры сгорания в рабочий цикл. Достигаются повышение КПД и снижение температурной нагрузки на элементы установки. 1 ил.

Способ повышения электрического КПД парогазовой микротурбинной установки, заключающийся в том, что компрессором сжимают воздух и подают в зону горения камеры сгорания, в которую одновременно подают горючее, смешивают со сжатым воздухом и полученную топливную смесь сжигают, продукты сгорания смешивают в смесительной камере с водяным паром, получая на выходе парогазовую смесь, затем направляют в турбину, в которой энергию потока парогазовой смеси преобразуют в механическую энергию вращения ротора турбины, а отработавшая парогазовая смесь подается в рекуператор, где тепловая энергия передается встречному потоку воды, преобразуя его в пар, вводимый в камеру смешения, отличающийся тем, что пар, полученный в рекуператоре, подается к наружным стенкам камеры сгорания, обеспечивая дополнительный нагрев пара и охлаждение стенок камеры, далее поступает в смесительную камеру, обеспечивая возврат значительной части тепловой энергии от стенок камеры сгорания в рабочий цикл.