СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
GAS TURBINE ENGINE REGULATION SYSTEM

Система регулирования газотурбинного двигателя относиться к двигателестроению, преимущественно к системам подачи криогенного топлива в газотурбинный двигатель для наземного базирования и транспортных средств.
Известна 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.
Недостаток системы, в том, что она не применима для регулирования газотурбинного двигателя с замкнутой системы топливоподачи с турбонасосным агрегатом, в которой криогенное газообразное топливо с высокой температурой и скоростью приводит во вращение турбину привода криогенного топливного насоса.
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 из-за высокого теплопритока к топливному трубопроводу не испаренного топлива, который подается к форсункам двигателя, возникает двухфазная смесь на входе в форсунки, что влечет к неравномерной подаче топлива и неустойчивой работе двигателя, а также к повышению токсичности отработавших газов из-за отклонения от стехиометрии топливовоздушной смеси.
Известна установка (патент Великобритании №1091534, 1977) для разделения углеводородов, в которой используется разделение потока на две фазы - жидкую и паровую с последующим вводом в теплообменник испаритель только части потока, а именно - жидкой фазы, с целью снижения тепловой нагрузки на теплообменник, и в результате - снижение его весогабаритных характеристик.
Недостаток данной установки заключается в том, что при температуре углеводородов на выходе теплообменника-испарителя равной температуре на линии насыщения возможно присутствие жидкой фазы углеводородов, что приводит к неустойчивой работе топливной системы энергетической установки, а значит и снижению надежности ее работы.
Известно устройство (авторское свидетельство СССР №1134751, F02C 9/26, 1983) для регулирования температуры газа перед газовой турбиной парогазовой установки с парогенератором содержащее регулятор температуры, вход которой подключен к датчикам температуры за и перед газовой турбиной и к за датчику, а выход регулятора подключен к регулирующему клапану подачи топлива в камеру сгорания газовой турбины, а также оно содержит последовательно соединенные датчик расхода топлива в парогенератор и дифференциатор, подключенный на вход регулятора температуры.
Недостатки этого устройства в том, что он не применим для системы регулирования газотурбинного двигателя с замкнутой системы подачи криогенного топлива с турбонасосным агрегатом, а также то, что низка надежность регулирования из-за низкой точности измерения температуры, из-за того, что регулирование частоты вращения двигателя ведется по косвенному параметру и из-за того, что в цепочке регулирования много инерционных звеньев, которые, в свою очередь, приводят к неустойчивой работе двигателя.
Известен способ (патент Великобритании №1499205, F02C 7/22, 1978) регулирования газотурбинного двигателя, работающего на жидком водороде (криогенном топливе) путем измерения режима работы двигателя по скорости вращения ротора, сравнении с контрольным значением и формировании команды управления при насосной подаче топлива, последующей его газификацией в теплообменнике-газификаторе, и подачей его в камеру сгорания.
Недостатки данной системы в том, что она не применима для замкнутой системы подачи криогенного топлива с турбонасосным агрегатом, приводимым в движение энергией газообразного криогенного топлива, а также тем, что низка надежность регулирования из-за того, что в цепочке регулирования много инерционных звеньев, которые, в свою очередь, приводят к неустойчивой работе газотурбинного двигателя.
Задачи изобретения: расширение диапазона и надежности системы регулирования режимов работы газотурбинного двигателя с замкнутой системой подачи криогенного топлива путем изменения суммарного подогрева газообразного криогенного топлива, подаваемого в газовую турбину турбонасосного агрегата.
Поставленные задачи в топливной системе регулирования газотурбинного двигателя преимущественно для подачи криогенного топлива, содержащей насос его подачи соединенный последовательно через регулятор расхода, теплообменник-газификатор, установленный в сопле газотурбинного двигателя, газовую турбину привода насоса, отсечной клапан с рампой форсунок в камере сгорания газотурбинного двигателя, при этом регулятор расхода соединен с блоком управления, решаются тем, что теплообменник-газификатор состоит из отдельных параллельных секций, на входе, каждой из которых, установлен регулятор расхода, а выходы из отдельных параллельных секций теплообменника-газификатора соединены с входом в газовую турбину привода насоса и тем, что число отдельных параллельных секций теплообменника-газификатора составляет 2-10 и тем, что датчик режима газотурбинного двигателя и рычаг его управления, соединены через блок управления, с регуляторами расхода в каждую из отдельных параллельных секций теплообменника-газификатора и тем, что отдельные параллельные секции теплообменника-газификатора расположены в сопле газотурбинного двигателя таким образом, что для увеличения режима работы газотурбинного двигателя от малого газа до максимального отдельные параллельные секции теплообменника-газификатора включаются регуляторами расхода последовательно, начиная от наиболее удаленной от выхода из турбины газотурбинного двигателя, а при уменьшении режима работы с максимального до малого газа отдельные параллельные секции теплообменника-газификатора выключаются регуляторами расхода последовательно, начиная с наиболее близко расположенной к выходу из турбины газотурбинного двигателя, а также тем, что площадь теплопередачи каждой отдельной параллельной секции теплообменника-газификатора уменьшается при увеличении расстояния от выхода из турбины газотурбинного двигателя.
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 регулирования газотурбинного двигателя, с замкнутой системой подачи криогенного топлива.
Система по п. 1 (фиг. 1) формулы содержит криогенный топливный бак 1, последовательно соединенный через клапан подачи 2, насос 3, и параллельно соединенные регулятор расхода 4 с первой отдельной секцией 8 теплообменника-газификатора, регулятор расхода 5 со второй отдельной секцией 9 теплообменника-газификатора, регулятор расхода 6 с третьей отдельной секцией 10 теплообменника-газификатора, регулятор расхода 7 с четвертой отдельной секцией 11 теплообменника-газификатора. Выходы из отдельных параллельных секций 8, 9, 10 и 11 теплообменника-газификатора соединены через газовую турбину 13 для привода насоса 3, отсечной клапан 14 с рампой форсунок 15 в камере сгорания газотурбинного двигателя 12. Газовая турбина 13 приводит во вращение насос 3, при этом они образуют турбонасосный агрегат для подачи криогенного топлива в газотурбинный двигатель 12. Регуляторы расхода 4, 5, 6 и 7 соединены с блоком управления 16, который, в свою очередь, соединен с рычагом 18 управления газотурбинным двигателем 12 и датчиком режима 17 работы газотурбинного двигателя 12.
Система по п. 1 формулы работает следующим образом. Перед пуском газотурбинного двигателя 12 клапан подачи 2 и отсечной клапан 14 закрыты. При пуске газотурбинного двигателя 12, выполняют раскрутку его ротора с помощью стартера или вспомогательной силовой установки, открывают клапан подачи 2 и отсечной клапан 14, при этом жидкая фаза криогенного топлива из топливного бака 1 через клапан подачи 2 и насос 3 через регулятор расхода 4 поступает в первую отдельную секцию 8 теплообменника-газификатора. В первой отдельной секции 8 теплообменника-газификатора топливо испаряется и с высокой температурой и скоростью поступает на раскрутку газовой турбины 13, из которой оно поступает через отсечной клапан 14 в рампу форсунок 15 в камере сгорания газотурбинного двигателя 12. Если количество теплоты, подведенной к криогенному топливу в отдельных параллельных секциях 8, 9, 10 и 11 теплообменника-газификатора, будет минимальным при прямом регулировании расхода криогенного топлива, то не достигается максимальный режим работы газотурбинного двигателя 12 из-за недостаточной мощности газовой турбины 13 турбонасосного агрегата. Если количество теплоты, подведенной к криогенному топливу в отдельных параллельных секциях 8, 9, 10 и 11 теплообменника-газификатора, будет максимальным при прямом регулировании по расходу криогенного топлива, то невозможно получить режимы малого газа из-за высокой мощности газовой турбины 13 турбонасосного агрегата. Подогрев топлива в первой отдельной секции 8 теплообменника-газификатора достаточен только для работы газотурбинного двигателя 12 на режиме малого газа, т.к. от подогрева и скорости газообразного криогенного топлива зависит мощность газовой турбины 13, а значит и частота вращения ротора турбонасосного агрегата в составе насоса 3 и газовой турбины 13. Этим определен расход криогенного топлива в рампу форсунок 15 в камере сгорания газотурбинного двигателя 12. Для увеличения режима работы газотурбинного двигателя 12 последовательно открывают регуляторы расхода 4, 5, 6 и 7, при этом часть криогенного топлива соответственно поступает в отдельные параллельные секции 8, 9, 10 и 11 теплообменника-газификатора, где оно газифицируется и направляется в газовую турбину 13 турбонасосного агрегата. При открытии регуляторов расхода 5, 6 и 7 снижается расход криогенного топлива через отдельную секцию 8 теплообменника-газификатора, а из-за того что теплообмен определяется внешней теплопередачей от греющего газа к стенке теплообменника-газификатора, то температура газообразного криогенного топлива на выходе из первой отдельной секции 8 теплообменника-газификатора повышается. Возрастает температура и скорость газообразного криогенного топлива на входе в газовую турбину 13, а это приводит к увеличению расхода криогенного топлива в газотурбинный двигатель 12. При этом возрастает режим работы газотурбинного двигателя 12. Аналогично при прикрытии или полном закрытии регуляторов расхода 4, 5, 6 и 7 снижается режим работы газотурбинного двигателя 12. За счет последовательного подключения отдельных параллельных секций 8, 9, 10, 11 теплообменника-газификатора при изменении режима работы газотурбинного двигателя 12 расширен диапазон и надежность его регулирования путем изменения суммарного подогрева газообразного криогенного топлива, подаваемого в газовую турбину 13 турбонасосного агрегата.
Система по п. 2 формулы работает следующим образом. Для обеспечения максимального режима работы газотурбинного двигателя 12 суммарная площадь теплопередачи отдельных параллельных секций 8, 9, 10, 11 и более теплообменника-газификатора:
i
то
i
где F - площадь теплопередачи i отдельной параллельной секции теплообменника-газификатора, n - число отдельных параллельных секций теплообменника-газификатора. Для конкретного газотурбинного двигателя с определенным максимальным режимом работы суммарная площадь F теплопередачи отдельных параллельных секций 8, 9, 10, 11 и более теплообменника-газификатора величина постоянная. Т.е. чем больше количество n отдельных параллельных секций теплообменника-газификатора, тем меньше F - площадь теплопередачи i отдельной параллельной секции теплообменника-газификатора. Увеличение количества n отдельных параллельных секций 8, 9, 10, 11 и более теплообменника-газификатора позволяет улучшить плавность регулирования режимами газотурбинного двигателя 12. В зависимости от требуемого режима работы газотурбинного двигателя 12 число отдельных параллельных секций 8, 9, 10, 11 и более теплообменника-газификатора криогенного топлива составляет 2-10. Чем ниже режим газотурбинного двигателя 12, тем -меньше отдельных параллельных секций 8, 9, 10, 11 и более теплообменника-газификатора необходимо для его работы, например для режима 0,4 номинального достаточно 2-х или 3-х отдельных параллельных секций теплообменника-газификатора криогенного топлива. Для работы газотурбинного двигателя 12, например, на максимальном режиме, достаточно 4-10 отдельных параллельных секций теплообменника-газификатора. Число отдельных параллельных секций 8, 9, 10, 11 и более теплообменника-газификатора зависит от их площади теплопередачи. Чем больше площадь теплопередачи каждой отдельной параллельной секции 8, 9, 10, 11 и более теплообменника-газификатора, тем меньше их требуется для обеспечения максимального режима работы газотурбинного двигателя 12. За счет использования разного количества отдельных параллельных секций 8, 9, 10, 11 и более теплообменника-газификатора система регулирования обеспечивает плавность управления и получение всех режимов работы газотурбинного двигателя 12 от малого газа до максимального.
Система по п. 3 формулы работает следующим образом. Управление регуляторами расходов 4, 5, 6 и 7 в каждую соответственно из отдельных параллельных секций 8, 9, 10 и 11 теплообменника-газификатора ведут от блока управления 16 с помощью рычага управления 18 газотурбинным двигателем 12. На стационарных режимах сигнал с датчика режима 17 газотурбинного двигателя 12 поступает в блок управления 16 и сравнивается с сигналом о положении рычага управления 18 и при рассогласовании этих сигналов подается команда на управление регуляторами расходов 4, 5, 6 и 7. За счет управления расходом криогенного топлива на входе в отдельные параллельные секции 8, 9, 10 и 11 теплообменника-газификатора повышена эффективность и надежность системы управления, и снижено обмерзание наружных поверхностей отдельных параллельных секций 8, 9, 10 и 11 теплообменника-газификатора.
Система по п. 4 формулы работает следующим образом. При увеличении режима работы газотурбинного двигателя 12 из-за возрастания расхода криогенного топлива снижается величина подогрева криогенного топлива в отдельных параллельных секциях 8, 9, 10 и 11 теплообменника-газификатора, т.к. плотность теплового потока через их стенку зависит от коэффициента внешней теплоотдачи от греющего газа, который растет значительно меньше, чем внутренний коэффициент теплоотдачи от криогенного топлива к стенке в отдельных параллельных секциях 8, 9, 10 и 11 теплообменника-газификатора. Поэтому для получения достаточного подогрева криогенного топлива для привода газовой турбины 13 на максимальном режиме работы газотурбинного двигателя 12 требуется большая площадь теплопередачи отдельных параллельных секций 8, 9, 10 и 11 теплообменника-газификатора. Отдельные параллельные секции, например 8 и 9, расположенные дальше от выхода греющих газов из турбины газотурбинного двигателя получают меньше количества теплоты из-за того, что температура и скорость движения греющих газов снижаются, что уменьшает коэффициент теплоотдачи к наружной стенке этих отдельных параллельных секций теплообменника-газификатора. Отдельные параллельные секции 8, 9, 10 и 11 теплообменника-газификатора расположены в сопле газотурбинного двигателя 12 таким образом, что для увеличения режима работы газотурбинного двигателя 12 от малого газа до максимального отдельные параллельные секции 8, 9, 10 и 11 теплообменника-газификатора включаются соответственно регуляторами расхода 4, 5, 6 и 7 последовательно, начиная от наиболее удаленной от выхода из турбины газотурбинного двигателя 12, т.е. в последовательности 8, 9, 10 и 11, а при уменьшении режима работы с максимального до малого газа отдельные параллельные секции 8, 9, 10 и 11 теплообменника-газификатора выключаются соответственно регуляторами расхода 4, 5, 6 и 7 последовательно, начиная с наиболее близко расположенной к выходу из турбины газотурбинного двигателя 12, т.е. в последовательности 11, 10, 9 и 8. За счет того, что система управления подключает наиболее эффективные отдельные параллельные секции 8, 9, 10 и 11 теплообменника-газификатора для каждого режима газотурбинного двигателя 12 повышена надежность и эффективность регулирования режимами его работы.
Система по п. 5 формулы работает следующим образом. При увеличении режима работы газотурбинного двигателя 12 из-за возрастания расхода криогенного топлива снижается величина подогрева криогенного топлива в отдельных параллельных секциях 8, 9, 10 и 11 теплообменника-газификатора, т.к. плотность теплового потока через его стенку зависит от коэффициента внешней теплоотдачи от греющего газа, который растет значительно меньше, чем внутренний коэффициент теплоотдачи от криогенного топлива к стенке отдельных параллельных секций 8, 9, 10 и 11 теплообменника-газификатора. Поэтому для получения достаточного подогрева криогенного топлива для привода турбины 13 на максимальном режиме работы газотурбинного двигателя 12 требуется большая площадь теплопередачи отдельных параллельных секций 8, 9, 10 и 11 теплообменника-газификатора. Площадь теплопередачи каждой отдельной параллельной секций 11, 10, 9 и 8 теплообменника-газификатора уменьшается при увеличении расстояния от выхода из турбины газотурбинного двигателя. Т.е. площадь теплопередачи секции 10 теплообменника-газификатора меньше площади теплопередачи секции 11, а секции 9 меньше секции 10, а также секции 8 меньше секции 9. За счет того, что система управления подключает наиболее эффективные отдельные параллельные секции 8, 9, 10 и 11 теплообменника-газификатора для каждого режима газотурбинного двигателя 12 повышена надежность и эффективность регулирования режимами его работы.
За счет регулирования режима работы газотурбинного двигателя работающего на криогенном топливе путем изменения количества теплоты подводимой к криогенному топливу расширен диапазон регулирования газотурбинного двигателя с замкнутой системой подачи криогенного топлива.
За счет прямого регулирования по количеству тепла, подведенного к криогенному топливу, повышено качество регулирования, а значит и надежность регулирования газотурбинного двигателя.
За счет исключения из цепочки регулирования инерционных звеньев, например, датчика температуры, повышена точность регулирования, а значит и надежность регулирования газотурбинного двигателя.
За счет прямого регулирования мощностью газовой турбины турбонасосного агрегата повышена устойчивость работы газотурбинного двигателя, а значит и надежность регулирования.
Таким образом, усовершенствована система регулирования газотурбинного двигателя с замкнутой системой подачи криогенного топлива, в которой оптимизирован подогрев криогенного топлива для обеспечения соответствующих режимов работы газотурбинного двигателя, при этом нет внешних дополнительных затрат энергии на привод насоса для подачи криогенного топлива, а испарение криогенного топлива необходимо в любой системе его подачи.