Способ регулирования подачи топлива в газотурбинный двигатель

 

Способ предназначен для регулирования подачи топлива в газотурбинный двигатель. Способ основан на регулировании площади горения в камере, определении температуры пламени и управления составом топливовоздушной смеси. Увеличение площади горения производят путем последовательного подключения в работу нескольких топливных контуров. Каждый контур включает в себя группу горелок камеры и дозатор топлива. Расход топлива в подключаемый контур увеличивают до достижения заданной температуры пламени, обеспечивающей низкие выбросы вредных веществ. После этого подключают следующий контур, а температуру пламени в ранее включенных контурах поддерживают постоянной при дальнейшем увеличении мощности двигателя. Поддержание постоянной температуры пламени в работающих контурах обеспечивают управлением состава топливовоздушной смеси. На каждом режиме работы двигателя по замеренным его параметрам автоматическая система управления процессом в камере сгорания определяет потребные значения состава смеси и расхода топлива для каждого контура и после сравнения с замеренными расходами топлива корректирует их с помощью соответствующего устройства. Контуры, включаемые на пониженных режимах работы двигателя, забогащают путем включения системы переброса части воздуха из зоны горения на выход из камеры. Такой способ позволит обеспечить при всех условиях работы двигателя низкого уровня эмиссии оксидов азота, окиси углерода и несгоревших углеводородов, устойчивой работы камеры сгорания и высокого КПД двигателя. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Предполагаемое изобретение относится к способам регулирования подачи топлива в газотурбинный двигатель (ГТД) при изменении его мощности в ходе его испытаний и эксплуатации.

Одной из самых актуальных проблем, решаемых при создании современных ГТД и модернизации ГТД, находящихся в эксплуатации, является проблема снижения эмиссии вредных веществ; оксидов азота NO_x, окиси углерода CO и несгоревших углеводородов C_nH_m. Известно, что для достижения эффекта снижения эмиссии вредных веществ организуют горение предварительно перемешанной топливовоздушной смеси (ТВС) в узком диапазоне температуры пламени, например T_пл = 1750...1900 К, где генерирация оксидов азота NO_x, окиси углерода CO и несгоревших углеводородов C_nH_m достаточно низка. Последнее иллюстрируется зависимостью температуры пламени T_пл и концентрацией вредных веществ NO_x и CO от коэффициента избытка воздуха предварительно перемешанной ТВС (фиг. 1). Отсюда следует, что для обеспечения низких выбросов NO_x, CO на разных режимах работы двигателя камера сгорания должна постоянно работать с оптимальной температурой пламени независимо от нагрузки двигателя и внешних условий. Однако при традиционной системе регулирования это осуществимо только на каком-либо одном расчетном режиме. Пример типичной зависимости коэффициента α в зоне горения от относительной мощности двигателя показан на фиг. 2.

При значительном уменьшении мощности двигателя ТВС обедняется и температура пламени настолько снижается, что горение может стать неэффективным и пламя срывается. Если же при форсировании мощности двигателя температура пламени превысит расчетное значение, то эмиссия NO_x может увеличивать сверх допустимой величины, а жаровая труба камеры сгорания при длительной работе может быть повреждена. Таким образом, тщательное регулирование состава ТВС в зонах горения для поддержания заданной температуры пламени является необходимым условием получения низкой эмиссии вредных веществ на всех режимах эксплуатации двигателя и обеспечения устойчивой и надежной работы камеры сгорания.

Известен способ регулирования подачи топлива в гибридных горелках фирмы Сименс (журнал "Теплоэнергетика" N 3, 1990 г., стр. 69, 70), включающий двухступенчатое изменение площади горения. В соответствии с этим способом запуск производится подачей топлива в дежурную зону, а затем по достижении определенной мощности топливо подается в основную зону. При этом суммарный расход топлива регулируется общим дозатором, а распределение топлива по зонам производится шаровым краном. Температура пламени в основной зоне определяется и поддерживается в заданных пределах управлением состава ТВС путем увеличения расхода воздуха в камеру сгорания открытием регулируемого входного направляющего аппарата (РВНА) и в зону горения - прикрытием окон в жаровой трубе, при помощи которых часть воздуха перепускается из зон горения во вторичную зону. Данный способ позволил получить хорошие результаты по снижению выбросов вредных веществ. Однако на большинстве ГТД РВНА либо отсутствует, либо не позволяет регулировать расход воздуха в пределах, достаточных для поддержания заданной температуры пламени, во всех условиях эксплуатации. Кроме того, РВНА, как и всякий дроссель на входе в двигатель, в прикрытом состоянии существенно снижает КПД двигателя.

Известен способ регулирования подачи топлива фирмы АББ (журнал "Теплоэнергетика" N 3, 1990 г., стр. 67, (фиг. 3, таблица) путем многоступенчатого изменения площади горения. При одном общем дозаторе включение групп горелок автоматизировано в зависимости от коэффициента избытка воздуха α в камере сгорания. Однако регулирования местного значения α и оценка температуры пламени не производится, в результате чего последняя, очевидно, имеет значительные колебания от оптимальной величины. Об этом свидетельствуют колебания содержания оксидов азота NO_x в выхлопных газах. Выбросы NO_x достигают значения 150 мг/м³ (современные требования в России и за рубежом - не более 50 мг/мм³).

Наиболее полное условие поддержания заданной температуры пламени во всех условиях эксплуатации современных ГТД реализуется фирмой Дженерал Электрик. Эта фирма использует способ регулирования топливоподачи в ГТД по патенту США N 5303542 F 02 C 9/26 от 16.11.92 г.

Согласно этому способу, вначале топливо подают в дежурные горелки, окруженные внутренними и внешними кольцами основных горелок. После розжига дежурных горелок состав ТВС в них регулируют изменением расхода воздуха при помощи РВНА или клапанов перепуска воздуха (КПВ) из компрессора так, чтобы температура пламени была в заданных пределах. После того, как расход воздуха достигнет верхнего предела, увеличивают площадь горения путем подключения группы основных горелок так, чтобы предотвратить выход температуры пламени из заданного диапазона. Площадь горения может быть подрегулирована открытием или закрытием клапанов независимого ступенчатого регулирования в заданной последовательности, к которым подсоединены основные горелки.

Описанный способ предусматривает один общий дозатор топлива (клапаны служат для распределения топлива между группами горелок), а также определение температуры пламени в функции от расходов воздуха и топлива и температуры воздуха на выходе из компрессора.

Недостатками этого способа являются: - неизбежное снижение КПД двигателя при использовании РВНА и КПВ; - температура пламени при изменении мощности двигателя не сохраняется постоянной, так как регулирование коэффициента избытка воздуха производится ступенчато; - область применения существенно ограничена особенностями конкретного двигателя и камеры сгорания.

Целью предполагаемого изобретения является обеспечение при всех условиях эксплуатации в диапазоне основных режимов работы двигателя низкого уровня эмиссии оксидов азота, окиси углерода и несгоревших углеводородов; устойчивой работы камеры сгорания и высокого КПД двигателя.

Указанная цель достигается повышением стабильности поддержания заданного оптимального значения температуры пламени без применения РВНА и КПВ, следующим образом. Повышение мощности двигателя производят увеличением площади горения. Увеличение площади горения производят путем последовательного подключения в работу нескольких топливных контуров, включающих группу горелок камеры и дозатор топлива. Расход топлива в подключаемый контур увеличивают до достижения заданной температуры пламени. После этого подключают следующий контур. Температуру пламени в ранее включенных контурах поддерживают постоянной, либо изменяют по определенному наперед заданному закону управлением состава топливовоздушной смеси. Состав топливовоздушной смеси в группе горелок контуров, включаемых на пониженных режимах работы двигателя, работают путем включения системы переброса части воздуха из зоны горения на выход из камеры в течение времени от начала подачи топлива в эти контуры до достижения заданного температуры пламени.

Снижение мощности двигателя производят отключением контуров в обратном порядке.

Отличительных признаков предполагаемого изобретения в других областях техники не обнаружено, следовательно, техническое решение предполагаемого способа регулирования подачи топлива в ГТД обладает существенным отличием и новизной по сравнению с известными техническими решениями.

Сущность предполагаемого изобретения поясняется на примере его применения при эксплуатации современного двигателя НК-37 для привода электрогенератора.

Камера сгорания этого двигателя (фиг. 3) имеет дежурную 3 и основную 5 зоны горения, состоит из 12 выносных жаровых труб (ВЖТ) и кольцевого газосборника 9. Дежурная зона горения каждой ВЖТ содержит одну горелку 2, основная зона - шесть горелок 4 для предварительной подготовки ТВС. На выходе из камеры сгорания смонтированы элементы системы регулирования воздуха. Последняя включает в себя окна 8 перепуска воздуха и металлическую ленту, которая может быть в положении 7 "Закрыто" (воздух в окна перепуска не идет) и в положении 6 "Открыто" (воздух в окна перепуска идет).

На фиг. 4 позиции А показана схема топливной системы камеры и расположение ВЖТ по окружности. Здесь. 1...12 - номера ВЖТ, 13 - дозатор топлива дежурной зоны, 14, 15, 16, 17 - дозаторы топлива первого, второго, третьего и четвертого контуров основной зоны.

Циклограмма включения контуров и график изменения параметров приведены на фиг. 5. На фиг. 5 Gte, Gtg, Gt1, Gt2, Gt3, Gt4 - расходы топлива соответственно суммарный, в дежурную зону в первый, второй, третий, четвертый контуры основной зоны, цифрами 1, 2, 3, 4, 5, 6 обозначены номера позиции циклограммы.

Запуск двигателя и выход на режим прогрева производят подачей топлива в дежурную зону. После прогрева (позиции 1, фиг. 5) подают топливо в первый основной контур, содержащий шесть ВЖТ, расположенных симметрично относительно оси камеры (N 1, 3, 5, 7, 9, 11, фиг. 4).

Увеличение мощности двигателя осуществляют плавным увеличением расхода топлива до режима позиции 2, фиг. 5, когда температура пламени в основной зоне включенных ВЖТ достигнет заданного уровня. Далее в этих ВЖТ дозатором первого основного контура поддерживают температуру пламени постоянной.

В позиции 2 включается второй основной контур, подающий топливо в основную зону очередных ВЖТ (N 2 и 8, фиг. 4). При достижении заданного уровня температуры пламени за горелками ВЖТ, обслуживаемых вторым контуром, включается третий контур и т.д. Снижение мощности двигателя производят в обратном порядке. Расход топлива в дежурную зону с ростом режима уменьшается по определенному закону, так как уменьшается надобность в "огневой поддержке" основных контуров, а вклад дежурной зоны в генерацию оксидов азота значителен.

Каждый дозатор топлива, кроме крана, включает в свой состав процессор, в котором рассчитывается температура пламени в зависимости от коэффициента избытка воздуха, температуры воздуха на входе в камеру и типа топлива.

В процессоре вырабатывается команда на изменение расхода топлива для поддержания заданного значения температуры пламени в зависимости от потребного значения коэффициента избытка воздуха и температуры воздуха стабильность поддержания заданной температуры пламени ограничивается только погрешностями системы измерения и возможностями крана.

Иногда оказывается необходимым для сокращения длительности переходного процесса (от позиции 1 до позиции 2 фиг. 5) при включении первого контура, повышения устойчивости и эффективности горения, снижения выбросов окиси углерода и несгоревших углеводородов обогатить смесь в зоне горения. Это производят включением системы переброса части воздуха из зоны горения на выход камеры сгорания путем открытия окон перепуска (позиции 8, фиг. 3) от начала подачи топлива в данный контур до выхода на заданную температуру пламени.

Таким образом, предлагаемый способ регулирования подачи топлива в газотурбинный двигатель позволяет уменьшить эмиссию вредных веществ с выхлопными газами при всех условиях эксплуатации, обеспечить устойчивое горение, высокий КПД двигателя и избежать недостатков, присущих способам-прототипам.

Формула изобретения

1. Способ регулирования подачи топлива в газотурбинный двигатель, основанный на регулировании площади горения в камере, определении температуры пламени и управлении составом топливовоздушной смеси, отличающийся тем, что увеличение площади горения производят путем последовательного подключения в работу нескольких топливных контуров, включающих группу горелок камеры и дозатор топлива, расход топлива в подключаемый контур увеличивают до достижения заданной температуры пламени, после чего подключают следующий контур, а температуру пламени в ранее включенных контурах поддерживают постоянной, либо изменяют по определенному наперед заданному закону управлением состава топливовоздушной смеси.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что состав топливовоздушной смеси в группе горелок контуров, включаемых на пониженных режимах работы двигателя, забогащают путем включения системы переброса части воздуха из зоны горения на выход из камеры в течение времени от начала подачи топлива в эти контуры до достижения заданной температуры пламени.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5