СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2000 года по МПК F02C9/00 

Изобретение относится к области турбостроения, в частности к системам регулирования газотурбинных двигателей.

Известна система регулирования газовой турбины, содержащая стопорный и регулирующий клапаны с гидравлическими сервомоторами, выпускные воздушные клапаны с гидравлическими сервомоторами (см., например, книгу С.З.Шабашов, А. А.Файнштейн. Регулирование газотурбинных агрегатов. - Л.: Недра, 1978, с. 8-17).

Известна система регулирования газовой турбины, содержащая стопорный, регулирующий и пусковой клапаны с пневматическими сервомоторами, выпускные клапаны с импульсными клапанами, соединенными с линией предельной защиты, сформированной на базе воздуха от циклового компрессора, прошедшим специальную подготовку (см. , например, книгу: Тельнов К.А. и др. Автоматизация газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом. - Л.: Недра, 1983, с. 19-27) - прототип.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности работы газотурбинных двигателей (в частности, путем повышения надежности, точности и быстродействия их регулирования).

Существенными признаками предлагаемого изобретения являются установленные в канале подачи топлива в газотурбинный двигатель стопорный, регулирующий с блоком управления, запальный и дежурный клапаны с приводами, пусковой стопорный клапан с приводом в канале подачи газа (пара) в турбодетандер, автоматы безопасности, расцепное устройство между валами турбодетандера и циклового компрессора газотурбинного двигателя, антипомпажные клапаны и выпускные воздушные клапаны с импульсными клапанами, установленные в нагнетании циклового компрессора, при этом стопорный и регулирующий с блоком управления клапаны, установленные в канале подачи топлива в газотурбинный двигатель, выполнены с электрическими приводами, пусковой стопорный клапан, установленный в канале подачи газа (пара) в турбодетандер, выполнен с электрическим приводом, управляющие полости импульсных клапанов, установленных на выпускных воздушных клапанах, соединены через электромагнитный клапан непосредственно с нагнетанием циклового компрессора газотурбинного двигателя, а в каналах подачи топлива в газотурбинный двигатель и газа (пара) в турбодетандер перед стопорными клапанами возможна установка отсечных клапанов с электрическими приводами, причем в выпускной части корпусов отсечных клапанов выполнен дополнительный клапан, подпружиненный в сторону закрытия, возможно, что на выпускных воздушных клапанах установлены конечные выключатели, связанные электрической цепью с блоком управления регулирующего клапана, также возможно, что в цепях управления, соединяющих систему агрегатной автоматики, блок управления регулирующего клапана и электромагнитный клапан, управляющий импульсными клапанами выпускных воздушных клапанов, установлено устройство разгрузки, способствующее удержанию сбросов нагрузки газотурбинного двигателя.

Отличительными признаками предлагаемого изобретения является то, что стопорный и регулирующий с блоком управления клапаны, установленные в канале подачи топлива в газотурбинный двигатель, выполнены с электрическими приводами, пусковой стопорный клапан, установленный в канале подачи газа (пара) в турбодетандер, выполнен с электрическим приводом, управляющие полости импульсных клапанов, установленных на выпускных воздушных клапанах, соединены через электромагнитный клапан непосредственно с нагнетанием циклового компрессора газотурбинного двигателя, а в каналах подачи топлива в газотурбинный двигатель и газа (пара) в турбодетандер перед стопорными клапанами возможна установка отсечных клапанов с электрическими приводами, причем в выпускной части корпусов отсечных клапанов вы полнен дополнительный клапан, подпружиненный в сторону закрытия, возможно, что на выпускных воздушных клапанах установлены конечные выключатели, связанные электрической цепью с блоком управления регулирующего клапана, также возможно, что в цепях управления, соединяющих систему агрегатной автоматики, блок управления регулирующего клапана и электромагнитный клапан, управляющий импульсными клапанами выпускных воздушных клапанов, установлено устройство разгрузки, способствующее удержанию сбросов нагрузки газотурбинного двигателя.

На фиг. 1 схематично представлен один из вариантов системы регулирования газотурбинного двигателя, на фиг. 2 - другой вариант исполнения системы.

В канале топливного газа 1 установлены стопорный клапан 2 с электрическим приводом 3, включающим в себя электромагнит 4, регулирующий клапан 5 с электрическим приводом 6 и блоком управления 7, дежурный клапан 8 с электромагнитным приводом 9 и запальный клапан 10 с электромагнитным приводом 11. В канале 12 газа (пара) к турбодетандеру 13 установлен пусковой стопорный клапан 14 с электрическим приводом 15, включающим в себя электромагнит 16. Между турбодетандером 13 и ротором 17 циклового компрессора 18 газотурбинного двигателя 19, включающего в себя камеру сгорания 20, установлено расцепное устройство 21 с электромагнитным вентилем 22. В нагнетании циклового компрессора 18 расположены выпускные воздушные клапаны 23 (один или несколько) с установленными на них импульсными клапанами 24, содержащими управляющие полости 25, и конечные выключатели 26. Управляющие полости 25 импульсных клапанов 24 посредством электромагнитного клапана 27 (одного или нескольких, одно- или двухседельного) соединены с нагнетанием циклового компрессора 18. Газотурбинный двигатель 19 оснащен также автоматами безопасности 28 (бойковыми или электрическими), антипомпажными клапанами 29 (без привода) или 30 (с приводом), расположенными за одной из промежуточных ступеней циклового компрессора 18, возможна установка противопомпажных клапанов 31 (одного или нескольких, с приводом или без привода) в нагнетании циклового компрессора 18, а также установка привода 32 входного направляющего аппарата 33 циклового компрессора 18. В канале 1 перед стопорным клапаном 2 установлен отсечной клапан 34 с электроприводом 35 и клапаном 36 с пружиной 37, а в канале 12 перед пусковым стопорным клапаном 14 установлен отсечной клапан 38 с электроприводом 39 и клапаном 40 с пружиной 41. Газотурбинный двигатель 19 оснащен системой агрегатной автоматики 42, а при применении его (двигателя) в качестве привода электрического генератора в цепях управления (электрических), связывающих между собой блок управления 7 регулирующего клапана 5, электромагнитный клапан 27 и систему агрегатной автоматики 42 (включающую в себя и регулятор частоты вращения газотурбинного двигателя 19) установлено устройство разгрузки 43.

Работает система регулирования следующим образом.

Пуск газотурбинного двигателя. Система агрегатной автоматики (САА) 42 производит проверку готовности газотурбинного двигателя (ГД) 19 к пуску и контроль состояния и положений регулирующих устройств, в частности электрических. Клапаны 2, 5, 8, 10, 14, 23, 24, 27 закрыты, клапаны 29(30) открыты, вал турбодетандера 13 расцеплен с ротором 17, электроприводы 3, 6, 15 обесточены, электромагниты 4, 9, 11, 16 и электромагнитный вентиль 22 обесточены, автоматы безопасности 28 в рабочем состоянии (взведены). Включаются масляные насосы, приводится в рабочее положение необходимая запорная арматура по газу. Подается команда на электропривод 3 с электромагнитом 4 на открытие стопорного клапана (СК) 2, далее команда на открытие электромагнитного вентиля 22, вследствие чего расцепное устройство 21 вводит вал турбодетандера (ТД) 13 в зацепление с ротором 17 циклового компрессора 18. Затем электроприводом 15 с электромагнитом 16 открывается пусковой стопорный клапан (ПСК) 14 на подаче пускового газа (пара) в турбодетандер 13, начинается раскрутка ротора 17 циклового компрессора 18. По достижении ротором 17 заданных оборотов подают напряжение на электромагнитный привод 9, открывается запальный клапан 8, включают зажигание в камере сгорания 20, одновременно, подав напряжение на электромагнитный привод 11, открывают дежурный клапан 10. После появления факела в камере сгорания 20 клапан 8 закрывают (электромагнитный привод 9 обесточивают). После прогрева ГД 19 на дежурном клапане 10 в блок управления 7 подается команда на открытие регулирующего клапана 5 ("подрыв" РК5), после чего на небольшом открытии РК5 следует очередной прогрев газотурбинного двигателя (ГД) 19, далее, приоткрывая РК5, с определенным темпом увеличивают частоту вращения ГД 19. При достижении ГД 19 определенной частоты вращения (режима самоходности) САА 42 выдает команду на обесточивание электропривода 15 с электромагнитом 16, пусковой стопорный клапан 14 закрывается. Электромагниты 4 в стопорном клапане 2 и 16 в ПСК 14 нужны для обеспечения необходимого быстродействия при закрытии этих клапанов. По закрытии ПСК 14 следует команда на закрытие электромагнитного вентиля 22, после чего расцепное устройство 21 выводит вал турбодетандера 13 из зацепления с ротором 17 компрессора 18. При дальнейшем увеличении частоты вращения закрываются клапаны противопомпажные 29(30), осуществляющие сброс воздуха в атмосферу за одной из промежуточных ступеней циклового компрессора 18 при пуске. Режим пуска заканчивается выходом ГД 19 на холостой ход. В случае использования ГД 19 в качестве привода генератора электрического тока на холостом ходе производят синхронизацию генератора. Выпускные воздушные клапаны (ВВК) 23 (и клапаны 31) во время пуска закрыты. Затем газотурбинный двигатель нагружают, при этом блок управления 7 и электропривод 6 получают команды на большее открытие РК 5 (увеличивают подачу топлива в камеру сгорания 20).

Нормальная остановка газотурбинного двигателя. По команде САА 42 блок управления 7 и электропривод 6 прикрывают РК 5, снижая тем самым частоту вращения ГД 19 до момента, когда откроются клапаны 29 (30), далее следует команда на прикрытие РК 5 и при достижении им уровня "подрыв РК 5" следует команда на закрытие СК 2, РК 5 и на открытие клапана 27, вследствие чего открываются клапаны 23, открываются также клапаны 31 (в случае наличия).

Аварийная остановка газотурбинного двигателя. При срабатывании автоматов безопасности или любой другой из защит ГД 19 закрываются РК 5, СК 2, ПСК 14 (на режиме пуска), открываются клапаны 27 и соответственно 23, при падении оборотов (падении давления в цикловом компрессоре 18) открываются также клапаны 29 (30), открываются также клапаны 31 (в случае наличия).

В варианте системы регулирования, содержащем отсечные клапаны 34 и 38 с дополнительными клапанами 36 и 40 при пуске после открытия ПСК 14 с помощью электропривода 39 открывают клапан 38, при этом клапан 40 пружиной 41 закрывается. Отсечной клапан 34 открывается (при этом клапан 36 пружиной 37 закрывается) после открытия стопорного СК 2. При отключении турбодетандера подается команда одновременно на привод 15 клапана 14 и привод 39 клапана 38. При этом при закрытии клапана 38 открывается клапан 40 и сбрасывает на "свечу" газ, находящийся в магистрали между клапанами 14 и 38. При аварийной остановке ГД 19 одновременно с командами на закрытие СК 2, РК 5 поступает команда на электропривод 35 и клапан 34 закрывается, при этом клапан 36 открывается, и газ из магистрали между клапанами 34 и 2 сбрасывается на "свечу".

При использовании ГД 19 в качестве привода генератора электрического тока для удержания больших сбросов нагрузки (сброс нагрузки генератора происходит очень быстро в отличие, скажем, от нагнетателей природного газа) применено устройство разгрузки 43. Устройство разгрузки 43 непрерывно замеряет текущую мощность генератора электрического тока и по скачку понижения этой величины может выдавать сигнал в блок управления 7 и на клапан 27 на открытие выпускных воздушных клапанов 23 и на закрытие РК 5. При резком сбросе нагрузки, превышающем по величине определенное значение, поступает команда на открытие выпускных воздушных клапанов 23 и прикрытие РК 5, чем ограничивается заброс частоты вращения ГД 19. После прекращения увеличения частоты вращения открытие РК 5 (увеличение подачи топлива) будет происходить только после сигналов от конечных выключателей 26 о полном или частичном закрытии ВВК 23, чем исключается пережог лопаточного аппарата ГД 19.

Система предназначена для регулирования газотурбинных двигателей. В системе регулирования газотурбинного двигателя стопорный, регулирующий с блоком управления и пусковой клапаны выполнены с электрическими приводами, дежурный и запальный клапаны выполнены с электромагнитными приводами, управляющие полости импульсных клапанов выпускных воздушных клапанов соединены через электромагнитный клапан с нагнетанием циклового компрессора. При этом перед стопорными клапанами возможна установка отсечных клапанов с электрическими приводами, в выпускной части которых выполнен дополнительный клапан, подпружиненный в сторону закрытия, возможна также связь блока управления регулирующего клапана с конечными выключателями на выпускных воздушных клапанах и установка в цепях управления (электрических), соединяющих систему агрегатной автоматики, блок управления регулирующего клапана и электромагнитный клапан, управляющий импульсными клапанами выпускных воздушных клапанов, устройства разгрузки, способствующего удержанию сбросов нагрузки газотурбинного двигателя. Такое выполнение системы позволит повысить ее надежность, точность и быстродействие. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система регулирования газотурбинного двигателя, содержащая установленные в канале подачи топлива в газотурбинный двигатель стопорный, регулирующий с блоком управления, запальный и дежурный клапаны с приводами, пусковой стопорный клапан с приводом в канале подачи газа (пара) в турбодетандер, автоматы безопасности, расцепное устройство между валами турбодетандера и циклового компрессора газотурбинного двигателя, антипомпажные и выпускные воздушные клапаны с импульсными клапанами, установленные в нагнетании циклового компрессора, отличающаяся тем, что стопорный и регулирующий с блоком управления клапаны, установленные в канале подачи топлива в газотурбинный двигатель, выполнены с электрическими приводами, запальный и дежурный клапаны, установленные в канале подачи топлива в газотурбинный двигатель, выполнены с электромагнитными приводами, пусковой стопорный клапан, установленный в канале подачи газа (пара) в турбодетандер, выполнен с электрическим приводом, а управляющие полости импульсных клапанов, установленных на выпускных воздушных клапанах, соединены через электромагнитный клапан непосредственно с нагнетанием циклового компрессора газотурбинного двигателя. 2. Система регулирования газотурбинного двигателя по п.1, отличающаяся тем, что в каналах подачи топлива в газотурбинный двигатель и газа (пара) в турбодетандер перед стопорными клапанами установлены отсечные клапаны с электрическими приводами, причем в выпускной части корпусов отсечных клапанов выполнен дополнительный клапан, подпружиненный в сторону закрытия. 3. Система регулирования газотурбинного двигателя по п.1, отличающаяся тем, что на выпускных воздушных клапанах установлены конечные выключатели, связанные электрической цепью с блоком управления регулирующего клапана. 4. Система регулирования газотурбинного двигателя по п.1, отличающаяся тем, что в цепях управления, соединяющих систему агрегатной автоматики, блок управления регулирующего клапана и электромагнитный клапан, управляющий импульсными клапанами выпускных воздушных клапанов, установлено устройство разгрузки, способствующее удержанию сбросов нагрузки газотурбинного двигателя.