газотурбинная установка

Формула изобретения

1. Газотурбинная установка, содержащая турбину и компрессор, расположенные на общем валу, сообщенную выходом с входом в турбину непосредственно, а входом с выходом из компрессора через струйный аппарат, камеру сгорания с топливными форсунками, которые сообщены с топливной емкостью через пускоотсечный клапан, и насосную систему подачи, отличающаяся тем, что струйный аппарат в ней выполнен в виде инжектора, сообщенного с внешним источником подачи воздуха высокого давления, а насосная система снабжена автономным приводом.

2. Газотурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что в ней автономный привод насосной системы выполнен в виде электропривода переменной частоты вращения.

3. Газотурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что в ней автономный привод насосной системы выполнен в виде турбопривода, при этом полость турбопривода сообщена внешним источником подачи воздуха высокого давления через пускоотсечный клапан и через запорный орган с магистралью, соединяющей выход из компрессора на участке от компрессора до выхода камеры сгорания, а после насоса последовательно установлены регулятор постоянного расхода и распределитель, оснащенный рукояткой и подпружиненным чувствительным элементом, подпружиненная полость которого сообщена с атмосферой, противоположная - с магистралью входа воздуха в камеру сгорания, одна полость после распределителя сообщена с магистралью подачи топлива в камеру сгорания, другая - с полостью до насоса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для тепловой и химической обработки помещений, оборудования и других объектов народного хозяйства рабочим телом, вырабатываемым в виде горячего газа.

Известным и наиболее близким техническим решением является газотурбинная установка, содержащая турбину и компрессор, расположенные на общем валу, сообщенную выходом со входом в турбину, а входом с выходом из компрессора камеру сгорания с топливными форсунками, выполненными с каналом течения воздуха в виде диффузора и каналом течения топлива в виде цилиндрического насадка, соосно расположенного во входной части диффузора, магистраль подачи топлива, оснащенную емкостью, сообщенной с атмосферой и соединенной с форсунками камеры сгорания. Емкость соединена с форсункой через пуско-отсечной клапан с подпружиненным чувствительным элементом, подпружиненная полость которого сообщена с атмосферой, противоположная - с выходом из компрессора, а диффузор канала течения воздуха выполнен с углом конусности 6 - 12^o (патент РФ N 2107178 от 31.10.95, кл. F 02 C 7/22 - прототип).

Недостатком известной описанной выше установки и ее вариантов является то, что она не имеет агрегатов, обеспечивающих автоматическое управление процессом запуска, а запуск вручную, как показали эксперименты, снижают ее эксплуатационную технологичность и надежность, а также требует хорошо подготовленного обслуживающего персонала.

Задачей изобретения является улучшение эксплуатационных свойств за счет упрощения технологической операции запуска установки. Поставленная задача достигается за счет того, что газотурбинная установка, содержащая турбину и компрессор, расположенные на общем валу, сообщенную выходом со входом в турбину, а входом с выходом из компрессора камеру сгорания с топливными форсунками, выполненными с каналом течения воздуха в виде диффузора с углом конусности 6 - 12^o и каналом течения топлива в виде цилиндрического насадка, соосно расположенного во входной части диффузора, магистраль подачи топлива с емкостью, сообщенной с атмосферой или с выходом из компрессора и соединенной с форсунками камеры сгорания через пуско-отсечной клапан с подпружиненным чувствительным элементом, подпружиненная полость которого сообщена с атмосферой, противоположная - с выходом из компрессора, согласно изобретению снабжена инжекционным элементом и насосной системой подачи и регулирования топлива, при этом инжекционный элемент установлен на магистрали, соединяющей выход из компрессора со входом в камеру сгорания, и сообщен с внешним источником подачи воздуха в камеру сгорания, а насосная система подачи и регулирования топлива установлена на магистрали, соединяющей топливную емкость с пуско-отсечным клапаном.

Насосная система подачи и регулирования топлива для газотурбинной установки, содержащей источник электроэнергии, выполнена в виде насоса с электроприводом переменной частоты вращения.

Насосная система подачи и регулирования топлива для газотурбинной установки, не содержащей источник электроэнергии, выполнена в виде последовательно соединенных между собой насоса с турбоприводом и регулятора расхода, при этом полость турбопривода сообщена с внешним источником подачи воздуха через пуско-отсечной клапан и через запорный орган с магистралью, соединяющей выход из компрессора на участке от компрессора до выхода камеры сгорания, а регулятор расхода выполнен в виде регулятора постоянного расхода с распределителем, оснащенным рукояткой и подпружиненным чувствительным элементом, подпружиненная полость которого сообщена с атмосферой, противоположная - с полостью входа воздуха в камеру сгорания, одна полость после распределителя сообщена с магистралью подачи топлива в камеру сгорания, а другая - с полостью до насоса.

Предложенная газотурбинная установка изображена на фиг. 1 и фиг. 2. На фиг. 1 представлена установка, в которой имеется источник электропитания; на фиг. 2 - установка, в которой отсутствует источник электропитания.

Основными элементами газотурбинной установки являются:

1 - турбина;

2 - компрессор;

3 - камера сгорания;

4 - канал течения воздуха в форсунке;

5 - канал течения топлива в форсунке;

6 - пуско-отсечной клапан;

7 - подпружиненный чувствительный элемент;

8 - топливная емкость;

9 - поплавок;

10 - запорный орган;

11 и 12 - обратный клапан;

13 - вентиль;

14 - магистраль, соединяющая выход из компрессора со входом в камеру сгорания;

15 - окружающая среда (атмосфера);

16 - подвод топлива от внешнего источника;

17 - магистраль, соединяющая топливную емкость с пуско-отсечным клапаном;

18 - диффузор форсунки;

19 - конфузор форсунки;

20 - свеча накаливания;

21 - инжекционный элемент;

22 - магистраль с обратным клапаном, сообщающая инжекционный элемент с внешним источником подачи воздуха в камеру сгорания;

23 - насосная система подачи и регулирования топлива;

24 - насос с электроприводом переменной частоты вращения;

25 - насос с турбоприводом;

26 - регулятор постоянного расхода;

27 - распределитель;

28 - подпружиненный чувствительный элемент;

29 - золотник;

30 - рукоятка;

31, 32 - полости после распределителя;

33 - запорный орган;

34 - пуско-отсечной клапан;

35, 36, 37, 38 - магистрали;

A - полость чувствительного элемента пуско-отсечного клапана;

Б - подпружиненная полость чувствительного элемента 7 пуско-отсечного клапана;

В - подпружиненная полость чувствительного элемента 28 распределителя;

Г - полость чувствительного элемента 28 распределителя.

В предложенной газотурбинной установке турбина 1 и компрессор 2 расположены на общем валу, а камера сгорания 3 выполнена с топливными форсунками в виде струйных аппаратов для пневмотранспорта, где в качестве рабочей среды используется упругая среда - сжатый воздух после компрессора 2, а инжектируемой средой является жидкое топливо, при этом сжатый воздух подается по каналу 4, выполненному в виде диффузора, а топливо по каналу 5 в виде цилиндрического насадка, соосно расположенного во входной части диффузора 18. При этом подвод воздуха к диффузору выполнен в виде конфузора 19, а угол конусности диффузора равен 6 - 12^o.

Топливо подается через пуско-отсечной клапан 6 с чувствительным элементом, выполненным в виде мембраны, которая образует управляющие полости А и Б. Полость А сообщена с полостью (магистралью 14) после компрессора 2, а полость Б - с атмосферой 15.

Вход в клапан 6 соединен с топливной емкостью 8 магистралью 17. Емкость снабжена поплавком 9 и запорным органом 10, расположенным на линии подачи топлива от внешнего источника 16. На выходе из емкости установлен вентиль 13. Емкость может быть сообщена с магистралью 14 через обратный клапан 12 и с внешним источником подачи топлива 16 через обратный клапан 11 или с атмосферой 15.

Инжекционный элемент 21 представляет собой струйный аппарат с магистралью 22 для подвода воздуха с определенным давлением от внешнего источника и предназначен для подачи воздуха в камеру сгорания совместно с воздухом от компрессора в процессе запуска установки. То есть здесь запуск установки будет происходить не с вращением ротора от стартера, как в обычных газотурбинных установках, а путем создания избыточного давления перед камерой сгорания по отношению к давлению после компрессора. Обратный клапан в магистрали 22 предназначен для исключения выбросов воздуха при отсоединении внешнего источника.

Насосная система 23 подачи и регулирования топлива предназначена для обеспечения впрыска в камеру сгорания топлива с величиной расхода, находящегося в зависимости от расхода воздуха через камеру сгорания и может быть выполнена в двух вариантах, один из которых требует электроэнергию (см. фиг. 1), а другой энергию давления воздуха (см. фиг. 2).

Насос с электроприводом 24 представляет собой систему, в которой расход топлива заданной величины устанавливается путем изменения частоты вращения электропривода во взаимосвязи, например, или с оборотами турбокомпрессора, или с давлением воздуха на входе в камеру сгорания, регистрация которых будет производиться соответствующими датчиками.

Насос с турбоприводом 25 представляет собой систему, в которой обеспечивается подача топлива с определенным напором. При этом заданная величина расхода топлива устанавливается во взаимосвязи с давлением воздуха на входе в камеру сгорания несколькими агрегатами, а именно регулятором постоянного расхода 26 и распределителем 27. Регулятор постоянного расхода предназначен для поддержания максимальной величины расхода топлива, потребного для номинального или максимального режима работы установки, при изменении давлений на его входе или выходе. Распределитель 27 предназначен для подачи заданной величины расхода топлива в камеру сгорания во взаимосвязи с давлением воздуха на входе в камеру сгорания путем организации перепуска части топлива после регулятора на вход в насос. Последнее достигается выполнением распределителя с подпружиненным чувствительным элементом 28, например в виде мембраны, в котором подпружиненная полость В сообщена с атмосферой, а противоположная - Г сообщена с полостью входа воздуха в камеру. Мембрана кинематически связана с золотником 29, который при своем перемещении при увеличении давления в полости Г открывает проходное сечение полости 31 после распределителя, соединенной с магистралью 17 подачи топлива в камеру сгорания и закрывает проходное сечение полости 32 после распределителя, соединенной с полостью до насоса 25. Кроме того, распределитель снабжен рукояткой 30, с помощью которой можно перемещать золотник 29 распределителя вручную.

Принцип работы заключается в следующем.

Запуск установки по техническому решению, представленному на фиг. 1, начинается с открытия вентиля 13, подачи напряжения на свечу 20 и подачи воздуха от внешнего источника к ижекционному элементу 21 по магистрали 22 с обратным клапаном. Воздух, проходя инжекционный элемент 21, увлекает за собой воздух после компрессора и поступает в камеру сгорания 3. При определенном давлении воздуха перед камерой сгорания пуско-отсечной клапан 6 открывается и топливо поступает в камеру, где воспламеняется от свечи. Топливо насосом 24 с электроприводом переменной частоты вращения подается во взаимосвязи или с оборотами турбокомпрессора или с величиной давления воздуха перед камерой сгорания на всех режимах работы. Насос 24 должен быть объемным, в котором, как известно, имеется четкая характеристика "расход - обороты". Для данного насоса требования по напору не предъявляются и он будет потреблять мощность всего несколько ватт. Данная система не требует ручного управления выходом на заданный режим работы установки, она задачу автоматического управления решает с помощью электронных средств. Останов установки осуществляется закрытием вентиля 13. Топливо не будет поступать в камеру сгорания и процесс прекратится.

Запуск установки по техническому решению, представленному на фиг. 2, начинается с открытия вентиля 13, подачи напряжения на свечу 20 и подачи воздуха от внешнего источника к инжекционному элементу 21 по магистрали 22 с обратным клапаном и к турбине насоса 25 через пуско-отсечной клапан 34. Воздух, проходя инжекционный элемент 21, увлекает за собой воздух после компрессора и поступает в камеру сгорания 3. При определенном давлении воздуха перед камерой пуско-отсечной клапан 6 открывается и топливо поступает в камеру, где воспламеняется от свечи. Воздух по магистралям 35 и 36 подходит к турбине и раскручивает насос 25 до заданных оборотов (максимальных для данной установки). Следует отметить, что для этого варианта установки насос может быть как центробежным так и объемным. Топливо, проходя через регулятор постоянного расхода 26, стабилизируется по величине расхода (максимальное значение для данной установки). При этом изменения внешних и внутренних факторов будет приводить только к изменению перепада давления на регуляторе 26. После регулятора топливо перераспределяется - часть идет в камеру сгорания, а часть по магистрали 38 на вход в насос. Функцию перераспределения выполняет распределитель 27, который своим золотником 29 при движении вниз (относительно положения, представленного на фиг. 2) проходное сечение в одной полости 32 прикрывает, а в другой - 31 приоткрывает. В начале действия (работа) распределителя осуществляется за счет воздействия на золотник 29 мембраны 28, в полости Г которой возрастает давление. В полости В давление атмосферное, но в ней имеется пружина, которая сжимается. Этот процесс будет происходить до выхода установки на режим "малый газ", пока поступает воздух от внешнего источника на инжекторное устройство 21. После того как установка будет отключена от внешнего источника воздуха дальнейшее увеличение режима будет осуществляться вручную, путем перемещения золотника рукояткой 30. При отключении внешнего источника воздуха на турбину насоса 25 будет поступать по магистралям 37 и 36 рабочее тело - воздух из магистрали 14 (после компрессора). Однако последнее не регламентируется, можно сделать отбор воздуха перед форсунками камеры (несколько подогретый) или даже осуществить отбор части продуктов после камеры сгорания.

Останов установки осуществляется закрытием вентиля 13. Топливо не будет поступать в камеру сгорания, и процесс прекратится.

Следует отметить, что насос 25 выбирается с малой величиной мощности, достаточной только для компенсации перепада давлений на регуляторе и распределителе (1,0 - 1,5 МПа).

Следует отметить, что предложенные технические решения приемлемы для обоих вариантов установки - прототипа.

Из вышеизложенного видно, что предложенные технические решения по сравнению с известными значительно упрощают запуск установки, а следовательно, улучшают эксплуатационную технологичность и повышают надежность.

Таким образом, предложенные технические решения расширяют область применения и улучшают основные характеристики установки, предназначенной для тепловой обработки различных объектов и других целей.