Способ работы газотурбинной установки

Скачать ZIP архив.

Текст

(5)5 Р 02 С 3/34 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 4ф0(71) Казанский авиационный институт им,А.Н, Туполева(56) Христич В,АТумановский А.Г. Газотурбинные двигатели и защиты окружающей среды, Киев,; Техника, 1983,с, 92-95,Заявка %54-8803, кл. Е 02 С 7/08, 1979,(54) СПОСОБ РАБОТЫ ГАЗОТУРБИННОЙУ СТАН ОВ КИ Изобретение относится к турбостроению, а именно к силовым установкам, используемым для привода различных стационарных агрегатов для транспортных средств.Известен способ работы газотурбинной установки, включающий сжатие воздуха, сжигание топлива в нем в реакционной зоне, расширение продуктов сгорания в турбине высокого давления, смешивание с дополнительным сжатым воздухом в зоне смешивания и повторный подогрев газов с последующим расширением в турбине низкого давления, возврат в реакционную зону одной части инертных продуктов сгорания и выброс в атмосферу другой части их,В известном способе возврат части инертных продуктов сгорания в реакционную зону и смешивание с химически реагирующими продуктами сгорания в ней Ы 1744290 А 1(57) Использование: для привода различных стационарных агрегатов для транспортных средств, Сущность изобретения; уменьшение токсичности за счет уменьшения мольной доли окислов азота в составе продуктов сгорания путем уменьшения температуры продуктов сгорания перед смешиванием с дополнительно сжатым воздухом и в процессе смешивания, Смешивание с дополнительно сжатым воздухом осуществляют по режиму запуска, а на номинальном режиме дополнительно осуществляют отбор части продуктов сгорания после их расширения в турбине и совместное их сжатие с дополнительно сжимаемым воздухом при одновременном уменьшении расхода последнего. 1 ил,способствуют не только уменьшению температуры газовой смеси, но и "замораживанию" состава продуктов сгорания при воздействии большои доли инертных продуктов сгорания на механизм химических превращений,. Последующее течение газового потока осуществляется с неизменным составом, содержащем токсичные компоненты,Известен способ работы газотурбинной установки, заключающийся в сжатии воздуха, сжигании в нем топлива, смешивании полученных продуктов сгорания с дополнительно сжатым воздухом с последующим их расширением в турбине и охлаждением посредством нагрева сжатого воздуха,В известном способе работы газотурбинной установки не удается существенно уменьшить эмиссио окислов азота при использовании ступенчатого подвода воздуха(недостаток кислорода в зоне орения и избыток кислорода в зоне смещения), хотя иудается избежать высокой температурыпродуктов сгорания,Цель изобретения - уменьшение токсичности продуктов сгорания,Указанная цель достигаешься тем, что вспособе работы газотурбинной установки,заключающемся в сжатии воздуха, сжигания в нем топлива, смешивании получеины;( 10продуктов сгорания с дополнительно сжа.тым воздухсм с последующим их расширением в турбине и охлаждением посредствомнагрева сжатого воздуха, уменьшают температуру продуктов сгорания перед смешиванием с дополнительно сжатым воздухомпосредством их расширения и в процессесмешивания посредством регулированиярасхода дополнительно сжатого воздухапричем смешивание с дополнительно ска 20тым воздухом осуществляют на режиме запуска, а иа номинальном режимедополилтельио осуществлякт отбор частипродуктов сгорания после их расширения втурбиие и совместное их сжатие с дополнительно сжимаемым воздухом при одновременном уменьшении расхода послед егопричем подогрев воздуха осуществляют перед сжиганием в нем топлива,Наличие су;цествеииых Отличий обеспечивает умеиьшсние вредных выбросов в атмосферу как при изменен.1 и режимовработы газотурбинной установки. так и приувеллчении температуры на входе в турбину, т,е, при решении задачи повышения зкономичности газотурблииой установки,Уменьшение вредных выбросов в атмосферу в результате работы, например, науглеводородном топливе. не содержащем всвоем составе азот, при температуре газового потока Тг = 1750 - 1850 1; иа выходеиз камеры смешения заключается в уменьшении, главным образом, мольной доли1".Ох в составе продуктов сгорания. Процессобразования воздушных окислов азота 45(пр(цесс окисления азота воздуха) являетсяпроцессом термическим л непосредственноне связан с горением. Образующиеся в реакционной зоне высокотемпературные продукты сгорания при стехиометрическом 50соотношении тоолива и воздуха (коэффициент избытка окисления и равен г(= 1)содержат в своем составе частично продиссоциированные стабильные частицы (продукты полного сгорания С 02, Н 20 л К 2) 55продукты их диссоциации, концентрациякоторых определяется а соответствии с константами скооостей реакций цепного механизма химических превращений. т,елабильные частицы (неустойчивые типа О,Н, ОН и достаточно устойчивые 02, Н 2, МО, СО, концентрация которых, определяемая мольной долей по отношению к мольной доли молекулярного азота, составляет десятые доли процента), При уменьшении статической температуры потока высокотемпературных продуктов сгорания газодинамическим путем при дополнительном предварительном расширении в результате процесса рекомбинации мольные доли стабильных частиц увеличиваются, а мольные долл лабильных частиц уменьшаются, Последующее уменьшение полной температуры путем тепломассообмена с охлаждающим реагентом в зоне смешения поиводит к дальнеишему процессу рекомбинации и уменьшению концентрации лагОидьнык ЧЭСГИЦ В СОСГаБЕ (При доСТаТОЧНО протякеином начальном участке при ;мешении,. При атом введение в цепной еханизм, сосгоящлй из реакций продолжения, сазветвления и квадратичного обрыв цепей. дополнительно большой концен.рации инертных молекул приводит к заметному влиянию реакций квадратичного Обрыва цепей, которые являются "каналом ухода" иеус гойчивых лабильиых частиц О. Н, ОН и способствуют "замораживанию" (закаливанию) состава продуктов сгорания, но .Оицентрация окислов дзота как продукт диссоциации. при таком уровне температур уже мала.,Отклсч ение от стехиометричности состава в сторону увеличени коэффициента избытка окислителя а (наличие свободного кислорода) способствует увеличению змиссии МО и образованик стабиль;юй дстицы МО 2.Таким образом поз 1 ап- ое изменениеемпературы ироду, гов сгорания например стехиометрическо о состава: на первом - уменьшение ста 1 ической температуры газодинамическим путем придополилтельиом расширении; на втором уменьшение полной температуры путем гепломассообмеиа и введения в цепной мехаии. м химичес: их превращений инертных ,;: (- ул, не содержащих молекулярнылг кислород, позволяет достигнуть минимум вредных компонен(оь при выбросе их в а гмгсферу-,а ертеже представлена схсма газо-урбин ной; становки. реализующей спосоо работы.Способ работы газотурбинной установки рассматривается на режиме запуска и оежи;,.- номинальной нагрузки,еим запуса. Способ р =оты установк: заключается в сжатии поступающегг, в .здуха, Сжатый в(у. иагравляют в реек ионную зону для сжигания гоплива.Соотношение комопнентов топлива и воздуха поддерживается постоянным, коэффициент избытка окислителя (воздуха) а равен единице, Высокотемпературные продукты сгорания содержат в своем составе стабильные частицы (продукты полного сгорания СО 2, Н 20, й 2) и продукты их диссоциации, т.е, лабильные частицы (О, Н, ОН, 02, Н 2, СО, КО), концентрация которых определяется в соответствии с константами скоростей реакций цепного механизма химических превращений, состоящего из реакций продолжения, разветвления и квадратичного обрыва цепей. На выходе из реакционной зоны уменьшают статическую температуру потока продуктов сгорания газодинамическим путем, т.е, расширением и, как результат, ускорением потока, В результате процесса рекомбинаци при расширении величины мольных долей стабильных частиц увеличиваются, а величины мольных долей лабильных частиц уменьшаются. Последующее уменьшение полной температуры производят в процессе смешивания посредством регулирования расхода дополнительно сжатого воздуха в зоне смешения. Отклонение от стехиометричности состава в сторону увеличения коэффициента избытка окислителя приводит к образованию новой стабильной частицы МО 2, так ка уровень температуры на выходе из реакционной зоны достаточно высок и избыточная концентрация молекулярного кислорода в составе позволяет получить продукт полного окисления (ИО 2), Введение в механизм химических превращений дополнительно большой доли не только активных молекул молекулярного кислорода воздуха, но и инертных молекул М 2 приводит к заметному влиянию реакций квадратичного обрыва цепей, которые являются "каналом ухода" неустойчивых лабильных частиц О, Н, ОН, способствующих увеличению времени релаксации в установлении термодинамического равновесия в соответствии с давлением и температурой в газовом потоке, т,е. временному "замораживанию" состава продуктов сгорания и сохранению вреДных компонентов. Высокая скорость охлаждения при расширении продуктов сгорания в турбине способствует замедлению скоростей химических реакций в газовом потоке. Тепловая энергия потока в турбине преобразуется в механическую энергию вращения ротора газотурбинной установки. При достижении заданной частоты вращения ротора газотурбинной установки завершается этап запуска,Режим номинальной нагрузки. Дополнительно осуществляют отбор части 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 продуктов сгорания после их расширения в турбине и совместное их сжатие с дополнительно сжимаемым воздухом. При этом одновременно уменьшают до нуля расход дополнительно сжимаемого воздуха. В реакционную зону по-прежнему поступает топливовоздушная смесь стехиометрического состава. Уменьшение статической температуры потока продуктов сгорания осуществляют газодинамическим путем при расширении, а последующее уменьшение полной температуры осуществляют при смешении путем тепломассообмена с отбираемой частью инертных продуктов сгорания, которую сжимают перед подачей в зону смешивания. Подогрев воздуха осуществляют перед сжиганием в нем топлива путем теплообмена с выбрасываемой в атмосферу частью продуктов сгорания.Введение в цепной механизм большой доли инертных продуктов сгорания позволяет понизить температуру в реагирующем газовом потоке, в соответствии с которой состав азовой смеси стремится к термодинамическому равновесию, т.е, к составу, содержащему продукты полного сгорания СО 2. н 20, Й 2. Однако релаксационные процессы, хотя и тормозят установление термодинамического равновесия, но концентрация продуктов. диссоциации уже мала, а отсутствие в инертных продуктах сгорания, вводимых в зону смешивания, молекулярного кислорода, не позволяет лабильной частице МО превратиться в стабильную частицу МО 2, а также не способствует образованию достаточно стабильной частицы ИО (как компоненты процесса горения при а1. которая по своей стабильности отличается от лабильной частицы КО термического происхождения, т,е. как продукта диссоциации при а = 1). В результате поэтапного уменьшения температуры в потоке стехиометрического состава мольная доля КО уменьшается при заданной температуре на входе в турбину. При выбросе в атмосферу охлажденных инертных продуктов сгорания в его составе практически нет вредных веществ. В способе работы газотурбинной установки в режиме а1 в реакционной зоне также имеемснижение эмиссии ИОх, хотя результаты несколько хуже режима а = 1 в реакционной зоне при сжигании топлива.Газотурбинная установка состоит из агрегатов запуска газотурбинной установки и агрегатов внешней нагрузки, Агрегаты запуска выполнены в виде пускового устройства 1 и обгонной муфты 2, Газотурбинная установка содержит два компрессора 3 и 4 длясжатия дополнительнага потока воздуха и основного потока воздуха, турбину 5, которые соединены валам 6 и образуют ротор компрессора, силовую урбину 7, соединенную валам 8 с агрегатами внешней нагрузки 9, образующие ротор внешней нагрузки, На входе в камеру 10 сгорания установлен регулятор 11 ссотношенля компонентов. который па сигналу гязоаналитическога прибора 12 (няпримес, хроматсграфа) через систему управления (не показана) поддерживает заданное соотношение ксмпонен - тов, напримео стехиометрическую смесь топлива и воздуха,К газоаналитическому прибору 12 проба поступает ст пробастбсрника, устанавле; - НОГО На ВЬ 1 Ы Де ИЗ КЯМВРЬ 1 10ГОРЗ 1 ЧИЯ, 1(,д" МЕра ГЧ О;,г 1 И 51 ВЬ 1 Г 10 ЛНЕНВ ИЗ КеааМИК 1,11 ,":,амера 13 смешивания саоащена с ксмпОес.:Ор(,1 .; Кд,18 рОЙ 10 сГОрдниЯ Я Выход ее сообщен с Гурбинсй 5, которая имеетзов(/18 связь с силовой .ррбиноЙ 7 НЯ Выходе силовой турбины . установлен р-д-://:лрующий Орган 14, каторыЙ разделяет Газовый поток ня двя патака которые направляются в тепласбменники 15 и 16, В теплоабменнике 15 поток продуктов сгоранияя охлаждается внешним охлдждакч 1 им 08 ЯГентсм, Я В тепласбменнике 16 - Воздухом из ксмпрессоря 4, нзг:рявгяющимся в камеру 10 сгорания. Выход теплсобменника 15 по горл(ей части сообщен через регулирующий аг/яд+1 17 с входом компрессора 3. Вход теплоабменника 16 по Горячей части сообщен с атмосферой, Слгндл на выходе гязоаналитическога прибора 12 усиливается в усилителе 18 и поступает на исполнительны, механизм регулятора ";1,. азатурбинная установка работает следующим образом.Ротор компрессоса Гдзстурбиннай /с. тянавки ряскручивясгся от пускового уст ройствд 1, ссединенногс с ним чеоез ОбГонную муфту 2, Г 1 эи этом в компрессоре 3 допал 11 ит 8 льг 10 сжимяется Воздух, пасту. паю(ций чердз рсгулиругащий орган 17. Г,олак 8 ь ие ст Варки котсраГО указана сплошной лиг 1 ией Я в компРессоР 4 возДУх поступает не" асредственнс из атмосферы, С 1(Я 1 ый воздух в кампрессср 8 4 поступает В камеру 0 сгардн 11 я, г саход 5., г 1 аслецовательно теплообменник 16 и регулятор 11 соотношения кампоненя, Смесь сгорает В камере 10 сгорания. Р случае режия рабаты регулятора поддесживдющега топливсвоздушную смесь стехиометрического состава, в продуктах сгорания содеркатся компоненты пОлнОГО сгардниЯ Н 20. СО. ч и продукть, их диссациации (лабильные частицы), При движении патака высокаге;.:перзт рных продуктов сгорания в камеру 13смешивания уменьшают статическую температуру потока газодинамическим путем, -путем расширения. При этом рекомбинаци 5 онные процессы уменьшают мольные долилабильных частиц, увеличивая мольные доли продуктов полного сгорания, В камере 13смешивания уменьшают полную температуру Г 1 атока высокотемг 1 ературных продуктов10 сгорания путем тепломассообмена с дополнительно сжатым Воздухам. Псступясщимиз кймпрессоря 3, Уров 8 нь темп 8 аэтуры ндвыхсце из камеры смешивания достаточновысох л избыггочная концентрация молеку 15 лярного кислорода в составе воздуха способд к Об Раза ваг 1 ию Окислов азстд Всас; Яве газавсздушнай смеси, Гдзоваздушндян 18 сь В камере 13 смешиваниЯ 13 Осрдзсвяна двухстуг 1 енчатым подводом воздуха.,.0 мок, Г содержать и другие соотношениятоп/1;1 вд и воздуха в каждой зоне (в устройства, ",0 и 13), Газавоздушная с лесь, расшир 5;Ясь з турбине 5 л силовой турбине 7абдо 1:1 ивает выход на заданные частоты25 врз. ения ротора комг 1 срессора и роторавнешней нагрузки. Этап запуска закончен,1 а режиме номинальной нагрузкиство,ки регулру,с 1 сцих Органов 14 и 17 отКлсгГЯЮТСЯ ат ПалажЕНИя, КС.ГарОЕ ОНИ ЗаНИ 0 мали ня режиме запуска, Дополнительноосуществляю, агбар части продуктов сгорания г 1 асле их расширения в турбине и совмес: нае их сжагие с дс полнительноскимяемым воздухом, При з;ом да нулял, у;ен;шают расход дополнительно сжлмаемОгО всзцухд, Таким образам ств 010 ки ре 1 уг 1 ИС(."В 1 И ар 1. 1 дгв 1,(1 1 7 1.ВИНИМ д 1.поло, кение, указан ное пун кти ром, Створкарегу/ирующега органа 17 перекрывае 1. по 40 ступление воздуха в компрессор 3 и ссабщд 81 Вход его с выходам силовой турбины 7ЯЕрЕЗ .18 плаабМЕННИК 15 И реГуЛИруЮцИ"Орган 14, створка ката гага сс 8 спечивает Отб р н -обхадимой части инертнь 1 х продуктов45 с Гарз ни 51,В компрессоре 3 охлажденные в епласбме;,нике 15 посторонним Охлажда 1 ощимрея гентам продукты сГОрдн ия сх(имаю 1 ся ипас 1 упдют В камеру 13 см 8 шения, Где про 50 исходит уме:хдшение пОлнОЙ темг 1 ературы,ютокя продуктов с.орания из камеры 10.Лри эгом кг нцентрация молекулярного кисЛО 1 а,гд ПРаКТИЧЕСКИ РаВНа НУЛЮ,Таким образам, на режиме наминаль 55 ной нагрузки обеспе;ивается режим рабоГЫ. Пг И КстаРОМ ДВУХСГаДЛй НОЕ УМ 8 НЬШЕНИЕ;е 1 пег 1 ятуры; сначала:татическ- ,емпера"рь, стока продуктов сгссания топ/1 иво 00.,;. Внсй смеси ст.:хломдтсическогоСОС 5 , Я ЗЯ 18 М 1 ОЛ 1,Сй 1 ВМГ 18 РЯТУРЬ Г 10 ТОаказ 2178 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж. Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент". г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 ка путем тепломассообмена с потоком отбираемой части инертных продуктов сгорания, при котором достигается завершение рекомбинационных процессов, уменьшающих концентрацию лабильных частиц типа КО,Формула изобретения Способ работы газотурбинной установки, заключающийся в сжатии воздуха, сжигании в нем топлива, смешивании полученных продуктов сгорания с дополнительно сжатым воздухом и последующем их расширении в турбине и охлаждении посредством нагрева сжатого воздуха, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью уменьшения токсичности продуктов сгорания. уменьшают температуру продуктов сгорания перед смешиванием с дополнительно сжатым воздухом посредством их расширения и в процессе смешивания посредством регули рования расхода дополнительно сжатоговоздуха, причем смешивание с дополнительно сжатым воздухом осуществляют на режиме запуска, а на номинальном режиме дополнительно осуществляют отбор части 10 продуктов сгорания после их расширения втурбине и совместное их сжатие с дополнительно сжимаемым воздухом при одновременном уменьшении расхода последнего, причем подогрев воздуха осуществляют пе ред сжиганием в немтоплива,

Смотреть

Заявка

4863506, 09.07.1990

КАЗАНСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ ИМ. А. Н. ТУПОЛЕВА

ДЕМИДОВ ГЕРМАН ВИКТОРОВИЧ, МЕЛЬНИКОВА ЕЛЕНА МИХАЙЛОВНА, МОРОЗОВ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ, ТУНАКОВ АЛЕКСЕЙ ПАВЛОВИЧ, ХАБИБУЛИН ГАФУР АФРАМОВИЧ, ЭРЕНБУРГ ВЛАДИМИР НАУМОВИЧ

МПК / Метки

МПК: F02C 3/34

Метки: газотурбинной, работы, установки

Опубликовано: 30.06.1992

Код ссылки

<a href="http://patents.su/5-1744290-sposob-raboty-gazoturbinnojj-ustanovki.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентов СССР">Способ работы газотурбинной установки</a>

Похожие патенты