ГАЗОТУРБИННАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к области использования газотурбинных двигателей для создания промышленных энергетических установок.
Известны газотурбинные энергетические установки (ГТУ), содержащие компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, состоящую, как правило, из нескольких ступеней расширения газа, а также размещенную на отдельном валу силовую турбину, преобразующую энергию поступающего на ее вход газа повышенного давления и температуры в механическую энергию на валу силовой (свободной) турбины. Эта энергия может быть использована для вращения электрогенератора с целью получения электрической мощности (см. например, патенты РФ №№2189454, 2189477, 2135782). Удельная мощность газотурбинного привода ограничена допустимой температурой газа перед газовой турбиной и составляет для находящейся в эксплуатации газотурбинной электростанции ГТЭ55СТ-20 примерно 0,2 Мвт/кг/сек.
С целью повышения мощности и экономичности ГТУ предлагается обеспечить перепуск части отработавшего на одной или нескольких ступенях газовой турбины рабочего тела на вход первой ступени газовой турбины, для чего за выходным сечением камеры сгорания перед входом в газовую турбину установить эжектор, камера смешения которого соединена трубопроводом с газовоздушным трактом за одной из ступеней газовой турбины, что позволит, используя в качестве активного поток сжатого в компрессоре и подогретого в камере сгорания газа, эжектировать часть отработавшего в ступени газовой турбины рабочего тела и после смешения его с поступившим из камеры сгорания газом подать увеличенное количество газа на вход газовой турбины. Таким образом, расход поступающего на вход турбины газа увеличится по сравнению с расходом воздуха проходящего через компрессор, а температура его снизится по сравнению с температурой газа на выходе из камеры сгорания, что позволяет увеличить подачу топлива в камеру сгорания при сохранении температуры газа перед газовой турбиной (что актуально для обеспечения ее работоспособности). При этом увеличится давление газа за газовой турбиной, что обеспечит увеличение мощности силовой турбины. По сравнению с ГТУ, не оборудованной перепуском части газа из промежуточной ступени турбины на ее вход, потребуется увеличение проходных сечений рабочих и сопловых лопаток на участке от входа в турбину до сечения, в котором осуществлен перепуск части газа.
Расчеты показывают, что перепуск 50% газа на вход турбины обеспечит увеличение мощности свободной (силовой) турбины на 19% при снижении удельного расхода топлива на 8,5%, при этом потребуется увеличение площади соплового аппарата газовой турбины на 80%.
На фиг. 1 схематически представлен пример реализации предлагаемого устройства. Газотурбинная энергетическая установка (ГТУ), содержит установленные последовательно компрессор 1, камеру сгорания 2, за которой располагается газовая турбина 3, между выходным сечением камеры сгорания 2 и входом в газовую турбину 3 расположена камера смешения газового эжектора 4.
Пространство на участке за первой ступенью 5 многоступенчатой турбины 3 соединено с камерой смешения равномерно расположенными трубами 6 для перепуска части газа на вход первой ступени газовой турбины 3. Далее по направлению потока газа располагается силовая турбина 7, вал которой жестко соединен с валом электрогенератора или другого потребителя мощности.
В процессе работы газотурбинной энергетической установки поступающий на вход компрессора 1 воздух сжимается, подогревается в камеру сгорания 2, за счет сжигания топлива (жидкого или газообразного) и поступает в камеру смешения эжектора 4. Вследствие высокой скорости истечения продукты горения эжектируют из области за первой ступенью турбины 5 газ с более низким полным давлением и температурой по трубопроводам 6. В камере смешения эжектора 4 происходит смешение эжектированного по трубопроводам 6 газа с поступившим из камеры сгорания 2 продуктами горения топливо-воздушной смеси, в результате чего на вход газовой турбины 3 поступает больший по сравнению с расходом воздуха через компрессор 1 расход рабочего тела. Поскольку для привода компрессора 1 требуется такое же количество энергии, что и при отсутствии перепуска газа на вход турбины, располагаемая энергия потока перед силовой турбиной 7 увеличивается, что обеспечивает увеличение мощности на валу силовой турбины 7, а следовательно, и электрогенератора 8. Термодинамический расчет показывает, что перепуск газа в количестве 50% от расхода через компрессор позволяет увеличить мощность, отдаваемую потребителю на 19%, при этом удельный расход топлива снижается на 8,5%. При перепуске 30% выигрыш составит 12% и 5,5%, соответственно.
Применение предлагаемой полезной модели позволяет повысить мощность газотурбинной установки и снизить расход топлива на единицу мощности.