ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
GAS TURBINE ENGINE

Настоящее изобретение относится к устройству горения. Более конкретно, настоящее изобретение относится к устройству горения, содержащему: воздухоприемник; по меньшей мере одну камеру сгорания; множество линий подачи топлива в камеру (камеры) сгорания; выхлопную трубу; измерительное устройство для измерения количества газа в выхлопной трубе; и блок управления, приспособленный для изменения подачи топлива в множество линий подачи топлива с возможностью контролировать количество газа в выхлопной трубе, причем изменение осуществляется в зависимости от измеренного количества газа в выхлопной трубе.
Одно такое устройство горения, которое представляет собой газотурбинный двигатель, показано на фиг.1 в продольном разрезе.
Двигатель содержит воздухоприемник 1, ступень 3 компрессора, камеры 5 сгорания, комплект лопаток 9 ротора, вал 11 ротора и выхлопную трубу 13. Воздух входит в воздухоприемник 1, сжимается в ступени 3 компрессора и смешивается с топливом, и данная смесь сжигается в камерах 5 сгорания. Горячие газы, образующиеся в результате горения, приводят в движение лопатки 9 ротора и соответственно вал 11 ротора. Вал 11 ротора (i) создает механический крутящий момент с возможностью выдачи работы, выполняемой двигателем, и (ii) приводит в движение ступень 3 компрессора с возможностью всасывания дополнительного воздуха через воздухоприемник 1. После прохождения лопаток 9 ротора горячие газы выходят из двигателя через выхлопную трубу 13.
Двигатель дополнительно содержит линию 21 подачи моторного топлива, клапан 23 разделения топлива, линии 17, 19 подачи основного и вспомогательного топлива в каждую камеру 5 сгорания (на фиг.1 показаны линии подачи основного и вспомогательного топлива только в одну камеру сгорания), измерительное устройство 15, расположенное в выхлопной трубе 13 для измерения количества оксидов азота (NOx) в выхлопной трубе, блок 25 управления для регулирования положения клапана 23 разделения топлива на основе измеренного количества NOx в выхлопной трубе. Клапан 23 разделения топлива разделяет топливо, которое он принимает по линии 21 подачи моторного топлива, между линиями 17, 19 подачи основного и вспомогательного топлива в каждую камеру 5 сгорания. На фиг.2 показана подача топлива посредством клапана 23 разделения топлива в камеры 5 сгорания. Блок 25 управления регулирует положение клапана 23 разделения топлива с возможностью контролировать количество NOx в выхлопной трубе.
На фиг.3 и 4 более подробно показана камера 5 сгорания. Фиг.3 представляет собой продольный разрез камеры сгорания, а фиг.4 представляет собой поперечный разрез по линии IV-IV, показанной на фиг.3.
Камера 5 сгорания содержит переднюю концевую часть 27, радиальный завихритель 29, предкамеру 31 и камеру 33 для дожигания. Основное топливо, принятое по линии 17 подачи основного топлива, проходит в сопла 35 основного топлива, расположенные в основаниях 37 проточных отверстий 39, образованных между смежными клинообразными лопатками 41 радиального завихрителя 29. Основное топливо входит в проточные отверстия, где оно смешивается с воздухом, перемещающимся преимущественно радиально внутрь вдоль проточных отверстий. Смесь основного топлива с воздухом перемещается внутрь вдоль проточных отверстий, образуя закрученную смесь основного топлива с воздухом в центральной зоне 43 радиального завихрителя. Вспомогательное топливо, принимаемое по линии 19 подачи вспомогательного топлива, проходит в сопло 45 вспомогательного топлива в торцевой поверхности 47 передней концевой части 27, откуда вспомогательное топливо также проходит в центральную зону 43. Подача (i) смеси основного топлива с воздухом и (ii) вспомогательного топлива в центральную зону 43 поддерживает горение в предкамере 31 и камере 33 для дожигания камеры сгорания.
Смесь основного топлива с воздухом, когда она поступает в центральную зону 43, представляет собой предварительно смешанный компонент бедной смеси подачи для горения. Вспомогательное топливо, когда оно поступает в центральную зону 43, представляет собой предварительно не смешанный компонент богатой смеси подачи для горения. Предварительно смешанный компонент бедной смеси имеет преимущество в том, что он образует относительно малое количество NOx, а недостаток его состоит в том, что он обеспечивает относительно неустойчивое горение (относительно неустойчивое пламя). Предварительно несмешанный компонент богатой смеси имеет преимущество в том, что он обеспечивает относительно устойчивое горение (относительно устойчивое пламя), а недостаток его состоит в том, что он образует относительно большое количество NOx.
Таким образом, когда посредством измерительного устройства 15 замерен недопустимо высокий уровень NOx, блок 25 управления регулирует положение клапана 23 разделения топлива, чтобы уменьшить долю топлива, выдаваемую в линии 19 подачи вспомогательного топлива, и таким образом соответственно увеличить долю топлива, выдаваемого в линии 17 подачи основного топлива. Это приводит к снижению уровня NOx, но с риском возможного получения неустойчивого горения.
Обнаружено, что при использовании газотурбинного двигателя, показанного на фиг.1-4, в некоторых случаях, когда долю топлива, подаваемого в линии подачи вспомогательного топлива, уменьшают до уровня, при котором NOx обычно снижается до приемлемого уровня, этого не происходит, в результате чего блок управления дополнительно уменьшает данную долю, приводя к неустойчивому горению и отказу двигателя.
В соответствии с настоящим изобретением создано устройство горения, содержащее: воздухоприемник; первое измерительное устройство для измерения количества газа в воздухоприемнике; по меньшей мере одну камеру сгорания; множество линий подачи топлива в камеру (камеры) сгорания; выхлопную трубу; второе измерительное устройство для измерения количества газа в выхлопной трубе; и блок управления, приспособленный для изменения подачи топлива в множество линий подачи топлива с возможностью контролировать количество газа в выхлопной трубе, причем данное изменение осуществляется в зависимости как от измеряемого количества газа в воздухоприемнике, так и от измеряемого количества газа в выхлопной трубе.
Ниже изобретение будет описано в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, из которых:
Фиг.1, уже упоминаемый, представляет собой продольное сечение газотурбинного двигателя;
Фиг.2, уже упоминаемый, изображает подачу топлива посредством клапана разделения топлива двигателя, показанного на фиг.1, в камеры сгорания двигателя, показанные на фиг.1;
Фиг.3, уже упоминаемый, представляет собой продольный разрез камеры сгорания двигателя, показанной на фиг.1;
Фиг.4, уже упоминаемый, представляет собой поперечный разрез по линии IV-IV, показанной на фиг.3;
Фиг.5 представляет собой продольный разрез газотурбинного двигателя в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг.6 схематично изображает измерительное устройство первого типа, которое может быть использовано в двигателе, показанном на фиг.5;
Фиг.7 схематично изображает измерительное устройство второго типа, которое может быть использовано в двигателе, показанном на фиг.5;
Фиг.8 представляет собой график зависимости нетто-выбросов газотурбинного двигателя от нагрузки двигателя и включает в себя три предельные кривые: предельную кривую нетто-выбросов, предельную кривую динамики и предельную кривую температуры.
Газотурбинный двигатель в соответствии с настоящим изобретением, показанный на фиг.5, подобен газотурбинному двигателю, показанному на фиг.1-4, за исключением того, что в двигателе, показанном на фиг.5, (i) измерительное устройство 51 расположено в воздухоприемнике 1 для измерения количества NOx в воздухоприемнике, и (ii) блок 25 управления для контроля количества NOx в выхлопной трубе регулирует положение клапана 23 разделения топлива на основе измеренного количества NOx в выхлопной трубе за вычетом измеренного количества NOx в воздухоприемнике.
Было выяснено, что вышеупомянутая проблема отказа двигателя, показанного на фиг.1-4, была связана с уровнем NOx в воздухе внешней среды, в которой работает двигатель. Данный фоновый уровень NOx будет присутствовать в выхлопной трубе двигателя в дополнение к количеству NOx, создаваемому двигателем. Если фоновый уровень NOx является значительным по сравнению с количеством NOx, требуемым от двигателя, то фоновый уровень NOx должен учитываться при управлении двигателем, поскольку в противном случае требования к двигателю будут завышены, т.е. это приведет к чрезмерно большому уменьшению доли топлива, подаваемого в линии 19 подачи вспомогательного топлива, вызывая неустойчивое горение и отказ двигателя. Например, если фоновый уровень NOx составляет, скажем, 1 часть на миллион, а количество NOx, которое в соответствии с требованиями создает двигатель составляет, скажем, 5 частей на миллион, то фоновый уровень NOx является значительным по сравнению с количеством NOx, которое в соответствии с требованиями создает двигатель, и должен учитываться при управлении двигателем.
Двигатель, показанный на фиг.5, создан с целью определения количества NOx, реально создаваемого двигателем, посредством регулирования клапана 23 разделения топлива на основе количества NOx, реально создаваемого двигателем, которое определяется как количество NOx в выхлопной трубе минус количество NOx, измеренное в воздухоприемнике (фоновый уровень NOx). Если разность между количеством NOx, измеренным в выхлопной трубе, и количеством NOx, измеренным в воздухоприемнике, соответствует недопустимо высокому уровню NOx, то для того чтобы уменьшить данный уровень, блок 25 управления регулирует положение клапана 23 разделения топлива, чтобы уменьшить долю топлива, выдаваемого в линии 19 подачи вспомогательного топлива (что, конечно, также соответственно увеличивает долю топлива, выдаваемого в линии 17 подачи основного топлива).
Измерительные устройства 15, 51 двигателя, показанные на фиг.5, могут представлять собой измерительное устройство первого типа, показанное на фиг.6. Измерительное устройство первого типа представляет собой измерительное устройство, выполненное поперечно каналу, содержащее либо: (i) передатчик 61 и приемник 63, расположенные на противоположных сторонах канала 65 (выхлопной трубы или воздухоприемника), или (ii) приемопередатчик 67, расположенный на одной стороне канала 65, и зеркало 69, расположенное на противоположной стороне канала.
Свет передают посредством передатчика 61 на приемник 63 или посредством приемопередатчика 67 на зеркало 69 и затем обратно на приемопередатчик 67. Газ, проходящий вдоль канала 65, поглощает часть света, вследствие чего возникает разница между интенсивностью передаваемого света и интенсивностью принимаемого света. Данная разница в интенсивности является мерой количества газа, проходящего вдоль канала - чем больше разница в интенсивности, тем больше количество проходящего газа.
Диапазон длин волн в передаваемом свете выбирают в зависимости от конкретного элемента или элементов в измеряемом газе. Например, в случае NOx может быть использован инфракрасный свет. Свет, принимаемый приемником 63 или приемопередатчиком 67, подвергается анализу, чтобы определить разницу в интенсивности между передаваемым и принимаемым светом для разных длин волн, имеющихся в свете. Это обеспечивает измерение количества газообразного элемента (элементов). Данная информация передается в блок 25 управления.
Измерительные устройства 15, 51 двигателя, показанные на фиг.5, могут представлять собой измерительное устройство второго типа, показанное на фиг.7. Измерительное устройство второго типа представляет собой измерительное устройство с зондом, которое аналогично измерительному устройству, выполненному поперечно каналу, показанному на фиг.6, за исключением того, что передатчик 61/приемопередатчик 67 и приемник 63/зеркало 69 расположены в противоположных концах 71 зонда 73, размещенного на траектории газа так, чтобы пересекать данную траекторию.
Измерительное устройство с зондом имеет преимущество над измерительным устройством, выполненным поперечно каналу, в том, что при использовании измерительного устройства с зондом не требуется центрирование передатчика с приемником или приемопередатчика с зеркалом. Однако измерительное устройство с зондом имеет недостаток в том, что оно измеряет меньшее количество проходящего газа.
Измерительное устройство, выполненное поперечно каналу, так же как и измерительное устройство с зондом, измеряет проходящий газ на месте, т.е. без извлечения пробы газа изнутри канала в какое-либо другое место, где данная проба подвергается анализу. Это является предпочтительным с точки зрения быстроты реагирования блока 25 управления двигателя, показанного на фиг.5, на изменение уровня NOx: извлечение пробы занимает время, а значит регулирование клапана 23 разделения топлива посредством блока 25 управления, основанное на анализе данной пробы, будет запаздывать по сравнению с регулированием на основе анализа без необходимости извлечения пробы. Извлечение пробы также имеет недостаток в том, что оборудование, используемое для осуществления извлечения, может изменять химический состав извлекаемой пробы. Кроме того, извлечение проб требует частой повторной калибровки, является трудоемким в техническом обслуживании и дорогим.
В вышеприведенном описании реагирование на увеличение количества NOx осуществляется посредством регулирования клапана 23 разделения топлива, чтобы уменьшить количество топлива, подаваемого через линии 19 подачи вспомогательного топлива. Данное уменьшение сопровождается соответствующим увеличением количества топлива, подаваемого через линии 17 подачи основного топлива, так что общее количество топлива, подаваемого во все камеры 5 сгорания и в каждую отдельную камеру 5 сгорания, остается неизменным. Как вариант, можно допустить изменение общего количества топлива, подаваемого в каждую отдельную камеру сгорания, при этом, однако, гарантируя, что общее количество топлива, подаваемого во все камеры сгорания, остается неизменным. Пример этого описан в следующем абзаце.
Вспомогательное топливо, подаваемое в первую половину всех камер сгорания, уменьшают посредством уменьшения общего количества топлива, подаваемого в каждую камеру сгорания данной первой половины. Общее количество топлива, подаваемого в каждую камеру сгорания второй половины всех камер сгорания, соответственно увеличивают, чтобы не допустить уменьшения общего количества топлива, подаваемого во все камеры. Пусть Х - общее количество топлива, подаваемого в каждую камеру сгорания второй половины. Для каждой камеры сгорания второй половины распределение Х между основной и вспомогательной подачами камеры сгорания регулируют так, чтобы уменьшить вспомогательную подачу и соответственно увеличить основную подачу.
В вышеприведенном описании каждая камера 5 сгорания содержит подвод основного топлива и подвод вспомогательного топлива. В качестве альтернативных вариантов: (i) каждая камера сгорания содержит два подвода основного топлива и один подвод вспомогательного топлива, и (ii) каждая камера сгорания содержит два подвода основного топлива и не содержит подвода вспомогательного топлива, при условии, что как в (i), так и в (ii) можно изменять один из подводов в камеру сгорания, чтобы контролировать NOx.
В вышеприведенном описании NOx измеряют как в воздухоприемнике, так и в выхлопной трубе с целью управления двигателем на основе измерений с возможностью контроля NOx. Контролируемым газом необязательно является NOx, это может быть, например, окись углерода (СО) или метан (СН4), при этом интересующий газ замеряют как в воздухоприемнике, так и в выхлопной трубе, и управление двигателем осуществляется на основе данных измерений с возможностью контроля интересующего газа. Кроме того, можно контролировать несколько газов, при этом замеры всех интересующих газов осуществляются как в воздухоприемнике, так и в выхлопной трубе, и управление двигателем осуществляется на основе данных измерений с возможностью контроля интересующих газов.
График, показанный на фиг.8, относится к контролю нескольких газов. Фиг.8 представляет собой график зависимости так называемых выбросов газотурбинного двигателя от нагрузки на двигатель. Выбросы содержат несколько газов: NOx, СО, СН4 и др. На оси выбросов графика показаны величины нетто-выбросов, т.е. результаты измерений выбросов в выхлопной трубе за вычетом измерений выбросов в воздухоприемнике. Данный график включает в себя три предельные кривые: предельную кривую нетто-выбросов, предельную кривую динамики и предельную кривую температуры. Предельная кривая нетто-выбросов представляет собой нетто-выбросы, которые двигатель не должен превышать - как можно видеть, данные нетто-выбросы одинаковые для всех нагрузок. Предельная кривая динамики относится к изменению давления в камерах сгорания двигателя (которое, как было отмечено выше, является мерой устойчивости горения в камерах сгорания). Нетто-выбросы не должны уменьшаться ниже предельной кривой динамики, в противном случае может возникнуть неустойчивое горение. Предельная кривая температуры относится к температуре в двигателе, и нетто-выбросы не должны увеличиваться выше предельной кривой температуры, в противном случае в двигателе может возникать перегрев. Можно видеть, что управление двигателем должно осуществляться таким образом, чтобы удерживать нетто-выбросы в пределах зоны, образованной между предельной кривой динамики и предельной кривой нетто-выбросов/предельной кривой температуры.
В вышеприведенном описании регулирование клапана 23 разделения топлива осуществляется на основе измерений уровней газа в воздухоприемнике и выхлопной трубе. Кроме того, регулирование клапана 23 разделения топлива может осуществляться на основе других измерений в двигателе, например температуры двигателя и давления внутри двигателя, при этом окончательное регулирование клапана 23 разделения топлива посредством блока 25 управления будет определяться на основе анализа, т.е. обработки блоком 25 управления результатов измерений уровней газов, температуры двигателя и давления в двигателе.
При регулировании клапана 23 разделения топлива посредством блока 25 управления может учитываться скорость и направление ветра во внешней среде, в которой работает газотурбинный двигатель.