ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ И СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ
GAS TURBINE ENGINE AND REGULATION METHOD

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к способу управления газовой турбиной и газотурбинного двигателя и, в частности, но не исключительно, способу управления газовой турбиной, содержащей регулируемые поворотные лопатки и отборы воздуха из компрессора для поддержания более постоянной температуры горения с целью уменьшенных выбросов при различных требуемых нагрузках, и газотурбинному двигателю, имеющему компрессор с регулируемыми поворотными лопатками и ряд систем отбора воздуха. Газотурбинный двигатель представляет собой предпочтительно одновальный двигатель, но может быть двухвальным или трехвальным двигателем.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Для одновальной газовой турбины, где есть газогенераторный агрегат, приводящий в движение нагрузку, выбросы в диапазонах низкой мощности и системы сжигания бедной топливной смеси регулируются путем ограничения воздуха или массового расхода через камеру сгорания для поддержания приемлемого соотношения топливо/воздух и, следовательно, высокой температуры горения. Высокая температура горения и стабильная температура ведет к более низким выбросам, таким как COX, NOX, SOX, а также несгоревшим углеводородам. Ранее, использование регулируемых поворотных лопаток или отбора воздуха от выхода компрессора в выхлопную трубу было газовой турбины было достаточно для поддержания более постоянной температуры горения с целью уменьшенных выбросов было достаточно для установленных законодательством диапазонов рабочих нагрузок, но это влечет за собой ухудшение в виде сниженного термического кпд. Современные тенденции требуют более чистого сгорания, когда газовая турбина работает до более низких процентов от полной мощности нагрузки, например, всего лишь 30% от полной мощности нагрузки в определенных обстоятельствах, и с меньшим ухудшением по термическому кпд и, следовательно, со сниженным расходом топлива.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является решение проблемы уменьшения выбросов газотурбинными двигателями и особенно при работе во всем диапазоне рабочих отборов мощности. Другая проблема, решаемая настоящим изобретением, заключается в поддержании постоянных температур в камере сгорания таким образом, чтобы выбросы были сведены к минимуму. Еще одной решаемой проблемой является повышение стабильности горения и, следовательно, повышение работоспособности газотурбинного двигателя. Еще одна решаемая проблема заключается в снижении или сведению к минимуму влияния на термический кпд газовой турбины, и, особенно, при менее высоких отборах мощности.
Для решения этих проблем и в первом аспекте настоящего изобретения предложен способ управления газотурбинным двигателем, причем газотурбинный двигатель имеет в осевом потоке последовательно компрессор, камеру сгорания, турбину компрессора и выхлопную трубу. Газовая турбина способна работать, по меньшей мере, в диапазоне высокой выходной мощности, диапазоне умеренно высокой выходной мощности, диапазоне умеренной выходной мощности, диапазоне умеренно низкой выходной мощности и диапазоне низкой выходной мощности. Способ содержит этапы в диапазоне умеренно высокой выходной мощности при изменении угла регулируемых поворотных лопаток такие, чтобы поддерживалась третья заданная температура в камере сгорания, в диапазоне умеренной выходной мощности регулируемые поворотные лопатки являются закрытыми и перепуск газа из нижней по потоку части компрессора в выхлопную трубу такой, чтобы поддерживалась вторая заданная температура в камере сгорания.
В диапазоне низкой выходной мощности регулируемые поворотные лопатки могут быть закрытыми, и перепуск газа из нижней по потоку части компрессора в верхнюю часть компрессора может быть максимальной величины, и перепуск из нижней по потоку компрессора в выхлопную трубу может быть максимальной величины.
В диапазоне высокой выходной мощности регулируемые поворотные лопатки могут быть открытыми и перепуск газа из нижней по потоку части компрессора в верхнюю по потоку часть компрессора может быть минимальной величины или нулевым, и перепуск газа из нижней по потоку части компрессора в выхлопную трубу может быть минимальной величины или нулевым.
В диапазоне умеренно низкой выходной мощности перепуск газа из нижней по потоку части компрессора в верхнюю по потоку часть компрессора может быть максимальной величины.
Диапазон умеренно высокой выходной мощности может иметь максимальную точку и минимальную точку, и изменение угла регулируемых поворотных лопаток такие, чтобы поддерживалась третья заданная температура в камере сгорания, содержит изменение угла регулируемых поворотных лопаток между открытым положением в максимальной точке и закрытым положением в минимальной точке.
Диапазон умеренной выходной мощности имеет максимальную точку и минимальную точку, и перепуск газа из нижней по потоку части компрессора в верхнюю по потоку часть компрессора может содержать изменение количества отбираемого газа от минимального количества в максимальной точке до максимального количества в минимальной точке.
Диапазон умеренно низкой выходной мощности может иметь максимальную точку и минимальную точку, и перепуск газа из нижней по потоку части компрессора в выхлопную трубу содержит изменение количества отбираемого газа от минимального количества в максимальной точке до максимального количества в минимальной точке (68).
Каждая из третьей, первой и второй заданных температур может включать номинальную температуру и верхний и нижний пределы, причем предпочтительно верхний и нижний пределы имеют отклонения от номинальной температуры +5°С и -5°С, соответственно, и изменение количества отбираемого газа может содержать увеличение количества отбираемого газа, если температура в камере сгорания достигает нижнего предела и/или уменьшение количества отбираемого газа, если температура в камере сгорания достигает верхнего предела.
Разница между первой заданной температурой и второй заданной температурой находится в диапазоне 5-20°С, и более предпочтительно приблизительно 5°С, и разница между первой заданной температурой и третьей заданной температурой находится в диапазоне 5-20°С и более предпочтительно приблизительно 10°С.
Способ может содержать обнаружение угла регулируемых поворотных лопаток, которые достигли максимально закрытого положения и начала перепуска газа из нижней по потоку части компрессора в верхнюю часть.
Способ может содержать обнаружение перепуска газа из нижней по потоку части компрессора в верхнюю по потоку часть компрессора, который достиг максимальной величины, и начала перепуска газа из нижней по потоку части компрессора в выхлопную трубу.
Диапазон высокой выходной мощности может быть между 100% и 70% от максимальной выходной мощности, предпочтительно диапазон высокой выходной мощности может быть между 100% и 80% от максимальной выходной мощности.
Диапазон умеренно высокой выходной мощности может быть между 90% и 40% от максимальной выходной мощности, предпочтительно диапазон умеренно высокой выходной мощности может быть между 70% и 50% от максимальной выходной мощности.
Диапазон умеренной выходной мощности может быть между 90% и 40% от максимальной выходной мощности, предпочтительно диапазон умеренно высокой выходной мощности может быть между 70% и 50% от максимальной выходной мощности.
Диапазон умеренно низкой выходной мощности может быть между 50% и 35% от максимальной выходной мощности, и диапазон низкой выходной мощности может быть между 0% и 45% от максимальной выходной мощности, предпочтительно в диапазоне низкой выходной мощности может быть между 0% и 30% от максимальной выходной мощности, и предпочтительно диапазон низкой выходной мощности может быть между 0% и 25%.
В другом аспекте настоящего изобретения, и помощью которого решаются вышеупомянутые проблемы, предложен газотурбинный двигатель, способный работать, по меньшей мере, в диапазоне высокой выходной мощности, диапазоне умеренно высокой выходной мощности, диапазоне умеренной выходной мощности, диапазоне умеренно низкой выходной мощности и диапазоне низкой выходной мощности. Газотурбинный двигатель содержит в осевом потоке последовательно компрессор, камеру сгорания, турбину компрессора и выхлопную трубу. Компрессор содержит, по меньшей мере, одну ступень регулируемых поворотных лопаток, имеющую регулируемый лопаточный механизм. Датчик температуры установлен на газотурбинном двигателе и предназначен для считывания или расчета температуры в камере сгорания. Газотурбинный двигатель дополнительно содержит первую систему отбора воздуха из компрессора, содержащую первый воздуховод, связывающий нижнюю по потоку часть компрессора и верхнюю по потоку часть, и первый клапан, расположенный на воздуховоде, вторая система отбора воздуха из компрессора содержит второй воздуховод, связывающий нижнюю по потоку часть компрессора и выхлопную трубу, и второй клапан, расположенный на воздуховоде. Блок управления двигателем соединен с датчиком температуры, первым клапаном и вторым клапаном, и регулируемым лопаточным механизмом, причем блок управления двигателем запрограммирован регулировать регулируемый лопаточный механизм, причем первый клапан и второй клапан зависят от температуры в камере сгорания таким образом, чтобы в диапазоне умеренно высокой выходной мощности, по меньшей мере, одна ступень регулируемых поворотных лопаток, по меньшей мере, частично была открыта таким образом, чтобы поддерживалась третья заданная температура в камере сгорания, в диапазоне умеренной выходной мощности первый клапан является, по меньшей мере, частично открытым таким образом, чтобы поддерживалась первая заданная температура в камере сгорания, и в диапазоне умеренно низкой выходной мощности второй клапан является, по меньшей мере, частично открытым и первый клапан является полностью открытым таким образом, чтобы поддерживалась вторая заданная температура в камере сгорания.
Газотурбинный двигатель может содержать силовую турбину, расположенную между турбиной и выхлопной трубой, причем силовая турбина соединена с валом для приведения в движение нагрузки.
Верхняя по потоку часть может представлять собой вход компрессора или вход газотурбинного двигателя, и нижняя часть представляет собой, по меньшей мере, выход компрессора. Первая система отбора воздуха из компрессора и вторая система отбора воздуха из компрессора могут иметь общий первый выпуск для отбора воздуха или общий массив первых выпусков для отбора воздуха, расположенные на выходе компрессора.
Первая система отбора воздуха из компрессора и вторая система отбора воздуха из компрессора могут иметь общий второй выпуск для отбора воздуха или общий массив первых выпусков для отбора воздуха, расположенные между входом и выходом компрессора.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Указанные выше характеристики и другие признаки и преимущества данного изобретения, и способ их достижения станут более очевидными, а само изобретение будет лучше понято путем ссылки на следующее описание вариантов воплощения изобретения, взятое в совокупности с приложенными чертежами, на которых:
фиг.1 представляет собой схематическую компоновку газотурбинного двигателя в соответствии с настоящим изобретением и показывает компрессор с системой выпуска выхлопных газов и компрессорно-рециркуляционной системой,
фиг.2 представляет собой схематическую компоновку компрессора газотурбинного двигателя в соответствии с настоящим изобретением и в увеличенном виде,
фиг.3 является графическим представлением способа эксплуатации газовой турбины в соответствии с настоящим изобретением, причем графическое представление показывает общую зависимость между выходной мощностью газотурбинного двигателя по оси x и температурой камеры сгорания по оси y, в частности, это графическое представление предназначено для тех случаев, когда требуемая нагрузка газотурбинного двигателя изменяется между высокой выходной мощностью и низкой выходной мощностью.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.1 показан пример газотурбинного двигателя 10 в разрезе. Газотурбинный двигатель 10 содержит последовательно по потоку вход 12, компрессор 14, камеру 16 сгорания и турбину 18, которые обычно располагаются последовательно по потоку и обычно около и в направлении к продольной или оси 20 вращения. Газотурбинный двигатель 10 дополнительно содержит первый вал 22, который может вращаться вокруг оси 20 вращения и который проходит продольно через часть газотурбинного двигателя 10. Первый вал 22 соединяет турбину 18 с компрессором 14 с возможностью передачи приводного усилия. Турбина 18 иногда известна как турбина компрессора или турбина компрессора высокого давления. Силовая турбина 19 может располагаться ниже по потоку от турбины 18 компрессора. Силовая турбина 19 может быть соединена с нагрузкой 26 через второй вал 28 с возможностью передачи приводного усилия. Альтернативно, турбина 18 компрессора может быть соединена с нагрузкой 26 через вал с возможностью передачи приводного усилия. Выхлопная труба 30 располагается ниже по потоку от турбины 18 компрессора и ниже по потоку от силовой турбины 19.
При работе газотурбинного двигателя 10 воздух 24, всасываемый через воздухозаборник 12, сжимается с помощью ступени компрессора 14 и подается в камеру 16 сгорания. Камера 16 сгорания содержит кольцевой массив камер сгорания, как хорошо известно, альтернативно, камера 16 сгорания может быть n-кольцевой камерой 16 сгорания, имеющей в остальном общепринятое расположение. Сжатый воздух, проходя через компрессор 14, поступает в диффузор и отводится из диффузора в камеру 16 сгорания, откуда часть воздуха смешивается с газообразным или жидким топливом. Затем воздушно-топливная смесь сжигается, и газ сгорания или рабочий газ из камеры сгорания отводится через камеру 16 сгорания в турбину 18 через переходный канал.
Газ сгорания из камеры 16 сгорания входит в турбину 18 и приводит в движение ее турбинные лопатки, которые, в свою очередь, вращают вал 22 для приведения в движение компрессора 14. Турбина 18 может также приводить в движение нагрузку 26 непосредственно через вал. Хотя, как показано на фиг.1 газ сгорания или рабочий газ проходит из турбины 18 в силовую турбину 19 и через нее. Затем силовая турбина 19 может приводить в движение нагрузку 26 через вал 28. Рабочий газ или из силовой турбины 19 или из турбины 18 компрессора поступает в выхлопную трубу 30 и затем выходит в окружающую среду.
Газотурбинный двигатель 10 дополнительно содержит две системы отбора воздуха из компрессора. Первая система 32 отбора воздуха из компрессора содержит первый воздуховод 34, соединяющий нижнюю по потоку часть 36 компрессора 14 и верхнюю по потоку часть 38. Верхняя по потоку часть 38 может быть частью компрессора 14 или входа 12. Как будет очевидно специалисту в этой области техники, нижняя по потоку часть 36 компрессора обычно находится под более высоким давлением, чем верхняя по потоку часть 38. Первый клапан 40 располагается на воздуховоде 34 и может работать с целью регулирования количества отбираемого воздуха из компрессора из нижней по потоку части и вновь вводимого в верхнюю по потоку часть 38. В одном варианте воплощения нижней по потоку частью 36 является выпуск 56 компрессора 14 или просто нижняя по потоку часть конечной ступени компрессора 14. Верхней по потоку частью 38 является впуск 55 компрессора 14, но в других примерах верхняя часть 38 может находиться в любом месте вверх по потоку отводного канала или там, где первый воздуховод 34 соединяется с нижней частью 36 компрессора 14.
Вторая система 33 отбора воздуха компрессора содержит второй воздуховод 35, соединяющий нижнюю по потоку часть 36 компрессора 14 и выхлопную трубу 30. Как будет очевидно специалисту в этой области техники, нижняя по потоку часть 36 компрессора находится под более высоким давлением, чем выхлопная труба 30. Второй клапан 41 располагается на воздуховоде 35 и может работать, чтобы регулировать количество отбираемого воздуха из компрессора, перепускаемого из нижней по потоку части 36 и вводимого в выхлопную трубу 30.
Газотурбинный двигатель 10 также содержит блок 42 управления двигателем. Газотурбинный двигатель 10 дополнительно содержит датчик температуры 44, установленный для измерения или расчета величины, представляющей собой температуру в камере 16 сгорания и предпочтительно газа сгорания на выходе 45 из камеры 16 сгорания. Там может быть один датчик температуры 44 или кольцевой массив датчиков температуры 44, или установленные на каждом блоке камеры сгорания в массиве блоков камер сгорания или вокруг кольцевой камеры сгорания, или датчики 44 могут быть ниже по потоку от выхода 45 камеры сгорания, и в блоке 42 управления температура на выходе 45 рассчитывается из этих измерений ниже по потоку. Среди других аспектов газотурбинного двигателя блок 42 управления двигателем соединяется с первым клапаном 40 первой системы 32 отбора воздуха из компрессора, вторым клапаном 41 второй системы 33 отбора воздуха из компрессора и датчиком (датчиками) 44 температуры. Блок 42 управления двигателем запрограммирован с помощью набора инструкций по эксплуатации клапанов 40, 41 (и клапанов 52В, 54В) и регулируемого лопаточного механизма 49 во время работы двигателя.
В общем случае, ограничение потока воздуха через компрессор 14 и, следовательно, камеру 16 сгорания, поддерживает приемлемое соотношение топливо/воздух и, следовательно, повышает или поддерживает относительно высокую температуру горения, а то иначе это бы не происходило. Ограничение потока воздуха через камеру 16 сгорания достигается за счет уменьшения перепада давления по компрессору 14 и, следовательно, количества сжатого воздуха, подаваемого в камеру 16 сгорания. При уменьшении выходной мощности настоящий способ изменяет угол регулируемых поворотных лопаток (46V) из открытого положения в закрытое положение, затем отбирает сжатый воздух сначала через управление первой системой 32 отбора воздуха, а затем отбирает более сжатый воздух через вторую систему 33 отбора воздуха. Этот метод обеспечивает прогрессивное и последовательное управление снижением перепада давления по компрессору.
Этот метод применим в обоих направлениях выходной мощности или нагрузки, т.е. при уменьшении выходной мощности и увеличении выходной мощности. Другими словами, при увеличении выходной мощности первая система 33 отбора воздуха постепенно уменьшается до минимальной величины, затем первая система 32 отбора воздуха уменьшается постепенно до минимальной величины и, в результате, регулируемые поворотные лопатки (46V) являются открытыми из закрытого положения. Работа или переменное закрывание регулируемых лопаток (46V) от более высокой выходной мощности, затем первой и второй систем 32, 33, менее обременительно для термического кпд газовой турбины. Первая система 32 отбора воздуха, перепускающая из нижней по потоку части в верхнюю по потоку часть компрессора является более экономичной системой отбора воздуха, потому что она оказывает меньшее влияние на термический кпд двигателя. Первая система 32 отбора воздуха эффективно снижает давление компрессора в его нижней по потоку части путем перепуска сжатого воздуха и путем введения сжатого воздуха в верхнюю по потоку часть увеличивает его давление, тем самым относительно эффективно уменьшая перепад давления по всему компрессору. Вторая система отбора воздуха используется после первой системы отбора воздуха, потому что она менее эффективна с точки зрения теплового цикла двигателя, поскольку она сбрасывает сжатый воздух в выхлопную трубу и теряет большую часть работы, проделанной при его сжатии в первую очередь.
Обращаясь к фиг. 2, компрессор 14 содержит осевой ряд направляющих лопаточных ступеней 46 и роторных лопаточных ступеней 48. Роторные лопаточные ступени 48 содержат роторный диск, поддерживающий кольцевой массив лопаток обычным образом. Компрессор 14 также содержит корпус 50, который окружает роторные ступени и поддерживает направляющие лопаточные ступени 46, 46V. Ступени направляющих лопаток включают в себя кольцевой массив радиально проходящих лопаток, которые крепятся к корпусу 50. Лопатки предназначены для подачи газового потока под оптимальным углом для лопаток в заданной рабочей точке двигателя. Некоторые ступени направляющих лопаток 48V являются регулируемыми направляющими лопатками и имеют регулируемые лопаточные механизмы 49, где угол наклона лопаток относительно их собственной продольной оси может регулироваться по углу в соответствии с характеристиками потока воздуха, которые могут иметь место в диапазоне различных рабочих режимов двигателя. Обычно, поскольку выходная мощность увеличивается, регулируемые поворотные лопатки 48V вращаются или поворачиваются под углом регулируемым лопаточным механизмом 49 от закрытого положения по направлению к закрытому положению. Регулируемые поворотные лопатки 46V и регулируемый лопаточный механизм 49 имеют обычную конструкцию. Регулируемые лопаточные механизмы 49 соединены с приводимым в действие блоком 42 управления двигателем. Регулируемые лопаточные механизмы 49 имеют датчик 47 для определения положения или угла регулируемых лопаток 46V, который также соединяется с блоком 42 управления двигателем.
Компрессор 14 дополнительно содержит выпуски 52, 54 для отбора воздуха, смонтированные на корпусе 50 и позволяющие отбирать сжатый воздух из компрессора 14. Показаны два выпуска для отбора воздуха, хотя возможен один или, по меньшей мере, 3 выпуска для отбора воздуха. Каждый выпуск 52, 54 для отбора воздуха может быть каждым из массива выпусков 52, 54 для отбора воздуха по окружности корпуса и соединяться по жидкотекучей среде через галерею или отдельные галереи. Галерея (галереи) не показана (не показаны), проходит в окружном направлении, частично или полностью окружая корпус и соединяя выпуски для отбора воздуха. Выпускной воздуховод 52А, 54А выведен из каждого выпуска 52, 54 для отбора воздуха, соответственно, и каждый выпускной воздуховод 52А, 54А может иметь действующий клапан 52B, 54B, каждый из которых соединен с блоком 42 управления двигателем и управляется им. Выпуск 52 для отбора воздуха предпочтительно располагается на выходе 56 компрессора или рядом с ним, но он может располагаться между ступенями компрессора и ниже по потоку от выпуска 54 для отбора воздуха, когда используются два выпуска для отбора воздуха или отводы. Там, где имеется только один выпуск для отбора воздуха, то предпочтительно им является выпуск 52 для отбора воздуха. Выпускные воздуховоды 52А и 54а соединяются с первым воздуховодом 34 и вторым воздуховодом 35. Альтернативно, выпускные воздуховоды 52А могут соединяться со вторым воздуховодом 35, и выпускной воздуховод 54а может соединяться с первым воздуховодом 34.
Газотурбинный двигатель 10 может содержать датчики 57 положения клапанов на каждом первом клапане 40 (каждом из первых клапанов 40) и каждом втором клапане 41 (каждом из вторых клапанов 41) и, конечно, клапанов 52B, 54B. Датчики 57 положения клапанов соединены с блоком 42 управления двигателем таким образом, что известно, является ли клапан полностью открытым или полностью закрытым, или находится в положении между полностью открытым и полностью закрытым. Поэтому, с помощью калибровки системы отбора воздуха для потока воздуха в зависимости от положения клапана известно количество воздуха, отбираемого из компрессора, в любое желательное время. Таким образом, можно сопоставить положение клапана с выходной мощностью во всех диапазонах выходной мощности 67R, 70R и 70R’.
Обращаясь теперь к фиг.3, шкала 60 оси x представляет собой выходную мощность в процентах от максимальной мощности, достижимой от газотурбинного двигателя при определенных погодных или окружающих внешних условий на входе и, в частности, при температуре и давлении на входе. Альтернативно, шкала по оси Х может быть выходной мощностью двигателя с максимальной выходной мощностью (в точке 64). Шкала по оси y представляет собой температуру газа сгорания на выходе 45 из камеры 16 сгорания. Сразу же следует отметить, что для любого конкретного газотурбинного двигателя и окружающих внешних условий на входе 12 температура и процент от выходной мощности могут заметно отличаться от тех, которые показаны схематически, и, таким образом, графическое представление находится не в масштабе.
Способ работы газотурбинного двигателя предназначен для следования рабочей линии 63, которая изображает соотношение между процентами от выходной мощности и температурой на выходе 45 из камеры 16 сгорания, как уже упоминалось выше. Рабочая линия 63 имеет ряд точек от 64 до 73 и рабочие условия или диапазоны, которые теперь будут описаны со ссылкой на уменьшение выходной мощности газотурбинного двигателя от 100% до 0% от максимальной выходной мощности, т.е. от верхнего правого края графика до нижнего левого. Однако следует иметь в виду, что настоящий способ не требует, чтобы газотурбинный двигатель находился со 100% или заканчивал (работу) с 0%. Должно быть очевидно, что описанный в настоящем документе способ может включать работу газотурбинного двигателя во время увеличения выходной мощности и между 0% (включительно) и 100% (включительно), т. е. от нижнего левого края графика к верхнему правому краю графика или, другими словами, с увеличением выходной мощности двигателя 10. Кроме того, настоящий способ требует только того, чтобы газовая турбина могла работать в пределах конкретных диапазонов выходной мощности, где работают регулируемые поворотные лопатки и/или первая система отбора воздуха и/или вторая система отбора воздуха.
Точка 64 представляет собой 100% или максимальную выходную мощность и самую высокую температуру на выходе 45 из камеры сгорания. В этой рабочей точке регулируемые поворотные лопатки 46V являются полностью открытыми и нет отбора воздуха из компрессора 14, здесь температура на выходе 45 из камеры 16 сгорания достаточно высока для образования минимальных или приемлемых выбросов.
Точка 65 находится в диапазоне 65R высокой выходной мощности и находится ниже 100% от выходной мощности, а температура, измеренная на выходе 45 из камеры 16 сгорания ниже самой высокой температуры на выходе из камеры сгорания. Точка 65 представляет собой положение на графике между точкой 88 и точкой 64 и находится в пределах диапазона 65R высокой выходной мощности двигателя. Высокая выходная мощность 65R включает в себя 100% выходной мощности (точка 64) и вплоть до точки 88. Как правило, диапазон 65R высокой выходной мощности составляет от 100% от максимальной выходной мощности до 80% от максимальной выходной мощности. В других примерах диапазон 65R высокой выходной мощности составляет от 100% от максимальной выходной мощности до 75% от максимальной выходной мощности. При диапазоне 65R высокой выходной мощности регулируемые поворотные лопатки 46V являются полностью открытыми и отсутствует отбор воздуха из компрессора 14, и температура на выходе 45 из камеры 16 сгорания все еще достаточно высока для образования минимальных или приемлемых выбросов.
В точке 88 имеется заданная температура Т3 и находится в пределах диапазона умеренно средней выходной мощности 80R. Диапазон умеренно высокой выходной мощности 80R располагается от точки 88 до точки 84. Когда измеряется третья заданная температура с помощью датчика температура, блок 42 управления двигателем начинает закрывать регулируемые поворотные лопатки 46V посредством регулируемых лопаточных механизмов 49. Поскольку выходная мощность продолжает уменьшаться, модулируется поворотное положение регулируемых поворотных лопаток 46V, поворачивающихся в направлении от открытого положения и к закрытому положению между ними, чтобы поддерживать постоянную температуру в камере сгорания или температуру пламени в камере сгорания путем уменьшения или регулирования количества сжатого воздуха, входящего в камеру 16 сгорания. В точке 84 регулируемые поворотные лопатки 46V находятся в своем самом закрытом положении для любого данного двигателя и/или условий окружающей среды. В диапазоне 82R умеренно высокой выходной мощности способ содержит изменение угла регулируемых поворотных лопаток 46V таким образом, чтобы поддерживалась заданная температура Т3 в камере 16 сгорания. Диапазон умеренно высокой выходной мощности 80R имеет максимальную точку 88 и минимальную точку 84. Способ содержит изменение угла регулируемых поворотных лопаток 46V таким образом, чтобы поддерживалась третья заданная температура Т3 в камере сгорания путем изменения угла регулируемых поворотных лопаток 46V между открытым положением в максимальной точке 88 и закрытым положением в минимальной точке 84.
В точке 84 регулируемые поворотные лопатки 46V находятся в своем самом закрытом положении для любого данного двигателя и/или условий окружающей среды. Ниже точки 84 газотурбинный двигатель продолжает уменьшать мощность, и температура в камере сгорания уменьшается до тех пор, пока точка 66 не достигается или не появляется. Этот переходный диапазон мощности 82R находится между точкой 84 и точкой 66 и регулируемые поворотные лопатки 46V остаются полностью открытыми.
Точка 66 находится при первой заданной температуре T1 и в пределах диапазона 67R умеренной выходной мощности газотурбинного двигателя 10. Непосредственно над точкой 66 отсутствует отбор воздуха из компрессора 14 и это режим работы, как описано выше со ссылкой на вышеуказанную точку 65. Ниже точки 66 температура на выходе из камеры сгорания иначе может быть ниже температуры в камере сгорания, при которой выбросы были бы нежелательными или неприемлемыми. В пределах диапазона 67R умеренной выходной мощности, например, в точке 67, которая меньше диапазона умеренно высокой выходной мощности 80R, камера 16 сгорания имеет постоянную температуру на выходе. Здесь, поскольку камера сгорания или первая температура на выходе достигает первой заданной температуры T1, способ содержит перепуск сжатого газа из нижней по потоку части 36 компрессора 14 в верхнюю по потоку часть 38 компрессора 14 таким образом, чтобы поддерживалась первая температура на выходе. Поскольку выход мощности двигателя уменьшается от точки 66 и по направлению к точке 68, блок 42 управления двигателем дает команду клапану 40 (и там, где это применимо, клапанам 52B и/или 54B) открываться и увеличивать величину отбора воздуха для поддержания первой температуры на выходе при первой заданной температуре T1.
Точка 68 представляет собой конец диапазона умеренно высокой выходной мощности 67R. В точке 68 перепуск газа из нижней по потоку части 36 компрессора 14 в верхнюю по потоку часть 38 компрессора 14 достиг максимальной величины и клапан 40 является полностью открытым. Следует иметь в виду, что "полностью открытый" здесь может означать, что клапан 40 (и там, где использовался, клапан 52B и/или 54B) является открытым до максимально допустимой степени в зависимости от других параметров и применения двигателя. Например, может быть еще одна причина для ограничения максимально допустимой степени или "полностью открытого" состояния, такая как размер воздуховода или рабочий предел, такая как максимально допустимая температура на входе в компрессор. После точки 68, и поскольку выходная мощность уменьшается, температура, измеренная на выходе 45 из камеры 16 сгорания, начинает снижаться.
Точка 69 находится там, где газотурбинный двигатель 10 начинает работать в диапазоне умеренной выходной мощности 70R, и где камера 16 сгорания достигает второй заданной температуры T2, и которая в данном примере ниже первой заданной температуры T1. В точке 69 блок 42 управления двигателем получает сигнал от датчика 44 температуры, сообщающий о достижении второй заданной температуры Т2, и дает команду клапану 41 (и там, где использовался, клапану 52B и/или 54B) начать открываться и перепускать газ из нижней по потоку части 36 компрессора 14 в выхлопную трубу 30 таким образом, чтобы вторая температура на выходе поддерживалась на уровне второй заданной температуре Т2. В точке 70, которая является характеризующей для точки в пределах диапазона умеренной выходной мощности 70R, регулируемые поворотные лопатки 46V являются полностью открытыми и перепуск газа из нижней по потоку части 36 компрессора 14 в верхнюю по потоку часть 38 компрессора 14 продолжается при максимальной величине, и также происходит перепуск газа из нижней по потоку части 36 компрессора 14 в выхлопную трубу 30. От точки 69 и по направлению к точке 71 в диапазоне умеренно низкой выходной мощности 70R имеется увеличение количества перепускаемого газа из нижней по потоку части 36 компрессора 14 в выхлопную трубу 30. Блок 42 управления двигателем дает команду клапану 41 (и там, где использовался, клапану 52B и/или 54B) постепенно открываться, увеличивая величину и относительно уменьшая выходную мощность двигателя таким образом, чтобы поддерживалась температура (T2) на выходе 45 из камеры 16 сгорания. Когда клапан 41 полностью открыт до своего максимального физического состояния или достигается другой предел, например, максимально допустимая температура выхлопа, в точке 71 максимальное количество отводимого газа отбирается из компрессора 14 в выхлопную трубу 30. Таким образом, в диапазоне умеренно низкой выходной мощности 70R имеется максимальное или, по меньшей мере, большое количество отбираемого газа, который перепускается из нижней по потоку части 36 в верхнюю по потоку часть 38 компрессора 14 и переменное количество отводимого газа из компрессора 14 в выхлопную трубу 30.
Диапазон умеренно низкой выходной мощности 70R находится между точкой 69 и точкой 71. В точке 69 фактически происходит нулевой перепуск газа из нижней по потоку части 36 компрессора 14 в выхлопную трубу 30, но примерно именно в этой точке клапан 41 должен открываться. В точке 71 перепуск газа из нижней по потоку части 36 компрессора 14 в выхлопную трубу 30 находится на максимальном уровне и регулируемые поворотные лопатки 46V являются полностью открытыми.
В диапазоне 72R низкой выходной мощности, который имеется между точкой 71 и точкой 73, которая составляет 0% от максимальной выходной мощности, происходит перепуск газа из нижней по потоку части 36 компрессора 14 в верхнюю по потоку часть 38 и в выхлопную трубу 30 одновременно при максимальной величине. При отсутствии возможности дальнейшего отбора воздуха температура на выходе 45 из камеры сгорания продолжает падать с уменьшением выходной мощности. В зависимости от типа двигателя и условий окружающей среды температура в камере сгорания будет такой, что будут образовываться нежелательные выбросы; однако ниже точки 71 двигатель часто выключается и не работает в течение значительного периода времени.
Каждая из третьей, первой и второй заданных температур Т3, T1, T2 включает номинальную температуру и верхний и нижний пределы. Верхний и нижний пределы имеют отклонения от номинальной температуры, как правило, +5°C и -5°C, соответственно; это также можно назвать температурным диапазоном в 10°C, имеющем медиану, которая является заданной температурой. Другие применения могут иметь различные температурные диапазоны или пределы, например, температурный диапазон 8°C или +4°C и -4°C. Изменение количества отбираемого газа либо из первой системы 32 отбора воздуха, либо из второй системы 33 отбора воздуха в зависимости от рабочей выходной мощности включает в себя увеличение или поддержание постоянным количества отбираемого газа путем модуляции клапана, если температура в камере 16 сгорания достигает нижнего предела, и/или уменьшение или поддержание постоянным количества отбираемого газа путем модуляции клапанов, если температура в камере сгорания достигает верхнего предела. Аналогично, изменение поворотного угла регулируемых поворотных лопаток 46V зависит от рабочей выходной мощности и включает в себя увеличение или удержание постоянным поворотного угла путем модуляции регулируемого лопаточного механизма 49, если температура в камере сгорания достигает нижнего предела, и/или уменьшение или удержание постоянным поворотного угла путем модуляции регулируемого лопаточного механизма 49, если температура в камере сгорания достигает верхнего предела.
Разница между первой заданной температурой Т1 и второй заданной температурой Т2 составляет приблизительно 5°C, хотя в других примерах газотурбинного двигателя, который может иметь заметно отличающиеся системы сгорания, разница между первой заданной температурой Т1 и второй заданной температурой Т2 может находиться в диапазоне 5-20°C. Однако, как описано выше, модуляция клапанов 40, 41 (и 52B, 54B) для управления массовым расходом перепуска основана на достижении температуры в камере сгорания верхнего и нижнего пределов, поэтому разница температур между T1 и T2 должна быть вне верхнего и нижнего пределов. Разница между третьей заданной температурой T3 и первой заданной температурой T1 составляет приблизительно 10°C, хотя в других примерах газотурбинного двигателя, который может иметь заметно отличающиеся системы сгорания, разница между третьей заданной температурой T3 и первой заданной температурой T1 может находиться в диапазоне 5-20°C. Однако, как описано выше, модуляция поворотного угла регулируемых поворотных лопаток 46V основана на достижении температуры в камере сгорания верхнего и нижнего пределов, поэтому разница температур между третьей заданной температурой T3 и первой температурой T1 должна быть вне верхнего и нижнего пределов.
В другом примере способа работы газотурбинного двигателя 10 вместо использования разницы температур, т.е. разницы по температуре от заданной температуры Т1 до заданной температуры Т2, для инициирования открытия клапана 41 (и/или клапанов 52B, 54B) для отбора воздуха из компрессора в выхлопную трубу можно использовать другие индикаторы, свидетельствующие о том, что перепуск газа из нижней по потоку части 36 компрессора 14 в верхнюю по потоку часть 38 компрессора 14 достиг своей максимальной величины. Одним таким индикатором является датчик (датчики) 57 положения клапана на клапане 40 (и, если использовались, на клапанах 52B, 54B), таким, что, известно, когда перепуск газа из нижней по потоку части 36 компрессора 14 в верхнюю по потоку часть 38 компрессора 14 достиг заданной величины или максимальной величины. Таким образом, на фигуре 3 модифицированный способ работы газотурбинного двигателя предназначен следовать пунктирной части 63’ рабочей линии 63. Рабочие точки 70’, 71’ фактически заменяют точки 70,71, а точка 69 является недействительной. Умеренно низкий диапазон выходной мощности 70R теперь становится умеренно низким диапазоном выходной мощности 70R’, и который находится между точкой 68 и точкой 71’. Таким образом, первая заданная температура T1 может быть равна или приблизительно равна второй заданной температуре T2. Для любого данного газотурбинного двигателя диапазон умеренно низкой выходной мощности 70R примерно равен диапазону средней и низкой выходной мощности 70R’.
Альтернативно или также, как датчик (датчики) 57 положения клапана на клапане 40 (и, если использовались, на клапанах 52B, 54B) посылает непрерывные сигналы в блок 42 управления двигателем. Блок 42 управления двигателем запрограммирован таким образом, что при достижении заданного положения клапана он дает команду клапану 41 начать открываться. Поскольку выходная мощность или нагрузка снижается в диапазоне умеренно низкой выходной мощности 70R' блок 42 управления двигателем дает команду клапану 41 открываться в относительно увеличивающихся величинах, тем самым поддерживая температуру на выходе из камеры 16 сгорания на уровне заданных температур T1 и/или T2.
Другим таким индикатором является датчик 47 в регулируемом лопаточном механизме 49, который способен указывать поворотный угол регулируемых поворотных лопаток 46V и, в частности, когда регулируемые поворотные лопатки 46V достигли своих полностью открытого и полностью закрытого положений и также в любом промежуточном положении. Таким образом, на фигуре 3 модифицированный способ работы газотурбинного двигателя предназначен следовать пунктирной части 63’’ рабочей линии 63. Точки 88 и 86 заменяются точками 88’ и 86’, а точка 84 является недействительной. Диапазон умеренно высокой выходной мощности 80R теперь становится диапазоном умеренно низкой выходной мощности 80R’, который находится между точкой 88’ и точкой 66. Диапазон 65R высокой выходной мощности становится диапазоном 65R высокой выходной мощности’ и может быть немного расширенным. Таким образом, третья заданная температура может быть равной или приблизительно равной первой заданной температурой T1. Для любого данного газотурбинного двигателя диапазон умеренно высокой выходной мощности 80R примерно равен диапазону умеренно низкой выходной мощности 80R’. Поскольку выходная мощность уменьшается в диапазоне умеренно высокой выходной мощности 80R’, датчик 47 будет непрерывно посылать сигналы в блок 42 управления двигателем для определения поворотного угла регулируемых поворотных лопаток 46V. В точке 66 датчик 47 дает сигналы блоку 42 управления двигателем, что регулируемые поворотные лопатки 46V достигли своего максимального открытого положения. Затем, как только температура начинает снижаться, блок 42 управления двигателя указывает, что клапан 40 первой системы 32 отбора воздуха начинает открываться.
Аналогично, если выходная мощность увеличивается в диапазоне 67R умеренной выходной мощности и точка 66 достигается, где датчик 57 указывает на то, что клапан 40 отбора (и/или 52B, 54B) закрылся, затем блок 42 управления двигателем будет давать команду регулируемому лопаточному механизму 49 начинать поворот регулируемых поворотных лопаток 46V из их закрытого положения по направлению к их открытому положению.
Таким образом возможно, что третья заданная температура T3 является такой же, как первая заданная температура T1. Также возможно, что третья заданная температура T3 является такой же, как первая заданная температура T1 и вторая заданная температура T2.
Например, при запуске газотурбинного двигателя (точка 73) и увеличении выходной мощности до 100% (точка 64) обе системы 32, 33 отбора воздуха полностью открыты в диапазоне 72R низкой выходной мощности и регулируемые направляющие лопатки 46V являются закрытыми. Альтернативный подход к запуску газотурбинного двигателя заключается в том, чтобы иметь одну или обе системы отбора воздуха 32, 33 закрытыми и/или регулируемые поворотные лопатки 46V открытыми или частично открытыми при запуске и увеличении нагрузки до достижения заданной точки в пределах диапазона низкой мощности 72R, в которой обе первая вторая системы 32, 33 отбора воздуха увеличиваются до их максимальных величин и/или регулируемые поворотные лопатки являются полностью открытыми. При достижении второй заданной температуры T2 в камере 16 сгорания клапан 41 второй системы 33 отбора воздуха получает команду начать закрываться из своего полностью открытого состояния. Поскольку выходная мощность продолжает увеличиваться по диапазону 70R, 70R’ умеренно низкой выходной мощности, клапан 41 второй системы 33 отбора воздуха получает команду постепенно (плавно или поэтапно) закрываться до тех пор, пока не будет достигнута точка 69 или точка 68 в зависимости от того, существует ли разница между T1 и T2 или T2=T1.
Там, где вторая заданная температура T2 и первая заданная температура T1 установлены с разницей, как описано выше, прослеживается линия 63 выходной мощности и по достижении точки 69 клапан 41 является полностью закрытым. Температура в камере 16 сгорания увеличивается от второй заданной температуры T2 до первой заданной температуры T1 во всем коротком диапазоне выходной мощности 74R. При достижении первой заданной температуры T1 клапан 40 получает команду начать закрываться из своего полностью открытого или максимального допустимого открытого состояния.
Альтернативно, когда вторая заданная температура T2 и первая заданная температура T1 установлены приблизительно равными, как описано выше, прослеживается линия 63’ выходной мощности и по достижении точки 68 клапан 41 является полностью закрытым. Датчик положения клапана, который контролирует клапан 41, сигнализирует, что клапан 41 является полностью закрытым или почти совсем закрытым, скажем, в пределах 5% закрытым, и блок 42 управления двигателем дает команду клапану 40 начать закрываться.
В любом случае, поскольку выходная мощность продолжает увеличиваться по диапазону умеренно выходной мощности 67R, клапану 40 первой системы 32 отбора воздуха дается команда постепенно (плавно или поэтапно) закрываться до точки 66.
Как описано выше, заданные температуры T1 и T2 поддерживаются на уровне постоянной номинальной температуры (или, по меньшей мере, в пределах ее верхнего и нижнего пределов) по диапазону 70R, 70R’ умеренно низкой выходной мощности и 67R умеренной выходной мощности с помощью датчика температуры 44, указывающего, когда достигается верхний или нижний предел, и модулирующего клапаны для открытия или закрытия в такой степени, чтобы компенсировать то, что температура в камере сгорания остается в пределах заданного температурного диапазона. Аналогично, заданная температура T3 поддерживается на уровне постоянной номинальной температуры (или, по меньшей мере, в пределах ее верхнего и нижнего пределов) по диапазону умеренно высокой выходной мощности 80R, 80R’ с помощью датчика температуры 44, указывающего, когда достигается верхний или нижний предел, и модулирующего угол регулируемых поворотных лопаток 46V для открытия или закрытия соответственно величине для такого компенсирования, чтобы температура в камере сгорания оставалась в пределах заданного температурного диапазона или пределов.
Как будет видно из описания, относящегося к снижению выходной мощности, в диапазоне 65R высокой выходной мощности оба клапана 40, 41 являются полностью закрытыми и регулируемые поворотные лопатки 46V являются полностью открытыми.
Следует иметь в виду, что значения диапазонов выходной мощности 65R, 65R’, 67R, 70R, 70R’, 72R, 74R, 80R, 80R’ и 82R или требуемой нагрузки в точках на рабочих линиях 63, 63’, 63’’ могут быть различными для разных газотурбинных двигателей. Таким образом, хотя их максимальные диапазоны могут казаться перекрывающимися, для любого газотурбинного двигателя диапазоны выходной мощности не перекрываются. Следовательно, вторая система 32 отбора воздуха не работает (т.е. закрыта) и регулируемые поворотные лопатки 46V являются закрытыми в пределах диапазона 67R умеренной выходной мощности. Другими словами, при уменьшении выходной мощности двигателя вторая система 33 отбора воздуха начинает перепускать только тогда, когда первая система 32 отбора воздуха достигла своего максимума или очень близка к своему максимуму, например, в пределах 5% от своего максимума. Аналогично, только когда регулируемые поворотные лопатки 46V достигли своего полностью закрытого состояния, работает первая система 32 отбора воздуха.
Обычно, диапазон умеренно высокой выходной мощности 80R находится между 90% и 40% от максимальной выходной мощности, и предпочтительно диапазон умеренно высокой выходной мощности 67R находится между 70% и 50% от максимальной выходной мощности. Диапазон 67R умеренной выходной мощности находится между 90% и 40% от максимальной выходной мощности, и предпочтительно диапазон умеренно высокой выходной мощности 67R находится между 70% и 50% от максимальной выходной мощности. Диапазон 70R, 70R’ умеренно низкой выходной мощности находится между 50% и 35% от максимальной выходной мощности. Диапазон низкой выходной мощности 65R находится между 0% и 45% от максимальной выходной мощности, предпочтительно в диапазоне низкой выходной мощности 65R, 65R’ находится между 0% и 30% от максимальной выходной мощности, и предпочтительно диапазон низкой выходной мощности находится между 0% и 25%.
В определенных обстоятельствах, особенно когда температура окружающей среды чрезвычайно низка, необходимо нагревать воздух на входе 12 и/или нагревать вход 12 с антиоблединительными целями. В этом случае первая система 32 отбора воздуха из компрессора может иметь дополнительные воздуховоды на входе 12, и часть отбора воздуха из компрессора используется для нагревания или с антиобледенительными целями. Оставшийся отбор воздуха из компрессора, который составляет большую часть общего доступного отбора воздуха из компрессора, используется первой системой 32 отбора воздуха из компрессора и второй системой 34 отбора воздуха из компрессора, как описано в настоящем документе.
Настоящее изобретение описано со ссылкой на вышеуказанный пример турбинного двигателя, имеющего один вал или турбокомпрессор, соединяющий один многоступенчатый компрессор и единственную, одноступенчатую или более ступенчатую турбину. Однако следует иметь в виду, что настоящее изобретение в равной степени применимо к двухвальным или трехвальным двигателям, и которое может быть использовано для промышленного, авиационного или морского применений.
Термины "верхний по потоку" и "нижний по потоку" относятся к направлению течения потока воздуха и/или потока рабочего газа через двигатель, если не указано иное. Термины "вперед" и "назад" относятся к общему потоку газа через двигатель. Термины осевой, радиальный и окружной употреблены применительно к оси 20 вращения двигателя.