Газотурбинный двигатель или газотурбинная энергетическая установка

Газотурбинный двигатель, или газотурбинная энергетическая установка дополнительно содержит модуль реформинга, преобразующий, по меньшей мере, часть магистрального углеводородного топлива в синтез-газ, включающий газоразрядную ячейку, с возможностью создания образования воздушной низкотемпературной нестационарной плазмы с колебательно- и электронно-возбужденными молекулами O₂ при воздействии электрического разряда на поступающий воздух, и плазмохимический реактор, служащий для получения синтез-газа из углеводородно-воздушной плазмы.

Газоразрядная ячейка выполнена с возможностью создания объемной плотности энергии Es не менее 0.2 Дж/см³, и величины приведенной напряженности электрического поля 1-5·10^-16 В·см² при разряде, устойчиво работающем при E/N~1-5·10^-16 В·см².

Плазмохимический реактор имеет длину не более 1 м. Техническое решение повышает экономичность ГТД или ГТУ при одновременном снижении эмиссии NO_x , CO, сажи и несгоревших углеводородов и может быть использовано в двигателях для турбовозов (локомотивы с ГТУ), в области судостроения, а также в ГТУ в нефтедобывающей и газовой промышленности при утилизации, например, сопутствующих газов при разработке месторождений природного газа для получения электроэнергии или работы компрессорных станций по перекачке магистрального газа.

Полезная модель относится к области двигателестроения, а более точно относится к газотурбинному двигателю или газотурбинной энергетической установке.

Газотурбинные двигатели и газотурбинные энергетические установки широко известны.

Основными элементами газотурбинных двигателей являются воздухозаборник, компрессор высокого давления, камера сгорания, турбина и сопло.

В мире существуют газотурбинные двигатели разных поколений от 1-го (создание в 40-вых годах 20 века) до 5-го (в настоящее время). Описания газотурбинных двигателей разных поколений вплоть до самых современных есть во многих источниках, например, получило большое распространение следующее учебное пособие: Теория двухконтурных турбореактивных двигателей. Под ред. С.М.Шляхтенко и В.А.Сосунова. М., Машиностроение 1979. К относительно новым источникам, правда менее известным, относится справочник: Иностранные авиационные двигатели, 2005: Справочник ЦИАМ / Общая редакция: В.А.Скибин, В.И.Солонин. - М.: Изд. Дом "Авиамир", 2005. - Стр.592, с ил. ISBN 5-94049-018-2).

Известны газотурбинные энергетические установки, используемые для выработки электроэнергии, содержащие газотурбинный двигатель, механически сопряженный с ним электрогенератор и устройство для подвода охлажденного воздуха в газотурбинный двигатель, включающее автономный воздушный компрессор (АВК) с приводом (SU 919730, RU 2145386, RU 2354838).

В России имеется огромный парк передвижных автоматизированных электростанций, в которых используется газотурбинный авиационный двигатель, например, однороторный АИ-20 (RU 2354838).

Наиболее актуальные проблемы, стоящие перед современным двигателестроением в различных его областях - это проблемы экономичности и снижения эмиссии экологически опасных соединений.

В основу полезной модели положена задача повышения экономичности газотурбинного двигателя или установки при одновременном снижении эмиссии вредных веществ в атмосферу, а именно NO_x, CO, сажевых частиц и несгоревших углеводородов.

Техническим результатом является интенсификация горения при одновременном снижении эмиссии NO_x, CO, сажевых частиц и несгоревших углеводородов.

Другим техническим результатом является уменьшение длины камеры сгорания L газотурбинного двигателя.

Поставленная задача решается тем, что газотурбинный двигатель, или газотурбинная установка, содержащие компрессор высокого давления, камеру сгорания, связанную воздушным трактом с компрессором высокого давления и топливной магистралью с источником углеводородного топлива, турбину, связанную входом с выходом камеры сгорания и своим выходом через сопло с атмосферой, дополнительно содержит модуль реформинга, преобразующий по меньшей мере, часть магистрального углеводородного топлива в синтез-газ, включающий газоразрядную ячейку, вход в которую связан с воздушным трактом за компрессором, выполненную с возможностью образования воздушной низкотемпературной нестационарной плазмы с колебательно- и электронно-возбужденными молекулами кислорода при воздействии электрического разряда на поступающий воздух, и плазмохимический реактор, служащий для получения синтез-газа из богатой углеводородно-воздушной смеси, вход которого связан с топливной магистралью и выходом из газоразрядной ячейки, а выход - с камерой сгорания.

Целесообразно, чтобы газотурбинный двигатель, или газотурбинная энергетическая установка содержали бы газоразрядную ячейку с возможностью создания объемной плотности энергии Es не менее 0.2 Дж/см³, при величине приведенной напряженности электрического поля 1-5·10^-16 B·см² .

Крайне целесообразно, чтобы плазмохимический реактор имел длину X не более 1 м.

В дальнейшем полезная модель поясняется описанием и рисунком, на котором представлена принципиальная блок-схема полезной модели.

Газотурбинный двигатель или установка 7 содержит компрессор 1 высокого давления, камеру сгорания 2, связанную входом с воздушным трактом 9 и топливной магистралью 10 исходного углеводородного топлива, турбину 3, связанную входом с камерой сгорания 2, и выходом с атмосферой через сопло 4.

Согласно полезной модели ГТД или ГТУ 7 дополнительно снабжен модулем реформинга 8 исходного углеводородного топлива.

Модуль реформинга 8 содержит газоразрядную ячейку 5, вход которой связан с воздушным трактом за компрессором 1, и плазмохимический реактор 6, связанный своим входом с выходом газоразрядной ячейки 5 и топливной магистралью 10, а своим выходом со входом в камеру сгорания 2.

Газоразрядная ячейка 5 выполнена с возможностью создания объемной плотности энергии Es не менее 0.2 Дж/см³, при величине приведенной напряженности электрического поля ~1-5·10^-16 В·см ². Для этого целесообразно использовать разряд, устойчиво работающий при E/N~1-5·10^-16 В·см² .

Такие характеристики приводят к генерированию (образованию) воздушной низкотемпературной нестационарной плазмы с возбужденными молекулами O₂.

Выбор данного типа разряда связан с его высокой эффективностью при воспламенении углеводородного топлива (метана). Основной причиной высокой эффективности разряда с E/N~1-5·10^-16 В·см² является то, что электроны в таком разряде преимущественно возбуждают молекулы O₂ в колебательное состояние (=1) и метастабильные синглетные состояния O₂ (a¹_g) и O₂(b¹_g⁺), а скорости реакций инициирования и продолжения цепи с участием этих возбужденных молекул на несколько порядков величины превышают скорости соответствующих реакций с участием невозбужденных молекул O₂, т.е. в этом случае происходит существенное ускорение цепного механизма, ответственного за воспламенение смеси, и за ее конверсию в синтез-газ. При таких параметрах разряда и образовавшейся богатой метано-воздушной смеси максимальные мольные доли содержания в воздушной плазме колебательно-возбужденных в основном электронном состоянии молекул кислорода и электронно-возбужденных молекул O₂(a¹_g) и O₂(b¹_g⁺) находятся в пределах 1-5% от полного количества кислорода в смеси.

Значение Es>0.2 Дж/см ³ выбрано из условия ограничения длины X плазмохимического реактора - не более 1 м, а второе значение (E/N~1-5·10 ^-16 В·см²) соответствует комбинированному несамостоятельному электрическому разряду (например, высокочастотный импульсный разряд, объединенный с разрядом прямого тока). Ограничение длины X реактора 6 следует из соображения, что его наличие не должно сильно влиять на массогабаритные характеристики типичной ГТУ. Длина разрядной ячейки 5 на порядок меньше длины плазмохимического реактора 6 и ее влияние на массогабаритные характеристики ГТУ можно не учитывать.

Могут быть использованы известные разрядные ячейки, например: ячейка с комбинированным несамостоятельным электрическим разрядом, а именно с высокочастотным импульсным разрядом, объединенным с разрядом прямого тока (см., например, Ф.В.Плевако, С.А.Жданок, А.Л.Чернухо, В.В.Наумов, A.M.Старик Электроразрядный источник синглетного кислорода для интенсификации горения//Неравновесные физико-химические процессы в газовых потоках и новые принципы организации горения / Под ред. A.M.Старика. - М.: ТОРУС ПРЕСС, 2011. - 864 с., 433-448).

При работе ГТД или ГТУ углеводородное топливо и воздух, сжатый до высокого давления в компрессоре 1, поступают в камеру сгорания 2.

Часть воздуха, сжатого до высокого давления в компрессоре 1, и нагретого вследствие такого сжатия до высокой температуры ~950°K, непрерывно поступает в газоразрядную ячейку 5, где подвергается воздействию электрического разряда с указанными величинами объемной плотности энергии Es и напряженностью электрического поля E/N.

При воздействии электрического разряда образуется нагретая примерно до 800-950°K воздушная низкотемпературная нестационарная плазма с колебательно- и электронно-возбужденными молекулами кислорода.

Полученную воздушную плазму смешивают с другой частью основного потока углеводородного топлива, подаваемого в камеру сгорания 2. Смешение воздушной плазмы с углеводородным топливом из магистрали 10 может быть осуществлено в линии 11, связывающей газоразрядную ячейку 5 с плазмохимическим реактором 6 или в отдельной камере смешения 12.

Затем углеводородно-воздушная смесь поступает в плазмохимический реактор 6, в реакционной камере которого происходит реформинг исходного углеводородного топлива в синтез-газ.

Образующийся при реформинге синтез-газ с температурой T=1800-2000°K из плазмохимического реактора 6 поступает в камеру сгорания 2, где смешивается с основной частью топливо-воздушной смеси, поступающей по магистрали 10. Наличие указанного выше количества нагретого до температуры T=1800-2000°K синтез-газа в камере сгорания 2 видоизменяет реакционные механизмы горения смеси и образования NO_x, что позволяет: несколько сократить длину камеры сгорания L и существенно снизить эмиссию NO_x, CO, сажи и несгоревших углеводородов в выхлопе при том же эквивалентном соотношении топливо/окислитель или дополнительно обеднить топливо-воздушную смесь приблизительно до =0.25-0.2 при сохранении ее устойчивого горения.

Таким образом, поскольку сжигание синтез-газа термодинамически эффективней сжигания исходного углеводородного топлива (метана), а скорость горения синтез-газа даже с умеренным содержанием водорода (20%) заметно выше, чем для метана в воздухе при одинаковых условиях и составе топливно-воздушной смеси, то даже частичная замена исходного углеводородного топлива на синтез-газ способствует снижению эмиссии экологически опасных компонентов и сокращению длины камеры сгорания при сохранении полноты сгорания и обеспечении той же температуры на выходе из камеры и работоспособности продуктов сгорания (т.е. в турбине не будет отниматься энергия от потока рабочего тела).

Таким образом, предлагаемое техническое решение повышает экономичность ГТД или ГТУ при одновременном снижении эмиссии NO_x, CO, сажи и несгоревших углеводородов.

Полезная модель может быть использовано в двигателях для турбовозов (локомотивы с ГТУ) и в области судостроения. Полезная модель может использовано также в ГТУ в нефтедобывающей и газовой промышленности при утилизации, например, сопутствующих газов при разработке месторождений природного газа для получения электроэнергии или работы компрессорных станций по перекачке магистрального газа.

1. Газотурбинный двигатель или газотурбинная энергетическая установка, содержащий компрессор высокого давления, камеру сгорания, связанную с компрессором высокого давления и с топливной магистралью, турбину, связанную с выходом камеры сгорания и через сопло с атмосферой, отличающийся тем, что дополнительно содержит модуль реформинга, преобразующий, по меньшей мере, часть магистрального углеводородного топлива в синтез-газ, включающий газоразрядную ячейку, связанную своим входом с воздушным трактом за компрессором и выполненную с возможностью образования воздушной низкотемпературной нестационарной плазмы с колебательно- и электронно-возбужденными молекулами O₂ при воздействии электрического разряда на поступающий воздух, и плазмохимический реактор, служащий для получения синтез-газа из углеводородно-воздушной плазмы, и связанный своим входом с топливной магистралью и газоразрядной ячейкой, а выходом - с камерой сгорания.

2. Газотурбинный двигатель или газотурбинная энергетическая установка по п.1, отличающийся тем, что содержит газоразрядную ячейку с возможностью создания объемной плотности энергии Es не менее 0,2 Дж/см³ и величины приведенной напряженности электрического поля 1-5·10 ^-16 В·см² при разряде, устойчиво работающем при E/N~1-5·10^-16 В·см².

3. Газотурбинный двигатель или газотурбинная энергетическая установка по п.1, отличающийся тем, что плазмохимический реактор имеет длину не более 1 м.

4. Газотурбинный двигатель или газотурбинная энергетическая установка по п.1, отличающийся тем, что содержит камеру смешения, расположенную между газоразрядной ячейкой и плазмохимическим реактором.