ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИЙ АГРЕГАТ Российский патент 2022 года по МПК F04D25/02 

Изобретение относится к газоперекачивающим агрегатам - ГПА с высокотемпературными газотурбинными двигателями в качестве приводов.

Известен газоперекачивающий агрегат, использующий один из наиболее эффективных методов повышения эффективности процесса сгорания и улучшения экологических характеристик является способ добавки в углеводородное топливо смеси водорода и монооксида углерода, которые могут получаться за счет реформирования природного газа в каталитическом реакторе генератора синтез-газа. (Цыбизов Ю.И., Елисеев Ю.С., Федорченко Д.Г. «Использование синтез-газа для обеспечения экологической безопасности ГТУ», Авиадвигатели XXI века., Москва, ЦИАМ. С. 461-462. 2015 г.).

Недостатки трудности с подогревом исходного сырья в каталитическом реакторе свыше 600°С.

Известен газоперекачивающий агрегат по патенту РФ на изобретение №2708957, МПК F02C 3/00, опубл. 12.12.2019 г., прототип.

Этот ГПА содержит газотурбинный двигатель, топливную систему и систему синтез-газа, которая содержит вторую систему отбора газа и систему отбора воздуха из-за компрессора, эжектор-смеситель, к которому присоединены выходы второй систему отбора газа и система отбора воздуха, к выходу из эжектора-смесителя присоединены последователь первый теплообменник, установленный выхлопном устройстве и второй теплообменник, установленный на корпусе камеры и катализатор.

плиты или на ней и дополнительными каналами сообщен с воздушными каналами форсуночной плиты.

Недостаток: низкий КПД агрегата из-за больших габаритов теплообменника и малая эффективность активных радикалов синтез-газа из-за значительного времени прохождения синтез-газа от теплообменника до форсунок синтез-газа. Время жизни радикалов и ионов составляет несколько наносек.

Задача создания изобретения повышение КПД агрегата.

Достигнутый технический результат: повышение КПД агрегата.

Решение указанной задачи достигнуто в газоперекачивающем агрегате, содержащий газотурбинный двигатель, который имеет входное устройство, компрессор, камеру сгорания с жаровой трубой и топливо-воздушными форсунками на форсуночной плите, соединенными через топливный коллектор с топливопроводом, турбину, свободную турбину и выхлопное устройство, систему синтез-газа, которая содержит вторую систему отбора газа и систему отбора воздуха из-за компрессора, эжектор-смеситель, к которому присоединены выходы второй систему отбора газа и система отбора воздуха, к выходу из эжектора-смесителя присоединен, по меньшей мере, один теплообменник, отличающийся тем, что к выходу из эжектора смесителя присоединены два последовательно установленных теплообменника, при этом каждый теплообменник установлен внутри жаровой трубы и оборудован форсунками синтез-газа.

Каждый теплообменник может быть установлен на форсуночной плите против топливного коллектора, закрепленного на ней же с другой стороны.

Может быть выполнен один теплообменник, который содержит дополнительные топливные каналы, выходящие в кольцевую полость, образованную между внешним и внутренним кольцевыми кожухами, две кольцевые щели, между внешней и внутренней кольцевыми стенками и кольцевыми кожухами, на кольцевых стенках выполнены форсунки синтез-газа.

Может быть выполнено несколько теплообменников, равномерно размещенных на форсуночной плите, каждый из которых содержит дополнительный топливный канал, выходящий в полость внутри цилиндрического кожуха, кольцевой зазор, образованный между цилиндрическим кожухом и цилиндрической стенкой, с форсунками синтез-газа на ней.

На каждом из теплообменников могут быть выполнены ребра.

Ребра могут быть выполнены в виде продольных пластин.

Ребра могут быть выполнены в виде цилиндров.

Ребра могут быть выполнены в виде конусов.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1…12, где:

на фиг. 1 приведена принципиальная схема газоперекачивающего агрегата,

на фиг. 2 приведена камера сгорания и система подачи топлива,

на фиг. 3 приведен разрез А-А, первый вариант

на фиг. 4 приведен первый вариант теплообменника.

на фиг. 5 приведен разрез В-В, второй вариант теплообменников,

на фиг. 6 приведен второй вариант теплообменников,

на фиг. 7 приведен теплообменник с ребрами,

на фиг. 8 приведен теплообменник с оребрением в виде цилиндрических штырьков.

на фиг. 9 приведены цилиндрические штырьки,

на фиг. 10 приведены конические штырьки,

на фиг. 11 приведена газовоздушная форсунка,

на фиг. 12 приведен разрез С-С газовоздушной форсунки.

Перечень признаков, принятых в описании:

газотурбинный двигатель 1,

входное устройство 2,

выхлопное устройство 3,

свободная турбина 4,

корпус 5,

сопловой аппарат 6,

рабочее колесо 7,

рабочие лопатки 8,

вал 9,

нагнетающий компрессор 10,

входной корпус 11,

выходной корпус 12,

центробежное рабочее колесо 13,

входная труба 14,

выходная газовая труба 15,

воздушный тракт 16,

воздухозаборник 17,

компрессор 18,

полость 19,

камера сгорания 20,

турбина 21,

газовый тракт 22,

направляющий аппарат 23,

рабочее колесо 24,

сопловой аппарат 25,

рабочее колесо 26,

жаровая труба 27,

форсуночная плита 28,

газо-воздушные форсунки 29,

топливный коллектор 30,

вал привода 31,

первая опора 32,

вторая опора 33,

топливопровод 34,

регулятор расхода 35,

клапан 36,

вторая газовая магистраль 37,

второй клапан 38,

второй коллектор 39,

система отбора воздуха 40,

эжектор-смеситель 41,

теплообменник 42,

канал газа 43,

форсунка синтез-газа 44,

топливный канал 45,

полость коллектора 46,

внешняя кольцевая стенка 47,

внутренняя кольцевая стенка 48,

внешний кольцевой кожух 49,

внутренний кольцевой кожух 50,

полость синтез-газа 51,

внешняя кольцевая щель 52,

выходная полость 53,

соединяющее отверстие 54,

выходной обтекатель 55,

внутренняя кольцевая щель 56,

трубчатый корпус 57,

трубчатый кожух 58,

кольцевая щель 59,

ребро 60,

цилиндр 61,

конус 62,

хвостовик 63,

корпус 64,

выходное отверстие 65,

направляющие лопатки 66,

наклонные каналы плиты 67.

Предложенный газоперекачивающий агрегат - ГПА повышенной экономичности предназначен для перекачки природного газа. ГПА (фиг. 1) содержит газотурбинный двигатель 1, входное устройство 2, выхлопное устройство 3, свободную турбину 4, содержащую в свою очередь корпус 5, сопловой аппарат 6 и рабочее колесо 7 с рабочими лопатками 8. Рабочее колесо 7 валом 9 соединено с нагнетающим компрессором 10, содержащим входной корпус 11, выходной корпус 12 и центробежное рабочее колесо 13. К входному корпусу 11 присоединена входная труба 14, а к выходному корпусу 12 присоединена выходная газовая труба 15 (средства очистки и охлаждения природного газа на фиг. 1…12 не показаны.)

Газотурбинный двигатель 1 содержит воздушный тракт 16, содержащий, в свою очередь воздухозаборник 17, компрессор 18 и полость 19 за компрессором 18 и перед камерой сгорания 20. Воздушный тракт 16 включает также и входное устройство 2, не относящееся к конструкции газотурбинного двигателя 1.

За камерой сгорания 20 установлена турбина 21 и выполнен газовый тракт 22, соединяющий выход из камеры сгорания 20 с входом в свободную турбину 4.

Компрессор 18 содержит несколько ступеней, каждая из которых содержит направляющий аппарат 23 и рабочее колесо 24 (фиг. 1). Турбина 21 содержит, по меньшей мере, одну ступень. Каждая ступень компрессора 18 содержит сопловой аппарат 25 и рабочее колесо 26.

Камера сгорания 20 содержит жаровую трубу 27, форсуночную плиту 28 с форсунками 29 и с топливным коллектором 30 перед форсуночной плитой 28, предназначенным для подачи топливного газа к форсункам 29 через специальные каналы в форсуночной плите 28..

Более подробно конструкция камеры сгорания 20 приведена далее со ссылкой на фиг. 1-4.

Вал привода 31, соединяет рабочие колеса 24 компрессора 18 и рабочее колесо 26 турбины 21 и установлен на первой и второй опорах 32 и 33. Опор может быть более двух для многовальных двигателей.

Система подачи топливного газа содержит топливопровод 34, один конец которого соединен с выходной газовой трубой 15, а другой - с топливным коллектором 30 камеры сгорания 20. В топливопроводе 34 установлены регулятор расхода 35 и клапан 36.

Таким образом, питание камеры сгорания 20 ГПА осуществляется газом, перекачиваемым самим турбонасосным агрегатом.

Система подачи синтез-газа содержит (фиг. 3 и 4) вторую газовую магистраль 37, второй клапан 38, второй коллектор 39, систему отбора воздуха 40, эжектор-смеситель 41, теплообменник 42, канал газа 43,

Теплообменник 42 (фиг. 3 и 4) содержит канал газа 43 и форсунки синтез-газа 44, в виде отверстий. Топливный канал 45 соединяет полость коллектора 46 с газо-воздушными форсунками 29 для подачи в эти форсунки топливного газа.

Теплообменник 42 содержит внешнюю кольцевая стенку 47, внутреннюю кольцевую стенку 48, внешний кольцевой кожух 49, внутренний кольцевой кожух 50, полость синтез-газа 51, кольцевую щель 52, внутреннюю кольцевую щель 56, соединенные с выходной полостью 53, которая, в свою очередь, соединена через соединяющее отверстие 54 с полостью синтез-газа 51.

Для снижения аэродинамических потерь теплообменник 42 оборудован выходным обтекателем 55, в котором выполнена выходная полость 53.

В двух кольцевых щелях 56 и 59 топливный газ нагревается до 800°…900°С и превращается в синтез-газ, более активный в окислительном процессе, чем топливный газ.

Возможен вариант применения нескольких теплообменников 42 в одной кольцевой или трубчато-кольцевой камере сгорания 20 (фиг. 5…6).

Конструкция этих теплообменников 42 несколько отличается от описанного ранее, и они имеют небольшие габариты и содержат трубчатый корпус 57, трубчатый кожух 58 и кольцевую щель 59.

Возможно применение ребер 60 на поверхности теплообменника 42 (или теплообменников). Ребра 60 могут быть выполнены в виде цилиндров 61 (фиг. 9) или конусов 62 (фиг. 10). Возможны другие варианты оребрения.

На фиг. 11 и 12 приведена газовоздушная форсунка 29.

Она содержит: хвостовик 63, являющийся частью корпуса 64, выходное отверстие 65, направляющие лопатки 66, наклонные каналы 67 для закрутки воздуха.

РАБОТА АГРЕГАТА

При запуске газотурбинного двигателя 1 стартером (не показан) раскручивают вал привода 31, который раскручивает рабочие колеса 7 компрессора 18 (фиг. 1).

Топливный газ по топливопроводу 34 через регулятор расхода 35 и клапан 36 поступает в полость коллектора 46 топливного коллектора 30 и далее через топливные каналы 45 (фиг 3 и 4) поступает в газо-воздушные форсунки 29 (фиг. 1).

Одновременно часть топливного газа в объеме 10%...30% от общего объема, идущего в камеру сгорания 20 газоперекачивающего агрегата, по второй газовой магистрали 37 через эжектор- смеситель 41 в котором он смешивается с воздухом подается теплообменник 42 (фиг. 3 и 4) и каналы газа 43, где топливный газ преобразуется в синтез-газ и через форсунки синтез-газа 44 поступает в катеру сгорания 20, точнее непосредственно в жаровую трубу 27.

В теплообменнике 42, точнее в двух кольцевых щелях 56 и 59 топливный газ нагревается до 800°…900°С и превращается в синтез-газ, более активный, чем топливный газ.

Расположение теплообменников в жаровой трубе 27 камеры сгорания 20 позволит максимально снизать его вес и повысить эффективность в 2…3 раза за счет очень высокой температуры продуктов сгорания, которая в современных ГТД достигает 1500°С.

При этом теплообменник 42 (теплообменники) имеют низкое аэродинамическое сопротивление и не ухудшают характеристики газотурбинного двигателя 1.

В результате, несмотря на относительно малое количество синтез-газа он равномерно перемешивается с воздухом и топливным газом в зоне горениям и активирует процесс горения по всему объему жаровой трубы 27. Расположение форсунок синтез-газа 44 непосредственно в жаровой трубе 27 предотвращает рекомбинацию ионов и радикалов синтез-газа и повышает полноту сгорания. Этому же способствует большое число мелких форсунок синтез-газа, часто размещенных в зоне горения.

Раскручивается вал 9 и свободная турбина 4 и нагнетающий компрессор 10, который повышает давление перекачиваемого газа.

Применение изобретения позволило:

- значительно повысить КПД агрегата за счет большей активности синтез-газа, и сохранения этой активности после подачи в зону горения за счет минимальной близости теплообменника форсунок синтез-газа к внутренней полости камеры сгорания, а именно полости ее жаровой трубы,

- увеличить степень нагрева топливного газа в теплообменнике, что легче осуществить, так как максимальное значение температуры продуктов сгорания в двигателе имеет место в зоне горения жаровой трубы,

- уменьшить габариты теплообменника из-за большого температурного напора на стенках теплообменника (теплообменников).

Изобретение относится к газоперекачивающим агрегатам - ГПА с высокотемпературными газотурбинными двигателями в качестве приводов. Задача создания изобретения: повышение КПД агрегата. Достигнутый технический результат: повышение КПД агрегата. Решение указанной задачи достигнуто в газоперекачивающем агрегате, содержащем газотурбинный двигатель, который имеет входное устройство, компрессор, камеру сгорания с жаровой трубой и топливовоздушными форсунками на форсуночной плите, соединенными через топливный коллектор с топливопроводом, турбину, свободную турбину и выхлопное устройство, систему синтез-газа, которая содержит вторую систему отбора газа и систему отбора воздуха из компрессора, эжектор-смеситель, к которому присоединены выходы второй системы отбора газа и система отбора воздуха, к выходу из эжектора-смесителя присоединен, по меньшей мере, один теплообменник, согласно изобретению к выходу из эжектора-смесителя присоединены два последовательно установленных теплообменника, при этом каждый теплообменник установлен внутри жаровой трубы и оборудован форсунками синтез-газа. 7 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Газоперекачиващий агрегат, содержащий газотурбинный двигатель, входное устройство, компрессор, кольцевую камеру сгорания с жаровой трубой и топливовоздушными форсунками на форсуночной плите, соединенными через топливный коллектор с топливопроводом, турбину, свободную турбину и выхлопное устройство, систему синтез-газа, которая содержит вторую систему отбора газа и систему отбора воздуха из компрессора, эжектор-смеситель, к которому присоединены выходы второй системы отбора газа и система отбора воздуха, к выходу из эжектора-смесителя присоединен, по меньшей мере, один теплообменник, отличающийся тем, что к выходу эжектора-смесителя присоединены два последовательно установленных теплообменника, при этом каждый теплообменник установлен внутри жаровой трубы и оборудован форсунками синтез-газа.

2. Газоперекачиващий агрегат по п. 1, отличающийся тем, что каждый теплообменник установлен на форсуночной плите против топливного коллектора, закрепленного на ней же с другой стороны.

3. Газоперекачивающий агрегат по п. 1 или 2, отличающийся тем, что выполнен один теплообменник, который содержит дополнительные топливные каналы, выходящие в кольцевую полость, образованную между внешним и внутренним кольцевыми кожухами, две кольцевые щели, между внешней и внутренней кольцевыми стенками и кольцевыми кожухами, на кольцевых стенках выполнены форсунки синтез-газа.

4. Газоперекачивающий агрегат по п. 1 или 2, отличающийся тем, что выполнено несколько теплообменников, равномерно размещенных на форсуночной плите, каждый из которых содержит дополнительный топливный канал, выходящий в полость внутри цилиндрического кожуха, кольцевой зазор, образованный между цилиндрическим кожухом и цилиндрической стенкой, с форсунками синтез-газа на ней.

5. Газоперекачивающий агрегат по п. 1 или 2, отличающийся тем, что на каждом из теплообменников выполнены ребра.

6. Газоперекачивающий агрегат по п. 5, отличающийся тем, что ребра выполнены в виде продольных пластин.

7. Газоперекачивающий агрегат по п. 5, отличающийся тем, что ребра выполнены в виде цилиндров.

8. Газоперекачивающий агрегат по п. 5, отличающийся тем, что ребра выполнены в виде конусов.