فرآيند كنترل اوليه محفظه احتراق توربين گازي

اختراع طراحي و ساخت محفظه احتراق حلقوي توربين گازي – GTAC ، متشكل از برنر42، لاينر داخلي 41 و لاينر خارجي 40 مي باشد كه بصورت حلقوي ساخته شده اند. 18 عدد برنر 42 از نوع برنر چرخشي ساده در بخش ابتدايي محفظه وجود دارد كه عمل اختلاط سوخت و هوا را انجام داده و موجب كاهش Nox مي شوند. گاز داغ پرفشار حاصل از احتراق از محفظه وارد توربين شده و توليد كار مي كند. لاينر محفظه متشكل از چند پنل مي باشد، هر پنل داراي يك رديف سوراخ خنك كاري لايه اي مي باشد. اين پنل ها توسط جوش به يكديگر اتصال داده شده و يك ديواره را تشكيل داده اند. به منظور جلوگيري از سوختن لاينرها از روش خنك كاري لايه اي و همرفتي استفاده شده است، هواي خروجي از هر رديف سوراخ خنك كاري لايه اي همانند فيلم نازكي بر روي ديواره داخلي لاينر جريان يافته و مانع از تماس مستقيم گاز داغ با سطح لاينر ميشود. جريان هواي داخل كانال جانبي نيز سطح خارجي لاينر را بصورت همرفتي خنك كاري مينمايد.

اختراع روش تعيين محدوده پايداري استاتيكي محفظه احتراق توربين گاز، روشي نوين جهت تعيين كمي محدوده خاموشي شعله و ارزيابي كيفي رفتار شعله در نزديكي شرايط خاموشي است كه كاربرد آن در تحليل، طراحي و بهينه‌سازي محفظه‌هاي احتراق توربين‌هاي گاز مي‌باشد. اساس اين روش مبتني بر شبيه‌سازي عددي جريان واكنشي در محفظه احتراق توربين گاز با استفاده از ابزار ديناميك سيالات محاسباتي، استفاده از نتايج شبيه‌سازي عددي جريان واكنشي در محفظه احتراق و پس‌پردازش نتايج مزبور، و در نهايت تخمين محدوده خاموشي و يا ارزيابي فرآيند خاموشي بر مبناي خروجي‌هاي پس‌پردازش نتايج شبيه‌سازي عددي مي‌باشد. با تلفيق روش تعيين كمي محدوده خاموشي شعله و روش ارزيابي كيفي رفتار شعله در نزديكي شرايط خاموشي مورد ادعا، محدوده و رفتار پايداري شعله آشفته در هر نوع محفظه احتراق توربين گاز كه در آن از نواحي بازچرخش جهت پايدارسازي شعله استفاده شده، با دقت مطلوب كاربردهاي مهندسي پيش‌بيني مي‌گردد.

روش مورد ادعا مربوط است به چيدمان‌هاي مختلف تزريق چندمرحله‌اي سوخت در محفظه‌هاي احتراق موتورهاي توربين گاز به منظور كنترل ميزان آلاينده‌ها و حاشيه پايداري شعله در كل محدوده كاري پايا و گذراي توربين، در شرايط محيطي متنوع و با استفاده از سوخت‌هاي مختلف. با استفاده از تزريق چندمرحله‌اي سوخت همچنين مي‌توان عملكرد اشتعال، ميزان راندمان احتراق و پروفيل دماي خروجي محفظه در شرايط كاري مختلف را نيز بهينه نمود. در چيدمان عمومي روش مورد ادعا، فضاي احتراق شامل يك يا چند محفظه احتراق و هر محفظه شامل يك يا چند مجموعه برنر و هر برنر شامل يك يا چند مسير سوخت مجزا بوده و مقدار سوخت مسيرهاي سوخت‌رساني مختلف بر حسب نيازمندي‌هاي كاربردي موتور توسط سيستم كنترل آن تعيين مي‌گردد. با تلفيق روش‌هاي تزريق چندمرحله‌اي سوخت، كاركرد موتور در شرايط مختلف بهينه مي‌شود. اساس روش مورد ادعا مبتني است بر تنظيم دبي سوخت مسيرهاي مختلف سوخت‌رساني منتهي به فضاي هندسي مربوط به احتراق، بر مبناي يك استراتژي تقسيم سوخت معين. استراتژي تقسيم سوخت محفظه به عنوان بخشي از واحد كنترل موتور، نحوه تقسيم سوخت (يا سوخت‌هاي مختلف) بين نواحي گوناگون فضاي احتراق را برحسب مجموعه داده‌هاي عملكردي موتور و شرايط محيط كاري آن تعيين مي‌كند. با استفاده از اين روش، نحوه توزيع سوخت (و لذا استوكيومتري) در نواحي مختلف فضاي احتراق كنترل شده و كاركرد موتور در شرايط مختلف بهينه مي‌گردد. روش مورد ادعا قابل اعمال به كليه انواع توربين‌هاي گاز زميني و هوايي در سايزهاي ميكرو تا ماكرو بوده و مي‌تواند به همراه رويكردهاي كنترل توزيع هواي ورودي و يا به تنهايي مورد استفاده قرار گيرد. همچنين روش مزبور قابل اعمال به پيكربندي‌هاي گوناگون سيكل توربين و نيز پيكربندي‌هاي مختلف محفظه احتراق مي‌باشد.

اختراع حاضر تست استند ابداعي است كه در آن تستهاي پيش و پس از توليد قطعات محفظه احتراق حلقوي موتورهاي توربين گاز انجام مي¬شود. اين تست استند طوري طراحي شده¬است كه قادر به ارائه اطلاعات دقيق و جزئي در خصوص نحوه پاشش سوخت در سر پاشنده¬هاي سوخت و نيز توزيع هوا مابين بخشهاي مختلف برنر، لاينر و مجموعه محفظه احتراق است و مي¬تواند فرآيند ارزيابي، تحويل¬گيري و اطمينان از صحت عملكرد قسمتهاي نامبرده را فراهم نمايد. روند انجام تستها نيز بدين صورت است كه دبي عبوري از قطعه تحت تست ثابت نگه داشته شده و افت فشار آن اندازه¬گيري شده و با معيار پذيرش كه از پيش استخراج شده است، مورد ارزيابي قرار مي¬گيرد.

يكي از مباحث مهم در محفظه¬هاي احتراق توربين گازي نحوه اشتعال در آن مي¬باشد. در اين اختراع يك سيستم اشتعال از نوع جرقه¬اي طراحي و ساخته شده است كه نسبت به سيستم¬هاي نظير خود داراي ويژگي¬ها و مزاياي خاصي است. در اين سيستم، انرژي و ولتاژ بالا جهت ايجاد اشتعال در مخلوط سوخت و هوا توسط اكسايتر(Exciter) تامين مي¬شود. جرقه¬زن (Spark Plug) به گونه‌اي طراحي شده كه كاملاً روي پوسته قرار گيرد و سر پلاگ به صورت مبتكرانه‌اي به حالت مماس با لاينر قرار مي‌گيرد به گونه‌اي كه انرژي توليد شده در آن به داخل محفظه هدايت مي‌شود. به¬دليل اينكه سر پلاگ در تماس مستقيم با جريان دما بالا قرار نداشته و همچنين با هواي خنك‌كاري لاينر خنك مي¬شود، محافظت‌هاي حرارتي شديدي براي سر پلاگ نياز نيست. به اين ترتيب با اين ابتكار مشكل سوختگي سر پلاگ كه مشكلي مطرح در مبحث سيستم‌هاي اشتعال از نوع جرقه‌اي است حل مي‌شود. همچنين با توجه به اينكه پلاگ سيستم اشتعال روي بخش استوانه‌اي لاينر نصب مي‌شود، مشكل رسوب كربن، گرفتن پلاگ و خراب شدن آن (كه در اكثر سيستم¬هاي اشتعال نصب شده در داخل محفظه مرسوم است) وجود ندارد. معمولاً به دليل مسائل آئروديناميكي سعي مي‌شود از جرقه‌زن‌هايي استفاده شود كه در هنگام استفاده نشدن، بتوان آنها را از محفظه خارج كرد. اين ابتكار اين خصوصيت را دارد كه سر پلاگ اصلاً وارد محفظه نشده و در كل طول عملكرد خارج از محفظه قرار دارد و با توجه به انرژي بالايي كه دارد قادر است در تركيب داخل محفظه احتراق اشتعال پايدار ايجاد نمايد. با توجه به مطالب ارائه شده، اين سيستم با توجه به داشتن انرژي بالا داراي قابليت اعتماد بالا به همراه طول عمر زياد مي¬باشد و جهت استفاده در توربين-هاي گازي توصيه ميشود.

اختراع سپر حرارتي مجهز به پوشش مقاوم و مكانيزم خنك كاري لايه اي جهت مراقبت از لاينر محفظه احتراق حلقوي شامل محفظه احتراق به منظور افزايش قابليت عملكردي و عمر توسط دو پديده ارتقا يافته است. استفاده از پوشش عايق حرارتي و سپر حرارتي موجب كاهش ميزان انتقال حرارت به لاينر گشته و در نتيجه افزايش عمر در آن را موجب شده است. پوشش با روش APS اعمال شده كه تخلخل بيشتر و ضريب انتقال حرارت هدايتي كمتر را نتيجه داده است. سپر حرارتي در قسمت ابتدايي(پرايمري) و به صورت حلقوي ايجاد شده و بخش اعظم گرماي گازهاي داغ احتراقي را جذب كرده و مانع از رسيدن آن به لاينر ميشود، اين سپر با روش خنك كاري برخوردي خنك كاري ميشود و طرف داغ آن نيز پوشش عايق حرارتي داده شده است. اين طرح در محفظه احتراق توربين IGT25 به كار رفته است.