Способ управления дозированием топлива на розжиге камеры сгорания газотурбинных двигателей Российский патент 2024 года по МПК F02C9/26 

Изобретение относится к области автоматического управления газотурбинными двигателями, используемыми в качестве силовых агрегатов в газовой и энергетических отраслях.

Из уровня техники известен способ дозирования топлива на розжиге камеры сгорания (КС) газотурбинного двигателя (ГТД), при котором закон подачи топлива имеет вид: Gт=const (с коррекцией по давлению и температуре на входе в ГТД) независимо от внешних условий - оборотов ротора высокого давления (КВД) на продувке, напряжения на клеммах агрегата зажигания, технического состояния ГТД и так далее. Дозирующий элемент дозатора топлива устанавливается с максимальной скоростью на площадку розжига и поддерживается в этом положении в течение всего розжига. «Устройство и эксплуатация силовых установок самолетов ИЛ-96-300, ТУ-204, ИЛ-114»: Учеб. пособие для вузов/Б.А. Соловьев, А.А. Иноземцев, А.А. Куландин, И.А. Рожков, В.С. Акуленко; Под ред. Б.А. Соловьева. - М.:Транспорт, 1993. 171 с.

При такой подаче топлива воспламенение топливовоздушной смеси в камере сгорания происходит практически при постоянном соотношении расходов воздуха и топлива. Изменение условий эксплуатации, вызывает изменение оптимального соотношения топливо-воздух, и, как следствие, является причиной нерозжига топливовоздушной смеси (ТВС). При существующем законе подачи топлива требуется выполнение комплекса работ по поиску и устранению неисправности, в том числе и регулировка расхода топлива. Как правило, производится регулировка на увеличение расхода топлива. В некоторых случаях камера сгорания разжигается только на очень богатых регулировках, что приводит к предельным забросам температуры газа за ТВД и прекращению запуска по достижению высокой температуры.

Наиболее близким аналогом по технической сущности и принятым за прототип, является способ управления расходом топлива на запуске газотурбинного двигателя (Патент RU № 2386836, МПК F02C9/00, опубл. 20.04.2010), заключающийся в том, что дополнительно измеряют температуру воздушно-топливной смеси (ВТС) в КС, в случае отсутствия роста температуры ВТС в течение 1-2 секунд с момента включения аппарата закрутки (A3) изменяют заданный расход топлива на розжиге КС путем знакопеременного ступенчатого воздействия с частотой 1-2 Гц и с амплитудой, возрастающей по величине от нуля с дискретностью 5% от величины заданного расхода топлива на розжиге КС.

Недостатками данного способа является то, что изменение заданного расхода топлива на розжиге КС реализуется путем знакопеременного и ступенчатого воздействия с достаточно высокой частотой, что значительно снижает возможность обеспечения ТВС идеальной для розжига. Бедная ТВС повышает вероятность нерозжига, а розжиг богатой ТВС приводит к предельным забросам температуры газа за турбиной и прекращению запуска по достижению высокой температуры. Кроме этого, в способе не описан алгоритм действий в случае отсутствия розжига КС.

Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемого изобретения, и невозможно обеспечить при использовании прототипа, заключается в снижении эксплуатационных характеристик и повышенном количестве нерозжигов камеры сгорания газотурбинного двигателя при изменениях условий эксплуатации и ухудшении технического состояния двигателя, снижение надежности функционирования ГТД.

Техническая задача заключается в повышении эксплуатационных характеристик и снижении количества нерозжигов камеры сгорания газотурбинного двигателя, обеспечением оптимизации расхода топлива для розжига камеры сгорания во всех условиях эксплуатации, повышение надежности функционирования ГТД.

Техническая проблема решается за счет того, что в способе управления дозированием топлива на розжиге камеры сгорания газотурбинных двигателей, заключающемся в том, что увеличивают подачу топлива и сжатого в компрессоре воздуха в камеру сгорания, согласно изобретению, при переходе к розжигу камеры сгорания, по сигналу «Стопорный клапан открыть» выполняется запоминание текущей температуры за турбиной на запуске Ттзап и мгновенное увеличение расхода на розжиге до наперед заданного значения Gт нач + R_Gт нач, где Gт нач- номинальная уставка начального расхода топлива на розжиге, кг/ч, R_Gт нач- регулировка уставки начального расхода топлива на розжиге, кг/ч; далее выполняется увеличение расхода на розжиге с темпом ((Gт кон + R_Gт кон) - (Gт нач + R_Gт нач))/Крт кг/ч/с до наперед заданного значения Gт кон + R_Gт кон, где Gт кон - номинальная уставка конечного расхода топлива на розжиге, кг/ч, R_Gт кон - регулировка уставки конечного расхода топлива на розжиге, кг/ч, Крт - коэффициент скорости изменения расхода топлива, с; при этом контролируется температура Ттзап, при увеличении Ттзап на ΔТтзапр относительно Ттзап в момент открытия «Стопорного клапана», где ΔТтзапр - уставка увеличения Ттзап для определения розжига, °С, формируется признак розжига камеры сгорания, если при этом текущее задание на расход топлива больше, чем наперед заданная величина Gт роз + R_Gт роз, то задание на расход мгновенно снижается до уставки Gт роз + R_Gт роз, где Gт роз - номинальная уставка расхода топлива для устойчивого горения на розжиге, кг/ч, R_Gт роз - регулировка уставки расхода топлива для устойчивого горения на розжиге, кг/ч; и выполняется переход на алгоритм разгона, если при формировании признака розжига камеры сгорания текущее задание на расход топлива меньше, чем наперед заданная величина Gт роз + R_Gт роз, то задание на расход продолжает увеличиваться с заданным темпом до уставки Gт роз + R_Gт роз, при достижении уставки выполняется переход на алгоритм разгона, если при увеличении задания на расход до уставки Gт кон + R_Gт кон и поддержании этого расхода в течение времени Δt_Gткон, с не сформировался признак розжига камеры сгорания, то выполняется прекращение запуска по нерозжигу камеры сгорания.

Кроме того, коэффициент скорости изменения расхода топлива Крт равен 5…25⋅с.

Кроме того, уставка увеличения для определения розжига ΔТтзапр равна 30…130°С.

Кроме того, время задержки на уставке конечного расхода топлива на розжиге Δt_Gткон равно 1…5 с.

Техническое решение позволяет повысить эксплуатационные характеристики и снизить количество нерозжигов камеры сгорания газотурбинного двигателя обеспечением оптимизации расхода топлива для розжига камеры сгорания во всех условиях эксплуатации и, тем самым повысить надежность функционирования ГТД.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 показано графическое пояснение предлагаемого способа.

На фиг. 2 представлена блок-схема, иллюстрирующая порядок осуществления заявляемого способа.

Блок 1 - представляет собой запоминающий блок, который запоминает значение температуры Ттзап, °С в момент открытия стопорного клапана. Выходной сигнал I₁ поступает в блок 5 и служит уставкой для вычисления разницы между текущей температурой за турбиной и температурой Ттзап в момент открытия стопорного клапана.

Блок 2 - представляет собой блок суммирования, в котором складываются две величины, величина расхода топлива для устойчивого горения на розжиге и её регулировка. Выходной сигнал I₂ служит уставкой расхода устойчивого горения для блока сравнения 9 и блока селектирования 13.

Блок 3 - представляет собой блок суммирования, в котором складываются две величины, величина начального расхода топлива на розжиге и её регулировка. Выходной сигнал I₃ служит уставкой начального расхода на розжиге для блока вычисления 6 и интегрирующего блока 8.

Блок 4 - представляет собой блок суммирования, в котором складываются две величины, величина конечного расхода топлива на розжиге и её регулировка. Выходной сигнал I₄ служит уставкой конечного расхода на розжиге для блока вычисления 6, интегрирующего блока 8 и блока сравнения 10.

Блок 5 - представляет собой вычитающий блок, который определяет разницу между текущей температурой за турбиной на запуске Ттзап и значением температуры Ттзап в момент открытия стопорного клапана. Выходной сигнал I₅ поступает в блок сравнения 7.

Блок 6 - представляет собой блок, вычисляющий темп изменения расхода топлива на розжиге от начального до конечного. Выходной сигнал I₆ поступает на вход интегрирующего блока 8.

Блок 7 - представляет собой блок сравнения (компаратор), выполняющий сравнение разницы между текущей температурой за турбиной на запуске Ттзап и значением температуры Ттзап в момент открытия стопорного клапана с уставкой признака розжига КС равной ΔТтзапр. При превышении разницы температур уставки формируется выходной сигнал I₇=1 - «Розжиг камеры сгорания», который поступает в блок 11.

Блок 8 - интегрирующий блок, изменяющий расход топлива на розжиге от начального значения I₃ до конечного значения I₄ с темпом I₆ при наличии сигнала «СК открыть». Выходной сигнал I₈ служит величиной текущего задания расхода топлива на вход блока сравнения 9, блока сравнения 10 и блока селектирования 13.

Блок 9 - представляет собой блок сравнения (компаратор), выполняющий сравнение величины текущего задания расхода топлива I₈ с уставкой расхода устойчивого горения I₂, при превышении величины текущего задания расхода топлива над величиной уставки формируется сигнал I₉=1. Выходной сигнал I₉ поступает в блок 11.

Блок 10 - представляет собой блок сравнения (компаратор), выполняющий сравнение величины текущего задания расхода топлива I₈ с уставкой конечного расхода на розжиге I₄, при превышении величины текущего задания расхода топлива над величиной уставки формируется сигнал I₁₀=1. Выходной сигнал I₁₀ поступает в блок 12.

Блок 11 - представляет собой блок логического умножения (И), который при наличии сигнала «Признак розжига камеры сгорания» (I₇ = 1) и сигнала I₉ формирует сигнал I₁₁=1 - «Переход на разгон». Также выходной сигнал I₁₁ поступает в блок 13.

Блок 12 - представляет собой блок задержки (таймер), при наличии сигнала I₁₀ о превышении величины текущего задания расхода топлива над величиной уставки конечного расхода на розжиге в течение времени Δt_Gткон формируется сигнал I₁₂=1 - «Прекращение запуска».

Блок 13 - представляет собой блок селектирования, при отсутствии сигнала I₁₁ - «Переход на разгон» на управление дозатором выдается текущее задание расхода топлива из интегрирующего блока 8, при наличии сигнала I₁₁ на управление дозатором выдается уставка расхода устойчивого горения.

В описании используются следующие обозначения и наименования:

СК - стопорный клапан - клапан, который подает топливо в дозирующий элемент и далее в КС;

Ттзап - температура за турбиной на запуске, °С;

ΔТтзапр - уставка увеличения Ттзап для определения розжига, 30…130°С;

Gт роз - номинальная уставка расхода топлива для устойчивого горения на розжиге, 150…300 кг/ч;

R_Gт роз - регулировка уставки расхода топлива для устойчивого горения на розжиге, кг/ч;

Gт нач - номинальная уставка начального расхода топлива на розжиге, 0…150 кг/ч;

R_Gт нач - регулировка уставки начального расхода топлива на розжиге, кг/ч;

Gт кон - номинальная уставка конечного расхода топлива на розжиге, 300…400 кг/ч;

R_Gт кон - регулировка уставки конечного расхода топлива на розжиге, кг/ч;

Крт - коэффициент скорости изменения расхода топлива, 5…25 с.

Δt_Gткон - время задержки на уставке конечного расхода топлива на розжиге, 1…5 с.

Используемые в изобретении величины ΔТтзапр, Gт роз, Gт нач, Gт кон, Крт, Δt_Gткон определяются расчетно-экспериментальным путем в зависимости от мощности газотурбинного двигателя и конструкции камеры сгорания, величины R_Gт роз, R_Gт нач, R_Gт кон определяются расчетно-экспериментальным путем в зависимости от состояния ГТД и условий эксплуатации.

Способ осуществляется следующим образом.

При переходе к розжигу камеры сгорания, по сигналу «СК открыть» в блоке 1 выполняется запоминание текущей температуры за турбиной Ттзап и мгновенное увеличение задания расхода на розжиге в интегрирующем блоке 8 до начального значения Gт нач, кг/ч + R_Gт нач, кг/ч (начальная установка интегратора), которое вычисляется в блоке 3.

Далее в блоке 8 выполняется увеличение задания расхода на розжиге с темпом ((Gт кон, кг/ч + R_Gт кон, кг/ч) - (Gт нач, кг/ч + R_Gт нач, кг/ч))/Крт кг/ч/с, темп увеличения вычисляется в блоке 6, до наперед заданного значения Gт кон, кг/ч + R_Gт кон, кг/ч, которое вычисляется в блоке 4. При этом контролируется температура Ттзап, при увеличении Ттзап на ΔТтзапр относительно Ттзап в момент открытия СК, формируется признак розжига КС, разница между текущей Ттзап и Ттзап в момент открытия СК вычисляется в блоке 5, сравнение разницы температур с уставкой ΔТтзапр и формирование признака розжига КС выполняется в блоке 7.

В блоке 9 выполняется сравнение величины текущего задания расхода топлива I₈, которая вычисляется в блоке 8, с уставкой расхода устойчивого горения Gт роз, кг/ч + R_Gт роз, кг/ч, которая вычисляется в блоке 2. При превышении величины текущего задания расхода топлива над величиной уставки формируется сигнал I₉=1.

Если при формировании признака розжига КС текущее задание на расход топлива больше, чем наперед заданная величина Gт роз, кг/ч + R_Gт роз, кг/ч, то задание на расход мгновенно снижается до уставки Gт роз, кг/ч + R_Gт роз, кг/ч и выполняется переход на алгоритм разгона. Сигнал перехода на режим разгона формируется в блоке 11, поэтому же сигналу в блоке 13 задание на расход мгновенно снижается до уставки Gт роз, кг/ч + R_Gт роз, кг/ч.

Если при формировании признака розжига КС текущее задание на расход топлива меньше, чем наперед заданная величина Gт роз, кг/ч + R_Gт роз, кг/ч, то задание на расход продолжает увеличиваться с заданным темпом до уставки Gт роз, кг/ч + R_Gт роз, кг/ч, при достижении уставки выполняется переход на алгоритм разгона, если при увеличении задания на расход до уставки Gт кон, кг/ч + R_Gт кон, кг/ч (сравнение выполняется в блоке 10) и поддержании этого расхода в течение времени Δt_Gткон (задержка реализуется в блоке 12) не сформировался признак розжига КС, то выполняется прекращение запуска по нерозжигу камеры сгорания.

Приведены примеры осуществления изобретения.

Пример 1. Отсутствие розжига

Gт нач = 0 кг/ч, R_Gт нач = 0 кг/ч, Gт кон = 400 кг/ч,

R_Gт кон = 0 кг/ч, Gт роз = 300 кг/ч, R_Gт роз = 0 кг/ч,

Крт = 25 с, ΔТтзапр = 130°С, Δt_Gткон = 5 с.

По сигналу «СК открыть» была зафиксирована текущая температура за турбиной на запуске Ттзап и мгновенно увеличен расход на розжиге до наперед заданного значения (Gт нач + R_Gт нач) = 0 кг/ч, далее выполнялось увеличение расхода на розжиге с темпом ((Gт кон + R_Gт кон) - (Gт нач + R_Gт нач))/Крт = 16 кг/ч/с до наперед заданного значения (Gт кон + R_Gт кон) = 400 кг/ч, с поддержанием этого расхода в течение времени Δt_Gткон с, при этом контролировалась температура Ттзап, увеличения Ттзап на ΔТтзапр °С относительно Ттзап в момент открытия СК не произошло, признак розжига КС не сформировался, по истечении времени Δt_Gткон выполнено прекращение запуска по нерозжигу КС.

Пример 2. Поздний розжиг

Gт нач = 0 кг/ч, R_Gт нач = 0 кг/ч, Gт кон = 400 кг/ч,

R_Gт кон = 0 кг/ч, Gт роз = 300 кг/ч, R_Gт роз = 0 кг/ч, Крт = 25 с,

ΔТтзапр = 130°С, Δt_Gткон = 5 с.

По сигналу «СК открыть» была зафиксирована текущая температура за турбиной на запуске Ттзап и мгновенно увеличен расход на розжиге до наперед заданного значения (Gт нач + R_Gт нач) = 0 кг/ч, далее
выполнялось увеличение расхода на розжиге с темпом
((Gт кон + R_Gт кон) - (Gт нач + R_Gт нач))/Крт = 16 кг/ч/с, при этом контролировалась температура Ттзап. Увеличение Ттзап на ΔТтзапр = 130°С относительно Ттзап в момент открытия СК и формирование признака розжига КС произошло при текущем задании на расход топлива большем, чем наперед заданная величина (Gт роз + R_Gт роз) = 300 кг/ч. При формировании признака розжига КС задание на расход было мгновенно снижено до уставки (Gт роз + R_Gт роз) =0 кг/ч и выполнен переход на алгоритм разгона с этого значения расхода топлива, что позволило снизить заброс по температуре.

Пример 3. Ранний розжиг

Gт нач = 0 кг/ч, R_Gт нач = 0 кг/ч, Gт кон = 400 кг/ч,

R_Gт кон = 0 кг/ч, Gт роз = 300 кг/ч, R_Gт роз = 0 кг/ч, Крт = 25 с,

ΔТтзапр = 130°С, Δt_Gткон = 5 с.

По сигналу «СК открыть» была зафиксирована текущая температура за турбиной на запуске Ттзап и мгновенно увеличен расход на розжиге до наперед заданного значения (Gт нач + R_Gт нач) = 0 кг/ч, далее выполнялось увеличение расхода на розжиге с темпом ((Gт кон + R_Gт кон) - (Gт нач + R_Gт нач))/Крт = 16 кг/ч/с, при этом контролировалась температура Ттзап. Увеличение Ттзап на ΔТтзапр °С относительно Ттзап в момент открытия СК и формирование признака розжига КС произошло при текущем задании на расход топлива меньшем, чем наперед заданная величина (Gт роз + R_Gт роз) = 300 кг/ч. При формировании признака розжига КС продолжилось увеличение расхода топлива с темпом ((Gт кон + R_Gт кон) - (Gт нач + R_Gт нач))/Крт = 16 кг/ч/с до уставки (Gт роз + R_Gт роз) =300 кг/ч, после чего был выполнен переход на алгоритм разгона с этого значения расхода топлива, что позволило избежать срыва пламени и снизить заброс по температуре из-за броска топлива для обеспечения требуемого ускорения на разгоне.

Приведенный алгоритм подачи топлива на розжиге КС позволяет:

- выполнить розжиг КС с автоматическим поиском оптимальных условий воспламенения в исследованном диапазоне расхода топлива (от Gт нач, кг/ч + R_Gт нач, кг/ч до Gт кон, кг/ч + R_Gт кон, кг/ч). Так при работе двух каналов агрегата зажигания с частотой 3 Гц за 15 секунд происходит около 90 разрядов на двух свечах. Таким образом, за 15 секунд работы агрегата зажигания выполняется 90 попыток розжига с изменением расхода топлива между попытками на ≈2,2 кг/ч (при разнице между начальным и конечным расходом 200 кг/ч);

- понизить расход топлива на розжиге (при розжиге на большом расходе) до установленной нормы, что снижает максимальную температуру газа за турбиной;

- увеличить расход топлива для увеличения вероятности пламепереброса в остальные жаровые трубы, при розжиге пусковых жаровых труб и отсутствии пламепереброса на низком расходе топлива.

Положительный технический результат получен во всех случаях осуществления изобретения на всех двигателях разработки АО «ОДК-Авиадвигатель», используемых в качестве силовых агрегатов в газовой и энергетических отраслях.

Таким образом, применение предлагаемого изобретения с вышеуказанными отличительными признаками, позволяет повысить эксплуатационные характеристики и снизить количество нерозжигов камеры сгорания газотурбинного двигателя обеспечением оптимизации расхода топлива для розжига камеры сгорания во всех условиях эксплуатации и тем самым повысить надежность функционирования ГТД.

Изобретение относится к области автоматического управления газотурбинными двигателями (ГТД), используемыми в качестве силовых агрегатов в газовой и энергетических отраслях. Способ заключается в том, что увеличивают подачу топлива и сжатого в компрессоре воздуха в камеру сгорания. При переходе к розжигу камеры сгорания (КС), по сигналу «СК открыть» выполняется запоминание текущей температуры за турбиной на запуске Ттзап и мгновенное увеличение расхода на розжиге до наперед заданного значения Gт нач + R_Gт нач, кг/ч; далее выполняется увеличение расхода на розжиге с темпом ((Gт кон + R_Gт кон) - (Gт нач + R_Gт нач))/Крт кг/ч/с до наперед заданного значения Gт кон + R_Gт кон, кг/ч; при этом контролируется температура Ттзап, при увеличении Ттзап на ΔТтзапр относительно Ттзап в момент открытия «СК», формируется признак розжига КС, если при этом текущее задание на расход топлива больше, чем наперед заданная величина Gт роз + R_Gт роз, то задание на расход мгновенно снижается до уставки Gт роз + R_Gт роз, кг/ч; и выполняется переход на алгоритм разгона, если при формировании признака розжига КС текущее задание на расход топлива меньше, чем наперед заданная величина Gт роз + R_Gт роз, то задание на расход продолжает увеличиваться с заданным темпом до уставки Gт роз + R_Gт роз, при достижении уставки выполняется переход на алгоритм разгона, если при увеличении задания на расход до уставки Gт кон + R_Gт кон и поддержании этого расхода в течение времени Δt_Gткон не сформировался признак розжига КС, то выполняется прекращение запуска по нерозжигу КС. Изобретение позволяет повысить эксплуатационные характеристики и снизить количество нерозжигов КС ГТД обеспечением оптимизации расхода топлива для розжига камеры сгорания во всех условиях эксплуатации. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ управления дозированием топлива на розжиге камеры сгорания газотурбинных двигателей, заключающийся в том, что увеличивают подачу топлива и сжатого в компрессоре воздуха в камеру сгорания, отличающийся тем, что при переходе к розжигу камеры сгорания, по сигналу «Стопорный клапан открыть» выполняется запоминание текущей температуры за турбиной на запуске Ттзап и мгновенное увеличение расхода на розжиге до наперед заданного значения Gт нач + R_Gт нач, где Gт нач – номинальная уставка начального расхода топлива на розжиге, кг/ч, R_Gт нач – регулировка уставки начального расхода топлива на розжиге, кг/ч; далее выполняется увеличение расхода на розжиге с темпом ((Gт кон + R_Gт кон) – (Gт нач + R_Gт нач))/Крт кг/ч/с до наперед заданного значения Gт кон + R_Gт кон, где Gт кон – номинальная уставка конечного расхода топлива на розжиге, кг/ч, R_Gт кон – регулировка уставки конечного расхода топлива на розжиге, кг/ч, Крт – коэффициент скорости изменения расхода топлива, с; при этом контролируется температура Ттзап, при увеличении Ттзап на ΔТтзапр относительно Ттзап в момент открытия стопорного клапана, где ΔТтзапр – уставка увеличения Ттзап для определения розжига, формируется признак розжига камеры сгорания, °С, если при этом текущее задание на расход топлива больше, чем наперед заданная величина Gт роз + R_Gт роз, то задание на расход мгновенно снижается до уставки Gт роз + R_Gт роз, где Gт роз – номинальная уставка расхода топлива для устойчивого горения на розжиге, кг/ч, R_Gт роз – регулировка уставки расхода топлива для устойчивого горения на розжиге, кг/ч; и выполняется переход на алгоритм разгона, если при формировании признака розжига камеры сгорания текущее задание на расход топлива меньше, чем наперед заданная величина Gт роз + R_Gт роз, то задание на расход продолжает увеличиваться с заданным темпом до уставки Gт роз + R_Gт роз, при достижении уставки выполняется переход на алгоритм разгона, если при увеличении задания на расход до уставки Gт кон + R_Gт кон и поддержании этого расхода в течение времени Δt_Gткон, с, не сформировался признак розжига камеры сгорания, то выполняется прекращение запуска по нерозжигу камеры сгорания.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что коэффициент скорости изменения расхода топлива Крт равен 5…25 с.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что уставка увеличения для определения розжига ΔТтзапр равна 30…130°С.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что время задержки на уставке конечного расхода топлива на розжиге Δt_Gткон равно 1-5 с.