Газотурбинная энергетическая установка

Полезная модель относится к области энергетики, а именно, к энергомашиностроению и может быть использована в энергетических установках. Газотурбинная энергетическая установка содержит центробежный компрессор, связанный с камерой сгорания, имеющей горелочные устройства, выход камеры сгорания связан с центростремительной турбиной, ротор которой имеет возможность соединения с электрическим генератором, а также пусковое устройство. Роторы пускового устройства, центробежного компрессора и центростремительной турбины смонтированы на общем валу, установленном в газостатических подшипниках, горелочные устройства камеры сгорания установлены в несколько ярусов, при этом установка снабжена теплообменником, установленным между компрессором и камерой сгорания, и оснащена плазменным устройством розжига камеры сгорания. 1 з.п ф-лы, 1 илл.

Полезная модель относится к области энергетики, а именно, к энергомашиностроению и может быть использована в энергетических установках.

Известна газотурбинная энергетическая установка, содержащая газотурбинный двигатель, турбогенератор, установленный последовательно с его обмоткой статора, преобразователь частоты, например, двухканальный тиристорный преобразователь, валопровод установки, состоящий из ротора газотурбинного двигателя, ротора турбогенератора и промежуточного вала, который соединен с обоими роторами жесткими фланцевыми соединениями. Валопровод установлен на активных магнитных подшипниках: четырех радиальных и одном осевом. Подшипники, расположенные на концах ротора газотурбинного двигателя, и подшипники, расположенные на концах ротора турбогенератора, обеспечивают неконтактный подвес ротора в магнитном поле, создаваемом управляемыми электромагнитами. Осевой магнитный подшипник обеспечивает бесконтактную фиксацию в осевом направлении ротора газотурбинного двигателя и ротора турбогенератора. Промежуточный вал собственных подшипников не имеет. Радиальные магнитные подшипники снабжены спаренными страховочными подшипниками, например шарикоподшипниками, которые вступают в работу, когда не работают радиальные активные магнитные подшипники. При штатной работе страховочные подшипники не работают и вращаются вместе с валопроводом установки.

В процессе работы установки, в режиме пуска преобразователь частоты используется как пусковое устройство. Получив энергию из сети, он плавно повышает частоту до необходимой величины, а турбогенератор выполняет функцию двигателя, который разгоняет газотурбинный двигатель до частоты его самозапуска, после чего газотурбинный двигатель доводит частоту вращения до номинальной, при этом турбогенератор вырабатывает ток с нестандартной частотой 101,6 Гц. Статорная обмотка турбогенератора подключена к тиристорному преобразователю частоты, который понижает частоту тока до стандартной - 50 Гц, и через трансформатор передает электроэнергию в промышленную сеть.

(см. патент РФ на полезную модель 43331, кл. F02C 3/00, 2005 г.).

В результате анализа конструкции данной установки необходимо отметить, что применение активных магнитных подшипников позволяет отказаться от использования масла и организации маслосистемы, а, следовательно, исключить трудоемкие работы по обслуживанию и ремонту маслосистемы и самих масляных подшипников скольжения. Однако конструкция опоры валопровода весьма сложна, так как использует большое количество подшипников разного типа.

Известна энергетическая газотурбинная установка, содержащая газотурбинный блок и замкнутый утилизационный контур. Газотурбинный блок содержит последовательно установленные компрессор низкого давления, в который подается наружный воздух, компрессор высокого давления, камеру сгорания топлива, газовую турбину, состоящую из турбин высокого и низкого давления, а также генератор тока, через который снимаемая с турбин мощность передается потребителю.

Замкнутый утилизационный контур установки содержит последовательно установленные рекуперативный теплообменник с теплоносителем, первую и вторую утилизационные турбины, холодильник, насос, обеспечивающий движение теплоносителя в контуре, регенератор и второй генератор тока. Генератор подключен к выходу второй утилизационной турбины для передачи мощности турбин потребителю.

Для обеспечения химической реакции N₂O₄2NO₂ и обратно регенератор дополнительно соединен с утилизационными турбинами, а рекуперативный теплообменник - с выходом турбины низкого давления.

В процессе работы установки атмосферный воздух из окружающей среды поступает в компрессор низкого давления и через компрессор высокого давления попадает в камеру сгорания, где смешивается с топливом, например, природным газом. Топливная смесь сгорает в камере сгорания. Из камеры полученные при сгорании газы поступают в турбину высокого давления и далее - в турбину низкого давления. Расположенный на общем валу с турбинами генератор тока приводится в действие и вырабатываемая им электроэнергия поступает к потребителю.

Выхлопные газы из турбины низкого давления с температурой 400-560°С подаются в рекуперативный теплообменник для нагрева диссоциирующего теплоносителя замкнутой системы - четырехокиси азота N₂O₄.

Теплоноситель - четырехокись азота N₂O₄ в жидком состоянии при температуре 30-40°С и давлении 0.18-0.22 МПа, из холодильника поступает в насос, который сжимает его и повышает давление до 13-17 МПа. Далее теплоноситель поступает в регенератор, где он нагревается за счет тепла газов, выходящих из первой утилизационной турбины, до 200-250°С. С полученными параметрами уже в газообразном виде четырехокись азота N₂O₄ попадает в теплообменник. Здесь газ рабочего тела получает дополнительное тепло от выхлопных газов газотурбинного блока, диссоциирует с поглощением энергии на диссоциацию до фазы NO₂ и выполняет работу в первой турбине.

После турбины в регенераторе теплоноситель трансформируется в газ N₂O₄ , отдавая часть тепла для подогрева и испарения поступающего в регенератор из насоса теплоносителя в жидкой фазе. Из регенератора теплоноситель в фазе N₂O₄ поступает на вторую турбину замкнутого утилизационного контура. Турбина работает на теплоносителе в фазе N₂O₄. Генератор тока приводится в действие и полученная мощность утилизационных турбин также поступает к потребителю.

(см. патент РФ на полезную модель 61797, кл. F01K 23/10, 2007 г.) - наиболее близкий аналдог.

В результате анализа известной установки необходимо отметить, что ее конструкция позволяет использовать тепло выхлопных газов, однако она эффективно работает только при мощности, большей 1000 кВт. Кроме того, конструкция известной установки весьма сложна, что обусловлено необходимостью использования агрегатов (турбин, компрессоров) высокого и низкого давления. Химические реакции в утилизационном контуре должны протекать в достаточно узком диапазоне температур, что затрудняет реализацию технологического цикла, который осуществляется при весьма высоких давлении и температуре в газовых турбинах, что может вызвать проблемы с экологической безопасностью

Задачей настоящей полезной модели разработка газотурбинной энергетической установки достаточно простой конструктивно, обладающей высоким ресурсом работы и обеспечивающей высокий процент сгорания топлива, а следовательно, экологическую безопасность при функционировании.

Поставленная задача обеспечивается тем, что в газотурбинной энергетической установке, содержащей центробежный компрессор, связанный с камерой сгорания, имеющей горелочные устройства, выход камеры сгорания связан с центростремительной турбиной, ротор которой имеет возможность соединения с электрическим генератором, а также пусковое устройство, новым является то, что роторы пускового устройства, центробежного компрессора и центростремительной турбины смонтированы на общем валу, установленном в газостатических подшипниках, горелочные устройства камеры сгорания установлены в несколько ярусов, при этом установка снабжена теплообменником, установленным между компрессором и камерой сгорания, и оснащена плазменным устройством розжига камеры сгорания и оснащена блоком управления, связанным с пусковым устройством, устройством розжига и центростремительной турбиной.

Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых представлена схема установки.

Газотурбинная энергетическая установка содержит пусковое устройство - электрогенератор - стартер 1, выполненный на постоянных магнитах из редкоземельных металлов, центробежный компрессор 2, центростремительную турбину 3.

Роторы данных агрегатов расположены на одном валу 4. Опорами для вала служат газостатические подшипники 5 (конструкция таких подшипников известна, см., например, патент РФ на полезную модель 93125). Выход компрессора 2 через теплообменник 6 связан с камерой сгорания 7, оснащенной плазменным устройством 8 ее розжига. Выход камеры сгорания связан с центростремительной турбиной 3. Установка оснащена блоком управления 9, выполненным на основе программируемого контроллера, предназначенного для управления и диагностики установки в режиме реального времени. Блок управления связан с пусковым устройством, устройством розжига и центростремительной турбиной.

Камера сгорания оснащена газовыми горелочными устройствами 10, установленными на корпусе камеры сгорания в несколько ярусов. На графических материалах показано два яруса, что, однако, не означает, что количество их не может быть иным.

Внутренняя поверхность камеры сгорания может быть выполнена из карбида кремния.

Выполнение устройства розжига плазменным обеспечивает гарантированный розжиг при низких температурах.

Выполнение блоков, модулей и агрегатов установки является известным, оно не составляет предмета патентной охраны и поэтому в материалах заявки не раскрыто.

Под связями (соединениями) в данной заявке понимаются транспортирующие средства, а именно водо-газо-паропроводы для жидких и газообразных компонентов и их смесей.

Установка может иметь стационарное исполнение или мобильное. Во втором случае все узлы и агрегаты устройства, указанные выше, монтируют на раме транспортного средства, либо на прицепе, который может быть соединен с транспортным средством.

Газотурбинная энергетическая установка работает следующим образом.

Для запуска установки, по команде с блока управления 9 включается электрогенератор - стартер 1, система прокачки агента через теплообменник 6, система подачи среды в зазоры подшипников 5 вала 4. Электрогенератор - стартер приводит во вращение вал 4, от которого вращаются роторы центробежного компрессора 2 и центростремительной турбины 3.

Воздух от компрессора 2 пропускается через теплообменник, где его температура доводится до заданной и поступает в камеру сгорания, куда также подается топливо, например, природный газ, который через форсунки горелочных устройств 10 подается в камеру сгорания, где он смешивается с воздухом, нагнетаемым в камеру сгорания компрессором. С блока управления 9 дается команда на включение устройства розжига 8, которое поджигает газовую смесь в камере сгорания. Горелочные устройства образуют сходящиеся потоки, что обеспечивает практически полное сгорание топливной смеси.

Полученный в камере сгорания газ направляют в центростремительную турбину 3 для вращения ротора, который связан с электрогенератором, вырабатывающим электрическую энергию для потребителей.

Параметры работы центростремительной турбины отслеживаются датчиками (не показаны), связанными с блоком управления 9.

1. Газотурбинная энергетическая установка, содержащая центробежный компрессор, связанный с камерой сгорания, имеющей горелочные устройства, выход камеры сгорания связан с центростремительной турбиной, ротор которой имеет возможность соединения с электрическим генератором, а также пусковое устройство, отличающаяся тем, что роторы пускового устройства, центробежного компрессора и центростремительной турбины смонтированы на общем валу, установленном в газостатических подшипниках, горелочные устройства камеры сгорания установлены в несколько ярусов, при этом установка снабжена теплообменником, установленным между компрессором и камерой сгорания, и оснащена плазменным устройством розжига камеры сгорания.

2. Газотурбинная энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что она оснащена блоком управления, связанным с пусковым устройством, устройством розжига и центростремительной турбиной.