Камера сгорания газовой турбины (варианты) и способ управления воздушным потоком, подаваемым в камеру сгорания газовой турбины - RU2576287C2
Код документа: RU2576287C2
Чертежи
Описание
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к способу управления воздушным потоком, подаваемым в камеру сгорания и к камере сгорания.
В частности, камера сгорания является камерой сгорания газовой турбины.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Газовые турбины включают в себя компрессор, камеру сгорания и турбину, чтобы расширять горячий газ, формируемый в камере сгорания.
Вдобавок, газовые турбины могут содержать вторую камеру сгорания ниже по потоку от турбины и вторую турбину ниже по потоку от второй камеры сгорания.
Камера сгорания и вторая камера сгорания (если она предусмотрена) снабжаются воздухом из компрессора и топливом; топливо сгорает с образованием горячего газа.
Когда топливо является природным газом, его состав и характеристики могут значительно меняться со временем. Например, количество азота (инертный элемент, так как он не принимает участия в процессе сгорания) может значительно меняться со временем.
Так как общая энергия, подаваемая в камеры внутреннего сгорания (то есть низшая теплотворная способность топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания), определяет нагрузку на газовые турбины, массовый расход топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания, может значительно меняться, когда характеристики топлива также меняются, если нагрузка на газовую турбину поддерживается постоянной или по существу постоянной.
Когда топливо впрыскивается в камеру сгорания, это большое изменение в массовом расходе топлива, вызванное изменением состава топлива, может вызвать изменение в проникновении струи топлива в камеру сгорания и, таким образом, плохое смешивание, большие выбросы, например выбросы NOx, и сниженную эффективность.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В аспекте изобретения предусмотрены способ и газовая турбина, которые позволяют корректировать проникновение струи топлива, в том числе, когда состав топлива изменяется.
В другом аспекте изобретения предусмотрены способ и газовая турбина, которые позволяют корректировать смешивание, сниженные выбросы и эффективную работу, в том числе в случае, когда состав топлива изменяется со временем.
В одном из аспектов изобретения предложена камера сгорания газовой турбины, содержащая
корпус с трубопроводом подачи топлива для подачи топлива в корпус и трубопроводом подачи воздуха-носителя для подачи воздуха в корпус, отличающаяся тем, что содержит регулирующую систему для регулировки массового расхода воздуха-носителя, подаваемого в корпус, согласно характеристикам топлива,
причем трубопровод подачи топлива и трубопровод подачи воздуха-носителя соединены с по меньшей мере общим соплом, причем по меньшей мере общее сопло предусмотрено как для впрыскивания топлива, так и воздуха-носителя,
причем регулирующая система выполнена с возможностью поддержания импульса топлива и воздуха-носителя, впрыскиваемых через по меньшей мере общее сопло, по существу постоянным.
В одном из вариантов изобретения предложена камера сгорания, отличающаяся тем, что содержит трубку, которая выступает в корпус, при этом
трубка содержит по меньшей мере общее сопло,
трубка содержит трубопровод подачи топлива и трубопровод подачи воздуха-носителя, причем
трубопровод подачи топлива и трубопровод подачи воздуха-носителя соединены с общими соплами.
В одном из вариантов изобретения предложена камера сгорания, отличающаяся тем, что характеристика топлива является массовым расходом и/или составом и/или индексом Воббе.
В одном из вариантов изобретения предложена камера сгорания, отличающаяся тем, что регулирующая система содержит
датчик для измерения отличительной характеристики топлива,
дросселирующий клапан, соединенный с трубопроводом подачи воздуха-носителя,
блок управления, соединенный с датчиком и дросселирующим клапаном для управления дросселирующим клапаном на основании отличительной характеристики, измеренной датчиком.
В одном из вариантов изобретения предложена камера сгорания, отличающаяся тем, что она является частью газовой турбины, которая включает в себя компрессор, первую камеру сгорания, первую турбину.
В еще одном из вариантов изобретения предложена камера сгорания, отличающаяся тем, что ниже по потоку от турбины газовая турбина включает в себя вторую камеру сгорания, снабжаемую выхлопными газами из турбины, и вторую турбину, причем камера сгорания может быть использована в качестве первой и/или второй камеры сгорания.
В дополнительном аспекте изобретения предложен способ управления воздушным потоком, подаваемым в камеру сгорания газовой турбины, содержащей корпус с трубопроводом подачи топлива для подачи топлива в корпус и трубопроводом подачи воздуха-носителя для подачи воздуха в корпус, причем трубопровод подачи и трубопровод подачи воздуха-носителя соединены с по меньшей мере общим соплом, отличающийся тем, что включает этапы, на которых:
регулируют массовый расход воздуха-носителя, подаваемого в корпус, согласно характеристикам топлива;
впрыскивают как топливо, так и воздух-носитель через по меньшей мере общее сопло;
поддерживают импульс топлива и воздуха-носителя, впрыскиваемых через по меньшей мере общее сопло, по существу постоянным.
В одном из вариантов изобретения предложен способ, отличающийся тем, что характеристика топлива является массовым расходом и/или составом и/или индексом Воббе.
В одном из вариантов изобретения предложен способ, в котором импульс топлива и воздуха-носителя, впрыскиваемых через по меньшей мере общее сопло, поддерживают по существу постоянным при по существу постоянной нагрузке на газовую турбину.
В еще одном из аспектов изобретения предложена камера сгорания газовой турбины, содержащая
корпус с трубопроводом подачи топлива для подачи топлива в корпус и трубопроводом подачи воздуха-носителя для подачи воздуха в корпус, отличающаяся тем, что содержит регулирующую систему для регулировки массового расхода воздуха-носителя, подаваемого в корпус, согласно характеристикам топлива, при этом регулирующая система содержит
датчик для измерения отличительной характеристики топлива,
дросселирующий клапан, соединенный с трубопроводом подачи воздуха-носителя,
блок управления, соединенный с датчиком и дросселирующим клапаном для управления дросселирующим клапаном на основании отличительной характеристики, измеренной датчиком.
Эти и дополнительные аспекты достигаются посредством предоставления способа и газовой турбины в соответствии с прилагаемой формулой изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Дополнительные характеристики и преимущества станут более очевидны из описания предпочтительного, но неисключительного варианта осуществления способа и газовой турбины, проиллюстрированных посредством неограничивающего примера на прилагаемых чертежах, на которых:
фиг. 1 и 2 показывают различные варианты осуществления газовых турбин;
фиг. 3 и 4 показывают различные варианты осуществления камер сгорания;
фиг. 5 показывает сечение вдоль линии V-V по фиг. 4.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В дальнейшем, сначала описываются два примера газовых турбин.
Фиг. 1 показывает газовую турбину 1, содержащую компрессор 2, камеру 3 сгорания и турбину 4.
Компрессор 2 сжимает воздух, который подается в камеру 3 сгорания, где он смешивается с топливом, таким как природный газ; эта смесь сгорает, чтобы формировать горячий газ, который расширяется в турбине 4.
Фиг. 2 показывает пример, в котором газовая турбина 1 содержит, ниже по потоку от турбины 4, вторую камеру 5 сгорания и вторую турбину 6.
Во второй камере 5 сгорания топливо, такое как природный газ, впрыскивается в выхлопной газ, частично расширенный в турбине 4, с образованием горячего газа, который расширяется в турбине 6.
Камеры 3 и 5 сгорания могут обладать схожими или одинаковыми характеристиками, или могут обладать разными характеристиками. В дальнейшем выполняется конкретная ссылка на камеру 5 сгорания, те же самые рассуждения применимы к камере 3 сгорания независимо от того факта, имеют ли камеры 3 и 5 сгорания одинаковые, схожие или разные характеристики.
Камера 5 сгорания содержит корпус 10, определяющий, например, прямоугольный, квадратный или трапециевидный трубопровод 11. Вдобавок, камера 5 сгорания содержит трубопровод 14 подачи топлива для подачи топлива, такого как природный газ, в корпус 10 и трубопровод 15 подачи воздуха-носителя для подачи воздуха в корпус 10.
Воздух-носитель представляет собой поток воздушной массы, который ограничивает струю топлива и увеличивает ее импульс для улучшенного проникновения. Он также защищает топливо от слишком быстрого увлечения горячим газом и задерживает самовоспламенение.
Камера 5 сгорания дополнительно содержит регулирующую систему 17 для регулировки массового расхода воздуха-носителя, подаваемого в корпус 10, согласно характеристикам топлива.
Трубопровод 14 подачи топлива и трубопровод 15 подачи воздуха-носителя соединены по меньшей мере с общим соплом 19; другими словами, поток как через трубопровод 14 подачи топлива, так и через трубопровод 15 подачи воздуха впрыскивается в корпус 10 через сопла 19. Обычно, трубопровод 14 подачи топлива содержит отверстия 20, направленные к центральной части сопел 19, а трубопровод 15 подачи воздуха содержит проходы 21 вокруг отверстий 20 над границей сопел 19.
Преимущественно, регулирующая система 17 приспособлена, чтобы поддерживать импульс топлива и воздуха-носителя, впрыскиваемых через общие сопла 19, по существу постоянным, предпочтительно, когда нагрузка на газовую турбину является по существу постоянной.
В предпочтительном варианте осуществления предусмотрена трубка 24; трубка 24 выступает в корпус 10 и содержит общие сопла 19. Может быть предусмотрено одно или более сопел 19. Трубка 2 4 содержит трубопровод 14 подачи топлива и трубопровод 15 подачи воздуха-носителя, и трубопровод 14 подачи топлива и трубопровод 15 подачи воздуха-носителя соединяются с общими соплами 19.
Регулирующая система 17 может включать в себя датчик 25 для измерения отличительной характеристики топлива, дросселирующий клапан 27, соединенный с трубопроводом 15 подачи воздуха-носителя, и блок 28 управления, соединенный с датчиком 25 и дросселирующим клапаном 27 для управления дросселирующим клапаном 27 на основании отличительной характеристики, измеренной датчиком 25.
В качестве альтернативы, регулирующая система может включать в себя отверстия 20 и/или проходы 21, имеющие форму и/или размер, производящие автоматическую регулировку потока воздуха, когда поток топлива изменяется.
Например, отверстия 20 и сопла 19 могут содержать по существу пересекающиеся оси 27, площадь отверстий 20 перпендикулярно осям 27 может быть меньше, чем площадь сопел 19 перпендикулярно тем же осям 27.
В различных примерах, характеристика топлива может являться массовым расходом и/или составом и/или индексом Воббе топлива.
Работа газовой турбины очевидна из описанного и проиллюстрированного и по существу состоит в следующем.
Со ссылкой на пример по фиг. 3, топливо, такое как природный газ, проходит через трубопровод 14 подачи топлива; датчик 25 детектирует требуемую характеристику топлива и передает ее на блок 28 управления. Блок 28 управления управляет дросселирующим клапаном 27 на основании сигнала, принятого датчиком 25. Таким образом, клапан 27 регулирует поток воздуха-носителя на основании потока топлива. Регулировка может включать в себя регулировку импульса впрыскиваемого воздуха и топлива согласно предварительно заданной функции, или чтобы поддерживать их постоянными. Импульс воздуха и топлива составляет:
Ma·va+Mf·vf,
где Ма - это массовый расход воздуха-носителя, va - это скорость воздуха-носителя при впрыскивании, Mf - это массовый расход топлива, vf - это скорость топлива при впрыскивании.
Со ссылкой на пример по фиг. 4 и 5, топливо F проходит через трубопровод 14 подачи топлива, а воздух-носитель А проходит через трубопровод 15 подачи воздуха. Благодаря характеристикам отверстия 20, и проходов 21, и сопел 19 происходит автоматическая регулировка потока воздуха-носителя; фактически, изменение характеристик топлива приводит к изменению массового расхода топлива, так как энергия (в терминах низшей теплотворной способности топлива) должна поддерживаться по существу постоянной при по существу постоянной нагрузке; в качестве альтернативы, массовый расход топлива может регулироваться согласно требуемой нагрузке. Ссылка М обозначает смесь, которая формируется воздухом-носителем А и топливом F; эта смесь формируется в соплах 19.
Изменение массового расхода топлива влияет на поток воздуха через проход 21 так, чтобы достигалась автоматическая регулировка.
Настоящее раскрытие также относится к способу управления воздушным потоком, подаваемым в камеру 5 сгорания газовой турбины.
Способ включает в себя регулировку массового расхода воздуха-носителя, подаваемого в корпус 10 камеры 5 сгорания, согласно характеристикам топлива.
Преимущественно, как топливо, так и воздух-носитель впрыскиваются через общие сопла 19.
Дополнительно, импульс топлива и воздуха-носителя, впрыскиваемых через общие сопла 19, поддерживается по существу постоянным, при этом нагрузка на газовую турбину является по существу постоянной.
На практике, используемые материалы и размеры могут выбираться согласно требованиям и уровню техники.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
1 - Газовая турбина
2 - Компрессор
3 - Камера сгорания
4 - Турбина
5 - Камера сгорания
6 - Турбина
10 - Корпус
11 - Трубопровод
14 - Трубопровод подачи топлива
15 - Трубопровод подачи воздуха-носителя
17 - Регулирующая система
19 - Сопло
20 - Отверстие
21 - Проход
24 - Трубка
25 - Датчик
27 - Дросселирующий клапан
28 - Блок управления
29 - Ось
А - Воздух-носитель
F - Топливо
М - Смесь.
Реферат
Изобретение относится к способу управления воздушным потоком, подаваемым в камеру сгорания, и к камере сгорания. Камера сгорания газовой турбины содержит корпус с трубопроводом подачи топлива для подачи топлива в корпус и трубопроводом подачи воздуха-носителя для подачи воздуха в корпус. Упомянутая камера сгорания также содержит регулирующую систему для регулировки массового расхода воздуха-носителя, подаваемого в корпус, согласно характеристикам топлива. Трубопровод подачи топлива и трубопровод подачи воздуха-носителя соединены с по меньшей мере общим соплом. По меньшей мере общее сопло используется как для впрыскивания топлива, так и воздуха-носителя. Регулирующая система выполнена с возможностью поддержания импульса топлива и воздуха-носителя, по существу постоянным. Регулирующая система содержит датчик для измерения отличительной характеристики топлива, дросселирующий клапан, соединенный с трубопроводом подачи воздуха-носителя, блок управления, для управления дросселирующим клапаном на основании отличительной характеристики топлива, измеренной датчиком. Обеспечивается корректировка смешиваемых количеств топлива и воздуха, снижение выбросов и эффективная работа, в том случае, когда состав топлива изменяется со временем. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.
