ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к машиностроению, в частности к устройствам для генерирования электрической энергии.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению газотурбинной установки по компановке является устройство генерирования электрической энергии (см. Патент на полезную модель №114341 «Микрогазотурбинный энергетический агрегат», F0C 6/00, F0C 3/03, опубл. 20.03.2012), включающее воздушный компрессор, камеру сгорания, выполненную с возможностью смешивания топлива и воздуха и сжигания полученной смеси, радиальную турбину с керамическим рабочим колесом, электрогенератор, в котором воздушный компрессор и турбина установлены на одном валу с электрогенератором, при этом, газотурбинная установка оборудована теплообменником.
К недостаткам данного устройства следует отнести большую материалоемкость из-за наличия теплообменника, а также невозможность варьирования снимаемой мощности при неизменных оборотах вала без использования дорогостоящих приборов инвенторов, а также необходимость использования редуктора.
Задачей предлагаемого технического решения является создание газотурбинной установки, позволяющей варьировать снимаемую мощность при неизменных низких оборотах вала, с низкой себестоимостью изготовления и эксплуатации, также обеспечивающей достаточно высокий уровень КПД. Установки с низкими оборотами турбины предпочтительнее при требуемой небольшой потребляемой мощности.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является удешевление установки и обеспечение низких неизменных оборотов генератора.
Указанный технический результат достигается тем, что в газотурбинной установке, включающей воздушный компрессор, камеру сгорания, выполненную с возможностью смешивания топлива и воздуха и сжигания полученной смеси, радиальную турбину с рабочим колесом в виде диска с лопатками, электрогенератор, расположенный на одном валу с турбиной, имеются отличия, а именно: воздушный компрессор установлен на автономном валу, соединен с ресивером и снабжен отключателем-регулятором, камера сгорания снабжена краном-редуктором, неподвижный корпус радиальной турбины выполнен с нормально расположенным относительно рабочей поверхности радиальных лопаток каналом подвода к ним рабочих газов от камеры сгорания и окном выхода отработанных газов, диск радиальной турбины выполнен со щеками, при этом щеки диска расположены соосно валу с прилеганием к боковым поверхностям радиальных рабочих лопаток с двух сторон, лопатки имеют прямоугольную форму и расположены па одинаковом расстоянии друг от друга в плоскостях, проходящих через ось турбины.
На фиг. 1 показана схема газотурбинной установки, на фиг. 2 показан разрез А-А блока газотурбинной установки, состоящего из турбины и камеры сгорания, на фиг. 3 показана турбина в разрезе.
Газотурбинная установка включает воздушный компрессор 1, выполненный с возможностью подачи сжатого воздуха в камеру сгорания 2, камеру сгорания 2, выполненную с возможностью смешивания топлива и воздуха и сжигания полученной смеси, радиальную турбину 3, имеющую неподвижный корпус 4, рабочее колесо в виде диска 5 с лопатками 6 и щеками 7, вращаемое рабочим телом в виде продуктов сгорания, полученных в камере сгорания 2, электрогенератор 8, расположенный на одном валу 9 с турбиной 3. Установленные на рабочем колесе турбины 3 лопатки 6 имеют прямоугольную форму без изгибов и расположены радиально на одинаковом расстоянии друг от друга в плоскостях, проходящих через ось турбины. Воздушный компрессор 1 установлен на автономном валу 10, снабжен отключателем-регулятором 12 и связан с ресивером 11, приводится в действие мотором 13, расположенным на том же валу 10, за счет электрической энергии, вырабатываемой электрогенератором 8 или от аккумулятора 14. Отключатель-регулятор 12 также связан с мотором 13. Турбина 3 имеет неподвижный корпус 4, снабженный каналами 15 и 16, предназначенными соответственно для подвода рабочего тела в пространство между радиальными лопатками 6 и щеками 7 диска 5 и отвода отработанных газов. Щеки 7 ограничивают межлопаточные пространства по ширине лопаток. Канал 15, посредством которого рабочее тело подается от камеры сгорания в межлопаточные пространства, выполнен в корпусе 4 под углом, обеспечивающим максимальное воздействие на лопатки 6, т.е. нормально относительно рабочей поверхности радиальных лопаток. Кран-редуктор 17, регулирующий величину давления воздуха, подаваемого в камеру сгорания 2, установлен на ее входе. Линия подачи топлива снабжена заслонкой 18, служащей для варьирования количества подаваемого в камеру сгорания 2 газообразного или жидкого топлива. Газотурбинная установка может дополнительно содержать теплообменник 19, соединенный с каналом выхода 16 отработанных газов, в котором в качестве горячего теплоносителя используются продукты сгорания после выхода из турбины 3, выполненный с возможностью передачи тепловой энергии потребителю в виде нагретой воды.
Установка работает следующим, образом. В момент запуска установки мотор 13 компрессора 1 приводится в действие от аккумулятора 14, вращает вал 10 и всасывает воздух, сжимает его и подает в ресивер 11 и затем в камеру сгорания 2. Величина давления подаваемого от ресивера 11 сжатого воздуха в камеру сгорания 2 регулируется краном-редуктором 17. Одновременно в камеру сгорания 2 подается горючее в газообразном или в жидком состоянии, где происходит его смешение с воздухом, возгорание от свечи (не показана), выделение тепла и расширение образовавшихся газообразных продуктов сгорания - рабочего тела, состоящего из воздуха и продуктов сгорания. Из камеры сгорания 2 рабочее тело по каналу 15 поступает в пространство между радиальными лопатками 6 и диском 5 со щеками 7, воздействует на рабочие поверхности лопаток 6 газовой турбины 3 под углом, обеспечивающим максимальное воздействие на лопатки 6, приводя турбину 3 во вращение, используя при этом часть своей энергии. Вследствие наличия щек 7 потери энергии рабочего тела минимизируются. Щеки 7 служат «концентраторами» потока, воздействующего на лопатки 6. Вал 9 турбины 3 раскручивается и приводит в действие электрогенератор 8, расположенный на том же валу, что и турбина 3. Электрогенератор 8 вырабатывает электроэнергию, которая направляется потребителю, а также расходуется на поддержание работы мотора 13 компрессора 1 и/или на подзарядку аккумулятора 14. Отработанные газы выводятся через канал 16 отвода отработанных газов. В случае наличия в установке теплообменника 19 тепло отработанных газов из канала 16 передается теплообменнику 19, где тепло отработанных газов нагревает воду, которая отводится потребителю.
Производительность компрессора 1 для установки подбирается таким образом, чтобы его постоянная работа обеспечивала режим работы установки при максимальной мощности вырабатываемой энергии. При работе на неполной мощности установки работа компрессора 1 становится периодической. В этом случае при достижении заданной отключателем-регулятором 12 максимальной величины давления в ресивере 11 работа компрессора 1 путем подачи сигнала на мотор 13 приостанавливается и возобновляется автоматически при снижении давления до заданного минимально необходимого.
Уменьшение потребляемого количества электроэнергии от установки приводит к уменьшению электродвижущей силы электрогенератора 8, к убыстрению вращения вала 9, и, следовательно, к убыстрению вращения вала генератора 8, меняя частоту вырабатываемой электроэнергии. Для преодоления этого недостатка в установке прототипе используются дорогостоящие устройства - инвенторы и стабилизаторы частоты напряжения. В предлагаемой установке замедления вращения вала турбины и достижения ее постоянных оборотов достигают, регулируя подачу воздуха и топлива в камеру сгорания. Это также служит возможности использования менее дорогостоящих подшипников вала турбины и генератора и приводит к более редким ремонтам устройств.
В установке прототипе увеличение частоты вращения вала генератора приводит к увеличению числа оборотов мотора, приводящего в действие компрессор 1, что увеличивает производство сжатого воздуха. В предлагаемой установке из-за наличия автономного вала 10 мотора 13 компрессора 1 перепроизводства воздуха не происходит. Также происходит регулирование подачи топлива заслонкой 18.
Установка воздушного компрессора 1 на автономном валу 10 позволяет изменять давление воздуха, нагнетаемого компрессором 1, и, тем самым, регулировать давление рабочих газов, воздействующих на турбину 3. Открывается возможность поддерживать постоянное число оборотов вала 9 колеса турбины 3 при различных необходимых величинах потребляемой от электрогенератора 8 мощности без применения дорогостоящих устройств инвенторов, стабилизаторов частоты и напряжения.
Предлагаемая газотурбинная установка позволяет получить без использования теплообменника КПД порядка 40%, с использованием теплообменника порядка 60%. Использование рабочего колеса данной конструкции в газотурбинном двигателе позволяет использовать в установках генерации электроэнергии рабочие колеса значительно большего диаметра, не увеличивая при этом расчетную мощность турбины. Это позволяет значительно снизить обороты вала турбины при одновременном увеличении крутящего момента, что удешевляет установку при сохранении КПД не ниже порядка 40%.