Газотурбінна установка

Реферат: Газотурбінна установка містить встановлені на одному валу повітряний компресор, газову турбіну і електрогенератор, камеру згоряння, а також камеру змішування продуктів згоряння з водою, яка розміщена між камерою згоряння і газовою турбіною, джерело живильної води, водяний насос з регулятором витрати, з'єднаний з не менш ніж однією парою розпилювачів води, встановленими в камері змішування. Установка додатково оснащена теплообмінником, який розміщений за газовою турбіною, і з'єднаний з одного боку з джерелом живильної води, а з іншого - з розпилювачами води. Розпилювачі води розміщені в камері змішування так, що їх поздовжні осі являють собою перехресні прямі. Вихідні отвори розпилювачів спрямовані таким чином, що напрямок витікання потоку води протилежний напряму руху продуктів згоряння в камері змішування. Кут між поздовжніми осями розпилювачів становить 30°-50°. UA 104136 U (54) ГАЗОТУРБІННА УСТАНОВКА UA 104136 U UA 104136 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до теплоенергетики, зокрема до газотурбінних силових установок, в яких використовують комбіноване низькотемпературне робоче тіло, і може бути використана при створенні компактних мобільних електростанцій, а також як привід інших машин і механізмів. Відома газотурбінна установка містить встановлені на одному валу повітряний компресор, газову турбіну і електрогенератор, камеру згоряння, а також камеру змішування продуктів згоряння з водою, яка розміщена між камерою згоряння і газовою турбіною, джерело живильної води, водяний насос з регулятором витрати, з'єднаний з не менш ніж однією парою розпилювачів води, встановленими в камері змішування [див. а.с. СРСР № 1796773, МПК F02C 7/08, заявл. 21.09.1989 р., опубл. 23.02.1993 р.]. Відома газотурбінна установка додатково містить конденсатор для уловлювання води або водяної пари з відпрацьованих продуктів згоряння, який з'єднаний з джерелом живильної води, а також містить теплообмінник для підігріву повітря, встановлений на вході в компресор і підключений по охолоджуваному середовищу до виходу з конденсатора і входу в холодильник. Відома газотурбінна установка характеризується громіздкістю конструкції, інерційністю в управлінні і низькою надійністю в роботі, що обумовлено її конструкцією. Уприскування пари конденсатора в стиснене компресором повітря перед камерою згоряння знижує вміст кисню в повітрі, в результаті чого порушуються процеси згоряння палива в камері згоряння, газова турбіна має недостатню ефективність. Найбільш близькою за технічною суттю і результатом, що досягається, до технічного рішення, що заявляється, є газотурбінна установка, яка містить встановлені на одному валу повітряний компресор, газову турбіну і електрогенератор, камеру згоряння, а також камеру змішування продуктів згоряння з водою, яка розміщена між камерою згоряння і газовою турбіною, джерело живильної води, водяний насос з регулятором витрати, з'єднаний з не менш ніж однією парою розпилювачів води, встановленими в камері змішування [див. з. РФ № 94037771, МПК F02C 3/30, заявл. 30.09.1994 р., опубл. 20.08.1996 p.]. У відомій газотурбінній установці розпилювачі води встановлені як на вході в камеру згоряння, так і в камері змішування. Розпилювачі води в камері змішування розташовані так, що поздовжня вісь розпилювача лежить у фронтальній площині перерізу камери змішування, а джерело живильної води безпосередньо з'єднаний з розпилювачами води. Недоліком відомої установки є невисока надійність її роботи. Розміщення розпилювачів на вході в камеру згоряння обумовлює введення розпорошеної води безпосередньо в зону горіння, що негативно впливає на процес горіння. При цьому відбувається локальне, значне зменшення температури в зоні горіння, в результаті чого спостерігається недопал палива і порушення нормального процесу горіння в камері згоряння. Встановлення розпилювачів води в камері змішування так, що їх поздовжні осі лежать у фронтальній площині перерізу камери змішування, не забезпечує ефективного змішування продуктів згоряння і води, що впорскується. В процесі упорскування води в камеру змішування струмінь води спрямований перпендикулярно руху потоку продуктів згоряння. При цьому вода захоплюється струменем продуктів згоряння, який стрімко рухається, формуючи паралельний рух двох потоків, внаслідок чого не забезпечується ефективний теплообмін між продуктами згоряння і водою. Одержане парогазове робоче тіло в обсязі камери змішування має пульсуючу температуру, що негативно позначається на роботі турбіни, істотно знижує стабільність її роботи і надійність установки в цілому. З'єднання розпилювачів води безпосередньо з джерелом живильної води збільшує теплові витрати на випаровування води, а також є причиною виникнення ускладнень з регулюванням теплового балансу газотурбінної установки. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення конструкції газотурбінної установки шляхом введення нових вузлів установки, нового взаємного розташування і нових зв'язків, що сприяє інтенсифікації процесів сумішоутворення продуктів згоряння з потоком води в камері змішування, і в результаті забезпечує підвищення надійності роботи установки. Поставлена задача вирішується тим, що в газотурбінній установці, яка містить встановлені на одному валу повітряний компресор, газову турбіну і електрогенератор, камеру згоряння, а також камеру змішування продуктів згоряння з водою, яка розміщена між камерою згоряння і газовою турбіною, джерело живильної води, водяний насос з регулятором витрати, з'єднаний з не менш ніж однією парою розпилювачів води, встановленими в камері змішування, згідно з корисною моделлю, установка додатково оснащена теплообмінником, який розміщений за газовою турбіною, і з'єднаний з одного боку з джерелом живильної води, а з іншого - з розпилювачами води, розпилювачі води розміщені в камері змішування так, що їх поздовжні осі 1 UA 104136 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 являють собою перехресні прямі, а вихідні отвори розпилювачів спрямовані таким чином, що напрямок витікання потоку води протилежний напряму руху продуктів згоряння в камері змішування. Новим є також те, що кут між поздовжніми осями розпилювачів становить 30°-50°. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю суттєвих ознак, що заявляються, і технічним результатом, що досягається, полягає в тому, що: - оснащення газотурбінної установки теплообмінником, який розташований за газовою турбіною і з'єднаний з одного боку з джерелом живильної води, а з іншого - з розпилювачами води, дозволить забезпечити регенеративний теплообмін з продуктами згоряння і тим самим зменшити витрати енергії, пов'язані з випаровуванням води в камері змішування, а також більш гнучко регулювати термодинамічні параметри парогазового робочого тіла, яке подається в газову турбіну, що забезпечить стабільність її роботи і установки в цілому; - розташування розпилювачів води в камері змішування так, що їх поздовжні осі представляють собою перехресні прямі, а вихідні отвори розпилювачів спрямовані таким чином, що напрямок витікання потоку води протилежний напряму руху продуктів згоряння в камері змішування, забезпечує зустрічний рух двох потоків, що змішуються: потоку продуктів згоряння і потоку води, що подається. При цьому відбувається ефективна гомогенізація компонентів, заснована на виникненні вихрового ефекту. Процес ефективного змішування супроводжується так званим "молекулярним кипінням", що забезпечує процес гомогенного сумішоутворення на молекулярному рівні і в гранично короткий час. Відбувається ефективний теплообмін між продуктами згоряння і диспергуючою водою (парами води) з вирівнюванням їх температур, що дозволяє провести процес їх змішування і стиснення в ізотермічному режимі як найбільш економічний з існуючих режимів стиснення. Завдяки цьому забезпечується стабільність роботи газової турбіни в усьому динамічному діапазоні роботи установки, що підвищує її надійність. При значенні кута між поздовжніми осями двох розпилювачів менше 30° знижується ефективність процесу завихрення потоків, що змішуються: водяного і продуктів згоряння, що погіршує гомогенізацію робочого тіла. При значенні кута між поздовжніми осями двох розпилювачів більше 50° сповільнюються процеси турбулізації потоків, що змішуються, це також негативно позначається на ефективності процесу гомогенізації робочого тіла. Таким чином, досягається підвищення ефективності та надійності роботи газотурбінної установки. Технічна суть пояснюється кресленнями, де: на фіг. 1 представлене схематичне зображення газотурбінної установки; на фіг. 2 представлене взаємне розташування осей пари розпилювачів води. Газотурбінна установка містить встановлені на валу 1 повітряний компресор 2 для подачі повітря, газову турбіну 3 і електрогенератор 4. Установка містить також камеру 5 згоряння і камеру 6 змішування продуктів згоряння, що виходять з камери 5 згоряння з поданою водою. Камера 6 змішування розміщена між камерою 5 згоряння і газовою турбіною 3. Установка містить водяний насос 7, оснащений регулятором витрати води (не показаний), яка подається в камеру 6 змішування, і з'єднаний трубопроводами з двома розпилювачами 8 води, які розміщені в камері 6 змішування. Розпилювачі 8 виконані у вигляді форсунок і розміщені в камері 6 змішування так, що їх поздовжні осі являють собою перехресні прямі. Вихідні отвори 9 розпилювачів 8 направлені так, що напрямок витікання потоку води з розпилювачів 8 протилежний напряму руху продуктів згоряння в камері 6 змішування. Кут між поздовжніми осями двох розпилювачів 8 води дорівнює 30°-50° (оптимально - 45°). Газотурбінна установка оснащена теплообмінником 10, який встановлений за газовою турбіною 3. Теплообмінник 10 з одного боку з'єднаний з джерелом 11 живильної води, а з іншого - вихідного боку - з розпилювачами 8 води. Газотурбінна установка працює таким чином. За допомогою компресора 1 повітря подається в камеру 5 згоряння, в яку одночасно подається і паливо. Продукти згоряння палива при високій температурі і під тиском надходять до камери 6 змішування, в яку надходить підігріта вода, яка нагнітається насосом 7 дозовано з джерела 11 живильної води через теплообмінник 10. В теплообміннику 10 вода нагрівається вихлопними газами з газової турбіни 3 і далі через розпилювачі 8 подається до камери 6 змішування під тиском більшим, ніж тиск у камері 6 змішування. Утворене робоче тіло в камері 6 змішування - парогазова суміш, з рівномірною температурою надходить у газову турбіну 3 у збільшеному обсязі, але з відносною невисокою температурою. Механічна енергія, яка утворюється у газовій турбіні 3, передається на ротор електричного генератора. Заявлена газотурбінна установка є компактною і має мінімальну 2 UA 104136 U 5 10 15 20 25 кількість складових частин у порівнянні з установками даного класу. Це забезпечує надійність і високий коефіцієнт корисної дії. Газотурбінна установка може бути використана в енергозберігаючих та утилізаційних установках. Завдяки відносно невисоким параметрам робочого режиму установка відрізняється високою мобільністю, низькою інерційністю в управлінні, оскільки немає необхідності витрачати час на розігрів або охолодження проточного тракту турбіни для її пуску або зупинки. Тому заявлена газотурбінна установка може бути використана як альтернативне джерело електроенергії. Порівняно невисокі температура і тиск робочого тіла дають можливість використовувати такі двигуни як відносно низькотемпературні турбіни, наприклад дискові турбіни "Тесла". Промислова придатність заявленого технічного рішення підтверджується можливістю виготовлення газотурбінної установки на відомому обладнанні, в умовах промислового виробництва, з використанням відомих вітчизняних матеріалів і засобів, а також технологій складання. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Газотурбінна установка, що містить встановлені на одному валу повітряний компресор, газову турбіну і електрогенератор, камеру згоряння, а також камеру змішування продуктів згоряння з водою, яка розміщена між камерою згоряння і газовою турбіною, джерело живильної води, водяний насос з регулятором витрати, з'єднаний з не менш ніж однією парою розпилювачів води, встановленими в камері змішування, яка відрізняється тим, що установка додатково оснащена теплообмінником, який розміщений за газовою турбіною, і з'єднаним з одного боку з джерелом живильної води, а з іншого - з розпилювачами води, розпилювачі води розміщені в камері змішування так, що їх поздовжні осі являють собою перехресні прямі, а вихідні отвори розпилювачів спрямовані таким чином, що напрямок витікання потоку води протилежний напряму руху продуктів згоряння в камері змішування. 2. Газотурбінна установка за п. 1, яка відрізняється тим, що кут між поздовжніми осями розпилювачів становить 30°-50°. 3 UA 104136 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4