СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОДАЧИ ТОПЛИВА В КАМЕРУ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2025 года по МПК F02C9/26 

Изобретение относится к средствам управления газотурбинными двигателями, в частности к управлению топливоподачей, и может быть использовано при создании устройств регулирования подачи топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя (далее по тексту ГТД), в том числе для газоперекачивающих станций.

Известен «Способ регулирования подачи топлива в камеру сгорания газотурбинной установки» (патент на изобретение РФ №2392470), который включает изменение расхода топлива в коллекторы к дежурным и основным горелкам камеры сгорания в зависимости от режима работы установки. При осуществлении способа предварительно вводят камеру сгорания в область пульсационного горения, измеряют давление и уровень пульсаций давления в камере сгорания и при достижении уровня пульсаций, составляющего более 1% от величины давления в камере сгорания, фиксируют минимальную амплитуду вибраций корпуса двигателя в области камеры сгорания вибродатчиком в диапазоне частот 350-900 Гц и принимают эту величину за максимально допустимую. При эксплуатации установки измеряют амплитуду вибраций корпуса двигателя в области камеры сгорания и при превышении ее значения, максимально допустимого в выбранном диапазоне частот, дополнительно изменяют расход топлива по меньшей мере в один коллектор до устранения вибрационного горения, после чего восстанавливают расход топлива в топливные коллекторы до первоначального уровня расхода в них. Изменение расхода топлива в коллекторы могут производить путем перераспределения топлива между топливными коллекторами. Данный способ обеспечивает устойчивое горение бедных гомогенных смесей при поддержании относительно низкого уровня выбросов оксидов азота.

Недостатком этого способа являются значительные потери времени на отстройку камеры сгорания от пульсационного горения и уход в этом процессе от заданного суммарного расхода топлива, который определяется режимом работы двигателя, с последующим его восстановлением. Простое перераспределение подачи топлива между коллекторами дежурных и основных горелок не позволяет уменьшать уровень выбросов оксидов азота, которые происходят в основном при диффузионном горении топлива в дежурных горелках, так как подачу топлива в них осуществляют постоянно.

Кроме того, недостатком аналога является то, что не предусмотрено предотвращение погасания камеры сгорания, обычно имеющее место при резком уходе на малый газ, и, соответственно, резком уменьшении подачи топлива в нее.

Наиболее близким к заявляемому способу является «Способ регулирования подачи топлива в камеру сгорания газотурбинной установки» (патент на изобретение РФ №2258822), принимаемый нами за прототип, который включает изменение расхода топлива в зависимости от мощности установки путем дозирования подачи топлива в коллекторы к дежурным и к основным горелкам с предварительным смешением топлива и воздуха, отличающийся тем, что

- топливо подают в два яруса горелочных устройств,

- причем на режиме запуска топливо подают в коллектор к дежурным горелкам наружного яруса,

- перед выходом на режим малого газа топливо подают в коллектор к дежурным горелкам внутреннего яруса,

- на режиме малого газа поддерживают близким по величине количество топлива, подаваемого к дежурным горелкам наружного и внутреннего ярусов,

- затем увеличивают подачу топлива к дежурным горелкам наружного и внутреннего ярусов,

- перед выходом на режим холостого хода подают топливо к основным горелкам наружного и внутреннего ярусов,

- а в диапазоне режимов от холостого хода до номинала увеличивают подачу топлива к основным горелкам, при этом уменьшают подачу топлива к дежурным горелкам.

Предварительное смешение топлива и воздуха определяет гомогенное горение топливовоздушной смеси, подаваемой в основные горелки, и обеспечивает отсутствие высокотемпературных зон, которые влияют на уровень выбросов оксидов азота.

Тем не менее, недостатком этого способа является относительно высокий уровень выбросов оксидов азота на выхлопе из газотурбинной установки, так как доля диффузионного горения в камере сгорания достаточно велика из-за постоянно находящихся в работе дежурных горелок.

Кроме того, этот способ не предусматривает изменение расхода топлива в коллекторы в зависимости от изменений состава газа и его теплотворной способности. Расход топлива должен обеспечивать устойчивое горение и высокую полноту сгорания топлива, особенно на пусковых и переменных режимах, при любом составе газа.

Также, как и у аналога, недостатком прототипа является то, что не предусмотрено предотвращение погасания камеры сгорания, обычно имеющее место при резком уходе на малый газ, и, соответственно, резком уменьшении подачи топлива в нее.

Технической задачей, поставленной перед созданием заявляемого изобретения, является совершенствование известных способов регулирования подачи топлива в камеру сгорания ГТД с получением технического результата при его использовании - устранения указанных выше недостатков аналога и прототипа.

Указанную техническую задачу решают и соответствующий технический результат получают благодаря тому, что заявляемое изобретение представляет собой способ регулирования подачи топлива в камеру сгорания ГТД, в соответствии с которым топливо подают в коллекторы к дежурным и к основным горелкам. При этом в основных горелках предварительно перемешивают топливо с воздухом. Предварительное перемешивание топлива и воздуха определяет гомогенное горение топливно-воздушной смеси и обеспечивает отсутствие высокотемпературных зон, которые способствуют повышению уровня выбросов оксидов азота. Изменяют расход топлива в зависимости от режима работы ГТД, причем при переходе от режима работы в 0,5 номинального режима (номинал) до режима работы на номинале подачу топлива в коллекторы к основным горелкам увеличивают, а в коллектор к дежурным уменьшают. При переходе на режим работы на номинал подачу топлива через суммирующий дозатор в коллектор к дежурным горелкам прекращают и все топливо через суммирующий дозатор подают в коллекторы к основным горелкам.

Существенным признаком, отличающим предлагаемый способ от прототипа, является то, что кроме коллекторов к основным и к дежурным горелкам, в которые подают топливо через суммирующий дозатор, устанавливают байпасный обвод (далее - байпас) суммирующего дозатора и ввод топлива в коллектор к дежурным горелкам. Байпас состоит из основного и вспомогательного трубопроводов, через которые подают топливо.

Также существенным отличительным признаком является то, что в процессе эксплуатации ГТД на основе проведенного анализа состава топлива и его теплотворной способности определяют расход топлива через байпас. В зависимости от результатов анализа определяют минимальное количество топлива, достаточное для обеспечения устойчивого горения в дежурных горелках без срывов и без проскоков пламени, и без низкочастотных пульсаций факела на рабочих режимах, а также при сбросе нагрузки. Подают это топливо через байпас постоянно, независимо от режима работы ГТД. Этим достигается надежное непогасание камеры сгорания при резком сбросе нагрузки.

Кроме того, существенным отличительным признаком предлагаемого способа является то, что на всех режимах работы на номинал через суммирующий дозатор топливо подают только в коллекторы к основным горелкам камеры сгорания, а в коллектор к дежурным горелкам подачу топлива через суммирующий дозатор прекращают.

В случае резкого ухода на малый газ резко уменьшают или полностью отключают подачу топлива через суммирующий дозатор в коллекторы к основным горелкам. Но при этом сохраняют подачу топлива через дроссельную расходную шайбу, установленную на вспомогательном трубопроводе байпаса. Подачей этого топлива исключают погасание камеры сгорания. Количество этого топлива определяют предварительно и проверяют экспериментально. Как вариант на вспомогательном трубопроводе байпаса вместо дроссельной расходной шайбы может быть установлен регулирующий клапан, которым обеспечивают необходимое количество топлива через трубопровод байпаса в коллектор к дежурным горелкам, обеспечивая непогасание камеры сгорания при резком снижении нагрузки.

Предлагаемый способ регулирования подачи топлива в камеру сгорания ГТД поясняется приведенной ниже на чертеже схемой, на которой показаны:

1 - коллектор дежурных горелок,

2 - коллектор основных горелок,

3 - коллектор основных горелок,

4 - основной трубопровод байпаса,

5 - вспомогательный трубопровод байпаса,

6 - трехходовой клапан,

7 - трехходовой клапан,

8 - регулирующий клапан (суммирующий дозатор),

9 - регулирующий клапан,

10 - дроссельная расходная шайба,

11 - расходомер,

12 - блок управления ГТД.

Топливо в камеру сгорания подают через расходомер (11). Далее подачу топлива в камеру сгорания осуществляют через суммирующий дозатор (8) в коллектор (1) к дежурным горелкам и в коллекторы (2) и (3) к основным горелкам. Расход топлива в них регулируют трехходовыми клапанами (6) и (7). Кроме того, топливо подают в камеру сгорания по основному (4) и вспомогательному (5) трубопроводам байпаса. Расход топлива через основной трубопровод байпаса регулируют клапаном (9). На вспомогательном трубопроводе (5) байпаса устанавливают дроссельную мерную шайбу (10). На режиме запуска топливо в коллектор (1) к дежурным горелкам камеры сгорания подают через суммирующий дозатор (8) и через байпас. При переходе от режима запуска и до 0,5 номинала постепенно увеличивают подачу топлива в камеру сгорания по коллекторам (2) и (3) к основным горелкам и относительно уменьшают подачу топлива в коллектор к дежурным горелкам. При переходе от режима в 0.5 номинала на номинал подачу топлива через суммирующий дозатор (8) по коллектору (1) в дежурные горелки прекращают и все топливо подают в камеру сгорания по коллекторам (2) и (3) к основным горелкам. При этом через основной (4) и вспомогательный (5) трубопроводы байпаса подают топливо в камеру сгорания к дежурным горелкам в минимальном количестве, которое определяют в зависимости от химического состава газа и его теплотворной способности и которое достаточно для обеспечения устойчивого горения камеры без срывов на режимах без нагрузки. Подают это топливо через байпас постоянно, независимо от режима работы ГТД. Этим достигается обеспечение надежного непогасания камеры сгорания при резком сбросе нагрузки.

В случае резкого ухода на малый газ резко уменьшают или полностью отключают подачу топлива через суммирующий дозатор (8) в коллекторы (2) и (3) к основным горелкам и подачу топлива через основной трубопровод (1) к дежурным горелкам. Но при этом сохраняют подачу топлива через расходную шайбу (10) вспомогательного трубопровода байпаса и в случае изменения хим. состава топлива через регулирующий клапан (9) основного трубопровода байпаса. Подачей этого топлива исключают погасание камеры сгорания. Количество этого топлива определяют предварительно и проверяют экспериментально.

В целом из вышеизложенного следует, что при использовании предлагаемого способа получают технический результат, заключающийся в минимизации уровня вредных выбросов оксидов азота, обеспечении устойчивого горения и высокой полноты сгорания топлива, особенно на пусковых и переменных режимах при любом составе газа, а также в исключении погасания камеры сгорания в случае резкого ухода на малый газ.

Соответствие заявляемого изобретения «Способ регулирования подачи топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя» критерию «промышленная применимость» подтверждается, как показано выше, возможностью его осуществления известными операциями без необходимости разработки каких-либо специальных технологий.

Сравнение предлагаемого изобретения с другими известными в данной области техническими решениями позволяет сделать вывод, что оно содержит в себе существенные отличные от них признаки и что оно вытекает из них неочевидным образом и, следовательно, соответствует критерию «изобретательский уровень».

Сравнение заявляемого изобретения с уровнем техники, известным из научно-технической и патентной документации на дату подачи заявки, не выявило способа регулирования подачи топлива в камеру сгорания ГТД, которому были бы присущи признаки, идентичные всем признакам, содержащимся в предложенной заявителем формуле, то есть совокупность существенных признаков заявляемого изобретения ранее не была известна. Следовательно, оно соответствует условию патентоспособности «новизна».

В целом следует отметить, что преимущества заявляемого изобретения перед прототипом обеспечиваются представленной в его формуле совокупностью существенных признаков, каждый из которых выполняет свою функцию, а все вместе во взаимосвязи решают поставленную задачу - совершенствование известных способов регулирования подачи топлива в камеру сгорания ГТД путем создания заявляемого изобретения «Способ регулирования подачи топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя» с достижением при этом технического результата - устранением указанных выше недостатков аналога и прототипа.

Изобретение относится к средствам управления газотурбинными двигателями, в частности к управлению топливоподачей, и может быть использовано при создании устройств регулирования подачи топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя, в том числе для газоперекачивающих станций. Предложен способ регулирования подачи топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя, в соответствии с которым изменяют расход топлива в зависимости от мощности двигателя, для этого дозируют подачу топлива в коллектор к дежурным горелкам и в коллекторы к основным горелкам, в которых предварительно смешивают топливо с воздухом, причем от режима запуска до режима в 0,5 номинала подают топливо в коллектор к дежурным горелкам, затем начинают подавать топливо в коллекторы к основным горелкам и до режима на номинал подачу топлива в коллекторы к основным горелкам увеличивают, а в коллектор к дежурным уменьшают. Вместе с тем, кроме подачи топлива через суммирующий дозатор в коллекторы к основным и к дежурным горелкам, топливо в коллектор к дежурным горелкам подают через байпас, минуя суммирующий дозатор. Более того, расход топлива через основной трубопровод байпаса регулируют клапаном, а на вспомогательном трубопроводе байпаса сохраняют подачу топлива через расходную шайбу. Так, на основе проведенного анализа состава топлива и его теплотворной способности определяют расход топлива через байпас, и в случае резкого ухода на малый газ сохраняют подачу топлива через дроссельную расходную шайбу, установленную на вспомогательном трубопроводе байпаса. Таким образом, получают технический результат, заключающийся в минимизации уровня вредных выбросов оксидов азота, обеспечении устойчивого горения и высокой полноты сгорания топлива, особенно на пусковых и переменных режимах при любом составе газа, а также в исключении погасания камеры сгорания в случае резкого ухода на малый газ. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ регулирования подачи топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя, в соответствии с которым изменяют расход топлива в зависимости от мощности двигателя, для этого дозируют подачу топлива в коллектор к дежурным горелкам и в коллекторы к основным горелкам, в которых предварительно смешивают топливо с воздухом, причем от режима запуска до режима в 0,5 номинала подают топливо в коллектор к дежурным горелкам, затем начинают подавать топливо в коллекторы к основным горелкам и до режима на номинал подачу топлива в коллекторы к основным горелкам увеличивают, а в коллектор к дежурным - уменьшают, отличающийся тем, что, кроме подачи топлива через суммирующий дозатор в коллекторы к основным и к дежурным горелкам, топливо в коллектор к дежурным горелкам подают через байпас, минуя суммирующий дозатор, при этом расход топлива через основной трубопровод байпаса регулируют клапаном, а на вспомогательном трубопроводе байпаса сохраняют подачу топлива через расходную шайбу.

2. Способ регулирования подачи топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя по п. 1, отличающийся тем, что на всех режимах, от запуска и до работы на номинале, на основе предварительного проведенного анализа состава топлива и его теплотворной способности, устанавливают минимальное количество топлива, достаточное для обеспечения устойчивого горения в дежурных горелках без срывов и без проскоков пламени и без низкочастотных пульсаций факела на рабочих режимах, а также обеспечения высокой полноты сгорания топлива на пусковых и переменных режимах при любом составе газа, которое постоянно подают через байпас в камеру сгорания к дежурным горелкам.

3. Способ регулирования подачи топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя по п. 2, отличающийся тем, что на всех режимах работы двигателя на номинал через суммирующий дозатор топливо подают только к основным горелкам, а к дежурным горелкам подачу топлива через суммирующий дозатор прекращают, при этом через байпас продолжают подавать топливо к дежурным горелкам в установленном минимальном расходе.

4. Способ регулирования подачи топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя по п. 1, отличающийся тем, что в случае резкого ухода на малый газ подачу топлива через суммирующий дозатор в коллекторы к основным горелкам и через основной трубопровод в коллектор к дежурным горелкам отключают и топливо в коллектор к дежурным горелкам подают только по байпасу в минимальном количестве, достаточном для исключения погасания камеры сгорания и проверенном экспериментально.