СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОДАЧИ ТОПЛИВА В ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к области газотурбинного двигателестроения, а именно к камерам сгорания газотурбинных двигателей (ГТД), преимущественно малоэмиссионным камерам сгорания, и позволяет повысить топливную эффективность, полноту сгорания топлива газотурбинного двигателя, на таких режимах работы камеры сгорания, когда вследствие неблагоприятного сочетания параметров топлива в зоне горения за частью или всеми горелками полнота сгорания топлива снижается.

Одной из основных характеристик камеры сгорания ГТД является полнота сгорания топлива. От полноты сгорания топлива напрямую зависит экономичность ГТД, ею же определяется эмиссия моноокиси углерода - СО и несгоревших углеводородов - C_nH_m. В ряде случаев низкая полнота сгорания топлива становится причиной неустойчивой работы камеры сгорания в виде нестабильного - предсрывного горения, сопровождающегося колебаниями давления воздуха в камере сгорания.

Обеспечение высокой полноты сгорания топлива особенно важно в малоэмиссионных камерах сгорания ГТД, в которых для минимизации эмиссии наиболее экологически опасных оксидов азота - NO_x на высоких режимах работы ГТУ обеспечивают минимально возможную температуру пламени, при которой камера может стабильно работать. Однако при этом на частичных и минимальных режимах работы ГТУ, когда температура пламени, зависящая от концентрации топлива, ниже, чем на высоких режимах, происходит рост эмиссии СО и C_nH_m, т.е. снижение полноты сгорания топлива.

Причинами снижения полноты сгорания топлива при снижении режима двигателя являются повышение времени задержки воспламенения топлива и повышение времени (снижение скорости) его сгорания в результате снижения температуры смеси и снижения концентрации топлива. Полнота сгорания топлива начинает уменьшаться, когда сумма времен задержки воспламенения и сгорания топлива приблизится и станет превышать время пребывания топлива в камере сгорания, т.е. топливо просто перестанет успевать выгореть в объеме камеры сгорания. «Основы теории горения», учебное пособие, А.В. Талантов - Казанский Авиационный институт, 1975 г, стр. 56.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату и выбранным за прототип является способ регулирования подачи топлива в газотурбинный двигатель (Патент RU 2162953, МПК F02C 9/26, опубл. 10.02.2001), в котором происходят изменения площади горения в сочетании с перепуском части воздуха мимо горелочного устройства. Изменение площади горения производится путем последовательного подключения в работу нескольких групп горелок. Каждая группа управляется собственным дозатором газа. Расход топлива в подключаемую группу увеличивается до достижения заданной температуры пламени, обеспечивающей низкие выбросы вредных веществ. После этого подключают следующую группу, а температуру пламени в ранее включенных группах поддерживают постоянной при дальнейшем увеличении мощности двигателя. Поддержание постоянной температуры пламени в работающих группах обеспечивается управлением концентрацией топлива и перепуском части воздуха мимо горелочных устройств.

Недостаток прототипа заключается в возрастании неравномерности температурных полей перед лопатками турбины в результате частичного подключения горелок. Это приводит к возрастанию динамических и тепловых напряжений в лопатках турбины и снижению их ресурса. Следующий недостаток прототипа заключается в снижении эффективности охлаждения жаровой трубы и первого соплового аппарата турбины из-за снижения перепада давления охлаждающего воздуха при его перепуске мимо горелочных устройств и возрастания эмиссии NOx вследствие забогащения топлива в результате этого. Кроме того, способ регулирования подачи топлива, предложенный в прототипе, весьма сложен из-за наличия нескольких коллекторов подвода топлива к горелочным устройствам, нескольких дозаторов в системе топливопитания и регулирующих высокотемпературных кранов в системе перепуска воздуха мимо горелочных устройств.

Технической задачей заявленного изобретения является повышение полноты сгорания топлива, снижение эмиссии вредных веществ и повышение устойчивости работы камеры сгорания ГТД на таких режимах работы ГТД, когда вследствие неблагоприятного сочетания параметров топлива в зоне горения за частью или всеми горелками полнота сгорания топлива снижается.

Технический результат достигается тем, что в способе регулирования подачи топлива в газотурбинный двигатель, на вход которого подают поток воздуха, который сжимают в компрессоре до высокого давления, и поток топлива, которые воспламеняют, а полученные при горении топлива газы направляют через турбину и сопло в атмосферу, согласно изобретению перед подачей в камеру сгорания топливо предварительно дозированно нагревают в подогревателе, а степень нагрева топлива для полного его сгорания определяют и контролируют в системе автоматического управления двигателя, куда от газоанализатора поступают показания эмиссии одного или нескольких продуктов недожога - моноокиси углерода - СО и несгоревших углеводородов - CnHm, а при превышении показания эмиссии одного или нескольких продуктов недожога - моноокиси углерода - СО и несгоревших углеводородов - CnHm из системы автоматического управления поступает сигнал на нагрев топлива.

В предлагаемом изобретении в отличии от прототипа перед подачей в камеру сгорания топливо предварительно дозированно нагревают в подогревателе, а степень нагрева топлива для полного его сгорания выбирают и контролируют с помощью системы автоматического управления (САУ) двигателя, в которую от газоанализатора поступают показания эмиссии одного или нескольких продуктов недожога - моноокиси углерода - СО и несгоревших углеводородов - CnHm, в случае превышения эмиссии из САУ поступает сигнал на дополнительный нагрев топлива. САУ будет повышать температуру топлива до тех пор, пока эмиссия продуктов недожога не достигнет минимального, заранее определенного уровня. В случае достижения нулевого значения эмиссии продуктов недожога САУ начнет снижать степень нагрева топлива, вплоть до полного его отключения, для предотвращения нерасчетного роста эмиссии NOx, вследствие избыточного подогрева топлива.

На фиг. 1 представлена блок-схема осуществления подачи топлива в ГТД.

На схеме обозначены: 1 - подогреватель, 2 - термопара контроля температуры топлива, 3 - топливный коллектор камеры сгорания, 4 - газоанализатор, 5 - САУ двигателя.

Способ осуществляется следующим образом. На вход газотурбинного двигателя подают поток воздуха, который сжимают в компрессоре (не указан) до высокого давления, и поток топлива, которые воспламеняют. Газоанализатор - 4 отслеживает уровень эмиссии продуктов недожога топлива и выдает сигнал в САУ - 5. При превышении допустимого уровня эмиссии продуктов недожога САУ выдает команду на повышение температуры топлива в подогреватель - 1. В случае, когда эмиссия продуктов недожога достигнет заданного минимального уровня, САУ - 5 прекращает дальнейшее повышение степени подогрева топлива. В случае, если эмиссия продуктов недожога исчезнет полностью, САУ - 5 начинает снижать степень подогрева топлива до их появления в предварительно установленном минимальном количестве. Таким образом, будет обеспечен минимально необходимый дозированный подогрев топлива, достаточный для обеспечения полноты сгорания и не приводящий к росту эмиссии NOx свыше расчетной величины. Термопара - 2 замера температуры топлива предназначена для осуществления обратной связи между САУ и подогревателем - 1 с целью контроля за работой устройства.

Таким образом, выполнение предлагаемого изобретения с вышеуказанными отличительными признаками в совокупности с известными признаками, позволяет уменьшить время задержки воспламенения и повысить скорость горения топлива путем дозированного подогрева топлива, а следовательно, повысить полноту сгорания топлива.