Микротурбина

Авторы патента:

Новосельцев Дмитрий Александрович (RU)

F02C3/20 - использующие специальное горючее, окислитель или определенную разжиженную среду для получения продуктов сгорания

Владельцы патента RU 2334113:

Новосельцев Дмитрий Александрович (RU)

Изобретение относится к газотурбинным источникам электроэнергии, а именно к малоразмерным газотурбинным установкам - микротурбинам, и может применяться в энергетике, а также в автомобильном, железнодорожном, водном, воздушном транспорте в составе силовых установок с электроприводом. В микротурбине между компрессором и турбиной в газовоздушном тракте турбокомпрессора установлен электрохимический реактор, содержащий батареи высокотемпературных топливных элементов. Турбокомпрессор выполнен в виде серийного турбокомпрессорного агрегата, применяемого для турбонаддува поршневых двигателей. Изобретение повышает экономичность и снижает себестоимость изготовления микротурбины, а также обеспечивает возможность быстрого ремонта за счет замены основных узлов - турбокомпрессора и электрохимического агрегата. 1 ил.

Известны газотурбинные установки малой мощности - микротурбины, предназначенные, как правило, для базового энергоснабжения изолированных потребителей или резервного энергоснабжения ответственных потребителей при наличии других источников электроэнергии [1]. Известны микротурбины, применяемые на транспорте, например газотурбогенератор ГТГ-100К для судовых энергоустановок [2].

Примером микротурбины для наземного применения является газотурбогенератор ГТГ-100М [2], состоящий из газотурбинного двигателя и генератора, соединенных упругой муфтой. Газотурбинный двигатель состоит из турбокомпрессора, выполненного в виде одноступенчатого центробежного компрессора и трехступенчатой осевой турбины, расположенных на общем валу, трубчатой противоточной камеры сгорания, редуктора с приводами агрегатов и систем обеспечения. Компрессор, камера сгорания и турбина с входным и выхлопным устройствами образуют газовоздушный тракт двигателя.

Недостатками известных микротурбин являются:

- низкий электрический КПД (в пределах 10-25% для микротурбин простого цикла типа ГТГ-100М [2] и до 30% для наиболее совершенных микротурбин рекуперативного цикла типа Capstone С30, С60 [1]) и соответственно низкая экономичность;

- высокая конструктивная сложность микротурбины в целом и отдельных узлов - компрессора, турбины, камеры сгорания - и соответственно высокая стоимость, причем с переходом к рекуперативному циклу для повышения КПД стоимость микротурбины значительно возрастает.

Для устранения недостатков необходимо достичь более эффективного использования топлива и повышения электрического КПД, а также упрощения конструкции за счет сокращения числа вращающихся узлов и узлов, работающих в условиях высокой температуры, максимального использования дешевых и доступных деталей и узлов.

Указанная цель достигается тем, что микротурбина выполнена в виде двух модулей: турбокомпрессора и электрохимического реактора, устанавливаемого в газовоздушном тракте между компрессором и турбиной вместо камеры сгорания, причем в качестве турбокомпрессора используется относительно дешевый серийный турбокомпрессорный агрегат, применяемый для турбонаддува поршневых двигателей. Электрохимический реактор содержит секции высокотемпературных топливных элементов (например, твердооксидных - SOFC, или расплав-карбонатных - MCFC, либо других типов) прямого окисления углеводородного топлива либо с внутренней конверсией углеводородного топлива; либо секции топливных элементов, работающих на синтез-газе с высоким содержанием свободного водорода и топливные процессоры для переработки углеводородного топлива в синтез-газ. Электрохимический реактор может быть выполнен на базе серийных топливных элементов, например, фирмы MTU и других производителей [3, 4]. Турбокомпрессорный агрегат обеспечивает работу электрохимического реактора - подачу сжатого воздуха и отвод выхлопных газов, содержащих продукты реакции, - за счет утилизации турбиной энергии выхлопных газов, без отбора вырабатываемой электрохимическим реактором электроэнергии.

Использование данного изобретения позволяет достичь следующих результатов:

1) повышения экономичности в 2-3 и более раз по сравнению с известными микротурбинами за счет достижения электрического КПД 45-65% и более, в зависимости от типа топливных элементов и состава топлива, что также превосходит достигнутый уровень экономичности поршневых двигателей.

2) снижения себестоимости за счет применения относительно дешевых и доступных серийных узлов и агрегатов, минимального количества вращающихся частей (отсутствия редуктора и генератора); увеличения ресурса узлов и агрегатов за счет более низкой температуры в газовоздушном тракте при замене камеры сгорания электрохимическим реактором;

3) возможности быстрого ремонта путем замены основных узлов (турбокомпрессорного агрегата, секций топливных элементов) за счет модульной конструкции непосредственно на месте эксплуатации микротурбины персоналом с минимальной необходимой квалификацией.

На чертеже представлена схема микротурбины.

Микротурбина состоит из турбокомпрессора 1 и электрохимического реактора 2 с инвертором (преобразователем) 3 постоянного тока в переменный ток. Турбокомпрессор 1 выполнен в виде серийного турбокомпрессорного агрегата, применяемого для турбонаддува поршневых двигателей, и состоит из компрессора 3 и турбины 4, рабочие колеса которых расположены на общем валу.

Компрессор 4 и турбина 5 расположены в общем корпусе, при этом каналы отвода сжатого воздуха от компрессора и подвода горячих газов к турбине сообщаются с электрохимическим реактором 2, образуя единый газовоздушный тракт. Компрессор серийного турбокомпрессорного агрегата со степенью повышения давления, равной 2,0-2,5, обеспечивает использование в качестве основного топлива микротурбины бытового газа низкого давления, без применения дополнительного дожимного газового компрессора.

Микротурбина работает следующим образом. Запуск осуществляется раскруткой вала турбокомпрессора 1, например, подачей сжатого воздуха на лопатки рабочего колеса компрессора 4. Воздух, сжимаемый вращающимся компрессором, поступает в электрохимический реактор 2, куда также подаются углеводородное топливо и, при необходимости, вода. Нагрев топливовоздушной смеси для создания условий для протекания необходимых электрохимических реакций может осуществляться, например, каталитическим нагревателем, расположенным в электрохимическом реакторе 2. В результате электрохимических реакций прямого окисления углеводородного топлива или внутренней конверсии углеводородного топлива с последующим окислением водорода, в топливных элементах электрохимического реактора 2 происходит выделение электрической и тепловой энергии. Электрическая энергия выделяется в виде постоянного тока, который затем преобразуется в инверторе 3 в переменный ток с характеристиками, необходимыми потребителю. Горячие выхлопные газы с температурой 600-650°С (для топливных элементов типа MCFC) или 800-1000°С (для топливных элементов типа SOFC) поступают в турбину 5, где расширяются, совершая механическую работу. От турбины 5 через вал осуществляется привод компрессора 4. После турбины выхлопные газы могут выбрасываться в атмосферу или поступать во внешний контур утилизации тепла.

В качестве топлива микротурбины может использоваться природный газ, в т.ч. бытовой газ низкого давления, или синтетические горючие газы различного состава, биогаз, в зависимости от типа применяемых топливных элементов. В ходе дальнейшего развития технологии топливных элементов возможно применение жидких углеводородных топлив.

1. Каталог газотурбинного оборудования - 2006. г.Рыбинск Ярославской обл., ЗАО «Газотурбинные технологии», 2006 г. - стр.4, 126-128, 234.

2. А.Губич. Применение газотурбинных двигателей малой мощности в энергетике / Газотурбинные технологии, №6, ноябрь-декабрь 2001 г. - стр.30-31. (прототип)

3. И.В.Маслов. Высокотемпературные топливные ячейки - когенерационные источники энергии будущего / Турбины и дизели, №1, январь-февраль 2006 г. - стр.4-6.

4. Е.А.Захаренко, В.Д.Буров. Эффективная малая энергетика: топливные элементы / Турбины и дизели, №4, июль-август 2006 г. - стр.40-43.

Микротурбина, отличающаяся тем, что между компрессором и турбиной в газовоздушном тракте турбокомпрессора установлен электрохимический реактор, содержащий батареи высокотемпературных топливных элементов, и турбокомпрессор выполнен в виде серийного турбокомпрессорного агрегата, применяемого для турбонаддува поршневых двигателей.

Похожие патенты:

Газотурбинный двигатель // 2327888

Изобретение относится к машиностроению, в частности к газотурбинным двигателям, и может быть использовано в двигателестроении. .

Газотурбинный двигатель // 2324831

Изобретение относится к машиностроению, в частности к газотурбинным двигателя, и может быть использовано в двигателе-строении. .

Способ подачи топлива в газотурбинный двигатель и система подачи топлива в газотурбинный двигатель (варианты) // 2292471

Изобретение относится к области двигателестроения и предназначено для использования в двигателях и установках внутреннего сгорания, работающих одновременно на нескольких видах топлива (в том числе на жидком и газообразном топливах), преимущественно в газотурбинных двигателях (ГТД) различного назначения (наземных, воздушных и морских силовых установках).

Беспламенное топливо // 2243149

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано на различных видах транспорта и в отопительных системах жилых помещений и обогрева человека в экстремальных условиях.

Способ производства энергии с высоким коэффициентом полезного действия // 2198310

Изобретение относится к способу производства энергии с высоким коэффициентом полезного действия. .

Способ получения продукта окисления и выработки электроэнергии с использованием твердой электролитической мембраны, обьединенной с газовой турбиной (варианты) // 2178529

Изобретение относится к способам получения продуктов окисления и выработки электроэнергии с использованием твердой электролитической ионопроводящей мембраны или мембраны со смешанной проводимостью, объединенной с газовой турбиной.

Устройство для получения нейтрального газа с помощью газовой турбины // 2176740

Изобретение относится к нефтегазовой отрасли промышленности, где имеются взрывоопасные объекты, и может быть использовано при технологических операциях и аварийных ситуациях для заполнения, а также продувки полостей нейтральным (инертным) газом.

Способ выработки электроэнергии в цикле, содержащем газовую турбину // 2175724

Газотурбинная установка // 2168040

Изобретение относится к газотурбинным установкам (ГТУ), и в частности, реализующим утилизацию тепла выхлопных газов с применением термохимического реактора для конверсии топлива.

Способ работы газотурбинного двигателя и огневой блок для сжигания смеси топлив // 2145669

Изобретение относится к газотурбинным двигателям и установкам различного назначения и может быть использовано в авиационных, транспортных, судовых, локомотивных и стационарных энергетических установках.

Универсальная воздушно-турбинная энергетическая установка // 2395703

Изобретение относится к энергетическим установкам и может быть использовано при создании наземных установок для получения электроэнергии и тепла с высокой эффективностью и при высоких экологических показателях, в том числе и при утилизации твердых бытовых и промышленных отходов (ТБО)

Способ работы энергетической установки с газотурбинным блоком // 2411368

Изобретение относится к области теплоэнергетики

Способ форсажа турбодвигателя и двигатель для его реализации (варианты) // 2474718

Изобретение относится к турбореактивным двигателям, преимущественно двухконтурным, и пригодно для газотурбинных двигателей

Топливо со сверхнизким содержанием серы и способ уменьшения конденсационного следа // 2505692

Способ уменьшения конденсационного следа газотурбинного двигателя заключается в том, что подают топливо со сверхнизким содержанием серы, с концентрацией серы меньше чем одна часть на миллион, в камеру сгорания газотурбинного двигателя для снижения количества содержащих серу побочных продуктов, образующихся в выхлопе газотурбинного двигателя. Композиция авиационного топлива используется со сверхнизким содержанием серы, содержащая авиационное топливо, имеющее концентрацию серы меньше чем одна часть на миллион. Изобретение позволяет уменьшить или устранить конденсационный след с помощью топлива 30 со сверхнизким содержанием серы и обеспечивает следующие преимущества: устраняется проблема вызываемого авиацией изменения климата, стоимость топлива или масса воздушного судна не увеличиваются из-за добавок, потребление топлива не изменяется, а выброс твердых частиц снижается. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

Водородный воздушно-реактивный двигатель // 2553052

Изобретение относится к газотурбинным двигателям и может быть применимо для сверхзвуковой военной авиации и гиперзвуковых самолетов. Водородный воздушно-реактивный двигатель содержит воздухозаборник, корпус, по меньшей мере, один компрессор, камеру сгорания с топливным коллектором, установленную за компрессором и соединенную с ним воздушным трактом, по меньшей мере, одну турбину и, по меньшей мере, один вал, соединяющий компрессор и турбину, реактивное сопло и систему подачи водорода к камере сгорания. Корпус камеры сгорания выполнен заодно с теплообменником кольцевой формы с входным и выходным коллекторами. Выходной коллектор соединен с топливным коллектором. Изобретение направлено на повышение энергетических возможностей газотурбинного двигателя, работающего на водороде, повышение степени сжатия компрессора, увеличение силы тяги двигателя и улучшение его удельных характеристик. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Газотурбинный двигатель // 2557793

Газотурбинный двигатель содержит корпус, герметизирующую вход в корпус крышку, систему подачи электролита, выполненную в виде форсунки с кавитатором, размещенный в корпусе вал компрессора и турбины, электролизер-кавитатор, местное сужение канала с центральным телом. Электролизер-кавитатор установлен в обособленном корпусе герметично, соединенном с камерой сгорания и с возможностью подачи газовой смеси под давлением за компрессором, через электролизер-кавитатор с центральным телом в камеру сгорания с воспламеняющим устройством. На выходе из камеры сгорания установлено устройство для разделения газового потока, содержащее сверхзвуковое сопло, внешнюю трубу, внутреннюю трубу, коаксиально расположенные друг относительно друга, канал рециркуляции дозвукового потока обратно в камеру сгорания. Изобретение направлено на увеличение КПД газотурбинного двигателя. 2 ил.

Трехкомпонентный воздушно-реактивный двигатель // 2561757

Трехкомпонентный воздушно-реактивный двигатель содержит воздухозаборник, корпус, по меньшей мере, два компрессора, камеру сгорания, по меньшей мере две газовые турбины, по меньшей мере два вала, соединяющих компрессоры и газовые турбины, реактивное сопло и систему подачи водородного топлива. Между компрессорами установлен, по меньшей мере, один водородно-воздушный теплообменник, подключенный к системе подачи водородного топлива. Двигатель также выполнен с системой подачи углеводородного топлива и системой подачи жидкого кислорода. Камера сгорания содержит три группы форсунок. Изобретение направлено на повышение степени сжатия компрессора, увеличение силы тяги двигателя и улучшение его удельных характеристик. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Способ улучшения экономичности газотурбинного двигателя и газотурбинный двигатель // 2572258

Газотурбинный двигатель содержит воздушный тракт, содержащий, в свою очередь, воздухозаборник и, по меньшей мере, одну ступень компрессора, камеру сгорания, газовую турбину, по меньшей мере один вал, соединяющий компрессор и газовую турбину, реактивное сопло и систему подачи топлива. Газотурбинный двигатель содержит активатор воздуха, который установлен вне двигателя, и его вход присоединен к выходу из компрессора, а выход из активатора воздуха соединен с камерой сгорания. Изобретение направлено на повышение энергетических возможностей газотурбинного двигателя. 19 ил.

Двигательная установка гиперзвукового самолета // 2593573

Двигательная установка гиперзвукового самолета содержит мотогондолу, воздухозаборник, корпус, компрессор, камеру сгорания, установленную за компрессором, газовую турбину, реактивное сопло и топливную систему, использующую водород, соединенную с камерой сгорания. Двигатель выполнен по трехвальной схеме. Мотогондола выполнена с системой ее охлаждения, которая соединена с топливной системой. Компрессор выполнен трехкаскадным, содержащим компрессоры низкого, среднего и высокого давления. За компрессором низкого давления установлен первый водородно-воздушный теплообменник. Между компрессорами среднего и высокого давления установлен второй водородно-воздушный теплообменник. Внутри воздушного тракта между компрессорами низкого и среднего давлений коаксиально валам установлена биротативная водородная турбина, которая имеет входной и выходной коллекторы. Входной коллектор соединен с выходом из последовательно соединенных водородно-воздушных теплообменников, а выходной - с камерой сгорания. Газовая турбина выполнена из газовой турбины высокого давления и газовой турбины низкого давления. Биротативная водородная турбина и компрессор среднего давления соединены вторым валом. Компрессор высокого давления соединен третьим валом с газовой турбиной низкого давления. Изобретение направлено на повышение энергетических возможностей газотурбинного двигателя, повышение степени сжатия компрессора, увеличение силы тяги двигателя и улучшение его удельных характеристик. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Способ работы газотурбинной установки непрерывного действия // 2599407

Изобретение может быть использовано в стационарных газотурбинных установках в камере сгорания топлива. Способ работы газотурбинной установки непрерывного действия заключается в сжатии поступающего воздуха в компрессоре, подаче сжатого воздуха и топлива в первую камеру сгорания, сжигании в первой камере сгорания топлива, расширении образовавшихся продуктов сгорания в первой турбине, использовании, по меньшей мере, части механической энергии, вырабатываемой первой турбиной для привода компрессора, последующей подаче расширившихся продуктов сгорания и топлива во вторую камеру сгорания и расширении образовавшихся продуктов сгорания во второй турбине для производства механической энергии. В качестве топлива, подаваемого во вторую камеру сгорания, используют неоксидированные наночастицы алюминия, радиус которых составляет не более 25 нанометров. На выходе второй турбины обеспечивают образование коронного разряда для обработки продуктов сгорания. Обработанные продукты сгорания направляют в электростатический фильтр для отделения частиц образовавшегося корунда, который является дополнительным продуктом, производимым газотурбинной установкой, и направляют, по меньшей мере, часть продуктов сгорания, прошедших через электростатический фильтр, в первую камеру сгорания, где их используют в качестве дополнительного топлива. Для защиты от оксидирования подачу наночастиц алюминия во вторую камеру сгорания осуществляют в среде азота. Технический результат заключается в повышении КПД установки. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.