СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДАЧИ ТОПЛИВА В КАМЕРУ СГОРАНИЯ Российский патент 2006 года по МПК F23R3/28 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу подачи топлива в камеру сгорания, в которой имеется по меньшей мере одна главная форсунка и по меньшей мере одна форсунка предварительного впрыска, в которую при запуске камеры сгорания через первый регулирующий клапан подают первое количество топлива.

Настоящее изобретение относится также к устройству для подачи топлива в камеру сгорания, которая имеет по меньшей мере одну главную форсунку и по меньшей мере одну форсунку предварительного впрыска, содержащему топливный бак, трубопровод, соединяющий форсунки с топливным баком, насос для подачи топлива из бака к форсункам, и первый регулирующий клапан (регулятор расхода), который регулирует расход топлива в первой линии трубопровода, соединенной с форсункой предварительного впрыска.

Изобретение относится, в частности, к системам подачи топлива в камеру сгорания газовой турбины. Обычно камера сгорания газовой турбины имеет несколько, например 5, главных форсунок и одну расположенную в центре между ними форсунку предварительного впрыска.

При запуске холодного двигателя через форсунку предварительного впрыска в камеру сгорания подается определенное количество топлива, в результате воспламенения которого образуется пламя, повышающее температуру в камере сгорания до температуры, при которой после подачи топлива к главным форсункам образуется рабочее пламя. При этом подразумевается, что топливо, подаваемое в камеру сгорания через главные форсунки, должно сгорать в ней в парообразном виде. Для испарения топлива температура в камере сгорания должна быть достаточно высокой. И, наоборот, топливо, подаваемое в камеру сгорания через форсунку предварительного впрыска, должно сгорать в ней в жидком состоянии в виде отдельных капель. При запуске двигателя через форсунку предварительного впрыска в камеру сгорания подается сравнительно большое количество топлива. При работе со средними и большими нагрузками через форсунку предварительного впрыска в камеру сгорания необходимо подавать небольшое количество топлива, которое тем не менее должно быть достаточным для поддержания на выходе форсунки предварительного впрыска устойчивого пламени, необходимого для нормальной работы главных форсунок и всей камеры сгорания.

В известном устройстве для подачи топлива в камеру сгорания первый регулятор расхода топлива (регулирующий клапан) используют для регулирования расхода топлива, подаваемого и к главным форсункам, и к форсунке предварительного впрыска. В таком устройстве имеется также регулятор давления, который вместе с первым регулирующим клапаном регулирует расход топлива, подаваемого к форсунке предварительного впрыска. При таком регулировании, однако, трудно добиться высокой точности регулирования расхода топлива, подаваемого к главным форсункам и форсунке предварительного впрыска, позволяющей, с одной стороны, исключить возможность непроизвольного прекращения процесса горения (остановки камеры сгорания), а с другой стороны, обеспечить низкий уровень токсичности отработавших газов, который зависит от содержания в них моноксида углерода (СО), оксидов азота (NO_x) и несгоревших углеводородов (НС). Токсичность отработавших газов и содержание в них СО, NO_x и несгоревших НС в первую очередь обусловлены сгоранием в камере сгорания отдельных капель топлива, подаваемого в нее через форсунку предварительного впрыска.

Краткое изложение сущности изобретения

Первой задачей настоящего изобретения является разработка способа подачи топлива в камеру сгорания, который в отличие от известных способов позволял с более высокой точностью регулировать расход топлива, подаваемого в камеру сгорания. Предлагаемый в изобретении способ должен не только обеспечивать возможность уменьшения по сравнению с известными способами токсичности отработавших газов, но и более надежно исключать возможность непроизвольного прекращения процесса горения (остановки камеры сгорания) при низких нагрузках.

Эта задача решается с помощью предлагаемого в изобретении способа, в котором для работы камеры сгорания в определенном, отличном от запуска, режиме в форсунку предварительного впрыска через второй регулирующий клапан, который рассчитан на работу с существенно меньшим расходом, чем первый регулирующий клапан, подают второе количество топлива, существенно меньшее первого количества подаваемого в камеру сгорания топлива. Иными словами, для регулирования небольшого расхода топлива, подаваемого в форсунку предварительного впрыска, используют небольшой клапан (второй регулятор расхода, или регулирующий клапан), а для регулирования большого расхода топлива, подаваемого в форсунку предварительного впрыска, используют большой клапан (первый регулятор расхода, или регулирующий клапан). Использование двух регулирующих клапанов позволяет более точно по сравнению с известными в настоящее время системами регулировать расход топлива, подаваемого в форсунку предварительного впрыска. Предлагаемый в изобретении способ существенно увеличивает точность регулирования расхода топлива, подаваемого в форсунку предварительного впрыска, при переходе с одного рабочего режима на другой.

В предпочтительном варианте первый регулятор расхода используют для подачи первого количества топлива в главную форсунку при работе камеры сгорания на средних или высоких нагрузках. При работе камеры сгорания на средних или высоких нагрузках в форсунку предварительного впрыска через второй регулятор расхода подают небольшое количество топлива. Первый регулятор расхода используют для подачи большого количества топлива в форсунку предварительного впрыска при определенном режиме работы камеры сгорания и для подачи топлива в главную форсунку при работе камеры сгорания в другом режиме. Такой способ регулирования расхода топлива позволяет создать дешевое, эффективно работающее и малогабаритное устройство, предназначенное для подачи топлива в камеру сгорания.

В другом варианте второй регулятор расхода используют для подачи второго небольшого количества топлива в форсунку предварительного впрыска при работе камеры сгорания с низкой нагрузкой. Камера сгорания работает с низкой нагрузкой, когда газовая турбина, в частности ее теплообменник отработавших газов, находится в горячем состоянии и когда потребность в топливе существенно меньше, чем при запуске турбины.

Второй задачей настоящего изобретения является разработка устройства для подачи топлива в камеру сгорания, которое в отличие от известных устройств такого же типа обеспечивало бы более высокую точность регулирования расхода топлива. Предлагаемое в изобретении устройство должно не только обеспечивать возможность уменьшения по сравнению с известными устройствами аналогичного типа токсичности отработавших газов, но и более надежно исключать возможность непроизвольного прекращения процесса горения (остановки камеры сгорания) при работе на низких нагрузках.

Эта вторая из поставленных в изобретении задач решается с помощью предлагаемого в нем устройства для подачи топлива в камеру сгорания, которое имеет второй регулирующий клапан, используемый для регулирования расхода топлива во второй линии трубопровода, соединенной с форсункой предварительного впрыска, и рассчитанный на работу с расходом, существенно меньшим расхода, на который рассчитан первый регулирующий клапан.

Краткое описание чертежей

Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере предпочтительных вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - предпочтительный вариант выполнения устройства, предназначенного для подачи топлива в камеру сгорания газовой турбины, и

на фиг.2 - один из возможных графиков зависимости расхода топлива, подаваемого в форсунку предварительного впрыска и в главные форсунки.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения

На фиг.1 схематично показано выполненное по предпочтительному варианту предлагаемое в изобретении устройство (1), предназначенное для подачи топлива в камеру сгорания (на схеме не показана) газовой турбины. Камера сгорания газовой турбины представляет собой в данном случае камеру сгорания с малым выходом загрязняющих веществ и имеет несколько главных форсунок и одну расположенную в центре между ними форсунку предварительного впрыска. На фиг.1 форсунка предварительного впрыска и главные форсунки показаны схематично и обозначены позициями 2 и 3 соответственно.

Количество (расход) топлива, подаваемого в форсунки 2, 3, зависит от того, в каком режиме должна работать камера сгорания. При запуске холодного двигателя, а также и при низких нагрузках в форсунку предварительного впрыска подается сравнительно большое количество топлива, а в главные форсунки топливо вообще не подается. И, наоборот, при средних или больших нагрузках в форсунку предварительного впрыска подается небольшое количество топлива, а в главные форсунки подается большое количество топлива. При средних и больших нагрузках работающая форсунка предварительного впрыска используется как средство защиты, препятствующее непроизвольному прекращению процесса горения (остановке камеры сгорания). Работающие с разным расходом топлива при запуске и при одновременной работе всех форсунок форсунки предварительного впрыска необходимы прежде всего в газовых турбинах с теплообменниками отработавших газов.

Предлагаемое в изобретении устройство содержит топливный бак 4, трубопровод 5, соединяющий топливный бак с форсунками 2, 3, насос 6 для подачи топлива из топливного бака к форсункам и первый регулирующий клапан 7, предназначенный для регулирования расхода топлива в первой линии 8 трубопровода, соединяющей топливный бак с главной форсункой 3.

В предлагаемом в изобретении устройстве имеется также второй регулирующий клапан 9, предназначенный для регулирования расхода топлива во второй линии 10 трубопровода, соединяющей топливный бак с форсункой 2 предварительного впрыска. Второй регулирующий клапан 9 рассчитан на расход, существенно меньший расхода, на который рассчитан первый регулирующий клапан. Второй регулирующий клапан 9 должен работать с расходом, не превышающим 20%, предпочтительно составляющим менее 10%, от расхода, с которым работает первый регулирующий клапан 7.

Расход форсунки 2 предварительного впрыска можно также регулировать с помощью первого регулирующего клапана 7, соединенного с ней первой линией 8 трубопровода. Возможность регулирования расхода топлива, подаваемого в форсунку предварительного впрыска, первым регулирующим клапаном 7 обеспечивается установленным за ним в первой линии трубопровода перепускным клапаном 11 (клапаном выбора направления). Соединенный с первым регулирующим клапаном 7 клапан 11 выбора направления соединен с форсункой 2 предварительного впрыска промежуточной линией 12.

Ниже рассмотрены особенности подачи топлива из топливного бака 4 к форсункам 2, 3 при работе газовой турбины на трех разных режимах, а именно во время запуска, при нормальной работе (на средних и высоких нагрузках) и при работе с низкой нагрузкой (в режиме холостого хода и при торможении).

При запуске газовой турбины первый регулирующий клапан 7 открыт, а второй регулирующий клапан 9 закрыт. Через открытый первый регулирующий клапан 7 в первую линию 8 трубопровода через фильтр 14 из топливного бака 4 поступает относительно большое количество топлива. Это топливо через первый клапан 11 выбора направления, по промежуточной линии 12 и через второй клапан 13 выбора направления подается в форсунку 2 предварительного впрыска. Иными словами, при запуске двигателя клапан 11 выбора направления направляет поток поступающего к нему топлива в промежуточную линию 12.

При средних и высоких нагрузках первый и второй регулирующие клапаны 7 и 9 открыты. Первый клапан 11 выбора направления направляет сравнительно большое количество топлива из первого регулирующего клапана 7 в главные форсунки 3. Одновременно сравнительно небольшое количество топлива по второй линии 10 через второй клапан 13 выбора направления из второго регулирующего клапана 9 подается в форсунку 2 предварительного впрыска.

При низкой нагрузке первый регулирующий клапан 7 закрыт, а второй регулирующий клапан 9 открыт. При этом в форсунку 2 предварительного впрыска по второй линии 10 через второй регулирующий клапан 9 и второй клапан 13 выбора направления подается сравнительно небольшое количество топлива.

Для точного регулирования клапанами 7, 9 расхода топлива независимо от давления на их выходе (которое определяется давлением в камере сгорания и падением давления в форсунках 2, 3) предназначены клапаны 15, 16, которые поддерживают постоянный перепад давления на регулирующих клапанах. В показанном на схеме варианте поддерживающий на постоянном уровне перепад давления на первом регулирующем клапане 7 клапан 15 работает как перепускной клапан, а клапан 16, поддерживающий на постоянном уровне перепад давления на втором регулирующем клапане 9, работает как дросселирующий клапан. При наличии в данном варианте выполнения устройства только одного насоса клапаны 15 и 16 должны быть настроены таким образом, чтобы на всех режимах обладающий функциями перепускного клапана клапан 15 поддерживал в идущей к регулирующим клапанам магистрали давление, большее или равное рабочему давлению на входе второго регулирующего клапана 9.

В показанном на фиг.1 предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении устройства имеются предохранительный клапан 17, защищающий систему от недопустимого повышения давления, и сливные клапаны 18, 19, направляющие подаваемое к форсункам топливо в сливную линию при выключении камеры сгорания.

На фиг.2 на конкретном примере показаны графики изменения расхода топлива, подаваемого в форсунку 2 предварительного впрыска и в главные форсунки 3. По вертикальной оси отложен расход q топлива, а по вертикальной оси отложено время t. Сплошной линией показано изменение во времени расхода топлива, проходящего через первый регулирующий клапан 7, а пунктирной линией - изменение во времени расхода топлива, проходящего через второй регулирующий клапан 9. Отрезок времени а соответствует запуску турбины, а отрезок времени b соответствует работе турбины в нормальном режиме. Для плавного перехода турбины после ее запуска в режим нормальной работы необходимо соответствующим образом изменить расход подаваемого в форсунки топлива. При запуске турбины в форсунку предварительного впрыска через первый регулирующий клапан 7 подается сравнительно большое количество q1 топлива, которое постепенно снижается по мере прогрева турбины. При запуске турбины главные форсунки 3 не работают, и топливо в них не поступает. После того как поступающий в камеру сгорания воздух нагреется до достаточной для сгорания топлива температуры, начинается подача топлива в главные форсунки 3. В момент t1 начинается переход камеры сгорания из режима запуска в режим нормальной работы. По окончании переходного периода топливо в количестве q2 через первый регулирующий клапан 7 поступает в главные форсунки 3, а топливо с меньшим расходом q3 через второй регулирующий клапан 9 поступает в форсунку 2 предварительного впрыска. В момент t2 начинается фаза с разгона турбины, во время которой количество топлива, подаваемого в главные форсунки 3, резко увеличивается до величины q4, которая соответствует потреблению топлива при работе турбины с большой нагрузкой.

Как показано на фиг.2, переход турбины с одного режима на другой происходит при изменении расхода топлива и подаче в камеру сгорания другого, названного выше вторым, количества топлива. Под первым и вторым количеством подаваемого в камеру сгорания топлива понимаются по существу два интервала изменения расхода топлива на разных уровнях. В пределах каждого такого интервала, например интервала, соответствующего второму количеству подаваемого в камеру сгорания топлива, соответствующее регулирование расхода позволяет всегда довести количество подаваемого в камеру сгорания топлива до любого необходимого уровня.

Настоящее изобретение не ограничено рассмотренными выше вариантами его осуществления и предполагает возможность его осуществления иными путями, не выходя при этом за объем формулы изобретения.

Так, например, постоянство перепада давления на регулирующих расход клапанах может быть обеспечено другим способом, например с использованием двух насосов, позволяющих задавать соответствующий перепад давления на регулирующих клапанах независимо от давления в магистралях, соединяющих их с главными форсунками и форсункой предварительного впрыска.

Устройство для подачи топлива в камеру сгорания, имеющую по меньшей мере одну главную форсунку и одну форсунку предварительного впрыска, содержит топливный бак, трубопровод, соединяющий бак с форсунками, насос, первый регулирующий клапан, установленный на первой линии трубопровода, соединенной с форсункой предварительного впрыска, второй регулирующий клапан, используемый для регулирования расхода топлива во второй линии трубопровода, соединенной с форсункой предварительного впрыска через первый регулирующий клапан, рассчитанный на меньший расход. При этом первая линия трубопровода также соединена с главной форсункой для регулирования расхода топлива, подаваемого в форсунку, первым регулирующим клапаном, и предусмотрены клапан выбора направления, установленный за первым клапаном, и промежуточная линия, соединяющая первую и вторую линии, которые используются для подачи топлива в главную форсунку и/или в форсунку предварительного впрыска. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ подачи топлива в камеру сгорания, в которой имеется, по меньшей мере, одна главная форсунка (3) и, по меньшей мере, одна форсунка (2) предварительного впрыска, в которую при запуске камеры сгорания через первый регулирующий клапан (7) подают первое количество топлива, а при работе камеры сгорания в другом, отличном от запуска, режиме подают через второй регулирующий клапан (9), который рассчитан на расход, который меньше расхода через первый регулирующий клапан (7), второе количество топлива, которое существенно меньше первого количества топлива, отличающийся тем, что при работе камеры сгорания на средних или высоких нагрузках первое количество топлива подают из первого регулирующего клапана (7) в главную форсунку (3) через клапан (11) выбора направления.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при работе камеры сгорания на средних и больших нагрузках в форсунку (2) предварительного впрыска через второй регулирующий клапан (9) подают второе, меньшее, количество топлива.3. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что при работе камеры сгорания с низкой нагрузкой в форсунку (2) предварительного впрыска через второй регулирующий клапан (9) подают второе, меньшее, количество топлива.4. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что камера сгорания входит в состав газовой турбины.5. Устройство для подачи топлива в камеру сгорания, которая имеет, по меньшей мере, одну главную форсунку (3) и, по меньшей мере, одну форсунку предварительного впрыска (2), содержащее топливный бак (4), трубопровод (5), соединяющий форсунки (2, 3) с топливным баком, насос (6) для подачи топлива из топливного бака к форсункам, первый регулирующий клапан (7), который регулирует расход топлива в первой линии (8) трубопровода, соединенной с форсункой (2) предварительного впрыска, второй регулирующий клапан (9), который используется для регулирования расхода топлива во второй линии (10) трубопровода, соединенной с форсункой (2) предварительного впрыска, и рассчитан на регулирование расхода, который существенно меньше расхода через первый регулирующий клапан (7), отличающееся тем, что первая линия (8) трубопровода также соединена с главной форсункой (3) для регулирования расхода топлива, подаваемого в форсунку, первым регулирующим клапаном (7) и предусмотрены клапан (11) выбора направления, установленный за первым регулирующим клапаном, и промежуточная линия (12), соединяющая первую и вторую линии (8, 10), которые используются для подачи топлива в главную форсунку (3) и/или в форсунку (2) предварительного впрыска.6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что второй регулирующий клапан (9) рассчитан на регулирование расхода, который не превышает 20%, предпочтительно составляет менее 10%, от расхода, на регулирование которого рассчитан первый регулирующий клапан (7).7. Устройство по любому из пп.5-6, отличающееся тем, что оно предназначено для подачи топлива в камеру сгорания газовой турбины.8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что газовая турбина содержит теплообменник отработавших газов.