Способ и устройство для регулирования помпажа газотурбинного двигателя

Изобретение относится к энергетике. Способ регулирования помпажа для газотурбинного двигателя, включающий в себя предоставление газотурбинного двигателя, имеющего компрессор, камеру сгорания, ниже по потоку от компрессора, с трактом горячих газов, турбину ниже по потоку от камеры сгорания, с трактом горячих газов, причём регулируют выпускной поток из компрессора, на основании контроля в целях регулирования для исключения условия помпажа, и направление выпускного потока по меньшей мере к одному из трактов горячих газов, чтобы обходить по меньшей мере часть камеры сгорания. Также представлен газотурбинный двигатель для осуществления способа согласно изобретению. Изобретение позволяет газовой турбине работать с улучшенной эффективностью, а также позволяет активно предотвращать помпаж компрессора. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к способам и устройствам для регулирования помпажа компрессора и, в частности, к регулированию помпажа газотурбинных двигателей.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Газотурбинные двигатели, разработаны ли они как авиационные двигатели или для промышленного использования для выработки энергии, обычно содержат компрессор, камеру сгорания и турбину. Пример одного устройства описан в DE2702440 A1. Описанный газотурбинный двигатель содержит первую и вторую последовательные камеры сгорания и турбину высокого давления, расположенную между камерами сгорания, и турбину низкого давления, расположенную после второй камеры сгорания. Из-за температур сгорания, достигаемых в камере сгорания, компоненты в тракте горячих газов обычно включают в себя систему охлаждения. Отличительной особенностью этих систем охлаждения является то, что охлаждающая среда обычно по меньшей мере частично выбрасывается в тракт горячих газов и, таким образом, смешивается с газообразными продуктами сгорания.

Для эффективной работы часто требуется, чтобы газовые турбины работали вблизи от точки помпажа компрессора. В результате этого, во время нестабильной переходной работы, такой как изменения нагрузки, и, в частности, во время запуска и останова, существует увеличенный риск помпажа. Способы для измерения условий компрессора для возникновение помпажа хорошо известны в данной области техники. Эти меры обычно используются для осуществления корректирующего действия для предотвращения возникновения помпажа.

Пример регулирования помпажа обсужден в Заявке на патент США № 4,756,152A. Обсужденный способ использует коррекцию отбора из компрессора во время нестабильной работы для предотвращения помпажа. Тем не менее, обычно этот отбор представляет потерю энергии из системы и, следовательно, способствует общей потере эффективности газотурбинного двигателя.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Описан способ регулирования помпажа для газовой турбины, который позволяет газовой турбине работать с улучшенной эффективностью, в это же время активно предотвращая помпаж компрессора.

В изобретении сделана попытка решения этой проблемы посредством объектов независимых пунктов формулы изобретения. Преимущественные варианты осуществления даны в зависимых пунктах формулы изобретения.

Раскрытие основано на общей идее регулируемости направления выпускного воздуха из компрессора к системе охлаждения газотурбинного двигателя на основании отслеживаемого условия помпажа.

Согласно одной особенности разработан способ регулирования помпажа газотурбинного двигателя. Способ содержит предоставление газотурбинного двигателя, имеющего компрессор, камеру сгорания, которая расположена ниже по потоку от компрессора и имеет тракт горячих газов, и турбину ниже по потоку от камеры сгорания, которая также имеет тракт горячих газов. Тракт горячих газов камеры сгорания представляет собой секцию тракта потока, в которой горячие продукты сгорания текут внутри камеры сгорания от пламени или химической реакции высвобождения тепла к выходу камеры сгорания. Тракт горячих газов турбины представляет собой тракт потока горячих газов от входа турбины, который соединен с выходом камеры сгорания, к выходу турбины. Способ дополнительно содержит контроль газотурбинного двигателя на потенциальное условие помпажа, регулирование выпускного потока из компрессора, на основе контроля, в целях регулирования для исключения условия помпажа, и направление выпускного потока к тракту горячих газов, чтобы обойти по меньшей мере часть камеры сгорания.

В дополнительном аспекте способа выпускной поток регулируют посредством корректирующего регулирующего клапана между пределами полного потока и отсутствия потока.

В дополнительном аспекте регулирование представляет собой регулирование по замкнутому циклу, и контроль используют в качестве обратной связи для регулирования по замкнутому циклу.

В дополнительном аспекте этап регулирования осуществляют во время запуска газотурбинного двигателя.

В альтернативном аспекте этап регулирования осуществляют во время останова газотурбинного двигателя.

В другом альтернативном аспекте этап регулирования осуществляют во время изменений нагрузки газотурбинного двигателя.

Дополнительный аспект включает в себя этап предоставления турбины с системой охлаждения для охлаждения компонентов турбины, подвергающихся воздействию в тракте горячих газов, причем выпускной поток направляют в систему охлаждения.

В другом аспекте способ дополнительно включает в себя предоставление газотурбинного двигателя с первой камерой сгорания, находящейся ниже по потоку текучей среды от компрессора, и второй камерой сгорания, находящейся ниже по потоку текучей среды от первой и имеющей тракт горячих газов. Для этого предоставляемого газотурбинного двигателя этап регулирования включает в себя направление по меньшей мере части выпуска в тракт горячих газов, когда первая камера сгорания работает и вторая камера сгорания не работает.

Согласно аспекту, способ дополнительно включает в себя этапы предоставления турбины с диффузором у нижнего по потоку конца турбины, регулирования дополнительного выпускного потока из компрессора на основании контроля в целях исключения условия помпажа, и направления дополнительного выпускного потока к диффузору.

Согласно другому аспекте предоставляется газотурбинный двигатель, содержащий:

- компрессор;

- первую камеру сгорания, которая расположена ниже по потоку текучей среды от компрессора;

- первую турбину, которая расположена ниже по потоку текучей среды от первой камеры сгорания;

- вторую камеру сгорания, которая расположена ниже по потоку текучей среды от первой турбины, и имеет тракт горячих газов, и

- вторую турбину, которая расположена ниже по потоку текучей среды от второй камеры сгорания. К тому же газотурбинный двигатель включает в себя выпускную линию. Выпускная линия имеет первый конец в сообщении по текучей среде с компрессором, и второй конец в сообщении по текучей среде со второй камерой сгорания, причем выпускная линия расположена и выполнена с возможностью обеспечения обхода выпускного потока от компрессора в тракт горячих газов.

Согласно дополнительного аспекту имеется регулирующий клапан, в выпускной линии, для коррекции потока газа через выпускную линию.

В дополнительном аспекте, вторая камера сгорания имеет систему охлаждения, и выпускная линия расположена и выполнена с возможностью обхода системы охлаждения, чтобы обеспечивать выброс выпускного потока в тракт горячих газов независимо от системы охлаждения.

Дополнительной целью изобретения является преодоление или по меньшей мере уменьшение недостатков и несовершенств предшествующего уровня техники или разработка полезной альтернативы.

Другие аспекты и преимущества настоящего изобретения будут понятны из последующего описания, при его рассмотрении совместно с прилагаемыми чертежами, на которых в качестве примера показаны иллюстративные варианты осуществления настоящего изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В качестве примера, далее более подробно описаны варианты осуществления настоящего описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, где:

фиг. 1 представляет собой схему устройства газотурбинного двигателя, к которому могут быть применены иллюстративные способы изобретения; и

фиг. 2 представляет собой схему газотурбинного двигателя с Фиг. 1, на котором дополнительно показаны две камеры сгорания, два устройства турбины и необязательные двойные выпускные потоки.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Далее иллюстративные варианты осуществления настоящего описания описаны со ссылкой на чертежи, на которых одинаковые элементы обозначены одинаковыми номерами. В последующем описании, в целях пояснения, изложено множество конкретных подробностей для обеспечения исчерпывающего понимания описания. Тем не менее, настоящее описание может быть осуществлено на практике без этих конкретных подробностей, и не ограничено иллюстративными вариантами осуществления и способами, описанными в этом документе.

На Фиг. 1 показано общее устройство газотурбинного двигателя 10, к которому могут быть применены иллюстративные способы. Газотурбинный двигатель 10 содержит компрессор 20 для сжимания воздуха для горения. В соединении по текучей среде ниже по потоку от компрессора 20 находится камера 30 сгорания, в которой воздух из компрессора 20 смешивается с непоказанным топливом. Затем горячие продукты сгорания из камеры 30 сгорания расширяются через турбину 40. Вследствие высокой температуры, достигнутой в камере 30 сгорания, известные газотурбинные двигатели 10 этой конфигурации включают в себя системы охлаждения для компонентов в тракте потока продуктов сгорания (в этом описании называемом трактом горячих газов). Эти системы охлаждения обычно включают в себя выбрасывание охлаждающего воздуха, который сначала проходит через внутренние охлаждающие каналы, через множество охлаждающих отверстий в тракт горячих газов, где он смешивается с продуктами сгорания. В этом описании ссылка на системы охлаждения конкретно относится к системам, которые включают в себя признак выброса охлаждающей среды через компоненты, подвергающиеся воздействию в тракте горячих газов, в тракт горячих газов, причем «подвергающиеся воздействию» означает условие нахождения в непосредственном тепловом контакте с газом, текущим через тракт горячих газов.

На Фиг. 1 дополнительно показана выпускная линия 50, из которой по меньшей мере частично сжатый газ, то есть, газ, взятый после первой ступени сжатия, из любого места, начиная от промежуточной ступени и заканчивая после последней ступени, извлекается и направляется в непоказанную систему охлаждения, чтобы обойти по меньшей мере часть камеры 30 сгорания. В этом контексте, «обход» означает обогнуть часть тракта потока, которому следует основная часть рабочей текучей среды, когда она течет от компрессора 20 через камеру 30 сгорания и турбину 40. Как следствие конфигурации системы охлаждения, обходной газ входит в тракт потока горячих газов газотурбинного двигателя 10 через систему охлаждения и смешивается с газообразными продуктами сгорания. Регулирующий клапан 52, расположенный в выпускной линии 50, может быть использован для того, чтобы корректировать с определенным шагом выпускной поток через выпускную линию 50 с любым расходом начиная с отсутствия потока и до полного потока, который ограничен только конфигурацией линии и относительной разницей давлений компрессора 20 и рабочего давления системы охлаждения.

Иллюстративный способ регулирования помпажа, который может быть применен к газотурбинному двигателю 10 с Фиг. 1, включает в себя контроль газотурбинного двигателя 10 на условие потенциального помпажа. В этом контексте, контроль включает в себя любое прямое и/или непрямое определение потенциального риска помпажа компрессора 20 газотурбинного двигателя 10. Следовательно, контроль включает в себя контроль физических условий, таких как расход и состав, давление, включая степень сжатия, и температуру, и применение алгоритмов, известных в данной области техники, которые были разработаны ранее эмпирически или экспериментально, для определения потенциального помпажа. Контроль также включает в себя простое определения рабочего условия, которое известно оператору/конструктору газотурбинного двигателя 10 из опыта, как потенциально приводящее к событию помпажа. Такие операции включают в себя, но не ограничиваются, состояние нестабильной работы, такое как запуск, останов или значительные изменения нагрузки/оборотов.

На основании контролируемого условия помпажа, иллюстративный способ помпажа дополнительно включает в себя регулирование выпускного потока из компрессора 20 к системе охлаждения турбины для исключения условия помпажа. Регулирование включает в себя изменение расхода выпускного потока. При применении к иллюстративному газотурбинному двигателю 10 с Фиг. 1, выпускной поток направляется через выпускную линию 50, 50a.

Посредством направления выпускного потока в систему охлаждения, выпускной поток выбрасывается в тракт горячих газов турбины 40, чтобы обеспечить его расширение через турбину 40. Посредством такого расширения выпускного потока, некоторая часть энергии давления выпускного потока восстанавливается, таким образом улучшая общую эффективность газотурбинного двигателя 10. В иллюстративном способе, выпускной поток направляется в систему охлаждения турбины 40.

В иллюстративном способе, регулирование осуществляют посредством корректирующего регулирующего клапана 52, расположенного в выпускной линии 50. Корректирующий регулирующий клапан 52 отличается от клапана включения/выключения или открытия/закрытия своей возможностью управляемого и предсказуемого изменения расхода с определенными шагами между пределами полного потока и отсутствия потока. Преимущество корректирующего регулирующего клапана 52 заключается в том, что он позволяет ограничивать количество выпускного потока минимумом, требуемым для предотвращения помпажа. Это приводит к более плавной работе по сравнению с регулированием включено/выключено и уменьшает потерю энергии. Даже если выпускной поток расширяется через турбину 40, более эффективным является расширение сжатого газа через тракт потока газотурбинного двигателя 10, чем через выпускную линию 50, и, таким образом, в целях эффективности, может быть предпочтительно уменьшать выпускной расход.

В дополнительном иллюстративном способе, регулирование осуществляется посредством регулирования по замкнутому циклу, использующего корректирующий регулирующий клапан 52 в качестве переменной регулирования и контролируемое условие помпажа в качестве переменной процесса. Преимуществом этого является возможное уменьшение выпускного потока, приводящее к указанной выше более плавной работе и улучшенной эффективности.

В иллюстративных способах, регулирование помпажа используется во время любой нестабильной работы, которая может привести к условию помпажа компрессора 20. Такие работы включают в себя запуск, останов и изменения нагрузки, но не ограничены этим.

На Фиг. 2 показаны дополнительные признаки иллюстративного варианта осуществления газотурбинного двигателя 10, к которому могут быть применены иллюстративные способы изобретения. В дополнение к основным компонентам газотурбинного двигателя 10, показанным на Фиг. 1, камера 30 сгорания иллюстративного варианта осуществления, показанного на Фиг. 2, дополнительно содержит первую камеру 30a сгорания и вторую камеру 30b сгорания. К тому же вторая камера 30b сгорания включает в себя тракт горячих газов и систему охлаждения для охлаждения компонентов, подвергающихся воздействию в тракте горячих газов. Эта система охлаждения относится к такому же типу, как используемый в турбине 40, показанной на Фиг. 1. То есть система охлаждения выбрасывает охлаждающую среду в тракт горячих газов. Турбина 40 иллюстративного варианта осуществления дополнительно содержит первую турбину 40a, которая находится по текучей среде между первой камерой 30a сгорания и второй камерой 30b сгорания, которая расположена ниже по потоку текучей среды от первой камеры 30a сгорания. Иллюстративный вариант осуществления включает в себя выпускную линию 50a, которая выполнена с возможностью необязательного направления выпускного потока в системы охлаждения первой турбины 40a, второй камеры 30b сгорания и/или второй турбины 40b.

В дополнительном иллюстративном варианте осуществления, показанном на Фиг. 2, который может быть применен к любому устройству иллюстративной системы охлаждения, регулирующие клапаны 52a, 52b, 52c расположены в выпускной линии 50a, чтобы обеспечивать индивидуальное регулирование количества потока, направляемого в каждую присоединенную систему охлаждения. Это позволяет уравновешивать относительные нагрузки разных систем охлаждения, при этом поддерживая цель регулирования помпажа компрессора.

В иллюстративном способе, применяемом к вариантам осуществления, включенным в Фиг. 2, когда первая камера 30a сгорания работает и вторая камера 30 сгорания не работает, регулирование помпажа по меньшей мере частично достигается посредством регулируемого выпускного потока в систему охлаждения второй камеры сгорания. В этом описании, работающая камера 30 сгорания определена как камера 30 сгорания, к которой топливо подается, тогда как неработающая камера 30 сгорания определена как камера 30 сгорания, к которой топливо не подается.

Дополнительный иллюстративный способ включает в себя этап дополнительного выпускного потока, который реализуют через дополнительную выпускную линию 50b. В иллюстративном варианте осуществления, этот дополнительный выпускной поток направлен к диффузору турбины 40 газотурбинного двигателя 10. Дополнительный выпускной поток позволяет увеличить общее количество выпускного потока для исключения потенциального условия помпажа, когда, из-за проблем в работе, выпускной поток не может быть отдельно направлен к системам охлаждения. Дополнительный иллюстративный способ предусматривает регулирующий клапан 52d в дополнительной выпускной линии 50b.

Несмотря на то что в этом документе описание было показано и описано со ссылкой на то, что понимается как наиболее практичные иллюстративные способы и варианты осуществления, специалистам в данной области техники следует понимать, что настоящее описание может быть осуществлено в других конкретных формах без отхода от его существенных характеристик. Следовательно, описанные в этом документе варианты осуществления и способы подразумеваются во всех отношениях как иллюстративные и неограничивающие. Объем раскрытия обозначен в прилагаемой формуле изобретения, а не в предшествующем описании, в его объем включены все изменения, которые происходят в смысле и диапазоне его эквивалентов.

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ

10 газотурбинный двигатель

20 компрессор

30, 30a-b камера сгорания

40, 40a-b турбина

50, 50a-b выпускная линия

52, 52a-d регулирующий клапан.

1. Способ регулирования помпажа газотурбинного двигателя, причем способ содержит этапы, на которых:
предоставляют газотурбинный двигатель (10), имеющий: компрессор (20); и
камеру (30) сгорания, ниже по потоку от компрессора (20), с трактом горячих газов;
турбину (40) ниже по потоку от камеры сгорания (30) с трактом горячих газов;
контролируют газотурбинный двигатель (10) на возможное условие помпажа;
регулируют выпускной поток из компрессора (20), на основе контроля, в целях регулирования для исключения условия помпажа; и направляют выпускной поток по меньшей мере к одному из трактов горячих газов камеры сгорания и турбины, чтобы обойти по меньшей мере часть камеры сгорания (30).

2. Способ по п. 1, в котором регулируют выпускной поток посредством предоставленного корректирующего регулирующего клапана (52) между пределами полного потока и отсутствия потока.

3. Способ по п. 2, в котором регулирование представляет собой регулирование по замкнутому циклу, и контроль используют в качестве обратной связи для контроллера.

4. Способ по п. 1, в котором регулирование осуществляют во время запуска газотурбинного двигателя (10).

5. Способ по п. 1, в котором этап регулирования осуществляют во время останова газотурбинного двигателя (10).

6. Способ по п. 1, в котором регулируемый этап осуществляют во время изменений нагрузки газотурбинного двигателя (10).

7. Способ по любому из пп. 1-6, включающий в себя этап предоставления турбины (40) с системой охлаждения для охлаждения компонентов турбины, подвергающихся воздействию тракта горячих газов, причем выпускной поток направляют в систему охлаждения.

8. Способ по любому из пп. 1-6, дополнительно включающий в себя предоставление газотурбинного двигателя (10) с:
первой камерой (30а) сгорания, находящейся ниже по потоку текучей среды от компрессора (20); и
второй камерой (30b) сгорания, находящейся ниже по потоку текучей среды от первой камеры сгорания (30a) с трактом горячих газов, и
направляют выпускной поток в тракт горячих газов второй камеры сгорания, когда первая камера сгорания (30a) работает и вторая камера сгорания (30b) не работает.

9. Способ по любому из пп. 1-6, дополнительно включающий в себя этапы, на которых:
предоставляют турбину (40a, 40b) с диффузором у нижнего по потоку конца турбины (40a, 40b);
регулируют дополнительным выпускным потоком из компрессора (20) на основании контроля в целях исключения условия помпажа; и
направляют дополнительный выпускной поток к диффузору.

10. Способ по п. 7, дополнительно включающий в себя этапы, на которых:
предоставляют турбину (40a, 40b) с диффузором у нижнего по потоку конца турбины (40a, 40b);
регулируют дополнительным выпускным потоком из компрессора (20) на основании контроля в целях исключения условия помпажа; и направляют дополнительный выпускной поток к диффузору.

11. Способ по п. 8, дополнительно включающий в себя этапы, на которых:
предоставляют турбину (40a, 40b) с диффузором у нижнего по потоку конца турбины (40a, 40b);
регулируют дополнительным выпускным потоком из компрессора (20) на основании контроля в целях исключения условия помпажа; и
направляют дополнительный выпускной поток к диффузору.

12. Газотурбинный двигатель (10), содержащий:
компрессор (20);
первую камеру (30a) сгорания, ниже по потоку текучей среды от компрессора (20);
первую турбину (40a), ниже по потоку текучей среды от первой камеры (30a) сгорания;
вторую камеру (30b) сгорания, ниже по потоку текучей среды от первой турбины (40a), имеющую тракт горячих газов,
вторую турбину (40b) ниже по потоку текучей среды от второй камеры (30b) сгорания; и
выпускную линию (50a), с первым концом в сообщении по текучей среде с компрессором, отличающийся тем, что выпускная линия (50a) имеет второй конец в сообщении по текучей среде со второй камерой (30b) сгорания, причем выпускная линия (50a) расположена и выполнена с возможностью обеспечения выпускного потока из компрессора (20) в тракт горячих газов второй (30b) камеры сгорания, и при этом газотурбинный двигатель (10) дополнительно содержит регулирующий клапан (52), в выпускной линии (50), для коррекции потока газа через выпускную линию.

13. Газотурбинный двигатель (10) по п. 12, в котором вторая камера (30b) сгорания имеет систему охлаждения, и выпускная линия (50a) расположена и выполнена с возможностью обхода системы охлаждения, чтобы обеспечивать выброс выпускного потока в тракт горячих газов независимо от системы охлаждения.