СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
GAS-TURBINE ENGINE COMBUSTION CHAMBER OPERATIONAL CONTROL METHOD

Изобретение относится к способу управления работой камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащего компрессор, по меньшей мере две горелки, указанную камеру сгорания, расположенную ниже по потоку за указанными, по меньшей мере, двумя горелками, в которой образуются продукты сгорания, турбину и по меньшей мере два температурных датчика ниже по потоку за указанной камерой сгорания для измерения соответствующей температуры продуктов сгорания, указанный компрессор подает кислородосодержащий газ в указанную камеру сгорания, по меньшей мере, две из указанных горелок соединены вместе в указанной камере сгорания для образования указанных продуктов сгорания в результате сгорания топлива и указанного кислородосодержащего газа, при этом выполнен один отвод для отбора, по меньшей мере, части кислородосодержащего газа ниже по потоку за указанным компрессором и выше по потоку перед указанной камерой сгорания, причем указанный отвод содержит клапан для регулирования количества отбираемого кислородосодержащего газа, причем указанный способ включает в себя этап, на котором контролируют температуру продуктов сгорания посредством указанных, по меньшей мере, двух температурных датчиков.
В газотурбинных двигателях, особенно с кольцевыми камерами сгорания, может происходить временное превышение допустимых уровней выброса нежелательных веществ, например окиси углерода (обычно в течение от нескольких минут или часов), вследствие возникновения срыва пламени на одной из множества горелок, расположенных в камере сгорания. Такой срыв пламени при стабильной нагрузке двигателя может сохраняться в течение нескольких часов. Это временное увеличение уровня выбросов, особенно выброса окиси углерода (угарного газа), может привести к нарушению договорного соглашения относительно гарантийных показателей по эмиссии.
До настоящего времени решение данной проблемы достигалось путем изменения диаметра канала, по которому к горелке подводится газообразное топливо. В горелке, на которой происходит срыв пламени, диаметр канала подвода топлива обычно увеличивают с целью обеспечения подачи большего количества газообразного топлива к данной горелке. Такое решение проблемы требует останова газотурбинного двигателя, по меньшей мере, на 30 минут. Чаще всего, такая остановка двигателя является неприемлемой. Кроме того, при увеличении диаметра канала подачи топлива на одной из горелок срыв пламени позже возникает на другой горелке, и, таким образом, проблема полностью не устраняется.
Еще одно общепринятое решение заключается в установке ручных клапанов на канале подвода топлива выше по потоку перед каждой горелкой и изменении положения установки данных клапанов во время работы газотурбинного двигателя. Такое решение не требует останова газотурбинного двигателя, но при этом рядом с двигателем необходимо иметь опытный персонал, который мог бы осуществлять регулирование ручных клапанов.
Изобретение обеспечивает способ управления работой камеры сгорания по п. 1 формулы для решения вышеуказанной проблемы. Соответствующие зависимые пункты формулы изобретения характеризуют предпочтительные варианты осуществления изобретения.
Газотурбинный двигатель согласно изобретению обычно содержит компрессор для сжатия кислородосодержащего газа, предпочтительно воздуха, расположенную ниже по потоку за компрессором камеру сгорания, в которой образуются продукты сгорания из сжигаемой в камере сгорания смеси топлива и сжатого кислородосодержащего газа, например воздуха, и расположенную ниже по потоку турбину, приводимую в действие за счет расширения горячих продуктов сгорания, как правило, до давления окружающей среды.
Такой газотурбинный двигатель раскрыт в патентном документе DE 102008044442 A1.
Как правило, такой газотурбинный двигатель содержит, по меньшей мере, два температурных датчика для измерения температуры продуктов сгорания в двух разных точках в тракте горячего газа ниже по потоку за камерой сгорания. Как правило, эти две различные точки расположены в одной плоскости осевого сечения газового тракта газотурбинного двигателя, где плоскость осевого сечения относится к оси турбины газотурбинного двигателя, определяемой ротором турбины газотурбинного двигателя, который приводится в движение за счет расширения горячего газа. Расположение вышеуказанных двух термопар и соответственно температурных датчиков, выбирают таким образом, чтобы они находились в двух различных линиях потока продуктов сгорания, выходящего из камеры сгорания.
В соответствии с изобретением был сделан вывод о том, что повышение уровня выброса (в частности, окиси углерода) часто бывает обусловлено смещением, по меньшей мере, одного фронта пламени, по меньшей мере, одной горелки, в ситуации, когда эжектирование газа или газовой смеси для сжигания во фронте пламени в камере сгорания обычного типа производится несколькими горелками. Если фронт пламени одной из горелок смещается слишком далеко вниз по потоку, фронты пламени остальных горелок также смещаются вниз вследствие их соединения по подаче воздуха и зависимости перепада давления от положения фронта пламени.
В соответствии с изобретением также был сделан вывод о том, что подобная асимметрия приводит к возникновению перепадов температур между, по меньшей мере, двумя значениями измерения температуры ниже по потоку в тракте продуктов сгорания.
Кроме того, было обнаружено, что для решения проблемы смещения фронта пламени следует повысить температуру пламени всех горелок, в том числе горелки, на которой наблюдается смещение пламени. Такое повышение температуры пламени оказывает положительное влияние на расположение фронта пламени, способствуя возврату сместившегося фронта пламени в правильное положение. Такой эффект обусловлен тем, что скорость сгорания в более горячем пламени является более высокой и, таким образом, пламя является более мобильным и может перемещаться в области, где локальная скорость потока выше.
В целом, в соответствии с изобретением уменьшение подачи воздуха вследствие перепада температур ниже по потоку продуктов сгорания приводит к устранению блокировки отдельной горелки смещенным фронтом пламени за счет повышения температуры в камере сгорания. Иными словами, изменение положения фронта пламени осуществляется путем открытия перепускного клапана при обнаружении перепадов температур между различными линиями потока продуктов сгорания ниже по потоку за камерой сгорания.
В отличие от обычной ручной регулировки работы горелкой, при которой иногда возникала необходимость останова газотурбинного двигателя, изобретение устраняет вероятность возникновения высоких выбросов окиси углерода путем автоматического регулирования положения клапана отбора.
Это обеспечивает резкое повышение готовности газотурбинного двигателя к работе и сокращение времени ввода его в эксплуатацию при значительном упрощении эксплуатации и сокращении выбросов вредных веществ.
Способ управления работой согласно настоящему изобретению является особенно пригодным для кольцевых камер сгорания, горение в которых осуществляется множеством горелок, от 4 до 32, как правило, от 10 до 20. В такой кольцевой камере сгорания влияние соседних горелок друг на друга является особенно значительным.
Топливо газотурбинного двигателя, подаваемое в камеру сгорания, предпочтительно является газообразным, но также может быть и жидким.
Предпочтительно, отвод является частью системы перепуска, которая осуществляет отбор сжатого кислородосодержащего газа на выходе из компрессора перед его поступлением в камеру сгорания. Такой отвод или система перепуска заключается в частичном открывании, по меньшей мере, одного клапана, то есть, соответственно, в дросселировании или закрытии указанной системы перепуска, что является особенно целесообразным при частичной нагрузке. После отвода с помощью системы перепуска отобранный сжатый воздух повторно инжектируется в тракт продуктов сгорания ниже по потоку за камерой сгорания, в частности, на входе в турбину газотурбинного двигателя. Таким образом, определенное количество сжатого кислородосодержащего газа перепускается в обход камеры сгорания и расширяется уже в турбине.
Температурные датчики, предпочтительно, расположены на выходе из турбины и система регулирования осуществляет непрерывное сравнение показаний температурных датчиков с целью обнаружения каких-либо значительных температурных перепадов. Вышеупомянутые температурные датчики расположены в одной общей плоскости осевого сечения тракта горячего газа, для измерения в различных линиях потока горячего газа, в сравнимых местах, с целью выявления возможной асимметрии (в направлении по окружности в случае использования данного способа для кольцевой камеры сгорания) процесса сгорания. Если, по меньшей мере, одно измеренное значение температуры значительно отличается от остальных в той же самой осевой плоскости, то в случае, если данное отклонение превысит заданный предел, принимают меры по регулированию согласно изобретению.
В соответствии с возможным предпочтительным вариантом осуществления изобретения в способе управления время увеличения открытия клапана перепуска или отбора составляет от 5 секунд до 180 секунд. Для того чтобы устранить нежелательное смещение фронта пламени, по меньшей мере, на одной из горелок, предпочтительное значение данного периода времени составляет от 10 сек до 60 сек.
Вышеупомянутые особенности и преимущества изобретения станут более понятными после ознакомления с приведенным далее подробным описанием предпочтительного варианта его осуществления со ссылками на чертежи.
На фиг. 1 показана часть газотурбинного двигателя для управления, двумерный схематичный вид;
на фиг. 2 - блок-схема, поясняющая этапы способа управления согласно изобретению;
на фиг. 3-6 - взаимная зависимость положения фронта пламени нескольких расположенных рядом горелок.
На фиг. 1 приведен газотурбинный двигатель GT, которым управляют способом согласно изобретению, двумерный схематичный вид. Основными элементами газотурбинного двигателя GT являются компрессор СО, камера сгорания СВ и турбина ТВ. Указанный компрессор СО сжимает и подает кислородосодержащий газ OCG, предпочтительно, воздух, вниз по потоку к указанной камере сгорания СВ для смешивания с газообразным топливом F и сжигания множеством горелок B1, B2, …, Bn. В указанные горелки B1, …, Bn, соответственно, поступает топливо F по топливопроводу (не показан), которое затем эжектируется в первую полость CV указанной соответствующей горелки B1, B2, …, Bn в направлении по центральной оси СХ указанной соответствующей горелки B1, B2, …, Bn. Горелка B1, B2, …, Bn также содержит завихритель SW. Указанный завихритель SW расположен по окружности вокруг указанной центральной оси СХ и впрыскивает кислородосодержащий газ OCG, при необходимости смешанный с топливом F, в направлении по указанной наклонной центральной оси СХ в указанную полость CV.
Внизу по течению потока смеси указанного кислородосодержащего газа OCG и топлива F указанная полость CV расширяется и переходит в камеру сгорания СВ. Указанная камера сгорания СВ представляет собой кольцевую камеру сгорания, проходящую по окружности вокруг продольной оси X двигателя. Указанная ось X двигателя является осью вращения ротора R турбины ТВ газотурбинного двигателя GT, показанной только осью симметрии на фиг. 1. Ротор компрессора СО также вращается относительно данной оси X.
Указанные горелки B1, …, Bn соединены с указанной камерой сгорания СВ в нескольких местах, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга по окружности. Фронт пламени FF с точками концентрации в каждой из указанных горелок выходит из каждой полости CV в указанную камеру сгорания СВ и при нормальной работе газотурбинного двигателя располагается на определенном расстоянии от выхода из полости CV в расширенной камере сгорания СВ. Указанная смесь топлива F и кислородосодержащего газа OCG, поступающая в указанную камеру сгорания СВ из указанной полости CV, сжигается преимущественно в месте расположения указанного фронта пламени FF, в результате чего образуются продукты сгорания CG, расширение которых происходит в указанной турбине ТВ указанного газотурбинного двигателя GT.
В частности, при частичной нагрузке указанного газотурбинного двигателя GT, кислородосодержащий газ OCG отводится посредством отвода ЕХ перед указанной камерой сгорания СВ относительно указанных горелок B1, …, Bn. Такой отвод ЕХ показан в виде перепуска BY; перепускной поток BF проходит перепускной клапан BV, после чего перепускной поток BF соединяется с потоком указанных продуктов сгорания CG за камерой сгорания СВ и расширяется в указанной турбине ТВ. Турбина ТВ на выходе ЕХН снабжена несколькими температурными датчиками TN1, …, TNX, …, TNY, …, TNN, причем температурные датчики расположены в определенной плоскости осевого сечения относительно продольной оси X двигателя. Места расположения температурных датчиков TNX, TNY выбирают таким образом, чтобы производить измерение в различных линиях потока продуктов сгорания CG на сравнимых расстояниях относительно горелок B1, B2, …, Bn. При возникновении неисправности на одной из горелок B1, …, Bn, эта неисправность отразится в виде отклонения показаний конкретного температурного датчика TNX, таким образом, что разность между показаниями конкретного температурного датчика TNX и других температурных датчиков TN1, …, TNN будет превышать заданное предельное значение ΔТ1.
Таким образом, изобретение обеспечивает способ, показанный в виде блок-схемы на фиг. 2, согласно п. 1 формулы, первый этап, на котором при работе указанного газотурбинного двигателя показания температурных датчиков TN1, …, TNY, …, TNX, …, TNN непрерывно контролируют и сравнивают. На втором этапе результат этого сравнения, соответственно, разность между двумя показаниями температурных датчиков, может оказаться больше первого предела перепада температур ΔT1.
В случае превышения данного предела температурного перепада открывают указанный перепускной клапан BV или увеличивают степень его открытия, если он уже находится в открытом положении. Если этот предел не превышен, продолжают контроль в соответствии с этапом 1. По истечении периода времени, равного 60 секунд, в течение которого перепускной клапан находится в открытом положении (Т open), перепускной клапан BV закрывают снова или уменьшают степень его открытия (этап 4 на фиг. 2).
При открытии указанного перепускного клапана в указанную камеру сгорания СВ, и, соответственно, к каждой горелке B1, …, Bn поступает меньшее количество кислородосодержащего газа. Такое изменение приводит к возрастанию температуры и повторному перемещению фронта пламени FF в зоне горения камеры сгорания СВ. Такое повторное перемещение обусловлено более высокой скоростью фронта пламени FF в камере сгорания СВ в результате повышения температуры. После перемещения фронта пламени FF обратно в первоначальное положение перед горелками B1, …, Bn, перепады давлений фронта пламени FF снова выравниваются. Таким образом, возможная асимметрия горения устраняется, и все горелки B1, …, Bn снова работают гармонично.
На фиг. 3 схематично представлена область камеры сгорания с одной горелкой и входными направляющими лопатками GV турбины. На выходе полости горелки расположена центральная точка 0, которая также является началом оси X. По оси X отложены значения локальной скорости v потока, на правой стороне графика. Как видно из графика, локальная скорость v потока при перемещении по оси X сначала резко падает, а потом начинает уменьшаться более плавно. Буквами А, В, С и D обозначены различные положения фронта пламени, показанные на фиг. 4, 5 и 6. Положение С рассматривается как устойчивое положение фронта пламени при нормальной работе газотурбинного двигателя, и на фиг. 4 схематично представлена камера сгорания, фронт пламени FF всех горелок которой находится в данном устойчивом положении С.
При смещении фронта пламени FF одной из горелок в положение D, как это показано на фиг. 5, фронт пламени остальных горелок перемещается в положение В. Это связано с тем, что воздушный поток, проходящий через горелку с фронтом пламени в положении D, встречает низкий перепад давления, и, следовательно, создается больший воздушный поток, проходящий через эту горелку. Соответственно, воздушный поток через все остальные горелки уменьшается, температура пламени этих горелок повышается, и, следовательно, скорость их пламени возрастает, и фронт пламени FF этих горелок перемещается в положение В. При возникновении ситуации, показанной на фиг. 5, наблюдается разность замеряемых на выходе температур. При таком повышении разности температур производится временное открытие перепускных клапанов камеры сгорания.
При открывании перепускных клапанов камеры сгорания температура пламени на всех горелках возрастает, что, в свою очередь, приводит к возрастанию скорости пламени на данных горелках. В результате, фронт пламени на всех горелках перемещается в положение А, показанное на фиг. 6. Когда фронт пламени FF находится в положении А, локальная скорость набегающего потока быстро возрастает при незначительном уменьшении расстояния X, как это показано на фиг. 3. Резкое изменение локальной скорости потока в области точки А позволяет фронту пламени FF, сместившемуся на одной из горелок в положение D, возвратиться обратно в положение А. При таком возврате фронт пламени FF всех остальных горелок не может переместиться ближе к выходу 0 из полости CV, поскольку локальная скорость потока быстро возрастает и становится слишком высокой, чтобы быть компенсированной скоростью пламени (см. фиг. 3). Поскольку стабилизация фронта пламени FF произойдет в положении, в котором скорость пламени будет соответствовать скорости набегающего потока, т.е. в области точки А по оси X, может происходить стабилизация большего диапазона скоростей пламени и, следовательно, через короткий промежуток времени фронт пламени на всех горелках установится в одно и то же положение.
Работа при значительной степени открытия перепускных клапанов камеры сгорания чревата нежелательными изменениями профиля температур на выходе из камеры сгорания, что приводит к риску повреждения элементов турбины (рабочих лопаток). Таким образом, невозможно удерживать фронты пламени FF в положении А в течение длительного периода времени. Перепускные клапаны камеры сгорания закроются в их стандартное рабочее положение по истечении заданного периода времени, и фронты пламени FF переместятся в положение С, как показано на фиг. 4.