ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА

Газотурбинная установка предназначена для выработки энергии.
Известны газотурбинные двигатели (ГТД, см., например, БСЭ). Наибольшее распространение получили ГТД с непрерывным сгоранием топлива при постоянном давлении. В таком ГТД сжатый атмосферный воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, туда же подается топливо, которое сгорая, нагревает воздух; затем в газовой турбине энергия газообразных продуктов сгорания преобразуется в механическую работу.
Компрессор состоит из ротора, укрепленного на одной оси с турбиной, неподвижного управляющего аппарата и нескольких ступеней лопаток. При работе турбины ротор компрессора вращается. Лопатки ротора имеют такую форму, что при их вращении давление перед компрессором понижается, а за компрессором - на входе в камеру сгорания - повышается. Воздух засасывается в компрессор, несколько ступеней лопаток, которого повышают давление воздуха в 5-7 раз. Процесс сжатия протекает адиабатно, поэтому температура воздуха на входе в камеру сгорания повышается на 200°С и более. Далее, сжатый воздух поступает в камеру сгорания. Одновременно через форсунку в нее, например, впрыскивается под большим давлением жидкое топливо. При горении топлива воздух, служащий рабочим телом, нагревается до 1500-2200°С. Воздух и продукты сгорания расширяются и с огромной скоростью поступают в турбину. Лопатки турбины выполнены под углом к оси ротора. Двигаясь по лопаткам ступеней турбины вдоль оси ротора, продукты сгорания вращают их. При этом, потенциальная энергия газов или пара преобразуется в кинетическая энергию потока. Таким образом, тепловая энергия преобразуется в механическую энергию вращения ротора. Часть полученной энергии расходуется на вращение компрессора, а остальная часть используется, например, как привод электрогенератора.
ГТД могут работать на твердом (угольная пыль) и жидком топливе, газообразном топливе, в том числе, газогенераторных газах.
Недостатком ГТД при работе на высокозольном органическом (древесина, торф) твердом топливе является образование большого количества шлака, который требует частого обслуживания и уменьшает срок службы таких установок. Шлак образуется в камере сгорания при высокой температуре и давлении из легкоплавкой золы.
Известна газотурбинная установка, содержащая, кинематически связанные, компрессор и, расположенную в корпусе, реактивную турбину в виде тела вращения, камеру сгорания, выполненную в объеме реактивной турбины и шлакоулавливающую камеру (патент США №4006591, кл. F02С 3/14, 1977). Через горловину турбины в камеру сгорания проходит топливопровод для подачи твердого топлива.
Недостатком данной газотурбинной установки является сжигание топлива в объеме реактивной турбины, образование шлака на ее поверхности и, как следствие, необходимость выполнения дополнительных устройств для отвода шлака от лопаток турбины и из полости камеры сгорания.
Задача, которая решалась при создании данного изобретения, была связана с исключением образования шлака в камере сгорания и на лопатках турбины.
Поставленная задача решается тем, в газотурбинной установке, содержащей компрессор, камеру сгорания, рабочую турбину, между компрессором и рабочей турбиной установлен теплообменник.
Сущность решения задачи поясняется следующим. В состав газотурбинной установки дополнительно вводится теплообменное устройство для передачи тепла от горючих газов рабочему телу газотурбинной установки.
В камере сгорания газотурбинной установки (например, выносной пиролизной топке) горячие продукты сгорания содержат большое количество золы и других твердых тугоплавких включений. Для предотвращения попадания этих веществ на лопатки турбины между камерой сгорания и рабочей турбиной установлен теплообменник.
Сущность конкретного исполнения устройства поясняется фигурой 1. На фигуре 1 показан пример компоновочной схемы такой установки. Также, на фигуре 1 указаны параметры (температура и давление) одного из возможных режимов работы установки.
Установка содержит камеру сгорания (например, топку, работающую на твердом топливе) 1, снабженную механической (например, шнековой) подачей твердого топлива. Окно выхода горючих газов из топки соединяется с нагревательной линией теплообменника 2, в который в нагреваемую линию компрессором 5 подается сжатый атмосферный воздух. За счет сжатия, например до 10 атмосфер, в компрессоре данный воздух нагревается, например до 300°С. Далее, горючие газы, отдавшие тепло сжатому воздуху, поступают в утилизатор тепла 3, например, водогрейный котел. Сжатый атмосферный воздух в теплообменнике 2 нагревается от горючих газов до, например 900°С, и поступают на рабочее колесо турбины 6. Рабочее колесо 6 приводит во вращение компрессор 5 и генератор электрической энергии 7.
Котел-утилизатор 3 снабжает тепловой энергией потребителя 8. Отработанные дымовые газы из котла 3 удаляются, например, через дымовую трубу 4.
Газотурбинная установка работает следующим образом.
В камеру горения 1 (топку для сжигания, например, фрезерного торфа, древесных опилок или другого твердого топлива), подается топливо и горячий дутьевой воздух из рабочей турбины 6. Продукты горения из камеры 1 поступают в нагревательную линию теплообменника 2, нагревая рабочее тело (сжатый в компрессоре 5 атмосферный воздух), далее поступают в котел-утилизатор. Из котла дымовые газы удаляются через дымовую трубу 4. Компрессор 5 засасывает из атмосферы воздух, сжимает его и подает в теплообменник 2. В нагревательной линии теплообменника 2 сжатый атмосферный воздух нагревается от продуктов горения, поступающих из камеры горения. Далее сжатый и нагретый, например до 900°С, воздух поступает на рабочее колесо 6 газотурбинной установки. На лопатках рабочего колеса 6 сжатый и горячий воздух, расширяясь, приводит его во вращение. Рабочее колесо 6 приводит во вращение компрессор 5 и, например, генератор электроэнергии 7.
Отработанный в турбине горячий воздух подается в камеру горения. Нагрев дутьевого воздуха, подаваемого в камеру горения, до порядка 450°С, существенно улучшает процесс пиролиза твердого топлива в топке.
Использование такой конструкции газотурбинной установки позволяет значительно упростить ее конструкцию, снизить требования к используемому топливу по качеству, величине фракций, влажности, повысить КПД установки.
Данное устройство экономически целесообразно использовать для автономного снабжения теплом и электроэнергией предприятий с потреблением тепловой и электрической энергии порядка нескольких мегаватт.