Газовая турбина с двумя валами и способ управления степенью открытия входной направляющей лопатки газовой турбины
A 2-SHAFT GAS TURBINE, AND THE CONTROL METHOD OF OPENING DEGREE OF INLET GUIDE VANE OF THE GAS TURBINE

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к газовой турбине с двумя валами и способу управления входной направляющей лопаткой газовой турбины, в частности, к газовой турбине с двумя валами, которая может включать в себя газогенератор, состоящий из компрессора, камеры сгорания и турбины высокого давления для привода в действие компрессора, и турбину низкого давления для привода в действие нагрузки, а также к способу управления входной направляющей лопаткой этой газовой турбины.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В связи с наблюдающимся в последние годы увеличением спроса на энергию увеличивается и спрос на газовые турбины для привода в действие машин и механизмов, которые могут быть использованы при производстве сжиженного природного газа (СПГ). На установках по производству СПГ сжижение осуществляется за счет повышения давления природного газа в компрессоре для сжижения СПГ. В частности, для привода в действие компрессора для сжижения СПГ зачастую используется газовая турбина с двумя валами.
В газовой турбине с двумя валами часть турбины делится на турбину низкого давления и турбину высокого давления, и турбина низкого давления приводит в действие нагрузку, такую как компрессор СПГ или генератор мощности, а турбина высокого давления соединена с компрессором в качестве газогенератора. Особенностью газовой турбины с двумя валами является то, что турбина высокого давления и турбина низкого давления имеют разные валы вращения.
Как указано выше, газовая турбина с двумя валами используется не только в качестве механического привода, и в случае соединения с генератором мощности может быть использована при производстве электроэнергии. Газовая турбина для производства электроэнергии имеет простую конструкцию и характеризуется простотой эксплуатации и т.п. Поэтому газовые турбины с одним валом, в которых компрессор и турбина вращаются на одном и том же валу, получили широкое распространение. Однако в случае небольших размеров устройства возникает потребность в поддержании скорости вращения согласно спецификации генератора мощности, что приводит к появлению такого недостатка, как необходимость редуктора.
В то же время в случае использования газовой турбины с двумя валами для производства электроэнергии возможность произвольного выбора скорости вращения газогенератора, состоящего из компрессора, камеры сгорания, и газовой турбины высокого давления, и скорости вращения турбины низкого давления, делает редуктор ненужным. Поэтому появляется возможность создания малогабаритной и высокоэффективной газовой турбины.
При работе такой газовой турбины с двумя валами регулирование входной направляющей лопатки компрессора (ниже именуемой как ВНЛ) осуществляется на основе скорректированной скорости, полученной в результате коррекции влияния температуры окружающей среды на действительную скорость вращения вала газогенератора (вала газовой турбины высокого давления), то есть, как правило, независимо от рабочего состояния газогенератора управление ВНЛ осуществляется по эталону скорректированной скорости.
В этом случае, как показывает взаимозависимость между скорректированной скоростью вращения газогенератора и степенью открытия ВНЛ на фиг. 9А, степень открытия ВНЛ изменяется в соответствии со скорректированной скоростью вращения, коррелирующей с температурой окружающей среды (взаимозависимость между скорректированной скоростью вращения вала газогенератора и степенью открытия ВНЛ определяется однозначно). Поэтому, как показывает взаимозависимость между действительной скоростью вращения вала газогенератора и степенью открытия ВНЛ на фиг. 9В, так как линия рабочих режимов изменяется, то скорость вращения вала газогенератора изменяется с изменением температуры окружающей среды. То есть, даже при работе ВНЛ в условиях приближения к номинальной нагрузке за счет увеличения степени открытия ВНЛ, действительная скорость вращения изменяется с изменением температуры окружающей среды.
Поэтому, так как во время работы при номинальной нагрузке область для предотвращения резонанса лопатки увеличивается, то предотвращение резонанса на стадии проектирования становится затруднительным. Кроме того, с расширением диапазона предотвращения резонанса степень свободы проектирования профиля лопатки снижается, что приводит к возникновению проблемы и с повышением аэродинамической производительности лопатки.
Для предотвращения проблемы резонанса во время работы при номинальной нагрузке в заявке JP-A-2011-38531 раскрывается способ управления газовой турбиной с двумя валами. Заявка JP-A-2011-38531 посвящена тому, что при вращении с высокой скоростью вращения, включающем в себя рабочие состояния с номинальной нагрузкой, важность предотвращения помпажа (явления пульсации текучей среды, обусловленной разделением потока на лопатке компрессора) за счет управления эталоном скорректированной скорости снижается. В газовой турбине с двумя валами, состоящей из газогенератора и турбины низкого давления, средством управления ВНЛ является управление степенью открытия ВНЛ во время вращения вала газогенератора с низкой скоростью вращения по эталону скорректированной скорости, а во время вращения с высокой скоростью вращения - управление степенью открытия ВНЛ, осуществляемое так, чтобы поддерживать действительную скорость вращения постоянной.
При использовании способа управления газовой турбины с двумя валами, описываемого в заявке JP-A-2011-38531, как показывает взаимозависимость между скорректированной скоростью вращения вала газогенератора и степенью открытия ВНЛ на фиг. 10А, а также взаимозависимость между действительной скоростью вращения вала газогенератора и степенью открытия ВНЛ на фиг. 10В, линии рабочих режимов при низкой нагрузке становятся одинаковыми независимо от температуры окружающей среды. Однако при высокой нагрузке скорректированная скорость вращения изменяется с изменением температуры окружающей среды. В то же время при низкой нагрузке линия рабочих режимов изменяется с изменением температуры окружающей среды, а при высокой нагрузке скорость вращения вала газогенератора становится постоянной.
Таким образом, появляется возможность эффективного решения проблемы резонанса (проблемы, заключающейся в том, что в результате резонанса, возникающего при приближении скорости вращения во время вращения вала газогенератора к резонансной скорости вращения), а также возможность эффективной борьбы и с помпажом в компрессоре при вращении с низкой скоростью вращения. Поэтому появляется возможность снижения нагрузки при проектировании по проблеме резонанса и облегчается предотвращение резонанса, описанного выше.
Как указано выше, основной целью заявки JP-A-2011-38531 с точки зрения повышения надежности является в первую очередь предотвращение помпажа или резонанса, в то время как большого внимания производительности во время работы не уделяется.
Как правило, в газовой турбине понижение температуры приводит к увеличению отношения скорректированной скорости и давления и к повышению выходной мощности и эффективности, а в компрессоре повышение скорректированной скорости приводит к возрастанию потерь от ударной волны и к снижению эффективности по сравнению со случаем номинальных условий (обычно соответствующих 15°C). В большинстве случаев влияние этого эффекта проявляется в меньшей степени, чем эффекта повышения производительности описанной выше газовой турбины в целом. Однако в случае использования компрессора с большим числом Маха (в частности, компрессора с числом Маха на входе в наружный воздухозаборник первой ступени, равным или превышающим 1,2 и т.п.) при номинальных условиях с целью увеличения количества воздуха и т.п. проигнорировать влияние снижения эффективности компрессора становится невозможным.
Кроме того, в случае низкой температуры окружающей среды в дополнение к надежности, описываемой в заявке JP-A-2011-38531, необходимо также подавить снижение надежности, обусловленное изменением осевого распределения нагрузок на лопатку. То есть, как показывает взаимозависимость между температурой окружающей среды и осевым распределением нагрузок на лопатку на фиг. 11А, при низкой температуре в результате повышения скорректированной скорости нагрузка на лопатку передней ступени уменьшается по сравнению с номинальными условиями, а на лопатку задней ступени - увеличивается. Поэтому возникает высокое напряжение при вибрации, обусловленное разделением потока на лопатке задней ступени, и появляется возможность повреждения этой лопатки задней ступени.
Кроме того, методика повышения производительности газовой турбины во время работы при низкой температуре раскрывается в заявке JP-A-2001-200730. Заявка JP-A-2001-200730 посвящена тому, что во многих случаях для производства электроэнергии повышение выходной мощности газовой турбины при низкой температуре подавляется, и характеризуется уменьшением степени открытия ВНЛ для работы в условиях низкой температуры.
Согласно заявке JP-A-2001-200730 дросселирование количества воздуха в результате уменьшения степени открытия ВНЛ обеспечивает возможность поддержания температуры сгорания, снижающуюся при низкой температуре, в условиях приближения к номинальной температуре сгорания, и приводит к повышению эффективности газовой турбины.
Однако использование способа управления, описываемого в заявке JP-A-2011-38531, как указано выше, вероятно приведет к возникновению проблемы снижения производительности компрессора и надежности лопатки задней ступени при низкой температуре. В то же время использование способа управления, описываемого в заявке JP-A-2001-200730, вероятно позволит повысить эффективность, однако приведет к уменьшению степени открытия ВНЛ по сравнению с номинальными условиями.
В большинстве случаев, как показано на фиг. 11В, являющейся иллюстрацией взаимного соотношения между степенью открытия ВНЛ и осевым распределением нагрузок на лопатку, при уменьшении степени открытия ВНЛ происходит уменьшение нагрузки на переднюю ступень и увеличение нагрузки на заднюю ступень, и поэтому вероятность повреждения лопатки задней ступени повышается еще больше.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение было разработано с учетом вышеописанной ситуации, и его задачей является создание газовой турбины с двумя валами, в которой даже в случае газовой турбины с двумя валами, состоящей из газогенератора и турбины низкого давления, подавлено снижение производительности компрессора при низкой температуре и повышена надежность лопатки задней ступени, а также способа управления степенью открытия входной направляющей лопатки газовой турбины.
Поставленная задача решается за счет того, что газовая турбина с двумя валами согласно изобретению включает в себя: газогенератор, состоящий из компрессора, который имеет входные направляющие лопатки со стороны впуска воздуха и сжимает поступающий воздух, камеры сгорания, которая вырабатывает газ сгорания в результате сжигания воздуха, сжатого с помощью компрессора и топлива, и турбины высокого давления, приводимой в действие газом сгорания, вырабатываемым камерой сгорания; и турбину низкого давления, приводимую в действие газом сгорания, выпускаемым из турбины высокого давления. Вал турбины высокого давления, который соединяет компрессор с турбиной высокого давления, и вал турбины низкого давления, который соединяет турбину низкого давления с нагрузкой, являются отдельными валами, а количество воздуха на входе в компрессор регулируется в результате управления степенью открытия входной направляющей лопатки. В качестве средства, управляющего степенью открытия входной направляющей лопатки, турбина включает в себя, по меньшей мере: первый блок управления, который регулирует степень открытия входной направляющей лопатки так, чтобы при высокой скорости вращения вала турбины высокого давления действительная скорость вращения вала турбины высокого давления поддерживалась постоянной; блок подтверждения состояния управления, который подтверждает действительную скорость вращения, поддерживаемую постоянной с помощью первого блока управления, и степень открытия входной направляющей лопатки; и блок коррекции низкой температуры окружающей среды, который обеспечивает снижение действительной скорости, поддерживаемой постоянной с помощью первого блока управления, в случае, когда действительная скорость вращения, поддерживаемая постоянной с помощью первого блока управления, введенная в блок подтверждения состояния управления, равна или выше, чем предварительно заданное предельное значение N0, степень открытия входной направляющей лопатки равна или больше, чем предварительно заданное предельное значение ξ0, а температура окружающей среды равна или ниже, чем предварительно заданное предельное значения Та0.
Кроме того, поставленная задача решается за счет того, что способ управления входной направляющей лопаткой газовой турбины с двумя валами согласно изобретению, включающей в себя: газогенератор, состоящий из компрессора, который имеет входные направляющие лопатки со стороны впуска воздуха и сжимает поступающий воздух, камеры сгорания, которая вырабатывает газ сгорания в результате сжигания воздуха, сжатого с помощью компрессора, и топлива, и турбины высокого давления, приводимой в действие газом сгорания, вырабатываемым камерой сгорания; и турбину низкого давления, приводимую в действие газом, выпускаемым из турбины высокого давления, в которой вал турбины высокого давления, который соединяет компрессор с турбиной высокого давления, и вал турбины низкого давления, который соединяет турбину низкого давления с нагрузкой, являются отдельными валами, а количество воздуха на входе в компрессор регулируется в результате управления степенью открытия входной направляющей лопатки, где для управления степенью открытия входной направляющей лопатки в качестве средства, управляющего степенью открытия входной направляющей лопатки, турбина включает в себя первый блок управления; блок подтверждения состояния управления и блок коррекции низкой температуры окружающей среды, и в первом блоке управления степень открытия входной направляющей лопатки регулируется так, чтобы при высокой скорости вращения вала турбины высокого давления действительная скорость вращения вала турбины высокого давления поддерживалась постоянной; в блоке подтверждения состояния управления подтверждается действительная скорость вращения, поддерживаемая постоянной с помощью первого блока управления, и степень открытия входной направляющей лопатки; а в блоке коррекции низкой температуры окружающей среды управление степенью открытия входной направляющей лопатки осуществляется так, чтобы обеспечить снижение действительной скорости, поддерживаемой постоянной с помощью первого блока управления, в случае, когда действительная скорость вращения, поддерживаемая постоянной с помощью первого блока управления, введенная в блок подтверждения состояния управления, равна или выше, чем предварительно заданное предельное значение N0, степень открытия входной направляющей лопатки равна или больше, чем предварительно заданное предельное значение ξ0, а температура окружающей среды равна или ниже, чем предварительно заданное предельное значения Та0.
В соответствии с изобретением, даже в случае газовой турбины с двумя валами, состоящей из газогенератора и турбины низкого давления, подавлено снижение производительности компрессора при низкой температуре и повышена надежность лопатки задней ступени.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - принципиальная схема, иллюстрирующая первый вариант осуществления газовой турбины с двумя валами согласно изобретению.
Фиг. 2 - схематическая иллюстрация блока управления степенью открытия ВНЛ в устройстве управления газогенератором, используемом в первом варианте осуществления газовой турбины с двумя валами согласно изобретению.
Фиг. 3 - схематическая иллюстрация взаимозависимости между температурой окружающей среды и действительной скоростью вращения при выполнении коррекции с помощью коэффициента коррекции а скорости вращения в первом варианте осуществления газовой турбины с двумя валами согласно изобретению.
Фиг. 4А - схематическая иллюстрация взаимозависимости между скорректированной скоростью вращения вала турбины высокого давления и степенью открытия ВНЛ в первом варианте осуществления газовой турбины с двумя валами согласно изобретению.
Фиг. 4В - схематическая иллюстрация взаимозависимости между действительной скоростью вращения вала турбины высокого давления и степенью открытия ВНЛ в первом варианте осуществления газовой турбины с двумя валами согласно изобретению.
Фиг. 5А - схематическая иллюстрация взаимозависимости между скорректированной скоростью вращения вала газогенератора и степенью открытия ВНЛ во втором варианте осуществления, являющемся примером модификации первого варианта осуществления газовой турбины с двумя валами согласно изобретению.
Фиг. 5В - схематическая иллюстрация взаимозависимости между действительной скоростью вращения вала газогенератора и степенью открытия ВНЛ во втором варианте осуществления, являющемся примером модификации первого варианта осуществления газовой турбины с двумя валами согласно изобретению.
Фиг. 6 - схематическая иллюстрация блока управления степенью открытия ВНЛ в устройстве управления газогенератором, используемом в третьем варианте осуществления газовой турбины с двумя валами согласно изобретению.
Фиг. 7А - схематическая иллюстрация взаимозависимости между скорректированной скоростью вращения вала турбины высокого давления и степенью открытия ВНЛ в третьем варианте осуществления газовой турбины с двумя валами согласно изобретению.
Фиг. 7В - схематическая иллюстрация взаимозависимости между действительной скоростью вращения вала турбины высокого давления и степенью открытия ВНЛ в третьем варианте осуществления газовой турбины с двумя валами согласно изобретению.
Фиг. 8 - схематическая иллюстрация блока управления степенью открытия ВНЛ в устройстве управления газогенератором, используемом в четвертом варианте осуществления газовой турбины с двумя валами согласно изобретению.
Фиг. 9А - схематическая иллюстрация взаимозависимости между скорректированной скоростью вращения вала турбины высокого давления и степенью открытия ВНЛ в газовой турбине с двумя валами, известной из уровня техники.
Фиг. 9В - схематическая иллюстрация взаимозависимости между действительной скоростью вращения вала турбины высокого давления и степенью открытия ВНЛ в газовой турбине с двумя валами, известной из уровня техники.
Фиг. 10А - схематическая иллюстрация взаимозависимости между скорректированной скоростью вращения вала турбины высокого давления и степенью открытия ВНЛ в заявке JP-A-2011-38531.
Фиг. 10В - схематическая иллюстрация взаимозависимости между действительной скоростью вращения вала турбины высокого давления и степенью открытия ВНЛ в заявке JP-A-2011-38531.
Фиг. 11А - схематическая иллюстрация взаимозависимости между температурой окружающей среды и распределением нагрузок на лопатку в компрессоре, известном из уровня техники.
Фиг. 11В - схематическая иллюстрация взаимозависимости между степенью открытия ВНЛ и осевым распределением нагрузок на лопатку в компрессоре, известном из уровня техники.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ниже со ссылками на варианты осуществления, иллюстрируемые чертежами, рассматривается газовая турбина с двумя валами и способ управления степенью открытия входной направляющей лопатки газовой турбины согласно изобретению. При этом в каждом варианте осуществления одними и теми же номерами позиций обозначены одни и те же элементы конструкции.
Вариант осуществления 1
На фиг. 1 представлена принципиальная схема, иллюстрирующая первый вариант осуществления газовой турбины с двумя валами согласно изобретению.
Как показано на фиг. 1, газовая турбина 1 с двумя валами согласно варианту осуществления включает в себя газогенератор 2, состоящий из компрессора 3, который имеет ВНЛ (входные направляющие лопатки) 31 со стороны впуска воздуха и сжимает поступающий воздух, камеры 4 сгорания, которая вырабатывает газ 11 сгорания в результате сжигания воздуха 10, сжатого с помощью компрессора 3, и топлива 43, и турбины 5 высокого давления, приводимой в действие газом 11 сгорания, вырабатываемым камерой 4 сгорания, и турбину 7 низкого давления, приводимую в действие газом 11 сгорания, выпускаемым из турбины высокого давления. Вал 6 турбины высокого давления (вал газогенератора), который соединяет компрессор 3 с турбиной 5 высокого давления, и вал 8 турбины низкого давления, который соединяет турбину 7 низкого давления с нагрузкой 9, являются отдельными валами.
То есть, как показано на фиг. 1, газовая турбина 1 с двумя валами содержит газогенератор 2, состоящий из компрессора 3, камеры 4 сгорания и турбины 5 высокого давления, и турбину 7 низкого давления. Со стороны газогенератора 2 компрессор 3 и турбина 5 высокого давления соединены между собой с помощью вала 6 турбины высокого давления, а со стороны турбины 7 низкого давления турбина 7 низкого давления и нагрузка 9 соединены между собой с помощью вала 8 турбины низкого давления.
При этом в рассматриваемом варианте осуществления в качестве нагрузки 9 предполагается использование генератора мощности, но возможно использование и компрессора СПГ для механического привода и т.п.
Как указано выше, со стороны воздухозаборника компрессора 3 установлены ВНЛ 31, и степень открытия ВНЛ 31 может изменяться с помощью устройства 32 управления ВНЛ, за счет чего регулируется количество воздуха, всасываемого в газогенератор 2 (количество поступающего воздуха). Кроме того, в камеру 4 сгорания из источника 41 подаваемого топлива подается топливо 43, а управление количеством этого подаваемого топлива 43 осуществляется с помощью клапана 42 управления топливом.
Поведение рабочей текучей среды (воздуха, газа сгорания или т.п.) в газовой турбине 1 с двумя валами заключается в том, что, прежде всего, эта среда поступает в компрессор 3, где подвергается сжатию, и сжатый воздух 10 поступает в камеру 4 сгорания. В камере 4 сгорания в результате впрыскивания топлива 43 вырабатывается газ сгорания высокой температуры. Этот газ 11 сгорания высокой температуры и высокого давления поступает в турбину 5 высокого давления, соединенную с компрессором 3 с помощью вала 6 турбины высокого давления, приводит в действие компрессор 3 и затем поступает в турбину 7 низкого давления. Когда газ сгорания 11 проходит через турбину 7 низкого давления, приводится в действие нагрузка 9, соединенная с помощью вала 8 турбины низкого давления, и таким образом обеспечивается вырабатывание генерирование мощности или механический привод.
Управление рабочим состоянием газовой турбины 1 с двумя валами осуществляется, главным образом, с помощью устройства 21 управления газогенератора, установленного со стороны газогенератора 2. Это устройство 21 управления газогенератора состоит из блока 22 управления топливом и блока 23 управления степенью открытия ВНЛ.
Блок 22 управления топливом управляет клапаном 42 управления топливом и количеством топлива 43, подаваемого в камеру 4 сгорания, с использованием скорости вращения, полученной с помощью датчика 81 скорости вращения, установленного на валу 8 турбины низкого давления, и данных по рабочей нагрузке, полученных из нагрузки 9.
Блок 23 управления степенью открытия ВНЛ соединен с устройством 32 управления ВНЛ и управляет степенью открытия ВНЛ 31, то есть количеством воздуха, всасываемого компрессором 3. В варианте осуществления, как показано на фиг. 2, блок 23 управления степенью открытия ВНЛ состоит из блока 24 определения рабочего состояния, блока 25 выбора блока управления, первого блока 26 управления, второго блока 27 управления, блока 29 подтверждения состояния управления и блока 30 коррекции низкой температуры окружающей среды.
Во втором блоке 27 управления управление степенью открытия ВНЛ 31 осуществляется на основе скорректированной скорости. В частности, скорректированная скорость вращения вычисляется с использованием скорости вращения N газогенератора 2, полученной с помощью датчика 61 скорости вращения, установленного на валу 6 турбины высокого давления, и температуры окружающей среды Та, полученной с помощью термометра 62. Степень открытия ВНЛ 31 регулируется так, чтобы независимо от температуры окружающей среды взаимозависимость между скорректированной скоростью вращения и степенью открытия входной направляющей лопатки 31 определялась однозначно.
В данном случае скорректированная скорость вращения Nc задается следующим уравнением (1):
При этом в предпочтительном варианте управление во втором блоке 27 управления осуществляется на основе скорректированной скорости, как и в заявке JP-A-2011-38531, однако возможно использование и другого способа.
Первый блок 26 управления отличается от второго блока 27 управления, и управление степенью открытия ВНЛ 31 осуществляется так, чтобы действительная скорость вращения газогенератора 2 поддерживалась постоянной. В рассматриваемом варианте осуществления в качестве скорости вращения, поддерживаемой постоянной, предполагается использование номинальной скорости вращения, то есть скорости вращения Ndes при номинальном режиме, определенной во время проектирования, однако возможно использование и других скоростей вращения.
В блоке 23 управления степенью открытия ВНЛ с помощью блока 24 определения рабочего состояния и блока 25 выбора блока управления определяется, какой из блоков управления используется - первый блок 26 управления или второй блок 27 управления.
В блоке 24 определения рабочего состояния принимается решение о том, в каком из двух рабочих состояний находится газогенератор 2 - во втором рабочем состоянии, состоящем из состояния запуска и останова и рабочего состояния с низкой нагрузкой, или в первом рабочем состоянии, состоящем из рабочего состояния с высокой нагрузкой, отличном от второго рабочего состояния. В качестве способа принятия решения используется способ, в котором целевая степень открытия ВНЛ с возможностью стабильной работы даже при изменении управления, задается из характеристик компрессора 3, а рабочее состояние с низкой нагрузкой и рабочее состояние с высокой нагрузкой различаются по этой целевой степени открытия ВНЛ.
Кроме того, в блоке 25 выбора блока управления на основе результата принятия решения в блоке 24 определения рабочего состояния осуществляется выбор управления с использованием первого блока 26 управления или с использованием второго блока 27 управления. В частности, в случае рабочего состояния с низкой нагрузкой, то есть в случае второго рабочего состояния, выбирается второй блок 27 управления, чтобы обеспечить управление с однозначным определением скорректированной скорости вращения и степени открытия ВНЛ. В случае же рабочего состояния с высокой нагрузкой, то есть в случае первого рабочего состояния, выбирается первый блок 26 управления, чтобы обеспечить управление с поддержанием постоянства действительной скорости вращения.
По завершении принятия решения по рабочему состоянию и выбора блока управления управление выполняется через блок 29 подтверждения состояния управления и блок 30 коррекции низкой температуры окружающей среды. Прежде всего, на основе результата принятия решения в блоке 24 определения рабочего состояния в блоке 29 подтверждения состояния управления определяется, требуется ли коррекция в текущем рабочем состоянии или нет. В частности, при выборе первого блока 26 управления для управления в рабочем состоянии с высокой нагрузкой только в случае, когда действительная скорость вращения газогенератора 2 равна или выше, чем предварительно заданное предельное значение N0, степень открытия ВНЛ 31 равна или больше, чем предварительно заданное предельное значение ξ0, а температура окружающей среды равна или ниже, чем предварительно заданное предельное значение Та0, принимается решение о необходимости коррекции, и результат принятия решения передается в блок 30 коррекции низкой температуры окружающей среды.
В данном случае предполагается использование в качестве предварительно заданного предельного значения N0 действительной скорости газогенератора 2 значение Ndes, описанное выше, а в качестве предварительно заданного предельного значения ξ0 степени открытия ВНЛ 31 значение ξdes при номинальном режиме, определенное во время проектирования.
При этом в рассматриваемом варианте осуществления блок 29 подтверждения состояния управления описывается как независимый, однако возможно и включение этого блока в состав блока 30 коррекции низкой температуры окружающей среды или блока 24 определения рабочего состояния.
В случае принятия с помощью блока 29 подтверждения состояния управления решения о необходимости коррекции, в блоке 30 коррекции низкой температуры окружающей среды коэффициент коррекции α умножается на действительную скорость вращения N газогенератора 2, и управление осуществляется в результате направления сигнала в блок 22 управления топливом так, чтобы скорость вращения снизилась до N'.
Взаимозависимость между температурой окружающей среды и коэффициентом коррекции а в варианте осуществления задана уравнением (2) и показана на фиг. 3 (β является постоянной). То есть действительная скорость вращения снижается от N до N' пропорционально снижению температуры от заданного предельного значения Та0 температуры окружающей среды.
В итоге взаимозависимость между действительной скоростью вращения и степенью открытия ВНЛ при управлении, описанном выше, тоге, приобретает вид, показанный на фиг. 4А и 4В.
То есть, как показано на фиг. 4А и 4В, за счет снижения скорости вращения при низкой температуре окружающей среды и рабочем состоянии с высокой нагрузкой с помощью блок 30 коррекции низкой температуры окружающей среды происходит снижение скорректированной скорости вращения во время работы и приближение к номинальной скорости вращения. То есть появляется возможность подавления снижения эффективности компрессора вследствие возрастания потерь от ударной волны в условиях низкой температуры окружающей среды, являющегося проблемой во время управления с поддержанием постоянства действительной скорости вращения с помощью первого блока 26 управления.
Кроме того, вследствие снижения скорости вращения нагрузка на попатку компрессора, как правило, становится высокой на передней ступени и низкой на задней ступени, и поэтому снижается и риск повреждения лопатки задней ступени, являющегося проблемой в условиях низкой температуры окружающей среды. То есть по сравнению с управлением, описываемым в заявке JP-A-2011-38531, обеспечивается повышение производительности и надежности компрессора 3 при низкой температуре окружающей среды и в рабочем состоянии с низкой нагрузкой. Одновременно расширяется и допускаемый диапазон рабочих температур окружающей среды, что также способствует улучшению работы газовой турбины 1 с двумя валами.
Однако, если в случае снижения скорости вращения от скорости вращения N газогенератора 2 до действительной скорости вращения N' это снижение становится сверхбольшим, то эффект сужения области предотвращения резонанса (области, в которой необходимо избежать резонанса лопатки) в рабочем состоянии с высокой нагрузкой путем использования первого блока 26 управления нивелируется.
Поэтому в рассматриваемом варианте осуществления используется коэффициент коррекции α скорости вращения, удовлетворяющий приводимому ниже уравнению (3). Уравнение (3) означает, что скорректированная скорость вращения, вычисляемая по рабочему состояния после коррекции скорости вращения до действительной скорости вращения N', превышает действительную скорость вращения N перед коррекцией, и позволяет сузить область предотвращения резонанса, по меньшей мере, даже по сравнению со случаем осуществления управления эталоном скорректированной скорости в рабочем состоянии с высокой нагрузкой.
Вариант осуществления 2
Как указано выше, в первом варианте осуществления в случае принятия решения о необходимости коррекции с помощью блока 29 подтверждения состояния управления в качестве предварительно заданного предельного значения N0 действительной скорости предполагается использовать номинальную скорость вращения Ndes, а в качестве предварительно заданного предельного значения степени открытия ВНЛ 31 -номинальную степень открытия ξdes, однако возможно использование и других значений.
В качестве второго варианта осуществления, являющегося примером модификации в случае использования других значений, на фиг. 5А и 5В представлен пример скорости вращения и степень открытия ВНЛ.
На фиг. 5А и 5В предварительно заданное предельное значение N0 действительной скорости вращения газогенератора 2 и предварительно заданное предельное значение ξ0 степени открытия ВНЛ 31 соответственно ниже и меньше, чем соответствующие значения (Ndes и ξdes) при номинальном режиме. Поэтому поддержание постоянства скорости вращения с помощью первого блока 26 управления при низкой температуре окружающей среды Та приводит к снижению скорости вращения, обеспечивающей увеличение степени открытия ВНЛ 31, до действительной скорости вращения N0 газогенератора 2.
В случае рассматриваемого варианта осуществления, скорректированная скорость, достигающая максимума, становится ниже относительно всех степеней открытия ВНЛ, чем в случае неиспользования рассматриваемого варианта осуществления (например, в заявке JP-A-2011-38531 и т.п.). Поэтому даже в условиях частичной нагрузки с небольшой степенью открытия ВНЛ 31 достигается эффект повышения надежности, обусловленный подавлением снижения эффективности и уменьшением нагрузки на лопатку задней ступени при низкой температуре, описываемыми выше.
Вариант осуществления 3
В качестве третьего варианта осуществления, являющегося примером модификации варианта осуществления, на фиг. 6 представлен пример конструкции устройства 21 управления газогенератора, а на фиг. 7А и 7В показаны взаимозависимость между скорректированной скоростью вращения газогенератора 2 и степенью открытия ВНЛ и взаимозависимость между действительной скоростью вращения газогенератора 2 и степень открытия ВНЛ.
Несмотря на то, что описание концепции рассматриваемого варианта осуществления приводится и в заявке JP-A-2011-38531, рассматриваемый вариант осуществления отличается тем, что в состав блока 23 управления степенью открытия ВНЛ согласно первому варианту осуществления включен третий блок 28 управления степенью открытия, поддерживающий постоянство степени открытия ВНЛ 31 независимо от скорости вращения. В частности, управление (С) с помощью третьего блока 28 управления используется между управлением (В) с помощью второго блока 27 управления и управлением (А) с помощью первого блока 26 управления.
Использование такого управления, как показано на фиг. 7А и 7В, позволяет осуществлять переход к условиям номинальной нагрузки без прохождения через условия высокой скорости вращения и небольшой степени открытия ВНЛ 31. В условиях высокой скорости вращения и небольшой степени открытия ВНЛ 31 только степень открытия ВНЛ 31 значительно уменьшается по сравнению с условиями номинальной нагрузки и по сравнению с условиями номинальной нагрузки увеличивается отклонение поля потока. Поэтому, несмотря на вероятность ухудшения характеристик, существует возможность подавления ухудшения характеристик за счет использования управления с помощью третьего блока 28 управления.
Таким образом, использование первого варианта осуществления позволяет сохранить эффект сужения области предотвращения резонанса (при высокой скорости вращения) в рабочем состоянии с высокой нагрузкой, описываемый в заявке JP-A-2011-38531, а также подавить снижение производительности компрессора при низкой температуре окружающей среды и рабочем состоянии с высокой нагрузкой и снижение надежности вследствие увеличения нагрузки на лопатку задней ступени, являющиеся проблемой в заявках JP-A-2011-38531 и JP-A-2001-200730.
Кроме того, использование второго и третьего вариантов осуществления позволяет рассчитывать на тот же самый эффект даже в рабочих состояниях с частичной нагрузкой, отличных от рабочих состояний с номинальной нагрузкой. Поэтому появляется возможность повышения надежности компрессора 3, а также простоты и удобства использования газовой турбины 1 с двумя валами.
Вариант осуществления 4
На фиг. 8 представлен блок 23 управления степенью открытия ВНЛ в устройстве 21 управления газогенератора, используемом в четвертом варианте осуществления газовой турбины 1 с двумя валами согласно изобретению.
Отличие варианта осуществления на фиг. 8 от первого варианта осуществления на фиг. 2 заключается в том, что в состав блока 23 управления степенью открытия ВНЛ в дополнение к блоку 30 коррекции низкой температуры окружающей среды включен блок 30В дополнительной коррекции низкой температуры окружающей среды, обеспечивающий возможность увеличения степени открытия ВНЛ 31. При этом использованы те же самые ссылочные позиции, что в первом примере осуществления на фиг. 2, и подробного описания совпадающих ссылочных позиций не приводится.
Со ссылками на фиг.8 рассмотрим работу блока 23 управления степенью открытия ВНЛ согласно рассматриваемому варианту осуществления при низкой температуре.
Как и в первом варианте осуществления, в рассматриваемом варианте осуществления после принятия решения о необходимости коррекции при текущем рабочем состоянии на основе результата принятия решения в блоке 24 определения рабочего состояния выполняется коррекция с помощью блока 30 коррекции низкой температуры окружающей среды и блока 30 В дополнительной коррекции низкой температуры окружающей среды.
В частности, при выборе первого блока 26 управления для управления в рабочем состоянии с высокой нагрузкой только в случае, когда действительная скорость вращения газогенератора 2 равна или выше, чем предварительно заданное предельное значение N0, степень открытия ВНЛ 31 равна или больше, чем предварительно заданное предельное значение ξ0, а температура окружающей среды равна или ниже, чем предварительно заданное предельное значение Та0, принимается решение о необходимости коррекции, и результат принятия решения передается в блок 30 коррекции низкой температуры окружающей среды и блок 30В дополнительной коррекции низкой температуры окружающей среды.
В случае принятия с помощью блока 29 подтверждения состояния управления решения о необходимости коррекции в блоке 30 коррекции низкой температуры окружающей среды, как и в первом варианте осуществления, осуществляется управление, обеспечивающее снижение действительной скорости вращения газогенератора 2. В то же время, в блоке 30В дополнительной коррекции низкой температуры окружающей среды в случае, когда температура окружающей среды равна или ниже, чем предварительно заданное предельное значение Та0, осуществляется управление, при котором в устройство 32 управления ВНЛ направляется сигнал, чтобы увеличить степень открытия ВНЛ 31 газогенератора 2. То есть в рассматриваемом варианте осуществления в условиях низкой температуры окружающей среды обеспечивается не только снижение скорости вращения, но и увеличение степени открытия ВНЛ 31.
В случае увеличения степени открытия ВНЛ 31 на лопатке поблизости от ВНЛ 31 углы притока и оттока, то есть треугольники скоростей отклоняются от проектных значений (как правило, соответствующих условиям с номинальной нагрузкой), и поэтому, как показано на фиг. 11В, нагрузка со стороны передней ступени увеличивается, а нагрузка со стороны задней ступени уменьшается. То есть при осуществлении управления согласно рассматриваемому варианту осуществления достигается не только снижение скорректированной скорости вращения (и приближение к номинальной скорости вращения), показанное в первом варианте осуществления, но и увеличение степени открытия ВНЛ 31. Поэтому появляется дополнительная возможность повышения надежности лопатки задней ступени по сравнению с первым вариантом осуществления.
Кроме того, за счет увеличения степени открытия ВНЛ 31 по сравнению с первым вариантом осуществления увеличивается количеством воздуха, всасываемого компрессором 3. А увеличение количества воздуха, всасываемого компрессором 3, приводит к смещению всех соотношений в сторону высоких давлений и вызывает, таким образом, повышение температуры сгорания. Поэтому ожидается, что эффект повышения производительности всей газовой турбины будет выше.
Таким образом, как и в первом варианте осуществления, в результате использования рассматриваемого варианта осуществления появляется возможность подавления ухудшения характеристик компрессора при низкой температуре окружающей среды и в рабочем состоянии с высокой нагрузкой, а также снижения надежности вследствие увеличения нагрузки на лопатку задней ступени. Кроме того, уменьшение нагрузки на лопатку задней степени за счет увеличения степени открытии ВНЛ 31 по сравнению с первым примером осуществления позволяет повысить эффект подавления снижения надежности. Кроме того, по сравнению с первым примером увеличивается количества воздуха, всасываемого компрессором 3, а также повышается общая производительность.
Кроме того, в газовой турбине 1 с двумя валами согласно рассматриваемому варианту осуществления возможно также использование управления, указанное в вариантах осуществления с первого по третий. В этом случае, как и в первом варианте осуществления, можно ожидать эффекта подавления снижения и эффекта повышения надежности, описанных выше, даже в рабочих состояниях с частичной нагрузкой, отличных от рабочих состояний с номинальной нагрузкой. То есть появляется возможность повышения надежности компрессора 3, а также простоты и удобства использования газовой турбины 1 с двумя валами.
При этом изобретение, не ограничивается вариантами осуществления, описанными выше, и, включает в себя различные модификации. Например, подробное описание вариантов осуществления, рассмотренных выше, приведено с целью лучшего понимания изобретения, и эти варианты не ограничивают все возможные варианты и элементный состав конструкций. Кроме того, возможна замена части конструкций согласно одному варианту осуществления на конструкции согласно другому варианту осуществления, а также дополнение конструкции одного варианта осуществления конструкцией другого варианта осуществления. Часть конструкций согласно каждому варианту осуществления может быть добавлена, удалена или заменена на другие конструкции.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
1 - газовая турбина с двумя валами;
2 - газогенератор;
3 - компрессор;
4 - камера сгорания;
5 - турбина высокого давления;
6 - вал турбины высокого давления (вал газогенератора);
7 - турбина низкого давления;
8 - вал турбины низкого давления;
9 - нагрузка;
10 - сжатый воздух;
11 - газ сгорания;
21 - устройство управления газогенератора;
22 - блок управления топливом;
23 - блок управления степенью открытия ВНЛ;
24 - блок определения рабочего состояния;
25 - блок выбора блока управления;
26 - первый блок управления;
27 - второй блок управления;
28 - третий блок управления;
29 - блок подтверждения состояния управления;
30 - блок коррекции низкой температуры окружающей среды;
30В - блок дополнительной коррекции низкой температуры окружающей среды;
31 - ВНЛ (входная направляющая лопатка);
32 - устройство управления ВНЛ;
41 - источник подаваемого топлива;
42 - клапан управления топливом;
43 - топливо;
61, 81 - датчик скорости вращения;
62 - термометр.