Способ запуска и поддержания оборотов газотурбинного авиационного двигателя со свободной турбиной, работающего по парогазовому циклу

 

Изобретение предназначено для осуществления запуска и поддержания постоянным режима работы газотурбинного двигателя со свободной турбиной, работающего по парогазовому циклу. Пока в системе подачи пара в двигатель не накопился пар и не достигнуто его расчетное давление, двигатель запускается и работает как обычный с первоначальными расчетным сечением соплового аппарата и давлением за турбиной компрессора. После достижения расчетного давления пара одновременно открываются дополнительное проходное сечение соплового аппарата и подача пара и закрывается заслонка, расположенная между турбинами компрессора и электрогенератора, выпускавшая часть продуктов сгорания в атмосферу в процессе запуска двигателя и накопления пара. Для поддержания неизменным числа оборотов двигателя предлагается поддерживать постоянное соотношение расходов воздуха и пара за счет сохранения на одном уровне отношения расходов топлива и пара, что практически эквивалентно. Чтобы при подаче пара можно было бы ориентироваться только на один параметр: перепад давлений в узком сечении топливопровода, что упрощает систему регулирования, предлагается поддерживать на постоянном уровне значения плотностей пара и топлива. Тогда расход пара оказывается пропорциональным корню квадратному из перепада давлений в узком сечении топливопровода. Постоянство плотностей топлива и пара сохраняется за счет близости значений максимального и минимального давлений в системе подачи, а постоянство температуры за счет прогрева топлива паром, температура которого постоянна из-за стабильной величины температуры в конце процесса сгорания, что всегда имеет место при неизменных оборотах двигателя независимо от атмосферных условий. Изобретение позволяет повысить надежность запуска и поддержания режима работы. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

В описании изобретения "Способ регистрации тепла и экологической очистки выхлопных газов в газотурбинном авиационном двигателе со свободной турбиной" говорится [1, стр. 12; 2] , что "запуск и выход на режим заданного числа оборотов авиадвигателя осуществляется обычным путем... сначала без подачи водяного пара в камеру сгорания, а затем после выхода на заданный режим авиадвигателя с приводом потребителя включается подача пара, и регуляторы устанавливают рабочий режим установки по всем параметрам с выводом на рабочий режим контура регенерации... Сход с режима и остановка агрегатов и основного двигателя производится в обратном порядке".

В этом кратком описании нет необходимости что-то изменять, но надо дать характеристику принципиального устройства тех регуляторов, которые "устанавливают рабочий режим установки по всем параметрам", уточнить, какие параметры или механизмы они регулируют и на какие текущие значения величин при этом реагируют. Обычный двигатель (ТРД) управляется регулятором оборотов, дозируя расход топлива G_т кг/с и реагируя при этом на число оборотов n. Последние могут колебаться относительно заданного значения оборотов. Например, если температура воздуха понизится до t = -35^oC, а расход топлива G_т останется прежним (регулятор оборотов, дозирующий расход топлива G_т, отсутствует), то обороты упадут на 7%, а температура в конце процесса сгорания (перед турбиной) T₃^* на 160^oС (при расчетной в 1150^oС).

При работе по парогазовому циклу пар и двигатель должны подаваться в количестве, строго постоянном по отношению к расходу, чтобы не нарушать неизменный уровень температуры T₃^* перед турбиной и не мешать регулятору оборотов. На это относительное количество пара рассчитывается увеличение проходного сечения соплового аппарата турбины F_CA. Постоянство отношения расхода пара G_п кг/с к расходу воздуха G_в кг/с требует наличия какого-то устройства (регулятора), которое обеспечивало бы т.е. в зависимости от атмосферных условий расход воздуха может изменяться в значительных пределах; так при t = -35^oC и n = const расход воздуха возрастает на 21%.

Обычный путь запуска газотурбинного двигателя, когда никакого запаса пара еще нет, требует, чтобы и проходное сечение соплового аппарата турбины F_CA было тоже обычным, т.е. увеличенным. Если проходное сечение F_CA при отсутствии пара расширить на 15 - 20%, т.е. на расчетном режиме давление перед турбиной P₃^* будет в 2 - 5 раз ниже расчетного (в зависимости от характеристики компрессора), и вывести двигатель на расчетные обороты просто невозможно. Кроме того при работе двигателя по парогазовому циклу у турбины (3) (см. чертеж), вращающей компрессор (1), за счет подачи пара возрастает мощность, тогда как потребная мощность компрессора (1) остается прежней. Понижение мощности турбины (3) до уровня, соответствующего работе по обычному циклу, т.е. мощности компрессора, можно осуществить за счет повышения давления на выходе из турбины (3), т. е. уменьшения степени понижения давления в турбине (3) π^*_T3. Это приводит к увеличению мощности турбины (4), вращающей электрогенератор (5). В этом собственно и заключается преимущество парогазового цикла.

Расширение проходного сечения соплового аппарата турбины (3) уменьшает π^*_T3 (π^*_T3 обратно пропорционально отношению критических площадей до и после турбины в степени близкой, к 1), но недостаточно, и для необходимого уменьшения π^*_T3 приходится немного сокращать площадь соплового аппарата турбины (4), что повышает давление за турбиной (3). Поэтому при запуске и выходе на режим необходимо не только прикрывать сопловый аппарат турбины (3), но и выпускать часть продукта сгорания в атмосферу через заслонку (20), расположенную между турбинами (3) и (4); иначе на расчетных оборотах температура в конце процесса сгорания после запуска при G_п = 0 может оказаться выше допустимой.

После выхода двигателя на расчетный режим начинается накопление пара в теплообменнике-кипятильнике (6), и в момент достижения расчетного давления пара P_п открывается клапан пропуска пара (16) в регулятор пара (8) пропорционально расходу воздуха. Самое простое, казалось бы, ориентироваться в количестве подаваемого пара на расход воздуха G_в кг/с. Однако это требует замера давления P₀, температуры T₀ и поля скоростей потока воздуха, что достаточно сложно. Значительно проще ориентироваться на расход топлива G_т кг/с, подача которого при n=const почти точно пропорциональна расходу воздуха G_в, что достаточно хорошо обеспечивает постоянство температуры перед турбиной T₃^* = const: T^*₃ = T₀+ΔT^*_к+ΔT^*_KC, где ΔT^*_к и ΔT^*_KC - повышение температуры воздуха в компрессоре и камере сгорания.

Если то ΔT^*_KC тоже неизменна.

Величина ΔT^*_к определяется эффективной работой компрессора L_CK и сжатие воздуха: где u - окружная скорость лопаток компрессора; ΔCu_i - изменение окружной скорости потока воздуха при прохождении через решетку из лопаток на колесо ступени компрессора; - эффективная работа одной ступени компрессора.

Поскольку u ≈ n и практически Δ Cu ≈ n, то при n=const получается и Δ T_к^* ~ const.

Отсюда следует, что колебания температуры T₃^* от постоянного значения будут того же порядка, что и наружной температуры T₀, т.е. не будут превосходить 3%. Фактически эти колебания T₃^* будут частично компенсироваться колебаниями изменений Δ T_КС. Это видно из равенства мощностей компрессора и турбины при работе по парогазовому циклу.

где π^*_т, η^*_т и ΔCu_i при неизменных оборотах и при колебаниях атмосферных условий являются постоянными величинами. Отсюда следует, что температура T₃^* постоянна, если регулятор оборотов подает столько топлива G_т, что число оборотов сохраняет постоянное значение (из равенства мощностей компрессора (1) и турбины следует, что вблизи расчетного режима T^* ≈ n², а при такой зависимости любого параметра двигателя от оборотов его значения при n=const и изменении атмосферных условий остаются постоянными [2]). При это тоже сохраняется в силе, что видно из уравнения (1). Однако колебания расхода топлива по отношению к расходу воздуха в пределах 1 - 3% могут нарушить постоянство соотношения расхода воздуха и пара и T₃^*, но в уравнении (I) сомножитель будет изменяться только в пределах 0,2 - 0,6%, что можно считать допустимым для температуры T₃^*.

Привязка подачи качества пара к параметру, которым управляет регулятор, исключает возможность возникновения ситуации, когда регулятор оборотов и регулятор подачи пара при колебаниях режима двигателя будут мешать друг другу.

Если регулятор подачи пара будет отслеживать расход воздуха G_в, величина которого влияет на обороты, то такое столкновение возможно; особенно, если учесть, что постоянная времени регулирования оборотов через расход топлива и камеру сгорания зависит от атмосферных условий.

После выхода двигателя на заданные обороты и достижения расчетного значения давления пара P_р.д.min синхронно открываются дополнительное проходное сечение соплового аппарата турбины и подача пара в камеру сгорания и закрывается клапан (20) выпуска части продуктов сгорания за турбиной (3) в атмосферу. Принципиальное устройство регулятора подачи пара пропорционально расходу топлива может выглядеть достаточно просто, если пар и топливо будут иметь хотя и разные, но постоянные значения плотности. При использовании как жидкого топлива, так и газообразного их температуру можно поддерживать постоянной в теплообменнике пар-топливо (15) за счет прогрева паром, температура которого постоянна, т.к. он нагревается продуктами сгорания, у которых уровень температуры при T₃^* = const и неизмененной степени падения давления в турбине π^*_т меняться не может.

Постоянство давлений как топлива, так и пара обеспечивается у насосов подачи (13) предохранительных клапанов (14, 19), рассчитанных на определенные максимально допустимые в системе давления P_max, а также наличием вторых клапанов (16, 18), пропускающих газ только при достаточно высоком расчетном давлении P_р.д.min, близком к P_max. При постоянных плотностях пара и топлива подача пара G_п пропорционально расходу топлива G_т может осуществляться изменением узкого прохода сечения в системе подачи пара пропорционально корню квадратному из перепада давления Δ P_т в постоянном узком сечении трубопровода топливной системы (17) эта зависимость легко реализуется поворотным кулачком соответствующего профиля. Заметим, что в системах подачи пара и газообразного топлива независимо от необходимости поддерживать давления подачи на одном уровне все четыре клапана давления, как правило, необходимы.

Останов двигателя происходит в обратном порядке: закрываются дополнительное проходное сечение соплового аппарата турбины и подача пара и открывается заслонка выпуска газа в атмосферу, после чего прекращается подача топлива в двигатель; но можно просто прекратить расход топлива.

Если вместо раскрытия соплового аппарата турбины F_CA намечено повышать давление перед турбиной P₃^* и снижать температуру в конце процесса сгорания T₃^*, то необходимо предусмотреть в двигателе постоянное уменьшенное сечение F_CA, обеспечивающее намеченное повышение двигателя P₃^*, и снижение задаваемых оборотов двигателя, которому соответствует уменьшение температуры в момент подачи пара.

Литература 1. Вологодский В.Б., Пушкин Р.М., Чащки-Семенов К.В. Способ регенерации тепла и экологической очистки выхлопных газов в газотурбинном авиационном двигателе со свободной турбиной, патент N 2042847, 1995; поступление заявки N 33034129 - 1995.

2. Бачин А.А., Вологодский В.Б. Пути снижения вредных выбросов в атмосферу и улучшения экономичности поршневых и газотурбинных двигателей, "Конверсия в машиностроении", N 1, 1998.

3. Вологодский В.Б. Характеристики турбореактивных и турбовинтовых двигателей, учебник, изд. в/ч 75320, 1954.

Формула изобретения

1. Способ запуска и поддержания оборотов газотурбинного авиационного двигателя со свободной турбиной, работающего по парогазовому циклу, заключающийся в запуске и выходе на режим заданного числа оборотов авиадвигателя обычным путем без подачи водяного пара в камеру сгорания, а затем после выхода на заданный режим авиадвигателя с приводом потребителя во включении подачи пара и установлении регуляторами заданного режима установки по всем параметрам с выводом на рабочий режим контура регенерации и потребителя энергии, отличающийся тем, что при запуске двигателя площадь соплового аппарата турбины компрессора частично закрыта и имеет свои первоначальные размеры, заслонка для выпуска газов в атмосферу, расположенная между турбинами компрессора и электрогенератора, открыта, а после выхода двигателя на рабочий режим и достижения расчетного давления пара в системе его подачи одновременно открываются полностью сопловой аппарат турбины и клапан подачи пара в двигатель через регулятор подачи пара, который подается регулятором пропорционально установившемуся расходу топлива, а заслонка выпуска газов в атмосферу закрывается.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что топливо подогревается паром в теплообменнике прежде, чем поступить в узкое сечение трубопровода, где замеряется давление, характеризующее расход топлива.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что поступление пара в двигатель осуществляется регулятором подачи пара за счет изменения узкого проходного сечения в паропроводе пропорционально корню квадратному из перепада давления в узком сечении трубопровода топливной системы.

РИСУНКИ

Рисунок 1