СПОСОБ ПОДАЧИ ТОПЛИВА В ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ И СИСТЕМА ПОДАЧИ ТОПЛИВА В ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2007 года по МПК F02C3/20 

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).

Известен способ подачи топлива в газотурбинный двигатель, заключающийся в одновременной подаче в камеру сгорания основного и дополнительного топлива (см. патент США №5012638, МПК F 02 К 7/16, опубл. 1991).

Однако в известном способе невысокая эффективность сгорания топлива и, как следствие, узкий диапазон работы газотурбинного двигателя.

Известна система подачи топлива в газотурбинный двигатель, содержащая топливный бак основного топлива, регулятор подачи основного топлива и связанную с ним топливопроводом форсунку, размещенную в камере сгорания газотурбинного двигателя, подсистему подачи дополнительного, жидкого топлива с наиболее высокой скоростью сгорания, чем основное топливо, имеющую бак дополнительного топлива, топливный насос для подачи дополнительного топлива, связанную с ним нагнетательную топливную магистраль (см. патент РФ №2138661, МПК F 02 С 3/20, опубл. 1999).

Однако в вышеуказанном техническом решении не предусматривается обеспечение работы ГТД при широком диапазоне изменения скоростных и нагрузочных режимов исходя из специфики применения последнего. В то же время ГТД должен работать в довольно широком диапазоне изменения скоростного и нагрузочного режимов, в том числе и при переходных процессах, что является следствием недостаточной эффективности преобразования потенциальной энергии рабочих газов в полезную работу.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение эффективности преобразования потенциальной энергии рабочих газов в полезную работу за счет обеспечения возможности направленного воздействия на процесс тепловыделения при сгорании всего подаваемого топлива на установившихся и неустановившихся режимах работы ГТД и для согласования последнего по времени с положением рабочих органов последнего (например, лопаток турбины, сопла и др.).

Поставленная задача в части первого варианта способа решается за счет того, что в способе подачи топлива в газотурбинный двигатель, заключающемся в одновременной подаче в камеру сгорания основного и дополнительного топлив, согласно изобретению на номинальных, крейсерских режимах в качестве основного топлива используют газ метан, пропан или бутан, или жидкое топливо дизельное топливо или бензин, а в качестве дополнительного - жидкое топливо диметилэфир или керосин, инициирующее горение, имеющее более высокую скорость сгорания, чем основное топливо, и подаваемое распыленным за счет эжекции воздуха или водяного пара и с меньшим расходом по сравнению с расходом основного топлива, при этом на переходных режимах увеличивают подачу дополнительного топлива, регулируя его расход в зависимости от температуры рабочих газов на выходе из силовой турбины.

Поставленная задача в части первого варианта способа решается также за счет того, что часть дополнительного топлива могут подавать на вход компрессора газотурбинного двигателя.

Поставленная задача в части первого варианта устройства решается за счет того, что в системе подачи топлива в газотурбинный двигатель, содержащей топливный бак основного топлива, связанную с ним топливопроводом форсунку, размещенную в камере сгорания газотурбинного двигателя, регулятор подачи основного топлива, основной топливный насос и подсистему подачи дополнительного жидкого топлива с более высокой скоростью сгорания, чем основное топливо, имеющую бак дополнительного топлива, топливный насос для подачи дополнительного топлива, связанную с ним нагнетательную топливную магистраль, согласно изобретению нагнетательная топливная магистраль выполнена в виде трех ветвей, одна из которых, основная, снабжена последовательно установленными первым регулятором расхода дополнительного топлива, обратным клапаном, эжектором для подачи воздуха или водяного пара в поток дополнительного топлива и дополнительной форсункой для подачи в камеру сгорания смеси дополнительного топлива с воздухом, или водяным паром, вторая ветвь выполнена в виде байпаса, снабженного электроклапаном и вторым регулятором расхода топлива для увеличения расхода дополнительного топлива при переходных процессах разгона газотурбинного двигателя, вход которого соединен с выходом топливного насоса для подачи дополнительного топлива, а выход подключен к основной ветви между первым регулятором расхода топлива и обратным клапаном, а третья ветвь выполнена в виде топливопровода для подачи части дополнительного топлива из основной ветви на вход воздушного компрессора газотурбинного двигателя и снабжена последовательно установленными вторым электроклапаном и третьим регулятором расхода топлива, при этом бак дополнительного топлива выполнен с вместимостью, равной 5-7% от вместимости бака основного топлива.

Поставленная задача в части первого варианта устройства решается также за счет того, что система подачи топлива может быть снабжена трубопроводом, подключенным на входе к выходу из компрессора газотурбинного двигателя, а на выходе к эжектору.

Поставленная задача в части первого варианта устройства решается также за счет того, что система подачи топлива может быть снабжена трубопроводом, подключенным на входе к источнику водяного пара, а на выходе к эжектору.

Поставленная задача в части второго варианта способа решается за счет того, что в способе подачи топлива в газотурбинном двигателе, заключающемся в одновременной подаче в камеру сгорания основного и дополнительного топлив, согласно изобретению на номинальных, крейсерских режимах в качестве основного топлива используют тяжелое жидкое топливо диметилэфир, дизельное топливо или керосин, а в качестве дополнительного топлива, инициирующего горение и подаваемого с меньшим расходом по сравнению с расходом основного топлива, используют водород, при этом на переходных режимах увеличивают подачу водорода, регулируя его расход в зависимости от температуры рабочих газов на выходе из силовой турбины, водород получают, газифицируя его из криогенного состояния или при помощи бортового электролизера, подключенного к источнику электрического тока.

Поставленная задача в части второго варианта устройства решается за счет того, что в системе подачи топлива в газотурбинный двигатель, содержащей топливный бак основного топлива, связанную с ним топливопроводом форсунку, размещенную в камере сгорания газотурбинного двигателя, регулятор подачи основного топлива, топливный насос, подсистему подачи дополнительного топлива, имеющую бак дополнительного топлива, и соединенный с ним посредством топливной магистрали топливный насос для подачи дополнительного топлива, согласно изобретению при использовании в газотурбинном двигателе в качестве основного тяжелого жидкого топлива подсистема снабжена источником водорода, выполненным в виде криогенного бака с запасами последнего с установленным на его выходе газификатором для получения газообразного водорода, или в виде бортового электролизера для получения газообразного водорода, подключенного к источнику электрического тока, последовательно после газификатора или электролизера в топливной магистрали установлены регулятор расхода водорода, пламяпреградитель, газожидкостной струйный насос и форсунка для подачи дополнительного топлива в камеру сгорания, при этом струйный насос снабжен топливопроводом для подачи жидкого топлива путем отбора последнего из топливопровода основного топлива.

На фиг.1 представлена предлагаемая система подачи топлива в газотурбинный двигатель по первому варианту.

На фиг.2 - система подачи топлива в газотурбинный двигатель по второму варианту, с подачей в качестве дополнительного топлива водорода, газифицированного из криогенного состояния.

На фиг.3 - система подачи в газотурбинный двигатель по второму варианту, с подачей в качестве дополнительного топлива водорода, полученного при помощи бортового электролизера, подключенного к источнику электрического тока.

Система подачи топлива в ГТД по первому варианту (фиг.1) содержит топливный бак основного топлива, соединенные с ним последовательно подкачивающий и основной топливный насосы двигателя, регулятор подачи основного топлива (не показаны) и связанную с топливным баком основного топлива при помощи топливопровода 1 форсунку 2, которая размещена в камере сгорания 3. В качестве основного топлива ГТД используется газ метан, пропан или бутан, или жидкое топливо дизельное топливо или бензин. Вход камеры сгорания 3 воздушными каналами 4 соединен с выходом воздушного компрессора 5 через теплообменник 6. Выход из камеры сгорания 3 сообщен последовательно сначала с компрессорной турбиной 7, а затем с силовой турбиной 8, имеющей регулируемые направляющие лопатки 9. Выход из силовой турбины 8 сообщен через теплообменник 6 с выпускным окном 10 для отработавших газов. Для отбора мощности ГТД снабжен шестеренчатым редуктором 11, а также редуктором 12 для отбора мощности на привод вспомогательного оборудования 13. Система подачи топлива в ГТД включает также подсистему подачи дополнительного жидкого топлива с более высокой скоростью сгорания, чем основное топливо, которая имеет бак 14 дополнительного топлива диметилэфира или керосина, вместимостью, равной 5-7% вместимости бака основного топлива, нагнетательную топливную магистраль 15 с фильтром 16 и топливным насосом 17, выполненную в виде трех ветвей, одна из которых, основная 18, снабжена последовательно установленными первым регулятором 19 расхода дополнительного топлива, обратным клапаном 20, эжектором (струйным насосом) 21 для подачи воздуха в поток дополнительного топлива при помощи трубопровода 22 из воздушного канала (воздуховода) 4 на выходе из воздушного компрессора 5 и дополнительной форсункой 23 для подачи в камеру сгорания ГТД смеси топлива с воздухом. Вторая ветвь 24 выполнена в виде байпаса, снабженного электроклапаном 25 и вторым регулятором расхода топлива 26 для увеличения расхода дополнительного топлива при переходных процессах разгона ГТД, вход которого соединен с выходом топливного насоса 17, а выход подключен к основной ветви 18 между первым регулятором расхода 19 и обратным клапаном 20. Третья ветвь 27 выполнена в виде топливопровода для подачи части дополнительного топлива из основной ветви 18 на вход воздушного компрессора 5 и снабжена последовательно установленными вторым электроклапаном 28 и третьим регулятором расхода топлива 29. Система подачи топлива может быть снабжена трубопроводом, подключенным на входе к источнику водяного пара (не показан), а на выходе к эжектору 21.

Согласно второму варианту система подачи основного топлива в ГТД (фиг.2) выполнена так же, как и по первому, а преимущественно при использовании в двигателе с жидким основным топливом, имеющим относительно высокую скорость сгорания по сравнению с бензином, нефтяным газом, метаном и т.п., подсистема содержит источник водорода, выполненный в виде криогенного бака 30, в топливной магистрали на выходе из которого последовательно установлены электроклапан 31, газификатор 32 для получения газообразного водорода, регулятор расхода водорода 33, пламяпреградитель 34, газожидкостный струйный насос 35 и форсунка 23. Струйный насос 35 снабжен топливопроводом с последовательно установленными электроклапаном 36 и расходомером 37 для подачи жидкого топлива путем отбора последнего из топливопровода 1.

Отличие системы подачи топлива в ГТД по фиг.3 от системы подачи топлива по фиг.2 состоит в том, что источник водорода выполнен в виде электролизера 39, снабженного емкостью 38 с запасами электролита и блоком управления 40 для подачи электропитания от двигательного электрического источника (не показан). В топливной магистрали на выходе из электролизера 39 установлен накопитель газообразного водорода 41.

Система подачи топлива в газотурбинный двигатель работает следующим образом.

Основное топливо (фиг.1), преимущественно газовое метан, пропан или бутан, или жидкое топливо дизельное топливо, бензин, лигроин или мазут, имеющее сравнительно низкую скорость сгорания, подают по топливопроводу 1 через форсунку 2 в камеру сгорания 3. Одновременно с основным топливом в двигатель подают дополнительное жидкое топливо с относительно высокой скоростью сгорания, чем основное топливо, например диметилэфир, керосин и т.п. Подачу дополнительного топлива производят из бака 14 по нагнетательной топливной магистрали 15 при помощи топливного насоса 17, причем основная часть дополнительного топлива подается по основной ветви 18 через регулятор расхода 19, обратный клапан 20, эжектор 21 в дополнительную форсунку 23, а из нее в камеру сгорания 3. За счет эжекции воздуха улучшается распыливание дополнительного топлива и в целом процесс смесеобразования. Часть дополнительного топлива поступает по третьей ветви 27 на вход воздушного компрессора 5 и вместе с воздухом также попадает в камеру сгорания 3.

При переходных процессах, например, разгонах ГТД открывается электроклапан 25 и подача топлива по второй ветви 24 дополнительно увеличивает расход дополнительного топлива через дополнительную форсунку 23, в результате чего сокращается длительность неустановившихся режимов работы. Предварительно подогретое топливо, поданное по третьей ветви 27 через воздушный компрессор 5, усиливает эффект управления скоростью сгорания всей массы подаваемого в ГТД топлива и тем самым повышается эффективность рабочего процесса двигателя.

При использовании в ГТД в качестве основного тяжелых топлив диметилэфира, дизельного топлива или керосина, имеющих сравнительно высокую скорость сгорания (чем метан, нефтяной газ, бензин и т.п.), в качестве дополнительного топлива, инициирующего горение и подаваемого с меньшим расходом по сравнению с расходом основного топлива, используют водород, скорость сгорания которого существенно выше вышеуказанных, тяжелых топлив. Такое применение может быть реализовано при помощи технических решений, показанных на фиг.2 и 3. Водород из его источника, выполненного в виде криогенного бака 30 или электролизера 39, подается в камеру сгорания 3 через форсунку 23 при помощи струйного насоса 35. Работа электролизера 39 обеспечивается за счет отбора небольшой мощности от ГТД. Такое получение дополнительного топлива может быть с достаточно высокой эффективностью использовано и в других силовых установках (например, в дизеле, двигателе с внешним смесеобразованием и т.п., а также в установках для получения тепла в котельных агрегатах).

Способ подачи топлива в газотурбинный двигатель заключается в одновременной подаче в камеру сгорания основного и дополнительного топлива. На номинальных крейсерских режимах в качестве основного топлива используют газ метан, пропан или бутан, или жидкое топливо дизельное топливо или бензин, а в качестве дополнительного - жидкое топливо диметилэфир или керосин, инициирующее горение и имеющее более высокую скорость сгорания, чем основное топливо. Дополнительное топливо подают распыленным за счет эжекции воздуха или водяного пара и с меньшим расходом по сравнению с расходом основного топлива. На переходных режимах увеличивают подачу дополнительного топлива, регулируя его расход в зависимости от температуры рабочих газов на выходе из силовой турбины. При втором варианте осуществления способа на номинальных крейсерских режимах в качестве основного топлива используют тяжелое жидкое топливо диметилэфир, дизельное топливо или керосин, а в качестве дополнительного топлива, инициирующего горение и подаваемого с меньшим расходом по сравнению с расходом основного топлива, используют водород. Водород получают, газифицируя его из криогенного состояния, или при помощи бортового электролизера, подключенного к источнику электрического тока. Изобретение позволяет повысить эффективность преобразования потенциальной энергии рабочих газов в полезную работу за счет обеспечения возможности направленного воздействия на процесс тепловыделения при сгорании всего подаваемого топлива на установившихся и неустановившихся режимах работы газотурбинного двигателя и для согласования последнего по времени с положением рабочих органов последнего (например, лопаток турбины, сопла и др.). 4 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ подачи топлива в газотурбинный двигатель, заключающийся в одновременной подаче в камеру сгорания основного и дополнительного топлив, отличающийся тем, что на номинальных крейсерских режимах в качестве основного топлива используют газ метан, пропан или бутан, или жидкое топливо-дизельное топливо или бензин, а в качестве дополнительного - жидкое топливо диметилэфир или керосин, инициирующее горение, имеющее более высокую скорость сгорания, чем основное топливо, и подаваемое распыленным за счет эжекции воздуха или водяного пара и с меньшим расходом по сравнению с расходом основного топлива, при этом на переходных режимах увеличивают подачу дополнительного топлива, регулируя его расход в зависимости от температуры рабочих газов на выходе из силовой турбины.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что часть дополнительного топлива подают на вход компрессора газотурбинного двигателя.3. Система подачи топлива в газотурбинный двигатель, содержащая топливный бак основного топлива, связанную с ним топливопроводом форсунку, размещенную в камере сгорания газотурбинного двигателя, регулятор подачи основного топлива и топливный насос, подсистему подачи дополнительного жидкого топлива с более высокой скоростью сгорания, чем основное топливо, имеющую бак дополнительного топлива, топливный насос для подачи дополнительного топлива, связанную с ним нагнетательную топливную магистраль, отличающаяся тем, что нагнетательная топливная магистраль выполнена в виде трех ветвей, одна из которых, основная, снабжена последовательно установленными первым регулятором расхода дополнительного топлива, обратным клапаном, эжектором для подачи воздуха или водяного пара в поток дополнительного топлива и дополнительной форсункой для подачи в камеру сгорания смеси дополнительного топлива с воздухом или водяным паром, вторая ветвь выполнена в виде байпаса, снабженного электроклапаном и вторым регулятором расхода дополнительного топлива для увеличения его расхода при переходных процессах разгона газотурбинного двигателя, вход которого соединен с выходом топливного насоса для подачи дополнительного топлива, а выход подключен к основной ветви между первым регулятором расхода топлива и обратным клапаном, а третья ветвь выполнена в виде топливопровода для подачи части дополнительного топлива из основной ветви на вход воздушного компрессора газотурбинного двигателя и снабжена последовательно установленными вторым электроклапаном и третьим регулятором расхода дополнительного топлива, при этом бак дополнительного топлива выполнен с вместимостью, равной 5-7% от вместимости бака основного топлива.4. Система подачи топлива по п.3, отличающаяся тем, что она снабжена трубопроводом, подключенным на входе к выходу из компрессора газотурбинного двигателя, а на выходе к эжектору.5. Система подачи топлива по п.3, отличающаяся тем, что она снабжена трубопроводом, подключенным на входе к источнику водяного пара, а на выходе к эжектору.6. Способ подачи топлива в газотурбинный двигатель, заключающийся в одновременной подаче в камеру сгорания основного и дополнительного топлив, отличающийся тем, что на номинальных крейсерских режимах в качестве основного топлива используют тяжелое жидкое топливо-диметилэфир, дизельное топливо или керосин, а в качестве дополнительного топлива, инициирующего горение и подаваемого с меньшим расходом по сравнению с расходом основного топлива, используют водород, при этом на переходных режимах увеличивают подачу водорода, регулируя его расход в зависимости от температуры рабочих газов на выходе из силовой турбины, водород получают, газифицируя его из криогенного состояния или при помощи бортового электролизера, подключенного к источнику электрического тока.7. Система подачи топлива в газотурбинный двигатель, содержащая топливный бак основного топлива, связанную с ним топливопроводом форсунку, размещенную в камере сгорания газотурбинного двигателя, регулятор подачи основного топлива, топливный насос, подсистему подачи дополнительного топлива, имеющую бак дополнительного топлива и соединенный с ним при помощи топливной магистрали топливный насос для подачи дополнительного топлива, отличающаяся тем, что при использовании в газотурбинном двигателе в качестве основного тяжелого жидкого топлива подсистема снабжена источником водорода, выполненным в виде криогенного бака с запасами последнего с установленным на его выходе газификатором для получения газообразного водорода или в виде бортового электролизера для получения газообразного водорода, подключенного к источнику электрического тока, последовательно после газификатора или электролизера в топливной магистрали установлены регулятор расхода водорода, пламяпреградитель, газожидкостной струйный насос и форсунка для подачи дополнительного топлива в камеру сгорания, при этом струйный насос снабжен топливопроводом для подачи жидкого топлива путем отбора последнего из топливопровода основного топлива.