Система подачи криогенного топлива
Изобретение относится к энергетике. Система подачи криогенного топлива содержит криогенную емкость, соединенную последовательно через расходный клапан, топливный насос и первый регулятор расхода с входом первого теплообменника парогенератора, состоящего из входного коллектора, соединенного через параллельные каналы с выходным коллектором, выход которого соединен через отсечной клапан с форсунками камеры сгорания, при этом подвод внешней теплоты к каналам первого теплообменника парогенератора осуществлен от горячих выхлопных газов энергетической установки, дополнительно выход топливного насоса через второй регулятор расхода соединен с холодным входом второго теплообменника парогенератора, холодный выход которого соединен с первым входом смесителя, при этом выход криогенного топлива из первого теплообменника парогенератора соединен с горячим входом второго теплообменника парогенератора, горячий выход которого соединен со вторым входом смесителя, а его выход соединен с входом в отсечной клапан. Изобретение позволяет повысить эффективность работы энергетической установки. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.
Система подачи криогенного топлива предназначена для энергетических установок наземного базирования и транспортных средств.
Известен способ работы двухтопливного газотурбинного двигателя, работающего на углеводородном и криогенном топливе (заявка РФ №93006021, F02C 9/00, опубликована: 30.04.1995), заключающийся в том, что при работе на углеводородном топливе в камеру сгорания через теплообменник подают и криогенное топливо в количестве, обеспечивающем охлаждение стенок теплообменника до температуры ниже допустимой температуры для конструкции теплообменников. Криогенное топливо также подают через теплообменник на режимах выше малого газа, а расход криогенного топлива через теплообменник увеличивают пропорционально увеличению температуры газов за турбиной.
Недостаток способа заключается в том, что при работе газотурбинного двигателя обмерзание льдом наружной поверхности теплообменника достигает 40% поверхности в зависимости от режима работы, что снижает эффективность теплопередачи, а значит и эффективность энергетической установки.
Известен ракетный двигатель (патент РФ №2125176, F02K 9/44, опубликован: 20.01.1999) содержит трубопровод, клапан, газодинамический дроссель, теплообменник, блок регулирования мощности, сопло. При открытии клапана газ поступает к дросселю, в котором его давление снижается и стабилизируется на требуемом уровне, в теплообменнике газ нагревается и выбрасывается через сопло, создавая реактивную тягу. При этом обеспечивается увеличение точности регулирования тяги, что необходимо для решения задач высокоточного управления положением космического аппарата.
Недостаток ракетного двигателя в том, что при использовании в качестве криогенного топлива углеводородного газа или водорода, при их сгорании образуется водяной пар, который конденсируется и замерзает на наружной поверхности теплообменника, что снижает эффективность работы, как самого теплообменника, так и двигателя в целом.
Известна система подачи криогенного топлива в камеру сгорания энергетической установки (авт. св. СССР №1795139, F02K 9/44, опубликовано 1991), содержащую криогенную емкость, соединенную через насос, теплообменник газификатор и отсечной клапан с форсунками камеры сгорания газотурбинного двигателя.
Недостаток этой системы подачи криогенного топлива заключается в том, что наружное обмерзание льдом каналов теплообменника газификатора со стороны входа криогенного топлива достигает 40% от теплопередающей площади наружной поверхности каналов на низких режимах работы энергетической установки и до 10% на максимальных режимах работы энергетической установки.
Задачи изобретения: повышение эффективности работы энергетической установки за счет улучшения теплопередачи в теплообменнике парогенераторе криогенного топлива путем уменьшения зоны внешнего обледенения каналов теплообменника парогенератора, повышение надежности работы газовой турбины энергетической установки за счет снижения температуры газов в камере сгорания путем отбора теплоты к поступающей холодной газовой фазе криогенного топлива, а также снижение гидравлического сопротивления первого теплообменника парогенератора со стороны горячих выхлопных газов путем уменьшения объема льда, намерзающего на внешней поверхности каналов теплообменника парогенератора.
Поставленные задачи в системе подачи криогенного топлива содержащей криогенную емкость, соединенную последовательно через расходный клапан, топливный насос и первый регулятор расхода с входом первого теплообменника парогенератора, состоящего из входного коллектора, соединенного через параллельные каналы с выходным коллектором, выход которого соединен через отсечной клапан с форсунками камеры сгорания, при этом подвод внешней теплоты к каналам первого теплообменника парогенератора осуществлен от горячих выхлопных газов энергетической установки решаются тем, что выход топливного насоса через второй регулятор расхода соединен с холодным входом второго теплообменника парогенератора, холодный выход которого соединен с первым входом смесителя, при этом выход криогенного топлива из первого теплообменника парогенератора соединен с горячим входом второго теплообменника парогенератора, горячий выход которого соединен со вторым входом смесителя, а его выход соединен с входом в отсечной клапан и тем, что первый и второй регуляторы расхода криогенного топлива соединены с блоком управления энергетической установки и тем, что на минимальном режиме работы энергетической установки первый регулятор расхода криогенного топлива открыт не более чем на 70%, а второй регулятор расхода криогенного топлива открыт более чем на 30% и тем, что на максимальном режиме работы энергетической установки первый регулятор расхода криогенного топлива открыт более чем на 90%, а второй регулятор расхода криогенного топлива открыт не более чем на 10% и тем, что на промежуточных между минимальным и максимальным режимами работы энергетической установки первый регулятор расхода криогенного топлива открыт в соответствии с режимом в диапазоне от 60 до 100%, а второй регулятор расхода криогенного топлива открыт соответственно в диапазоне от 40 до 0% и тем, что со стороны входа криогенного топлива на наружной поверхности канала первого теплообменника установлен датчик температуры, соединенный с блоком управления энергетической установки, а также тем, что первым и вторым регуляторами расхода криогенного топлива управляют в зависимости от температуры стенки со стороны входа криогенного топлива на наружной поверхности канала первого теплообменника парогенератора, при этом если температура ниже 273,15 К, то первый регулятор расхода прикрывают, а второй регулятор расхода открывают до тех пор, пока температура не превысит вышеназванное значение.
В известных технических решениях признаков сходных с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, не обнаружено, следовательно, это решение обладает существенными отличиями. Приведенная совокупность признаков в сравнении с известным уровнем техники позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию «новизна». В то же время, заявляемое техническое решение применимо в промышленности, в частности в энергетическом машиностроении и криогенных системах и может быть использовано в системах подачи криогенного топлива в наземную или транспортную энергетическую установку, поэтому оно соответствует условию «промышленная применимость».
Изобретение поясняется следующими схемами.
На фиг. 1 представлена схема системы подачи криогенного топлива в энергетическую установку, содержащую первый и второй регуляторы расхода соответственно соединенные с входами в первый и второй теплообменники парогенераторы, выходы которых соединены со смесителем.
На фиг. 2 представлена схема системы подачи криогенного топлива в энергетическую установку, содержащую соединение блока управления энергетической установки с первым и вторым регуляторами расходов.
На фиг. 3 представлена схема системы подачи криогенного топлива в энергетическую установку, содержащую датчик температуры на наружной поверхности первого теплообменника парогенератора со стороны входа жидкой фазы криогенного топлива, соединенного с блоком управления энергетической установки.
Система по п. 1 (фиг. 1) формулы содержит криогенную емкость 1, последовательно соединенную через расходный клапан 2, топливный насос 3, первый регулятор расхода 4, входной коллектор 5, парогенерирующие каналы 6, подвод внешней теплоты Q, к которым осуществлен от горячих выхлопных газов энергетической установки, выходной коллектор 7 первого теплообменника парогенератора, горячий вход 8 второго теплообменника парогенератора 9, горячий выход 10 второго теплообменника парогенератора 9, первый вход смесителя 11, отсечной клапан 12 с форсунками 13 камеры сгорания энергетической установки, при этом выход топливного насоса 3 также соединен последовательно через второй регулятор расхода 14, холодный вход 15 второго теплообменника парогенератора 9, холодный выход 16 второго теплообменника парогенератора 9, со вторым входом смесителя 11.
Система по п. 2 или п. 3 или п. 4 или п. 5 (фиг. 2) формулы дополнительно содержит соединение первого регулятора расхода 4 и второго регулятора расхода 14 с блоком 17 управления энергетической установки.
Система по п. 6 или по способу п. 7 (фиг. 3) формулы дополнительно содержит со стороны входа криогенного топлива на наружной поверхности канала 6 первого теплообменника парогенератора датчик температуры 18, соединенный с блоком 17 управления энергетической установки.
Система по п. 1 формулы (фиг. 1) работает следующим образом. Жидкая фаза криогенного топлива поступает из криогенной емкости 1 последовательно через расходный клапан 2, топливный насос 3, первый регулятор расхода 4, входной коллектор 5, парогенерирующие каналы 6, с подводом внешней теплоты Q к которым осуществлен от горячих выхлопных газов энергетической установки, выходной коллектор 7 первого теплообменника парогенератора, горячий вход 8 второго теплообменника парогенератора 9, горячий выход 10 второго теплообменника парогенератора 9, первый вход смесителя 11, отсечной клапан 12 в форсунки 13 камеры сгорания энергетической установки, при этом часть жидкого криогенного топлива поступает с выхода топливного насоса 3 через второй регулятор расхода 14, холодный вход 15 второго теплообменника парогенератора 9, холодный выход 16 второго теплообменника парогенератора 9, во второй вход смесителя 11. Например, при использовании в качестве криогенного топлива жидкого водорода, в парогенерирующих каналах 6 первого теплообменника парогенератора он нагревается от 20 К до 373 К и поступает в горячий вход 8 второго теплообменника парогенератора 9, за счет теплоты которого вторая часть жидкой фазы криогенного топлива, поступающего на холодный вход 15 второго теплообменника парогенератора 9, испаряется и через холодный выход 16 поступает на второй вход смесителя 11. После смешения газовой фазы в смесителе 11 температура топлива значительно ниже температуры на выходе из первого теплообменника парогенератора. Холодное газообразное криогенное топливо поступает в форсунки 13 камеры сгорания энергетической установки, что снижает температуру газов на выходе из камеры сгорания, а значит и повышает надежность газовой турбины энергетической установки. При этом снижение расхода жидкой фазы криогенного топлива в парогенерирующие каналы 6 первого теплообменника парогенератора снижает площадь наружного обмерзания начальных участков парогенерирующих каналов 6, что, в свою очередь, повышает эффективность теплопередачи в каналах 6 первого теплообменника парогенератора, а также снижает наружное гидравлическое сопротивление каналов 6, что повышает к.п.д. энергетической установки.
Система по п. 2 формулы (фиг. 2) работает следующим образом. В зависимости от режима работы энергетической установки изменяют расход жидкой фазы криогенного топлива на входе первого, имеющего парогенерирующие каналы 6 и второго 9 теплообменников парогенераторов, при этом при увеличении режима работы энергетической установки расход на входе первого теплообменника парогенератора увеличивают, а на входе второго теплообменника парогенератора 9 уменьшают. За счет перераспределения жидкой фазы криогенного топлива между первым и вторым 9 теплообменниками парогенераторами снижено наружное обмерзание парогенерирующих каналов 6 на всех режимах работы энергетической установки, а также снижено внешнее гидравлическое сопротивление парогенерирующих каналов 6 первого теплообменника парогенератора.
Система по п. 3 формулы (фиг. 2) работает следующим образом. На минимальном режиме работы энергетической установки первый регулятор 4 расхода жидкой фазы криогенного топлива открыт не более чем на 70%, а второй регулятор расхода 14 криогенного топлива открыт более чем на 30%. За счет перераспределения жидкой фазы криогенного топлива между первым и вторым 9 теплообменниками парогенераторами снижено наружное обмерзание парогенерирующих каналов 6 на всех минимальном режиме работы энергетической установки, а также снижено внешнее гидравлическое сопротивление парогенерирующих каналов 6 первого теплообменника парогенератора.
Система по п. 4 формулы (фиг. 2) работает следующим образом. На максимальном режиме работы энергетической установки первый регулятор 4 расхода жидкой фазы криогенного топлива открыт более чем на 90%, а второй регулятор 14 расхода криогенного топлива открыт не более чем на 10%. За счет перераспределения жидкой фазы криогенного топлива между первым и вторым 9 теплообменниками парогенераторами снижено наружное обмерзание парогенерирующих каналов 6 на максимальном режиме работы энергетической установки, а также снижено внешнее гидравлическое сопротивление парогенерирующих каналов 6 первого теплообменника парогенератора.
Система по п. 5 формулы (фиг. 2) работает следующим образом. На промежуточных между минимальным и максимальным режимами работы энергетической установки первый регулятор 4 расхода жидкой фазы криогенного топлива открыт в соответствии с режимом в диапазоне от 60 до 100%, а второй регулятор расхода 14 криогенного топлива открыт соответственно в диапазоне от 40 до 0%. За счет перераспределения жидкой фазы криогенного топлива между первым и вторым 9 теплообменниками парогенераторами снижено наружное обмерзание парогенерирующих каналов 6 на всех промежуточных режимах работы энергетической установки, а также снижено внешнее гидравлическое сопротивление парогенерирующих каналов 6 первого теплообменника парогенератора.
Система по п. 6 формулы (фиг. 3) работает следующим образом. Со стороны входа жидкой фазы криогенного топлива на наружной поверхности канала 6 первого теплообменника парогенератора с помощью датчика температуры 18, соединенного с блоком управления 17 энергетической установки, измеряют наружную температуру стенки канала 6. По уровню этой температуры изменяют расход жидкой фазы криогенного топлива на входе в первый и второй 9 теплообменники парогенератора. Это позволяет снизить площадь наружного обмерзания каналов 6 первого теплообменника парогенератора, а также снизить внешнее гидравлическое сопротивление каналов 6 первого теплообменника парогенератора.
Система по п. 7 формулы (фиг. 3) работает следующим образом. Первым 4 и вторым 14 регуляторами расхода криогенного топлива управляют в зависимости от температуры стенки со стороны входа криогенного топлива на наружной поверхности канала 6 первого теплообменника, при этом если температура ниже 273,15 К, то первый 4 регулятор расхода прикрывают, а второй 14 регулятор расхода открывают до тех пор, пока температура не превысит вышеназванное значение. Это позволяет снизить площадь наружного обмерзания каналов 6 первого теплообменника парогенератора, а также снизить внешнее гидравлическое сопротивление каналов 6 первого теплообменника парогенератора.
За счет перераспределения теплоты подводимой к криогенному топливу в двух теплообменниках, уменьшено обмерзание наружной поверхности первого теплообменника парогенератора на всех режимах работы энергетической установки. За счет снижения обмерзания каналов первого теплообменника парогенератора, в нем повышена эффективность теплопередачи. За счет снижения габаритов первого теплообменника парогенератора уменьшены гидравлические потери в газодинамическом тракте энергетической установки, что, в свою очередь, повышает ее коэффициент полезного действия. За счет снижения температуры газовой фазы криогенного топлива на входе в камеру сгорания снижена температура выхлопных газов на ее выходе, что, в свою очередь, повысило надежность работы газовой турбины энергетической установки.
Таким образом, изобретением усовершенствована схема системы подачи криогенного топлива в энергетическую установку, в которой изменены и оптимизированы характеристики первого и второго теплообменников парогенераторов, а также распределение потоков криогенного топлива между первым и вторым теплообменниками парогенераторами для снижения обмерзания наружной поверхности первого теплообменника парогенератора, который подогревается выхлопными газами от энергетической установки.
1. Система подачи криогенного топлива, содержащая криогенную емкость, соединенную последовательно через расходный клапан, топливный насос и первый регулятор расхода с входом первого теплообменника парогенератора, состоящего из входного коллектора, соединенного через параллельные каналы с выходным коллектором, выход которого соединен через отсечной клапан с форсунками камеры сгорания, при этом подвод внешней теплоты к каналам первого теплообменника парогенератора осуществлен от горячих выхлопных газов энергетической установки, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности работы энергетической установки, выход топливного насоса через второй регулятор расхода соединен с холодным входом второго теплообменника парогенератора, холодный выход которого соединен с первым входом смесителя, при этом выход криогенного топлива из первого теплообменника парогенератора соединен с горячим входом второго теплообменника парогенератора, горячий выход которого соединен со вторым входом смесителя, а его выход соединен с входом в отсечной клапан.
2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что первый и второй регуляторы расхода криогенного топлива соединены с блоком управления энергетической установки.
3. Система по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что на минимальном режиме работы энергетической установки первый регулятор расхода криогенного топлива открыт не более чем на 70%, а второй регулятор расхода криогенного топлива открыт более чем на 30%.
4. Система по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что на максимальном режиме работы энергетической установки первый регулятор расхода криогенного топлива открыт более чем на 90%, а второй регулятор расхода криогенного топлива открыт не более чем на 10%.
5. Система по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что на промежуточных между минимальным и максимальным режимами работы энергетической установки первый регулятор расхода криогенного топлива открыт в соответствии с режимом в диапазоне от 60 до 100%, а второй регулятор расхода криогенного топлива открыт соответственно в диапазоне от 40 до 0%.
6. Система по любому из пп. 1-5, отличающаяся тем, что со стороны входа криогенного топлива на наружной поверхности канала первого теплообменника парогенератора установлен датчик температуры, соединенный с блоком управления энергетической установки.
7. Система по п. 6, отличающаяся тем, что первым и вторым регуляторами расхода криогенного топлива управляют в зависимости от температуры стенки со стороны входа криогенного топлива на наружной поверхности канала первого теплообменника парогенератора, при этом если температура ниже 273,15 К, то первый регулятор расхода прикрывают, а второй регулятор расхода открывают до тех пор, пока температура не превысит вышеназванное значение.
