СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОДАЧИ ТОПЛИВА В ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
METHOD OF REGULATING FUEL SUPPLY TO GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения, а именно к камерам сгорания газотурбинных двигателей (ГТД), преимущественно малоэмиссионным камерам сгорания, и позволяет повысить топливную эффективность, полноту сгорания топлива газотурбинного двигателя, на таких режимах работы камеры сгорания, когда вследствие неблагоприятного сочетания параметров топлива в зоне горения за частью или всеми горелками полнота сгорания топлива снижается.
n
m
Одной из основных характеристик камеры сгорания ГТД является полнота сгорания топлива. От полноты сгорания топлива напрямую зависит экономичность ГТД, ею же определяется эмиссия моноокиси углерода - СО и несгоревших углеводородов - CH. В ряде случаев низкая полнота сгорания топлива становится причиной неустойчивой работы камеры сгорания в виде нестабильного - предсрывного горения, сопровождающегося колебаниями давления воздуха в камере сгорания.
x
n
m
Обеспечение высокой полноты сгорания топлива особенно важно в малоэмиссионных камерах сгорания ГТД, в которых для минимизации эмиссии наиболее экологически опасных оксидов азота - NO на высоких режимах работы ГТУ обеспечивают минимально возможную температуру пламени, при которой камера может стабильно работать. Однако при этом на частичных и минимальных режимах работы ГТУ, когда температура пламени, зависящая от концентрации топлива, ниже, чем на высоких режимах, происходит рост эмиссии СО и CH, т.е. снижение полноты сгорания топлива.
Причинами снижения полноты сгорания топлива при снижении режима двигателя являются повышение времени задержки воспламенения топлива и повышение времени (снижение скорости) его сгорания в результате снижения температуры смеси и снижения концентрации топлива. Полнота сгорания топлива начинает уменьшаться, когда сумма времен задержки воспламенения и сгорания топлива приблизится и станет превышать время пребывания топлива в камере сгорания, т.е. топливо просто перестанет успевать выгореть в объеме камеры сгорания. «Основы теории горения», учебное пособие, А.В. Талантов - Казанский Авиационный институт, 1975 г, стр. 56.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату и выбранным за прототип является способ регулирования подачи топлива в газотурбинный двигатель (Патент RU 2162953, МПК F02C 9/26, опубл. 10.02.2001), в котором происходят изменения площади горения в сочетании с перепуском части воздуха мимо горелочного устройства. Изменение площади горения производится путем последовательного подключения в работу нескольких групп горелок. Каждая группа управляется собственным дозатором газа. Расход топлива в подключаемую группу увеличивается до достижения заданной температуры пламени, обеспечивающей низкие выбросы вредных веществ. После этого подключают следующую группу, а температуру пламени в ранее включенных группах поддерживают постоянной при дальнейшем увеличении мощности двигателя. Поддержание постоянной температуры пламени в работающих группах обеспечивается управлением концентрацией топлива и перепуском части воздуха мимо горелочных устройств.
Недостаток прототипа заключается в возрастании неравномерности температурных полей перед лопатками турбины в результате частичного подключения горелок. Это приводит к возрастанию динамических и тепловых напряжений в лопатках турбины и снижению их ресурса. Следующий недостаток прототипа заключается в снижении эффективности охлаждения жаровой трубы и первого соплового аппарата турбины из-за снижения перепада давления охлаждающего воздуха при его перепуске мимо горелочных устройств и возрастания эмиссии NOx вследствие забогащения топлива в результате этого. Кроме того, способ регулирования подачи топлива, предложенный в прототипе, весьма сложен из-за наличия нескольких коллекторов подвода топлива к горелочным устройствам, нескольких дозаторов в системе топливопитания и регулирующих высокотемпературных кранов в системе перепуска воздуха мимо горелочных устройств.
Технической задачей заявленного изобретения является повышение полноты сгорания топлива, снижение эмиссии вредных веществ и повышение устойчивости работы камеры сгорания ГТД на таких режимах работы ГТД, когда вследствие неблагоприятного сочетания параметров топлива в зоне горения за частью или всеми горелками полнота сгорания топлива снижается.
Технический результат достигается тем, что в способе регулирования подачи топлива в газотурбинный двигатель, на вход которого подают поток воздуха, который сжимают в компрессоре до высокого давления, и поток топлива, которые воспламеняют, а полученные при горении топлива газы направляют через турбину и сопло в атмосферу, согласно изобретению перед подачей в камеру сгорания топливо предварительно дозированно нагревают в подогревателе, а степень нагрева топлива для полного его сгорания определяют и контролируют в системе автоматического управления двигателя, куда от газоанализатора поступают показания эмиссии одного или нескольких продуктов недожога - моноокиси углерода - СО и несгоревших углеводородов - CnHm, а при превышении показания эмиссии одного или нескольких продуктов недожога - моноокиси углерода - СО и несгоревших углеводородов - CnHm из системы автоматического управления поступает сигнал на нагрев топлива.
В предлагаемом изобретении в отличии от прототипа перед подачей в камеру сгорания топливо предварительно дозированно нагревают в подогревателе, а степень нагрева топлива для полного его сгорания выбирают и контролируют с помощью системы автоматического управления (САУ) двигателя, в которую от газоанализатора поступают показания эмиссии одного или нескольких продуктов недожога - моноокиси углерода - СО и несгоревших углеводородов - CnHm, в случае превышения эмиссии из САУ поступает сигнал на дополнительный нагрев топлива. САУ будет повышать температуру топлива до тех пор, пока эмиссия продуктов недожога не достигнет минимального, заранее определенного уровня. В случае достижения нулевого значения эмиссии продуктов недожога САУ начнет снижать степень нагрева топлива, вплоть до полного его отключения, для предотвращения нерасчетного роста эмиссии NOx, вследствие избыточного подогрева топлива.
На фиг. 1 представлена блок-схема осуществления подачи топлива в ГТД.
На схеме обозначены: 1 - подогреватель, 2 - термопара контроля температуры топлива, 3 - топливный коллектор камеры сгорания, 4 - газоанализатор, 5 - САУ двигателя.
Способ осуществляется следующим образом. На вход газотурбинного двигателя подают поток воздуха, который сжимают в компрессоре (не указан) до высокого давления, и поток топлива, которые воспламеняют. Газоанализатор - 4 отслеживает уровень эмиссии продуктов недожога топлива и выдает сигнал в САУ - 5. При превышении допустимого уровня эмиссии продуктов недожога САУ выдает команду на повышение температуры топлива в подогреватель - 1. В случае, когда эмиссия продуктов недожога достигнет заданного минимального уровня, САУ - 5 прекращает дальнейшее повышение степени подогрева топлива. В случае, если эмиссия продуктов недожога исчезнет полностью, САУ - 5 начинает снижать степень подогрева топлива до их появления в предварительно установленном минимальном количестве. Таким образом, будет обеспечен минимально необходимый дозированный подогрев топлива, достаточный для обеспечения полноты сгорания и не приводящий к росту эмиссии NOx свыше расчетной величины. Термопара - 2 замера температуры топлива предназначена для осуществления обратной связи между САУ и подогревателем - 1 с целью контроля за работой устройства.
Таким образом, выполнение предлагаемого изобретения с вышеуказанными отличительными признаками в совокупности с известными признаками, позволяет уменьшить время задержки воспламенения и повысить скорость горения топлива путем дозированного подогрева топлива, а следовательно, повысить полноту сгорания топлива.