PL B1. INSTYTUT MASZYN PRZEPŁYWOWYCH IM. ROBERTA SZEWALSKIEGO POLSKIEJ AKADEMII NAUK, Gdańsk, PL BUP 20/14

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. F02C 1/04 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Sposób zwiększenia sprawności obiegu turbiny gazowej z komorą spalania na wypływie czynnika roboczego z turbiny poprzez rozdział strumienia powietrza przed komorą spalania (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 20/14 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 04/16 (73) Uprawniony z patentu: INSTYTUT MASZYN PRZEPŁYWOWYCH IM. ROBERTA SZEWALSKIEGO POLSKIEJ AKADEMII NAUK, Gdańsk, PL (72) Twórca(y) wynalazku: KRZYSZTOF KOSOWSKI, Gdańsk, PL MARIAN PIWOWARSKI, Gdańsk, PL ROBERT STĘPIEŃ, Gdynia, PL WOJCIECH WŁODARSKI, Gdańsk, PL JAROSŁAW MIKIELEWICZ, Gdańsk, PL JAN KICIŃSKI, Gdańsk, PL

2 2 PL B1 Opis wynalazku Dziedzina techniki roboczego z turbiny poprzez rozdział strumienia powietrza przed komorą spalania. Stan techniki Turbozespoły gazowe z komorą spalania na wypływie czynnika roboczego pokazane na rys. 1 mają kilka zalet. Przede wszystkim należy podkreślić, że w sprężarce (K) i turbinie przepływa czyste powietrze, gdyż proces spalania paliwa odbywa się w powietrzu na wylocie z turbiny i gorące spaliny podgrzewają w wymienniku (Wc1) powietrze przed turbiną gazową. Ponieważ spaliny z wymiennika kierowane są bezpośrednio do rurociągów wylotowych, ewentualnie mogą przepływać uprzednio przez regenerator (Rek) pokazany na rys. 2, nie zanieczyszczają układów łopatkowych, a wymienniki po stronie spalin mogą być w łatwy sposób oczyszczane, nawet w trakcie pracy turbozespołu. Układy tego typu pokazane na rys. 1 i rys.2, mają nieco niższą sprawność niż układ z komorą spalania przed turbiną. Z tego powodu są w praktyce rzadko stosowane. Obecnie jednak stają się one atrakcyjnym rozwiązaniem w sytuacji, gdy spalane jest paliwo gorszej jakości lub o zmiennym składzie, a więc, na przykład, w siłowniach wykorzystujących spalanie biomasy lub paliwa po zgazowaniu biomasy, a także w mikrosiłowniach turbogazowych. Istota wynalazku roboczego z turbiny poprzez rozdział strumienia powietrza przed komorą spalania polega na tym, że część powietrza po wyjściu z turbiny omija komorę spalania i nie bierze udziału w procesie spalania. Ponieważ żądana temperatura na wyjściu z komory spalania jest osiągana dla mniejszego natężenia przepływu powietrza, to do spalania potrzeba mniejszej ilości paliwa. Prowadzi to więc do zmniejszenia zużycia paliwa i zwiększenia sprawności turbozespołu. Powietrze, które nie brało udziału w spalaniu, może być wprowadzone następnie do układu regeneracji. W efekcie następuje znaczny wzrost sprawności turbozespołu, wynoszący kilka punktów procentowych i rozwiązanie to staje się konkurencyjne dla klasycznych turbozespołów z komorą spalania przed turbiną. Celem sposobu według wynalazku jest zwiększenia sprawności obiegu turbiny gazowej z komorą spalania na wypływie czynnika roboczego z turbiny oraz stworzenie możliwości wpływu na spadek temperatury gorących spalin w wymienniku powietrze/spaliny, ilość energii cieplnej Q przekazana w wymienniku może być określona zależnością: Q = m*c*δt (10) gdzie m oznacza natężenie przepływającego czynnika, c średnie ciepło właściwe, a Δt różnicę temperatury czynnika w wymienniku. Równanie to dotyczy zarówno podgrzewanego powietrza, jak i oddających energię cieplną spalin. Ponieważ w typowym regeneratorze turbiny gazowej natężenie przepływu spalin jest większe od natężenia przepływu powietrza i wartość średniego ciepła właściwego spalin jest wyższa od wartości średniego ciepła właściwego powietrza, to spadek temperatury spalin jest mniejszy od przyrostu temperatury powietrza. Oznacza to, że w klasycznym regeneratorze turbiny gazowej nie udaje się uzyskać odpowiednio niskiej temperatury wylotowej spalin, by lepiej wykorzystać energię cieplną zawartą w spalinach. Proponowany w wynalazku sposób zapewnia wymagany podgrzew strumienia powietrza przed turbiną gazową, ale realizowane jest to w taki sposób, że spadek temperatury spalin nie jest mniejszy od przyrostu temperatury podgrzewanego powietrza. A ponieważ średnia wartość ciepła właściwego spalin jest wyższa od średniej wartości ciepła właściwego powietrza, to biorąc powyższe pod uwagę z zależności (1) wynika, że strumień spalin powinien być mniejszy od strumienia powietrza, zatem część powietrza może ominąć komorę spalania i nie brać udziału w procesie spalania (fig. 1). W ten sposób zmniejsza się ilość spalanego paliwa i poprawia sprawność turbozespołu. Zaletą sposobu według wynalazku jest to, że wskutek odpowiedniego rozdziału powietrza przed komorą spalania część powietrza roboczego po wyjściu z turbiny omija komorę spalania i nie bierze udziału w procesie spalania. Powoduje to zmniejszenie zużycia paliwa i tym samym wzrost sprawności turbozespołu, nawet o kilka punktów procentowych. roboczego z turbiny według wynalazku może być szczególnie stosowany w układach o niezbyt

3 PL B1 3 wysokich temperaturach przed turbiną, a zwłaszcza w zespołach spalających paliwo gorszej jakości, paliwo o zmiennym składzie, jak biomasa lub paliwo ze zgazowania biomasy, a także mikroturbozespołach gazowych. Objaśnienie figur na rysunku Przedmiot wynalazku jest przedstawiony na przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przykład zastosowania sposobu według wynalazku dla turbozespołu gazowego z regeneratorem, z komorą spalania na wylocie czynnika roboczego i wymiennikiem wysokotemperaturowym z rozdziałem strumienia powietrza przed komorą spalania. Przykład wykonania wynalazku roboczego z turbiny pokazany na fig. 1 polega na tym, że powietrze po sprężeniu w sprężarce K oraz po podgrzaniu w regeneratorze Rek i wymienniku wysokotemperaturowym Wc1, następnie po przepracowaniu w turbinie powietrznej TP rozdzielane jest na dwa strumienie. Jeden z nich kierowany jest do komory spalania ZKS i bierze udział w spalaniu paliwa, a powstałe w ten sposób spaliny służą w wymienniku wysokotemperaturowym Wc1 do podgrzewania powietrza przed turbiną. Drugi strumień omija komorę spalania i w prezentowanym przykładzie jest kierowany do regeneratora Rek. W przedstawionym przykładzie wynalazku przedstawionym na fig. 1, dla założonej temperatury przed turbiną równej 8500 C i końcowej różnicy temperatury w wymiennikach równej i 50 C rozwiązanie według wynalazku osiąga sprawność o ponad 4 punkty procentowe większą niż rozwiązanie bez rozdziału powietrza pokazany na rys. 1 i o prawie 2 punkty procentowe większą niż odpowiedni klasyczny turbozespół gazowy z regeneratorem pokazanym na rys. 2. roboczego z turbiny według wynalazku może być szczególnie korzystnie stosowany w układach o niezbyt wysokich temperaturach przed turbiny a zwłaszcza w zespołach spalających paliwo gorszej jakości, paliwo o zmiennym składzie, jak biomasa lub paliwo ze zgazowania biomasy, a także mikroturbozespołach gazowych. Wykaz nazw i oznaczeń na rysunku Lp. Nazwa Lp. Nazwa Fig Powietrze przed filtrem F. Filtr powietrza 1. Powietrze za filtrem, na wlocie do sprężarki Gen. Generator elektryczny 2. Powietrze za sprężarką K. Sprężarka (kompresor) 2 Powietrze za regeneratorem Pal. Paliwo 3. Powietrze za wymiennikiem wysokotemperaturowym Rek. Regenerator 4. Powietrze za turbiną powietrzną Tł. Tłumik 5. Spaliny za regeneratorem TP. Turbina powietrzna 6. Spaliny na wylocie z turbozespołu (za tłumikiem) Wc1. Wymiennik wysokotemperaturowy 8. Spaliny na wyjściu z zewnętrznej komory spalania ZKS. Zewnętrzna komora spalania 9. Spaliny na wyjściu z wymiennika wysokotemperaturowego Rys Powietrze przed filtrem F. Filtr powietrza 1. Powietrze za filtrem, na wlocie do sprężarki Gen. Generator elektryczny 2. Powietrze za sprężarką K. Sprężarka (kompresor) 2. Powietrze za regeneratorem Pal. Paliwo

4 4 PL B1 cd. nazw i oznaczeń Powietrze za wymiennikiem wysokotemperaturowym Rek. Regenerator 4. Powietrze za turbiną powietrzną Tł. Tłumik 5. Spaliny za regeneratorem Wc1. Wymiennik wysokotemperaturowy 6. Spaliny na wylocie z turbozespołu (za tłumikiem) ZKS. Zewnętrzna komora spalania 8. Spaliny na wyjściu z zewnętrznej komory spalania TP. Turbina powietrzna 9. Spaliny na wyjściu z wymiennika wysokotemperaturowego Rys Powietrze przed filtrem F. Filtr powietrza 1. Powietrze za filtrem, na wlocie do sprężarki GEN. Generator elektryczny 2. Powietrze za sprężarką K. Sprężarka (kompresor) 2. Powietrze za regeneratorem Pal. Paliwo 3. Powietrze za komorą spalania Rek. Regenerator 4. Powietrze za turbiną (spalinową) Tł. Tłumik 5. Spaliny za regeneratorem TG. Turbina gazowa (spalinowa) 6. Spaliny na wylocie z turbozespołu (za tłumikiem) Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób zwiększenia sprawności obiegu turbiny gazowej z komorą spalania na wypływie czynnika roboczego z turbiny poprzez rozdział strumienia powietrza przed komorą spalania, znamienny tym, że w turbozespole gazowym z komorą spalania na wylocie, za turbiną następuje odpowiedni rozdział roboczego powietrza na dwa strumienie, z których jeden bierze udział w spalaniu w komorze spalania (ZKS), a drugi omija komorę spalania i nie bierze udziału w procesie spalania, co zmniejsza to zużycie paliwa i podnosi sprawność turbozespołu. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że może być zastosowany w turbozespole gazowym z komorą spalania na wylocie (ZKS), w układzie prostym, jak i złożonym, na przykład z regeneratorem (Rek), chłodnicami międzystopniowymi, czy sekwencyjnym podgrzewaniem powietrza roboczego. 3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że może być zastosowany w turbozespole gazowym z komorą spalania typową dla turbin gazowych, ale też z różnego rodzaju paleniskami, czy piecami spalającymi praktycznie dowolne paliwo.

5 PL B1 5 Rysunki

6 6 PL B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)