ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к области газотурбостроения, в частности, к конструкциям приводных, энергетических, теплофикационных или комбинированных по назначению газотурбинных установок.
Известна газотурбинная установка, содержащая газогенератор с турбокомпрессором и камерой сгорания, подключенный к свободной турбине, имеющей выход к потребителю мощности (патент РФ 2098649, кл. F 02 C 7/12, oп. 10.12.1997 г.).
Недостатками известной установки являются низкая мощность установки и невысокие экономичность и надежность.
Наиболее близкой к заявленной является газотурбинная установка, содержащая газогенератор с турбокомпрессором и камерой сгорания, подключенный к свободной турбине, имеющей выход к потребителю мощности (свидетельство на полезную модель РФ №20930, кл. F 02 C  3/00, oп. 10.12.2001 г.). В качестве турбокомпрессора в установке использован турбокомпрессор авиационного двигателя Р13-300 или Р13Ф-300 или Р25-300 или Р95Ш или Р195.
Недостатками известной установки являются низкая мощность установки (8-10 МВт) и невысокие экономичность и надежность.
Полезная модель решает задачу оптимизации установки по основным ее характеристикам.
При использовании полезной модели достигается технический результат, заключающийся в повышении мощности установки при одновременном увеличении ее экономичности и надежности.
Указанный технический результат достигается тем, что в газотурбинной установке, содержащей газогенератор с турбокомпрессором и камерой сгорания, подключенный к свободной турбине, имеющей выход к потребителю мощности, в газогенераторе установки использован турбокомпрессор авиационного турбореактивного двигателя типа Р29-300 или турбокомпрессор авиационного турбореактивного двигателя типа АЛ-21 или турбокомпрессор корабельной газотурбинной установки типа ДТ59 или турбокомпрессор газогенератора типа Rolls Royce Gaz Generator моделей Avon или RВ211.
На фигуре показана схема газотурбинной установки.
Установка содержит газогенератор, включающий в себя турбокомпрессор 1 и камеру 2 сгорания. Турбокомпрессор 1, в свою очередь, включает в себя компрессор 3 и механически связанную с ним (например, расположенную на одном валу с компрессором 3) турбину 4 турбокомпрессора 1. При этом выход компрессора 3 подключен ко входу камеры 2 сгорания, которая своим выходом подключена ко входу турбины 4 турбокомпрессора 1. Газогенератор посредством газо-воздушного тракта подключен к неохлаждаемой свободной силовой турбине 5, которая имеет выход 6 к потребителю мощности, например, электрогенератору (не показан). При необходимости на входе установки перед компрессором 3 может быть установлено воздухоочистительного устройство 7 любой известной конструкции. В качестве турбокомпрессора 1 в газогенераторе установки использован турбокомпрессор авиационного турбореактивного двигателя типа Р29-300 (см. Авиадвигателестроение: Энциклопедия / под ред. В.М.Чуйко, М., изд. дом «Авиамир», 1999 г., с.64.) или турбокомпрессор авиационного турбореактивного двигателя типа АЛ-21 (см. Авиадвигателестроение: Энциклопедия / под ред. В.М.Чуйко, М., изд. дом
«Авиамир», 1999 г., с.13.) или турбокомпрессор корабельной газотурбинной установки типа ДТ59 (см. Газотурбинные технологии: Каталог газотурбинного оборудования, Рыбинск, 1999 г., с.32.) или турбокомпрессор газогенератора типа Rolls Royce Gaz Generator моделей Avon или RB211 (см. Газотурбинные технологии: Каталог газотурбинного оборудования, Рыбинск, 1999 г., с.20.). Перечисленные турбокомпрессоры, широко известные на рынке газотурбинного оборудования, имеют значения степени сжатия рабочего тела в компрессоре 3, лежащие в диапазоне 8-21, и значения массового расхода воздуха на входе, лежащие в диапазоне 75-110 кг/с. В качестве свободной силовой турбины 5 в установке может быть использована неохлаждаемая турбина с температурой газа на входе до 900°С.
Газогенератор и свободная силовая турбина в совокупности образуют газотурбинный привод для различных потребителей мощности -  электрогенераторов, газовых компрессоров, нефтеперекачивающих насосов и т.п.
Механические связи между элементами установки, в отличие от газовоздушных каналов, на фигуре показаны двойными линиями.
Рассмотрим примеры конкретного выполнения газотурбинной установки.
Пример 1. В газогенераторе газотурбинной установки использован турбокомпрессор авиационного турбореактивного двигателя типа Р29-300 на режимах с температурой газа на выходе до 900°С. Турбокомпрессор авиационного турбореактивного двигателя типа Р29-300 имеет следующие характеристики:
- массовый расход воздуха на входе: 90-110 кг/с;
- степень сжатия рабочего тела в компрессоре: 11-13.
В качестве свободной силовой турбины использована неохлаждаемая турбина со следующими параметрами:
- расход газа на выходе турбины -75-110 кг/с;
- максимальная температура газа на входе в турбину - 900°С;
- мощность на валу турбины - 10-25 МВт.
e
В результате получены значения эффективной мощности N газотурбинной установки в диапазоне 15-20 МВт.
Пример 2. В газогенераторе газотурбинной установки использован турбокомпрессор авиационного турбореактивного двигателя типа АЛ-21 на режимах с температурой газа на выходе до 900°С. Турбокомпрессор авиационного турбореактивного двигателя типа АЛ-21 имеет следующие характеристики:
- массовый расход воздуха на входе: 95-105 кг/с;
- степень сжатия рабочего тела в компрессоре: 13-15.
В качестве свободной силовой турбины использована неохлаждаемая турбина со следующими параметрами:
- расход газа на выходе турбины - 75-110 кг/с;
- максимальная температура газа на входе в турбину - 900°С;
- мощность на валу турбины - 10-25 МВт.
e
В результате получены значения эффективной мощности N газотурбинной установки в диапазоне 16-21 МВт.
Пример 3. В газогенераторе газотурбинной установки использован турбокомпрессор корабельной газотурбинной установки типа ДТ59 на режимах с температурой газа на выходе до 900°С. Турбокомпрессор корабельной газотурбинной установки типа ДТ59 имеет следующие характеристики:
- массовый расход воздуха на входе: 95-101 кг/с;
- степень сжатия рабочего тела в компрессоре: 11-12.
В качестве свободной силовой турбины использована неохлаждаемая турбина со следующими параметрами:
- расход газа на выходе турбины - 75-110 кг/с;
- максимальная температура газа на входе в турбину - 900°С;
- мощность на валу турбины - 10-25 МВт.
e
В результате получены значения эффективной мощности N газотурбинной установки в диапазоне 12,5-16,5 МВт.
Пример 4. В газотурбинной установке использован газогенератор типа Rolls Royce Gaz Generator модели Avon на режимах с температурой газа на выходе до 900°С. Турбокомпрессор газогенератора типа Rolls Royce Gaz Generator модели Avon имеет следующие характеристики:
- массовый расход воздуха на входе: 75-80 кг/с;
- степень сжатия рабочего тела в компрессоре: 8-10.
В качестве свободной силовой турбины использована неохлаждаемая турбина со следующими параметрами:
- расход газа на выходе турбины - 75-110 кг/с;
- максимальная температура газа на входе в турбину - 900°С;
- мощность на валу турбины - 10-25 МВт.
e
В результате при использовании в качестве нагрузки электрогенератора с частотой вращения 3000 об/мин получены значения эффективной мощности N газотурбинной установки в диапазоне 10-15 МВт.
Пример 5. В газотурбинной установке использован газогенератор типа Rolls Royce Gaz Generator модели RB211 на режимах с температурой газа на выходе до 900°С. Турбокомпрессор газогенератора типа Rolls Royce Gaz Generator модели RB211 имеет следующие характеристики:
- массовый расход воздуха на входе: 85-90 кг/с;
- степень сжатия рабочего тела в компрессоре: 16-20.
В качестве свободной силовой турбины использована неохлаждаемая турбина со следующими параметрами:
- расход газа на выходе турбины - 75-110 кг/с;
- максимальная температура газа на входе в турбину - 900°С;
- мощность на валу турбины - 10-25 МВт.
e
В результате получены значения эффективной мощности N газотурбинной установки в диапазоне 20-25 МВт.
Газотурбинная установка работает следующим образом.
Компрессор 3 забирает воздух из атмосферы непосредственно или через воздухоочистительное устройство 7, в котором производится удаление из воздуха посторонних частиц (песка, пыли и т.п.). Сжатый компрессором 3 воздух поступает в камеру 2 сгорания, куда одновременно подается топливо (например, авиационный керосин, дизельное топливо или природный газ). Продукты сгорания топлива из камеры 2 сгорания подаются в турбину 4 турбокомпрессора 1, где расширяясь они отдают часть своей энергии, которая используется турбиной 4 для приведение во вращение компрессора 3. Неизрасходованная в турбине 4 турбокомпрессора 1 часть энергии продуктов сгорания топлива преобразуется в неохлаждаемой свободной силовой турбине 5 в механическую энергию, которая с выхода 6 может быть передана любому потребителю мощности, например, электрогенератору. Отработавшие в турбине 5 газы могут быть направлены в устройство утилизации тепла (не показано) или непосредственно в атмосферу.
Возможность повышения мощности газотурбинной установки при одновременном увеличении ее экономичности и надежности по сравнению с известной установкой подтверждается тем, что использование в установке турбокомпрессора со степенью сжатия рабочего тела в компрессоре 8-21 и массовым расходом воздуха на входе 75-110 кг/с, а также использование в качестве свободной силовой турбины - неохлаждаемой турбины с температурой газа на выходе до 900°С, в совокупности обеспечивает возможность достижения на валу свободной силовой турбины мощностей 10-25 МВт без необходимости принудительного охлаждения элементов силовой турбины, снижающего общую экономичность установки и ее надежность.