ТОПЛИВНАЯ СИСТЕМА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
FUEL SYSTEM OF GAS TURBINE ENGINE

Топливная система газотурбинного двигателя преимущественно для подачи сжиженного природного газа или другого вида криогенного топлива относится к криогенной технике, энергомашиностроению и двигателестроению 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 c 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 системы, во первых в том, что она имеет два теплообменника-газификатора топлива, что увеличивает габаритно массовые характеристики системы подачи криогенного топлива, во вторых из-за высокой степени подогрева газовой фазы криогенного топлива (выше линии насыщения на 100…250 градусов) теплообменник-газификатор имеет большую площадь теплообмена, что в свою очередь увеличивает его габаритно-массовые характеристики и увеличивает его внешнее гидравлическое сопротивление при его установке в газовом тракте газотурбинного двигателя, а это приводит к газодинамическим потерям в нем и потерям его реактивной тяги.
Известна топливная система (авторское свидетельство SU №1009144, 1981 г.) 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 г.) 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.
Задачи изобретения: повышение эффективности работы криогенной топливной системы газотурбинного двигателя за счет повышения устойчивости работы и снижения ее габаритно весовых характеристик.
Поставленные задачи в топливной системе газотурбинного двигателя преимущественно для подачи криогенного топлива, содержащей криогенный топливный бак соединенный последовательно через отсечной клапан, криогенный топливный насос, теплообменник-парогенератор, разделитель жидкой и паровой фаз криогенного топлива, первый регулятор расхода с форсунками в камере сгорания газотурбинного двигателя, решаются тем, что с целью повышения экономичности работы, снижения веса и повышения устойчивой работы криогенной топливной системы газотурбинного двигателя, она дополнительно содержит эжекторный насос, вход активной жидкой фазы которого соединен с выходом криогенного топливного насоса, а его первый пассивный вход соединен с выходом жидкой фазы из разделителя жидкой и паровой фаз криогенного топлива, при этом выход эжекторного насоса соединен с входом теплообменника-парогенератора и тем, что между первым пассивным входом эжекторного насоса и выходом жидкой фазы из разделителя жидкой и паровой фаз криогенного топлива установлен запорный клапан, соединенный с блоком управления и тем, что запорный клапан закрывают при увеличении режима работы газотурбинного двигателя выше 0,4…0,6 номинального, а при снижении режима работы газотурбинного двигателя ниже 0,4…0,6 номинального запорный клапан открывают и тем, что на входе в разделитель жидкой и паровой фаз криогенного топлива установлены датчики температуры и давления, соединенные с блоком управления, при температуре криогенного топлива выше на 3…5 градусов температуры на линии насыщения при давлении меньше или равном критическому значению или выше температуры на линии фазового перехода жидкость-газ при давлении выше критического значения закрывают запорный клапан, а при температуре криогенного топлива меньше температуры, которая на 0,1…2 градусов выше температуры на линии насыщения при давлении меньше или равном критическому значению или выше температуры на линии фазового перехода жидкость-газ при давлении выше критического значения, открывают запорный клапан и тем, что для снижения габаритов и веса криогенного топливного насоса, выход из отсечного клапана дополнительно соединен через второй регулятор расхода со вторым пассивным входом в эжекторный насос, при этом второй регулятор расхода соединен с блоком управления, а также тем, что второй регулятор расхода открывают при закрытом запорном клапане, а перед открытием запорного клапана закрывают второй регулятор расхода.
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 газотурбинный двигатель, содержащая за теплообменником-парогенератором разделитель жидкой и паровой фаз криогенного топлива и эжекторный насос, установленный между криогенным насосом и входом в теплообменник-парогенератор.
На фиг. 2 представлена схема системы подачи криогенного топлива в газотурбинный двигатель, содержащая блок управления, соединенный с запорным клапаном между выходом жидкой фазы криогенного топлива из разделителя паровой и жидкой фаз и первым пассивным входом в эжекторный насос.
На фиг. 3 представлена схема системы подачи криогенного топлива в газотурбинный двигатель, содержащая датчик температуры на входе в разделитель паровой и жидкой фаз криогенного топлива.
На фиг. 4 в координатах температура Т энтропия S показана схема изменения температуры и давления в системе подачи криогенного топлива газотурбинного двигателя.
На фиг.. 5 представлена схема системы подачи криогенного топлива в газотурбинный двигатель, содержащая второй регулятор расхода, выход которого соединен со вторым пассивным входом в эжекторный насос, при этом второй регулятор расхода соединен с блоком управления.
Система по п. 1 (фиг. 1) формулы содержит криогенный топливный бак 1, последовательно соединенный через отсечной клапан 2, криогенный топливный насос 3, через активный вход 4 эжекторного насоса 5, выход 6 из эжекторного насоса 5, теплообменник-парогенератор 7, через вход 8 в разделитель 9 жидкой и паровой фаз криогенного топлива, через выход 10 паровой фазы криогенного топлива из разделителя 9 жидкой и паровой фаз криогенного топлива, первый регулятор расхода 11 с форсунками 12 в камере сгорания газотурбинного двигателя, при этом выход 13 жидкой фазы криогенного топлива из разделителя 9 жидкой и паровой фаз криогенного топлива, соединен с первым пассивным входом 14 эжекторного насоса 5.
Система по п. 2 и п. 3 (фиг. 2) формулы дополнительно содержит между первым пассивным входом 14 эжекторного насоса 5 и выходом 13 жидкой фазы криогенного топлива из разделителя 9 жидкой и паровой фаз криогенного топлива запорный клапан 15, соединенный с блоком управления 16.
Система по п. 4 (фиг. 3) формулы дополнительно содержит на входе 8 в разделитель 9 жидкой и паровой фаз криогенного топлива датчики температуры 17 и давления 18, соединенные с блоком управления 16.
кр
кр
нас
кр
фп
фп
На фиг. 4 в координатах температура Т энтропия S показана схема изменения температуры и давления криогенного топлива от выхода 6 эжекторного насоса 5 через теплообменник-парогенератор 7 до входа 8 в разделитель 9 жидкой и паровой фаз криогенного топлива. При давлении криогенного топлива равном или меньше критического P (температура Т) температура криогенного топлива изменяется по линии 20, при этом точка 19 температура криогенного топлива на выходе 6 эжекторного насоса 5 и на входе теплообменника-парогенератора 7. При фазовом переходе по линии 20 под линией насыщения 21 температура Т жидкой и паровой фаз криогенного топлива остается постоянной, точка 22 на 3…5 градусов выше линии насыщения 21, а точка 23 на 0,1…2 градуса выше линии насыщения 21. При давлении криогенного топлива выше критического P температура криогенного топлива изменяется по линии 25, при этом точка 24 температура криогенного топлива на выходе 6 эжекторного насоса 5 и на входе теплообменника-парогенератора 7, точка 27 на 3…5 градусов выше температуры Т на линии 26 фазового перехода жидкость-газ, а точка 28 на 0,1…2 градуса выше температуры Т на линии 26 фазового перехода жидкость-газ.
Система по п. 5 (фиг. 5) формулы имеет дополнительное соединение выхода из отсечного клапана 2 через второй регулятор расхода 29 со вторым пассивным входом 30 в эжекторный насос 5, при этом второй регулятор расхода 29 соединен с блоком управления 16.
Топливная система по п. 1 формулы работает следующим образом. Газотурбинный двигатель с криогенной топливной системой должен обеспечивать тягу от малого газа при минимальной частоте вращения ротора до максимального (взлетного) режима при максимальной частоте вращения. Теплообменник-парогенератор 7 (фиг. 1) криогенного топлива устанавливают преимущественно в сопле газотурбинного двигателя, при этом он должен быть минимальных габаритов, для снижения гидравлических потерь в газовом тракте газотурбинного двигателя. Уменьшение размеров теплообменника-парогенератора 7, а значит и его площади теплопередающей поверхности, приводит к тому, что на его выходе вместо газовой фазы криогенного топлива присутствует паровая и жидкая фазы криогенного топлива. Но жидкая фаза криогенного топлива, испаряясь в форсунках 12 в камере сгорания, приводит к неустойчивой работе как самой топливной системы в виде пульсаций давления топлива в системе подачи, так и к неустойчивой работе самого газотурбинного двигателя в виде колебаний частоты вращения ротора газотурбинного двигателя. Поэтому необходимо не допускать попадание жидкой фазы криогенного топлива в форсунки 12 камеры сгорания. Криогенное топливо из криогенного топливного бака 1 (фиг. 1) последовательно через отсечной клапан 2, криогенный топливный насос 3, активный вход 4 в эжекторный насос 5, выход 6 из эжекторного насоса 5, теплообменник-парогенератор 7, вход 8 в разделитель 9 жидкой и паровой фаз криогенного топлива, выход 10 паровой фазы криогенного топлива из разделителя 9 жидкой и паровой фаз криогенного топлива, первый регулятор 11 расхода и через форсунки 12 поступает в камеру сгорания газотурбинного двигателя, при этом, с целью повышения экономичности работы, снижения веса и повышения устойчивой работы криогенной топливной системы газотурбинного двигателя, жидкая фаза криогенного топлива из выхода 13 разделителя 9 жидкой и паровой фаз криогенного топлива поступает в первый пассивный вход 14. эжекторного насоса 5, где за счет высокого давления жидкой фазы криогенного топлива из криогенного топливного насоса 3, поступившей через активный вход 4, увеличивается давление жидкой фаза криогенного топлива, поступившей из выхода 13 разделителя 9 жидкой и паровой фаз криогенного топлива, и с выхода 6 из эжекторного насоса 5 она поступает на вход теплообменника-парогенератора 7. За счет разделения жидкой и паровой фаз криогенного топлива в разделителе 9 и за счет повышения давления жидкой фазы криогенного топлива, поступившей с выхода 13 разделителя 9 жидкой и паровой фаз криогенного топлива на первый пассивный вход 14, в эжекторном насосе 5 с последующей подачей ее с выхода 6 эжекторного насоса 5 на вход в теплообменник-парогенератор 7, исключена вероятность попадания жидкой фазы криогенного топлива в форсунки 12 газотурбинного двигателя.
Система по п. 2 формулы работает следующим образом. При увеличении режима работы газотурбинного двигателя от малого газа до максимального (взлетного) режима увеличивается коэффициент теплопередачи от горячих газов в сопле двигателя к криогенному топливу в теплообменнике-парогенераторе 7 (фиг. 2) из-за увеличения температуры и скоростей горячего газа в сопле газотурбинного двигателя и скорости криогенного топлива во внутренних каналах теплообменника-парогенератора 7. Т.е. на режимах малого газа из-за низкого значения коэффициента теплопередачи на выходе из теплообменника-парогенератора 7 появляется двухфазная смесь жидкость-пар криогенного топлива, а на высоких режимах близких к номинальному (номинальный режим работы газотурбинного двигателя соответствует 0,8 максимального взлетного режима) на его выходе однофазное газовое криогенное топливо. Между первым пассивным входом 14 (фиг. 2) эжекторного насоса 5 и выходом 13 жидкой фазы из разделителя 9 жидкой и паровой фаз криогенного топлива установлен запорный клапан 15, соединенный с блоком управления 16. Для обеспечения устойчивой работы газотурбинного двигателя на режимах с наличием жидкой фазы криогенного топлива на выходе из теплообменника-парогенератора 7, ее отделяют от основного потока криогенного топлива в разделителе 9 жидкой и паровой фаз криогенного топлива и с его выхода 13 направляют ее через запорный клапан 15 на первый пассивный вход 14 эжекторного насоса 5, с выхода 6, которого она поступает на вход теплообменника-парогенератора 7, при этом запорный клапан 15 открыт. При увеличении режима работы газотурбинного двигателя на выходе из теплообменника-парогенератора 7 уменьшается (по условиям, описанным выше), а при дальнейшем увеличении режима работы полностью испаряется жидкая фаза криогенного топлива на выходе из теплообменника-парогенератора 7, при этом закрывают запорный клапан 15 с помощью блока управления 16, т.к. на выходе из теплообменника-парогенератора отсутствует жидкая фаза криогенного топлива. За счет закрытия запорного клапана 15 с помощью блока управления 16 на режимах работы газотурбинного двигателя, на которых полностью испаряется жидкая фаза криогенного топлива на выходе из теплообменника-парогенератора 7, оптимизированы энергетические затраты на подачу криогенного топлива к форсункам 12.
Система по п. 3 формулы работает следующим образом. Для обеспечения устойчивой работы газотурбинного двигателя на режимах менее 0,4…0,6 номинального с наличием жидкой фазы криогенного топлива на выходе из теплообменника-парогенератора 7 (фиг. 2) жидкую фазу криогенного топлива за теплообменником-парогенератором 7 отделяют от основного потока криогенного топлива в разделителе 9 жидкой и паровой фаз криогенного топлива и с его выхода 13 направляют ее через запорный клапан 15 на первый пассивный вход 14 эжекторного насоса 5, с выхода 6, которого она поступает на вход теплообменника-парогенератора 7, при этом запорный клапан 15 открыт. При увеличении режима работы газотурбинного двигателя выше 0,4…0,6 номинального закрывают запорный клапан 15 с помощью блока управления 16, т.к. на выходе из теплообменника-парогенератора 7 отсутствует жидкая фаза криогенного топлива, по условиям описанным выше. За счет закрытия запорного клапана 15 с помощью блока управления 16 на режимах работы газотурбинного двигателя выше 0,4…0,6 номинального оптимизированы энергетические затраты на подачу криогенного топлива к форсункам 12.
кр
кр
кр
кр
фп
кр
кр
фп
Система по п. 4 формулы работает следующим образом. На входе 8 (фиг. 3) в разделитель 9 жидкой и паровой фаз криогенного топлива измеряют соответственно температуру и давление криогенного топлива датчиком температуры 17 и датчиком давления 18, соединенных с блоком управления 16. Если давление криогенного топлива меньше или равном критическому значению P (температура Т) и при температуре криогенного топлива на 3…5 градусов (температура в точке 22 на линии 20 (фиг. 4)) выше линии насыщения 21 или при давлении криогенного топлива выше критического значения P (температура Т) и при температуре криогенного топлива на 3…5 градусов (температура в точке 27 на линии 25 (фиг. 4)) выше линии 26 фазового перехода Т жидкость-газ, закрывают запорный клапан 15 по команде от блока управления 16, при этом вся масса криогенного топлива находится в газовой фазе, при этом отсутствуют как паровая, так и жидкая фазы криогенного топлива. Если давление криогенного топлива меньше или равном критическому значению P и при температуре криогенного топлива меньше температуры, которая на 0,1…2 градусов (температура в точке 23 на линии 20 (фиг. 4)) выше температуры на линии насыщения 21 или при давлении криогенного топлива выше критического значения P и при температуре криогенного топлива меньше температуры, которая на 0,1…2 градусов (температура в точке 28 на линии 25 (фиг. 4)) выше температуры на линии 26 фазового перехода Т жидкость-газ, открывают запорный клапан 15 по команде от блока управления 16, т.к. возможно присутствие как паровой, так и капелек жидкой фаз криогенного топлива, из-за неполного перемешивания смеси и из-за погрешности измерения температуры криогенного топлива на входе 8 разделителя 9 жидкой и паровой фаз криогенного топлива с помощью датчика температуры 17 (погрешность измерения температуры криогенных топлив с помощью промышленных датчиков температуры составляет от 0,1 до 2 градусов).
Система по п. 5 формулы работает следующим образом. Для снижения габаритов и веса криогенного топливного насоса 3 (фиг. 5), часть жидкой фаза криогенного топлива с выхода из отсечного клапана 2 через дополнительное соединение поступает через второй регулятор расхода 29 на второй пассивный вход 30 в эжекторный насос 5, при этом вторым регулятором расхода 29 управляют с помощью блока управления 16. Это позволяет уменьшить проходные сечения, а значит уменьшить габариты и вес криогенного топливного насоса 3.
Система по п. 6 формулы работает следующим образом. Для повышения надежности работы криогенной топливной системы газотурбинного двигателя, в частности гарантированной откачки жидкой фазы криогенного топлива с выхода 13 (фиг. 5) разделителя 9 жидкой и паровой фаз криогенного топлива, второй регулятор расхода 29 открывают при закрытом запорном клапане 15, а перед открытием запорного клапана 15 закрывают второй регулятор расхода 29. Открытие второго регулятора расхода 29 при закрытом запорном клапане 15 снижает вероятность попадания горячей жидкой фазы криогенного топлива с выхода 13 (фиг. 4) разделителя 9 жидкой и паровой фаз криогенного топлива, имеющей повышенные давление и температуру по сравнению с давлением и температурой жидкой фазы криогенного топлива на входе в криогенный топливный насос 3, на вход последнего. А это, в свою очередь, исключает кавитационные процессы в криогенном топливном насосе 3 при прокачке жидкой фазы криогенного топлива.
За счет снижения габаритов теплообменника-парогенератора 7, у которого на выходе температура криогенного топлива выше линии насыщения на 3…5 градусов, снижено его внешнее гидравлическое сопротивление в потоке выхлопных газов. За счет исключения возможности попадания жидкой фазы криогенного топлива на вход в форсунки 12 повышена устойчивость работы криогенной топливной системы. 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 газотурбинного двигателя.
Таким образом, изобретением усовершенствована система подачи криогенного топлива в газотурбинный двигатель, в которой оптимизированы габариты теплообменника-парогенератора, а также испарение в нем криогенного топлива, исключающее попадание жидкой фазы криогенного топлива на вход форсунок газотурбинного двигателя, а также оптимизированы габариты криогенного топливного насоса.