ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ИЛИ ГАЗОТУРБИННАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

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.
x
В основу полезной модели положена задача повышения экономичности газотурбинного двигателя или установки при одновременном снижении эмиссии вредных веществ в атмосферу, а именно NO, CO, сажевых частиц и несгоревших углеводородов.
x
Техническим результатом является интенсификация горения при одновременном снижении эмиссии NO, 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.
3
-16
2
Целесообразно, чтобы газотурбинный двигатель, или газотурбинная энергетическая установка содержали бы газоразрядную ячейку с возможностью создания объемной плотности энергии Es не менее 0.2 Дж/см, при величине приведенной напряженности электрического поля 1-5·10 B·см.
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.
3
-16
2
-16
2
Газоразрядная ячейка 5 выполнена с возможностью создания объемной плотности энергии Es не менее 0.2 Дж/см, при величине приведенной напряженности электрического поля ~1-5·10 В·см. Для этого целесообразно использовать разряд, устойчиво работающий при E/N~1-5·10 В·см.
2
Такие характеристики приводят к генерированию (образованию) воздушной низкотемпературной нестационарной плазмы с возбужденными молекулами O.
-16
2
1
1
+
1
1
+
2
2
g
2
g
2
2
g
2
g
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 В·см является то, что электроны в таком разряде преимущественно возбуждают молекулы O в колебательное состояние (ν=1) и метастабильные синглетные состояния O(aΔ) и O(bΔΣ ), а скорости реакций инициирования и продолжения цепи с участием этих возбужденных молекул на несколько порядков величины превышают скорости соответствующих реакций с участием невозбужденных молекул O, 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 O(aΔ) и O(bΔΣ ) находятся в пределах 1-5% от полного количества кислорода в смеси.
3
-16
2
Значение Es>0.2 Дж/см выбрано из условия ограничения длины X плазмохимического реактора - не более 1 м, а второе значение (E/N~1-5·10 В·см) 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.
x
x
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, что позволяет: несколько сократить длину камеры сгорания L и существенно снизить эмиссию NO, CO, сажи и несгоревших углеводородов в выхлопе при том же эквивалентном соотношении топливо/окислитель ϕ или дополнительно обеднить топливо-воздушную смесь приблизительно до ϕ=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).
x
Таким образом, предлагаемое техническое решение повышает экономичность ГТД или ГТУ при одновременном снижении эмиссии NO, 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.