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

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

Известно устройство регулирования подачи топлива в КС газотурбинной установки (далее - ГТУ) (патент на изобретение РФ №2392470). Это устройство содержит по крайней мере три топливных коллектора. Один из них предназначен для подачи топлива к дежурным горелкам, где происходит диффузионное горение, а остальные коллекторы предназначены для подачи перемешанного с воздухом топлива к основным горелкам, в которых происходит гомогенное горение. Коллекторы снабжены тремя управляющими кранами. Также в устройстве размещены датчик вибраций, установленный на корпусе установки в области КС, датчик давления и датчик пульсаций давления, установленные в КС, а также регистратор фиксации соотношения их величин. Кроме того, установлен датчик для измерения частоты вращения ротора установки. На трубопроводе подвода топлива установлен датчик общего расхода топлива, соединенный с блоком системы автоматического управления подачей топлива. К последнему подсоединены также три управляющих крана и датчик вибраций.

Наладку работы устройства регулирования подачи топлива в КС осуществляют следующим образом. На фиксированной частоте вращения ротора установки из рабочего диапазона частот сначала ступенчато увеличивают подачу топлива в один из коллекторов, а в остальные коллекторы подачу топлива уменьшают таким образом, чтобы число оборотов ротора и общий расход топлива оставались неизменными до возникновения пульсационного горения в КС.При этом измеряют величину давления в КС и величину его пульсаций, а регистратором фиксируют соотношение этих величин. Когда уровень пульсации составит более допустимой от величины давления в КС, измеряют амплитуду вибраций корпуса двигателя в области КС во всем рабочем диапазоне частот от максимальной до минимальной. В результате определяют меньшие значения уровня вибраций на каждой частоте вращения ротора и устанавливают по ним максимально допустимую амплитуду вибраций корпуса двигателя в области КС в выбранном диапазоне частот и вводят ее в блок системы управления подачей топлива в коллекторы КС. После устранения пульсационного горения в КС восстанавливают подачу топлива в коллекторы КС.

В случае повторного возникновения пульсационного горения в КС повторяется корректировка системой автоматического управления подачи топлива в коллекторы КС. После троекратной коррекции режим подачи топлива фиксируют на уровне последней коррекции. В целом после такой наладки устройства регулирования подачи топлива в КС обеспечивается устойчивое горение бедных гомогенных смесей при одновременном обеспечении снижения уровня вредных выбросов оксидов азота.

Такая настройка работы устройства позволяет предотвратить возникновение пульсационного горения в КС при использовании бедных гомогенных смесей путем измерения амплитуды вибраций корпуса двигателя в области КС и сравнения ее величины с предварительно определенной, максимально допустимой в заданном диапазоне частот величиной, и изменения расхода топлива, по меньшей мере, в один коллектор при превышении этой величины.

Восстановление подачи топлива в коллекторы КС после устранения пульсационного горения способствует поддержанию низких уровней выбросов оксидов азота.

Недостатком этого устройства является достаточно сложная отстройка КС от пульсационного горения, требующая больших затрат времени.

Также недостатком устройства является невозможность минимизировать уровень вредных выбросов оксидов азота, образующихся в основном при диффузионном горении топлива в дежурных горелках, так как устройством не предусмотрена минимизация подачи топлива в коллектор к этим горелкам, а топливо в них необходимо подавать постоянно для сохранения гомогенного горения смеси топлива и воздуха в основных горелках.

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

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство регулирования подачи топлива в КС ГТУ по патенту на изобретение РФ №2258822. Это устройство принимается нами за прототип.

Устройство, так же, как и аналог, содержит несколько топливных коллекторов. Один из них предназначен для подачи топлива к дежурным горелкам, где происходит диффузионное горение, а остальные предназначены для подачи перемешанного с воздухом топлива к основным горелкам, в которых происходит гомогенное горение, при котором обеспечивается отсутствие высокотемпературных зон, которые влияют на уровень выбросов оксидов азота.

Горелочные устройства размещены в двух ярусах - наружном и внутреннем. При этом дежурные горелки наружного яруса соединены с топливным коллектором, связанным трубопроводом с дозатором топлива. Дежурные горелки внутреннего яруса соединены с дополнительным коллектором, связанным с дополнительным дозатором топлива, вход которого связан с трубопроводом. Основные горелки наружного яруса соединены с топливным коллектором, связанным дополнительным трубопроводом с основными горелками внутреннего яруса. Топливный коллектор основных горелок трубопроводом связан с дозатором газа, установленным параллельно дозатору дежурных горелок.

Используют это устройство следующим образом. Подачу топлива осуществляют в два яруса горелочных устройств, причем на режиме запуска топливо подают в коллектор дежурных горелок наружного яруса, а перед выходом на режим малого газа в коллектор дежурных горелок внутреннего яруса. При этом на режиме малого газа поддерживают одинаковым количество топлива, подаваемого в дежурные горелки наружного и внутреннего ярусов. Затем увеличивают подачу топлива в дежурные горелки 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 номинального (далее - номинал) увеличивают подачу топлива в основные горелки, при этом одновременно уменьшают относительную долю топлива, подаваемого через дежурные горелки.

В целом известное устройство регулирования подачи топлива в КС при его использовании позволяет сжигать предварительно подготовленные более бедные смеси, благодаря расположению горелочных устройств в двух ярусах. А последовательная подача топлива в дежурные горелки наружного и внутреннего ярусов обеспечивает выход на режим запуска и устойчивую работу КС на переходных режимах. При подключении основных горелок на основных режимах снижение уровня концентрации оксидов азота в выхлопных газах достигается за счет уменьшения относительной доли топлива, подаваемого в дежурные горелки.

Тем не менее, как и у аналога, недостатком этого устройства является относительно высокий уровень выбросов оксидов азота на выхлопе из ГТУ, так как доля диффузионного горения в КС достаточно велика из-за постоянно находящихся в работе дежурных горелок. Отметим, что в данном устройстве не предусмотрена минимизация расхода топлива, подаваемого в дежурные горелки.

Так же, как и у аналога, недостатком прототипа является то, что не предусмотрено предотвращение погасания КС, 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 устройств регулирования подачи топлива в КС ГТД с получением технического результата при его использовании - устранению указанных выше недостатков аналога и прототипа, а именно: снижению уровня выбросов оксида азота на выхлопе из ГТД и предотвращению погасания КС, обычно имеющем место при резком уходе на малый газ и, соответственно, резком уменьшении подачи топлива в нее.

Указанную техническую задачу решают и соответствующий технический результат получают благодаря тому, что заявляемое изобретение представляет собой устройство регулирования подачи топлива в КС ГТД, в соответствии с которым оно содержит несколько топливных коллекторов, к которым подводится по трубопроводу газ. Один из них предназначен для подачи топлива к дежурным горелкам, где происходит диффузионное горение, а остальные для подачи перемешанного с воздухом топлива к основным горелкам, в которых происходит гомогенное горение. На трубопроводе подачи топлива перед коллекторами установлен расходомер и суммирующий дозатор топлива. Затем на этом же трубопроводе установлены трехходовые клапаны, которыми регулируется подача топлива по трубопроводу в коллектор дежурных горелок и в отводы от трубопровода в коллекторы основных горелок. Существенным отличительным признаком предлагаемого изобретения является размещение байпасного обвода (далее - байпас) суммирующего дозатора и ввод топлива через байпас в коллектор к дежурным горелкам. Байпас состоит из основного и вспомогательного трубопроводов. На основном трубопроводе байпаса установлен регулирующий клапан, а на вспомогательном трубопроводе мерная шайба.

Предлагаемое устройство регулирования подачи топлива в КС ГТД поясняется приведенной ниже на фиг. 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 газа - ДГ),

9 - регулирующий клапан,

10 - дроссельная мерная шайба,

11 - расходомер,

12 - блок управления ГТД (БУД).

Устройство работает следующим образом. Топливо в КС подают через расходомер (11). Далее подачу топлива в КС 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 КС 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 КС подают через суммирующий дозатор (8) и через байпас. При переходе от режима запуска и до 0,5 номинала постепенно увеличивают подачу топлива в КС по коллекторам (2) и (3) к основным горелкам и относительно уменьшают подачу топлива в коллектор (1) к дежурным горелкам. При переходе от режима в 0.5 номинала на номинал подачу топлива через суммирующий дозатор (8) по коллектору (1) к дежурным горелкам прекращают и все топливо подают в КС по коллекторам (2) и (3) к основным горелкам. При этом через основной (4) и вспомогательный (5) трубопроводы байпаса подают топливо в КС 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 КС без срывов на режимах без нагрузки. Подают это топливо через байпас постоянно, независимо от режима работы ГТД. Этим достигается минимизация уровня вредных выбросов оксидов азота.

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) в коллектор к дежурным горелкам. Но при этом сохраняют подачу топлива в коллектор (1) через расходную шайбу (10) вспомогательного трубопровода байпаса. Подачей этого топлива исключают погасание КС. Количество этого топлива определяют предварительно и проверяют экспериментально.

В целом, из вышеизложенного следует, что при использовании предлагаемого устройства получают технический результат, заключающийся в минимизации уровня вредных выбросов оксидов азота, обеспечению устойчивого горения и высокой полноты сгорания топлива, особенно на пусковых и переменных режимах, а также в исключении погасания КС 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 с использованием известных конструктивных элементов без необходимости разработки каких-либо специальных конструкций.

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 устройства регулирования подачи топлива в КС 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 устройств регулирования подачи топлива в КС ГТД путем создания заявляемого изобретения «Устройства регулирования подачи топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя» с достижением при этом технического результата - устранению указанных выше недостатков аналога и прототипа.

Изобретение относится к области управления газотурбинными двигателями, в частности к управлению топливоподачей, и может быть использовано при создании устройств регулирования подачи топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя. Устройство для регулирования подачи топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя содержит несколько топливных коллекторов, к которым подводят по трубопроводу газ. Один из них предназначен для подачи топлива к дежурным горелкам, где происходит диффузионное горение, а остальные предназначены для подачи перемешанного с воздухом топлива к основным горелкам, в которых происходит гомогенное горение. Кроме того, на трубопроводе подачи топлива перед коллекторами установлен расходомер и суммирующий дозатор топлива, затем на этом же трубопроводе установлены трехходовые клапаны для регулировки подачи топлива по трубопроводу в коллектор к дежурным горелкам и в отводы от трубопровода в коллекторы к основным горелкам. Технический результат, заключающийся в снижении уровня выбросов оксида азота на выхлопе из газотурбинного двигателя и предотвращении погасания камеры сгорания при резком уменьшении подачи топлива в нее, достигается благодаря тому, что в обвод суммирующего дозатора на трубопроводе размещен байпас, через который топливо подают в коллектор к дежурным горелкам, при этом байпас состоит из основного и вспомогательного трубопроводов, на основном трубопроводе байпаса установлен регулирующий клапан, а на вспомогательном дроссельная мерная шайба. 1 ил.

Устройство для регулирования подачи топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя, содержащее несколько топливных коллекторов, к которым подводится по трубопроводу газ, при этом один из них предназначен для подачи топлива к дежурным горелкам, где происходит диффузионное горение, а остальные предназначены для подачи перемешанного с воздухом топлива к основным горелкам, в которых происходит гомогенное горение, кроме того, на трубопроводе подачи топлива перед коллекторами установлен расходомер и суммирующий дозатор топлива, затем на этом же трубопроводе установлены трехходовые клапаны для регулировки подачи топлива по трубопроводу в коллектор к дежурным горелкам и в отводы от трубопровода в коллекторы к основным горелкам, отличающееся тем, что в обвод суммирующего дозатора размещен байпас, через который топливо подают в коллектор к дежурным горелкам, при этом байпас состоит из основного и вспомогательного трубопроводов, кроме того, на основном трубопроводе байпаса установлен регулирующий клапан, а на вспомогательном дроссельная мерная шайба.