ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИЙ АГРЕГАТ Российский патент 2022 года по МПК F02C3/00 

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 F02C3/00, опубл. 12.12.2019 г.

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 теплообменник предварительного нагрева, установленный выхлопном устройстве и теплообменник окончательного нагрева, установленный на корпусе камеры и катализатор.

Известен газоперекачивающий агрегат по заявке РФ на изобретение №2020116636, МПК F02C 3/00, приор. 12.05.2020 г., прототип.

Этот газоперекачивающий агрегат содержит газотурбинный двигатель с компрессором, камерой сгорания и турбиной, свободную турбину и нагнетающий компрессор, 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 теплообменник предварительного нагрева, установленный выхлопном устройстве и теплообменник окончательного нагрева, установленный на корпусе камеры и катализатор, при этом катализатор установлен внутри вспомогательного топливного коллектора, который выполнен внутри форсуночной плиты или на ней и дополнительными каналами сообщен с воздушными каналами форсуночной плиты.

Недостаток: низкий КПД агрегата из-за больших габаритов теплообменников 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 наносекунд.

Задача создания изобретения повышение КПД агрегата и жаростойкости его теплооообменника окончательного нагрева и уменьшение окружной неравномерности температурного поля на выходе камеры сгорания.

Решение указанной задачи достигнуто в газоперекачивающем агрегате, содержащем газотурбинный двигатель, входное устройство, кольцевую камеру сгорания с форсунками на форсуночной плите, жаровой трубой с внешним кожухом жаровой трубы, топливопровод, соединенный через топливный коллектор с форсунками, а также соединенный с выходной газовой трубой, свободную турбину и выхлопное устройство, отличающийся тем, что он содержит вторую газовую магистраль, второй коллектор топлива, соединенный через теплообменник предварительного нагрева, установленный внутри выхлопного устройства, и теплообменник окончательного нагрева, установленный внутри жаровой трубы на части внешней стенки жаровой трубы, примыкающей к форсуночной плите, при этом в теплообменнике окончательного нагрева выполнены сквозные отверстия с боковыми стенками отверстий, сообщающими внешний кольцевой зазор между внешним кожухом жаровой трубы и внешним корпусом камеры с полостью жаровой трубы.

Теплообменник окончательного нагрева может быть выполнен со сквозными отверстиями круглого поперечного сечения.

Теплообменник окончательного нагрева может быть выполнен со сквозными отверстиями вытянутого поперечного сечения.

Теплообменник окончательного нагрева может быть выполнен со сквозными отверстиями вытянутого прямоугольного поперечного сечения.

Теплообменник окончательного нагрева может быть выполнен со сквозными отверстиями вытянутого прямоугольного поперечного сечения со скругленными короткими гранями.

Теплообменник окончательного нагрева может быть выполнен со сквозными отверстиями расположенными рядами.

Теплообменник окончательного нагрева может быть выполнен со сквозными отверстиями, расположенными в шахматном порядке.

Теплообменник окончательного нагрева может быть выполнен со сквозными отверстиями, расположенными в плоскостях, проходящих через продольную ось кольцевой камеры сгорания.

Теплообменник окончательного нагрева может содержать в топливном коллекторе пористый проницаемый катализатор.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1…13, где:

на фиг. 1 приведена принципиальная схема газоперекачивающего агрегата,

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

на фиг. 3 приведен первый вариант теплообменника окончательно нагрева,

на фиг. 4 приведен второй вариант теплообменника окончательного нагрева,

на фиг. 5 приведен третий вариант теплообменника окончательного нагрева,

на фиг. 6 приведен разрез А-А,

на фиг. 7 вариант 1 со сквозными отверстиями, расположенными рядами,

на фиг. 8 вариант 2 со сквозными отверстиями вид В,

на фиг. 9 приведен вариант 3 со сквозными отверстиями, вид В,

на фиг. 10 приведен вариант с прямоугольными сквозными отверстиями,

на фиг. 11 приведен вариант со скругленными сквозными отверстиями,

на фиг. 12 приведено поперечное сечение и теплообменника окончательного нагрева,

на фиг. 13 приведен фрагмент теплообменника окончательного нагрева.

Перечень признаков, принятых в описании:

1. газотурбинный двигатель 1,

2. входное устройство 2,

3. выхлопное устройство 3,

4. свободная турбина 4,

5. корпус 5,

6. сопловой аппарат 6,

7. рабочее колесо 7,

8. рабочие лопатки 8.

9. вал 9,

10. нагнетающий компрессор 10,

11. входной корпус 11,

12. выходной корпус 12,

13. центробежное рабочее колесо 13.

14. входная газовая труба 14,

15. выходная газовая труба 15.

16. воздушный тракт 16,

17. воздухозаборник 17,

18. компрессор 18.

19. полость 19,

20. кольцевая камера сгорания 20,

21. турбина 21.

22. газовый тракт 22,

23. направляющий аппарат 23.

24. рабочее колесо 24,

25. сопловой аппарат 25,

26. рабочее колесо 26,

27. жаровая труба 27,

28. форсуночная плита 28,

29. форсунки 29,

30. топливный коллектор 30,

31. вал 31,

32. первая опора 32,

33. вторая опора 33.

34. топливопровод 34,

35. регулятор расхода 35.

36. клапан 36,

37. вторая газовая магистраль 37,

38. второй коллектор топлива 38,

39. теплообменник предварительного нагрева 39,

40. теплообменник окончательного нагрева 40,

41. внешняя стенка 41,

42. внешний кожух жаровой трубы 42,

43. внешний корпус камеры 43,

44. внешний кольцевой зазор 44,

45. топливный канал 45.

46. внутренние ребра 46,

47. выходной коллектор 47,

48. внутренняя стенка 48,

49. форсунки синтез-газа 49,

50. сквозные отверстия 50,

51. боковая стенка отверстий 51,

52. охлаждающие отверстия 52,

53. полость жаровой трубы 53,

54. внешние ребра 54,

55. высокотемпературный припой 55,

56. внешние ребра в форме пластин 56,

57. внешние цилиндрические выступы 57,

58. внешние конические выступы 58,

59. катализатор 59,

60. длинная боковая стенка 60,

61. короткая боковая стенка 61.

Предложенный газоперекачивающий агрегат - ГПА повышенной экономичности предназначен для перекачки природного газа. ГПА (фиг. 1…13) 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 газовая труба 14, а к выходному корпусу 12 присоединена выходная газовая труба 15. (Средства очистки и охлаждения природного газа на фиг. 1…13 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 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.1-7.

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

Система подачи топливного газа содержит топливопровод 34, один конец которого соединен с выходной газовой трубой 15, а другой - с коллектором 30 камеры сгорания 20. В топливопроводе 34 установленный в выхлопном устройстве 3, регулятор расхода 35, клапан 36 и теплообменник предварительного нагрева 39 установленный выхлопном устройстве 3.

Таким образом, питание камеры сгорания 20 ГПА осуществляется газом, перекачиваемым самим турбонасосным агрегатом и подогретым до 450°С…500°С.

Система подачи синтез-газа содержит (фиг. 3 и 4) вторую газовую магистраль 37, второй коллектор 38, теплообменник предварительного нагрева 39 и теплообменник окончательного нагрева 40.

Теплообменник окончательного нагрева 40 (фиг. 3 и 4) содержит внешнюю стенку 41 роль которой выполняет часть внешнего кожуха жаровой трубы 42, установленного внутри внешнего корпуса камеры 43 с внешним кольцевым зазором 44 для прохождения воздуха.

Теплообменник окончательного нагрева 40 содержит топливный канал 45, кольцевой формы, разделенный внутренними ребрами 46. Топливный канал 46 с одной стороны сообщается с вторым коллектором топлива 38, а с другой - с выходным коллектором 47 кольцевой формы. Полость выходного коллектора 47 форсунками синтез-газа 49, установленными на внутренней стенке 48 против выходного коллектора 47 сообщается с полостью жаровой трубы 53 (фиг. 3).

В теплообменнике окончательного нагрева 40 выполнены сквозные отверстия 50 сообщающие внешний кольцевой зазор 44 с полость жаровой трубы 53.

Сквозные отверстия 50 наряду с охлаждающими отверстиями 52 выполнены для исключения перегрева внешней стенки 41, особенно на взлетном режиме в жаркую погоду..

Сквозные отверстия 50 имеют боковые стенки отверстий 51, которые изолируют воздушную полость от полости топливного газа.

Сквозные отверстия 50 сообщают внешний кольцевой зазор 44 с полостью жаровой трубы 53. Воздух, проходящий по сквозным отверстиям 50, охлаждает теплообменник окончательного нагрева 40

Возможны различные варианты конструкции узла со сквозными отверстиями 51. Варианта исполнения этого узла приведены на фиг. 7…13.

На фиг. 7 приведен фрагмент теплообменника окончательного 40 нагрева с круглыми сквозными отверстиями и с прямоугольными на фиг. 8.

В теплообменнике окончательного нагрева 40 газ нагревается до 800°…900°С и превращается в синтез-газ, более активный, чем топливный газ.

Возможно применение на внутренней стенке 47 внешних ребер 53 для уменьшения габаритов теплообменника окончательного нагрева в 2…3 раза.

Для соединения деталей теплообменника внутренних ребер 46 с внутренней стенкой 48 применен высокотемпературный припой 54 (фиг. 6).

Внешние ребра 54 могут быть выполнены в форме пластин 56 (фиг. 3 и 6), внешних цилиндрических выступов 57 (фиг. 4) или внешних конических выступов 58 (фиг. 5) или любой другой формы.

В топливном канале 45 может быть установлен катализатор 59 (фиг 5) в виде пористого проницаемого материала.

На фиг. 7 приведен вариант со сквозными отверстиями 50, расположенными рядами,

На фиг. 8 приведен вариант со сквозными отверстиями 50, расположенными в шахматном порядке,

На фиг. 9 приведен вариант теплообменника окончательного нагрева.

На фиг. 10 приведен вариант с прямоугольными сквозными отверстиями.

На фиг. 11 приведен вариант со скругленными сквозными отверстиями.

На фиг. 12 приведено поперечное сечение и теплообменника окончательного нагрева,

На фиг. 13 приведен фрагмент теплообменника окончательного нагрева.

РАБОТА АГРЕГАТА

При запуске газотурбинного двигателя стартером (не показан) раскручивают вал 9, который раскручивает рабочие колеса 7 компрессора 18 (фиг. 1…13).

Топливный газ по топливопроводу 34 через регулятор расхода 35 и клапан 36 поступает в топливный коллектор 30 и далее в форсунки 29 (фиг. 1).

Одновременно часть топливного газа в объеме 10%…30% от общего расхода топлива по второй газовой магистрали 37 через второй коллектор топлива 38 поступает в теплообменник окончательного нагрева 40 и далее - в форсунки синтез-газа 49, Из форсунок синтез-газа 49 сннтез-газ поступает в кольцевую камеру сгорания 20, точнее в ее жаровую трубу 27, а именно в полость жаровой трубы 53.

За счет высокой активности синтез-газа значительно улучшается сгорание топлива.

В теплообменнике окончательного нагрева 40, топливный газ нагревается до 800°…900°С и превращается в синтез-газ, более активный, чем топливный газ.

Применение изобретения позволило:

- значительно повысить КПД агрегата за счет большей активности синтез-газа, и ее сохранения за счет минимальной близости теплообменника форсунок синтез-газа и внутренней полости камеры сгорания.

- увеличить степень нагрева топливного газа в теплообменниках предварительного и окончательного нагрева,

- уменьшить габариты теплообменника окончательного нагрева.

Изобретение относится к газоперекачивающим агрегатам. Задача создания изобретения заключается в повышении КПД агрегата. Достигнутые технические результаты: повышение КПД агрегата и жаростойкости теплообменника окончательного нагрева и уменьшение окружной неравномерности температурного поля на выходе камеры сгорания. Газоперекачивающий агрегат, содержащий газотурбинный двигатель, входное устройство, кольцевую камеру сгорания с форсунками на форсуночной плите, жаровой трубой с внешним кожухом жаровой трубы, топливопровод, соединенный через топливный коллектор с форсунками, а также соединенный с выходной газовой трубой, свободную турбину и выхлопное устройство. При этом газоперекачивающий агрегат согласно изобретению содержит вторую газовую магистраль, второй коллектор топлива, соединенный через теплообменник предварительного нагрева, установленный внутри выхлопного устройства, и теплообменник окончательного нагрева, установленный внутри жаровой трубы на части внешней стенки жаровой трубы, примыкающей к форсуночной плите, при этом в теплообменнике окончательного нагрева выполнены сквозные отверстия с боковыми стенками отверстий, сообщающими внешний кольцевой зазор между внешним кожухом жаровой трубы и внешним корпусом камеры с полостью жаровой трубы. 8 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Газоперекачивающий агрегат, содержащий газотурбинный двигатель, входное устройство, кольцевую камеру сгорания с форсунками на форсуночной плите, жаровой трубой с внешним кожухом жаровой трубы, топливопровод, соединенный через топливный коллектор с форсунками, а также соединенный с выходной газовой трубой, свободную турбину и выхлопное устройство, отличающийся тем, что он содержит вторую газовую магистраль, второй коллектор топлива, соединенный через теплообменник предварительного нагрева, установленный внутри выхлопного устройства, и теплообменник окончательного нагрева, установленный внутри жаровой трубы на части внешней стенки жаровой трубы, примыкающей к форсуночной плите, при этом в теплообменнике окончательного нагрева выполнены сквозные отверстия с боковыми стенками отверстий, сообщающими внешний кольцевой зазор между внешним кожухом жаровой трубы и внешним корпусом камеры с полостью жаровой трубы.

2. Газоперекачивающий агрегат по п. 1, отличающийся тем, что теплообменник окончательного нагрева выполнен со сквозными отверстиями круглого поперечного сечения.

3. Газоперекачивающий агрегат по п. 1, отличающийся тем, что теплообменник окончательного нагрева выполнен со сквозными отверстиями вытянутого поперечного сечения.

4. Газоперекачивающий агрегат по п. 3, отличающийся тем, что теплообменник окончательного нагрева выполнен со сквозными отверстиями вытянутого прямоугольного поперечного сечения.

5. Газоперекачивающий агрегат по п. 3, отличающийся тем, что теплообменник окончательного нагрева выполнен со сквозными отверстиями вытянутого прямоугольного поперечного сечения со скругленными короткими гранями.

6. Газоперекачивающий агрегат по п. 1, отличающийся тем, что теплообменник окончательного нагрева выполнен со сквозными отверстиями, расположенными рядами.

7. Газоперекачивающий агрегат по п. 1, отличающийся тем, что теплообменник окончательного нагрева выполнен со сквозными отверстиями, расположенными в шахматном порядке.

8. Газоперекачивающий агрегат по п. 1, отличающийся тем, что теплообменник окончательного нагрева выполнен со сквозными отверстиями, расположенными в плоскостях, проходящих через продольную ось кольцевой камеры сгорания.

9. Газоперекачивающий агрегат по п. 1, отличающийся тем, что теплообменник окончательного нагрева содержит в топливном коллекторе пористый проницаемый катализатор.