Способ и система для определения параметра охлаждающего потока хладагента

Авторы патента:


Способ и система для определения параметра охлаждающего потока хладагента
Способ и система для определения параметра охлаждающего потока хладагента
Способ и система для определения параметра охлаждающего потока хладагента

 


Владельцы патента RU 2614241:

Дженерал Электрик Компани (US)

Cпособ относится к определению параметров охлаждающего потока хладагента, подаваемого через газовую турбину. Способ может включать прием сигнала, связанного с первым параметром продукта сгорания в определенном местоположении внутри зоны горения газовой турбины, прием сигнала, связанного со вторым значением параметра продукта сгорания в определенном местоположении ниже по направлению потока от зоны горения, сравнение первого и второго значений параметра продукта сгорания и определение параметра охлаждающего потока хладагента на основе сравнения первого и второго значений. Технический результат изобретения – повышение кпд и улучшение эксплуатационных характеристик газовой турбины. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 3ил.

 

Область техники

[0001] Настоящее изобретение относится, в общем, к газовым турбинам, а именно, к системе и способу определения параметров охлаждающего потока хладагента, подаваемого через газовую турбину.

Предпосылки создания изобретения

[0002] Современные газовые турбины, как правило, эксплуатируют на повышенных температурах в течение длительных периодов времени. Повышенные температуры могут значительно ограничивать срок службы отдельных компонентов из состава газовой турбины, что потенциально грозит эксплуатирующим организациям затратными плановыми и внеплановыми отключениями. Следовательно, температурные и механические напряжения в газовой турбине, особенно в области тракта горячего газа, является ключевой проблемой для разработчиков газовых турбин.

[0003] При работе газовой турбины компрессор постоянно подает сжатое рабочее вещество, например, воздух, которое может канализироваться в камеру сгорания газовой турбины, где сжатое рабочее вещество может применяться для охлаждения различных механических компонентов внутри камеры сгорания. Помимо этого, сжатое рабочее вещество может смешиваться с топливом, а смесь - поджигаться в камере сгорания, что дает горячий газ, быстро расширяющийся в камере сгорания и выходящий в турбинную секцию газовой турбины. Горячий газ проходит через ряд неподвижных лопаток, а также вращающихся лопаток, соединенных с валом ротора, при этом кинетическая энергия передается от горячего газа к одной или более ступеням вращающихся лопаток, за счет чего обеспечивается вращение вала ротора и выполнение работы. В результате упомянутая турбинная секция оказывается подверженной экстремальным рабочим температурам. Существующие способы понижения температуры в турбинной секции включают пропускание хладагента, например, части сжатого рабочего вещества, через множество охлаждающих каналов, распределенных по всей секции турбины. Таким образом, хладагент, как правило, смешивается с горячим газом при прохождении смеси из секции турбины к выпускному отверстию газовой турбины.

[0004] В существующих газотурбинных конструкциях расход потока хладагента оценивают, как правило, на основе проектных расчетов и моделей газовых турбин. При испытаниях, подтверждающих правильность проектных решений, измеряют различные рабочие параметры газовой турбины, например, давления и температуры, и сравнивают их с проектными расчетами и моделями. Если измерения попадают в заданные пределы, то считается, что оценка расхода потока хладагента является корректной. Однако наблюдения показали, что фактический расход потока хладагента во многих газовых турбинах значительно превышает предполагаемый, что приводит к уменьшению КПД газовой турбины.

В заявке на патент US №2009/0241506, которая может быть принята за ближайший аналог, была предпринята попытка определения параметров хладагента, но это подход не позволяет определить фактический расход потока хладагента через турбинную секцию газовой турбины.

[0005] Соответственно, в данной области техники будет востребован способ и система, которые позволят определять параметры хладагента, такие как фактический расход потока хладагента через турбинную секцию газовой турбины.

Краткое описание изобретения

[0006] В дальнейшем описании будут изложены аспекты и преимущества настоящего изобретения, при этом они могут быть также очевидными из настоящего описания или выяснены при практическом применении настоящего изобретения.

[0007] В одном из своих аспектов настоящее изобретение раскрывает способ определения параметров охлаждающего потока хладагента, подаваемого через газовую турбину. Способ может включать прием сигнала, связанного с первым параметром продукта сгорания в местоположении внутри зоны горения газовой турбины, прием сигнала, связанного со вторым значением параметра продукта сгорания в местоположении ниже упомянутой зоны горения по направлению потока, сравнение упомянутых первого и второго значений параметра продукта сгорания и определение параметра охлаждающего потока хладагента на основе упомянутого сравнения первого и второго значений.

В частном случае осуществления изобретения в указанном способе при сравнении упомянутых первого и второго значений параметра продукта сгорания вычисляют значения разности между упомянутыми первым и вторым значениями параметра продукта сгорания. В еще одном частном случае изменяют параметр охлаждающего потока на основе упомянутого сравнения первого и второго значений параметров продукта сгорания. В еще одном частном случае при определении параметра продукта сгорания на основе упомянутого сравнения первого и второго значений определяют измеряемый расход потока хладагента через турбинную секцию газовой турбины, при этом также, в частном случае, сравнивают упомянутый измеряемый расход потока с базовым проектным расходом потока, вычисляют значение разности расходов и регулируют упомянутый параметр охлаждающего потока. В еще одном частном случае упомянутый параметр продукта сгорания включает по меньшей мере одно из следующего: концентрацию кислорода, концентрацию диоксида углерода, концентрацию азота или концентрацию воды, а упомянутый параметр охлаждающего потока включает по меньшей мере одно из следующего: расход потока, температуру или водосодержание. В еще одном частном случае в способе при приеме сигнала, связанного с первым значением параметра продукта сгорания в упомянутом местоположении внутри зоны горения газовой турбины, принимают сигнал от первого датчика, установленного внутри газовой турбины внутри или около зоны горения, или же принимают множество сигналов от множества датчиков, установленных внутри зоны горения газовой турбины. В еще одном частном случае в способе формируют усредненное первое значение на основе упомянутого множества сигналов. В еще одном частном случае при приеме сигнала, связанного с упомянутым вторым значением параметра продукта сгорания в упомянутом местоположении ниже по направлению потока от зоны горения принимают сигнал от второго датчика, установленного внутри турбинной секции газовой турбины или в местоположении ниже по направлению потока от турбины, или же принимают множество сигналов от множества датчиков, установленных внутри турбинной секции газовой турбины или в местоположении ниже по направлению потока от турбины. В еще одном частном случае формируют усредненное второе значение на основе упомянутого множества сигналов.

[0008] В еще одном своем аспекте настоящее изобретение раскрывает систему для определения параметров охлаждающего потока хладагента, подаваемого через газовую турбину. Система может включать первый датчик, расположенный внутри или около зоны горения газовой турбины, при этом упомянутый первый датчик может быть сконфигурирован для измерения первого значения параметра продукта сгорания газовой турбины. Система может также включать второй датчик, расположенный ниже по направлению потока от упомянутой зоны горения, при этом упомянутый второй датчик может быть сконфигурирован для измерения второго значения параметра продукта сгорания. Система может также включать контроллер, связанный с упомянутыми первым и вторым датчиками с возможностью обмена данными, при этом упомянутый контроллер может быть сконфигурирован для сравнения упомянутых первого и второго значений параметра продукта сгорания и для определения параметра охлаждающего потока хладагента, подаваемого через газовую турбину, на основе упомянутого сравнения первого и второго значений.

В частном случае осуществления изобретения в указанной системе упомянутые первый и второй датчики включают по меньшей мере одно из следующего: датчик кислорода, датчик диоксида углерода, датчик монооксида углерода, датчик азота или датчик воды. В еще одном частном случае система включает множество первых датчиков около или внутри упомянутой зоны горения. В еще одном частном случае система включает множество вторых датчиков ниже по направлению потока от упомянутой зоны горения. В еще одном частном случае в системе параметры охлаждающего потока включают расход потока хладагента в тракте горячего газа газовой турбины. В еще одном частном случае в системе упомянутый контроллер сконфигурирован для вычисления значений разности между упомянутым первым и вторым значением параметров продукта сгорания и для определения одного или более параметров охлаждающего потока на основе этих значений разности. В еще одном частном случае в системе упомянутый контроллер также сконфигурирован для формирования выходного сигнала для манипулирования расходом потока хладагента через турбину газовой турбины на основе упомянутых значений разности.

[0009] Эти, а также другие отличительные особенности, аспекты и преимущества настоящего изобретения могут быть поняты более полно, если обратиться к дальнейшему описанию и приложенной формуле изобретения. Приложенные чертежи, которые входят в состав настоящего документа и образуют его неотъемлемую часть, иллюстрируют варианты осуществления настоящего изобретения и, вместе с настоящим описанием, служат для пояснения принципов настоящего изобретения.

Краткое описание чертежей

[0010] В настоящем документе изложено, со ссылками на приложенные чертежи, полное описание настоящего изобретения, включая вариант его осуществления, рассматриваемый как наилучший; данное описание предназначено для специалистов в настоящей области техники.

[0011] Фиг. 1 демонстрирует эскизное изображение газовой турбины в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения;

[0012] Фиг. 2 представляет собой укрупненный поперечный разрез газовой турбины в соответствии по меньшей мере с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения; и

[0013] Фиг. 3 представляет собой блок-схему алгоритма способа в соответствии с настоящим изобретением.

Подробное описание изобретения

[0014] Далее будут подробно рассмотрены представленные варианты осуществления настоящего изобретения, один или более примеров которых проиллюстрированы на приложенных чертежах. Для подробного описания использованы числовые и буквенные обозначения с целью выполнения ссылок на определенные отличительные признаки на чертежах. Аналогичные или одинаковые обозначения на чертежах и в описании использованы для осуществления ссылок на аналогичные или одинаковые части настоящего изобретения. В настоящем документе термины «первый», «второй» и «третий» могут использоваться взаимозаменяемо для проведения различий между компонентами, при этом они не имеют целью обозначать местоположение или важность отдельных компонентов. Далее, выражения «выше по направлению потока» и «ниже по направлению потока» обозначают относительное местоположение компонентов в канале рабочего вещества. Например, компонент А находится выше по направлению потока от компонента В, если рабочее вещество проходит из компонента А в компонент В. И наоборот, компонент В находится ниже по направлению потока от компонента А, если компонент В принимает поток рабочего вещества от компонента А.

[0015] Все примеры приведены с целью иллюстрации настоящего изобретения, а не его ограничения. Действительно, специалисты в настоящей области техники должны понимать, что в настоящем изобретении могут быть выполнены модификации и изменения без выхода за его рамки. К примеру, проиллюстрированные или описанные как часть одного из вариантов осуществления настоящего изобретения отличительные особенности могут быть использованы в сочетании с другим вариантом осуществления изобретения и давать еще один, дополнительный вариант осуществления настоящего изобретения. Следовательно, подразумевается, что настоящее изобретение охватывает все подобные модификации и изменения, попадающие в рамки пунктов приложенной формулы изобретения и их эквивалентов.

[0016] Различные варианты осуществления настоящего изобретения включают способ определения одного или более параметров охлаждающего потока хладагента, например, расхода потока хладагента, подаваемого через турбинную секцию газовой турбины. Как правило, воздушно-топливную смесь поджигают в зоне горения камеры сгорания газовой турбины, за счет чего формируется горячий газ, содержащий различные концентрации кислорода, азота, монооксида углерода, диоксида углерода, аргона, диоксида серы и/или других побочных продуктов процесса сгорания. Контроллер турбины принимает первый сигнал, связанный с первым значением параметра продукта сгорания, например, концентрацией кислорода, от датчика, расположенного в зоне горения камеры сгорания. Упомянутый контроллер принимает второй сигнал, связанный со вторым значением параметра продукта сгорания, от второго датчика, расположенного ниже по направлению потока от зоны горения. Контроллер сравнивает упомянутые первое и второе значения параметра продукта сгорания и определяет параметр охлаждающего потока хладагента, например, расход охлаждающего потока, на основе разности между первым значением параметра продукта сгорания и вторым значением параметра продукта сгорания.

[0017] Несмотря на описание примеров осуществления настоящего изобретения, с целью иллюстрации, в контексте промышленных газовых турбин, специалисты в данной области техники должны понимать, что варианты осуществления изобретения могут применяться в любых газовых турбинах и не ограничены промышленными газовыми турбинами, если только это явно не указано в пунктах формулы изобретения.

[0018] Фиг. 1 представляет собой эскизное изображение газовой турбины 10, а фиг. 2 представляет собой укрупненный поперечный разрез газовой турбины 10 в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения. В соответствии с изображением фиг. 1, газовая турбина может включать компрессор 12, камеру 14 сгорания, гидравлически соединенную с компрессором 12, турбинную секцию 16, расположенную ниже по направлению потока и гидравлически соединенную с камерой 14 сгорания и/или компрессором 12, вал 18 турбины и контроллер 20. Секция турбины оканчивается, как правило, выпускным газоходом 22. В дополнение, газовая турбина может включать один или более генераторов 24, подключенных к турбинной секции 16 и/или компрессору 12. Несмотря на то, что на чертеже показана одна камера 14 сгорания, газовая турбина может включать множество камер 14 сгорания, соединенных гидравлически с турбинной секцией 16. Например, газовая турбина может включать по меньшей мере одну камеру 14 сгорания, расположенную вдоль турбинной секции 16, что встречается в газовых турбинах с промежуточным перегревом. В соответствии с изображением, каждая камера 14 сгорания может включать торцевую крышку 30, корпус 32 камеры сгорания и одну или более топливных форсунок 34, выходящих вниз по направлению потока из торцевой крышки 30. Как правило, упомянутые одну или более топливных форсунок 34 окружает жаровая труба 36 камеры сгорания. Переходный отсек 38 включает выходной конец 40, который, как правило, располагается встык с входным концом турбинной секции 16. Жаровая труба 36 и переходный отсек 38 преимущественно обеспечивают тракт 50 для передачи горячих газов, выходящих из камеры (или камер) 14 сгорания, в турбинную секцию 16.

[0019] Зона 60 горения, расположенная в жаровой трубе 36 и переходном отсеке 38, начинается, как правило, в точке, лежащей ниже по направлению потока от одной или более топливных форсунок 34, и проходит через тракт 50 потока, заканчиваясь у входного конца турбинной секции 16. Турбинная секция 16 обычно включает чередующиеся ступени стационарных лопаток 62 и вращающихся лопаток 64, расположенных в общем концентрично с валом 18 турбины, которые, как правило, начинаются с первой ступени неподвижных лопаток 62. Каждая неподвижная лопатка 62 из упомянутых чередующихся ступеней неподвижных лопаток может включать входную кромку 66, расположенную, как правило, в крайней верхней по направлению потока точке неподвижной лопатки 62. Вращающиеся лопатки 64 могут быть соединены с одним или более дисками 68, при этом диски могут быть соединены с валом 18 турбины, показанным на фиг. 1. Турбинная секция 16 может включать множество каналов, обеспечивающих гидравлическое соединение между компрессором и турбиной для обеспечения охлаждающего потока в турбинной секции 16. Обычно чередующиеся ступени неподвижных лопаток 62 и вращающихся дисков 64 формируют тракт 70 горячего газа, проходящий через турбинную секцию, для горячих газов, выходящих из камеры (или камер) 14 сгорания. В соответствии с изображением фиг. 2, в некоторых конкретных вариантах осуществления настоящего изобретения входной конец турбинной секции 16 может быть определен как точка, расположенная ниже по направлению потока за входной кромкой 66 одной или более неподвижных лопаток 62 первой ступени неподвижных лопаток 62. В альтернативных вариантах осуществления настоящего изобретения входной конец турбинной секции 16 может быть определен как точка, расположенная ниже по направлению потока за выходным концом переходного отсека 38.

[0020] Контроллер 20 может быть практически любой системой управления турбиной, известной в данной области техники, которая позволяет осуществлять управление и/или эксплуатацию газовой турбины в соответствии с описанием в настоящем документе. Например, контроллер 20 может включать систему управления газовой турбиной SPEEDTRONIC производства компании General Electric, например, описанную в документе GE-3658, Rowen W.I., озаглавленном «Система управления газовой турбиной SPEEDTRONIC Mark V» ("SPEEDTRONIC Mark V Gas Turbine Control System", который был опубликован фирмой GE Industrial & Power Systems, Скенектади, штат Нью-Йорк, США. Контроллер 20 может в общем включать любую компьютерную систему, имеющую процессор (или процессоры), которые исполняют программы, например, машиночитаемые инструкции, хранящиеся в памяти контроллера, с целью управления работой газовой турбины 10 с использованием выходных данных от датчиков и команд операторов. Формируемые контроллером 20 команды могут манипулировать приводами и/или другими механическими или электромеханическими устройствами, подключенными к газовой турбине и сконфигурированными для регулировки потока рабочего вещества через газовую турбину 10, чтобы обеспечить соответствие целевым параметрам эффективности, не выходя при этом за эксплуатационные пределы газовой турбины 10.

[0021] При работе турбины рабочее вещество, например, воздух, проходит через компрессор 12 для подачи сжатого рабочего вещества в камеру (или камеры) 14 сгорания. Большую часть сжатого рабочего вещества, далее называемую «первичным потоком», направляют в камеру (или камеры) 14 сгорания для охлаждения различных компонентов, например, жаровой трубы 36 и переходного отсека 38, а также для смешивания с топливом с целью получения горючей смеси. Оставшаяся часть сжатого рабочего вещества, называемая далее в настоящем документе «вторичным потоком», может быть канализирована в различные секции газовой турбины 10. Например, вторичный поток может отводиться из газовой турбины 10 для поддержки внешних процессов и/или канализироваться в турбину для обеспечения охлаждающего потока. Горючую смесь поджигают внутри зоны 60 горения, за счет чего создается быстро расширяющийся горячий газ. Горячий газ обычно включает различные концентрации продуктов сгорания, которые включают, без ограничения перечисленным, кислород, монооксид углерода, диоксид углерода, азот, воду и/или аргон. Горячий газ проходит через зону 60 горения, через канал 50 потока и выходит из камеры сгорания через выходной конец переходного отсека 32, после чего входит в тракт 70 горячего газа. Часть вторичного потока, которую канализируют в турбину для охлаждения, может входить в тракт 70 горячего газа через множество каналов, смешиваться с горячим газом, проходящим через турбинную секцию 16, и выходить из турбинной секции 16 через выпускной газоход 22, расположенный ниже по направлению потока за турбинной секцией 16. При прохождении горячего газа через тракт 70 горячего газа он передает часть своей кинетической энергии вращающимся лопаткам 64, обеспечивая, таким образом, вращение вала 18 турбины и выполнение механической работы. Создаваемая механическая работа может приводить в движение компрессор 12 или другую внешнюю нагрузку, например, один или более генераторов 24 с целью производства электроэнергии, как это показано на фиг. 1.

[0022] В одном или более вариантов осуществления настоящего изобретения, в соответствии с изображением на фиг. 2, газовая турбина 10 может включать систему 80 для определения параметра охлаждающего потока хладагента, подаваемого через газовую турбину 10. Нужно понимать, что в настоящем документе термин «параметр» относится к элементу (или элементам), которые могут быть использованы для задания рабочих условий газовой турбины 10, например, по температуре, давлению, расходу потока рабочего вещества, концентрации газа и/или водосодержанию. А именно, параметр охлаждающего потока может включать, без ограничения перечисленным, расход вторичного и/или охлаждающего потока, концентрацию газа, температуру, давление, водосодержание и/или любой другой параметр рабочего вещества охлаждающего потока. Некоторые параметры могут быть измерены при помощи датчиков, и следовательно, могут быть определены непосредственно. Другие параметры могут быть вычислены с использованием проектных расчетов и/или модели газовой турбины 10. Измеренные и/или вычисленные параметры могут, как правило, использоваться для представления заданного рабочего состояния газовой турбины 10.

[0023] В соответствии с изображением на фиг. 2, система 80 может включать по меньшей мере первый датчик 82 и второй датчик 84, соединенные с контроллером 20 с возможностью обмена данными и сконфигурированные для измерения параметра продукта сгорания газовой турбины 10. Каждый из датчиков может быть сконфигурирован для передачи сигналов, связанных с измеряемым параметром продукта сгорания, в контроллер при помощи соединения. В настоящем документе выражение «параметр продукта сгорания» относится к одному или более элементам и/или комбинациям элементов, присутствующих в камере 14 сгорания, в зоне 60 горения, в тракте 70 горячего газа и/или выпускном газоходе 22 газовой турбины 10 в результате процесса сгорания. Например, в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения «параметр продукта сгорания» может соответствовать концентрации кислорода, диоксида углерода, аргона, монооксида углерода, азота, воды и/или других элементов. Что касается собственно упомянутых первого и второго датчиков 82 и 84, соответственно, они могут включать, без ограничения перечисленным, по меньшей мере одно из следующего: датчик кислорода, датчик диоксида углерода, датчик монооксида углерода, датчик азота, датчик аргона или датчик воды.

[0024] В различных вариантах осуществления настоящего изобретения первый датчик может быть расположен внутри или около зоны 60 горения, и сконфигурирован для измерения первого значения параметра продукта сгорания. В соответствии с предшествующим описанием зона горения обычно начинается от точки, расположенной по направлению потока за одной или более топливными форсунками 34, проходит через канал 50 потока и заканчивается у входного конца турбинной секции 16. В альтернативных вариантах осуществления настоящего изобретения зона горения может доходить до входной кромки 66 неподвижных лопаток 62 первой ступени неподвижных лопаток 62. В некоторых конкретных вариантах осуществления настоящего изобретения первый датчик 82 может быть размещен в точке, которая расположена ниже по направлению потока от одной или более топливных форсунок 34 внутри жаровой трубы 36, внутри переходного отсека 38, у выходного конца 40 переходного отсека 38 и/или вдоль входной кромки 66 одной или более неподвижных лопаток 62 первой ступени неподвижных лопаток. В других вариантах осуществления настоящего изобретения первый датчик 82 может входить в зону горения 60, в общем радиально, из жаровой трубы 36 и/или переходного отсека 38. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения система 80 может дополнительно включать множество первых датчиков 82, расположенных в различных точках по всей зоне горения в соответствии с предшествующим описанием.

[0025] Второй датчик 84 может быть расположен в общем ниже по направлению потока за зоной 60 горения и сконфигурирован для измерения второго значения параметра продукта сгорания, предоставляемого первым датчиком 82. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения второй датчик 84 может быть расположен внутри выходного газохода 22, вблизи последней ступени вращающихся лопаток 64, вблизи поверхности одной или более стационарных лопаток 62, вблизи одной или более стационарных лопаток 62 и/или в любой точке внутри тракта 74 горячего газа турбинной секции 16. В альтернативных вариантах осуществления настоящего изобретения система может дополнительно включать множество вторых датчиков 84, расположенных ниже по направлению потока за зоной 60 горения в одной или более описанных выше позиций. Например, по меньшей мере один датчик из упомянутого множества вторых датчиков 84 может быть расположен вблизи каждой ступени вращающихся лопаток 64, у каждой ступени стационарных лопаток 62 и/или в выпускном газоходе 22.

[0026] Контроллер 20 может быть сконфигурирован для сравнения упомянутых первого и второго значения параметра продукта сгорания, обеспечиваемых первым и вторым датчиками 82 и 84, соответственно, с целью определения одного или более параметров охлаждающего потока хладагента, подаваемого через газовую турбину 10. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения упомянутые один или более параметров хладагента могут включать расход потока хладагента через турбинную секцию 16. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения контроллер 20 может быть сконфигурирован для определения одного или более параметров охлаждающего потока хладагента при помощи вычисления значений разности между упомянутыми первым и вторым значениями параметра продукта сгорания. В дополнение или альтернативно, контроллер может быть сконфигурирован для формирования выходного сигнала с целью управления параметром охлаждающего потока хладагента, например, расходом потока хладагента, подаваемого через газовую турбину 10.

[0027] Проиллюстрированные и описанные на примере фиг. 1 и 2 варианты осуществления настоящего изобретения могут также обеспечивать, в соответствии с изображением на фиг. 3, способ 100 определения параметра охлаждающего потока хладагента, подаваемого через газовую турбину 10. Как это показано на фиг. 3, способ 100 может включать прием сигнала, связанного с первым значением одного или более параметров продуктов сгорания в определенном местоположении внутри зоны горения газовой турбины (шаг 102), прием сигнала, связанного со вторым значением одного или более параметров продуктов сгорания из местоположения ниже по направлению потока от упомянутой зоны горения (шаг 104), сравнение упомянутых первого и второго значений параметра продукта сгорания (шаг 106) и определение параметра охлаждающего потока хладагента на основе упомянутого сравнения первого и второго значений (шаг 108). Таким образом, описанный способ позволяет обеспечить измерение различных параметров охлаждающего потока хладагента, например, расхода потока хладагента, вместо их вычисления, что обеспечивает возможность проверки правильности проектных решений и повышения КПД газовой турбины.

[0028] В соответствии с изображением на фиг. 3, на шаге 102 принимают сигнал, связанный с первым значением одного или более параметров продуктов сгорания в некотором местоположении внутри зоны 60 горения. Например, в соответствии с предшествующим описанием, один или более датчиков 82 могут быть расположены внутри зоны 60 горения и сконфигурированы для измерения первого значения определенного параметра продукта сгорания, например, концентрации кислорода. Первый датчик может затем передавать измеренное первое значение в контроллер для последующей обработки и/или анализа. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения способ может дополнительно включать прием множества сигналов, связанных с упомянутым первым значением параметра продукта сгорания от множества первых датчиков 82, расположенных внутри зоны 60 горения. При этом упомянутое множество сигналов принимают при помощи контроллера 20, контроллер 20 может формировать усредненное первое значение, вычислять медианное/среднее первое значение и/или обеспечивать любой статистический или аналитический анализ на основе упомянутого множества сигналов с целью формирования упомянутого первого значения. В конкретных вариантах осуществления настоящего изобретения параметр продукта сгорания, связанный с упомянутым первым значением, может включать по меньшей мере одно из следующего: концентрацию кислорода, концентрацию диоксида углерода, концентрацию азота или концентрацию воды.

[0029] В соответствии с изображением на фиг. 3, на шаге 104 принимают сигнал, который связан со вторым значением одного или более параметров продуктов сгорания в определенном местоположении ниже по направлению потока от зоны 60 горения. Например, в соответствии с предшествующим описанием, один или более вторых датчиков 84 могут быть размещены в выпускном газоходе 22, вблизи последней ступени вращающихся лопаток 24, вблизи поверхности одной или более неподвижных лопаток 62, вблизи одной или более неподвижных лопаток 62 и/или в любой точке внутри тракта 74 горячего газа турбинной секции 16. Второй датчик 84 может быть сконфигурирован для измерения второго значения параметра продукта сгорания, измеряемого первым датчиком 82. Второй датчик 84 может затем передавать измеренное второе значение в контроллер 20 для последующей обработки и/или анализа. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения способ может дополнительно включать прием множества сигналов, связанных с упомянутым вторым значением параметра продукта сгорания, от множества вторых датчиков 84, установленных ниже по направлению потока от зоны 60 горения. При этом упомянутое множество сигналов принимают при помощи контроллера 20, контроллер 20 может формировать усредненное второе значение, вычислять медианное/среднее второе значение и/или обеспечивать любой статистический или аналитический анализ на основе упомянутого множества сигналов с целью формирования упомянутого второго значения. В конкретных вариантах осуществления настоящего изобретения параметр продукта сгорания, связанный с упомянутым вторым значением, может включать по меньшей мере одно из следующего: концентрацию кислорода, концентрацию диоксида углерода, концентрацию азота или воды.

[0030] В соответствии с изображением на фиг. 3, на шаге 106 может осуществляться сравнение первого и второго значений параметра продукта сгорания, полученных на шагах 102 и 104, при помощи вычисления значения разности между первым и вторым значениями параметра продукта сгорания. Этот шаг также может осуществляться контроллером 20. Например, в конкретных вариантах осуществления настоящего изобретения контроллер 20 может принимать сигналы, связанные с первым значением и вторым значением параметра продукта сгорания, к примеру, концентрации кислорода, от первых и вторых датчиков 82 и 84, соответственно. Контроллер 20 может затем вычислять значения разности, например, складывая или вычитая первое значение X концентрации кислорода в процентах с/из второго значения Х+1 концентрации кислорода в процентах, что отражает увеличение концентрации кислорода в горячем газе при его проходе через турбинную секцию 16. Контроллер 20 может затем сравнивать вычисленные значения разности с измеренными, прогнозируемыми или известными уровнями концентрации кислорода в хладагенте перед смешиванием с горячим газом в турбинной секции 16, чтобы определить один или более параметров охлаждающего потока, например, измеряемый расход потока хладагента.

[0031] Способ может также включать изменение параметров охлаждающего потока на основе упомянутого сравнения первого и второго значений параметра продукта сгорания и/или сравнения измеренного расхода потока с базовым проектным расходом потока хладагента, вычисление значения разности расхода потока и соответствующую регулировку одного или более рабочих параметров газовой турбины. Например, контроллер 20 может формировать выходной сигнал на основе упомянутого сравнения первого и второго значений, значения разности параметров расхода потока и/или результирующего значения параметра охлаждающего потока. В конкретных вариантах осуществления настоящего изобретения контроллер 20 может быть соединен, с возможностью обмена данными, с одним или более устройствами управления потоком рабочего вещества, например, приводом и/или регулятором потока, соединенным гидравлически с камерой 14 сгорания, турбинной секцией 16 и/или с любой частью газовой турбины, которая может влиять на параметр охлаждающего потока. Таким образом, упомянутые одно или более устройств управления потоком рабочего вещества могут принимать выходной сигнал из контроллера 20, чем достигается приведение в действие или манипулирование устройством (или устройствами) управления потоком рабочего вещества с целью изменения параметра охлаждающего потока.

[0032] Технический результат настоящего изобретения заключается в повышении КПД и/или улучшении эксплуатационных характеристик газовой турбины. А именно, за счет определения параметра охлаждающего потока, например, расхода потока, на основе сравнений измеренных параметров продуктов сгорания, может осуществляться проверка правильности проектных решений при разработке газовых турбин и/или может быть улучшена работа газовой турбины. Например, если расход потока хладагента превосходит или опускается ниже проектных значений, газовая турбина может быть подвергнута управляющему воздействию с целью регулировки расхода потока хладагента, что снижает риск перегрева различных компонентов внутри газовой турбины, которые обычно подвергаются воздействию экстремальных температурных напряжений. Кроме того, проверка расхода потока хладагента на работающих газовых турбинах может позволять инженерам и/или разработчикам предсказывать возможные проблемы, связанные со сроком службы компонентов вследствие температурных напряжений в газовой турбине.

[0033] В данном документе для описания настоящего изобретения использованы примеры, включая вариант его осуществления, рассматриваемый как наилучший. Также эти примеры служат для обеспечения любому специалисту возможности практического применения настоящего изобретения, включая создание и использование любых устройств или систем, и выполнение любых способов из его состава. Рамки настоящего изобретения заданы пунктами приложенной формулы изобретения и могут включать дополнительные примеры, которые могут быть предложены специалистами в данной области техники. Все подобные дополнительные примеры считаются попадающими в рамки формулы изобретения, если они включают структурные элементы, не отличающиеся от буквальных формулировок ее пунктов, или если они включают эквивалентные структурные элементы с незначительными отличиями от буквальных формулировок пунктов формулы изобретения.

1. Способ определения параметра охлаждающего потока хладагента, подаваемого через газовую турбину, включающий:

прием сигнала, связанного с первым значением параметра продукта сгорания в местоположении внутри зоны горения газовой турбины;

прием сигнала, связанного со вторым значением параметра продукта сгорания в местоположении ниже зоны горения по направлению потока;

сравнение упомянутых первого и второго значений параметра продукта сгорания и

определение параметра охлаждающего потока хладагента на основе упомянутого сравнения первого и второго значений.

2. Способ по п. 1, в котором сравнение упомянутых первого и второго значений параметра продукта сгорания включает вычисление значений разности между упомянутыми первым и вторым значениями параметра продукта сгорания.

3. Способ по п. 1, также включающий изменение параметра охлаждающего потока на основе упомянутого сравнения первого и второго значений параметров продукта сгорания.

4. Способ по п. 1, в котором упомянутое определение параметра продукта сгорания на основе упомянутого сравнения первого и второго значений включает определение измеряемого расхода потока хладагента через турбинную секцию газовой турбины.

5. Способ по п. 4, также включающий сравнение упомянутого измеряемого расхода потока с базовым проектным расходом потока, вычисление значения разности расходов и регулировку упомянутого параметра охлаждающего потока.

6. Способ по п. 1, в котором упомянутый параметр продукта сгорания включает по меньшей мере одно из следующего: концентрацию кислорода, концентрацию диоксида углерода, концентрацию азота или концентрацию воды.

7. Способ по п. 1, в котором упомянутый параметр охлаждающего потока включает по меньшей мере одно из следующего: расход потока, температуру или водосодержание.

8. Способ по п. 1, в котором прием сигнала, связанного с первым значением параметра продукта сгорания в упомянутом местоположении внутри зоны горения газовой турбины, включает прием сигнала от первого датчика, установленного внутри газовой турбины внутри или около зоны горения.

9. Способ по п. 1, в котором прием сигнала, связанного с первым значением параметра продукта сгорания в упомянутом местоположении внутри зоны горения газовой турбины, включает прием множества сигналов от множества датчиков, установленных внутри зоны горения газовой турбины.

10. Способ по п. 9, также включающий формирования усредненного первого значения на основе упомянутого множества сигналов.

11. Способ по п. 1, в котором прием сигнала, связанного с упомянутым вторым значением параметра продукта сгорания в упомянутом местоположении ниже по направлению потока от зоны горения, включает прием сигнала от второго датчика, установленного внутри турбинной секции газовой турбины или в местоположении ниже по направлению потока от турбины.

12. Способ по п. 1, в котором прием сигнала, связанного с упомянутым вторым значением параметра продукта сгорания в упомянутом местоположении ниже по направлению потока от зоны горения, включает прием множества сигналов от множества датчиков, установленных внутри турбинной секции газовой турбины или в местоположении ниже по направлению потока от турбины.

13. Способ по п. 12, также включающий формирование усредненного второго значения на основе упомянутого множества сигналов.

14. Система для определения параметра охлаждающего потока хладагента, подаваемого через газовую турбину, включающая:

первый датчик, расположенный внутри или около зоны горения газовой турбины, при этом упомянутый первый датчик сконфигурирован для измерения первого значения параметра продукта сгорания газовой турбины;

второй датчик, расположенный ниже по направлению потока от упомянутой зоны горения, при этом упомянутый второй датчик сконфигурирован для измерения второго значения параметра продукта сгорания; и

контроллер, связанный с упомянутыми первым и вторым датчиками с возможностью обмена данными, при этом упомянутый контроллер сконфигурирован для сравнения упомянутых первого и второго значений параметра продукта сгорания и для определения параметра охлаждающего потока хладагента, подаваемого через газовую турбину, на основе упомянутого сравнения первого и второго значений.

15. Система по п. 14, в которой упомянутые первый и второй датчики включают по меньшей мере одно из следующего: датчик кислорода, датчик диоксида углерода, датчик монооксида углерода, датчик азота или датчик воды.

16. Система по п. 14, также включающая множество первых датчиков около или внутри упомянутой зоны горения.

17. Система по п. 14, также включающая множество вторых датчиков ниже по направлению потока от упомянутой зоны горения.

18. Система по п. 14, в которой параметры охлаждающего потока включают расход потока хладагента в тракте горячего газа газовой турбины.

19. Система по п. 14, в которой упомянутый контроллер сконфигурирован для вычисления значений разности между упомянутым первым и вторым значениями параметров продукта сгорания и для определения одного или более параметров охлаждающего потока на основе этих значений разности.

20. Система по п. 19, в которой упомянутый контроллер также сконфигурирован для формирования выходного сигнала для манипулирования расходом потока хладагента через турбину газовой турбины на основе упомянутых значений разности.



 

Похожие патенты:

Силовая установка состоит из входного устройства, турбокомпрессора с отбором воздуха за компрессором для охлаждения лопаток турбины, выходного устройства. Турбокомпрессор имеет степень повышения давления в компрессоре не более четырех, одну ступень турбины.

Турбина, в частности газовая турбина, содержит внутренний корпус, предназначенный для установки по меньшей мере одной статорной лопатки турбинной ступени, и наружный корпус, расположенный вокруг внутреннего корпуса таким образом, что образуется наружный охлаждающий канал между внутренним корпусом и наружным корпусом.

Газотурбинный двигатель, имеющий продольную ось, определяющую аксиальное направление двигателя, содержит компрессорную секцию, секцию сжигания, содержащую множество устройств для сжигания, турбинную секцию, кожух и систему рециркуляции воздуха оболочки.

Газовая турбина включает в себя охлаждаемую турбинную ступень (8), имеет эксплуатируемую с охлаждением охлаждающей средой направляющую лопатку (11) и устройство (19-24) подачи охлаждающей среды для подачи охлаждающей среды внутрь направляющей лопатки (11).

Устройство подвода охладителя к охлаждаемым рабочим лопаткам высокотемпературной газовой турбины содержит аппарат закрутки охладителя и рабочее колесо с охлаждаемыми рабочими лопатками, в ножке хвостовика которых расположены приемные каналы, в совокупности образующие кольцевой приемный канал.

Изобретение относится к газотурбинным двигателям авиационного и наземного применения. Газотурбинный двигатель включает компрессор и двухступенчатую турбину, компрессор низкого давления, на выходе которого установлен компрессор.

Изобретение относится к энергетике. Способ регулирования помпажа для газотурбинного двигателя, включающий в себя предоставление газотурбинного двигателя, имеющего компрессор, камеру сгорания, ниже по потоку от компрессора, с трактом горячих газов, турбину ниже по потоку от камеры сгорания, с трактом горячих газов, причём регулируют выпускной поток из компрессора, на основании контроля в целях регулирования для исключения условия помпажа, и направление выпускного потока по меньшей мере к одному из трактов горячих газов, чтобы обходить по меньшей мере часть камеры сгорания.

Противообледенительная система газотурбинного двигателя содержит теплообменник, установленный в проточной части двигателя перед входом в компрессор двигателя. Воздух, отбираемый за последней ступенью компрессора, через теплообменник подается в систему охлаждения турбины.

Газотурбинный двигатель содержит по меньшей мере одну охлаждаемую ступень турбины с сопловым аппаратом с полостями над ним и под ним, системы охлаждения ротора и статора турбины, корпус турбины и систему регулирования радиального зазора.

Изобретение относится к энергетике. Турбина содержит первую внутреннюю стенку, вторую внутреннюю стенку, внутреннюю обшивку и защитный элемент.
Наверх