Способ работы газотурбинной установки

 

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 (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)л F 02 С 3/34

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

4 ф

Ф Э О ,С) (21) 4863506/06 (22) 09.07.90 (46) 30,06.92. Бюл. М 24 (71) Казанский авиационный институт им, А.Н, Туполева (72) Г,В, Демидов, Е.М. Мельникова, С,А, Морозов, А.П, Тунаков, Г.А, Хабибулин и

В.Н. Эренбург (53) 621.438(088.8) (56) Христич В.А,. Тумановский А.Г. Газотурбинные двигатели и защиты окружающей среды, Киев,: Техника, 1983, с. 92 — 95.

Заявка N 54-8803, кл. F 02 С 7/08, 1979, (54) СПОСОБ РАБОТЫ ГАЗОТУРБИННОЙ

УСТАНОВКИ

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 А1 (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 эмисси о окислов азота при использовании ступенчатого подвода воздуха

1744290 (недостаток кислорода в зоне орения и избыток кислорода в зоне смешения), хотя и удается избежать высокой температуры продуктов сгорания.

Цель изобретения — уменьшение токсичности продуктов сгорания.

Указанная цель достигаешься тем, что в способе работы газотурбинной установки, заключающемся в сжатии воздуха, сжигания в нем топлива, смешивании полученных продуктов сгорания с дополнительно сжатым воздухсм с последующим их расширением в турбине и охлаждением посредством нагрева сжатого воздуха, уменьшают температуру продуктов сгорания перед смешиванием с дополнительно сжатым воздухом посредством ;x расширения и в процессе смешивания посредством регулирования расхода дополнительно сжатог0 воздуха причем смешивание с дополилтельио с>ка тым воздухом осуществляю-, на режиме загуска, а иа номинальном режиме дополилтельио осуществляк>т отбор части продуктов сгорания после их расширения в турбиие и совместное их сжатие с дополнительно сжимаемым воздухом при одновременном уменьшении расхода послед его. причем подогрев воздуха осуществляют перед сжиганием в нем топлива.

Наличие су цествеииых отличий обеспечивает уменьшение вредных выбросов в атмосферу каK пpи изменении режим" в работы газотурбииной установки, так и при увеличении температуры на входе в турбину, т.е. при решении задачи повышения экономичности газотурблиной установки.

Уменьшение вреq÷ûõ выбросов в атмосферу в результате работы, например, на углеводородном топливе. не содержащем в своем составе азот, при температуре газового потока Тг = 1750 — 1850 К на выходе из камеры смешения заключается в уменьшении, главным образом, мольной доли

N0 в составе продуктов сгорания. Процесс образования воздушных окислов азота (процесс окисления азота воздуха) является процессом термическим л непосредственно не связан с горением. Образующиеся в реакционной зоне высокотемпературные продукты сгорания при стехиометрическо; соотношении топлива и воздуха (коэффициент избытка окисления и равен и = 1) содержат в своем составе частично продиссоциированные стабильные частицы (продукты полного сгорания СО2, Н20 и Ng) продукты их диссоциации. концентрация которых определяется а соответствии с константами скоростей реакций цепного механизма химических превращений. т,е. лабильные частицы (неустойчивые типа О, 5

)0

S i.

Н, ОН и достаточно устойчивые 02, Н2, NO, 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 пр иводи1 K дал ьиекшему про цсссу pei ом бииаци > и уменьшению концентрации лабильных - астиц в составе (при достаточно про1я>кеииом начальном участке при

;мешении). При атом введение в цепной г!eKaнизм, состоя гций из peaкций пpo додже tия, сазветвления и квадра1ичного обрыв: цепей. дополнительно большой конi!eH рации инертных молекул приводит к заметному влл нию реакций квадратичного обрыва цепей, которые являются "каналом ухода" иеус гойчивых лабильиых частлц О. Н, ОН и способству,от "замора>киванию" (закал!n ва Hinlo) cocTaea и pop>lKTDB сгорания, HG

còaáûëüНой аСтИцЫ МО).

Таким образом r!oa!an - ое изменение емпературы продуктов сгорания. например. стехиометрическо о состава: на первом — уменьшение статическоЙ темпера- уры -азодинамическим путем и ри дополилтельном расш.,рении; на втором

УМЕНЬШЕНИЕ ПОЛНОЙ тЕМПЕРатУРЫ ПУТЕМ гепломассообмеиа и введения в цепной мехаии: м химичес; их г ревращений инертных, ;:.;.г-:<ул, не содержащих молекулярнылг кисл "poi;, позволяет достигнуть млиимум вредных ком-оиен fob при выбросе их в ,"., г мосфЕ ру

-, а ертеже представлена схсма газо урбинной;становки. реализую цей способ работы. !..ïocoá работы газотурбинной установки рассматривается на режиме запуска и режи;»- номинальной нагрузки. е> им запуска.,пособ р =.оты установк:: заключается в сжатии поступающегг. в .здуха. Сжатый вг... у. .. иагравляют в р-.аК ионную зону для сжигая:-;я гопл ива.

1744290

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

СО2, Н20, N2) и продукты их диссоциации, т.е, лабильные частицы (О, Н, ОН, 02, Н2, СО, NO), концентрация которых определяется в соответствии с константами скоростей реакций цепного механизма химических превращений, состоя щего 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 N02, так ка уровень температуры на выходе из реакционной зоны достаточно высок и избыточная концентрация молекулярного кислорода в составе позволяет получить продукт полного окисления (ИО2), Введение в механизм химических превращений дополнительно большой доли не только активных молекул молекулярного кислорода воздуха, но и инертных молекул М2 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

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 газовой смеси стремится к термодинамическому равновесию, т.е, к составу, содержащему продукты полного сгорания

СО2 н20, N2. Однако рел акса цион н ы е 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 NO превратиться в стабильную частицу N02, а также не способствует образованию достаточно стабильной частицы NO (как компоненты процесса горения при а > 1. которая по своей стабильности отличается от лабильной частицы NO термического происхождения, т,е. как продукта диссоциации при a = 1). В результате поэтапного уменьшения температуры в потоке стехиометрического состава мольная доля NO 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 а > 1 в реакционной зоне также имеемснижение эмиссии

NOx, 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 для

1744290

Н Я 16 10 k 4 4

Составитель Г.Демидов

Техред М.Моргентал Корректор M,Êó÷åðÿâàÿ

Редактор И,Касарда

Заказ 2178 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. 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 NO, 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 шийся 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 регули5 рования расхода дополнительно сжатого воздуха, причем смешивание с дополнительно сжатым воздухом осуществляют на режиме запуска, а на номинальном режиме дополнительно осуществляют отбор части

10 продуктов сгорания после их расширения в турбине и совместное их сжатие с дополнительно сжимаемым воздухом при одновременном уменьшении расхода последнего, причем подогрев воздуха осуществляют пе15 ред сжиганием в нем топлива,