СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ПРИ РАБОТЕ В НЕУСТАНОВИВШЕМСЯ РЕЖИМЕ
OPERATION OF COMBUSTION CHAMBER IN OPERATION UNDER TRANSIENT CONDITIONS

Настоящее изобретение относится к способу эксплуатации камеры сгорания при работе в неустановившемся режиме.
Ниже дана конкретная ссылка на камеры сгорания, являющиеся частью газотурбинной установки, при этом следует учесть, что способ также может быть реализован в камерах сгорания для других приложений.
Газотурбинная установка включает в себя компрессор, камеру сгорания и турбину.
Известно, что камеры сгорания включают в себя корпус с:
- подачей либо жидкого топлива (например, нефтепродукт), либо газообразного топлива (например, природный газ), и
- подачей окислителя (обычно воздуха).
Во время эксплуатации топливо и окислитель вступают в реакцию в камере сгорания и вырабатывают газообразные продукты горения высокой температуры и высокого давления, которые выпускаются в турбину.
Во время работы в неустановившемся режиме, например, когда газотурбинную установку запускают, отключают, во время переключения топлива или также во время других переходных процессов, могут возникнуть проблемы.
Действительно, во время этих переходных процессов внутри камеры сгорания может появиться флуктуирующее давление; это флуктуирующее давление неблагоприятно влияет на впрыск топлива.
На фиг.1 показано влияние флуктуирующего давления в камере сгорания на впрыск топлива. На фиг.1 показан пример, в котором снижается массовый расход топлива; это может быть пример выключения, в любом случае, аналогичные условия имеют место также в начале запуска или в начале и в конце переключения и, в общем, каждый раз, когда массовый расход подаваемого топлива снижается и опускается ниже заданного массового расхода.
На фиг.1 показан массовый расход М топлива, впрыскиваемого через инжектор, как функция времени t. На фиг.1 отмечены, по меньшей мере, следующие фазы:
- до t-t1: устойчивая работа с постоянным, в основном, массовым расходом топлива, проходящего через инжектор (кривая 1),
- между t=t1 и t=t2 (массовый расход топлива остается выше критического количества Мс топлива): уменьшается количество впрыскиваемого топлива, но флуктуирующее давление внутри камеры сгорания не оказывает ощутимого влияния на впрыск топлива (кривая 2),
- после t=t2 (т.е. когда массовый расход топлива падает ниже критического количества Мс топлива): в этих условиях, так как количество топлива низкое, то флуктуирующее давление внутри камеры сгорания поочередно то способствует, то мешает впрыску топлива, что приводит к флуктуации впрыска топлива. В частности, кривая 2 показывает теоретический ход уменьшения массового расхода топлива, а кривая 3 - пример возможного действительного хода уменьшения массового расхода топлива.
Флуктуация подачи топлива в камеру сгорания порождает большие пульсации горения.
Пульсации горения подвергают камеру сгорания и следующую за ней турбину большим механическим и термическим нагрузкам, поэтому необходимо их нейтрализовать.
Таким образом, задачей настоящего описания является создание способа, посредством которого нейтрализуют пульсации горения, возникающие во время работы в неустановившемся режиме.
Поставленная задача решена посредством способа, охарактеризованного признаками пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Изобретение поясняется чертежами, на которых представлено следующее:
фиг.1 - массовый расход топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания, как функция времени t, схематично;
фиг.2 - взаимосвязь между пульсациями (давления) и массовым расходом подаваемого в камеру сгорания топлива, когда массовый расход подаваемого топлива меньше Mc;
фиг.3 - взаимосвязь между пульсациями (давления) и массовым расходом подаваемого в камеру сгорания топлива, когда массовый расход подаваемого топлива превосходит Мс;
фиг.4 и 5 - взаимосвязь между пульсациями (давления), временем и массовым расходом подаваемого в камеру сгорания топлива в разных вариантах выполнения изобретения;
фиг.6 - взаимосвязь между Bo и T/Δβ;
фиг.7 - пример переключения.
Способ эксплуатации камеры сгорания при работе в неустановившемся режиме может быть реализован для камеры сгорания любого типа, например, предназначенной для получения горения предварительно подготовленной смеси, диффузионного горения и т.д.; в камеру сгорания подается один или несколько видов топлива.
На фиг.2 показаны пульсации, получаемые в камере сгорания, когда массовый расход M подаваемого в камеру сгорания топлива увеличивается (от 0 и далее), но меньше, чем критическое количество Mc; в этом случае интенсивность пульсаций увеличивается. Прохождение пульсаций и предельное значение количества топлива представляют собой характеристику каждой камеры сгорания и, по существу, не зависят от изменения условий эксплуатации. Другими словами, критическое количество Mc - это такое количество, при котором начинают появляться существенные пульсации, т.е. пульсации, которые выше эксплуатационных ограничений для непрерывной работы и которые могут угрожать безопасной работе двигателя.
Как показано на фиг.3, когда массовый расход М топлива достигает критического количества Mc топлива, интенсивность пульсаций начинает снижаться до минимума. Критическое количество Mc может быть достигнуто быстрее или медленнее в соответствии с условиями подачи топлива.
Со ссылкой на фиг.4, неустановившийся режим включает в себя период, имеющий продолжительность Г, в течение которого подаваемое количество топлива меньше, чем критическое количество Мс топлива.
Способ включает в себя задание предельного значения L для длительности T периода и регулирование подачи топлива так, чтобы длительность T периода была меньше или равна предельному значению L.
В этом отношении на фиг.4 показан пример, в котором длительность T периода равна L, а на фиг.5 - пример, в котором длительность T периода меньше чем L.
Значение L может быть задано, исходя из максимальной интенсивности пульсаций или максимальной длительности периода пульсаций для пульсаций, которые допустимы в камере сгорания. Например:
- максимальная допустимая интенсивность пульсаций может быть ограничена диапазоном PR пульсаций, и, соответственно, может быть задано предельное значение L (фиг.4), и/или
- может быть задана максимально допустимая длительность PL периода, в течение которого в камере сгорания генерируются пульсации, и, соответственно, может быть задано предельное значение (фиг.5).
Предпочтительно, предоставляют параметр, являющийся функцией длительности T периода и подаваемого топлива, а предельное значение L для длительности T периода задают в качестве предельного значения для этого параметра. В этом случае регулирование подачи топлива включает в себя предотвращение того, чтобы значение параметра превзошло предельное значение для параметра.
В варианте осуществления способа параметр задают следующим образом:
GR
Bo=(α·T)/(2π·Δβ),
где
GR
α - усредненная линейная скорость роста в течение длительности Т периода (она зависит от характеристик камеры сгорания, условий эксплуатации, топлива, внешних условий), она может быть вычислена следующим образом:
(aGR·t)
пульсация ~ A·e
и, таким образом,
GR
log(пульсация) ~ B+α·t
GR
в качестве примера α показана на фиг.2;
T - длительность периода;
β - энергоемкость топлива (или одного из видов топлива, если осуществляется впрыск более одного вида топлива), разделенная на энергоемкость всего подаваемого топлива (или видов топлива, если осуществляется впрыск более одного вида топлива); энергоемкость топлива - это
энергоемкость топлива=массовый расход · низшая теплота сгорания
Δβ=abs(β2-β1) - это изменение β в течение периода T.
GR
GR
В некоторых случаях может быть сложно вычислить α, поэтому α можно аппроксимировать следующим образом:
GR
osc
2
α=f/(2π),
где
osc
f - средняя частота колебаний в течение длительности T периода в диапазоне Δβ, при этом
osc
f=1/w,
где
w - средний период пульсаций в камере сгорания (фиг.2).
В вариантах осуществления, приведенных выше, предельное значение равно π.
GR
GR
osc
GR
GR
2
Таким образом, Bo, вычисленный с α, которое либо является усредненной линейной скоростью роста, либо аппроксимированной величиной α=f(2π) должен быть меньше, чем предельное значение (такое как π) и, если α может быть вычислено в обоих случаях, оба значения α должны быть меньше, чем предельное значение (такое как π).
Использование параметра, такого как Bo, являющегося функцией и длительности T периода, и подачи топлива, предпочтительно, так как он позволяет учесть не только длительность T периода, но также и скорость, с которой достигается критический расход Mc. Другими словами Bo обеспечивает минимальную границу для скорости подачи топлива, так что более высокая скорость допустима, а более низкая - нет.
На фиг.6 показана взаимосвязь между Bo (вычисленным в соответствии с любыми из приведенных выше формул) и T/Δβ (показывающее скорость подачи топлива). На фиг.6 кривая 15 относится к предельному значению Bo=π; кривая 15 задает две области, а именно:
- область A, которая относится к значениям Т/Δβ (значениям скорости подачи топлива), которые могут быть допустимыми, и
- область B, которая относится к значениям T/Δβ (значениям скорости подачи топлива), которые не могут быть допустимыми.
В различных примерах работа в неустановившемся режиме может быть запуском камеры сгорания, отключением камеры сгорания или переключением эксплуатации камеры сгорания с первым видом топлива на функционирование со вторым видом топлива. В этом случае первый тип топлива может представлять собой жидкое топливо, а второй тип топлива может представлять собой газообразное топливо, или наоборот.
На фиг.7 показан пример, в котором работа в неустановившемся режиме - это переключение эксплуатации с первым видом топлива на функционирование со вторым видом топлива. На этой фигуре M1 относится к массовому расходу первого вида топлива, a Ml - ко второму виду топлива, а Mc1 и Mc2 - к критическому количеству топлива первого и второго типа.
Из этой фигуры можно увидеть, что перебои в работе могут возникнуть только:
- в начале переключения, когда массовый расход M1 второго вида топлива ниже его критического количества Mc2, и
- в конце переключения, когда массовый расход M1 первого вида топлива опускается ниже его критического количества Mc1.
В этом случае пределы для длительности T периода и/или Bo должны быть обеспечены только в начале и в конце переключения, и соответственно должна регулироваться подача топлива.
В отличие от этого, когда массовый расход первого вида топлива и второго вида топлива больше, чем критическое количество Mc1, Mc2 (т.е. в зоне 16 фиг.7), регулирование можно осуществлять, исходя из различных требований, как, например, регулирование нагрузки (например, чтобы сохранять ее постоянной).
Предпочтительно, чтобы камера сгорания являлась частью газотурбинной установки.
Благодаря ограничению для параметра Bo:
- пиковые значения пульсации могут быть снижены, потому что чем меньше продолжительность работы в неустановившемся режиме, тем меньше пиковые значения пульсации;
- снижается время, в течение которого пульсации подвергают нагрузкам камеру сгорания.
Численный пример запуска
Ниже описан пример запуска газотурбинной установки с расходом газа.
Даны следующие данные:
GR
α=1 рад/с
β1 (энергоемкость топлива в начале периода T, разделенная на энергоемкость всего подаваемого топлива): 0
β2 (энергоемкость топлива, подаваемого в конце периода T, разделенная на энергоемкость всего подаваемого топлива, в предположении, что в конце периода T впрыскивают 10% газообразного топлива): 0,1
Δβ=abs(β2-βl)=0,1
период T: 1,5 секунды
при этих значениях Bo=(1·1,5)/(2π-0.1)=2,39
Так как Bo=2,39<π, то скорость впрыска топлива при запуске допустима.
Численный пример переключения
Ниже описан пример переключения газотурбинной установки с эксплуатации на газе на функционирование на нефтепродуктах.
Даны следующие данные:
начало переключения:
GR
α=4 рад/с
β1 (энергоемкость топлива (газа) в начале периода T, разделенная на энергоемкость всего подаваемого топлива): 1
β2 (энергоемкость топлива (газа), подаваемого в конце периода T, разделенная на энергоемкость всего подаваемого топлива, в предположении, что в конце периода T впрыскивают 5% нефтепродуктов и 95% газообразного топлива): 0,095 (предполагается, что теплота сгорания нефтепродуктов и газа одинаковы)
Δβ=abs(β2-β1)=0,05
период T: 0,2 секунды
при этих значениях Bo=(4·0,2)/(2π·0,05)=2,55
Так как Bo=2,55<π, то эта скорость впрыска топлива может быть допустимой; и конец переключения:
GR
α=8 рад/с.
β1 (энергоемкость топлива (газа), подаваемого в начале периода T, разделенная на энергоемкость всего подаваемого топлива, т.е. нефтепродуктов и газа, в предположении, что в начале периода T 95% топлива составляют нефтепродукты и 5% - газообразное топливо): 0,05
β2 (энергоемкость топлива (газа), подаваемого в конце периода T, разделенная на энергоемкость всего подаваемого топлива, в предположении, что в конце периода T 100% топлива составляют нефтепродукты и 0% - газообразное топливо): 0
Δβ=abs(β2-βl)=0,05
период T: 0,25 секунды
при этих значениях Bo=(8·0,25)/(2π·0,05)=6,37
Так как Bo=6,37>π, то скорость впрыска топлива не может быть допустимой; таким образом, скорость впрыска топлива должна быть увеличена.
Если, например, T уменьшено (т.е. скорость впрыска топлива увеличена или, другими словами, топливо подают с более высокой скоростью) до 0,1 секунды
Во=(8·0,1)/(2π·0,05)=2,55
Так как Bo=2,55<π, то эта скорость впрыска топлива может быть допустимой. Следует учесть, что раскрытые особенности могут быть реализованы независимо друг от друга.
На практике, используемые материалы и размеры могут быть выбраны по желанию в соответствии с требованиями и уровнем развития техники.