СПОСОБ РАБОТЫ УСТРОЙСТВА ГОРЕНИЯ
METHOD OF OPERATION OF BURNING DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу работы устройства горения. В частности, способ согласно изобретению позволяет обеспечить работу устройства горения с уменьшенными пульсациями. Предпочтительно устройство горения является частью газовой турбины.
Уровень техники
В последующем делается отдельная ссылка на устройства горения, которые являются частью газовой турбины; во всяком случае понятно, что способ также может применяться в устройствах горения для различных вариантов применения. Соответственно, перед устройством горения обычно обеспечивается компрессор, а после устройства горения обычно обеспечивается турбина.
Известны устройства горения, которые включают в себя корпус с подачей жидкого топлива (например, нефтепродукта) или газообразного топлива (например, природного газа), а также с подачей окислителя (обычно воздуха).
Во время работы топливо и окислитель взаимодействуют внутри устройства горения и производят дымовые газы с высоким давлением и температурой, которые расширяются в турбине.
Во время работы в неустановившемся режиме, например таком, когда газовая турбина запускается, выключается, во время переключения топлива, или также во время других переходных процессов могут появиться проблемы.
Фактически во время работы в неустановившемся режиме внутри устройства горения могут генерироваться волны давления.
На фиг.1 показан пример возможной круговой волны давления (это может быть статическая или вращающаяся волна давления). На фиг.1 показано давление Р, как функция углового положения φ через устройство горения в период времени t=t0 (сплошная линия) и t=t1 (пунктирная линия). Из фиг.1 ясно, что инжектор, расположенный в положении φ1:
- в период времени t=t0 сталкивается с окружающим пространством при низком давлении Р1; это способствует подаче топлива через инжектор; и
- в период времени t=t1 сталкивается с окружающим пространством при высоком давлении Р2; это затрудняет подачу топлива через инжектор.
Аналогичным образом, на фиг.2 показан пример возможной осевой волны давления. На фиг.2 показано давление Р как функция осевого положения х (L обозначает длину устройства горения) в период времени t=t0 (сплошная линия) и t=t1 (пунктирная линия).
В этом случае также инжектор будет сталкиваться с устройством горения, имеющим давление, которое меняется во времени. Как объяснялось выше, это меняющееся во времени давление неблагоприятно воздействует на впрыск топлива.
На фиг.3 показан эффект меняющегося во времени давления внутри устройства горения при впрыске топлива. В частности, на фиг.3 показан пример, в котором массовый расход топлива уменьшается; это могло бы быть примером переключения топлива, однако так или иначе аналогичные условия также присутствуют при начале запуска работы или в начале и конце переключения топлива, и в целом каждый раз массовый расход подаваемого топлива уменьшается и падает ниже заданного массового расхода топлива.
На фиг.3 показан массовый расход М топлива, впрыскиваемого через инжектор, как функция времени t. Из фиг.3 можно различить, по меньшей мере, следующие фазы:
- перед моментом времени t=t3: устойчивая работа с практически постоянным массовым расходом топлива, проходящего через инжектор (кривая 1),
- между t=t3 и t=t4: (массовый расход топлива остается выше критического массового расхода Мс топлива): количество впрыскиваемого топлива уменьшается, но меняющееся во времени давление внутри устройства горения не слишком ощутимо воздействует на впрыскивание топлива (кривая 2),
- после t=t4: (т.е. когда массовый расход топлива падает ниже критического массового расхода Мс топлива): в этих условиях, поскольку количество топлива является низким, меняющееся во времени давление внутри устройства горения поочередно способствует и затрудняет впрыскивание топлива, вызывая изменяющееся во времени впрыскивание топлива. В частности, на фиг.2 кривая 2 показывает теоретический режим работы при уменьшенном массовом расходе топлива, а кривая 3 является примером возможного реального режима работы при уменьшенном массовом расходе топлива.
Изменяющаяся во времени подача топлива в устройство горения генерирует большие пульсации процесса горения.
Пульсации при горении в значительной степени воздействуют механически и термически на устройство горения и расположенную ниже по потоку турбину, поэтому им необходимо противодействовать.
Раскрытие изобретения
Таким образом, задачей изобретения является создание способа, с помощью которого пульсациям при горении, генерируемым во время работы в неустановившемся режиме, оказывается противодействие.
Указанная и дополнительные задачи решены в способе согласно прилагаемой формуле изобретения.
Краткое описание чертежей
Дополнительные характеристики и преимущества изобретения будут более понятны из описания предпочтительного, но неисключительного варианта осуществления изобретения, проиллюстрированного в качестве неограничивающего примера со ссылкой на сопроводительные чертежи.
На фиг.1 и 2 показаны волны давления Р внутри устройства горения как функция от кругового угла φ или осевого положения х в два различных периода времени t0 и t1;
на фиг.3 - массовый расход топлива, впрыснутого в устройство горения, как функция от времени t;
на фиг.4-9 - различные устройства горения, в которых может использоваться этот способ;
на фиг.10-17 - различные варианты осуществления способа согласно изобретению.
Осуществление изобретения
Способ может быть использован с любым типом устройства горения, например может быть адаптирован для генерирования пламени предварительно перемешанной смеси, диффузионного пламени, смешанного пламени, и т.д.
Например, устройство горения может быть устройством 5 горения предварительно перемешанной смеси (фиг.4), имеющим коническую вихревую камеру 6 и камеру 7 сгорания, расположенную по потоку после вихревой камеры 6; при этом между ними расположена передняя пластина 8. Это устройство горения дополнительно включает в себя средство подачи топлива (например, трубку 9, через которую обычно впрыскивается жидкое топливо) и тангенциальные прорези 10 в вихревой камере 6 для подачи окислителя (обычно воздуха). Средство дополнительной подачи топлива включает в себя инжекторы 11 (фиг.5), расположенные на линиях 12, которые присоединены к стенке вихревой камеры 6 вблизи прорезей 10, для впрыскивания топлива (обычно газообразного топлива). Этот тип устройства 5 горения является хорошо известным, и он схематически показан на фиг.4, 5 и 9.
Другой тип устройств 15 горения предварительно перемешанной смеси, например, схематически показан на фиг.6. Это устройство 15 горения включает в себя корпус 16 (например, трубчатый корпус с квадратным или трапецеидальным поперечным сечением) с впускным отверстием 17 и выпускным отверстием. Внутри корпуса 16 располагаются завихрители 19 (например, тетраэдральные завихрители, однако также возможны различные формы и концепции), при этом средство подачи топлива включает в себя трубку 20 с топливными инжекторами 21. По потоку после корпуса 16 расположена камера 22 сгорания.
На фиг.7 и 8 показаны дополнительные примеры устройств горения, которые компонуются таким образом, чтобы генерировать диффузионное пламя.
Эти устройства 25 горения имеют корпус 26 со средствами подачи топлива, включающими в себя топливные инжекторы 27 (для подачи жидкого или газообразного топлива), и со средствами подачи окислителя, включающими в себя инжекторы 28 для окислителя.
На всех фигурах ссылочная позиция 30 обозначает пламя, а ссылочная позиция G обозначает горячие газы, генерируемые в устройстве горения и направленные в сторону турбины.
Далее делается частная ссылка на вариант осуществления изобретения, показанный на фиг.3; во всяком случае понятно, что тот же самый способ может быть применен в устройствах горения всех типов (т.е. тех, которые описаны или других).
Способ работы устройства 5 горения включает подачу топлива 35 и окислителя 36 в устройство 5 горения и сжигание топлива.
Кроме того, в течение, по меньшей мере, части работы в неустановившемся режиме, например, такой как запуск, выключение или переключение, дополнительная текучая среда 37 подается в устройство 5 горения вместе с топливом 35.
Дополнительная текучая среда 37, предпочтительно, подается через те же самые инжекторы, что и топливо 35, и обычно, по меньшей мере, частично смешивается с топливом 35 (этот признак, во всяком случае, не является необходимым).
Таким образом, количество дополнительной текучей среды 37 регулируется, чтобы противодействовать пульсациям при сгорании.
Как показано на фиг.14, выбирается первый параметр FP, обозначающий подачу топлива, и дополнительная подача текучей среды начинается только тогда, когда первый параметр достигнет критического значения FPc. Это критическое значение FPc может быть выбрано таким образом, что когда первый параметр достигает или проходит его, начинают генерироваться или, по существу, генерироваться пульсации. В этом отношении на фиг.14 показан первый параметр FP и его критическое значение FPc; подача дополнительного топлива начинается только в точке t5, когда первый параметр достигает своего критического значения FPc.
В различных примерах первым параметром может быть массовый расход М топлива или перепад давления ΔР между средством подачи топлива и внутренней частью устройства 5 горения; в этих случаях дополнительная подача текучей среды начинается в тот момент, когда количество топлива, подаваемого в устройство горения, или перепад давления падают ниже критического значения Мс или ΔРс.
Кроме того, также выбирается второй параметр SP, обозначающий подачу топлива и подачу дополнительной текучей среды; при этом регулирование включает в себя поддержание второго параметра выше или ниже заданного значения (фиг.15) или предпочтительно поддержание второго параметра SP внутри предварительно заданного диапазона R (фиг.16).
Заданным значением может быть критическое значение SPc второго параметра SP. Также в этом случае критическое значение может быть выбрано таким образом, что когда второй параметр достигает или проходит его, начинают генерироваться или, по существу, начинают генерироваться пульсации.
В различных примерах диапазон R второго параметра соответствует критическому значению SPc второго параметра ±10%, или предпочтительно критическому значению SPc второго параметра ±1%, или более предпочтительно критическому значению SPc второго параметра.
Предпочтительно, нижняя или верхняя часть диапазона соответствует критическому значению SPc второго параметра.
Второй параметр SP может быть массовым расходом М топлива или дополнительной текучей среды или перепадом давления ΔР между средством подачи топлива и дополнительной текучей среды и внутренней частью устройства 5 горения. В этих случаях регулирование включает в себя поддержание общего массового расхода топлива 35 и дополнительной текучей среды 37, или перепада давления ΔР выше критического значения, или поддержание их внутри предварительно заданного диапазона R.
На фиг.17 показан пример, в котором первый и второй параметры являются одинаковыми физическими категориями (например, массовый расход М топлива или перепад давления ΔР, как показывалось выше). В этом случае первый параметр и второй параметр могут быть измерены с помощью одинаковых датчиков. В частности, на фиг.17 показано, что до момента времени t=t6, т.е. когда массовый расход М топлива или перепад давления ΔР между подаваемым топливом и внутренней частью устройства горения находятся выше критического значения Мс или ΔРс, датчики измеряют первый параметр, при этом впрыскивается только топливо, а когда первый параметр (т.е. М или ΔР) достигает критического значения Мс или ΔРс, также начинает подаваться дополнительная текучая среда 37, и датчики измеряют второй параметр SP; в этом примере второй параметр сохраняется на критическом значении Мс или ΔРс, но как уже описывалось, он может сохраняться выше или ниже него, или внутри диапазона R.
Для измерения перепада давления ΔР может быть использовано устройство управления, показанное на фиг.9.
На фиг.9 показано устройство 45 управления, соединенное с датчиками 46 для измерения давления в линии, подающей топливо (или топливо и дополнительную текучую среду) к устройству 5 горения, и датчиками 47 для измерения давления внутри устройства горения; устройство 45 управления обрабатывает сигналы от датчиков 46, 47 и подает сигнал управления (к клапану 48 или другому компоненту) для регулирования количества дополнительной текучей среды 37.
Топливо 35 подается в устройство 5 горения через средство подачи топлива (например, трубку 9 или линии 11, но в других примерах устройств 15, 25 горения - также через трубку 20); дополнительная текучая среда 37 предпочтительно также подается в то же самое средство подачи топлива (т.е. в трубку 9, или линии 11, или трубку 20).
Предпочтительно дополнительная текучая среда 37, по меньшей мере, частично смешивается с топливом 35, для чего может быть обеспечен смеситель 49.
Дополнительная текучая среда 37 предпочтительно является инертной текучей средой; инертная текучая среда является средой, которая не вступает в реакцию во время горения, т.е. она не является ни топливом, ни окислителем.
Кроме того, когда топливо является жидким топливом, инертная текучая среда предпочтительно является жидкой текучей средой (например, топливо может быть нефтепродуктом и дополнительной текучей средой в виде воды), а когда топливо является газообразным топливом, дополнительной текучей средой, предпочтительно является газообразной текучй средой (например, топливом может быть природный газ или метан, а дополнительной текучей средой может быть азот).
Предпочтительно с того момента, когда количество топлива становится низким, вместе с топливом впрыскивается дополнительный поток, при этом не происходит колебаний в количестве топлива, впрыскиваемого в устройство горения. Это предотвращает или препятствует возникновению термических или механических пульсаций.
Далее некоторые варианты осуществления изобретения описаны подробно.
Пример 1 - переключение с топлива, являющегося предварительно приготовленной смесью газа, на предварительно приготовленную смесь нефтепродукта.
На фиг.10 кривая 50 показывает уменьшающееся количество предварительно приготовленной смеси газа, впрыскиваемого в устройство горения, а кривая 51 показывает увеличивающееся количество предварительно приготовленной смеси нефтепродукта. Кроме того, кривая 52 обозначает воду, которая подается вместе с предварительно приготовленной смесью нефтепродукта 51, а кривая 53 обозначает перепад давления, как определено в описании изобретения. Количество воды является максимальным при начале ее подачи, а затем оно уменьшается. Когда первый параметр для предварительно приготовленной смеси нефтепродукта превышает критическое количество (например, массовый расход Мс топлива или перепад давления ΔРс), подача воды останавливается (кривая 52 идет к нулю). В этом примере дополнительная текучая среда подается только вместе с предварительно приготовленной смесью нефтепродукта (но не с предварительно приготовленной смесью газа).
Пример 2 - переключение с топлива, являющегося предварительно приготовленной смесью газа, на предварительно приготовленную смесь нефтепродукта.
Этот пример является аналогичным первому примеру. В частности, в этом втором примере обеспечиваются две скорости для регулирования топлива: низкая скорость во время подачи воды, и более высокая скорость, когда подача воды не обеспечивается.
Пример 3 - переключение с топлива, являющегося предварительно приготовленной смесью газа, на предварительно приготовленную смесь нефтепродукта.
Этот пример также является аналогичным первому примеру, в частности вода 52 и азот 54 подаются в тот момент, когда первый параметр как для предварительно приготовленной смеси 50 газа, так и для предварительно приготовленной смеси 51 нефтепродукта становится ниже их критического значения.
Пример 4 - переключение с топлива, являющегося предварительно приготовленной смесью газа, на предварительно приготовленную смесь нефтепродукта.
Этот пример также является аналогичным первому примеру, в частности подача воды начинается перед подачей предварительно приготовленной смеси нефтепродукта.
В действительности описанные здесь признаки могут обеспечиваться независимо один от другого.
При практическом применении используемые материалы и размеры могут быть выбраны в соответствии с требованиями и состоянием существующего уровня техники.
Номера ссылочных позиций
1 - массовый расход топлива при стабильной работе,
2 - теоретический массовый расход топлива во время работы в неустановившемся режиме,
3 - действительный массовый расход топлива во время работы в неустановившемся режиме,
5 - устройство горения,
6 - вихревая камера,
7 - камера сгорания,
8 - передняя пластина,
9 - трубка,
10 - тангенциальные прорези,
11 - инжекторы,
12 - линия,
15 - устройство горения,
16 - корпус,
17 - впускное отверстие,
19 - завихритель,
20 - трубка,
21 - инжекторы,
22 - камеры сгорания,
25 - устройство горения,
26 - корпус,
27 - инжекторы,
28 - инжекторы окислителя,
30 - пламя,
35 - топливо,
36 - окислитель,
37 - дополнительная текучая среда,
45 - устройство управления,
46 - датчик,
47 - датчик,
48 - клапан,
49 - смеситель,
50 - предварительно приготовленная смесь газа,
51 - предварительно приготовленная смесь нефтепродукта,
52 - вода,
53 - перепад давления,
54 - азот,
t, t0, t1, t3, t4, t5, t6 время x - осевое положение,
φ, φ1 - угловое положение,
ΔР - перепад давления,
ΔРс - критическое значение ДР,
FP - первый параметр,
FPc - критическое значение FP,
G - горячие газы,
L - длина устройства горения,
М - массовый расход топлива,
Мс - критическое значение М,
Р, Р1, Р21 - давление,
R - диапазон,
SP - второй параметр,
SPc - критическое значение SP.