Камера сгорания газовой турбины (варианты) и способ управления воздушным потоком, подаваемым в камеру сгорания газовой турбины
Изобретение относится к способу управления воздушным потоком, подаваемым в камеру сгорания, и к камере сгорания. Камера сгорания газовой турбины содержит корпус с трубопроводом подачи топлива для подачи топлива в корпус и трубопроводом подачи воздуха-носителя для подачи воздуха в корпус. Упомянутая камера сгорания также содержит регулирующую систему для регулировки массового расхода воздуха-носителя, подаваемого в корпус, согласно характеристикам топлива. Трубопровод подачи топлива и трубопровод подачи воздуха-носителя соединены с по меньшей мере общим соплом. По меньшей мере общее сопло используется как для впрыскивания топлива, так и воздуха-носителя. Регулирующая система выполнена с возможностью поддержания импульса топлива и воздуха-носителя, по существу постоянным. Регулирующая система содержит датчик для измерения отличительной характеристики топлива, дросселирующий клапан, соединенный с трубопроводом подачи воздуха-носителя, блок управления, для управления дросселирующим клапаном на основании отличительной характеристики топлива, измеренной датчиком. Обеспечивается корректировка смешиваемых количеств топлива и воздуха, снижение выбросов и эффективная работа, в том случае, когда состав топлива изменяется со временем. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к способу управления воздушным потоком, подаваемым в камеру сгорания и к камере сгорания.
В частности, камера сгорания является камерой сгорания газовой турбины.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Газовые турбины включают в себя компрессор, камеру сгорания и турбину, чтобы расширять горячий газ, формируемый в камере сгорания.
Вдобавок, газовые турбины могут содержать вторую камеру сгорания ниже по потоку от турбины и вторую турбину ниже по потоку от второй камеры сгорания.
Камера сгорания и вторая камера сгорания (если она предусмотрена) снабжаются воздухом из компрессора и топливом; топливо сгорает с образованием горячего газа.
Когда топливо является природным газом, его состав и характеристики могут значительно меняться со временем. Например, количество азота (инертный элемент, так как он не принимает участия в процессе сгорания) может значительно меняться со временем.
Так как общая энергия, подаваемая в камеры внутреннего сгорания (то есть низшая теплотворная способность топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания), определяет нагрузку на газовые турбины, массовый расход топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания, может значительно меняться, когда характеристики топлива также меняются, если нагрузка на газовую турбину поддерживается постоянной или по существу постоянной.
Когда топливо впрыскивается в камеру сгорания, это большое изменение в массовом расходе топлива, вызванное изменением состава топлива, может вызвать изменение в проникновении струи топлива в камеру сгорания и, таким образом, плохое смешивание, большие выбросы, например выбросы NOx, и сниженную эффективность.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В аспекте изобретения предусмотрены способ и газовая турбина, которые позволяют корректировать проникновение струи топлива, в том числе, когда состав топлива изменяется.
В другом аспекте изобретения предусмотрены способ и газовая турбина, которые позволяют корректировать смешивание, сниженные выбросы и эффективную работу, в том числе в случае, когда состав топлива изменяется со временем.
В одном из аспектов изобретения предложена камера сгорания газовой турбины, содержащая
корпус с трубопроводом подачи топлива для подачи топлива в корпус и трубопроводом подачи воздуха-носителя для подачи воздуха в корпус, отличающаяся тем, что содержит регулирующую систему для регулировки массового расхода воздуха-носителя, подаваемого в корпус, согласно характеристикам топлива,
причем трубопровод подачи топлива и трубопровод подачи воздуха-носителя соединены с по меньшей мере общим соплом, причем по меньшей мере общее сопло предусмотрено как для впрыскивания топлива, так и воздуха-носителя,
причем регулирующая система выполнена с возможностью поддержания импульса топлива и воздуха-носителя, впрыскиваемых через по меньшей мере общее сопло, по существу постоянным.
В одном из вариантов изобретения предложена камера сгорания, отличающаяся тем, что содержит трубку, которая выступает в корпус, при этом
трубка содержит по меньшей мере общее сопло,
трубка содержит трубопровод подачи топлива и трубопровод подачи воздуха-носителя, причем
трубопровод подачи топлива и трубопровод подачи воздуха-носителя соединены с общими соплами.
В одном из вариантов изобретения предложена камера сгорания, отличающаяся тем, что характеристика топлива является массовым расходом и/или составом и/или индексом Воббе.
В одном из вариантов изобретения предложена камера сгорания, отличающаяся тем, что регулирующая система содержит
датчик для измерения отличительной характеристики топлива,
дросселирующий клапан, соединенный с трубопроводом подачи воздуха-носителя,
блок управления, соединенный с датчиком и дросселирующим клапаном для управления дросселирующим клапаном на основании отличительной характеристики, измеренной датчиком.
В одном из вариантов изобретения предложена камера сгорания, отличающаяся тем, что она является частью газовой турбины, которая включает в себя компрессор, первую камеру сгорания, первую турбину.
В еще одном из вариантов изобретения предложена камера сгорания, отличающаяся тем, что ниже по потоку от турбины газовая турбина включает в себя вторую камеру сгорания, снабжаемую выхлопными газами из турбины, и вторую турбину, причем камера сгорания может быть использована в качестве первой и/или второй камеры сгорания.
В дополнительном аспекте изобретения предложен способ управления воздушным потоком, подаваемым в камеру сгорания газовой турбины, содержащей корпус с трубопроводом подачи топлива для подачи топлива в корпус и трубопроводом подачи воздуха-носителя для подачи воздуха в корпус, причем трубопровод подачи и трубопровод подачи воздуха-носителя соединены с по меньшей мере общим соплом, отличающийся тем, что включает этапы, на которых:
регулируют массовый расход воздуха-носителя, подаваемого в корпус, согласно характеристикам топлива;
впрыскивают как топливо, так и воздух-носитель через по меньшей мере общее сопло;
поддерживают импульс топлива и воздуха-носителя, впрыскиваемых через по меньшей мере общее сопло, по существу постоянным.
В одном из вариантов изобретения предложен способ, отличающийся тем, что характеристика топлива является массовым расходом и/или составом и/или индексом Воббе.
В одном из вариантов изобретения предложен способ, в котором импульс топлива и воздуха-носителя, впрыскиваемых через по меньшей мере общее сопло, поддерживают по существу постоянным при по существу постоянной нагрузке на газовую турбину.
В еще одном из аспектов изобретения предложена камера сгорания газовой турбины, содержащая
корпус с трубопроводом подачи топлива для подачи топлива в корпус и трубопроводом подачи воздуха-носителя для подачи воздуха в корпус, отличающаяся тем, что содержит регулирующую систему для регулировки массового расхода воздуха-носителя, подаваемого в корпус, согласно характеристикам топлива, при этом регулирующая система содержит
датчик для измерения отличительной характеристики топлива,
дросселирующий клапан, соединенный с трубопроводом подачи воздуха-носителя,
блок управления, соединенный с датчиком и дросселирующим клапаном для управления дросселирующим клапаном на основании отличительной характеристики, измеренной датчиком.
Эти и дополнительные аспекты достигаются посредством предоставления способа и газовой турбины в соответствии с прилагаемой формулой изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Дополнительные характеристики и преимущества станут более очевидны из описания предпочтительного, но неисключительного варианта осуществления способа и газовой турбины, проиллюстрированных посредством неограничивающего примера на прилагаемых чертежах, на которых:
фиг. 1 и 2 показывают различные варианты осуществления газовых турбин;
фиг. 3 и 4 показывают различные варианты осуществления камер сгорания;
фиг. 5 показывает сечение вдоль линии V-V по фиг. 4.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В дальнейшем, сначала описываются два примера газовых турбин.
Фиг. 1 показывает газовую турбину 1, содержащую компрессор 2, камеру 3 сгорания и турбину 4.
Компрессор 2 сжимает воздух, который подается в камеру 3 сгорания, где он смешивается с топливом, таким как природный газ; эта смесь сгорает, чтобы формировать горячий газ, который расширяется в турбине 4.
Фиг. 2 показывает пример, в котором газовая турбина 1 содержит, ниже по потоку от турбины 4, вторую камеру 5 сгорания и вторую турбину 6.
Во второй камере 5 сгорания топливо, такое как природный газ, впрыскивается в выхлопной газ, частично расширенный в турбине 4, с образованием горячего газа, который расширяется в турбине 6.
Камеры 3 и 5 сгорания могут обладать схожими или одинаковыми характеристиками, или могут обладать разными характеристиками. В дальнейшем выполняется конкретная ссылка на камеру 5 сгорания, те же самые рассуждения применимы к камере 3 сгорания независимо от того факта, имеют ли камеры 3 и 5 сгорания одинаковые, схожие или разные характеристики.
Камера 5 сгорания содержит корпус 10, определяющий, например, прямоугольный, квадратный или трапециевидный трубопровод 11. Вдобавок, камера 5 сгорания содержит трубопровод 14 подачи топлива для подачи топлива, такого как природный газ, в корпус 10 и трубопровод 15 подачи воздуха-носителя для подачи воздуха в корпус 10.
Воздух-носитель представляет собой поток воздушной массы, который ограничивает струю топлива и увеличивает ее импульс для улучшенного проникновения. Он также защищает топливо от слишком быстрого увлечения горячим газом и задерживает самовоспламенение.
Камера 5 сгорания дополнительно содержит регулирующую систему 17 для регулировки массового расхода воздуха-носителя, подаваемого в корпус 10, согласно характеристикам топлива.
Трубопровод 14 подачи топлива и трубопровод 15 подачи воздуха-носителя соединены по меньшей мере с общим соплом 19; другими словами, поток как через трубопровод 14 подачи топлива, так и через трубопровод 15 подачи воздуха впрыскивается в корпус 10 через сопла 19. Обычно, трубопровод 14 подачи топлива содержит отверстия 20, направленные к центральной части сопел 19, а трубопровод 15 подачи воздуха содержит проходы 21 вокруг отверстий 20 над границей сопел 19.
Преимущественно, регулирующая система 17 приспособлена, чтобы поддерживать импульс топлива и воздуха-носителя, впрыскиваемых через общие сопла 19, по существу постоянным, предпочтительно, когда нагрузка на газовую турбину является по существу постоянной.
В предпочтительном варианте осуществления предусмотрена трубка 24; трубка 24 выступает в корпус 10 и содержит общие сопла 19. Может быть предусмотрено одно или более сопел 19. Трубка 2 4 содержит трубопровод 14 подачи топлива и трубопровод 15 подачи воздуха-носителя, и трубопровод 14 подачи топлива и трубопровод 15 подачи воздуха-носителя соединяются с общими соплами 19.
Регулирующая система 17 может включать в себя датчик 25 для измерения отличительной характеристики топлива, дросселирующий клапан 27, соединенный с трубопроводом 15 подачи воздуха-носителя, и блок 28 управления, соединенный с датчиком 25 и дросселирующим клапаном 27 для управления дросселирующим клапаном 27 на основании отличительной характеристики, измеренной датчиком 25.
В качестве альтернативы, регулирующая система может включать в себя отверстия 20 и/или проходы 21, имеющие форму и/или размер, производящие автоматическую регулировку потока воздуха, когда поток топлива изменяется.
Например, отверстия 20 и сопла 19 могут содержать по существу пересекающиеся оси 27, площадь отверстий 20 перпендикулярно осям 27 может быть меньше, чем площадь сопел 19 перпендикулярно тем же осям 27.
В различных примерах, характеристика топлива может являться массовым расходом и/или составом и/или индексом Воббе топлива.
Работа газовой турбины очевидна из описанного и проиллюстрированного и по существу состоит в следующем.
Со ссылкой на пример по фиг. 3, топливо, такое как природный газ, проходит через трубопровод 14 подачи топлива; датчик 25 детектирует требуемую характеристику топлива и передает ее на блок 28 управления. Блок 28 управления управляет дросселирующим клапаном 27 на основании сигнала, принятого датчиком 25. Таким образом, клапан 27 регулирует поток воздуха-носителя на основании потока топлива. Регулировка может включать в себя регулировку импульса впрыскиваемого воздуха и топлива согласно предварительно заданной функции, или чтобы поддерживать их постоянными. Импульс воздуха и топлива составляет:
Ma·va+Mf·vf,
где Ма - это массовый расход воздуха-носителя, va - это скорость воздуха-носителя при впрыскивании, Mf - это массовый расход топлива, vf - это скорость топлива при впрыскивании.
Со ссылкой на пример по фиг. 4 и 5, топливо F проходит через трубопровод 14 подачи топлива, а воздух-носитель А проходит через трубопровод 15 подачи воздуха. Благодаря характеристикам отверстия 20, и проходов 21, и сопел 19 происходит автоматическая регулировка потока воздуха-носителя; фактически, изменение характеристик топлива приводит к изменению массового расхода топлива, так как энергия (в терминах низшей теплотворной способности топлива) должна поддерживаться по существу постоянной при по существу постоянной нагрузке; в качестве альтернативы, массовый расход топлива может регулироваться согласно требуемой нагрузке. Ссылка М обозначает смесь, которая формируется воздухом-носителем А и топливом F; эта смесь формируется в соплах 19.
Изменение массового расхода топлива влияет на поток воздуха через проход 21 так, чтобы достигалась автоматическая регулировка.
Настоящее раскрытие также относится к способу управления воздушным потоком, подаваемым в камеру 5 сгорания газовой турбины.
Способ включает в себя регулировку массового расхода воздуха-носителя, подаваемого в корпус 10 камеры 5 сгорания, согласно характеристикам топлива.
Преимущественно, как топливо, так и воздух-носитель впрыскиваются через общие сопла 19.
Дополнительно, импульс топлива и воздуха-носителя, впрыскиваемых через общие сопла 19, поддерживается по существу постоянным, при этом нагрузка на газовую турбину является по существу постоянной.
На практике, используемые материалы и размеры могут выбираться согласно требованиям и уровню техники.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
1 - Газовая турбина
2 - Компрессор
3 - Камера сгорания
4 - Турбина
5 - Камера сгорания
6 - Турбина
10 - Корпус
11 - Трубопровод
14 - Трубопровод подачи топлива
15 - Трубопровод подачи воздуха-носителя
17 - Регулирующая система
19 - Сопло
20 - Отверстие
21 - Проход
24 - Трубка
25 - Датчик
27 - Дросселирующий клапан
28 - Блок управления
29 - Ось
А - Воздух-носитель
F - Топливо
М - Смесь.
1. Камера (5) сгорания газовой турбины, содержащая корпус (10) с трубопроводом (14) подачи топлива для подачи топлива (F) в корпус (10) и трубопроводом (15) подачи воздуха-носителя для подачи воздуха (А) в корпус (10), отличающаяся тем, что она содержит регулирующую систему (17) для регулировки массового расхода воздуха-носителя, подаваемого в корпус (10), согласно характеристикам топлива (F), причем трубопровод (14) подачи топлива и трубопровод (15) подачи воздуха-носителя соединены с по меньшей мере общим соплом (19), причем по меньшей мере общее сопло (19) предусмотрено как для впрыскивания топлива (F), так и воздуха-носителя (А), причем регулирующая система (17) выполнена с возможностью поддержания импульса топлива (F) и воздуха-носителя (А), впрыскиваемых через по меньшей мере общее сопло (19), по существу постоянным.
2. Камера (5) сгорания по п.1, отличающаяся тем, что она содержит трубку (24), которая выступает в корпус (10), при этом трубка (24) содержит по меньшей мере общее сопло (19),трубка (24) содержит трубопровод (14) подачи топлива и трубопровод (15) подачи воздуха-носителя, причем трубопровод (14) подачи топлива и трубопровод (15) подачи воздуха-носителя соединены с общими соплами (19).
3. Камера (5) сгорания по п.1, отличающаяся тем, что характеристика топлива является массовым расходом и/или составом и/или индексом Воббе.
4. Камера (5) сгорания по п.1, отличающаяся тем, что регулирующая система (17) содержит датчик (25) для измерения отличительной характеристики топлива (F), дросселирующий клапан (27), соединенный с трубопроводом (15) подачи воздуха-носителя, блок (28) управления, соединенный с датчиком (25) и дросселирующим клапаном (27) для управления дросселирующим клапаном (27) на основании отличительной характеристики, измеренной датчиком (25).
5. Камера (5) сгорания по п.1, отличающаяся тем, что она является частью газовой турбины, которая включает в себя компрессор (2), первую камеру (3) сгорания и первую турбину (4).
6. Камера сгорания по п. 5, отличающаяся тем, что ниже по потоку от турбины (4) газовая турбина (1) включает в себя вторую камеру (5) сгорания, снабжаемую выхлопными газами из турбины (4), и вторую турбину (6), причем камера (5) сгорания может быть использована в качестве первой (3) и/или второй (5) камеры сгорания.
7. Способ управления воздушным потоком, подаваемым в камеру (5) сгорания газовой турбины, содержащей корпус (10) с трубопроводом (14) подачи топлива для подачи топлива (F) в корпус (10) и трубопроводом (15) подачи воздуха-носителя для подачи воздуха (А) в корпус (10), причем трубопровод (14) подачи и трубопровод (15) подачи воздуха-носителя соединены с по меньшей мере общим соплом (19), отличающийся тем, что он включает этапы, на которых регулируют массовый расход воздуха-носителя, подаваемого в корпус (10), согласно характеристикам топлива (F), впрыскивают как топливо (F), так и воздух-носитель (А) через по меньшей мере общее сопло (19) и поддерживают импульс топлива (F) и воздуха-носителя (А), впрыскиваемых через по меньшей мере общее сопло (19), по существу постоянным.
8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что характеристика топлива (F) является массовым расходом и/или составом и/или индексом Воббе.
9. Способ по п. 7 или 8, в котором импульс топлива (F) и воздуха-носителя (А), впрыскиваемых через по меньшей мере общее сопло (19), поддерживают по существу постоянным при по существу постоянной нагрузке на газовую турбину.
10. Камера (5) сгорания газовой турбины, содержащая корпус (10) с трубопроводом (14) подачи топлива для подачи топлива (F) в корпус (10) и трубопроводом (15) подачи воздуха-носителя для подачи воздуха (А) в корпус (10), отличающаяся тем, что она содержит регулирующую систему (17) для регулировки массового расхода воздуха-носителя, подаваемого в корпус (10), согласно характеристикам топлива (F), при этом регулирующая система (17) содержит датчик (25) для измерения отличительной характеристики топлива (F), дросселирующий клапан (27), соединенный с трубопроводом (15) подачи воздуха-носителя, блок (28) управления, соединенный с датчиком (25) и дросселирующим клапаном (27) для управления дросселирующим клапаном (27) на основании отличительной характеристики, измеренной датчиком (25).
