Система регулирования газотурбинного двигателя Советский патент 1993 года по МПК F02C9/28 

Изобретение относится к области турбостроения, в частности к системам регулирования газотурбинных агрегатов.

Целью изобретения является повышение надежности и расширение функциональных возможностей пневматической

системы регулирования газотурбинного двигателя, предназначенного для привода электрогенератора, обеспечение равных характеристик регулирования при разных видах топлива..:

На фиг.1 изображены органы,, осуществляющие командные функции регулирования и защиты; на фиг.2 - исполнительные механизмы в системе топливоподачи к.горелкам камеры сгорания на-фиг.З - выпускные воздушные и противопомпажные клапаны в нагнетании цикловых компрессоров высокого давления (КВД) и низкого (КНД). (В описании к Изобретению принят вариант двухступенчатого компрессора); на фиг.4 - схемы управления разгонным двигателем (турбодетантером) и гидравлического еалоповоротного устройства КНД.

Командная часть системы регулировав ния содержит регулятор давления 1 воздуха; пневмолинию постоянного давления 2, к ко- торой через дроссельные шайбы 3. 4( 5, 6 подключены пневмолиния Предельной защиты 7 и импульсные пневмолинии 8. 9, Юг соединяющие гидродинамический регуляг тор скорости 11, переключатель топлива 12, ограничители приемистости 13и 14, электромагнитные вентили 15 и 16( замедлители приема нагрузки 17 и 18, в мембранных ис- полнительных механизмах которых полбсти со стороны пружины соединены с импульсными пневмолиниями 8 и 9 через дроссельные шайбы 19 и20. Система также содержит скоростной золотник 21 и регулирующие устройства 22 и 23, .в мембранных исполни - тельных механизмах которых полости со стороны пружины соединены с импульсной пневмолинией 10 через дроссельные шайбы

24 и 2&.. : : . . . : . : . Устройства защиты включают в себя1, подсоединенные к линии 7, бойковыйавто-, мат безопасности 26 с выключателем 27 и кнопками управления 28 и 29, гидродинамический автомат безопасности 30 и электромагнитный вентиль 31.

Исполнительная часть системы регулирования (фиг.2) содержит в канале 32 подачи газообразного топлива клапаны: отсечной 33, стопорный 34, регулирующий 35 дежурного горения 36, запальный 37, и соединенные с ними посредством импульсных пневмолинии электромагнитный вентиль 38, электромагнитный клапан 39, мембран ный клапан 40 и электромагнитные вентили 41 и 42. Каналы газообразного топлива подсоединены к горелкам камеры сгорания через обратные клапаны 43,

В канале 44 жидкого топлива установле- nii топливный насос 45 с электроприводом, редукционный клапан 46, регулятор перепада давления 47, стопорный клапан 48, регулирующий клапан 49 и два последовательно расположенных клапана дежурного горения 50 и 51, установленные в канале жидкого

топлива 52, Продувочный клапан 53 соеди нен с каналами 44 и 52. Электромагнитные вентили 54 и 55 соединяют мембранные исполнительные механизмы клапанов 51 и 53 с пневмолинией постоянного давления 2.

Каналы жидкого топлива подсоединены к горелкам камеры сгорания через обратные клапаны 56;;:

Система впускных воздушных и проти- вопомпажных клапанов содержит два выпускных воздушных клапана 57 и 58 и противопомпажный клапан 59, входные патрубки которых соединены трубопроводами с нагнетанием циклового компрессора, а выходные - с атмосферой. Система

содержит также шесть пружинных противо- помпажных клапанов 60 и один противопомпажный клапан 61 с пневматическим исполнительным механизмом, соединенных входными патрубками с камерой промежуточнбй системы циклового компрессора, а при двухступенчатом цикловом компрессоре - с нагнетанием КНД, а выходными - с атмосферой. Электромагнитный вентиль 62 подключен к импульсной пневмолинии иснолнительного механизма клапана 58, электромагнитный вентиль 63 соединен с верхней полостью исполнительного меха- .низма клапана 61.

Система управления разгонным двигагелем соДержит сам разгонный двигатель (турбодетандер) 64, сцепное устройство 65, установленные в канале пускового газа отсечной 66 и пусковой 67 клапана. Входной канал импульсного электромагнитного клапана 68 Соединен через дроссель с пневмолинией постоянного давления -2, а выходной канал - с полостью мембранного исполнительного механизма отсечного клапана 66, к которой также подключен мембранный клапан 69, установленный, в пневмолинии предельной защиты 7. Входной канал импульсного сильфонного клапана 70 через дроссель соединен с пневмолинией постоянного дйвления 2, выходной - с полостью

пускового клапана 67, а сильфом - через электромагнитный вентиль 71 и сцепное устройство с коллектором смазки. Правый и левый каналы валоповоротного устройства 27 подключены собственно к верхней и нижней Полостям электромагнитного золотники, средняя полость которого соединена с линией нагнетания дожимной масляной ус-. тановки 74 в которой также установлен редукционный клапан 75 и обратный клапан 76.

Работа всей системы регулирования и отдельных ее элементов заключается в следующем.

Пневмолиния 7 является линией предельной защиты. При работе агрегата в этой линии 7 устанавливается такое же давление, как и в линии 2, а при сбросе воздуха из этой линии одним из элементов защиты, давление в ней снижается, и происходит аварийная остановка агрегата с перекрытием подачи топлива и с выбросом воздуха в атмосферу после циклового компрессора. Од- новременно подается команда на отключение генератора от электрической цепи.-

Импульсные пневмолинии 8 и 9 являются основными проточными линиями. Они воздействуют через мембранные исполнительные механизмы на положение клапанов, регулирующих подачу топлива в камеру сгорания. Линия 8 управляет клапаном газообразного топлива, а линия 9 - жидкого. Эти линии подключены к гидродинамическому регулятору скорости 11, воспринимающему измерения напора масла при изменении ча- стоты вращения насоса-импеллера, установленного на силовом валу двигателя. Эти линии подключены к переключателю топлива 12. При изменении частоты вращения, например, при увеличении, в регуляторе скорости 11 увеличиваются сечения окон, через которые сбрасывается воздух из основных импульсных пневмолинии 8 и 9. Давление в линиях 8 и 9 снижается и клапаны 35 (для газообразного топлива) и 49 (дпя жид- кого топлива) своими мембранными исполнительными механизмами прикрывают подачу топлива . Одним из условий надежной работы регулятора скорости 11 является обеспечение им равного открытия или при- крытия по сечению сбросных окон из обоих пневмолинии 8 и 9, а при равенстве сечений дроссельных шайб 4 и 5 и одинаковости характеристик регулирующих клапанов 35 и 49 и их исполнительных механизмов (давле- ние в пневмолиниях 8 и 9 - ход клапана 12 - расход топлива) обеспечивается однозначность работы регулирования на любом из видов топлива и на двух одновременно.

Ограничители приемистости 13 и 14, подключенные к основным пневмолиниям 8 и 9, ограничивают максимальное давление в пневмолиниях 8 и 9 в зависимости от давления за цикловым компрессором, а в ко- нечном итоге ограничивают максимальную температуру за камерой сгорания для каждого конкретного режима работы агрегата.

Электромагнитные вентили 15 и 16 используются для сброса воздуха из основных

импульсных пневмолинии 8 и 9 по импульсу отключения генератора от сети с целью быстрого перекрытия топливных клапанов 34 и 35 и 48, 49 для удержания частоты вращения агрегата в допустимых пределах.

К каждому из замедлителей приема нагрузки 17 и 18 подведен воздух от одной из основных импульсных пневмолинии 8 и 9, Этот воздух может быть выпущен в атмосферу клапанами замедлителей 17 и 18с помощью пружинных мембранных исполнительных механизмов, управляемых давлением этих же импульсных пневмолинии 8 и 9. подведенных по обе стороны мембраны. При этом полости со стороны клапанов имеют минимальные объемы и давление передается к ним без дросселирования, а полости со стороны пружин имеют увеличенные объемы, и воздух туда поступает через отверстия в дроссельных шайбах 19 и 20. При нормальной работе воздух из основных импульсных пневмолинии 8 и 9 через замедлители 17 и 18 не сбрасывается, давление в обоих полостях замедлителей 17, 18 одинаковые и клапаны удерживаются в закрытом положении пружинами. При резком увеличении нагрузки регулятор скорости 11 отреагировал бы быстрым увеличением давлений в основных импульсных пневмолиниях 8 и 9 для открытия топливных клапанов 35 и 49. но при наличии замедлителей эти давления быстро не увеличиваются, и быстрого увеличения топли- воотдачи не произойдет, т.е. клапаны в замедлителях 17, 18 откроются, и произойдет сброс воздуха в атмосферу. Клапаны открываются потому, что в no/юсти с пружинами воздух поступит через дроссели 19 и 20, и давление в этих полостях будет расти медленнее. Увеличение приема нагрузки во времени, необходимое для снижения термических напряжений в лопатках двигателя, может быть отрегулировано размером дроссельных отверстий шайбах 19 и 20.

Аналогичным образом замедлители действуют при резком изменении задания на регуляторе скорости 11. что особенно важно в период пуска агрегата после зажигания факела, т.к. воздух от компрессоров поступает в камеру сгорания в недостаточном количестве, и замедление открытия ре- гулирующих клапанов предохранит лопаточный аппарат двигателя от пережога.

Скоростной золотник 21 и регулирующие устройства 22 и 23 с пружинными мембранными исполнительными механизмами предназначены для закрытия топливных клапанов по величине ускорения частоты вращения при сбросе нагрузки.

При нормальной работе агрегата, когда астота вращения неизменна или изменяетя медленно, давление в проточной линии 10 также неизменно или изменяется плавно клапаны в устройствах 22и 23 натяжением пружин прикрывают выпуск воздуха из основных импульсных пневмолиний 8. 9. При отключении генератора от электрической ети или при частичном сбросе нагрузки, когда генератор работает на индивидуальную сеть частота вращения вала двигателя начнет быстро увеличиваться. В скоростном золотнике 21 прикрывается сбросное отверстие, выпускающее воздух из проточной линии 10, и давление в ней начнет быстро повышаться. Сразу же оно повыситься и в полостях мембран со стороны клапанов, а в, полостях с пружинами из-за наличия шайб 24 и 25, и значительного объема полостей оно останется в первый момент неизменным, и клапаны в устройствах 22, 23 откроются для выпуска воздуха из импульсных пневмолиний 8, 9 что своевременно сократит топливоподачу. Скорость и величина ot- работки регулирующих устройств 22, 23 зависит от величины сброса нагрузки и площади отверстий в дроссельных шайбах 24 и 25. - . . .; Со временем давления в полостях, где установлены пружины, сравняются с давлением в импульсной гжевмолинии 10, регулирующие устройства 22 и 23 прекратят воздействие на уменьшение топливоотда- чи, и она будет находиться под управлением регулятора скорости 11.

Рассмотрим пуск газотурбинного двигателя и его работу на газообразном топливе при остановленном насосе жидкого топлива 45 и при установке переключателя топлива 12 в положение работы на газообразном топливе..

На агрегате включается пусковой масляный насос и пусковой компрессор для заполнения системы „ регулирования воздухом. Включается в работу дожимной масляный насос 74 и периодической подачей напряжения к электромагнитному зО- лотнику 73 вводится в работу валоповоротноеустройство 72 для проворачивания вала КНД. Нажатием на кнопку 28 взводится (или проверяется взведение) выключатель 27 автомата безопасности 26. Ус- танавливается под напряжение электромагнитный вентиль 41. Воздействием на механизм управления регулятора скорости 11 в сторону уменьшения задания частоты вращения закрывается сброс воздуха из пневмолиний предельной защиты 7 и в линии устанавливается рабочее давление. Открываются стопорные клапаны 34 и

48 и клапан дежурного горения 50. Пйдачей напряжения к электромагнитному вентилю 71 и к электромагнитному клапану 68 включается в работу разгонный двигатель 64 и

компрессорный вал высокого давления начинает вращаться. Подается напряжение к электромагнитному клапану 39. В канале подачи газообразного топлива 32 открыва- ется отсечной клапан 33. в камере сгорания

0 включается электрический запал и подается напряжение на электромагнитный вентиль 42, открывается клапан 37, и в камере зажигается факел. Отключается напряжение от электромагнитного вентиля 41, и открывается клапан дежурного горения 36, после чего закрывается клапан 37. В регуляторе скоро- сти механизм управления постепенно переводится в сторону увеличения задания частоты вращения. Сброс воздуха из про0 точной линий прикрывается, и с некоторого момента начинает открываться регулирующий клапан 35. Подачей топлива, в камеру увеличивается частота вращения. С некоторого момента начнет вращаться вал КНД,

5 валоповоротноеустройство 72 отключается, и остановится Дожимной масляный насос 74. Отключается и останавливается разгонный двигатель 64, останавливаются пауковые масляный насо.с и компрессор.

0 Регулятором скорости 11 устанавливается рабочая частота вращения, генератор синхронизируется с сетью и включается б нее. Воздействием на механизм управления регулятора скорости 12 устанавливается тре5 буемая нагрузка генератора.

Если пуск производится на жидком топливе, то переключатель топлива 12 устанавливается в положений работы на жидком .топливе, открываются стопорные клапаны

0 34 и 48 и клапан 50, запускается в работу разгонный двигатель 64 и валоповоротное устройство КРД 72, включается в работутопливный насос 45.

В линии 52 перед редукционным клапа5 ном 46 устанавливается максимальное рабочее давление топлива, и в линии перед стопорным клапаном 48 за счет работы регулятора перепада 47 установится давление, равное величине перепада, на который

0 настроен регулятор 47, т.к. в это время в канале подачи топлива 52 за регулирующим клапаном 49 давления нет. Включается запал и подается напряжение на электромагнитный вентиль 54. Открывается клапан 51.

5 В камере зажигается факел. Воздействием на механизм управления регулятора скорости 11 в сторону увеличения частоты вращения повышается давление в проточной линии 9. Начинает открываться регулирую- щий клапан 49. Частота вращения вала двигателя повышается. Отключается вало.пово- ротное устройство КНД 72, останавливаются разгонный двигатель 64, пусковой масляный насос, пусковой компрессор и до- жимная масляная установка 74. Устанавливается рабочая частота вращения вала двигателя, синхронизируется генератор, и он включается в сеть. Загружается генератор воздействием на механизм управления регулятора скорости 11.

Во время работы на одном из топлив имеется возможность перейти на одновременную работу на двух топливах, либо перейти с одного топлива на другое.

Например, двигатель работал на газообразном топливе и возникла необходимостьподключения жидкого. Осуществляется это следующим образом:

Запускается топливный насос 45 жидкого топлива. Подается напряжение к электромагнитному вентилю 54, Откроется клапан 51, и в камеру поступит дежурное жидкое топливо. Нагрузка на генераторе несколько повысится, но при необходимости ее можно восстановить, воздействуя на механизм управления регулятора скорости 11 за счет сокращения расхода газообразного топлива. Механизм управления переключателя 12 перемещается в сторону работы на жидком топливе. При этом регулирующий клапан 35 в канале газообразного топлива за счет открытия в переключателе 12 сброса воздуха из импульсной пиевмолинии 8, начнет прикрываться, а регулирующий клапан 49 в канале жидкого топлива 44. За счет прикрытия в переключателе 12 сброса воздуха из импульсной пневмолинии 9 будет открываться. При необходимости можно совершать и полный переход, который закончится снижением напряжения с электромагнитного клапана 39 и установкой под напряжение электромагнитного вентиля 41. Перекроется отсечной клапан 33 и закроется клапан дежурного горения 36. В этом момент нагрузка не генераторе за счет перекрытия дежурного газообразного топлива несколько сократится, но ее при необходимости можно восстановить, воздействуя на механизм управления регулятора скорости 11 для открытия регулирующего клапана 49.

Остановка агрегата может быть с постепенной разгрузкой генератора с последующим отключением его от сети и с постепенным прикрытием топливоподачи и также последующим отключением генератора.

Остановка может быть происходить и по импульсу аварийной остановки, как от руки нажатием на кнопку 29, так и автоматически от срабатывания автоматов безопасности

26 и 30 или электромагнитного вентиля 31. Во всех случаях происходит автоматическое отключение генератора от сети, остановка топливного насоса 45 жидкого топлива, от5 ключение напряжения от электромагнитного клапана 39 и закрытие отсечного клапана 33. В результате снижения давления в пневмолинии предельной защиты 7 закроются стопорные клапаны 34 и 48, клапаны дежур0 ного горения 36 и 50.

Окрытием электромагнитного вентиля 63 открывается за КНД выпускной клапан 61. В регуляторе скорости 11 срабатывает астатическое устройство, в результате чего

5 закроются и регулирующие клапаны 35 и 49.

Формула изобретения 1. Система регулирования газотурбинного двигателя, содержащая гидродинами0 ческий регулятор скорости с механизмом управления, имеющий окно сброса воздуха, связанный через дроссели импульсными пневмолиниями с регулирующим клапаном и ограничителем приемистости и пневмоли5 нией предельной защиты - со стопорным клапаном, устройствами запуска двигателя и выпускным воздушным клапаном, установленным совместное противопомпажны- ми клапанами, в линии нагнетания

0 компрессора высокого давления, отличающаяся тем, .что, с целью повышения надежности и расширения функциональных возможностей путем, обеспечения работы двигателя, на двух видах топлива,система

5 содержит клапаны дежурного горения, переключатель топлива с постоянной суммарной площадью сечений для сброса воздуха, дополнительные выпускные воздушные, регулирующий и стопорный клапаны, соеди0 пенные с пнёвмолйнией предельной защиты, регулятор перепада давлений с пружиной и поршневой полостями, первая из которых соединена с выходом дополнительного регулирующего клапана, а вторая 5 с входом дополнительного стопорного клапана, два электромагнитных вентиля, подключенных к импульсным пневмолиниям, и электромагнитный вентиль, подключенный к пневмолинии предельной защиты, два ре0 гулирующих устройства с мембранными приводами, имеющие пружинные и штоко- вые полости, подключенные к импульсным пневмолиниям, дроссельные шайбы, дополнительную импульсную пневмолинию и ско5 ростной золотник, связанный дополнительной импульсной пнепмолинией со штоковыми полостями и через дроссельные шайбы с пружинными полостями регулирующих устройств, замедлители приема нагрузки с пружинными и штоковыми полостями, подключенными к импульсным пнев- молиниям, причем штоковые полости подключены непосредственно, а пружинные - через дроссельные шайбы.

2. Система по п. 1, от л и ч а ю щ а я с я тем. что, с целью обеспечения равных характеристик регулирования при разных видах топлива, гидродинамической регулятор скорости имеет дополнительное окно сброса воздуха, причем оба окна сброса воздуха имеют одинаковые сечения, а площади отверстий дроссельных шайб на входе в импульсные пневмолинии также одинаковы.

Сн.Фт.2

Использование: область турбостроения, системы регулирования газотурбинных агрегатов. Сущность изобретения: система регулирования с пневматическими связями, обеспечивает работу газотурбинного двигателя с электрическим генератором на двух видах топлива с возможностью перехода во время работы агрегата с одного вида топлива на другой в допустимых пределах частот вращения при частичном и полном сбросе Нагрузки и предохраняющей лопаточный : аппарат газотурбинного двигателя от чрезмерных термических нагрузов на генератор со стороны сети. Система регулирования содержит два канала подачи топлива (газообразного и жидкого), приводы стопорных клапанов и клапанов дежурного горения в обоих каналах топливоподэчи и приводы выпускных воздушных клапанов в нагнетании циклового компрессора подключены к одной импульсной проточной линии пре- дельной защиты. Импульсные проточные линии имеют одинаковые дроссельные отверстия на входе в эти линии и одинаковые сечения отверстий в регуляторе скорости для сброса воздуха из этих линий на всех режимах работы агрегата. Переключатель, обеспечивающей сброс воздуха из обоих импульсных линий, выполнен с постоянной суммарной площадью отверстий для сброса при любом его положении. Одна из полостей поршня регулятора перепада, установ-: ленного в канале жидкого топлива, соединена с линией перед стопорным кла- паном, а другая-с линией за регулирующим клапаном, На линиях регулирующих кана-; лов установлены электромагнитные вентили, связанные с генератором. Система содержит скоростной золотник, связанный через специальную проточную импульсную . линию с мембранными исполнительными f механизмами клапанов, установленных в импульсных проточных линиях регулирующих клапанов. Замедлители приема нагрузки установлены в импульсных проточных линиях регулирующих клапанов, причем полость каждого мембранного исполнительного механизма замедлителя со стороны клапана подсоединена к импульсной проточной линии непосредственно, а имеющая увеличенный обьем полость со стороны пружины - через дроссель. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. ел с 00 ел со V4 N5