СПОСОБ ПУСКА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ НА КРИОГЕННОМ ТОПЛИВЕ
METHOD FOR STARTING GAS TURBINE ENGINE ON CRYOGENIC FUEL

Способ пуска газотурбинного двигателя на криогенном топливе относится к двигателестроению, преимущественно к системам подачи криогенного топлива в газотурбинный двигатель для наземного базирования и транспортных средств.
Известен способ и система подачи криогенного топлива (патент RU №2667845, опубл. 24.09.2018, бюл. №27), 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, при этом 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, при этом первый и второй регуляторы расхода криогенного топлива соединены с блоком управления энергетической установки и 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%, а 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%, а также 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%, причем со стороны входа криогенного топлива на наружной поверхности канала первого теплообменника парогенератора установлен датчик температуры, соединенный с блоком управления энергетической установки, при этом 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.
Недостатки способа и системы в том, что необходимо большое время на подготовку к пуску, повышенным режимам работы газотурбинного двигателя и к полету, которое включает последовательные операции: по захолаживанию криогенной топливной системы и насоса турбонасосного агрегата и его последующим пуском при достижении температуры жидкой фазы криогенного топлива с одновременным пуском газотурбинного двигателя и прогрева последнего на режиме малого газа, а также в том, что при захолаживании криогенной топливной системы криогенным топливом перед пуском насоса турбонасосного агрегата и пуском газотурбинного двигателя криогенное газообразное топливо или выбрасывают в дренаж в атмосферу или сжигают его на выходе дренажа, что загрязняет атмосферу и сжижает суммарную экономичность газотурбинного двигателя.
Известна топливная система (авторское свидетельство СССР №1009144, 1981) газотурбинного двигателя, содержащая емкость с жидким углеводородным топливом, насос, теплообменник-испаритель, выполненный в виде спирального завихрителя, по оси которого размещен паропровод для подвода испаренного топлива к горелкам двигателя и трубопровод для подвода, не испаренного топлива к форсункам.
Недостаток данной системы в том, что при захолаживании криогенной топливной системы криогенным топливом перед пуском насоса турбонасосного агрегата и пуском газотурбинного двигателя криогенное газообразное топливо или выбрасывают в дренаж в атмосферу или сжигают его на выходе дренажа, что загрязняет атмосферу и сжижает суммарную экономичность газотурбинного двигателя.
та
см
р_см
фп
ж
г
ж
см
р_см
фп
ж
г
г
р_см
фп
ж
см
та
ж
ж
Известен способ работы системы подачи криогенного продукта (патент RU №2705347, опубл. 06.11.2019, бюл. №31), заключающийся в насосной подаче его жидкой фазы, с последующим разделением ее на две части и регулированием расхода каждой части, подогреве первой части криогенного продукта до газообразного состояния в теплообменном аппарате, ее смешением со второй частью и подачей полученной смеси криогенного продукта в энергетическое устройство, при этом через теплообменный аппарат пропускают первую часть расхода криогенного продукта: G = G ⋅ [С ⋅ (T + ΔT) - i] / [i - i], где G - расход криогенного продукта на выходе смесителя, С - изобарная теплоемкость криогенного продукта на выходе из смесителя, T - температура фазового перехода криогенного продукта от жидкости к газу при давлении в смесителе, ΔT - превышение температуры газовой смеси криогенного продукта на выходе смесителя над температурой фазового перехода, i - энтальпия первой части жидкой фазы криогенного продукта на входе в теплообменный аппарат и второй части жидкой фазы криогенного продукта, которую подают на второй вход в смеситель, i - энтальпия газообразной фазы криогенного продукта на выходе теплообменного аппарата, при которой ее подают на первый вход в смеситель, при этом i > С ⋅ (Т + ΔT) > i и G = G + G, где С - расход второй части жидкой фазы криогенного продукта, которую подают на второй вход в смеситель.
Недостатки способа в том, что необходимо большое время на подготовку к пуску, повышенным режимам работы газотурбинного двигателя и к полету, которое включает последовательные операции: по захолаживанию криогенной топливной системы и насоса турбонасосного агрегата и его последующим пуском при достижении температуры жидкой фазы криогенного топлива с одновременным пуском газотурбинного двигателя и прогрева последнего на режиме малого газа, а также в том, что при захолаживании криогенной топливной системы криогенным топливом перед пуском насоса турбонасосного агрегата и пуском газотурбинного двигателя криогенное газообразное топливо или выбрасывают в дренаж в атмосферу или сжигают его на выходе дренажа, что загрязняет атмосферу и сжижает суммарную экономичность газотурбинного двигателя.
Задачи изобретения: снижение времени подготовки газотурбинного двигателя, работающего на криогенном топливе, к пуску, повышенным режимам работы или полету, а так же повышение его экономичности, экологических характеристик и надежности.
Поставленные задачи в способе пуска газотурбинного двигателя на криогенном топливе, заключающегося в повышении давления криогенного топлива до давления для работы газотурбинного двигателя на режиме малый газ и открытии клапана подачи при захолаживании криогенной топливной системы от выхода из криогенной расходной емкости до выхода из насоса турбонасосного агрегата до температуры жидкой фазы криогенного топлива, а при достижении температуры насоса турбонасосного агрегата температуры жидкой фазы криогенного топлива выполняют пуск насоса турбонасосного агрегата, решаются тем, что процесс захолаживания криогенной топливной системы от выхода из криогенной расходной емкости до выхода из насоса турбонасосного агрегата до температуры жидкой фазы криогенного топлива начинают одновременно с открытием клапана подачи, отсечного клапана и регулятора расхода для подачи криогенного топлива через топливные форсунки в камеру сгорания газотурбинного двигателя в период раскрутки ротора газотурбинного двигателя в процессе его пуска и выхода на режим малого газа, а пуск насоса турбонасосного агрегата выполняют при дополнительном условии при увеличении режима работы газотурбинного двигателя выше режима малого газа, а также тем, что повышение давления криогенного топлива на выходе из криогенной расходной емкости осуществляют увеличением давления наддува криогенной расходной емкости, и тем, что повышение давления криогенного топлива на выходе из криогенной расходной емкости осуществляют включением подкачивающего насоса, установленного на выходе жидкой фазы криогенного топлива из криогенной расходной емкости, и тем, что при увеличении режима работы газотурбинного двигателя выше режима малого газа снижают давление криогенного топлива на выходе из криогенной расходной емкости до давления 150-300 кПа, при этом закрывают клапан наддува и открывают клапан дренажа из паровой полости криогенной расходной емкости, измеряют расход газов криогенного топлива из паровой полости криогенной расходной емкости, сбрасывают их на вход в компрессор газотурбинного двигателя и уменьшают подачу криогенного топлива через форсунки газотурбинного двигателя на величину расхода газов криогенного топлива из паровой полости криогенной расходной емкости, а при снижении режима работы газотурбинного двигателя до режима малого газа насос турбонасосного агрегата не выключают и тем, что расход газов криогенного топлива из паровой полости криогенной расходной емкости на вход в компрессор газотурбинного двигателя не превышает 2% расхода воздуха через газотурбинный двигатель, если в качестве криогенного топлива используют водород и не превышает 5% расхода воздуха через газотурбинный двигатель, если в качестве криогенного топлива используют метан и тем, что при увеличении режима работы газотурбинного двигателя выше режима малого газа снижают давление криогенного топлива на выходе из криогенной расходной емкости до давления 150-300 кПа, при этом выключат подкачивающий насос, установленный на выходе жидкой фазы криогенного топлива из криогенной расходной емкости, а при снижении режима газотурбинного двигателя до режима малого газа насос турбонасосного агрегата не выключают.
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 при пусках газотурбинных двигателей, работающих на криогенном топливе, для наземных или транспортных энергетических установок, поэтому оно соответствует условию «промышленная применимость».
Изобретение поясняется следующими схемами.
На фиг. 1 представлена схема системы для осуществления пуска газотурбинного двигателя на криогенном топливе.
На фиг. 2 представлена схема системы для осуществления пуска газотурбинного двигателя на криогенном топливе с подкачивающим насосом, установленным на выходе жидкой фазы криогенного топлива из криогенной расходной емкости.
На фиг. 3 представлена схема системы при снижении давления жидкой фазы криогенного топлива на выходе из криогенной расходной емкости до давления 150-300 кПа путем сбрасывания газов криогенного топлива из паровой полости криогенной расходной емкости на вход в компрессор газотурбинного двигателя.
Система для осуществления способа по п. 1 и 2 (фиг. 1) формулы содержит криогенную расходную емкость 1, последовательно соединенную через клапан подачи 2, насос 3 турбонасосного агрегата, теплообменник-газификатор 4 криогенного топлива, регулятор расхода 5 и отсечной клапан 6 криогенного топлива с коллектором 7 подачи криогенного топлива через топливные форсунки в камеру сгорания 8 газотурбинного двигателя 9. Ротор газотурбинного двигателя 9 содержит газовую турбину 10 соединенную валом 11 с компрессором 12. Криогенная расходная емкость 1 содержит клапан наддува 13.
Система для осуществления способа по п. 3 и 6 (фиг. 2) формулы содержит дополнительно на выходе жидкой фазы криогенного топлива из криогенной расходной емкости 1 подкачивающий насос 14, выход которого соединен с входом в клапан подачи 2.
Система для осуществления способа по п. 4 и 5 (фиг. 3) формулы содержит дополнительно клапан дренажа 15 из паровой полости криогенной расходной емкости 1, выход которого последовательно через расходомер 16 и регулятор расхода газов 17 соединен с входом 18 компрессора 12 газотурбинного двигателя 9.
-1
Способ по п. 1 формулы осуществляют следующим образом. Например, нагревают криогенное топливо в криогенной расходной емкости 1 (фиг. 1), при этом часть криогенного топлива испаряют и его пары поступают в паровую полость криогенной расходной емкости 1, при этом на ее выходе возрастает давление криогенного топлива до давления достаточного для работы газотурбинного двигателя 9 на режиме малый газ. Нагрев криогенного топлива в криогенной расходной емкости 1 выполняют или внутренним подогревателем или увеличением теплопритока через стенку криогенной расходной емкости 1, например увеличением давления разряжения в полости между внутренним сосудом криогенной расходной емкости 1 и ее внешним кожухом. Повысить давление жидкой фазы криогенного топлива на выходе из криогенной расходной емкости 1 можно разными путями, например, ее наддувом через клапан наддува 13 (фиг. 1) внешним газом или включением дополнительного подкачивающего насоса 14 (фиг. 2) на ее выходе или различных комбинацией всех трех выше перечисленных методов. Давление криогенного топлива повышают от давления хранения жидкой фазы криогенного топлива в криогенной расходной емкости 1, например от 150-300 кПа до давления криогенного топлива достаточного для работы газотурбинного двигателя 9 на режиме малый газ, например до 350-600 кПа. Давление воздуха за компрессором 2 газотурбинного двигателя 9 на режиме малого газа обычно равно 180-300 кПа для различных конструкций газотурбинных двигателей 9. Поэтому давление криогенного топлива (350-600 кПа) достаточное для работы газотурбинного двигателя на режиме малого газа складывается из давления наддува криогенной расходной емкости 1, гидравлических потерь от выхода из криогенной расходной емкости 1 до входа в топливные форсунки камеры сгорания 8 и перепада давления на топливных форсунках. После этого выполняют пуск газотурбинного двигателя 9, при этом с помощью стартера раскручивают вал 11 с компрессором 12 и турбиной 10 ротора газотурбинного двигателя 9 до частоты вращения, например 50 мин, при этом одновременно открывают клапан подачи 2, регулятор расхода 5 и отсечной клапан 6, и включают свечи зажигания в камере сгорания газотурбинного двигателя 9 для воспламенения топливовоздушной смеси, при этом начинают процесс захолаживания криогенной топливной системы от выхода из криогенной расходной емкости 1 (фиг. 1) до выхода из насоса 3 турбонасосного агрегата до температуры жидкой фазы криогенного топлива. Жидкая фаза криогенного топлива из криогенной расходной емкости 1 последовательно через клапан подачи 2, например, центробежный насос 3 турбонасосного агрегата, поступает в теплообменник газификатор 4, а далее паровая и газовая фазы криогенного топлива через регулятор расхода 5, отсечной клапан 6 поступает в коллектор 7 и через топливные форсунки в камеру сгорания 8 газотурбинного двигателя 9. При пуске газотурбинного двигателя 9, в процессе захолаживания криогенной системы от выхода криогенной расходной емкости 1 и до выхода из теплообменника газификатора 4 происходит испарение жидкой фазы криогенного топлива, как за счет теплоты от элементов криогенной топливной системы, так и за счет теплоты поступающей через стенки теплообменника газификатора 4. В коллектор 7 топливных форсунок камеры сгорания 8 поступает газовая фаза криогенного топлива. В процессе пуска газотурбинного двигателя 9 при увеличении расхода газовой фазы криогенного топлива с помощью регулятора расхода 5 увеличивается количество продуктов сгорания на выходе из камеры сгорания 8, которые раскручивают турбину 10 с валом 11 и компрессором 12 газотурбинного двигателя 9 и увеличивают частоту вращения вала 11 ротора до режима малого газа. В процессе пуска газотурбинного двигателя 9 и на режиме малого газа, например, центробежный насос 3 турбонасосного агрегата не работает. При достижении температуры захолаживания насоса 3 турбонасосного агрегата температуры жидкой фазы криогенного топлива и при увеличении режима работы газотурбинного двигателя 9 выше малого газа выполняют пуск насоса 3 турбонасосного агрегата. При снижении режима работы газотурбинного двигателя 9 до режима малого газа, при этом если давление жидкой фазы криогенного топлива на выходе криогенной расходной емкости 1 не было снижено, то насос 3 турбонасосного агрегата выключают на режиме малого газа. Если давление жидкой фазы криогенного топлива на выходе криогенной расходной емкости 1 было снижено, то для обеспечения достаточного давления криогенного топлива для работы газотурбинного двигателя 9 на режиме малого газа насос 3 турбонасосного агрегата не выключают. За счет того, что пары криогенного топлива в процессе захолаживания криогенной топливной системы от выхода из криогенной расходной емкости 1 до выхода из насоса 3 турбонасосного агрегата не выбрасываются в атмосферу, а попадают в камеру сгорания 8 и используются для работы и прогрева газотурбинного двигателя 9 при его работе на режиме малого газа, повышены экономичность и экологические характеристики газотурбинного двигателя 9. При этом снижены затраты времени на подготовку газотурбинного двигателя 9, работающего на криогенном топливе, к пуску и работе на повышенных режимах или полету в составе летательного аппарата, т.к. время захолаживания' его криогенных топливных систем совмещено с его прогревом.
Способ по п. 2 формулы осуществляют следующим образом. Повышение давления жидкой фазы криогенного топлива на выходе из криогенной расходной емкости 1 (фиг. 1) до давления для работы газотурбинного двигателя 9 на режиме малого газа с последующим открытием регулятора расхода 5 и отсечного клапана 6 подачи криогенного топлива через коллектор 7 в топливные форсунки камеры сгорания 8 газотурбинного двигателя 9 осуществляют увеличением давления наддува криогенной расходной емкости 1 внешним газом через клапан наддува 13. Применение внешнего газа для наддува криогенной расходной емкости 1 позволяет снизить время увеличения давления жидкой фазы криогенного топлива на ее выходе по сравнению с испарением части путем подогрева.
Способ по п. 3 формулы осуществляют следующим образом. Повышение давления жидкой фазы криогенного топлива на выходе из криогенной расходной емкости 1 (фиг. 2) до давления при работе газотурбинного двигателя 9 на режиме малого газа с последующим открытием регулятора расхода 5 и отсечного клапана 6 подачи криогенного топлива через коллектор 7 в топливные форсунки камеры сгорания 8 газотурбинного двигателя 9 осуществляют включением подкачивающего насоса 14, установленного на выходе жидкой фазы криогенного топлива из криогенной расходной емкости 1. Применение подкачивающего насоса 14 на выходе жидкой фазы криогенного топлива из криогенной расходной емкости 1 позволяет снизить время увеличения давления жидкой фазы криогенного топлива на ее выходе по сравнению с испарением части путем подогрева и по сравнению с наддувом криогенной расходной емкости 1 через клапан наддува 13.
Способ по п. 4 формулы осуществляют следующим образом. При увеличении режима работы газотурбинного двигателя 9 (фиг. 3) выше режима малого газа снижают давление жидкой фазы криогенного топлива на выходе из криогенной расходной емкости 1 до давления 150-300 кПа, при этом закрывают клапан наддува 13 и открывают дренажный клапан 15 из паровой полости криогенной расходной емкости 1, измеряют расход газов криогенного топлива расходомером 16 из паровой полости криогенной расходной емкости 1, и через регулятор расхода газов 17 сбрасывают их на вход 18 в компрессор 12 газотурбинного двигателя 9 и регулятором расхода 5 уменьшают подачу криогенного топлива в коллектор 7 через топливные форсунки газотурбинного двигателя 9 на величину расхода газов криогенного топлива из паровой полости криогенной расходной емкости 1. При снижении режима работы газотурбинного двигателя 9 до режима малого газа для обеспечения достаточного давления криогенного топлива для его работы на малом газе насос 3 турбонасосного агрегата не выключают. Отсутствие выбросов паров криогенного топлива в атмосферу повышает экономичность и экологические характеристики газотурбинного двигателя, т.к. пары топлива сгорают в его камере сгорания.
Способ по п. 5 формулы осуществляют следующим образом. Расход газов криогенного топлива из паровой полости криогенной расходной емкости 1 (фиг. 3) на вход 18 в компрессор 12 газотурбинного двигателя 9 не превышает 2% расхода воздуха через газотурбинный двигатель 9, если в качестве криогенного топлива используют водород и не превышает 5% расхода воздуха через газотурбинный двигатель 9, если в качестве криогенного топлива используют метан. Расходом газов криогенного топлива из паровой полости криогенной расходной емкости 1 управляют регулятором расходов газов 17. Ограничение в расходе газов криогенного топлива из паровой полости криогенной расходной емкости 1 на входе в компрессор 12 газотурбинного двигателя повышает надежность его работы, т.к. полученная топливовоздушная смесь в компрессоре не достигает пределов воспламенения.
Способ по п. 6 формулы осуществляют следующим образом. При увеличении режима работы газотурбинного двигателя 9 (фиг. 2) выше режима малого газа снижают давление жидкой фазы криогенного топлива на выходе из криогенной расходной емкости 1 до давления 150-300 кПа, при этом выключат подкачивающий насос 14, установленный на выходе жидкой фазы криогенного топлива из криогенной емкости 1. При снижении режима работы газотурбинного двигателя до режима малого газа для обеспечения достаточного давления криогенного топлива для его работы на малом газе насос 3 турбонасосного агрегата не выключают. Выключение подкачивающего насоса 14 повышает надежность работы системы топливоподачи за счет исключения работы дополнительных элементов. Чем меньше элементов одновременно находятся в работе, тем меньше вероятность их выхода из строя.
За счет того, что пары криогенного топлива в процессе захолаживания криогенной топливной системы от выхода из криогенной расходной емкости до выхода из насоса турбонасосного агрегата не выбрасываются в атмосферу, а попадают в камеру сгорания, и используются для прогрева газотурбинного двигателя при его работе на режиме малого газа, повышены экономичность и экологические характеристики газотурбинного двигателя. При этом снижены затраты времени на подготовку газотурбинного двигателя, работающего на криогенном топливе, к пуску и работе на повышенных режимах или полету в составе летательного аппарата, т.к. время захолаживания его криогенных топливных систем совмещено с его прогревом.
За счет применения внешнего газа для наддува криогенной расходной емкости снижают время увеличения давления жидкой фазы криогенного топлива на ее выходе по сравнению с испарением части путем подогрева, что снижает время пуска газотурбинного двигателя.
За счет применения подкачивающего насоса на выходе жидкой фазы криогенного топлива из криогенной расходной емкости снижено время увеличения давления жидкой фазы криогенного топлива на ее выходе по сравнению с испарением части путем подогрева и по сравнению с наддувом криогенной расходной емкости через клапан наддува, что снижает время пуска газотурбинного двигателя.
За счет отсутствия выбросов паров криогенного топлива в атмосферу повышены экономичность и экологические характеристики газотурбинного двигателя, т.к. пары топлива сгорают в его камере сгорания.
За счет ограничения в расходе газов криогенного топлива из паровой полости криогенной расходной емкости на входе в компрессор газотурбинного двигателя повышена надежность его работы, т.к. полученная топливовоздушная смесь в компрессоре не достигает пределов воспламенения.
За счет выключения подкачивающего насоса повышена надежность работы системы топливоподачи за счет исключения работы дополнительных элементов. Чем меньше элементов одновременно находятся в работе, тем меньше вероятность их выхода из строя.
Таким образом, усовершенствован способ пуска газотурбинного двигателя, работающего на криогенном топливе, в котором оптимизированы процесс захолаживания криогенной топливной системы и прогрев газотурбинного двигателя путем их одновременного выполнения с отсутствием выбросов газов криогенного топлива в атмосферу.