Способ выравнивания температурного поля в газотурбинных устройствах



Способ выравнивания температурного поля в газотурбинных устройствах
Способ выравнивания температурного поля в газотурбинных устройствах

 


Владельцы патента RU 2522146:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет" (RU)

Способ может быть использован в энергетике, а именно в газоперекачивающих агрегатах материальных газопроводов, автономных электростанциях и других энергоустановках, содержащих газотурбинный привод, работающий на природном газе. В данном способе топливо к отдельным горелкам подается с критическими параметрами течения в каналах, проходные сечения которых выполняют идентичными. Продольные профили всех каналов выполняют совпадающими с профилем любого произвольно взятого канала, предпочтительно изготовленного первым, с точностью, определяемой погрешностью изготовления, причем стенки каналов выполняют с одинаковой шероховатостью поверхности, при этом равенство расходов топлива, поступающего во входную часть каждого канала, дополнительно обеспечивают за счет выполнения во входной части канала настроечного элемента, преимущественно в виде фаски, с возможностью изменения его геометрических размеров при настройке канала на заданный расход. Технический результат изобретения - обеспечение равномерности температурного поля перед турбиной газотурбинной установки. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в газоперекачивающих агрегатах магистральных газопроводов, автономных электростанциях и в других энергоустановках, содержащих газотурбинный привод, работающий на природном газе.

Известны способы выравнивания температурного поля в газотурбинных двигателях (установках), основанные на равенстве расходов топлива через отдельные горелочные устройства камеры сгорания путем и заключающиеся в подборе комплекта форсунок (горелочных устройств) по производительности (Трофимович Г.К., Речистер В.Д., Гильмутдинов А.Г. Справочник по ремонту судовых газотурбинных двигателей. - Л.: Судостроение, 1980, с.72) или в калибровке отверстий в горелочных устройствах (Моверман Г.С., Радчик И. И. Ремонт импортных газоперекачивающих агрегатов. - М.: Недра, 1986, с.72-77).

К недостатку данных технических решений следует отнести то, что при изменении проходных сечений на отдельных топливных линиях, например, за счет нагарообразования на калиброванных отверстиях или их эрозионного износа из-за содержания в топливе мехпримесей происходит изменение массовых расходов топлива на отдельных топливных линиях, а следовательно, создаются условия к неравномерности температурного поля перед турбиной.

Известен способ выравнивания температурного поля в газотурбинных установках, основанный на равенстве расходов топлива через отдельные горелочные устройства камеры сгорания, причем топливо к отдельным горелочным устройствам подают с критическими параметрами течения в каналах, проходные сечения которых выполняют идентичными (патент РФ №2121068, МПК: F02C 7/22 - прототип).

Указанный способ реализуется следующим образом.

На каждой линии подачи топлива к горелкам организуются сечения с критическими параметрами течения, при этом изменения гидравлических характеристик за этими сечениями не приводят к изменению расходов топлива, а следовательно, к изменению температуры в камерах сгорания. В зависимости от геометрии сечения и физико-химических свойств рабочего тела критические параметры течения могут быть различны. При любом выбранном конструктивном исполнении канала, в котором создается течение с критическими параметрами, на каждой топливной линии горелки должен быть один и тот же вариант, т.е. проходные сечения в каналах должны быть идентичными.

Основным недостатком указанного способа является то, что при нагарообразовании на горелках перед ними будет расти давление (т.е. увеличиваться Pвых), и отдельные каналы будут выходить из критического режима течения раньше расчетного значения и на них изменится (уменьшится) расход топливного газа, а следовательно, уменьшится температура в соответствующих камерах сгорания.

Задачей предложенного изобретения является устранение указанных недостатков и обеспечение равномерности температурного поля перед турбиной газотурбинной установки.

Решение поставленной задачи достигается за счет того, что в предложенном способе выравнивания температурного поля в газотурбинных установках, основанном на обеспечении равенства расходов компонентов топлива через отдельные горелочные устройства камеры сгорания и заключающемся в подаче компонентов топлива к отдельным горелочным устройствам по каналам, в которых обеспечивают критические параметры течения, состоящим из входной и выходной частей, соединенных между собой при помощи минимального проходного сечения, при этом проходные сечения указанных каналов выполняют идентичными, согласно изобретению продольные профили всех каналов выполняют совпадающими с профилем любого произвольно взятого канала, предпочтительно изготовленного первым, с точностью, определяемой погрешностью изготовления, причем стенки каналов выполняют с одинаковой шероховатостью поверхности, при этом равенство расходов топлива, поступающего во входную часть каждого канала, дополнительно обеспечивают за счет выполнения во входной части канала настроечного элемента, преимущественно в виде фаски, с возможностью изменения его геометрических размеров при настройке канала на заданный расход.

В варианте применения способа входную и выходную части каналов выполняют профилированными.

Совокупность существенных признаков предложенного способа позволяет получить иные свойства в сравнении с известными решениями, заключающиеся в том, что обеспечивается стабилизация массового расхода топлива через каждое горелочное устройство независимо от изменения в них проходных сечений. Таким образом, предложенное техническое решение соответствует критериям "Изобретательский уровень" и "Новизна".

Данное техническое решение планируется к внедрению на одном из газотурбинных приводов газоперекачивающего агрегата магистрального газопровода и, следовательно, отвечает критерию "Промышленная применимость".

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 приведен один из вариантов профиля канала, с помощью которого можно организовать течение с критическими параметрами, на фиг.2 показана зависимость (характер) изменения массового расхода топлива при изменении отношения давлений на вышеуказанном канале.

Основными элементами канала, представленного на фиг.1, являются:

1 - входная часть канала (конфузор), или сужающаяся часть для организации течения потока на входе с минимальными гидравлическими потерями давления;

2 - минимальное проходное сечение для обеспечения заданного массового расхода рабочего тела (топливного газа);

3 - выходная часть канала (диффузор), или расширяющаяся часть для организации течения потока на выходе с минимальными гидравлическими потерями давления;

α- угол конусности расширяющейся части (диффузора);

Fс - площадь минимального проходного сечения;

Fвых - площадь выходного сечения;

Pвх - давление входа;

Pвых - давление выхода.

На фиг.2 обозначены:

4 - зависимость изменения расхода топлива применительно к каналу фиг.1;

5 - зависимость изменения расхода топлива применительно к каналу диафрагмы (на фиг.1 и 2 не показано);

mт - текущий расход топлива при изменении давления Pвых;

mт max - расчетный расход топлива при Pвх=const и наличии критического течения в канале.

Предложенный способ выравнивания температурного поля в газотурбинных установках может быть реализован следующим образом.

Способ выравнивания температурного поля в газотурбинных установках основан на обеспечении равенства, расходов компонентов топлива через отдельные горелочные устройства камеры сгорания и заключается в подаче компонентов топлива к отдельным горелочным устройствам по каналам, в которых обеспечивают критические параметры течения, состоящим из входной и выходной частей, соединенных между собой при помощи минимального проходного сечения, при этом проходные сечения указанных каналов выполняют идентичными, продольные профили всех каналов выполняют совпадающими с профилем любого произвольно взятого канала, предпочтительно изготовленного первым, с точностью, определяемой погрешностью изготовления, причем стенки каналов выполняют с одинаковой шероховатостью поверхности, при этом равенство расходов топлива, поступающего во входную часть каждого канала, дополнительно обеспечивают за счет выполнения во входной части канала настроечного элемента, преимущественно в виде фаски, с возможностью изменения его геометрических размеров при настройке канала на заданный расход.

При достижении критических параметров течения на массовый расход газа не оказывают влияния возмущения, имеющие место по потоку за сечением, в котором создано это условие. Исходя из этого, если на каждой линии подачи топлива к горелкам организовать сечения с критическими параметрами течения, то изменения гидравлических характеристик за этими сечениями не будут приводить к изменению расходов топлива, а следовательно, к изменению температуры в камерах сгорания. В зависимости от геометрии сечения и физико-химических свойств рабочего тела критические параметры течения могут быть различны.

Так, например, для воздуха на дросселирующем элементе в виде диафрагмы (дроссельной шайбы с острыми кромками) критические параметры достигают при отношении давлений Pвых/Pвх≤0,528, а на дросселирующем элементе в виде сопла Лаваля с малой конусностью диффузора (6-12) град) при Pвых/Pвх≤0,92-0,93 в зависимости от качества изготовления сопла.

При величинах отношений давлений больше указанных расход уменьшается (см. фиг.2).

Дросселирующий элемент в виде сопла Лаваля (см. фиг.1) представляет собой последовательное соединение конфузора 1 и диффузора 3 с образованием между ними минимального проходного сечения 2.

Входная часть сопла (конфузор) выполняется конической с углом конусности 40-60 град или с профилем в виде радиуса скрепления входных кромок в 1.5-2 раза больше радиуса минимального сечения.

Выходную часть сопла выполняется с углом конусности 6-12 град при отношении площадей F в ы х F с = 5 6

Возможны другие исполнения расширяющейся части, например:

- по закону обеспечения Δ P Δ X = c o n s t .

здесь ΔР - перепад давления на участке сопла, ΔХ - длина участка сопла;

- с переменным углом конусности: вначале 6-12 град, затем 15-30 град.

Последние указанные исполнения в основном позволяют уменьшить длину сопла при прочих равных условиях. С другой стороны, известно, что для уменьшения длины подобных дросселирующих элементов применяют элемент в виде решетки. Для предложенного технического решения каждое отверстие в решетке выполняется, например, в виде сопла Лаваля.

При любом выбранном конструктивном исполнении канала, в котором создается течение с критическими параметрами, на каждой топливной линии горелки должен быть один и тот же вариант, т.е. проходные сечения в каналах должны быть идентичными. В противном случае, например, при нагарообразовании на горелках перед ними будет расти давление (т.е. увеличиваться Pвых) и отдельные каналы будут выходить из критического режима течения раньше расчетного значения и на них изменится (уменьшится) расход топливного газа на этих каналах, а следовательно, уменьшится температура в соответствующих камерах сгорания.

При реализации предложенного технического решения следует принять во внимание то, что расчет геометрии сопла на заданный расход топлива при критических параметрах течения необходимо производить для величины отношения давлений порядка Pвых/Pвх=0,85. Тогда при нагарообразовании на горелках и уменьшении в связи с этим на них проходных сечений, а следовательно увеличении отношения давлений до Pвых/Pвх=0,92 будет обеспечиваться стабилизация расхода топлива. С целью исключения эрозионного износа проходного сечения Fс необходимо внутреннюю поверхность канала (сопла) выполнять с высокой твердостью, что на практике вполне возможно, т.к. этот канал будет смонтирован в относительно холодной зоне, где применимы соответствующие материалы.

Кроме вышеотмеченных положительных качеств следует иметь в виду, что еще предложенное техническое решение позволяет упростить систему управления (регулирования) газотурбинной установки и упростить конструкцию элементов разводки топлива по отдельным линиям. Это обуславливается тем, что расход топлива по отдельным линиям в предложенном решении зависит только от величины входного давления сопла, а не от перепада давления на этих линиях, которое, как правило, находится во взаимосвязи с давлением воздуха после компрессора и на порядок может быть выше перепада на этих линиях. В связи с этим легко устанавливается взаимосвязь давления топлива перед соплом и давления воздуха после компрессора, которую можно реализовать редуктором давления. В части упрощения разводки следует понимать, что дополнительные сужения, повороты, влияния на расход топлива оказывать не будут, они только скажутся на гарантированном диапазоне стабилизации расхода (т.е. на диапазон от Pвых/Pвх=0,85 до Pвых/Pвх=0,92, который рекомендуется выбирать для исключения влияния нагарообразования.

Использование предложенного способа позволит обеспечить сохранность настройки равномерного температурного поля перед турбиной при длительной работе газотурбинной установки, особенно в газоперекачивающих агрегатах магистральных газопроводов.

1. Способ выравнивания температурного поля в газотурбинных установках, основанный на обеспечении равенства расходов компонентов топлива через отдельные горелочные устройства камеры сгорания и заключающийся в подаче компонентов топлива к отдельным горелочным устройствам по каналам, в которых обеспечивают критические параметры течения, и состоящим из входной и выходной частей, соединенных между собой при помощи минимального проходного сечения, при этом проходные сечения указанных каналов выполняют идентичными, отличающийся тем, что продольные профили всех каналов выполняют совпадающими с профилем любого произвольно взятого канала, предпочтительно изготовленного первым, с точностью, определяемой погрешностью изготовления, причем стенки каналов выполняют с одинаковой шероховатостью поверхности, при этом равенство расходов топлива, поступающего во входную часть каждого канала, дополнительно обеспечивают за счет выполнения во входной части канала настроечного элемента, преимущественно в виде фаски, с возможностью изменения его геометрических размеров при настройке канала на заданный расход.

2. Способ выравнивания по п.1, отличающийся тем, что входную и выходную части каналов выполняют профилированными.



 

Похожие патенты:

Газотурбинная установка содержит газотурбинный двигатель с компрессором, устройство воздухоподготовки газотурбинного двигателя, топливную систему с камерами сгорания, устройством подачи и регулирования топлива, масляную систему узлов трения газотурбинного двигателя и исполнительных агрегатов с теплообменником охлаждения масла, нагнетающим насосом, теплообменником подогрева топлива, выполненными в отдельном регулируемом циркуляционном контуре.

Изобретение относится к области авиационной техники, в частности к способам подачи топлива в газотурбинный двигатель (ГТД), а также к топливным системам ГТД. Способ подачи топлива в газотурбинный двигатель при запуске после длительного пребывания при низких температурах заключается в подогреве топлива перед подачей его в топливный фильтр, причем перед подогревом отделяют от топлива льдообразования, которые подогревают до таяния, после чего воду, полученную при таянии льдообразований, соединяют с подогретым топливом.

Форсуночный блок камеры сгорания ГТД содержит плиту кольцевой формы с установленными на ней в несколько рядов форсуночными модулями и основной топливный коллектор, соединенный с плитой, полость которого соединена топливными каналами с форсуночными модулями.

Изобретение относится к энергетическому, химическому и транспортному машиностроению и может быть использовано в камерах сгорания газотурбинных установок. Предложен способ сжигания топлива, заключающийся в предварительном разделении потока воздуха на коаксиальные кольцевые струи, закрутке соседних смежных струй в противоположных направлениях, причем ближайшие одна к другой части соседних закрученных в противоположном направлении струй подают в радиальном направлении навстречу одна другой с образованием турбулентного сдвигового слоя, при этом подачу топлива осуществляют в этот слой для последующего воспламенения образовавшейся топливовоздушной смеси.

Форсуночный блок камеры сгорания ГТД содержит плиту кольцевой формы с установленными на ней в несколько рядов форсуночными модулями, содержащими топливные и воздушные каналы, и топливный коллектор, соединенный с плитой, полость которого соединена топливными каналами с форсуночными модулями.

(57) Система подачи топлива в газотурбинный двигатель с форсажной камерой сгорания содержит параллельно установленные в магистрали топливоподающие насос высокого давления с электроприводом и двухступенчатый центробежный насос высокого давления с механическим приводом и отбором топлива за каждой ступенью.

Камера сгорания ГТД содержит корпус, жаровую трубу, имеющую внешнюю и внутреннюю стенки и плиту кольцевой формы с установленными на ней форсуночными модулями и основной топливный коллектор, соединенный с плитой, полость которого соединена топливными каналами с форсуночными модулями, внешней и внутренний корпусы.

Камера сгорания ГТД, содержащая корпус, жаровую трубу, имеющую внешнюю и внутреннюю стенки и плиту кольцевой формы с установленными на ней форсуночными модулями и основной топливный коллектор, соединенный с плитой, полость которого соединена топливными каналами с форсуночными модулями, внешней и внутренний корпусы.

Камера сгорания ГТД содержит корпус, жаровую трубу, имеющую внешнюю и внутреннюю стенки, и плиту кольцевой формы с установленными на ней форсуночными модулями и основной топливный коллектор, соединенный с плитой, полость которого соединена топливными каналами с форсуночными модулями, внешней и внутренний корпусы.

Камера сгорания ГТД содержит корпус, жаровую трубу, имеющую внешнюю и внутреннюю стенки и плиту кольцевой формы с установленными на ней форсуночными модулями и основной топливный коллектор, соединенный с плитой, полость которого соединена топливными каналами с форсуночными модулями, внешний и внутренний корпусы, внешний и внутренний кожуха, установленные с зазором относительно внешнего и внутреннего корпусов.

Изобретение может быть использовано в системах подачи топлива для тепловых двигателей. Предложен способ эксплуатации системы подачи топлива для теплового двигателя, причем система подачи топлива состоит, по меньшей мере, из одного топливопровода (1), проходящего к процессу (3) горения, вдоль которого расположен, по меньшей мере, один блок клапанов. На этапе 1 при закрытом выпускном клапане (7) запорный клапан (4) и распределительный клапан (5) закрыты. На этапе 2 выпускной клапан (7) открывают, поэтому может происходить опорожнение находящегося на участке (1') топливопровода и в сливном трубопроводе (6') объема (V1) топлива. На этапе 3 происходит закрытие выпускного клапана (7). На этапе 4 открывают распределительный клапан (5). На этапе 5 осуществляют наполнение объема (V1) топлива приводимым в движение давлением оттоком топлива из топливопровода, проходящего к процессу (3) горения. Затем на этапе 6 осуществляют запирание распределительного клапана (5) и следующее за ним открытие выпускного клапана (7) для слива наполненного объема (V1) топлива, образовавшегося там вследствие действия после этапа 5. Технический результат заключается в контролируемой откачке остатков топлива, находящихся вдоль проходящего к процессу горения трубопровода. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к энергетике. Способ работы газотурбинной установки в переходном режиме, при котором регулятор определяет значения управляющей команды для массового расхода входящего воздуха, для массового расхода топлива и для массового расхода воды или пара, если вода и пар используются, причем по меньшей мере, одно командное значение динамически компенсируют, чтобы компенсировать различную динамику систем подачи с целью синхронизации результирующих изменений массовых расходов топлива, воды, пара и воздуха горения, которые поступают в камеру сгорания, таким образом, чтобы состав топливовоздушной смеси оставался в пределах границы воспламенения. Также представлены система регулирования, предназначенная для осуществления предлагаемого способа, а также газотурбинная установка, содержащая такую систему регулирования. Изобретение позволяет обеспечить быстрое функционирование в переходном режиме со стабильным пламенем предварительно перемешанной смеси. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области авиации, в частности к конструкциям топливных систем вертолетов. Топливная система вертолета с реактивными двигателями на лопастях несущего винта содержит топливный бак (1) с насосом подкачки (2), топливопровод (3), участки которого расположены внутри вала несущего винта и внутри лопастей. В топливопроводе каждой лопасти установлен регулятор частоты вращения несущего винта. На участке топливопровода от насоса подкачки установлен электроприводной насос-регулятор запуска и малого газа (5) с выходами по числу двигателей (8), а также насос-регулятор рабочих режимов (7) двигателей (8) с приводом от вала (11) несущего винта через шестеренчатую передачу (12) коробки приводов (10). На входе в идущие по лопастям (14) топливопроводы (9) смонтирован топливный коллектор (15) для передачи топлива из неподвижных участков топливопроводов (9) к их подвижным участкам (9′) в каждой лопасти (14). Топливный коллектор (15) выполнен в виде двух отсеков (16) и (17). Неподвижный отсек (16) закреплен на неподвижной трубе (13) внутри вала (11) несущего винта. Подвижный отсек (17) закреплен на валу (11) несущего винта и выполнен с кольцевыми полостями (18) и (19) для передачи топлива. Достигается возможность устранить инерционность подачи топлива и регулирования давление топлива в поле центробежных сил. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Камера сгорания в сборе содержит основной корпус, формируемый подающим коллектором с системой подачи топлива и топливными форсунками, продолжающимися от подающего коллектора и снабжаемыми топливом посредством системы подачи топлива подающего коллектора. Подающий коллектор имеет сандвич-конструкцию и сформирован из отдельных элементов. Количество отдельных элементов коллектора превышает количество типов топлива в системе подачи топлива. Система подачи топлива содержит по меньшей мере один газопроводный канал и по меньшей мере один жидкотопливный канал. Подающий коллектор сформирован из по меньшей мере трех отдельных элементов. Изобретение позволяет создать эффективную камеру сгорания в сборе при значительном снижении затрат на изготовление основного корпуса. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к энергетике. Топливное сопло имеет первый топливный канал, проходящий к нижней по потоку области смешивания, первый воздушный канал, проходящий от наружной области сопла к нижней по потоку области смешивания, и второй топливный канал, проходящий в указанный первый воздушный канал выше по потоку от указанной нижней по потоку области смешивания. Изобретение позволяет улучшить горение и уменьшить выбросы выхлопных газов. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 17 ил.

Изобретение относится к энергетике. Способ работы устройства горения включает в себя подачу топлива и окислителя в устройство горения и их сжигание. Согласно способу во время, по меньшей мере, части периода работы в неустановившемся режиме дополнительная текучая среда подается вместе с топливом, и ее количество регулируется таким образом, чтобы противостоять пульсациям при сгорании. Изобретение позволяет уменьшить пульсации при горении топлива. 13 з.п. ф-лы, 17 ил.

Изобретение относится к способу эксплуатации камеры сгорания при работе в неустановившемся режиме. В камеру сгорания подают, по меньшей мере, топливо. Неустановившийся режим включает в себя период, имеющий продолжительность, в течение которого топливо подают в количестве меньшем, чем критическое количество топлива. Способ включает в себя задание предельного значения для длительности периода и регулирование подачи топлива так, чтобы длительность периода была меньше или равна предельному значению. Изобретение позволяет нейтрализовать пульсации горения, возникающие во время работы в неустановившемся режиме. 8 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способам очистки коллектора с форсунками камеры сгорания газотурбинного двигателя от продуктов коксования топлива. Способ очистки коллектора с форсунками камеры сгорания газотурбинного двигателя от продуктов коксования топлива включает очистку коллектора с форсунками подачей нагретого реагента и контроль степени очистки форсунок, отличающийся тем, что реагент подают в сверхкритическом состоянии при температуре и давлении, не превышающих допустимые значения температуры и давления из условия прочности коллектора, а степень очистки форсунок контролируют по величине расхода реагента, проходящего через коллектор, который достигает постоянного нормированного значения. Очистку коллектора с форсунками производят в составе двигателя. В качестве реагента подают органическое или неорганическое вещество. Изобретение позволяет производить очистку коллекторов до получения заданных технических характеристик, параметры которых определяются на испытательном оборудовании прокачкой топливом, используемые реагенты не токсичны и инертны по отношению к материалам коллектора, способ обладает экологической чистотой и дешевизной, не требует дорогостоящих подготовительных операций. 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

Пилотная горелка газотурбинного двигателя содержит переднее тело с осевым прохождением вдоль центральной оси пилотной горелки. Центральная ось имеет осевое направление к зоне сгорания газотурбинного двигателя. Переднее тело содержит переднюю поверхность пилотной горелки, которая направлена к зоне сгорания. На переднее тело методом осаждения/напыления нанесен материал с нарастанием в осевом направлении с образованием стойкого к высоким температурам тела в осевом направлении переднего тела и с образованием стойкой к высоким температурам передней поверхности пилотной горелки. Нанесенный материал является стойким к высоким температурам металлом или металлическим сплавом, стойким к температурам свыше 1000°C, в частности к температурам до 1500°C или выше. Изобретение направлено на увеличение длительности срока службы пилотной горелки посредством создания пилотной горелки, стойкой к высоким температурам. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к энергетике. В системе и способе для утилизации энергии из факельных газов в химических установках и нефтеперерабатывающих заводах используется двигатель для сжигания части газа, отведенного из факельной системы. Двигатель может быть поршневым двигателем или горелкой в системе котлов. Энергия, выработанная при сжигании факельного газа, может быть использована для питания устройства для утилизации энергии. Устройство для утилизации энергии может быть электрическим генератором, компрессором или паровым котлом. Изобретение позволяет получить дополнительную энергию и уменьшить вредное воздействие на окружающую среду. 3 н. и 19 з.п. ф-лы, 7 ил.
Наверх