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, а также генератор горючих газов, снабженный окном выхода горючих газов, генератор горючих газов соединен окном выхода горючих газов с всасывающим патрубком турбокомпрессора газотурбинной установки.
Сущность решения задачи поясняется следующим, В состав газотурбинной установки дополнительно вводится устройство для генерации горючих газов из твердого топлива, например, вихревая пиролизная (газогенераторная) топка (см., например патент РФ №106936), снабженная устройством подачи твердого мелкофракционного топлива, например, древесных опилок, фрезерного торфа.
Окно выхода горючих газов (водород, окись углерода, кислород и т.п.) присоединяется к всасывающему патрубку компрессора. Также, к всасывающему патрубку компрессора или непосредственно в окно выхода продуктов пиролиза из топки подается воздух. Воздух предварительно нагревается, например, на наружной поверхности топки.
В камере сгорания газотурбинной установки смесь горячих продуктов сгорания и пиролиза из топки и воздуха сжимается, воспламеняется и вращает рабочую турбину установки. Рабочая турбина связана (например, кинематически) с компрессором, который нагнетает смесь горючих газов и воздуха.
При работе данной газотурбинной установки зола образуется на колосниках топки, в которой компрессором создается разряжение. Как показывает опыт, древесная зола или остатки горения торфа при таких условиях не плавятся и не спекаются.
Сущность конкретного исполнения устройства поясняется рисунками. На фиг.1 показан пример компоновочной схемы такой установки.
Установка содержит газогенераторную топку 1, снабженную механической (например шнековой) подачей твердого топлива. Топка содержит окно 3 выхода продуктов сгорания и пиролиза твердого топлива (горючих газов), образующихся в топке при высокой температуре и недостатке кислорода. Дополнительно топка снабжена устройством для нагрева воздуха, выполненного, например, в виде кожуха 4 на наружной поверхности топки. Количество подаваемого в кожух 4 воздуха регулируется, например шибером 5. Также воздух в кожух 4 может нагнетаться вентилятором с частотным регулированием, что облегчает запуск установки. Нагретый воздух расходуется на сжигание и пиролиз топлива в топке, а также подается в камеру сгорания газотурбинной установки 6. Газотурбинная установка, например, содержит входное устройство - диффузор 7, осевой компрессор 8, камеру сгорания 9, газовую турбину 10 и выходное сопло 11. Отработанные газы из выходного сопла для повышения энергоэффективности установки поступают в теплогенератор, например котел.
Газотурбинная установка работает следующим образом.
В топке 1 для сжигания, например, фрезерного торфа, древесных опилок или другого твердого топлива, количество подаваемого дутьевого воздуха регулируется, например шибером 5 так, чтобы сгорание топлива происходило с недостатком дутьевого воздуха. При этом вместе с продуктами сгорания в, раскаленной до порядка 1000-1200°С, топке образуются горючие газы (водород, окись углерода, кислород и т.п.).
Дутьевой воздух и воздух, подаваемый в газотурбинную установку для сжигания горючих газов, предварительно нагревается в кожухе 4. Нагрев дутьевого воздуха до порядка 300°С существенно улучшает процесс пиролиза твердого топлива в топке.
Из топки 1 продукты сгорания, горючие газы из окна 3 и часть нагретого воздуха из кожуха 4 поступают в газотурбинную установку 6. В установке 6 они сначала сжимаются в диффузоре 7, затем в осевом компрессоре 8 и поступают в камеру сгорания 9. В камере 9 при большом давлении и температуре происходит полное сгорание горючих газов. В камере 9 продукты сгорания, расширяясь, вращают газовую турбину 10. Отработанные продукты сгорания через выходное сопло 11, поступают в теплогенератор, например котел.
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.