СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМОЙ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ И СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ СИСТЕМЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2021 года по МПК F02C9/28 

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу управления системой сгорания.

В частности, изобретение касается способа управления системой сгорания газотурбинного двигателя, системы управления, газотурбинного двигателя, содержащего такую систему управления, и способа производства системы сгорания.

Уровень техники

Газотурбинные двигатели, которые являются конкретным примером турбомашин, как правило, включают в себя, в последовательности потока, компрессор для сжатия воздуха, камеру сгорания для сжигания топлива, по меньшей мере, с помощью некоторой части сжатого воздуха, и турбину для извлечения энергии из получившегося в результате ускоренного продукта горения (см., например, патент США № 5537864).

Многие газовые турбины в настоящее время работают по философии 'плоской' (постоянной) линии оценки фактической температуры (TET) на входе в турбину в диапазоне температурных условий на впуске компрессора, для которого она предназначается. Следовательно, как показано на фиг. 1, когда температура на впуске компрессора изменяется, температура на входе в турбину сохраняется постоянной. Однако, переменные давления, температуры и соотношения воздух-топливо на впуске камеры сгорания изменяются вместе с изменениями в условиях на впуске компрессора. Результатом является то, что, в то время как TET остается постоянной, температура первичной зоны в первичной зоне камеры сгорания, которая диктует темпы формирования оксидов азота (NOx), моноксида углерода (CO) и несгоревших углеводородных (UHC) загрязняющих веществ, изменяется, когда условия на впуске компрессора изменяются. Следовательно, выбросы из таких газотурбинных двигателей изменяются, когда условия на впуске компрессора (например, окружающая атмосфера) изменяются. Следовательно, выбросы NOx будут изменяться с высоких значений при более низких температурах на впуске компрессора до низких значений при более высоких температурах на впуске компрессора. Наоборот, выбросы CO и UHC будут самыми низкими при более низких температурах на впуске компрессора и наивысшими при более высоких температурах на впуске компрессора.

Следовательно, система, которая может быть сконфигурирована, чтобы лучше управлять изменениями в условиях сгорания, чтобы, тем самым, регулировать выбросы, является очень желательной.

Сущность изобретения

Согласно настоящему изобретению предоставляется устройство, система и способы, которые изложены в прилагаемой формуле изобретения. Другие отличительные признаки изобретения будут понятны из зависимых пунктов формулы изобретения и описания, которое следует.

Соответственно может быть предоставлен способ управления системой сгорания газотурбинного двигателя (10). Газотурбинный двигатель (10) может иметь секцию (14) компрессора с впуском (12) и камеру (28) сгорания с первичной зоной (110) сгорания, причем условия в первичной зоне (110) сгорания определяются по параметру управления первичной зоной. Двигатель может дополнительно содержать секцию (18) турбины, имеющую впускную область (44). Способ может содержать: регулирование параметра (PZCP) управления первичной зоной по существу до постоянного значения в диапазоне значений температуры (T1) воздуха на впуске компрессора.

Это предоставляет преимущественный способ управления, в котором, в рабочем диапазоне условий на впуске компрессора для двигателя, к которому компоновка настоящего изобретения применяется, выбросы NOx, CO и UHC будут согласующимися и, следовательно, более легко оптимизируемыми.

Параметр (PZCP) управления первичной зоной может быть одним из: температуры (Tpz) первичной зоны или соотношения (Epz) эквивалентности первичной зоны. Эти параметры имеют особую важность, так как они непосредственно относятся к процессу сгорания.

Способ может дополнительно содержать этап: определения температуры (TET) на входе в турбину на впуске (44) турбины как функцию температуры T1 на впуске компрессора для заданного значения параметра (PZCP) управления первичной зоной, и регулирования одного или более рабочих параметров двигателя в значение, или диапазон значений, определенный как функция температуры (T1) воздуха на впуске компрессора и/или температуры (TET) на входе в турбину; так что фактический параметр (PZCP) управления первичной зоной в камере (28) сгорания регулируется, чтобы быть по существу равным заданному значению параметра (PZCP) управления первичной зоной; и, таким образом, определенная температура (TET) на входе в турбину находится в заданном диапазоне значений. Этот этап является преимущественным, так как он обеспечивает дополнительный контроль над формированием выбросов.

Определенная температура (TET) на входе в турбину может быть определена из заданного соотношения, которое сопоставляет диапазон значений температуры (T1) воздуха на впуске компрессора с диапазоном значений температуры (TET) на входе в турбину для заданного постоянного значения параметра (PZCP) управления первичной зоной, при этом соотношение может быть определено посредством:

- таблицы поиска, включающей в себя интерполяцию между точками данных в таблице поиска;

- уравнения; и/или

- наиболее соответствующего соотношения последовательностей значений температуры (T1) воздуха на впуске компрессора и температуры (TET) на входе в турбину.

Соотношение, как бы оно ни было выражено, предоставляет преимущество гарантирования того, что температура на выходе турбины не упадет ниже значения, ниже которого производительность турбины нарушается, или превысит заданное значение, когда турбина может быть повреждена.

Рабочие параметр(ы) двигателя могут быть выбраны из списка, содержащего:

- расход (EOP1) воздуха на впуске компрессора;

- давление (EOP2) воздуха на выходе компрессора;

- температуру (EOP3) на выходе компрессора;

- массовый расход (EOP4) топлива в камеру сгорания; и/или

- соотношение (EOP5) воздух-топливо в камере сгорания.

Фактический параметр (PZCP) управления первичной зоной может быть отрегулирован, чтобы иметь по существу постоянное значение при заданном значении, или диапазоне значений, условий мощности двигателя. Этот этап является преимущественным, так как он обеспечивает дополнительный контроль над формированием выбросов.

Заданное значение условия мощности двигателя может быть по существу равным 100% Чтобы регулировать выбросы в этом двигателе, номинальная характеристика является полезной, так как это является условием, в отношении которого двигатели стремятся работать в течение самого длительного времени, чтобы добиваться максимальной эффективности.

Заданное условие мощности двигателя может быть менее 100% Расход воздуха (EOP1) на впуске компрессора может быть менее 100% от максимального расхода на впуске компрессора. Альтернативно, расход воздуха (EOP1) компрессора может быть снижен после впуска перед подачей в камеру сгорания. Эти настройки могут требоваться, если более низкая мощность, выводимая от двигателя, требуется.

Способ может содержать этап измерения, логического вывода и/или вычисления температуры (T1) воздуха на впуске компрессора.

Может также быть предоставлена система (100) управления для системы сгорания газотурбинного двигателя, функционирующая, чтобы выполнять способ настоящего изобретения. Система управления может содержать контроллер и какой-либо один или более датчиков (61-68).

Контроллер может быть запрограммирован, чтобы выполнять определение из заданного соотношения, которое сопоставляет диапазон значений температуры (T1) воздуха на впуске компрессора с диапазоном значений температуры (TET) на входе в турбину для заданного постоянного значения параметра (PZCP) управления первичной зоной, при этом соотношение определяется посредством:

таблицы поиска, включающей в себя интерполяцию между точками данных в таблице поиска;

уравнения; и/или

наиболее соответствующего соотношения последовательностей значений температуры (T1) воздуха на впуске компрессора и температуры (TET) на входе в турбину.

Может также быть предоставлен газотурбинный двигатель (10), управляемый согласно способу настоящего изобретения. Газотурбинный двигатель имеет секцию компрессора с впуском; камеру сгорания с первичной зоной сгорания, секцию турбины, имеющую впускную область и систему управления, система управления содержит контроллер и какой-либо один или более датчиков.

Контроллер, который может быть запрограммирован, чтобы выполнять определение из заданного соотношения, которое сопоставляет диапазон значений температуры (T1) воздуха на впуске компрессора с диапазоном значений температуры (TET) на входе в турбину для заданного постоянного значения параметра (PZCP) управления первичной зоной, при этом соотношение определяется посредством:

таблицы поиска, включающей в себя интерполяцию между точками данных в таблице поиска;

уравнения; и/или

наиболее соответствующего соотношения последовательностей значений температуры (T1) воздуха на впуске компрессора и температуры (TET) на входе в турбину.

Может также быть предоставлен способ производства системы (100) управления для системы сгорания газотурбинного двигателя (10). Газотурбинный двигатель (10) может иметь: секцию (14) компрессора с впуском (12); камеру (28) сгорания с первичной зоной (110) сгорания, для которой условие в первичной зоне определяется параметром первичной зоны. Двигатель 10 может дополнительно содержать секцию (18) турбины, имеющую впускную (входную) область (44). Способ может содержать этапы: определения желаемого значения параметра (PZCP) управления первичной зоной для оптимального регулирования NOx, CO и/или UHC; определения диапазона значений температуры (TET) на входе в турбину на впуске (44) турбины как функцию диапазона температур (T1) на впуске компрессора для заданного значения параметра (PZCP) управления первичной зоной; конфигурирования камеры (28) сгорания и/или системы (100) управления так, чтобы: регулировать фактический параметр (PZCP) управления первичной зоной в диапазоне значений температуры (T1) воздуха на впуске компрессора: так что фактический параметр (PZCP) управления первичной зоной регулируется, чтобы быть по существу равным заданному значению параметра (PZCP) управления первичной зоной; и, таким образом, определенная температура (TET) на входе в турбину находится в заданном диапазоне значений.

Это предоставляет преимущественный способ создания системы, в которой, в рабочем диапазоне условий на впуске компрессора для двигателя, к которому компоновка настоящего изобретения применяется, выбросы NOx, CO и UHC будут согласующимися и, следовательно, более легко оптимизируемыми.

Параметр (PZCP) управления первичной зоной может быть одним из: температуры (Tpz) первичной зоны или соотношения (Epz) эквивалентности первичной зоны. Эти параметры имеют особую важность, так как они непосредственно относятся к процессу сгорания.

Следовательно, могут быть предоставлены способ, система и устройство для регулирования выбросов NOx, CO и UHC из камеры сгорания газотурбинного двигателя.

Таким образом, согласно первому объекту настоящего изобретения создан способ управления системой сгорания газотурбинного двигателя, содержащего:

секцию компрессора с впуском;

камеру сгорания с первичной зоной сгорания,

- условие в первичной зоне сгорания которой определяется параметром управления первичной зоной;

секцию турбины, имеющую впускную область;

при этом способ включает:

регулирование параметра управления первичной зоной до по существу постоянного значения в диапазоне значений температуры воздуха на впуске компрессора;

определение температуры на входе в турбину на впуске турбины как функции температуры на впуске компрессора для заданного значения параметра управления первичной зоной; и

регулирование одного или более рабочих параметров двигателя в значение, или диапазон значений, определенный как функция температуры воздуха на впуске компрессора и/или температуры на входе в турбину;

так что фактический параметр управления первичной зоной в камере сгорания регулируется так, чтобы быть по существу равным заданному значению параметра управления первичной зоной; и

так что определенная температура на входе в турбину находится в заданном диапазоне значений.

Предпочтительно, параметр управления первичной зоной является одним из:

температуры первичной зоны или

соотношения эквивалентности первичной зоны, являющегося отношением «фактического соотношения воздух/топливо» к «стехиометрическому соотношению воздух/топливо».

Предпочтительно, определенную температуру на входе в турбину определяют из заданного соотношения, которое сопоставляет диапазон значений температуры воздуха на впуске компрессора с диапазоном значений температуры на входе в турбину для заданного постоянного значения параметра управления первичной зоной, при этом соотношение определяется посредством:

- таблицы поиска, включающей в себя интерполяцию между точками данных в таблице поиска,

- уравнения и/или

- наиболее соответствующего соотношения последовательностей значений температуры воздуха на впуске компрессора и температуры на входе в турбину.

Предпочтительно, рабочий параметр(ы) двигателя выбирается/выбираются из списка, включающего:

- расход воздуха на впуске компрессора;

- давление воздуха на выходе компрессора;

- температуру на выходе компрессора;

- массовый расход топлива в камеру сгорания; и/или

- соотношение воздух-топливо в камере сгорания.

Предпочтительно, фактический параметр управления первичной зоной регулируют таким образом, чтобы иметь по существу постоянное значение при заданном значении, или диапазоне значений, условия мощности двигателя.

Предпочтительно, заданное значение условия мощности двигателя равно по существу 100%.

Предпочтительно, заданное условие мощности двигателя меньше 100% и

расход воздуха на впуске компрессора меньше 100% от максимального расхода на впуске компрессора; или

расход воздуха компрессора уменьшается после впуска перед доставкой в камеру сгорания.

Предпочтительно, измеряют, логически выводят и/или вычисляют температуру воздуха на впуске компрессора.

Согласно второму объекту настоящего изобретения создана система управления для системы сгорания газотурбинного двигателя, функционирующая для выполнения вышеописанного способа, причем система управления содержит контроллер и любой один или более датчиков.

Предпочтительно, контроллер запрограммирован для выполнения определения из заданного соотношения, которое сопоставляет диапазон значений температуры воздуха на впуске компрессора с диапазоном значений температуры на входе в турбину для заданного постоянного значения параметра управления первичной зоной, при этом соотношение определяется посредством:

таблицы поиска, включающей в себя интерполяцию между точками данных в таблице поиска,

уравнения и/или

наиболее соответствующего соотношения последовательностей значений температуры воздуха на впуске компрессора и температуры на входе в турбину.

Согласно третьему объекту настоящего изобретения создан газотурбинный двигатель, управляемый согласно вышеописанному способу и содержащий:

секцию компрессора со впуском, камеру сгорания с первичной зоной сгорания, секцию турбины, имеющую впускную область, и систему управления,

при этом система управления содержит контроллер и любой один или более датчиков.

Предпочтительно, контроллер запрограммирован для выполнения определения из заданного соотношения, которое сопоставляет диапазон значений температуры воздуха на впуске компрессора с диапазоном значений температуры на входе в турбину для заданного постоянного значения параметра управления первичной зоной, при этом соотношение определяется посредством:

таблицы поиска, включающей в себя интерполяцию между точками данных в таблице поиска,

уравнения и/или

наиболее соответствующего соотношения последовательностей значений температуры воздуха на впуске компрессора и температуры на входе в турбину.

Согласно четвертому объекту настоящего изобретения создан способ производства системы управления для системы сгорания газотурбинного двигателя, содержащего:

секцию компрессора с впуском;

камеру сгорания с первичной зоной сгорания,

- условие в первичной зоне которой определяется параметром первичной зоны;

секцию турбины, имеющую впускную (входную) область;

при этом способ включает этапы, на которых:

определяют желаемое значение параметра управления первичной зоной для оптимального регулирования NOx, CO и/или UHC;

определяют диапазон значений температуры на входе в турбину на впуске турбины как функцию диапазона температур на впуске компрессора для заданного значения параметра управления первичной зоной;

конфигурируют камеру сгорания и/или систему управления так, чтобы:

регулировать фактический параметр управления первичной зоной в диапазоне значений температуры воздуха на впуске компрессора:

так что фактический параметр управления первичной зоной регулируется, чтобы быть по существу равным заданному значению параметра управления первичной зоной; и

так что определенная температура на входе в турбину находится в заданном диапазоне значений.

Предпочтительно, параметр управления первичной зоной является одним из:

температуры первичной зоны или

соотношения эквивалентности первичной зоны, являющегося отношением «фактического соотношения воздух/топливо» к «стехиометрическому соотношению воздух/топливо».

Краткое описание чертежей

Примеры настоящего изобретения будут сейчас описаны со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:

Фиг. 1 - чертеж, который описывает работу известной системы;

Фиг. 2 - вид в поперечном сечении газотурбинного двигателя, к которому система настоящего изобретения может быть применена;

Фиг. 3 - схематичное представление системы настоящего изобретения;

Фиг. 4 - блок-схема последовательности операций, иллюстрирующая то, как может быть спроектирована система настоящего изобретения; и

Фиг. 5 - чертеж, который описывает работу системы настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

Фиг. 2 показывает пример газотурбинного двигателя 10 в виде в разрезе, который может быть снабжен системой управления настоящего изобретения и, следовательно, управляться посредством способа настоящего изобретения. Газотурбинный двигатель 10 может также содержать систему управления, изготовленную, сконфигурированную и/или спроектированную посредством способа согласно настоящему изобретению.

Газотурбинный двигатель 10 содержит, в последовательности потока, впускное отверстие 12, секцию 14 компрессора, секцию 16 камеры сгорания и секцию 18 турбины, которые, в целом, размещаются в последовательности протекания и, в целом, вокруг и в направлении продольной или оси 20 вращения. Газотурбинный двигатель 10 дополнительно содержит вал 22, который является вращаемым вокруг оси 20 вращения, и который протягивается продольно через газотурбинный двигатель 10. Вал 22 соединяет с возможностью привода секцию 18 турбины с секцией 14 компрессора.

В эксплуатации газотурбинного двигателя 10 воздух 24, который засасывается через впускное отверстие 12 для воздуха, сжимается посредством секции 14 компрессора и доставляется в секцию камеры сгорания или секцию 16 горелки. Секция 16 горелки содержит камеру 26 повышенного давления горелки, одну или более камер 28 сгорания и, по меньшей мере, одну горелку 30, прикрепленную к каждой камере 28 сгорания.

Камеры 28 сгорания и горелки 30 располагаются внутри камеры 26 повышенного давления горелки, определенной корпусом 37, который окружает конкретную или каждую камеру 28 сгорания. Сжатый воздух, проходящий через компрессор 14, поступает в диффузор 32 и выпускается из диффузора 32 в камеру 26 повышенного давления для горелки, откуда доля воздуха поступает в горелку 30 и/или проходит через завихритель 31 воздуха и смешивается с газообразным или жидким топливом. Воздушно-топливная смесь затем сжигается первоначально в первичной зоне 110 сгорания. Процесс сгорания продолжается, когда рабочий газ от сгорания направляется через камеру 28 сгорания в секцию 18 турбины через переходный трубопровод 35. Воздух может также поступать в камеру 28 сгорания через отверстие 33 для охлаждения в стенке камеры 28 сгорания ниже по потоку от первичной зоны 110 сгорания для того, чтобы способствовать полному сгоранию, прежде чем рабочий газ выходит из камеры 28 сгорания.

Секция 18 турбины содержит множество несущих лопасти дисков 36, прикрепленных к валу 22. Кроме того, направляющие лопатки 40, которые прикрепляются к статору 42 газотурбинного двигателя 10, располагаются между ступенями кольцевых массивов лопастей 38 турбины. Между выходом камеры 28 сгорания и передними лопастями 38 турбины направляющие лопатки 44 впускного отверстия (т.е., чтобы обеспечивать впуск) предусматриваются и поворачивают поток рабочего газа на лопасти 38 турбины.

Газ сгорания из камеры 28 сгорания поступает в секцию 18 турбины и приводит в движение лопасти 38 турбины, которые, в свою очередь, вращают вал 22. Направляющие лопатки 40, 44 служат для оптимизации угла направления газа сгорания или рабочего газа на лопасти 38 турбины.

Фиг. 3 показывает более схематичное представление системы, показанной на фиг. 2. Для ясности содержится меньше технических деталей, хотя аналогичные признаки (компрессор 14, секция 16 сгорания и турбина 18) идентифицируются теми же ссылочными номерами. Различные области указываются, где температуры и давления, такие как температура T1 на впуске компрессора и температура TET на входе турбины, все из которых являются терминами уровня техники и будут упомянуты более подробно ниже. Также на фиг. 3 показан контроллер 100 (т.е., система управления), функционирующий, чтобы принимать сигналы, которые указывают, или обрабатываются, чтобы определять, рабочие условия системы. Как будет описано, контроллер также функционирует, чтобы управлять рабочими параметрами двигателя.

Во время работы газотурбинного двигателя условие в первичной зоне 110 сгорания определяется параметром (PZCP) управления первичной зоной. Параметр (PZCP) управления первичной зоной может быть одним из температуры (Tpz) первичной зоны или соотношения (Epz) эквивалентности первичной зоны, которые измеряются или вычисляются на основе показаний от датчика 68. Во избежание неясности, соотношение эквивалентности - это отношение "фактического соотношения воздух/топливо" к "стехиометрическому соотношению воздух/топливо". Также, как понятно на уровне техники, стехиометрическое сгорание возникает, когда весь кислород расходуется в реакции. Следовательно, соотношение эквивалентности первичной зоны может быть параметром, используемым для определения температуры первичной зоны, когда требуется.

Контроллер 100 функционирует и конфигурируется, чтобы регулировать параметр (PZCP) управления первичной зоной по существу до постоянного значения в диапазоне значений температуры T1 воздуха на впуске компрессора (т.е., температуры воздуха на впуске 12 компрессора 14). Это осуществляется посредством контроллера 100, принимающего сигналы, соответствующие измерениям ряда рабочих параметров двигателя, для того, чтобы наблюдать за условиями, и когда возможно и требуется, регулирования, по меньшей мере, одного из рабочих параметров двигателя, чтобы, тем самым, регулировать параметр (PZCP) управления первичной зоной до заданного значения для данной температуры T1 воздуха на впуске компрессора.

Способ может содержать этап измерения, логического вывода и/или вычисления температуры (T1) воздуха на впуске компрессора через датчик 67, расположенный в или рядом с впуском 12 компрессора.

Способ работы, исполняемый посредством контроллера 100, содержит этапы определения температуры TET на входе в турбину на впуске 44 турбины как функции температуры T1 на впуске компрессора для заданного (т.е., желаемого) значения параметра PZCP управления первичной зоной, и регулирования одного или более рабочих параметров двигателя в значение, или диапазон значений, определенный как функция температуры T1 воздуха на впуске компрессора и/или температуры TET на входе в турбину. Температура на входе в турбину измеряется посредством датчика 66, расположенного в или рядом с входом в секцию 18 турбины.

Рабочие параметр(ы) двигателя, показанные на фиг. 3, могут быть выбраны из списка, содержащего:

a) расход (EOP1) воздуха на впуске компрессора по объему и/или массе (измеряется на впуске 12 компрессора посредством датчика 61);

b) давление (EOP2) воздуха на выходе компрессора (измеряется на выходе из компрессора 14 перед подачей в камеру 16 сгорания посредством датчика 62);

c) температуру (EOP3) на выходе компрессора (измеряется на выходе из компрессора 14 перед подачей в камеру 16 сгорания посредством датчика 63);

d) массовый расход (EOP4) топлива в камеру сгорания (например, суммарный массовый расход топлива, подаваемого в камеру сгорания, измеряется посредством датчика 64); и/или

e) соотношение (EOP5) воздух-топливо камеры сгорания, измеренное посредством датчика 65.

Система 100 управления содержит контроллер 100, как описано в данном документе, и один или более датчиков, обозначенных ссылками 61-68.

Контроллер функционирует так, что в регулировании конкретного или каждого рабочего параметра двигателя, параметр PZCP управления первичной зоной в камере 28 сгорания регулируется, чтобы быть по существу равным заданному значению параметра (PZCP) управления первичной зоной. Т.е., один или более рабочих параметров двигателя регулируются так, что условия в первичной зоне камеры сгорания соответствуют желаемым/заданным условиям, которые предоставляют возможность поддержания параметра (PZCP) управления первичной зоной по существу в постоянном значении в диапазоне значений для значений температуры (T1) воздуха на впуске компрессора.

Также, в регулировании конкретного или каждого рабочего параметра двигателя, определенная температура (TET) на входе в турбину поддерживается в заданном (т.е., желаемом) диапазоне значений.

Т.е., параметр первичной зоны регулируется, чтобы быть постоянным, что, как следствие, означает, что существует переменная TET в диапазоне температур на впуске компрессора, как иллюстрировано на фиг. 5. Следовательно, температура (Tpz) первичной зоны может поддерживаться по существу в постоянном значении, и/или соотношение (Epz) эквивалентности первичной зоны может поддерживаться по существу в постоянном значении.

Работа системы сгорания, и двигателя в целом, таким способом означает, что производимые выбросы будут постоянными в диапазоне рабочих условий двигателя, так как условия сгорания являются по существу постоянными, и, следовательно, продукты сгорания будут производиться по существу с постоянной интенсивностью по существу в постоянных концентрациях.

Определенная температура (TET) на входе в турбину определяется из заданного соотношения (показано как "120" в контроллере 100 на фиг. 3), которое сопоставляет диапазон значений температуры (T1) воздуха на впуске компрессора с диапазоном значений температуры (TET) на входе в турбину для заданного постоянного значения параметра (PZCP) управления первичной зоной, при этом соотношение может быть определено посредством:

a) таблицы поиска, включающей в себя интерполяцию между точками данных в таблице поиска;

b) уравнения; и/или

c) наиболее соответствующего соотношения последовательностей значений температуры (T1) воздуха на впуске компрессора и температуры (TET) на входе в турбину.

Таблица поиска может содержать заданную таблицу значений TET и температуры T1 на впуске компрессора, полученных из моделирования рабочих характеристик двигателя при полной нагрузке и частичной нагрузке, когда VGV-модуляция и/или B2E используется для регулирования выбросов.

В качестве неограничивающего примера, такая таблица поиска иллюстрируется в таблице 1 на фиг. 3, где A1 и T1 соответственно представляют самую холодную температуру на впуске компрессора и соответствующую TET, с которыми двигатель может работать, в то время как An и Tn соответственно представляют наивысшую температуру на впуске компрессора и соответствующую TET, с которыми двигатель может работать.

Между A1 и An таблица может предполагать любое число столбцов, подходящих для/ограниченных системой регулировок двигателя. Промежуточные значения для Ai и Ti между последовательными столбцами таблицы получаются посредством интерполяции соседних столбцов или посредством подбора кривой.

Уравнение и соотношение наилучшего соответствия могут быть предоставлены как подбор кривой, который представляет математическую функцию, которая наилучшим образом описывает соотношение TET в зависимости от температуры на впуске компрессора. Система управления будет определять рабочую TET для двигателя из этой математической функции при каждом окружающем температурном условии.

Контроллер функционирует, чтобы регулировать фактический параметр (PZCP) управления первичной зоной так, чтобы иметь по существу постоянное значение при заданном значении, или диапазоне значений, условий мощности двигателя.

Заданное значение условия мощности двигателя может быть по существу равно 100% (т.е., полная мощность/скорость двигателя).

Альтернативно или дополнительно заданное условие мощности двигателя может быть менее 100%. Причина может быть в том, что расход (EOP1) воздуха на впуске компрессор равен менее 100% от максимального расхода на впуске компрессора (например, так как переменные направляющие лопатки на впуске компрессора являются частично «закрытыми», и/или модулированы по-разному и ограничивают впускной воздушный поток). Альтернативно, это может быть выполнено посредством снижения расхода (EOP1) воздуха компрессора после впуска (т.е., входа в компрессор), но перед подачей в камеру сгорания. Это может быть выполнено посредством отвода воздушного потока из компрессора.

Система 100 управления для системы сгорания газовой турбины 10, описанной выше, может быть выполнена (т.е., включая этап проектирования и конфигурирования) следующим образом, и как показано на фиг. 4.

Первый этап 200 содержит этап определения желательного значения параметра (PZCP) управления первичной зоной для оптимального регулирования концентраций выбросов NOx, CO и/или UHC. В качестве неограничивающего примера, желательное значение концентраций выбросов может быть в диапазоне 9-25 частей на миллион на объемный и сухой вес (9-25 ppmvd). Альтернативно, желательное значение концентраций выброса может быть менее 9 ppmvd).

Второй этап 210 содержит определение диапазона значений температуры (TET) на входе турбины на впуске 44 турбины как функции диапазона температур (T1) на впуске компрессора для заданного (т.е., желательного) значения параметра (PZCP) управления первичной зоной.

Третий этап 220 содержит этап конфигурирования камеры 28 сгорания и/или системы 100 управления таким образом, чтобы регулировать фактический параметр (PZCP) управления первичной зоной в диапазоне значений температуры (T1) воздуха на впуске компрессора. Как изложено выше, параметр (PZCP) управления первичной зоной может быть одним из: температуры (Tpz) первичной зоны или соотношения (Epz) эквивалентности первичной зоны.

Следовательно, отличительные признаки камеры сгорания (т.е., камеры 28 сгорания) могут быть сконфигурированы для того, чтобы предоставлять возможность улучшенного регулирования параметра PZCP управления первичной зоной. Например, со ссылкой на фиг. 2, геометрия, по меньшей мере, одной из камеры 28 сгорания (например, диаметр, длина, позиция отверстия для охлаждения и/или размер), корпуса 37 камеры сгорания, который определяет воздушный проточный канал между ними (например, камеру 26 повышенного давления горелки), завихрителя воздуха на входе в систему сгорания (например, завихрителя 31 воздуха) и переходного трубопровода 35 может быть сконфигурирована/спроектирована таким образом, что воздушный поток, разделенный между завихрителем, камерой сгорания и переходным трубопроводом, распределяется, чтобы добиваться желаемой температуры первичной зоны.

Таким образом, создается система, в которой фактический параметр (PZCP) управления первичной зоной регулируется, чтобы быть по существу равным заданному значению параметра (PZCP) управления первичной зоной. Также определенная температура (TET) на входе в турбину регулируется, чтобы быть в заданном диапазоне значений. Т.е., система проектируется так, что параметр первичной зоны регулируется, чтобы быть постоянным, что, как следствие, означает, что существует переменная TET в диапазоне температур на впуске компрессора, как иллюстрировано на фиг. 5.

Следовательно, система гарантирует, что выбросы NOx, CO и UHC сохраняются по существу постоянными, когда условия на впуске компрессора изменяются, так как условия в камере сгорания, и, в частности, в первичной зоне 110 камеры сгорания, сохраняются постоянными посредством конструкции камеры сгорания и/или конфигурации контроллера 100.

Посредством поддержания постоянных условий в системе сгорания способ, система и устройство настоящего изобретения будут помогать в наблюдении и стабилизации физикохимических процессов в системе сгорания посредством улучшенной прогнозируемости переноса тепла на стенку гильзы, скоростей выделения тепла, процессов смешивания, распределения температуры в поперечном направлении и т.д. Это предоставляет возможность для информированных вариантов выбора конструкции для улучшенного охлаждения стенок, гашения термоакустических колебаний, охлаждения турбины и т.д.

Таким образом, способ, система и устройство настоящего изобретения являются, прежде всего, преимущественными, так как в рабочем диапазоне условий на впуске компрессора (т.е., температуры на впуске) двигателя, к которому компоновка настоящего изобретения применяется, выбросы NOx, CO и UHC будут согласующимися и более легко регулируемыми, и, когда требуется, могут быть обработаны, отфильтрованы или уловлены. Это будет устранять риск более высоких выбросов выше предписанных/желательных пределов, особенно при экстремумах температуры на впуске компрессора, предоставляя экологические преимущества, также как техническую и коммерческую выгоду.

Внимание направлено на все доклады и документы, которые зарегистрированы одновременно или прежде этой спецификации в соединении с этой заявкой, и которые являются открытыми для публичного изучения вместе с этой спецификацией, и содержимое всех таких докладов и документов включено в данный документ по ссылке.

Все из отличительных признаков, описанных в этой спецификации (включающей в себя любые сопровождающие пункты формулы изобретения, реферат и чертежи), и/или все из этапов любого способа или процесса, описанного таким образом, могут быть объединены в любом сочетании, за исключением сочетаний, когда, по меньшей мере, некоторые из таких отличительных признаков и/или этапов являются взаимно исключающими.

Каждый признак, раскрытый в этой спецификации (включающей в себя любые сопровождающие пункты формулы изобретения, реферат и чертежи) может быть заменен альтернативными признаками, служащими той же, эквивалентной или аналогичной цели, пока явно не заявлено иное. Таким образом, пока явно не заявлено иное, каждый раскрытый признак является лишь одним примером характерной последовательности эквивалентных или аналогичных признаков.

Изобретение не ограничивается деталями вышеупомянутых чертежа(ей). Изобретение распространяется на любой новый признак, или любое новое сочетание, признаков, описанных в этой спецификации (включающей в себя любые сопровождающие пункты формулы изобретения, реферат и чертежи), или на любой новый этап, или любое новое сочетание, этапов любого способа или процесса, описанного таким образом.

Изобретение относится к способу и системе управления системой сгорания газотурбинного двигателя (10). Газотурбинный двигатель (10) имеет камеру (28) сгорания с первичной зоной (110) сгорания, для которой условие в первичной зоне (110) сгорания определяется параметром управления первичной зоной. Способ включает регулирование параметра (PZCP) управления первичной зоной по существу до постоянного значения в диапазоне значений температуры (T1) воздуха на впуске компрессора. Также представлены газотурбинный двигатель и способ производства системы управления для системы сгорания газотурбинного двигателя. 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ управления системой сгорания газотурбинного двигателя (10), содержащего:

секцию (14) компрессора с впуском (12);

камеру (28) сгорания с первичной зоной (110) сгорания,

- условие в первичной зоне (110) сгорания которой определяется параметром управления первичной зоной;

секцию (18) турбины, имеющую впускную область (44);

при этом способ включает:

регулирование параметра (PZCP) управления первичной зоной до по существу постоянного значения в диапазоне значений температуры (T1) воздуха на впуске компрессора;

определение температуры (TET) на входе в турбину на впуске (44) турбины как функции температуры (T1) на впуске компрессора для заданного значения параметра (PZCP) управления первичной зоной; и

регулирование одного или более рабочих параметров двигателя в значение, или диапазон значений, определенный как функция температуры (T1) воздуха на впуске компрессора и/или температуры (TET) на входе в турбину;

так что фактический параметр (PZCP) управления первичной зоной в камере (28) сгорания регулируется так, чтобы быть по существу равным заданному значению параметра (PZCP) управления первичной зоной; и

так что определенная температура (TET) на входе в турбину находится в заданном диапазоне значений.

2. Способ по п. 1, при котором параметр (PZCP) управления первичной зоной является одним из:

температуры (Tpz) первичной зоны или

соотношения (Epz) эквивалентности первичной зоны, являющегося отношением «фактического соотношения воздух/топливо» к «стехиометрическому соотношению воздух/топливо».

3. Способ по п. 1 или 2, при котором:

определенную температуру (TET) на входе в турбину определяют из заданного соотношения, которое сопоставляет диапазон значений температуры (T1) воздуха на впуске компрессора с диапазоном значений температуры (TET) на входе в турбину для заданного постоянного значения параметра (PZCP) управления первичной зоной, при этом соотношение определяется посредством:

- таблицы поиска, включающей в себя интерполяцию между точками данных в таблице поиска,

- уравнения и/или

- наиболее соответствующего соотношения последовательностей значений температуры (T1) воздуха на впуске компрессора и температуры (TET) на входе в турбину.

4. Способ по любому из предшествующих пунктов, при котором рабочий параметр(ы) двигателя выбирается/выбираются из списка, включающего:

- расход (EOP1) воздуха на впуске компрессора;

- давление (EOP2) воздуха на выходе компрессора;

- температуру (EOP3) на выходе компрессора;

- массовый расход (EOP4) топлива в камеру сгорания; и/или

- соотношение (EOP5) воздух-топливо в камере сгорания.

5. Способ по любому из предшествующих пунктов, при котором фактический параметр (PZCP) управления первичной зоной регулируют таким образом, чтобы иметь по существу постоянное значение при заданном значении, или диапазоне значений, условия мощности двигателя.

6. Способ по п. 5, при котором заданное значение условия мощности двигателя равно по существу 100%.

7. Способ по п. 5, при котором:

заданное условие мощности двигателя меньше 100% и

расход (EOP1) воздуха на впуске компрессора меньше 100% от максимального расхода на впуске компрессора; или

расход (EOP1) воздуха компрессора уменьшается после впуска перед доставкой в камеру сгорания.

8. Способ по любому из предшествующих пунктов, при котором измеряют, логически выводят и/или вычисляют температуру (T1) воздуха на впуске компрессора.

9. Система (100) управления для системы сгорания газотурбинного двигателя, функционирующая для выполнения способа по любому из пп. 1-8, причем система (100) управления содержит контроллер (100) и любой один или более датчиков (61-68).

10. Система (100) управления по п. 9, в которой контроллер запрограммирован для выполнения определения из заданного соотношения, которое сопоставляет диапазон значений температуры (T1) воздуха на впуске компрессора с диапазоном значений температуры (TET) на входе в турбину для заданного постоянного значения параметра (PZCP) управления первичной зоной, при этом соотношение определяется посредством:

таблицы поиска, включающей в себя интерполяцию между точками данных в таблице поиска,

уравнения и/или

наиболее соответствующего соотношения последовательностей значений температуры (T1) воздуха на впуске компрессора и температуры (TET) на входе в турбину.

11. Газотурбинный двигатель (10), управляемый согласно способу по любому из пп. 1-8 и содержащий:

секцию (14) компрессора со впуском (12), камеру (28) сгорания с первичной зоной (110) сгорания, секцию (18) турбины, имеющую впускную область (44), и систему (100) управления,

при этом система (100) управления содержит контроллер (100) и любой один или более датчиков (61-68).

12. Газотурбинный двигатель (10) по п. 11, в котором контроллер запрограммирован для выполнения определения из заданного соотношения, которое сопоставляет диапазон значений температуры (T1) воздуха на впуске компрессора с диапазоном значений температуры (TET) на входе в турбину для заданного постоянного значения параметра (PZCP) управления первичной зоной, при этом соотношение определяется посредством:

таблицы поиска, включающей в себя интерполяцию между точками данных в таблице поиска,

уравнения и/или

наиболее соответствующего соотношения последовательностей значений температуры (T1) воздуха на впуске компрессора и температуры (TET) на входе в турбину.

13. Способ производства системы (100) управления для системы сгорания газотурбинного двигателя (10), содержащего:

секцию (14) компрессора с впуском (12);

камеру (28) сгорания с первичной зоной (110) сгорания,

- условие в первичной зоне которой определяется параметром первичной зоны;

секцию (18) турбины, имеющую впускную (входную) область (44);

при этом способ включает этапы, на которых:

определяют желаемое значение параметра (PZCP) управления первичной зоной для оптимального регулирования NOx, CO и/или UHC;

определяют диапазон значений температуры (TET) на входе в турбину на впуске (44) турбины как функцию диапазона температур (T1) на впуске компрессора для заданного значения параметра (PZCP) управления первичной зоной;

конфигурируют камеру (28) сгорания и/или систему (100) управления так, чтобы:

регулировать фактический параметр (PZCP) управления первичной зоной в диапазоне значений температуры (T1) воздуха на впуске компрессора:

так что фактический параметр (PZCP) управления первичной зоной регулируется, чтобы быть по существу равным заданному значению параметра (PZCP) управления первичной зоной; и

так что определенная температура (TET) на входе в турбину находится в заданном диапазоне значений.

14. Способ по п. 13, при котором параметр (PZCP) управления первичной зоной является одним из:

температуры (Tpz) первичной зоны или

соотношения (Epz) эквивалентности первичной зоны, являющегося отношением «фактического соотношения воздух/топливо» к «стехиометрическому соотношению воздух/топливо».