СПОСОБ ВЫРАВНИВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ В ГАЗОТУРБИННЫХ УСТРОЙСТВАХ
LEVELLING OF TEMPERATURE FIELD IN GAS TURBINES

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в газоперекачивающих агрегатах магистральных газопроводов, автономных электростанциях и в других энергоустановках, содержащих газотурбинный привод, работающий на природном газе.
Известны способы выравнивания температурного поля в газотурбинных двигателях (установках), основанные на равенстве расходов топлива через отдельные горелочные устройства камеры сгорания путем и заключающиеся в подборе комплекта форсунок (горелочных устройств) по производительности (Трофимович Г.К., Речистер В.Д., Гильмутдинов А.Г. Справочник по ремонту судовых газотурбинных двигателей. - Л.: Судостроение, 1980, с.72) или в калибровке отверстий в горелочных устройствах (Моверман Г.С., Радчик И. И. Ремонт импортных газоперекачивающих агрегатов. - М.: Недра, 1986, с.72-77).
К недостатку данных технических решений следует отнести то, что при изменении проходных сечений на отдельных топливных линиях, например, за счет нагарообразования на калиброванных отверстиях или их эрозионного износа из-за содержания в топливе мехпримесей происходит изменение массовых расходов топлива на отдельных топливных линиях, а следовательно, создаются условия к неравномерности температурного поля перед турбиной.
Известен способ выравнивания температурного поля в газотурбинных установках, основанный на равенстве расходов топлива через отдельные горелочные устройства камеры сгорания, причем топливо к отдельным горелочным устройствам подают с критическими параметрами течения в каналах, проходные сечения которых выполняют идентичными (патент РФ №2121068, МПК: F02C 7/22 - прототип).
Указанный способ реализуется следующим образом.
На каждой линии подачи топлива к горелкам организуются сечения с критическими параметрами течения, при этом изменения гидравлических характеристик за этими сечениями не приводят к изменению расходов топлива, а следовательно, к изменению температуры в камерах сгорания. В зависимости от геометрии сечения и физико-химических свойств рабочего тела критические параметры течения могут быть различны. При любом выбранном конструктивном исполнении канала, в котором создается течение с критическими параметрами, на каждой топливной линии горелки должен быть один и тот же вариант, т.е. проходные сечения в каналах должны быть идентичными.
вых
Основным недостатком указанного способа является то, что при нагарообразовании на горелках перед ними будет расти давление (т.е. увеличиваться P), и отдельные каналы будут выходить из критического режима течения раньше расчетного значения и на них изменится (уменьшится) расход топливного газа, а следовательно, уменьшится температура в соответствующих камерах сгорания.
Задачей предложенного изобретения является устранение указанных недостатков и обеспечение равномерности температурного поля перед турбиной газотурбинной установки.
Решение поставленной задачи достигается за счет того, что в предложенном способе выравнивания температурного поля в газотурбинных установках, основанном на обеспечении равенства расходов компонентов топлива через отдельные горелочные устройства камеры сгорания и заключающемся в подаче компонентов топлива к отдельным горелочным устройствам по каналам, в которых обеспечивают критические параметры течения, состоящим из входной и выходной частей, соединенных между собой при помощи минимального проходного сечения, при этом проходные сечения указанных каналов выполняют идентичными, согласно изобретению продольные профили всех каналов выполняют совпадающими с профилем любого произвольно взятого канала, предпочтительно изготовленного первым, с точностью, определяемой погрешностью изготовления, причем стенки каналов выполняют с одинаковой шероховатостью поверхности, при этом равенство расходов топлива, поступающего во входную часть каждого канала, дополнительно обеспечивают за счет выполнения во входной части канала настроечного элемента, преимущественно в виде фаски, с возможностью изменения его геометрических размеров при настройке канала на заданный расход.
В варианте применения способа входную и выходную части каналов выполняют профилированными.
Совокупность существенных признаков предложенного способа позволяет получить иные свойства в сравнении с известными решениями, заключающиеся в том, что обеспечивается стабилизация массового расхода топлива через каждое горелочное устройство независимо от изменения в них проходных сечений. Таким образом, предложенное техническое решение соответствует критериям "Изобретательский уровень" и "Новизна".
Данное техническое решение планируется к внедрению на одном из газотурбинных приводов газоперекачивающего агрегата магистрального газопровода и, следовательно, отвечает критерию "Промышленная применимость".
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 приведен один из вариантов профиля канала, с помощью которого можно организовать течение с критическими параметрами, на фиг.2 показана зависимость (характер) изменения массового расхода топлива при изменении отношения давлений на вышеуказанном канале.
Основными элементами канала, представленного на фиг.1, являются:
1 - входная часть канала (конфузор), или сужающаяся часть для организации течения потока на входе с минимальными гидравлическими потерями давления;
2 - минимальное проходное сечение для обеспечения заданного массового расхода рабочего тела (топливного газа);
3 - выходная часть канала (диффузор), или расширяющаяся часть для организации течения потока на выходе с минимальными гидравлическими потерями давления;
α- угол конусности расширяющейся части (диффузора);
с
F - площадь минимального проходного сечения;
вых
F - площадь выходного сечения;
вх
P - давление входа;
вых
P - давление выхода.
На фиг.2 обозначены:
4 - зависимость изменения расхода топлива применительно к каналу фиг.1;
5 - зависимость изменения расхода топлива применительно к каналу диафрагмы (на фиг.1 и 2 не показано);
т
вых
m - текущий расход топлива при изменении давления P;
т max
вх
m - расчетный расход топлива при P=const и наличии критического течения в канале.
Предложенный способ выравнивания температурного поля в газотурбинных установках может быть реализован следующим образом.
Способ выравнивания температурного поля в газотурбинных установках основан на обеспечении равенства, расходов компонентов топлива через отдельные горелочные устройства камеры сгорания и заключается в подаче компонентов топлива к отдельным горелочным устройствам по каналам, в которых обеспечивают критические параметры течения, состоящим из входной и выходной частей, соединенных между собой при помощи минимального проходного сечения, при этом проходные сечения указанных каналов выполняют идентичными, продольные профили всех каналов выполняют совпадающими с профилем любого произвольно взятого канала, предпочтительно изготовленного первым, с точностью, определяемой погрешностью изготовления, причем стенки каналов выполняют с одинаковой шероховатостью поверхности, при этом равенство расходов топлива, поступающего во входную часть каждого канала, дополнительно обеспечивают за счет выполнения во входной части канала настроечного элемента, преимущественно в виде фаски, с возможностью изменения его геометрических размеров при настройке канала на заданный расход.
При достижении критических параметров течения на массовый расход газа не оказывают влияния возмущения, имеющие место по потоку за сечением, в котором создано это условие. Исходя из этого, если на каждой линии подачи топлива к горелкам организовать сечения с критическими параметрами течения, то изменения гидравлических характеристик за этими сечениями не будут приводить к изменению расходов топлива, а следовательно, к изменению температуры в камерах сгорания. В зависимости от геометрии сечения и физико-химических свойств рабочего тела критические параметры течения могут быть различны.
вых
вх
вых
вх
Так, например, для воздуха на дросселирующем элементе в виде диафрагмы (дроссельной шайбы с острыми кромками) критические параметры достигают при отношении давлений P/P≤0,528, а на дросселирующем элементе в виде сопла Лаваля с малой конусностью диффузора (6-12) град) при P/P≤0,92-0,93 в зависимости от качества изготовления сопла.
При величинах отношений давлений больше указанных расход уменьшается (см. фиг.2).
Дросселирующий элемент в виде сопла Лаваля (см. фиг.1) представляет собой последовательное соединение конфузора 1 и диффузора 3 с образованием между ними минимального проходного сечения 2.
Входная часть сопла (конфузор) выполняется конической с углом конусности 40-60 град или с профилем в виде радиуса скрепления входных кромок в 1.5-2 раза больше радиуса минимального сечения.
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>F</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>F</mi><mi>с</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>5</mn><mo>−</mo><mn>6</mn></mrow>
Выходную часть сопла выполняется с углом конусности 6-12 град при отношении площадей
Возможны другие исполнения расширяющейся части, например:
<mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>P</mi></mrow><mrow><mi>Δ</mi><mi>X</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mi>c</mi><mi>o</mi><mi>n</mi><mi>s</mi><mi>t</mi></mrow>
- по закону обеспечения
.
здесь ΔР - перепад давления на участке сопла, ΔХ - длина участка сопла;
- с переменным углом конусности: вначале 6-12 град, затем 15-30 град.
Последние указанные исполнения в основном позволяют уменьшить длину сопла при прочих равных условиях. С другой стороны, известно, что для уменьшения длины подобных дросселирующих элементов применяют элемент в виде решетки. Для предложенного технического решения каждое отверстие в решетке выполняется, например, в виде сопла Лаваля.
вых
При любом выбранном конструктивном исполнении канала, в котором создается течение с критическими параметрами, на каждой топливной линии горелки должен быть один и тот же вариант, т.е. проходные сечения в каналах должны быть идентичными. В противном случае, например, при нагарообразовании на горелках перед ними будет расти давление (т.е. увеличиваться P) и отдельные каналы будут выходить из критического режима течения раньше расчетного значения и на них изменится (уменьшится) расход топливного газа на этих каналах, а следовательно, уменьшится температура в соответствующих камерах сгорания.
вых
вх
вых
вх
с
При реализации предложенного технического решения следует принять во внимание то, что расчет геометрии сопла на заданный расход топлива при критических параметрах течения необходимо производить для величины отношения давлений порядка P/P=0,85. Тогда при нагарообразовании на горелках и уменьшении в связи с этим на них проходных сечений, а следовательно увеличении отношения давлений до P/P=0,92 будет обеспечиваться стабилизация расхода топлива. С целью исключения эрозионного износа проходного сечения F необходимо внутреннюю поверхность канала (сопла) выполнять с высокой твердостью, что на практике вполне возможно, т.к. этот канал будет смонтирован в относительно холодной зоне, где применимы соответствующие материалы.
вых
вх
вых
вх
Кроме вышеотмеченных положительных качеств следует иметь в виду, что еще предложенное техническое решение позволяет упростить систему управления (регулирования) газотурбинной установки и упростить конструкцию элементов разводки топлива по отдельным линиям. Это обуславливается тем, что расход топлива по отдельным линиям в предложенном решении зависит только от величины входного давления сопла, а не от перепада давления на этих линиях, которое, как правило, находится во взаимосвязи с давлением воздуха после компрессора и на порядок может быть выше перепада на этих линиях. В связи с этим легко устанавливается взаимосвязь давления топлива перед соплом и давления воздуха после компрессора, которую можно реализовать редуктором давления. В части упрощения разводки следует понимать, что дополнительные сужения, повороты, влияния на расход топлива оказывать не будут, они только скажутся на гарантированном диапазоне стабилизации расхода (т.е. на диапазон от P/P=0,85 до P/P=0,92, который рекомендуется выбирать для исключения влияния нагарообразования.
Использование предложенного способа позволит обеспечить сохранность настройки равномерного температурного поля перед турбиной при длительной работе газотурбинной установки, особенно в газоперекачивающих агрегатах магистральных газопроводов.