Способ регулирования подачи топлива в камеру сгорания газотурбинной установки Российский патент 2024 года по МПК F02C9/28 

Изобретение относится к области двигателестроения и экологии в части загрязнения атмосферы и может быть использовано для регулирования работы газотурбинных двигателей для снижения выбросов вредных веществ в выхлопных газах.

Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ снижения выбросов вредных веществ в газотурбинном двигателе, включающий измерение температуры газов за турбиной низкого давления и уровня выбросов вредных веществ в выхлопных газах, поддержание частот вращения роторов низкого и высокого давления, температуры и постоянного состава смеси в дежурной и основной зонах горения камеры сгорания на заданном режиме работы двигателя, измерение давления топлива в дежурной Рт1 и основной Рт2 зонах горения, вычисление отношений Рт1/Рт2, сравнение измеренных величин выбросов вредных веществ с предельно допустимыми значениями и корректировку соотношения давлений Рт1/Рт2 путем уменьшения подачи топлива в дежурную зону горения до снижения уровня выбросов вредных веществ на 1-2% ниже предельно-допустимых значений (патент РФ 2596901 С1, 2015 г.)

В результате анализа известного способа необходимо отметить, что снижение выбросов вредных веществ в указанном способе достигается за счет работы газотурбинной установки на бедных гомогенных топливовоздушных смесях, что повышает риск развития вибрационного горения топлива. При возникновении вибрационного горения топлива, оно должно быть ликвидировано за минимальное время (не более чем за 1 с) для защиты двигателя от разрушения.

Задачей изобретения является обеспечение устойчивого горения бедных гомогенных смесей при поддержании низких уровней выбросов вредных веществ при работе газотурбинной установки и защита от вибрационного горения топлива.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение надежности работы газотурбинной установки, обеспечение защиты газотурбинной установки от вибрационного горения топлива в камере сгорания без ухудшения экологических показателей выбросов вредных веществ.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе регулирования подачи топлива в камеру сгорания газотурбинной установки, включающем поддержание заданного режима работы газотурбинной установки воздействием на суммарный расход топлива в камеру сгорания, измерение давлений топлива за дозаторами дежурной (Рт1) и основной (Рт2) зон горения камеры сгорания, формирование отношения давления Рт1 к давлению Рт2, выбор номинального отношения давления Рт1 к давлению Рт2 в соответствии с заданным режимом работы газотурбинной установки и его поддержание на выбранном уровне, дополнительно измеряют уровень вибраций корпуса двигателя в области камеры сгорания и при превышении уровнем заранее выбранного порога повышают расход топлива в дежурную зону горения путем повышения номинального отношения давлений на заранее выбранную величину, а после снижения уровня вибраций ниже порога отношение давлений снижают до номинального значения.

Существенные признаки могут иметь развитие и продолжение.

Номинальное отношение давлений поддерживают интегральным регулятором, который воздействует на расход топлива в дежурную зону горения.

При превышении уровнем вибраций заранее выбранного порога дополнительно однократно повышают значение интеграла регулятора на заранее выбранную величину.

При превышении уровнем вибраций заранее выбранного порога дополнительно повышают коэффициент усиления интегрального регулятора на заранее выбранную величину на заранее выбранное время.

Заявленное изобретение поясняется следующим подробным описанием его осуществления со ссылкой на фигуру 1, на которой представлена схема системы управления газотурбинной установки (ГТУ).

Система управления для реализации заявленного способа содержит блок 1 измерения параметров работы ГТУ 2, а именно уровня вибрации корпуса ГТУ (V), давлений топлива за дозатором дежурной (PT₁) и основной (РТ₂) зон горения камеры сгорания ГТУ, и параметра, определяющего режим работы ГТУ (далее - РР), например, частоты вращения ротора ГТУ (n). Камера сгорания ГТУ отмечена позицией 3.

Топливо в камеру сгорания 3 подается двумя дозаторами, при этом дозатор №1 (далее - ДТ1, отмечен позицией 4) подает топливо в дежурную зону горения, а дозатор №2 (далее - ДТ2, отмечен позицией 5) - в основную зону горения.

РР поддерживается регулятором 6, который формирует суммарный расход топлива (Gт_Σ) в камеру сгорания ГТУ для поддержания частоты вращения ротора n (здесь и далее подключение сигналов от блока 1 показаны условно).

Система содержит компаратор 7, сигнализирующий о превышении вибрацией корпуса двигателя предельного значения и возникновении вибрационного горения.

Система содержит задатчик 8 номинального отношения давлений π_ном, и делитель 9, к входам которого подключены сигналы Рт₁ и Рт₂ от блока 1, формирующего текущее отношение давлений, а так же сумматор 10, на котором происходит коррекция номинального отношения давлений.

Заданное отношение давлений топлива (сформированное сумматором 10) за дозаторами основной и дежурной зон горения (π=Рт₁/Рт₂) поддерживается интегральным регулятором, представленным совокупностью элементов 11…14 (далее - Регулятор π).

Дополнительно Регулятор π может включать:

- элементы 18 и 19 для реализации способа управления, согласно которому при превышении уровнем вибраций заранее выбранного порога дополнительно однократно повышают значение интеграла регулятора на заранее выбранную величину; и/или

- элемент 20 для реализации способа управления, согласно которому при превышении уровнем вибраций заранее выбранного порога дополнительно повышают коэффициент усиления интегрального регулятора на заранее выбранную величину на заранее выбранное время.

Регулятор π содержит суммирующий усилитель 11, к первому входу которого через сумматор 10 подключен сигнал задатчика 8, а ко второму (инвертирующему) входу - сигнал делителя 9. Сигнал суммирующего усилителя 11 подключен к интегратору 12, выход которого подключен к первому входу мультипликатора 13, формирующему величину заданного расхода топлива через дозатор ДТ1 (Gт₁), ко второму входу мультипликатора 13 подключен задатчик 14 номинального расхода топлива через ДТ1 ((Gт_1ном)

Задатчик 14 формирует величину Ст_1ном в зависимости от текущей частоты вращения ротора двигателя n.

Система так же содержит задатчик 15 величины повышения номинального отношения давлений (Δπ_ном), который через ключ 16 подключен ко второму входу сумматора 10. Состоянием ключа 16 управляет компаратор 7.

Выходной сигнал Регулятора π (Gт₁) подключен к входу ДТ1 и ко второму (инвертирующему) входу сумматора 17, к первому входу которого подключен сигнал регулятора 6 PP. Выходной сигнал сумматора 17 (Gт₂=Gт_Σ-Gт₁) подключен к входу ДТ2.

Для реализации способа управления, согласно которому при превышении уровнем вибраций заранее выбранного порога дополнительно однократно повышают значение интеграла регулятора на заранее выбранную величину, Регулятор л дополнительно содержит задатчик 18 величины повышения интегральной составляющей Регулятора π (Δ∫), который через одновибратор 19 подключен к входу установки начальных условий интегратора 12. Состоянием одновибратора 19 управляет компаратор 7.

Для реализации способа управления, согласно которому при превышении уровнем вибраций заранее выбранного порога дополнительно повышают коэффициент усиления интегрального регулятора на заранее выбранную величину на заранее выбранное время, Регулятор л дополнительно содержит одновибратор 20, выход которого подключен к управляющему входу (вход корректировки коэффициента усиления) суммирующего усилителя 11. Состоянием одновибратора 20 управляет компаратор 7.

Система для реализации заявленного способа может быть скомпонована из известных блоков и элементов.

В качестве датчиков могут быть использованы стандартные датчики контроля параметров работы ГТУ, например, индуктивные датчики частоты вращения, тензорезистивные датчики давлений, для измерения уровня вибрации могут быть использованы датчики виброскорости.

В качестве регулятора 6 может быть использован ПИД-регулятор.

Задатчики 8, 15, 18 являются задатчиками постоянных сигналов.

Задатчик 14 является устройством реализации зависимости вида:

Gт_1ном=f(n)

Использующиеся в системе компаратор, делитель, ключ, интегратор, сумматоры и суммирующие усилители являются стандартными.

Коэффициент усиления суммирующего усилителя 11 определяет быстродействие Регулятора л и может быть выбран равным 3/τ, где τ - желаемое время переходного процесса по величине π в системе.

При реализации способа управления, согласно которому при превышении уровнем вибраций заранее выбранного порога дополнительно повышают коэффициент усиления интегрального регулятора на заранее выбранную величину на заранее выбранное время, суммирующий усилитель может быть выполнен с переменным коэффициентом усиления. При подаче сигнала логической единицы на его управляющий вход он изменяет свой коэффициент усиления на новый уровень.

Начальное значение интегратора 12 равно 1. Интегратор изменяет свое выходное значение при подаче на его вход начальных условий сигнала, отличного от нуля.

Одновибратор 19 выбран таким образом, что при подаче на его управляющий вход сигнала логической единицы он пропускает сигнал своего основного входа на выход в течение заданного времени. При реализации в дискретных системах это время может быть выбрано равным одному циклу работы. Повторное срабатывание одновибратора возможно после снятия с его управляющего входа сигнала логической единицы.

Одновибратор 20 выбран таким образом, что при подаче на его управляющий вход сигнала логической единицы он формирует на своем выходе сигнал логической единицы в течение заданного времени. Повторное срабатывание одновибратора возможно после снятия с его управляющего входа сигнала логической единицы.

Порог срабатывания компаратора 7 выбирается равным величине вибрации корпуса двигателя при возникновении вибрационного горения.

Далее рассмотрим работу системы в полной реализации способа.

В процессе работы ГТУ регулятор 6 по сигналу текущей частоты вращения ротора n формирует заданный суммарный расход топлива Gт_Σ в камеру сгорания для поддержания заданного PP. Регулятор π формирует заданный расход топлива через ДТ1 Gт₁ для поддержания номинального отношения давлений за дозаторами №1 и №2. На сумматоре 17 вычисляется расход через ДТ2: Gт₂=Gт_Σ - Gт₁. Дозаторы №1 и №2 (поз. 4, 5 соответственно) подают топливо в камеру сгорания 3 ГТУ 2.

Уровень вибраций корпуса двигателя в области камеры сгорания контролируется датчиком виброскорости (входит в блок 1). Если уровень вибраций не превышает порога срабатывания компаратора 7, то на его выходе формируется сигнал логического нуля, в соответствии с которым ключ 16 размыкается, а одновибраторы 19 и 20 формируют на своих выходах сигнал нуля. Значение интегратора 12 принудительно не изменяется, а суммирующий усилитель 11 работает с номинальным коэффициентом усиления.

На первый вход суммирующего усилителя 11 поступает нескорректированное сумматором 10 значение π_ном от задатчика 8. Суммирующий усилитель 11 формирует отклонение текущего отношения давлений π=Рт₁/Рт₂, сформированного делителем 9, от номинальной величины, отклонение поступает на вход интегратора 12. Начальное состояние интегратора установлено в 1. Если значение π совпадает с πном, то изменения значения интегратора 12 не происходит, и на вход мультипликатора 13 поступает значение 1. Мультипликатор 13 умножает выходное значение интегратора 12 на номинальный расход топлива через ДТ1 Gт_1ном, в данном случае на 1, и нескорректированное значение расхода Gт_1ном дозируется через первый дозатор ДТ1. Через второй дозатор дозируется величина Gт₂=Gт_Σ-Gт₁ Если возникает отклонение π от π_ном, интегратор 12 меняет свое значение и мультипликатор 13 в соответствии с ним изменяет расход топлива через ДТ1, изменяя отношение давлений за дозаторами.

Если система фиксирует превышение уровня вибрации корпуса в области камеры сгорания, то происходит срабатывание компаратора 7, ключ 16 замыкается, что приводит к повышению (на сумматоре 10) номинального отношения π_ном на величину Δπ_ном, сформированную задатчиком 15, и интегральный Регулятор л начинает поддерживать новое значение отношения давлений.

В способе управления, согласно которому при превышении уровнем вибраций заранее выбранного порога дополнительно однократно повышают значение интеграла регулятора на заранее выбранную величину, для увеличения скорости изменения расхода одновременно происходит срабатывание одновибратора 19, и выходное значение интегратора 12 однократно повышается на величину Δ∫, сформированную задатчиком 18, что приводит к практически мгновенному повышению расхода через первый дозатор ДТ1, снижению расхода топлива через второй дозатор ДТ2 и поддержанию нового значения π=π_ном+Δπ_ном.

Задача увеличения скорости изменения расхода при изменении заданного отношения давлений может быть решена так же за счет изменения коэффициента усиления Регулятора π. В способе управления, согласно которому при превышении уровнем вибраций заранее выбранного порога дополнительно повышают коэффициент усиления интегрального регулятора на заранее выбранную величину на заранее выбранное время, эту функцию выполняет одновибратор 20, который в момент возникновения виброгорения в соответствии с сигналом компаратора 7 формирует на своем выходе сигнал логической единицы, коэффициент усиления суммирующего усилителя 11 повышается до нового уровня, что приводит к более быстрому изменению значения интеграла 12, и перераспределению топлива между зонами горения и ликвидации виброгорения.

Отношение давлений меняется, что приводит к прекращению вибрационного горения, происходит обратное срабатывание компаратора 7, сигнал логической единицы снимается, обновибраторы 19 и 20 приходят в начальное состояние, ключ 16 размыкается, и Регулятор π начинает поддерживать номинальную величину отношения давлений для снижения выбросов вредных веществ.

Таким образом, настоящее изобретение позволяет обеспечить низкий уровень выбросов вредных веществ, повысить экологические показатели газотурбинной установки, а также повысить ее надежность, обеспечив защиту от вибрационного горения топлива в камере сгорания.

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано для регулирования работы газотурбинного двигателя. Способ регулирования подачи топлива в камеру сгорания газотурбинной установки включает поддержание заданного режима работы газотурбинной установки воздействием на суммарный расход топлива в камеру сгорания, измерение давлений топлива за дозаторами дежурной (Рт1) и основной (Рт2) зон горения камеры сгорания, формирование отношения давления Рт1 к давлению Рт2, выбор номинального отношения давления Рт1 к давлению Рт2 в соответствии с заданным режимом работы газотурбинной установки и его поддержание на выбранном уровне. В способе дополнительно измеряют уровень вибраций корпуса двигателя в области камеры сгорания. При превышении уровнем вибраций заранее выбранного порога повышают расход топлива в дежурную зону горения путем повышения номинального отношения давлений на заранее выбранную величину, а после снижения уровня вибраций ниже порога отношение давлений снижают до номинального значения. Технический результат - повышение надежности работы газотурбинной установки, обеспечение защиты газотурбинной установки от вибрационного горения топлива в камере сгорания без ухудшения экологических показателей выбросов вредных веществ. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ регулирования подачи топлива в камеру сгорания газотурбинной установки, включающий поддержание заданного режима работы газотурбинной установки воздействием на суммарный расход топлива в камеру сгорания, измерение давлений топлива за дозаторами дежурной (Рт1) и основной (Рт2) зон горения камеры сгорания, формирование отношения давления Рт1 к давлению Рт2, выбор номинального отношения давления Рт1 к давлению Рт2 в соответствии с заданным режимом работы газотурбинной установки и его поддержание на выбранном уровне, отличающийся тем, что дополнительно измеряют уровень вибраций корпуса двигателя в области камеры сгорания и при превышении уровнем заранее выбранного порога повышают расход топлива в дежурную зону горения путем повышения номинального отношения давлений на заранее выбранную величину, а после снижения уровня вибраций ниже порога отношение давлений снижают до номинального значения.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что номинальное отношение давлений поддерживают интегральным регулятором, который воздействует на расход топлива в дежурную зону горения.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что при превышении уровнем вибраций заранее выбранного порога дополнительно однократно повышают значение интеграла регулятора на заранее выбранную величину.

4. Способ по п. 2. отличающийся тем, что при превышении уровнем вибраций заранее выбранного порога дополнительно повышают коэффициент усиления интегрального регулятора на заранее выбранную величину на заранее выбранное время.