ДОЗАТОР ТОПЛИВА ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ
FUEL DISPENSER FOR A GAS TURBINE UNIT

Изобретение относится к области управления газотурбинными двигателями, а именно к устройствам управления подачей газообразного топлива в камеру сгорания наземной газотурбинной установки.
Известными примерами устройств топливопитания для газотурбинных установок являются дозаторы топлива, содержащие корпус с фланцами, в котором установлен дозирующий элемент, соединенный с электродвигателем, датчик обратный связи и блок управления (электронный регулятор). [Патент РФ №2515545, опубликовано 20.04.2014], [патент РФ №2102618, опубликовано 20.01.1998]. Наибольшая точность подачи топлива в таких дозаторах обеспечивается за счет применения в качестве электродвигателей шаговых моторов. В этом случае управление дозирующим элементом осуществляется простой подачей импульсов питания в обмотки шагового мотора. При этом необходимо лишь выдерживать определенную последовательность подачи управляющих импульсов. Недостатками дозаторов топлива с шаговыми моторами являются низкое быстродействие, высокий уровень вибрации, низкий коэффициент полезного действия и высокая температура корпуса из-за непрерывного потребления тока от источника питания.
Известен также дозатор газа типа 816.042, разработанный ПАО «Волчанский агрегатный завод» [Руководство по технической эксплуатации 816.042 РЭ-Р, опубликовано в 2015 г.]. Принципиальным отличием такого дозатора от описанных выше вариантов является использование вентильного двигателя (электродвигателя на постоянных магнитах). Благодаря этому повысилось быстродействие дозатора топлива. Недостатком перечисленных выше дозаторов топлива является то, что у них блок управления размещается отдельно от электродвигателя, на значительном удалении. Это отрицательно влияет на надежность и помехоустойчивость систем топливопитания газотурбинных установок.
Наиболее близким аналогом, выбранным за прототип, является система дозирования газа GS16 фирмы WOODWARD (США) [Руководство RU26228 P, опубликовано в 2002 г.]. Дозатор газа GS16 содержит корпус с фланцами, в который установлен сферический дозирующий элемент, положение которого регулируется электроприводом с датчиком положения, установленным на дозирующем элементе. В свою очередь, электропривод управляется электронным блоком (контроллером), размещенным в дозаторе газа GS16. В качестве датчика положения дозирующего элемента в дозаторе газа используется резольвер (датчик трансформаторного типа), а электродвигатель электропривода представляет собой синхронный электродвигатель на редкоземельных постоянных магнитах. Такой дозатор газа имеет высокое быстродействие и постоянный момент вращения выходного вала при изменении частоты вращения электродвигателя в широких пределах. К недостаткам прототипа следует отнести невысокий уровень надежности, обусловленный значительной потребляемой мощностью и высокой чувствительностью к загрязнению дозируемого топлива. Кроме того, использование в прототипе резольвера в качестве датчика положения не на всех режимах работы газотурбинной установки обеспечивает требуемую точность дозирования топлива.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение надежности и точности дозатора топлива.
Поставленная задача решается с помощью дозатора топлива, содержащего корпус, дозирующий элемент со штоком, электродвигатель, соединенный с этим штоком, датчик положения дозирующего элемента и блок управления электродвигателем, соединенный с датчиком положения и с системой управления газотурбинной установкой.
Новым в заявляемом изобретении является то, что в качестве электродвигателя используется гибридный шаговый двигатель, конструктивно объединенный с блоком управления, а также то, что в качестве датчика положения дозирующего элемента используется оптический энкодер, соединенный с валом гибридного шагового двигателя.
Достигаемый технический результат - повышение надежности и точности дозатора топлива обеспечивается за счет более высоких технических характеристик его составных частей - гибридного шагового двигателя и оптического энкодера. Применение гибридного шагового двигателя является наиболее эффективным и надежным в таких конструкциях дозаторов топлива, в которых угол поворота вала электродвигателя ограничен четвертью оборота. В этом случае для управления гибридным шаговым двигателем требуется меньше мощности, по сравнению с другими типами электродвигателей и он меньше греется. Использование оптического энкодера вместо резольвера в качестве датчика положения дозирующего элемента позволяет в несколько раз (зависит от разрешающей способности энкодера) повысить точность позиционирования дозирующего элемента и, соответственно, повысить точность дозирования топлива.
В соответствии с п. 2 формулы изобретения гибридный шаговый двигатель с блоком управления размещаются в дозаторе топлива горизонтально относительно поверхности рамы газотурбинной установки, на которой закреплен дозатор топлива. Это позволяет уменьшить негативное влияние на дозатор топлива газотурбинной установки как источника тепла и механических воздействий.
В соответствии с п. 3 формулы изобретения для повышения надежности дозатора топлива его дозирующий элемент выполнен в виде керамического шара со сквозным профилированным отверстием, которое обеспечивает требуемую расходную характеристику, при этом шар находится во втулке, также выполненной из керамики и размещенной внутри корпуса.
На фиг. 1 представлен дозатор топлива, а на фиг. 2 представлен один из вариантов конструкции регулирующего клапана.
Дозатор топлива 1 содержит регулирующий клапан 2, гибридный шаговый двигатель 3, муфту 4, оптический энкодер 5, блок управления 6 и основание 7. Своим основанием 7 дозатор топлива 1 крепится на раму 8, на которой также расположена газотурбинная установка 9. С помощью электрических линий связи (по цифровому интерфейсу) блок управления 6 соединен с системой управления 10, которая взаимодействует также с датчиками и исполнительными механизмами, установленными на газотурбинной установке 9. С помощью муфты 4 шток 11 регулирующего клапана 2 соединен с валом гибридного шагового двигателя 3. В корпусе 12 регулирующего клапана 2 находится дозирующий элемент 13, выполненный в виде стального сегментного V-образного шара и жестко соединенный со штоком 11. Оптический энкодер 5, являющийся датчиком положения дозирующего элемента 13, механически связан с валом гибридного шагового двигателя 3, а с помощью электрических линий связи соединен с блоком управления 6. При помощи двух фланцев 14 регулирующий клапан 2 присоединяется к трубопроводу, по которому топливный газ поступает в камеру сгорания газотурбинной установки 9. Гибридный шаговый двигатель 3 (как и синхронные двигатели с постоянными магнитами) содержит редкоземельные магниты. Однако, благодаря своей конструкции, ему требуется гораздо меньший ток для обеспечения такого же момента удержания, как у синхронного двигателя, или как у обычного (без редкоземельных магнитов) шагового мотора. Поэтому гибридный шаговый двигатель меньше греется, что благоприятно сказывается как на его собственной надежности, так и на надежности блока управления. Представленная на фиг. 2 конструкция регулирующего клапана 2 является, как и дозатор топлива 1 в целом, пригодным для ремонта, что повышает его эксплуатационную надежность. В качестве регулирующего клапана 2 в составе дозатора топлива 1 могут использоваться не только сегментные клапаны, но и клапаны других конструкций, предназначенные для работы с электрическим или пневматическим приводом. Для повышения надежности регулирующий клапан 2 может быть выполнен с использованием керамики. Применение керамического материала обеспечивает повышение ресурса дозатора топлива, делает его нечувствительным к загрязнению и способствует снижению нагрузки на вал гибридного шагового двигателя. Присоединение регулирующего клапана 2 к трубопроводу может осуществляться не только с помощью фланцев, но и сваркой, или с помощью резьбового соединения. Вместо муфты 4 для соединения регулирующего клапана 2 с гибридным шаговым двигателем 3 может использоваться резьбовое соединение, или соединение с помощью шпонки. На фиг. 1 видно, что все элементы дозатора топлива 1 размещены на основании 7 горизонтально и соединены последовательно. За счет этого обеспечивается значительное удаление наиболее чувствительного к теплу элемента - блока управления 6, от источника тепла и вибрации - газотурбинной установки 9, что облегчает режим его работы и повышает надежность. Наибольшее удаление блока управления 6 от газотурбинной установки 9 будет обеспечиваться, если шток дозирующего элемента 11 дозатора топлива 1 будет располагаться перпендикулярно по отношению к горизонтальной оси газотурбинной установки.
Работа дозатора топлива осуществляется следующим образом. В зависимости от текущего значения регулируемых параметров газотурбинной установки, измеряемых с помощью соответствующих датчиков, система управления 10 формирует сигнал, поступающий по цифровому интерфейсу в блок управления 6 и соответствующий заданному положению дозирующего элемента 13. В блоке управления 6 по результатам сравнения сигналов заданного и текущего положения дозирующего элемента, измеряемого с помощью оптического энкодера 5, формируются, в соответствии с алгоритмами векторного управления, управляющие сигналы для гибридного шагового двигателя 3. Векторное управление подразумевает возможность одновременного управления моментом на валу гибридного шагового двигателя, скоростью вращения вала и положением вала. Благодаря этому повышается плавность вращения вала и снижается уровень вибрации, за счет чего уменьшается износ подшипников и повышается надежность гибридного шагового двигателя. Использование контура управления моментом (токами в обмотках) гибридного шагового двигателя, дает возможность повысить его коэффициент полезного действия за счет того, что задаваемые токи в обмотках не постоянны, а строго соответствуют нагрузке на валу, что также положительно влияет на тепловой режим и надежность гибридного шагового двигателя. Под воздействием сигнала управления гибридный шаговый двигатель 3 устанавливает дозирующий элемент 13 в положение, необходимое для поддержания заданного значения параметра газотурбинной установки 9, которое определяется системой управления 10. В предлагаемом варианте дозатора топлива рабочий диапазон дозирующего элемента 13 ограничен углом в девяносто градусов, поэтому время его перемещения из одного крайнего положения в другое, даже при скорости вращения вала 200 об/мин, не будет превышать 100 миллисекунд. При этом снижение крутящего момента гибридного шагового двигателя в процессе движения составит не более, чем 10% от номинального значения крутящего момента, который обычно находится в пределах от 10 до 30 Н*м. Учитывая это обстоятельство, а также благодаря алгоритмам векторного управления и высокой разрешающей способности оптического энкодера, достигается высокая динамическая и статическая точность дозирования топлива, что особенно важно на режимах запуска и разгона газотурбинной установки.
В качестве гибридного шагового двигателя с встроенным оптическим энкодером и с интегрированным блоком управления может использоваться серийно выпускаемый шаговый сервопривод типа СПШ20-34100. В блок управления этого шагового сервопривода уже встроены (записаны в виде программ в память микроконтроллера) алгоритмы векторного управления. Поэтому, для работы СПШ20-34100 в составе дозатора топлива, ему необходимо лишь выполнить соответствующие настройки по технологическому каналу информационного обмена. В качестве регулирующего клапана может использоваться клапан регулирующий сегментный типа BALH26, или его аналоги. Одним из возможных вариантов реализации дозирующего элемента в регулирующем клапане является использование вместо стального сегментного V-образного шара более надежного керамического шара с профилированным отверстием. Примером регулирующего клапана с керамическим дозирующим элементом является кран шаровой запорно-регулирующий с керамической проточной частью типа КШ.50.25.КР, а также его аналоги зарубежных фирм.
Источники информации
1. Патент РФ №2102618.
2. Патент РФ №2515545.
3. Дозаторы газа типа 816.042. Руководство по технической эксплуатации 816.042 РЭ-Р.
4. Система дозирования газа GS16. Руководство RU26228 P.