СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОТУРБИННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ Российский патент 2021 года по МПК F02C9/18 F02C9/28 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к способу управления газовой турбиной и газотурбинным двигателем и, в частности, но не исключительно, способу управления газовой турбиной, содержащей отборы воздуха из работающего компрессора для поддержания более постоянной температуры сгорания с целью уменьшенных выбросов при различных требуемых нагрузках, и газотурбинному двигателю, имеющему ряд систем отбора воздуха.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Для спаренной или двухвальной газовой турбины, где может быть отдельный газогенераторный агрегат и свободная силовая турбина, приводящая в движение нагрузку, выбросы при диапазонах низкой мощности и в системах сжигания бедной топливной смеси регулируются путем ограничения воздушного или массового расхода через камеру сгорания для поддержания приемлемого соотношения топливо/воздух и, следовательно, высокой температуры горения. Высокая и стабильная температура горения приводит к более низким выбросам, таким как COX, NOX, SOX, а также несгоревших углеводородов. Ранее, использование отбора (газа) на выходе из компрессора в выхлопную трубу газовой турбины было достаточным для законодательно установленных диапазонов рабочих нагрузок, но это влечет за собой ухудшение в виде сниженного термического кпд. Современные тенденции требуют более чистого сгорания, когда газовая турбина работает до более низких процентов от полной мощности нагрузки, например, всего лишь 30% от полной мощности нагрузки в определенных обстоятельствах, и с меньшим ухудшением по термическому кпд и, следовательно, со сниженным расходом топлива.

ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является решение проблемы уменьшения выбросов газотурбинными двигателями и, особенно, при работе во всем диапазоне рабочих отборов мощности. Другая проблема, решаемая настоящим изобретением, заключается в поддержании постоянных температур в камере сгорания таким образом, чтобы выбросы были сведены к минимуму. Еще одной решаемой проблемой является повышение стабильности горения и, следовательно, повышение работоспособности газотурбинного двигателя. Еще одна решаемая проблема заключается в снижении или сведению к минимуму влияния на термический к.п.д. газовой турбины и особенно при менее высоких отборах мощности.

Поэтому предложен способ управления газотурбинным двигателем, причем газотурбинный двигатель имеет в осевом потоке последовательно компрессор, камеру сгорания, турбину компрессора и выхлопную трубу. Газовая турбина способна работать, по меньшей мере, в диапазоне высокой выходной мощности, диапазоне умеренно высокой выходной мощности, диапазоне умеренно низкой выходной мощности и диапазоне низкой выходной мощности. Способ содержит этапы в диапазоне умеренно высокой выходной мощности во время перепуска газа из нижней по потоку части компрессора в верхнюю по потоку часть компрессора таким образом, чтобы поддерживалась первая заданная температура в камере сгорания, в диапазоне умеренно низкой выходной мощности перепуска газа из нижней по потоку части компрессора в верхнюю по потоку часть компрессора и перепуска газа из нижней по потоку части компрессора в выхлопную трубу таким образом, чтобы поддерживалась вторая заданная температура в камере сгорания.

Диапазоны выходной мощности могут быть относительно друг друга такими, что в порядке убывания диапазонами выходной мощности являются: диапазон высокой выходной мощности, диапазон умеренно высокой выходной мощности, диапазон умеренно низкой выходной мощности и диапазон низкой выходной мощности. Таким образом, для любого газотурбинного двигателя диапазоны выходной мощности не перекрываются или могут быть последовательными.

В диапазоне низкой выходной мощности перепуск газа из нижней по потоку части компрессора в верхнюю по потоку часть компрессора может быть максимальным, и перепуск газа из нижней по потоку части компрессора в выхлопную трубу может быть максимальным.

В диапазоне высокой выходной мощности перепуск газа из нижней по потоку части компрессора в верхнюю по потоку часть компрессора может быть минимальным или нулевым, и перепуск газа из нижней по потоку части компрессора в выхлопную трубу может быть минимальным или нулевым.

В диапазоне умеренно низкой выходной мощности перепуск газа из нижней по потоку части компрессора в верхнюю по потоку часть компрессора может быть максимальным.

Диапазон умеренно низкой выходной мощности имеет максимальную точку и минимальную точку, и перепуск газа из нижней по потоку части компрессора в верхнюю по потоку часть компрессора может содержать изменение количества газа, отбираемого от минимального количества в максимальной точке до максимального количества в минимальной точке.

Каждая из первой и второй заданных температур может включать номинальную температуру и верхний и нижний пределы, причем предпочтительно верхний и нижний пределы имеют отклонения от номинальной температуры от +5°С до -5°С, соответственно. Изменение количества отбираемого газа может содержать увеличение количества отбираемого газа, если температура в камере сгорания достигает нижнего предела, и/или уменьшение количества отбираемого газа, если температура в камере сгорания достигает верхнего предела.

Разница между первой заданной температурой и второй заданной температурой может находиться в диапазоне 5-20°С и более предпочтительно приблизительно 10°С.

Способ может содержать определение перепуска газа из нижней по потоку части компрессора в верхнюю по потоку часть компрессора, который достиг максимального и начального перепуска газа из нижней по потоку части компрессора в выхлопную трубу. Альтернативно, способ может содержать определение перепуска газа из нижней по потоку части компрессора в верхнюю по потоку часть компрессора, который достиг заданной точки, которая составляет свыше максимально 90%, или более предпочтительно свыше максимально 95%, и начального перепуска газа из нижней по потоку части компрессора в выхлопную трубу.

Диапазон высокой выходной мощности может быть между 100% и 50% от максимальной выходной мощности, предпочтительно диапазон высокой выходной мощности может быть между 100% и 75% от максимальной выходной мощности.

Диапазон умеренно высокой выходной мощности может быть между 85% и 40% от максимальной выходной мощности, предпочтительно диапазон умеренно высокой выходной мощности может быть между 75% и 50% от максимальной выходной мощности.

Диапазон умеренно низкой выходной мощности может быть между 85% и 30% от максимальной выходной мощности, предпочтительно диапазон умеренно низкой выходной мощности может быть между 60% и 30% от максимальной выходной мощности, более предпочтительно диапазон умеренно низкой выходной мощности может быть между 50% и 35% от максимальной выходной мощности.

Диапазон низкой выходной мощности может быть между 0% и 60% от максимальной выходной мощности, предпочтительно диапазон низкой выходной мощности может быть между 0% и 40% от максимальной выходной мощности, и более предпочтительно диапазон низкой выходной мощности может быть между 0% и 30%.

В другом аспекте настоящего изобретения предложен газотурбинный двигатель, способный работать, по меньшей мере, в диапазоне высокой выходной мощности, диапазоне умеренно высокой выходной мощности, диапазоне умеренно низкой выходной мощности, и диапазоне низкой выходной мощности. Газотурбинный двигатель содержит в осевом потоке последовательно компрессор, камеру сгорания, турбину компрессора и выхлопную трубу, датчик температуры, прикрепленного к газотурбинному двигателю и расположенный для считывания или расчета температуры в камере сгорания. Двигатель имеет первую систему отбора воздуха из компрессора, содержащую первый воздуховод, связывающий нижнюю часть по потоку компрессора и верхнюю по потоку часть, и первый клапан, расположенный на воздуховоде. Двигатель имеет вторую систему отбора воздуха из компрессора, содержит второй воздуховод, связывающий нижнюю по потоку часть компрессора и выхлопную трубу, и второй клапан, расположенный на воздуховоде. Двигатель также содержит блок управления двигателем, соединенный с датчиком температуры, первый клапан и второй клапан, причем блок управления двигателем запрограммирован управлять первым клапаном и вторым клапаном в зависимости от температуры в камере сгорания таким образом, что в диапазоне умеренно высокой выходной мощности первый клапан, по меньшей мере, частично открыт, таким образом, чтобы поддерживалась первая заданная температура в камере сгорания, и в диапазоне умеренно низкой выходной мощности второй клапан, по меньшей мере, частично открыт, а первый клапан полностью открыт таким образом, чтобы поддерживалась вторая заданная температура в камере сгорания.

Газотурбинный двигатель дополнительно может содержать силовую турбину, расположенную между турбиной и выхлопной трубой, причем силовая турбина соединена с валом для приведения в движение нагрузки.

Верхняя по потоку часть представляет собой вход компрессора или вход газотурбинного двигателя, а нижняя часть является, по меньшей мере, выходом компрессора. Первая система отбора воздуха из компрессора и вторая система отбора воздуха из компрессора имеют общий первый выпуск для отбора воздуха или общий массив первых выпусков для отбора воздуха, расположенные на выходе компрессора.

Первая система отбора воздуха из компрессора и вторая система отбора воздуха из компрессора имеют общий второй выпуск для отбора воздуха или общий массив первых выпусков для отбора воздуха, расположенные между входом и выходом компрессора.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Указанные выше характеристики и другие признаки и преимущества данного изобретения, и способ их достижения станут более очевидными, а само изобретение будет лучше понято путем ссылки на следующее описание вариантов воплощения изобретения, взятое в совокупности с приложенными чертежами, на которых:

фиг.1 представляет собой схематическую компоновку газотурбинного двигателя в соответствии с настоящим изобретением и показывает компрессор с системой выпуска выхлопных газов и компрессорно-рециркуляционной системой отбора,

фиг.2 представляет собой схематическую компоновку компрессора газотурбинного двигателя в соответствии с настоящим изобретением и в увеличенном виде,

фиг.3 является графическим представлением способа эксплуатации газовой турбины в соответствии с настоящим изобретением, причем графическое представление показывает общую зависимость между выходной мощностью газотурбинного двигателя по оси x и температурой в камере сгорания по оси y, в частности, это графическое представление предназначено для тех случаев, когда требуемая нагрузка газотурбинного двигателя изменяется между высокой выходной мощностью и низкой выходной мощностью.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг.1 показан пример газотурбинного двигателя 10 в разрезе. Газотурбинный двигатель 10 содержит последовательно потоку вход 12, компрессор 14, камеру 16 сгорания и турбину 18, которые обычно располагаются последовательно по потоку и обычно вокруг и в направлении к продольной или оси 20 вращения. Газотурбинный двигатель 10 дополнительно содержит первый вал 22, который может вращаться вокруг оси 20 вращения и который проходит продольно через часть газотурбинного двигателя 10. Первый вал 22 соединяет турбину 18 с компрессором 14 с возможностью передачи приводного усилия. Иногда турбина 18 известна, как турбина компрессора или турбина компрессора высокого давления. Силовая турбина 19 может располагаться ниже по потоку от турбины 18 компрессора. Силовая турбина 19 может быть соединена с нагрузкой 26 через второй вал 28 с возможностью передачи приводного усилия. Альтернативно, турбина 18 компрессора может быть соединена с нагрузкой 26 через вал с возможностью передачи приводного усилия. Выхлопная труба 30 располагается ниже по потоку турбины 18 компрессора и ниже по потоку силовой турбины 19.

При работе газотурбинного двигателя 10 воздух 24, всасываемый через воздухозаборник 12, сжимается с помощью ступени компрессора 14 и подается в камеру 16 сгорания. Камера 16 сгорания содержит кольцевой массив камер сгорания, как хорошо известно, альтернативно, камера 16 сгорания может быть n-кольцевой камерой 16 сгорания, имеющей в остальном общепринятое расположение. Сжатый воздух, проходя через компрессор 14, поступает в диффузор и отводится из диффузора в камеру 16 сгорания, откуда часть воздуха смешивается с газообразным или жидким топливом. Затем воздушно-топливная смесь сжигается, и газ сгорания или рабочий газ из камеры сгорания отводится через камеру 16 сгорания в турбину 18 через переходный канал.

Газ сгорания из камеры 16 сгорания входит в турбину 18 и приводит в движение ее турбинные лопатки, которые, в свою очередь, вращают вал 22 для приведения в движение компрессора 14. Турбина 18 может также приводить в движение нагрузку 26 непосредственно через вал. Хотя, как показано на фиг.1 газ сгорания или рабочий газ проходит из турбины 18 в силовую турбину 19 и через нее. Затем силовая турбина 19 может приводить в движение нагрузку 26 через вал 28. Рабочий газ или из силовой турбины 19 или из турбины 18 компрессора поступает в выхлопную трубу 30 и затем в окружающую среду.

Газотурбинный двигатель 10 дополнительно содержит две системы отбора воздуха из компрессора. Первая система 32 отбора воздуха из компрессора содержит первый воздуховод 34, соединяющий нижнюю по потоку часть 36 компрессора 14 и верхнюю по потоку часть 38. Верхняя по потоку часть 38 может быть частью компрессора 14 или входа 12. Как будет очевидно специалисту в этой области техники, нижняя по потоку часть 36 компрессора обычно находится под более высоким давлением, чем верхняя по потоку часть 38. Первый клапан 40 располагается на воздуховоде 34 и может работать с целью регулирования количества отбираемого воздуха из компрессора из нижней по потоку части и вновь вводимого в верхнюю по потоку часть 38. В одном варианте воплощения нижней по потоку частью 36 является выпуск 56 компрессора 14 или просто нижняя по потоку часть конечной ступени компрессора 14. Верхней по потоку частью 38 является впуск 55 компрессора 14, но в других примерах верхняя часть 38 может находиться в любом месте вверх по потоку отводного канала или там, где первый воздуховод 34 соединяется с нижней частью 36 компрессора 14.

Вторая система 33 отбора воздуха компрессора содержит второй воздуховод 35, соединяющий нижнюю по потоку часть 36 компрессора 14 и выхлопную трубу 30. Как будет очевидно специалисту в этой области техники, нижняя по потоку часть 36 компрессора находится под более высоким давлением, чем выхлопная труба 30. Второй клапан 41 располагается на воздуховоде 35 и может работать, чтобы регулировать количество отбираемого воздуха из компрессора из нижней по потоку части 36 и вводимого в выхлопную трубу 30.

Газотурбинный двигатель 10 также содержит блок 42 управления двигателем. Газотурбинный двигатель 10 дополнительно содержит датчик температуры 44, предназначенный для измерения или расчета величины, представляющей собой температуру газа сгорания на выходе 45 из камеры 16 сгорания. Там может быть или один датчик температуры 44 или кольцевой массив датчиков температуры 44, или установленный на каждом блоке камеры сгорания в массиве блоков камер сгорания, или вокруг кольцевой камеры сгорания, или датчики 44 могут быть расположены ниже по потоку от выхода 45 камеры сгорания, и температура на выходе 45 рассчитывается в блоке 42 управления из этих измерений ниже по потоку. Среди других аспектов газотурбинного двигателя блок 42 управления двигателем соединяется с первым клапаном 40 первой системы 32 отбора воздуха из компрессора, вторым клапаном 41 второй системы 33 отбора воздуха из компрессора и датчиком (датчиками) 44 температуры. Блок 42 управления двигателем запрограммирован с помощью набора инструкций по эксплуатации клапанов 40, 41 во время работы двигателя.

В общем случае, ограничение потока воздуха через камеру 16 сгорания поддерживает приемлемое соотношение топливо/воздух и, следовательно, высокую температуру горения. Ограничение потока воздуха через камеру 16 сгорания достигается за счет уменьшения перепада давления на компрессоре 14 и, следовательно, количества сжатого воздуха, подаваемого в камеру 16 сгорания. Настоящий способ отбирает сжатый воздух сначала через управление первой системой 32 отбора воздуха, а затем через вторую систему 33 отбора воздуха. Этот метод обеспечивает прогрессивное и последовательное управление снижением перепада давления по всему компрессору. Этот метод применим в обоих направлениях выходной мощности или нагрузки, т.е. при уменьшении выходной мощности и увеличении выходной мощности. Другими словами, при увеличении или уменьшении выходной мощности первая система 32 отбора воздуха используется в полной мере, а затем используется вторая система 33 отбора воздуха. Первая система 32 отбора воздуха, перепуск из нижней по потоку части в верхнюю по потоку часть компрессора, является более эффективной системой отбора воздуха, поскольку она оказывает меньшее влияние на термический кпд. двигателя. Первая система 32 отбора эффективно снижает давление компрессора в его нижней по потоку части путем перепуска сжатого воздуха и путем введения сжатого воздуха в верхнюю по потоку часть увеличивает его давление, тем самым относительно эффективно уменьшая перепад давления по всему компрессору. Вторая система отбора воздуха используется после первой системы отбора воздуха, поскольку она менее эффективна с точки зрения теплового цикла двигателя, поскольку она сбрасывает сжатый воздух в выхлопную трубу и теряет большую часть работы, проделанной при его сжатии в первую очередь.

Как показано на фиг. 2, компрессор 14 содержит осевой ряд лопастных ступеней 46 и роторных лопастных ступеней 48. Роторные лопастные ступени 48 содержат роторный диск, поддерживающий кольцевой массив лопастей обычным образом. Компрессор 14 также содержит корпус 50, который окружает роторные ступени и поддерживает лопастные ступени 46. Ступени регулируемых лопаток включают в себя кольцевой массив радиально простирающихся лопаток, которые крепятся к корпусу 50. Лопатки предназначены для подачи газового потока под оптимальным углом для лопастей в заданной рабочей точке двигателя. Некоторые ступени регулируемых лопаток могут иметь регулируемые лопастные механизмы 49, где угол наклона лопаток относительно их собственной продольной оси может регулироваться по углу в соответствии с характеристиками потока воздуха, которые могут иметь место в диапазоне различных рабочих режимов двигателя.

Компрессор 14 дополнительно содержит выпуски 52, 54 для отбора воздуха, смонтированные на корпусе 50 и позволяющие отбирать сжатый воздух из компрессора 14. Показаны два выпуска для отбора воздуха, хотя возможен один или, по меньшей мере, 3 выпуска для отбора воздуха. Каждый выпуск 52, 54 для отбора воздуха может представлять собой массив выпусков 52, 54 для отбора воздуха по окружности корпуса и соединяться по жидкотекучей среде через галерею или отдельные галереи. Галерея (галереи), не показанная (не показанные), проходит в окружном направлении, частично или полностью окружая корпус и соединяя выпуски для отбора воздуха. Выпускной воздуховод 52А, 54А выведен из каждого выпуска 52, 54 для отбора воздуха, соответственно, и каждый выпускной воздуховод 52А, 54А может иметь действующий клапан 52B, 54B, каждый из которых соединен с блоком 42 управления двигателем и управляется им. Выпуск 52 для отбора воздуха предпочтительно располагается на выходе 56 из компрессора или рядом с ним, но он может располагаться между ступенями компрессора и ниже по потоку от выпуска 54 для отбора воздуха, когда используются два выпуска для отбора воздуха или отводы. Там, где имеется только один выпуск для отбора воздуха, предпочтительно им является выпуск для отбора воздуха 52. Выпускные воздуховоды 52А и 54а соединяются с первым воздуховодом 34 и вторым воздуховодом 35. Альтернативно, выпускные воздуховоды 52А могут соединяться со вторым воздуховодом 35, а выпускной воздуховод 54а может соединяться с первым воздуховодом 34.

Газотурбинный двигатель 10 может содержать датчики 57 положения клапанов на каждом первом клапане 40 (каждом из первых клапанов 40) и каждом втором клапане 41 (каждом из вторых клапанов 41) и, действительно, клапанов 52B, 54B. Датчики 57 положения клапанов соединены с блоком 42 управления двигателем таким образом, что известно, является ли клапан полностью открытым или полностью закрытым, или находится в положении между полностью открытым и полностью закрытым. Поэтому, с помощью калибровки системы отбора воздуха для потока воздуха в зависимости от положения клапана известно количество воздуха, отбираемого из компрессора, в любое желательное время. Таким образом, можно сопоставить положение клапана с выходной мощностью во всех диапазонах выходной мощности 67R, 70R и 70R’.

Обращаясь теперь к фиг.3, шкала 60 оси x представляет собой выходную мощность в процентах от максимальной мощности, достижимой от газотурбинного двигателя при определенных погодных или окружающих внешних условий на входе и, в частности, температуре и давлении на входе. Альтернативно, шкала по оси Х может быть выходной мощностью двигателя с максимальной выходной мощностью (в точке 64). Шкала по оси y представляет собой температуру газа сгорания на выходе 45 из камеры 16 сгорания. Сразу же следует отметить, что для любого конкретного газотурбинного двигателя и окружающих внешних условий на входе 12 температура и процент от выходной мощности могут заметно отличаться от тех, которые показаны схематически, и, таким образом, графическое представление находится не в масштабе.

Способ работы газотурбинного двигателя предназначен для следования рабочей линии 63, которая изображает соотношение между процентами от выходной мощности и температурой на выходе 45 из камеры 16 сгорания, как уже упоминалось выше. Рабочая линия 63 имеет ряд точек от 64 до 73 и рабочие условия или диапазоны, которые теперь будут описаны со ссылкой на уменьшение выходной мощности газотурбинного двигателя от 100% до 0% от максимальной выходной мощности, т.е. от верхнего правого края графика до нижнего левого. Однако следует иметь в виду, что настоящий способ не требует, чтобы газотурбинный двигатель находился со 100% или заканчивал (работу) с 0%. Должно быть очевидно, что описанный в настоящем документе способ может включать работу газотурбинного двигателя во время увеличения выходной мощности и между 0% (включительно) и 100% (включительно), т. е. от нижнего левого края графика к верхнему правому краю графика или, другими словами, с увеличением выходной мощности двигателя 10. Кроме того, настоящий способ требует только того, чтобы газовая турбина могла работать в пределах конкретных диапазонов выходной мощности, где работают первая система отбора воздуха и/или вторая система отбора воздуха.

Точка 64 представляет собой 100% или максимальную выходную мощность и самую высокую температуру на выходе из камеры сгорания 45. В этой рабочей точке нет отбора воздуха из компрессора 14, а температура на выходе 45 из камеры 16 сгорания достаточно высока для образования минимальных или приемлемых выбросов.

Точка 65 находится в диапазоне 65R высокой выходной мощности и находится ниже 100% от выходной мощности, а температура, измеренная на выходе 45 из камеры 16 сгорания, ниже самой высокой температуры на выходе из камеры сгорания. Точка 65 представляет собой положение на графике между точкой 66 и точкой 64 и находится в пределах диапазона 65R высокой выходной мощности двигателя. Высокая выходная мощность 65R включает в себя 100% выходной мощности (точка 64) и вплоть до точки 66. Как правило, диапазон 65R высокой выходной мощности составляет от 100% от максимальной выходной мощности до 75% от максимальной выходной мощности. В других примерах диапазон 65R высокой выходной мощности составляет от 100% от максимальной выходной мощности до 50% от максимальной выходной мощности. При диапазоне 65R высокой выходной мощности отсутствует отбор воздуха из компрессора 14, а температура на выходе 45 из камеры 16 сгорания все еще достаточно высока для образования минимальных или приемлемых выбросов.

Точка 66 находится при первой заданной температуре T1 и в пределах диапазона 67R умеренно высокой выходной мощности газотурбинного двигателя 10. Непосредственно над точкой 66 находится самая низкая температура на выходе 45 из камеры сгорания для минимальных или приемлемых выбросов, и отсутствует отбор воздуха из компрессора 14 и этот режим работы, как описано выше со ссылкой на вышеуказанную точку 65. Ниже точки 66 температура на выходе из камеры сгорания иначе может быть ниже температуры в камере сгорания, при которой выбросы были бы нежелательными или неприемлемыми. В пределах диапазона 67R умеренно высокой выходной мощности, например, в точке 67, которая меньше диапазона 65R высокой выходной мощности, камера 16 сгорания имеет постоянную температуру на выходе. Здесь, когда первая температура на выходе достигает первой заданной температуры T1, способ включает в себя перепуск сжатого газа из нижней по потоку части 36 компрессора 14 в верхнюю по потоку часть 38 компрессора 14 таким образом, чтобы поддерживалась первая температура на выходе. Когда выходная мощность двигателя уменьшается от точки 66 и по направлению к точке 68, блок 42 управления двигателем дает команду клапану 40 (и там, где используются клапаны 52B и/или 54B) открыться и увеличить объем отбора воздуха для поддержания первой температуры на выходе на уровне первой заданной температуре T1.

Точка 68 представляет собой конец диапазона 67R умеренно высокой выходной мощности. В точке 68 перепуск газа из нижней по потоку части 36 компрессора 14 в верхнюю по потоку часть 38 компрессора 14 достиг максимума и клапан 40 является полностью открытым. Следует иметь в виду, что "полностью открытый" здесь может означать, что клапан открыт до его максимально допустимой степени в зависимости от других параметров и применения. Например, может быть еще одна причина для ограничения максимально допустимой степени или "полностью открытого" состояния, например, размер воздуховода или рабочий предел, такая как максимально допустимая температура на входе в компрессор. После точки 68 и, поскольку уменьшается выходная мощность, температура, измеренная на выходе 45 из камеры 16 сгорания, начинает снижаться. Таким образом, способ работы двигателя включает в себя обнаружение того, что перепуск газа из нижней по потоку части 36 компрессора 14 в верхнюю по потоку часть 38 компрессора 14 достиг максимальной величины, и запуск перепуска газа из нижней по потоку части 36 компрессора 14 в выхлопную трубу 30. Хотя максимальную точку отбора воздуха предпочтительно использовать в качестве точки, в которой может начаться перепуск в выхлопную трубу, также можно обнаружить, когда достигается заданная точка свыше 90% или более, предпочтительно выше 95% от максимума, чтобы затем начать перепуск в выхлопную трубу. Это может обеспечить плавный переход между отборами воздуха, которые могут иметь место.

Точка 69 находится там, где газотурбинный двигатель 10 начинает работать в диапазоне умеренно низкой выходной мощности 70R, и где камера 16 сгорания достигает второй заданной температуры T2, и которая в данном примере ниже первой заданной температуры T1. В точке 69 блок 42 управления двигателем получает сигнал от датчика 44 температуры, сообщающий о достижении второй заданной температуры Т2, и дает команду клапану 41 начать открываться и перепускать газ из нижней по потоку части 36 компрессора 14 в выхлопную трубу 30 таким образом, чтобы вторая температура на выходе поддерживалась на уровне второй заданной температуры Т2. В точке 70, которая является характеризующей для точки в пределах диапазона умеренно низкой выходной мощности 70R, перепуск газа также продолжается при максимальной величине из нижней по потоку части 36 компрессора 14 в верхнюю по потоку часть 38 компрессора 14, и происходит перепуск газа из нижней по потоку части 36 компрессора 14 в выхлопную трубу 30. От точки 69 и по направлению к точке 71 в диапазоне выходной мощности 70R имеется увеличение количества перепускаемого газа из нижней по потоку части 36 компрессора 14 в выхлопную трубу 30. Блок 42 управления двигателем дает команду клапану 41 постепенно открываться, увеличивая величину и относительно уменьшая выходную мощность двигателя таким образом, чтобы поддерживалась температура (T2) на выходе 45 из камеры 16 сгорания. Когда клапан 41 полностью открыт до своего максимального физического состояния или достигается другой предел, например, максимально допустимая температура выхлопа, в точке 71 максимальное количество отводимого газа отбирается из компрессора 14 в выхлопную трубу 30. Таким образом, в диапазоне умеренно низкой выходной мощности 70R имеется максимальное или, по меньшей мере, большое количество отбираемого газа, который перепускается из нижней по потоку части 36 в верхнюю по потоку часть 38 компрессора 14 и переменное количество отводимого газа из компрессора 14 в выхлопную трубу 30.

Диапазон умеренно низкой выходной мощности 70R простирается между точкой 69 и точкой 71. В точке 69 фактически происходит нулевой перепуск газа из нижней по потоку части 36 компрессора 14 в выхлопную трубу 30, но примерно именно в этой точке клапан 41 должен открываться. В точке 71 перепуск газа из нижней по потоку части 36 компрессора 14 в выхлопную трубу 30 находится на максимальном уровне.

В диапазоне 72R низкой выходной мощности, который имеется между точкой 71 и точкой 73, которая составляет 0% от максимальной выходной мощности, происходит перепуск газа из нижней по потоку части 36 компрессора 14 в верхнюю по потоку часть 38 и в выхлопную трубу 30 одновременно с максимальной величиной. При отсутствии возможности дальнейшего отбора воздуха температура на выходе 45 из камеры сгорания продолжает падать с уменьшением выходной мощности. В зависимости от типа двигателя и условий окружающей среды температура в камере сгорания будет такой, что будут образовываться нежелательные выбросы; однако ниже точки 71 двигатель часто выключается и не работает в течение значительного периода времени.

Каждая из первой и второй заданных температур T1, T2 включает номинальную температуру и верхний и нижний пределы. Как правило, верхний и нижний пределы имеют отклонения от номинальной температуры +5°C и -5°C, соответственно; это также можно назвать температурным диапазоном в 10°C, имеющим медиану, которая является заданной температурой. Другие применения могут иметь различные температурные диапазоны или пределы. Изменение количества отбираемого газа либо из первой системы 32 отбора воздуха, либо из второй системы 33 отбора воздуха в зависимости от рабочей выходной мощности включает в себя увеличение или поддержание постоянным количества отбираемого газа путем модуляции клапана, если температура в камере 16 сгорания достигает нижнего предела, и/или уменьшение или поддержание постоянным количества отбираемого газа путем модуляции клапанов, если температура в камере сгорания достигает верхнего предела.

Разница между первой заданной температурой Т1 и второй заданной температурой Т2 составляет приблизительно 10°C, хотя в других примерах газотурбинного двигателя, который может иметь заметно отличающиеся системы сгорания, разница между первой заданной температурой Т1 и второй заданной температурой Т2 может находиться в диапазоне 5-20°C. Однако, как описано выше, модуляция клапанов 40, 41 (и 52B, 54B) для управления массовым расходом перепуска основана на достижении температуры камеры сгорания верхнего и нижнего пределов, поэтому разница температур между T1 и T2 должна быть вне верхнего и нижнего пределов.

В другом примере способа работы газотурбинного двигателя 10 вместо использования разницы температур, т.е. разницы по температуре от заданной температуры Т1 до заданной температуры Т2, для инициирования открытия клапана 41 для отбора воздуха из компрессора в выхлопную трубу можно использовать другие индикаторы того, что перепуск газа из нижней по потоку части 36 компрессора 14 в верхнюю по потоку часть 38 компрессора 14 достиг своей максимальной величины. Одним таким индикатором является датчик (датчики) 57 положения клапана на клапане 40 (и, если использовались, на клапанах 52B, 54B) таким, что, известно, когда перепуск газа из нижней по потоку части 36 компрессора 14 в верхнюю по потоку часть 38 компрессора 14 достигала заданной величины или максимальной величины. Таким образом, на фигуре 3 модифицированный способ работы газотурбинного двигателя предназначен следовать рабочей линии 63’, которая изображает зависимость между процентом от выходной мощности и температурой на выходе 45 из камеры 16 сгорания, как уже упоминалось выше. Рабочая линия 63’ имеет ряд рабочих точек от 64 до 68, 70’, 71’, 72 и 73. Рабочие точки 64-68, а также 73, являются такими, как описано ранее, и снова не будут описаны. Рабочие точки 70’, 71’ фактически заменяют точки 70, 71, а точка 69 является недействительной. Умеренно низкий диапазон выходной мощности 70R теперь становится умеренно низким диапазоном выходной мощности 70R’, и который простирается между точкой 68 и точкой 71’. Таким образом, первая заданная температура T1 может быть равна или приблизительно равна второй заданной температуре T2. Для любого данного газотурбинного двигателя диапазон умеренно низкой выходной мощности 70R примерно равен диапазону средней и низкой выходной мощности 70R’.

Альтернативно или также, как датчик (датчики) 57 положения клапана на клапане 40 (и, если использовались, на клапанах 52B, 54B) посылает непрерывные сигналы в блок 42 управления двигателем. Блок 42 управления двигателем запрограммирован таким образом, что при достижении заданного положения клапана он дает команду клапану 41 начать открываться. Поскольку выходная мощность или нагрузка уменьшается в диапазоне умеренно низкой выходной мощности 70R', блок 42 управления двигателем дает команду клапану 41 открываться в относительно увеличивающихся количествах, тем самым поддерживая температуру на выходе из камеры 16 сгорания на уровне заданных температур T1 и/или T2.

Например, при запуске газотурбинного двигателя (точка 73) и увеличении выходной мощности до 100% (точка 64) обе системы 32, 33 отбора воздуха полностью открыты в диапазоне 72R низкой выходной мощности. Альтернативный подход к запуску газотурбинного двигателя заключается в том, чтобы одна или обе системы отбора воздуха 32, 33 были закрыты при запуске и увеличении нагрузки до достижения заданной точки в пределах диапазона низкой мощности 72R, в которой обе первая вторая системы 32, 33 отбора воздуха увеличиваются до их максимальных величин. При достижении второй заданной температуры T2 в камере 16 сгорания клапан 41 второй системы 33 отбора воздуха получает команду начать закрываться из своего полностью открытого состояния. Поскольку выходная мощность продолжает увеличиваться по диапазону 70R, 70R’ умеренно низкой выходной мощности, клапан 41 второй системы 33 отбора воздуха получает команду постепенно (плавно или поэтапно) закрываться до тех пор, пока не будет достигнута точка 69 или точка 68 в зависимости от того, существует ли разница между T1 и T2 или T2=T1.

Там, где вторая заданная температура T2 и первая заданная температура T1 установлены с разницей, как описано выше, прослеживается линия 63 выходной мощности и по достижении точки 69 клапан 41 является полностью закрытым. Температура в камере 16 сгорания увеличивается от второй заданной температуры T2 до первой заданной температуры T1 в коротком диапазоне выходной мощности 74R. При достижении первой заданной температуры T1 клапан 40 получает команду начать закрываться из своего полностью открытого или максимально допустимого открытого состояния.

Альтернативно, когда вторая заданная температура T2 и первая заданная температура T1 установлены приблизительно равными, как описано выше, прослеживается линия 63’ выходной мощности и по достижении точки 68 клапан 41 является полностью закрытым. Датчик положения клапана, который контролирует клапан 41, сигнализирует, что клапан 41 является полностью закрытым или почти закрытым, скажем, закрыт в пределах 5%, и блок управления 42 двигателем дает команду клапану 40 начать закрываться.

В любом случае, поскольку выходная мощность продолжает увеличиваться по диапазону 67R умеренно высокой выходной мощности, клапану 40 первой системы 32 отбора воздуха дается команда постепенно (плавно или поэтапно) закрываться до точки 66.

Как описано выше, заданные температуры T1 и T2 поддерживаются на уровне постоянной номинальной температуры по диапазону 70R, 70R’ умеренно низкой выходной мощности и 67R умеренно высокой выходной мощности с помощью датчика 44 температуры, указывающего, когда достигается верхний или нижний предел, и модулирующего клапаны для открытия или закрытия в такой степени, чтобы компенсировать то, что температура в камере сгорания остается в пределах заданного температурного диапазона.

Как будет видно из описания, относящегося к уменьшению выходной мощности, в диапазоне 65R высокой выходной мощности оба клапана 40, 41 являются полностью закрытыми.

Следует иметь в виду, что значения диапазонов выходной мощности 65R, 67R, 70R, 72R и 74R или требуемой нагрузки в точках на рабочих линиях 63, 63’ могут быть различными для разных газотурбинных двигателей. Таким образом, хотя их максимальные диапазоны могут казаться перекрывающимися, для любого газотурбинного двигателя диапазоны выходной мощности не перекрываются. Следовательно, вторая система 32 отбора воздуха не работает в диапазоне 67R умеренно высокой выходной мощности. Другими словами, при снижении активности двигателя вторая система 33 отбора воздуха начинает перепускать только тогда, когда первая система 32 отбора воздуха достигла своего максимума или очень близка к своему максимуму, например, в пределах 5% от его максимума.

Диапазоны выходной мощности располагаются относительно друг друга таким образом, что в порядке убывания выходных мощностей диапазоны являются следующими: диапазон высокой выходной мощности, диапазон умеренно высокой выходной мощности, диапазон умеренно низкой выходной мощности и диапазон низкой выходной мощности. Таким образом, для любого газотурбинного двигателя диапазоны выходной мощности не перекрываются или могут быть последовательными.

В определенных обстоятельствах, особенно когда температура окружающей среды чрезвычайно низка, необходимо нагревать воздух на входе 12 и/или нагревать вход 12 с антиобледенительными целями. В этом случае первая система 32 отбора воздуха из компрессора может иметь дополнительные воздуховоды на входе 12, и часть отбора воздуха из компрессора используется для нагревания или с антиобледенительными целями. Оставшийся отбор воздуха из компрессора, который составляет большую часть общего доступного отбора воздуха из компрессора, используется первой системой 32 отбора воздуха из компрессора и второй системой 34 отбора воздуха из компрессора, как описано в настоящем документе.

Настоящее изобретение описано со ссылкой на вышеуказанный пример турбинного двигателя, имеющего один вал или турбокомпрессор, соединяющий один многоступенчатый компрессор и единственную, одноступенчатую или более ступенчатую турбину. Однако следует иметь в виду, что настоящее изобретение в равной степени применимо к двухвальным или трехвальным двигателям, и которое может быть использовано для промышленного, авиационного или морского применений.

Термины "верхний по потоку" и "нижний по потоку" относятся к направлению течения потока воздуха и/или потока рабочего газа через двигатель, если не указано иное. Термины "вперед" и "назад" относятся к общему потоку газа через двигатель. Термины осевой, радиальный и окружной употреблены применительно к оси 20 вращения двигателя.

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к газотурбинным двигателям. Предложен способ управления газотурбинным двигателем (10), имеющим в осевом потоке последовательно компрессор (14), камеру (16) сгорания, турбину (18) компрессора и выхлопную трубу (30), и предпочтительно силовую турбину (19), расположенную между турбиной (18) и выхлопной трубой (30), причем силовая турбина (9) соединяется с валом (28) для приведения в движение нагрузки (26). Газовая турбина может работать в, по меньшей мере, диапазоне (65R) высокой выходной мощности, диапазоне умеренно высокий выходной мощности (67R), диапазоне (70R, 70R’) умеренно низкой выходной мощности и диапазоне (72R) низкой выходной мощности. Способ содержит этапы, на которых, в диапазоне (67R) умеренно высокой выходной мощности, перепускают газ из нижней по потоку части (36) компрессора (14) в верхнюю по потоку часть (38) компрессора (14) таким образом, чтобы поддерживалась первая заданная температура (T1) в камере сгорания, в диапазоне (70R, 70R’) умеренно низкой выходной мощности, перепускают газ из нижней по потоку части (36) компрессора (14) в верхнюю по потоку часть (38) компрессора (14) и перепускают газ из нижней по потоку части (36) компрессора (14) в выхлопную трубу (30) таким образом, чтобы поддерживалась вторая заданная температура (T2) в камере сгорания. Изобретение позволяет поддерживать постоянную заданную температуру в камере сгорания, уменьшить выбросы газотурбинного двигателя и повысить его работоспособность. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ управления газотурбинным двигателем (10),

причем газотурбинный двигатель (10) имеет в осевом потоке последовательно компрессор (14), камеру (16) сгорания, турбину (18) компрессора и выхлопную трубу (30), при этом газотурбинный двигатель выполнен с возможностью функционирования в, по меньшей мере:

- диапазоне (65R) высокой выходной мощности, который составляет от 100% до 50% от максимальной выходной мощности,

- диапазоне (67R) умеренно высокой выходной мощности, который составляет от 85% до 40% от максимальной выходной мощности,

- диапазоне (70R, 70R’) умеренно низкой выходной мощности, который составляет от 85% до 30% от максимальной выходной мощности, и

- диапазоне (72R) низкой выходной мощности, который составляет от 0% до 60% от максимальной выходной мощности;

при этом диапазоны выходной мощности не перекрываются;

причем способ включает этапы, на которых:

- в диапазоне (67R) умеренно высокой выходной мощности осуществляют перепуск газа из нижней по потоку части (36) компрессора (14) в верхнюю по потоку часть (38) компрессора (14) таким образом, чтобы поддерживалась первая заданная температура (T1) в камере сгорания,

- в диапазоне (70R, 70R’) умеренно низкой выходной мощности осуществляют перепуск газа из нижней по потоку части (36) компрессора (14) в верхнюю по потоку часть (38) компрессора (14) и осуществляют перепуск газа из нижней по потоку части (36) компрессора (14) в выхлопную трубу (30) таким образом, чтобы поддерживалась вторая заданная температура (T2) в камере сгорания.

2. Способ управления газотурбинным двигателем (10) по п.1, при котором

- в диапазоне (72R) низкой выходной мощности перепуск газа из нижней по потоку части (36) компрессора (14) в верхнюю по потоку часть (38) компрессора (14) является максимальным и перепуск газа из нижней по потоку части (36) компрессора (14) в выхлопную трубу (30) является максимальным.

3. Способ управления газотурбинным двигателем (10) по п.1 или 2, при котором

- в диапазоне (65R) высокой выходной мощности перепуск газа из нижней по потоку части (36) компрессора (14) в верхнюю по потоку часть (38) компрессора (14) является минимальным или нулевым и перепуск газа из нижней по потоку части (36) компрессора (14) в выхлопную трубу (30) является минимальным или нулевым.

4. Способ управления газотурбинным двигателем (10) по любому из пп.1-3, при котором

- в диапазоне (70R, 70R’) умеренно низкой выходной мощности перепуск газа из нижней по потоку части (36) компрессора (14) в верхнюю по потоку часть (38) компрессора (14) является максимальным.

5. Способ управления газотурбинным двигателем (10) по любому из пп.1-4, при котором

- диапазон (67R) умеренно высокой выходной мощности имеет максимальную точку (66) и минимальную точку (68), и перепуск газа из нижней по потоку части (36) компрессора (14) в верхнюю по потоку часть (38) компрессора (14) включает изменение количества отбираемого газа от минимального количества в максимальной точке (66) до максимального количества в минимальной точке (68).

6. Способ управления газотурбинным двигателем (10) по любому из пп.1-5, при котором

- диапазон (70R, 70R’) умеренно низкой выходной мощности имеет максимальную точку (68, 69) и минимальную точку (71, 71’), и перепуск газа из нижней по потоку части (36) компрессора (14) в выхлопную трубу (30) включает изменение количества отбираемого газа от минимального количества в максимальной точке (68) до максимального количества в минимальной точке (71, 71’).

7. Способ управления газотурбинным двигателем (10) по п.5 или 6, при котором

каждая из первой и второй заданных температур (T1, T2) включает в себя номинальную температуру и верхний и нижний пределы, причем верхний и нижний пределы, предпочтительно, имеют отклонения от номинальной температуры +5°C и -5°C, соответственно, и

изменение количества отбираемого газа включает:

- увеличение количества отбираемого газа, если температура в камере сгорания достигает нижнего предела и/или

- уменьшение количества отбираемого газа, если температура в камере сгорания достигает верхнего предела.

8. Способ управления газотурбинным двигателем (10) по любому из пп.1-7, при котором

- разница между первой заданной температурой (T1) и второй заданной температурой (T2) находится в диапазоне 5-20°C и более предпочтительно составляет приблизительно 10°C.

9. Способ управления газотурбинным двигателем (10) по любому из пп.1-8, при котором

- обнаруживают то, что перепуск газа из нижней по потоку части (36) компрессора (14) в верхнюю по потоку часть (38) компрессора (14) достиг максимальной величины и

- начинают перепуск газа из нижней по потоку части (36) компрессора (14) в выхлопную трубу (30).

10. Способ управления газотурбинным двигателем (10) по любому из пп.1-9, при котором

- диапазон (65R) высокой выходной мощности составляет от 100% до 75% максимальной выходной мощности,

- диапазон (67R) умеренно высокой выходной мощности составляет от 75% до 50% от максимальной выходной мощности,

- диапазон (70R, 70R’) умеренно низкой выходной мощности составляет от 60% до 30% от максимальной выходной мощности, предпочтительно диапазон (70R, 70R’) умеренно низкой выходной мощности составляет от 50% до 35% от максимальной выходной мощности, и

- диапазон низкой выходной мощности (72R) составляет от 0% до 40% от максимальной выходной мощности, и предпочтительно диапазон низкой выходной мощности составляет от 0% до 30%.

11. Способ управления газотурбинным двигателем (10) по любому из пп.1-10, при котором

- обнаруживают то, что перепуск газа из нижней по потоку части компрессора (14) в верхнюю по потоку часть (38) компрессора (14) достиг заданной точки, которая составляет свыше максимально 90%, предпочтительно - максимально 95%, и

- начало выпуска газа из нижней по потоку части (36) компрессора (14) в выхлопную трубу (30).

12. Газотурбинный двигатель (10), выполненный с возможностью функционирования в, по меньшей мере, диапазоне (65R) высокой выходной мощности, который составляет от 100% до 50% от максимальной выходной мощности, диапазоне умеренно высокой выходной мощности (67R), который составляет от 85% до 40% от максимальной выходной мощности, диапазоне (70R, 70R’) умеренно низкой выходной мощности, который составляет от 85% до 30% от максимальной выходной мощности, и диапазоне (72R) низкой выходной мощности, который составляет от 0% до 60% от максимальной выходной мощности, причем диапазоны выходной мощности не перекрываются; при этом газотурбинный двигатель (10) содержит:

в осевом потоке последовательно компрессор (14), камеру (16) сгорания, турбину (18) компрессора и выхлопную трубу (30),

датчик (44) температуры, установленный в газотурбинном двигателе (10) и выполненный с возможностью определения или расчета температуры в камере (16) сгорания,

первую систему (32) отбора воздуха из компрессора, содержащую первый воздуховод (34), соединяющий нижнюю по потоку часть (36) компрессора (14) и верхнюю по потоку часть (38), и первый клапан (40), расположенный на воздуховоде (34),

вторую систему (33) отбора воздуха из компрессора, содержащую второй воздуховод (35), соединяющий нижнюю по потоку часть (36) компрессора (14) и выхлопную трубу (30), и второй клапан (41), расположенный на воздуховоде (35),

блок (42) управления двигателем, соединенный с датчиком (44) температуры, первым клапаном (40) и вторым клапаном (41), причем блок (42) управления двигателем запрограммирован на управление первым клапаном (40) и вторым клапаном (41) в зависимости от температуры в камере (16) сгорания таким образом, что:

- в диапазоне (67R) умеренно высокой выходной мощности первый клапан (40), по меньшей мере, частично открыт таким образом, чтобы поддерживалась первая заданная температура (T1) в камере (16) сгорания,

- в диапазоне (70R, 70R’) умеренно низкой выходной мощности второй клапан (41), по меньшей мере, частично открыт, а первый клапан (40) полностью открыт таким образом, чтобы поддерживалась вторая заданная температура (T2) в камере (16) сгорания.

13. Газотурбинный двигатель (10) по п.12, дополнительно содержащий силовую турбину (19), расположенную между турбиной (18) и выхлопной трубой (30), причем силовая турбина (19) соединена с валом (28) для приведения в движение нагрузки (26).

14. Газотурбинный двигатель (10) по п.12 или 13, в котором

- верхней по потоку частью (38) является вход (55) компрессора (14), а нижней по потоку частью (38) является, по меньшей мере, выход (56) компрессора (14), и

- первая система (32) отбора воздуха из компрессора и вторая система (33) отбора воздуха из компрессора имеют общий первый выпуск (52) для отбора воздуха или общий массив первых выпусков (52) для отбора воздуха, расположенные на выходе (56) из компрессора (14).

15. Газотурбинный двигатель (10) по п.13, в котором

- первая система (32) отбора воздуха из компрессора и вторая система (33) отбора воздуха из компрессора имеют общий второй выпуск (54) для отбора воздуха или общий массив вторых выпусков (54) для отбора воздуха, расположенные между входом (55) в компрессор (14) и выходом (56) из него.