УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ МАССОВОГО РАСХОДА ВОЗДУХА ДЛЯ СГОРАНИЯ С НИЗКИМИ ВЫБРОСАМИ В РАСШИРЕННОМ ДИАПАЗОНЕ ДЛЯ ОДНОВАЛЬНЫХ ГАЗОВЫХ ТУРБИН
APPARATUS AND METHOD FOR REDUCING AIR MASS FLOW FOR EXTENDED RANGE LOW EMISSIONS COMBUSTION FOR SINGLE SHAFT GAS TURBINES

В отношении этой заявки испрашивается приоритет на основании заявки на патент США №13/171538, поданной 29 июня 2011, содержание которой включено в данный документ путем ссылки.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к одновальным газотурбинным двигателям. В частности, изобретение относится к одновальным газотурбинным двигателям с низкими выбросами, работающим в диапазоне нагрузок, включая полную (100%) нагрузку и частичную нагрузку.
Предпосылки создания изобретения
Выполнение требования низких выбросов газотурбинных двигателей в нормальных рабочих диапазонах между 100% ("полной нагрузкой") и частичной нагрузкой (например, приблизительно 70% от полной нагрузки) может быть достигнуто тремя основными путями, все из которых реализуются за счет уменьшения массового расхода воздуха в камере сгорания для поддержания приемлемого отношения топливо/воздух без образования чрезмерно токсичного газа СО в результате сверхобедненного сгорания.
Во-первых, путем использования так называемых двухвальных турбинных двигателей, имеющих модуль газогенератора и силовой модуль, с отдельным, независимо вращающимся валом для каждого из модулей, модуль газогенератора должен целенаправленно регулироваться с целью снижения скорости и, тем самым, автоматического уменьшения массового расхода воздуха при частичной нагрузке.
Во-вторых, одновальные турбинные двигатели могут быть выполнены с возможностью сброса части потока массы воздуха из компрессора выше по потоку от камеры сгорания в ущерб общей эффективности или обхода камер сгорания частью потока массы воздуха и повторного нагнетания этого воздуха перед турбиной, что позволяет, таким образом, сохранять энергию сжатого воздуха.
Третий путь уменьшения массового расхода воздуха в условиях частичной нагрузки состоит в дросселировании подачи воздуха в компрессор за счет использования подвижных направляющих лопаток на впуске для направления воздуха на впуске в завихрение в направлении вращения узла воздухозаборника центробежного компрессора или первой ступени осевого компрессора.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение позволяет достичь уменьшения потока массы расхода воздуха в камеру сгорания аэродинамическим путем, без направляющих лопаток за счет нагнетания воздушных струй в целом по касательной в область, расположенную рядом с впуском в компрессор в направлении вращения (фиг.1). Струи могут располагаться по периферии или по областям ступицы на впуске воздуха (фиг.2). Путь воздуха к струям по команде от регулятора двигателя открывают и закрывают один или более клапанов. Поток массы воздуха через струи извлекается из области выпуска компрессора и является переменным, при этом массовый расход воздуха составляет номинально в пределах 10-15% от общего массового расхода воздуха двигателя в зависимости от требуемого снижения выбросов СО. Изобретение приводит к снижению эффективности работы компрессора, но некоторые потери при этом обусловлены более высокой температурой струй воздуха, смешивающегося с воздухом, подвергаемым сжатию. Однако это представляется небольшой платой за устройство и способ, которые позволяют снизить стоимость дополнительного оборудования, риск засасывания двигателем отказавших деталей и аэродинамические потери, в сочетании с направляющими лопатками в случае, когда они не используются, например, в условиях полной нагрузки.
В соответствии с одним аспектом изобретения предлагается устройство для уменьшения массового расхода воздуха в одновальном газотурбинном двигателе, имеющем расширенный рабочий диапазон, включая условия частичной нагрузки, где газотурбинный двигатель имеет вращающийся воздушный компрессор с осью вращения, область впуска и область выпуска. Устройство включает в себя, по меньшей мере, одно сопло, установленное для нагнетания сжатого воздух в область впуска. Сопло ориентировано так, чтобы направлять сжатый воздух по касательной к и в том же угловом направлении, что и направление вращения, для создания завихрения в потоке воздуха на впуске в компрессор. Устройство также включает в себя источник сжатого воздуха, сообщающийся с одним или более соплами, и один или более клапанов, функционально связанных с регулированием потока сжатого воздуха к одному или более соплам. Устройство дополнительно включает в себя регулятор, функционально связанный с одним или более клапанами, для обеспечения протекания сжатого воздуха к одному или более соплам во время работы двигателя в условиях частичной нагрузки.
В соответствии с другим аспектом изобретения предлагается способ уменьшения массового расхода воздуха в одновальном газотурбинном двигателе в расширенном рабочем диапазоне, включая условия частичной нагрузки, где способ включает в себя создание завихрения в потоке массы воздуха на впуске за счет регулируемого нагнетания сжатого воздуха в область впуска компрессора в целом по касательной к и в том же угловом направлении, что и направление вращения компрессора во время работы в условиях частичной нагрузки.
Дополнительные аспекты изобретения будут частично изложены в приводимом ниже описании и частично станут очевидными из описания или могут быть установлены при практическом использовании изобретения.
Следует понимать, что как предшествующее общее описание, так и следующее ниже подробное описание носят исключительно иллюстративный и пояснительный характер и не ограничивают изобретение, объем которого определяется пунктами прилагаемой формулы изобретения.
Прилагаемые чертежи, которые включены в описание изобретения и составляют часть этого описания изобретения, иллюстрируют несколько вариантов осуществления изобретения и вместе с описанием служат для объяснения принципов изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 - схематический продольный разрез части компрессора одновального радиального газотурбинного двигателя, демонстрирующий устройство для дросселирования потока массы воздуха в компрессор на впуске.
Фиг.2 - схематическое поперечное сечение по фиг.2 - фиг.2 через ось компрессора на фиг.1.
Фиг.3 - схематическое поперечное сечение по фиг.3 - фиг.3 через ось компрессора на фиг.1.
ОПИСАНИЕ РАСКРЫТЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Ниже приводится подробное описание типовых вариантов осуществления изобретения, иллюстрируемых прилагаемыми чертежами. Во всех возможных случаях одни и те же ссылочные позиции используются на чертежах для обозначения одних и тех же или подобных элементов.
Устройство и способы согласно изобретению предназначены для использования применительно к одновальному газотурбинному двигателю, то есть в случае привода компонента-компрессора с такой же скоростью (об/мин), что и приводная турбина. На фиг.1 представлено схематическое изображение компрессора 10 такого одновального двигателя. Несмотря на отсутствие иллюстрации процесса работы компрессора на фиг.1, специалисту в данной области техники должно быть понятно, что компрессор 10 обеспечивает подачу сжатого воздуха в камеру сгорания (не показано) для сгорания с топливом, а полученные газообразные продукты сгорания направляются к компоненту-турбине. Компонент-турбина (не показано) извлекает из газов мощность для привода компрессора 10 и подходящих устройств отбора мощности, например электрического генератора или гидро/пневмодвигателя (также не показано).
В частности, компрессор 10, показанный на фиг.1, представляет собой центробежный компрессор, имеющий ступицу 12 с узлом 14 статора и узлом 16 ротора. На узле 16 ротора смонтированы лопатки 18 компрессора для вращения на валу 20 вокруг оси 22 вращения. Компрессор 10 также включает в себя область 24 впуска выше по потоку от узла 26 воздухозаборника из лопаток 18 и область 28 выпуска, включающую в себя диффузор 30. Компрессор 10 дополнительно включает в себя кожух 32 компрессора, задающий частично путь 34 воздушного потока после лопаток 18 компрессора, а также путь 36 воздушного потока от области 38 впуска к области 26 воздухозаборника из лопаток 18.
Компрессор 10, изображенный на фиг.1, является центробежным компрессором, который может в некоторых случаях использоваться в газотурбинном двигателе с турбиной с осевым потоком (не показано), однако изобретение, описание которого приводится ниже и которое направлено на уменьшение массового расхода воздуха при частичных нагрузках, может быть использовано и с осевым компрессором в газотурбинном двигателе с осевым потоком. Следовательно, изобретение не ограничивается центробежными компрессорами или двигателями с центробежными компрессорами.
В соответствии с изобретением устройство для уменьшения массового расхода воздуха в одновальном газотурбинном двигателе, имеющем расширенный рабочий диапазон, включая условия частичной нагрузки, включает в себя, по меньшей мере, одно сопло, установленное для нагнетания сжатого воздуха в область впуска. Сопло ориентировано так, чтобы направлять сжатый воздух по касательной к и в том же угловом направлении, что и направление вращения, для создания завихрения в потоке воздуха на впуске в компрессор. В рассматриваемом в данном документе варианте осуществления, иллюстрируемом на фиг.1 и 2, в кожухе 32 в положении "А" в области 24 впуска компрессора немного выше по потоку от воздухозаборника 26 смонтировано одно или более сопел 40. Теоретически возможно использование одного сопла 40, однако в предпочтительном варианте осуществления используется 2-8 сопел, распределенных по кожуху 32 с различной угловой ориентацией. Сопла 40 ориентированы так, чтобы направлять воздух по касательной в область 24 впуска в том же угловом направлении, что и направление вращения ротора 16, как показано на фиг.2.
Кроме того, в соответствии с изобретением устройство включает в себя источник сжатого воздуха, сообщающийся с одним или более соплами, одним или более клапанами, функционально связанными с регулированием потока сжатого воздуха к одному или более соплам, и регулятор, функционально связанный с одним или более клапанами, для обеспечения протекания сжатого воздуха к одному или более соплам во время работы двигателя в условиях частичной нагрузки.
В иллюстрируемых вариантах осуществления сжатый воздух, поступающий из области 28 компрессора на выпуске, такой как из диффузора 30, направляется к соплам 40 через трубопроводы 42, которые включают в себя основной трубопровод 44 от диффузора 30 и один или более разветвленных трубопроводов 46 подачи воздуха в отдельные сопла 40. В трубопроводе 44 установлен один клапан 48, а в трубопроводах 46 может быть использовано несколько клапанов. Управление клапаном 48, который может представлять собой клапан двухпозиционного или пропорционального типа, осуществляется с помощью регулятора 50, на вход которого поступает сигнал 52 нагрузки двигателя. Регулятор 50 может быть представлять собой контроллер двигателя или отдельное устройство управления.
В предпочтительном варианте регулирование потока сжатого воздуха к соплам 40 осуществляется на протяжении всего или части режима работы с частичной нагрузкой, такой как, например, в интервале значений от приблизительно 90% до приблизительно 70% от полной нагрузки. Ожидается, что норма расхода сжатого воздуха при этом варьируется от приблизительно 10% до приблизительно 15% от нормы массового расхода воздуха компрессором в условиях полной нагрузки в этом диапазоне.
Предполагаемый эффект нагнетания сжатого воздуха состоит в создании завихрения в воздухе на впуске, набегающем на узел 26 воздухозаборника ротора 16. Так как пропорции лопаток 18, как правило, задаются такими, чтобы принимать входящий воздух при заданном угле относительно оси 22 (в целом при нулевом градусе), то изменение угла набегания входящего воздуха из-за завихрения будет приводить к снижению эффективности компрессора и, таким образом, к дросселированию потока массы воздуха. Тем не менее, ожидается, что использование изобретения позволит улучшить общие эксплуатационные характеристики в диапазоне мощностей частичной нагрузки. Кроме того, изменение количества сжатого воздуха, нагнетаемого для достижения требуемого завихрения, например, с помощью пропорционального клапана для клапана 48, позволяет уменьшить неэффективность.
Фиг.1 и 3 иллюстрируют альтернативную или дополнительную конструкцию устройства для уменьшения массового расхода воздуха через компрессор во время работы двигателя с частичной нагрузкой. В такой конструкции одно или более сопел 60 смонтированы в статоре 14 ступицы в положении "В" на фиг.1. Кроме того, возможен вариант использования одного сопла 60, однако предпочтительным вариантом является использование 2-8 сопел 60, распределенных с различной угловой ориентацией. Подача воздуха в сопла 60 может осуществляться через один трубопровод 62 от диффузора 30, а затем через отдельные разветвленные трубопроводы 64 в отдельные сопла 60. В трубопроводе 62 установлен один клапан 62, а в трубопроводах 64 для регулирования расхода могут быть использованы отдельные клапаны. Регулирование нормы расхода сжатого воздуха осуществляется в соответствии с нагрузкой с помощью клапана 66 по сигналу от регулятора 50. Если компрессор 10 включает в себя область впуска с неподвижными впускными направляющими лопатки (такими как неподвижные впускные направляющие лопатки 70, изображенные на фиг.3), то при этом в предпочтительном варианте сопла 60 должны располагаться ниже по потоку от впускных направляющих лопаток 70. Кроме того, сопла 60, изображенные на фиг.3, могут быть использованы в качестве альтернативы или в сочетании с соплами 40, изображенными на фиг.2. Если устройство включает в себя как сопла 40, так и сопла 60, то для управления одновременно обоими комплектами сопел может быть использован один контроллер, такой как регулятор 50, изображенный схематически на фиг.1.
Другие варианты осуществления изобретения станут очевидными специалистам в данной области техники из рассмотрения описания и осуществления на практике изобретения, раскрытого в данном документе. Подразумевается, что приведенное описание и примеры следует рассматривать исключительно в качестве типичных, в то время, как истинные объем и сущность изобретения определяются прилагаемой формулой изобретения.