0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Давление в камере сгорания газотурбинного двигателя

Разработка подхода к проектированию, расчету и изготовлению малоразмерного газотурбинного двигателя на основе компьютерного инжиниринга и аддитивных технологий

Полное название проекта: «Разработка подхода к проектированию, расчету и изготовлению малоразмерного газотурбинного двигателя на основе методов компьютерного и суперкомпьютерного инжиниринга и аддитивных технологий производства».

Источник финансирования: Министерство образования и науки Российской Федерации (выполнение в 2017-2019 годах проекта по теме «Разработка подхода к проектированию, расчету и изготовлению малоразмерного газотурбинного двигателя на основе методов компьютерного и суперкомпьютерного инжиниринга и аддитивных технологий производства»). Приоритетное направление – Малоразмерные газотурбинные двигатели. Задание №9.4081.2017/ПЧ.

Источник софинансирования и индустриальный партнер: «ООО Политех-Инжиниринг».

Исполнитель: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого» (СПбПУ), Инжиниринговый центр «Центр компьютерного инжиниринга» (ИЦ «ЦКИ») СПбПУ.

Цели и задачи проекта

Целью проекта является разработка методов проектирования и создания малоразмерных газотурбинных двигателей (МГТД) для производства с применением аддитивных технологий. Для реализации проекта применяются современные методы автоматизированного проектирования на основе мультидисциплинарных подходов математического моделирования, используются компьютерные технологии на основе фундаментальных положений механики, теории и практики конструирования авиационных газотурбинных двигателей.

Целевая группа проекта включает в себя предприятия двигателестроения, в первую очередь – авиационного двигателестроения, такие как ПАО «ОДК-Сатурн», ОАО «Климов», ОАО «Пермский моторный завод», АО «НПЦ газотурбостроения «Салют» и другие.

Результаты

  • Создана геометрическая модель МГТД на основе аналога с применением томографии и 3D-сканирования.
  • Разработаны математические модели и проведены расчеты газодинамических процессов, включающие такие части МГТД, как входное устройство компрессора, рабочее колесо компрессора, спрямляющий аппарат компрессора, рабочее колесо турбины, сопловой аппарат, сопло.

Общий вид расчетной области компрессора

Поля полного давления в трех сечениях диффузора

Поля полного давления в трех сечениях спрямляющего аппарата

Общий вид расчетной области турбины

Поля полного давления в трех сечениях сопловых лопаток турбины

Поля полного давления в относительном движении в трех сечениях рабочих лопаток турбины

Изменение конструкции диффузора компрессора – исходный «прямой» диффузор (сверху) и модифицированный «наклоненный» диффузор (снизу)

Изменение конструкции спрямляющих лопаток компрессора – исходная «прямая» лопатка (сверху) и модифицированная с удлиненной на периферии хордой (снизу)

  • Проведена оценка минимального запаса прочности ротора турбины с учетом моделирования теплового состояния ротора в сопряженной CHT (Conjugate Heat Transfer) постановке.

Поле распределения температуры за камерой сгорания

Поле распределения температуры ротора турбины

Конечно-элементная модель ротора турбины

Поле распределения эквивалентных напряжений по Мизесу

Оптимизированный по массе диффузор:

а) сегмент диффузора; б) CAD-модель

Оптимизированная конструкция диффузора (3D-визуализация):

а) внешний вид детали; б) внутренняя структура детали

  • Получена диаграмма Кэмпбелла с учетом жесткостных характеристик корпуса и опор ротора, с помощью которой были определены критические частоты вращения ротора, необходимые для проведения его балансировки в процессе сборки двигателя.

Конечно-элементная модель ротора и корпуса двигателя:

а) ротор и корпус двигателя, вид в разрезе; б) конечно-элементная модель ротора и корпуса двигателя; в) конечно-элементная модель ротора

Собственные формы ротора при различных модах:

а) 1-я мода; б) 2-я мода; в) 3-я мода

Диффузор, изготовленный из пластика методом АТ

Общий вид пластикового макета двигателя, изготовленного методом АТ

  • Разработан подход по определению долговечности и усталостной прочности элементов МГТД на примере конструкции камеры сгорания.

Конечно-элементная сетка для расчета НДС камеры сгорания

Контрольно-объёмная сетка для моделирования процессов течения газа и горения в камере сгорания

Результаты моделирования распределения температуры в рабочей среде камеры сгорания

Распределение температуры, полученное в результате газодинамического расчета

Поле распределения эквивалентных напряжений по Мизесу

Оценка долговечности конструкции камеры сгорания, количество циклов

Измерение пульсации давления в камерах сгорания

Развитие мировой энергетики и транспорта привело к резкому росту потребления углеводородородного топлива и ухудшению экологического состояния окружающей среды. В связи с этим, приоритетной задачей является разработка и внедрение газотурбинных установок с высоким КПД и низким выбросами оксидов азота ( наиболее токсичный компонент продуктов горения).

Ухудшение экологии окружающей среды и ужесточение норм на вредные выбросы современных ГТУ требуют разработки экологически «чистых» камер сгорания ( никоэмисионых камер сгорания).


Разработка таких камер является сложной научно-технической задачей. Рассмотрим основные проблемы, создающие наибольшие трудности при разработке низкоэмиссионных камер сгорания ГТУ.

  • Получение необходимых экологических характеристик по вредным выбросам оксида азота и углерода.
  • Устойчивость горения. Наиболее сложной проблемой, с которой столкнулись при создании низкоэмиссионных камер сгорания ГТУ, является вибрационное горение бедных топливовоздушных смесей. Большое число факторов, влияющих на вибрационное горение, и поиск мероприятий для конкретной камеры сгорания приводят к тому, что каждый разработчик ищет свой путь решения этой сложной задачи.
Читать еще:  Что определяет мощность асинхронного двигателя

Одним из важнейших параметров является пульсация давления воздуха. Специально для этой задачи мы разработали датчик динамического давления, который бы мог быть установлен в камеру сгорания. Главный вызов для разработчиков — интеграция датчиков в турбину, которые способны выдержать высокую температуру и работать длительное время.

Модель RAV6.

Датчик RAV 6 предназначен для контроля пульсации давления в газовых турбинах.

Преимущества

Благодаря своим исключительным термическим свойствам и отсутствию пироэлектрического эффекта материал гарантирует отличное качество сигнала и постоянную чувствительность на протяжении всего срока службы устройства.

Преобразователь предназначен для уменьшения чувствительности к ускорению, имеет очень низкий порог чувствительности и внутреннюю изоляцию корпуса.

Технические характеристики

Рабочий диапазон температуры: от −70 ºC до 700ºC.

Компенсация активного ускорения.

Предельное давление: 100 бар (10 МПа).

Диапазон динамических измерений: 0…5 МПа.

Погрешность: ≤ 0,5%.

Чувствительность по давлению: ≥ 90 пКл/бар (6,2 пКл/фунт./кв.дюйм).

Диапазон частоты: 0,5 Гц – 20 кГц.

Диаметр сенсора 11 мм.

Свидетельство об утверждении типа средств измерений.

Сертификат о безопасности оборудования для работы во взрывоопасных средах.

Отсутствие пироэффекта, позволяет получить более точные данные при запуске и остановки двигателя. ( на графике сравнение данных с пироэффектом и без).

СПОСОБ ЗАПОЛНЕНИЯ ТОПЛИВНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ КАМЕР СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Изобретение относится к области эксплуатации авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) и может быть использовано для управления подачей топлива в коллекторы основной и/или форсажной камер сгорания ГТД. Способ заполнения топливных коллекторов камер сгорания газотурбинного двигателя включает подачу дозированного топлива в как минимум один топливный коллектор камеры сгорания с последующим его впрыском через форсунки в камеру сгорания двигателя. Дополнительно через как минимум один другой коллектор перепускают недозированное топливо, причем циркуляцию недозированного топлива через данный коллектор отключают при подаче в него дозированного топлива. Техническим результатом настоящего изобретения является повышение эффективности работы ГТД за счет сокращения времени приемистости при переходе с режима на режим, которое обеспечивается за счет сокращения времени на заполнение топливом включаемого в работу топливного коллектора, а также обеспечение плавного изменения тяги двигателя. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ заполнения топливных коллекторов камер сгорания газотурбинного двигателя, включающий подачу дозированного топлива в как минимум один топливный коллектор камеры сгорания с последующим его впрыском через форсунки в камеру сгорания двигателя, отличающийся тем, что дополнительно через как минимум один другой топливный коллектор, в который не поступает дозированное топливо, перепускают недозированное топливо, причем циркуляцию недозированного топлива через данный коллектор отключают при подаче в него дозированного топлива. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что давление недозированного топлива в коллекторе устанавливают равным или меньшим давления газов в камере сгорания.

Изобретение относится к области эксплуатации авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) и может быть использовано для управления подачей топлива в коллекторы основной и/или форсажной камер сгорания ГТД.

Исследование уровня техники показало, что в действующих способах и системах управления подачей топлива в основные и форсажные камеры сгорания ГТД далеко не всегда учитывается влияние заполнения топливных коллекторов на процесс изменения тяги двигателя в ходе приемистости. Это приводит к ступенчатому изменению эффективного расхода топлива и, соответственно, к ступенчатому изменению тяги двигателя в процессе приемистости. Ступенчатое изменение эффективного расхода топлива может привести к недобору тяги двигателя в нужный момент. Это снижает надежность работы двигателей и безопасность их эксплуатации, а также увеличивает время приемистости на время заполнения топливного коллектора (1-3 с.), что является весьма существенным для управления работой ГТД.

Известен способ управления расходом топлива в форсажную камеру сгорания ГТД, заключающийся в том, что по измеренным температуре воздуха на входе в двигатель, давлению воздуха за компрессором, давлению газа за турбиной двигателя, положению рычага управления двигателем и расходу топлива в основную камеру сгорания управляют расходом топлива в коллектор форсажной камеры сгорания, причем дополнительно в процессе форсажной приемистости при подключении очередного топливного коллектора форсажной камеры сгорания на время его заполнения увеличивают расход форсажного топлива через предыдущий коллектор на величину объема очередного коллектора (см. патент РФ №2438031, кл. F02C 9/28, 2011 г.).

В результате анализа известного способа необходимо отметить, что при таком заполнении топливных коллекторов обеспечивается плавное изменение эффективного расхода топлива и, соответственно, плавное изменение тяги двигателя в процессе приемистости. Однако процесс заполнения вводимых в работу (пусковых) коллекторов обуславливает увеличение времени приемистости, так как в известном способе не предусмотрено предварительное заполнение топливом пускового коллектора.

Известен способ управления расходом топлива на запуске ГТД, заключающийся в том, что измеряют параметры двигателя, параметры воздушного потока на входе в двигатель и положение рычага управления двигателем, в соответствии с измеренными параметрами и положением рычага управления двигателем по заранее определенной зависимости определяют потребный суммарный расход топлива в камеру сгорания и подводят дозированное топливо к первому коллектору камеры сгорания, причем дополнительно в процессе запуска ГТД сравнивают измеренную частоту вращения ротора двигателя с наперед заданной уставкой частоты вращения «малого газа», при достижении частотой вращения двигателя уставки «малого газа» блокируют дальнейшее увеличение заданной частоты вращения ротора двигателя на наперед заданное время, необходимое для прогрева двигателя, подключают к тракту подачи дозированного топлива второй коллектор через гидравлическое сопротивление, равное по проливке 15-20% суммарного гидравлического сопротивления форсунок первого коллектора, а по истечении времени прогрева двигателя подключают второй коллектор к тракту подачи дозированного топлива непосредственно и снимают блокировку заданной частоты вращения ротора двигателя (см. патент РФ №2435973, кл. F02C 9/26, 2011 г.) — наиболее близкий аналог.

Читать еще:  Что такое система блокировки запуска двигателя

В результате анализа известного способа необходимо отметить, что его недостатком является то, что в процессе подачи дополнительного топлива через гидросопротивление в коллектор и прогреве двигателя режим двигателя не изменяется, причем при подаче топлива возможно его пыление в камеру сгорания, кроме того, не предусмотрено предварительного заполнения пускового коллектора топливом, что увеличивает время приемистости.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение эффективности работы ГТД за счет сокращения времени приемистости при переходе с режима на режим, которое обеспечивается за счет сокращения времени на заполнение топливом включаемого в работу топливного коллектора, а также обеспечение плавного изменения тяги двигателя на переходных режимах.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в способе заполнения топливных коллекторов камер сгорания газотурбинного двигателя, включающем подачу дозированного топлива в как минимум один топливный коллектор камеры сгорания, с последующим его впрыском через форсунки в камеру сгорания двигателя, новым является то, что дополнительно через как минимум один другой топливный коллектор, в который не поступает дозированное топливо, перепускают недозированное топливо, причем циркуляцию недозированного топлива через данный коллектор отключают при подаче в него дозированного топлива, а давление недозированного топлива в коллекторе устанавливают равным или меньшим давления газов в камере сгорания.

Сущность заявленного изобретения поясняется графическими материалами, на которых представлена схема системы, реализующей заявленный способ. На схеме показана одна камера сгорания, оснащенная двумя коллекторами. Естественно, что количество камер сгорания, количество их коллекторов и описанная ниже последовательность их включения могут быть иными. Это не меняет сущность заявленного способа.

На чертежах позицией 1 обозначена камера сгорания ГТД, позициями 2 и 3 — топливные коллекторы камеры, через форсунки 4 которых осуществляется подача топлива в камеру сгорания 1. Система заполнения топливных коллекторов также включает насосный блок 5, связанный входом основной топливной магистралью с топливным баком 6. Выход насосного блока посредством основной топливной магистрали через распределитель 7 топлива связан с дозаторами 8 и 9, осуществляющими дозирование топлива в коллекторы 2 и 3.

Один из коллекторов (на схеме коллектор 3) имеет дополнительный вход, связанный первой дополнительной топливной магистралью с выходом насосного блока 5, и выход связанный второй дополнительной топливной магистралью с входом насосного блока 5. В дополнительных магистралях установлены отсечные клапаны 10 и 11. Выход отсечного клапана 10 наиболее целесообразно подключать в непосредственной близости к выходу дозатора 9, а отсечной клапан 11 — к выходу из коллектора. Позицией 12 обозначен блок управления работой ГТД, который включает штатные автоматическую систему управления работой и панель управления работой ГТД, находящуюся в кабине пилота. В первой дополнительной топливной магистрали, соединяющей дополнительный вход коллектора 3 с выходом насосного блока 5, может быть установлен регулятор 13 давления топлива, связанный с блоком управления 12 и с датчиком 14 давления газов в камере сгорания 1.

Все элементы и агрегаты системы являются стандартными и используются по прямому назначению.

В качестве распределителя 7 и регулятора 13 могут быть использованы стандартные электронные или электромеханические регуляторы. В качестве дозаторов топлива используют дозаторы с регулируемым проходным сечением. В качестве отсечных клапанов используются стандартные клапаны с управляемым запорным элементом.

Способ посредством описанной выше системы осуществляют следующим образом.

В процессе работы ГТД на одном из режимов, например «малый газ», топливо насосным блоком 5 из бака 6 подается через распределитель 7 на дозатор 8, и через него дозированно в первый коллектор 2, и через форсунки 4 коллектора поступает в камеру сгорания 1. Коллектор 3 при этом не задействован в работе, то есть распределитель 7 по команде с блока 12 отключил подачу топлива на дозатор 9. По команде блока 12 отсечные клапаны 10 и 11 открыты и недозированное топливо с выхода насосного блока 5 по первой дополнительной топливной магистрали через регулятор 13 поступает на дополнительный вход коллектора 3 и заполняет коллектор топливом. При заполнении данного коллектора топливо из него через выход коллектора по второй дополнительной топливной магистрали поступает на вход насосного блока 5. Таким образом, при работающем первом коллекторе (2) и неработающем втором коллекторе (3) последний заполнен топливом, которое постоянно циркулирует по контуру «выход насосного блока — первая дополнительная топливная магистраль — второй топливный коллектор — вторая дополнительная топливная магистраль — вход насосного блока», что также не позволяет допустить перегрев топлива. Регулятор 13 (при его наличии) при этом по показаниям датчика 14 устанавливает давление циркулирующего через коллектор 3 топлива таким образом, чтобы оно всегда было равно или незначительно меньше давления газов в камере сгорания 1. Это исключает подачу (пыление) топлива из форсунок второго коллектора 3 топлива в камеру сгорания 1.

Читать еще:  Toyota land cruiser prado 120 какой двигатель

При переходе работы двигателя на более интенсивный режим по команде с блока 12 (в соответствии с командой пилота или системы управления) распределитель 7 включает в работу дозатор 9, открывая подачу топлива во второй коллектор 3. Практически одновременно дается команда на закрытие отсечных клапанов 10 и 11, которые перекрывают первую и вторую дополнительные топливные магистрали, в которых они установлены, и отсекают дополнительный вход и выход коллектора 3 от входа и выхода насосного блока 5, прекращая циркуляцию недозированного топлива через коллектор 3, который при этом остается заполненным топливом.

От дозатора 9 дозированное топливо поступает в уже практически заполненный коллектор и практически сразу поступает на форсунки 4 для его подачи в камеру сгорания.

Таким образом, при включении более интенсивного режима работы ГТД, который требует дополнительной подачи топлива, не тратится время на заполнение вводимого в работу топливного коллектора, что значительно сокращает время приемистости.

Способ может быть использован для заполнения всех топливных коллекторов как основной, так и форсажной камер сгорания.

Весьма важно и то, что при реализации способа подключение и заполнение коллекторов не влияет на динамические свойства двигателя, обеспечивая сокращение времени приемистости и плавность изменения тяги двигателя.

Давление в камере сгорания газотурбинного двигателя

В ближайшее время наши специалисты ответят на ваш запрос.

Следите за нашими новостями в социальных сетях

На Курской ТЭЦ Северо-Западного района реконструирована газотурбинная установка №2

Компания «Квадра» завершила реконструкцию газотурбинной установки ГТУ №2, входящей в состав парогазового энергоблока ПГУ-115 Курской ТЭЦ Северо-Западного района (ТЭЦ СЗР).

Реконструкция генерирующего оборудования проводится по достижении определенной наработки. В марте этого года ГТУ №2 достигла нормативного срока службы в 60 тысяч часов. Специалисты ТЭЦ СЗР заменили выработавший ресурс газотурбинный двигатель (ГТД) резервным агрегатом, что на период ремонта обеспечило штатный режим эксплуатации ГТУ и всего парогазового энергоблока.

Во время июньского останова электростанции на плановое ТО энергетики установили обновленный ГТД. В нем полностью заменены основные элементы: компрессоры и турбины высокого и низкого давления, сопловой аппарат, камера сгорания и датчики. Перед пуском произведена настройка камеры сгорания ГТД и техническое обслуживания вспомогательных систем газотурбинной установки.

Инвестиции ПАО «Квадра» составили 539 млн рублей. Проведенные работы восстановили эффективность ГТУ №2 до расчетных параметров и гарантировали ее бесперебойную работу. Ранее, в октябре 2018 года, здесь реконструировали ГТУ №1. В итоге увеличен срок службы установок и повышена надежность электро- и теплоснабжения густонаселенных районов Курска: Северо-Западного, Юго-Западного, проспекта Победы, микрорайона СХА.

В настоящее время на ТЭЦ СЗР действует шесть водогрейных котлов, а также оборудование ПГУ-115: две ГТУ LM6000 PD SPRINT мощностью по 45 МВт (производства GE), паровая турбоустановка мощностью 25 МВт (Калужский турбинный завод), два паровых котла-утилизатора (Подольский машиностроительный завод).

Тепловая мощность электростанции составляет 710 Гкал/ч, электрическая – 116,9 МВт. Топливом для парогазового энергоблока является природный газ.

Компримирование топливного газа и его подачу в турбины ПГУ под рабочим давлением 4,9 МПа обеспечивает дожимная компрессорная станция (ДКС), поставленная и введенная в эксплуатацию компанией ЭНЕРГАЗ.

ДКС состоит из двух компрессорных установок единичной производительностью 13 тыс. м3/ч. Расход газа контролируется специальной двухуровневой системой регулирования. Блочно-модульные КУ винтового типа работают в автоматическом режиме, система автоматизированного управления интегрирована с верхним уровнем АСУ ТП Курской ТЭЦ СЗР.

Использованы материалы сайта ПАО «Квадра»

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector