CH698044B1 - Brennstoffversorgungssystem für ein Gasturbinentriebwerk und Gasturbinentriebwerk. - Google Patents

Abstract

Es wird ein Brennstoffversorgungssystem (200) für ein Gasturbinentriebwerk bereitgestellt. Das Brennstoffversorgungssystem (200) umfasst eine Vielzahl von Brennkammern, die zu einer Vielzahl von Brennkammersätzen (20) gruppiert sind, und eine Vielzahl von Brennstoffverteilern (220, 222), wobei jeder Brennstoffverteiler einem jeweiligen Satz von der Vielzahl von Brennkammersätzen (20) zugeordnet ist. Jeder Brennstoffverteiler ist mit dem jeweiligen Satz von der Vielzahl von Brennkammersätzen gekoppelt, und jeder Brennstoffverteiler ist konfiguriert, um dem jeweiligen Satz von der Vielzahl von Brennkammersätzen mit einer vorbestimmten Steuerkurve Brennstoff zuzuführen. Das Brennstoffversorgungssystem umfasst auch ein Regelungssystem, das in Wirkbeziehung mit jedem der Brennstoffverteiler gekoppelt ist. Das Regelungssystem ist konfiguriert, um Brennstoff, der durch jeden der Brennstoffverteiler strömbar ist, so zu regeln, dass während eines ersten Betriebsmodus Brennkammern, die einem ersten Brennstoffverteiler (220) zugeordnet sind, bei einer Diffusionsflamme und/oder einer vorgemischten partiellen Pilot-Diffusionsflamme gehalten sind, und Brennkammern, die einem zweiten Brennstoffverteiler (222) zugeordnet sind, bei einer Vormischflamme gehalten sind.

Description

[0001] Diese Erfindung betrifft allgemein ein Brennstoffversorgungssystem für ein Gasturbinentriebwerk und ein Gasturbinentriebwerk. Es wird ein Brennstoffversorgungssystem vorgestellt, um Gasturbinentriebwerke bei wesentlich niedrigeren Lastbedingungen mit stabiler Verbrennung und niedrigeren Emissionen zu betreiben.

Stand der Technik

[0002] Gasturbinentriebwerke umfassen typischerweise einen Verdichter, eine oder mehrere Brennkammern, die jede ein Brennstoffeinspritzsystem aufweisen, und einen Turbinenabschnitt. In einem Triebwerk, das eine Vielzahl von Brennkammern aufweist, sind diese typischerweise in einer ringförmigen Anordnung um das Triebwerk herum angeordnet und typischerweise zu Zündungszwecken miteinander verbunden. Der Verdichter erhöht den Druck der Eintrittsluft und leitet sie dann zu den Brennkammern, wo sie benutzt wird, um die Verbrennungsraumwände zu kühlen und Luft für den Verbrennungsprozess bereitzustellen. Im Verbrennungsraum wird verdichtete Luft mit einem Brennstoff gemischt, und das Gemisch wird durch eine Zündquelle gezündet, um heisse Verbrennungsgase zu erzeugen.

[0003] Auch wenn ein Volllastzustand der gängigste Betriebspunkt für stationäre Gasturbinen ist, die zur Stromerzeugung eingesetzt werden, macht der Strombedarf oftmals keine Volllast des Generators erforderlich, und der Betreiber wünscht, das Triebwerk bei einer niedrigeren Lasteinstellung betreiben zu können, um nur die nachgefragte Last zu erzeugen, wodurch Brennstoffkosten eingespart werden.

[0004] Bekanntlich werden Verbrennungssysteme des Stands der Technik bei niedrigeren Lasteinstellungen instabil, wobei sie bei diesen niedrigeren Lasteinstellungen, vor allem unterhalb 50% Last, auch inakzeptable Kohlenmonoxid (CO)- und Stickoxid (NOx)-Pegel erzeugen. Dies ist primär auf die Tatsache zurückzuführen, dass die meisten Verbrennungssysteme für den möglichst leistungsfähigen Betrieb bei Hochlasteinstellungen gestuft sind und deshalb bei niedrigeren Lasteinstellungen weniger leistungsfähig sind. Überdies können weniger Emissionen durch Vormischung von Luft und Brennstoff vor der Verbrennung erreicht werden statt durch Diffusion, und daher erleichtert die Vormischung allgemein die Verbrennung für niedrigste NOx-Emissionen. Doch selbst mit verschiedenen Verfahren der Brennstoffabstufung haben bekannte Gasturbinentriebwerke noch ein eingeschränktes Teillastverhalten aufzuweisen.

[0005] Die Kombination aus potenziell instabiler Verbrennung und höheren Emissionen hindert Triebwerksbetreiber oft daran, Triebwerke bei niedrigeren Lasteinstellungen zu betreiben, weshalb die Triebwerke entweder bei höheren Einstellungen betrieben werden müssen, wodurch zusätzlicher Brennstoff verbrannt wird, oder abgeschaltet werden müssen, wodurch Einnahmen entgehen, die durch die Teillastnachfrage entstanden wären. Ein weiteres Problem bei der Abschaltung des Triebwerks sind die zusätzlichen Zyklen, denen die Triebwerksausrüstung ausgesetzt wird. Ein Zyklus wird allgemein definiert als der Durchlauf durch den normalen Umfang der Betriebsbedingungen, wodurch die Triebwerksausrüstung einen kompletten Druck- und Temperaturzyklus durchläuft, der mit der Zeit den Verschleiss der Triebwerksausrüstung zur Folge hat. Triebwerkshersteller geben die Lebensdauer der Ausrüstung typischerweise in Betriebsstunden oder äquivalenten Betriebszyklen an. Daher kann das Auftreten zusätzlicher Zyklen die Lebensdauer der Ausrüstung verringern, was eine frühzeitige Reparatur oder einen Austausch auf Kosten des Triebwerksbetreibers erfordert.

Kurzdarstellung der Erfindung

[0006] Gemäss der Erfindung umfasst ein Brennstoffversorgungssystem für ein Gasturbinentriebwerk eine Vielzahl von Brennkammern, die zu einer Vielzahl von Brennkammersätzen gruppiert sind; eine Vielzahl von Brennstoffverteilern, wobei jeder Brennstoffverteiler einem jeweiligen Satz von der Vielzahl von Brennkammersätzen zugeordnet ist, wobei jeder dieser Brennstoffverteiler mit einem jeweiligen Satz von der Vielzahl von Brennkammersätzen gekoppelt ist, wobei jeder Brennstoffverteiler konfiguriert ist, um dem jeweiligen Satz von der Vielzahl von Brennkammersätzen mit einer vorbestimmten Steuerkurve Brennstoff zuzuführen; und ein Regelungssystem, das in Wirkbeziehung mit jedem dieser Brennstoffverteiler gekoppelt ist, wobei dieses Regelungssystem konfiguriert ist, um den Brennstoff, der durch jeden Brennstoffverteiler strömbar ist, so zu regeln, dass während eines ersten Betriebsmodus Brennkammern, die einem ersten Brennstoffverteiler zugeordnet sind, bei mindestens einem von einer Diffusionsflamme und einer vorgemischten partiellen Pilot-Diffusionsflamme gehalten sind, und Brennkammern, die einem zweiten Brennstoffverteiler zugeordnet sind, bei einer Vormischflamme gehalten sind.

[0007] Gemäss der Erfindung umfasst ein Gasturbinentriebwerk ein Brennstoffversorgungssystem nach Anspruch 1.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0008] <tb>Fig. 1<sep>ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Gasturbinentriebwerks nach einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 2<sep>ist eine schematische Querschnittsansicht einer Brennkammer, die mit dem in Fig. 1gezeigten Gasturbinentriebwerk verwendet werden kann; <tb>Fig. 3<sep>ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines beispielhaften Brennstoffversorgungssystems, das mit dem in Fig. 1 gezeigten Gasturbinentriebwerk verwendet werden kann; <tb>Fig. 4<sep>ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines anderen beispielhaften Brennstoffversorgungssystems, das mit dem in Fig. 1 gezeigten Gasturbinentriebwerk verwendet werden kann; und <tb>Fig. 5<sep>ist ein beispielhaftes Regelungssystem, das verwendet werden kann, um das in Fig. 3gezeigte beispielhafte Brennstoffversorgungssystem zu betreiben und/oder zu regeln.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

[0009] Die folgende ausführliche Beschreibung veranschaulicht die Offenbarung auf beispielhafte und nicht einschränkende Weise. Die Beschreibung versetzt den Fachmann auf klare Weise in die Lage, die Offenbarung umzusetzen. Doch es versteht sich, dass diese Offenbarung eine allgemeine Anwendbarkeit auf die Brennstoffversorgung von Vorrichtungen hat, die andere Brenner als Brennkammern aufweisen, wie z.B., ohne darauf beschränkt zu sein, Öfen, Kessel, Brennöfen und Verbrennungsanlagen.

[0010] Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Gasturbinentriebwerks 100. Das Triebwerk 100 umfasst einen Verdichter 102 und eine Vielzahl von Ringrohrbrennkammern 104. Das Triebwerk 100 umfasst auch eine Turbine 108 und eine gemeinsame Verdichter-/Turbinenwelle 110 (manchmal als Rotor 110 bezeichnet).

[0011] In Betrieb strömt Luft durch den Verdichter 102, und den Brennkammern 104 wird verdichtete Luft zugeführt. Brennstoff wird zu einer Verbrennungsregion im Inneren der Brennkammern 104 geleitet, wo der Brennstoff mit Luft gemischt und gezündet wird. Verbrennungsgase werden erzeugt und zur Turbine 108 geleitet, in welcher die Wärmeenergie des Gasstroms in mechanische Rotationsenergie umgewandelt wird. Die Turbine 108 ist mit der Welle 110 drehbar gekoppelt und treibt diese an.

[0012] Fig. 2 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Brennkammer 104. Die Brennkammer 104 ist in Strömungsverbindung mit der Turbinenbaugruppe 108 und mit der Verdichterbaugruppe 102 gekoppelt. Die Verdichterbaugruppe 102 umfasst einen Luftverteiler 112 und ein Verdichterauslassgehäuse 114, die in Strömungsverbindung miteinander gekoppelt sind.

[0013] In dem Beispiel umfasst die Brennkammer 104 einen Abschlussdeckel 120, der einer Vielzahl von Brennstoffdüsen 122 strukturellen Halt bietet. Der Abschlussdeckel 120 ist durch Haltevorrichtungen (in Fig. 2nicht gezeigt) mit dem Brennkammergehäuse 124 gekoppelt. Eine Brennkammerauskleidung 126 ist darin angeordnet und so mit dem Gehäuse 124 gekoppelt, dass die Auskleidung 126 einen Verbrennungsraum 128 definiert. Ein ringförmiger Verbrennungsraumkühlkanal 129 verläuft zwischen dem Brennkammergehäuse 124 und der Brennkammerauskleidung 126.

[0014] Ein Übergangsabschnitt oder -stück ist mit dem Brennkammergehäuse 124 gekoppelt, um das Kanalisieren der in der Kammer 128 erzeugten Verbrennungsgase zur Turbinendüse 132 zu erleichtern. In dem Beispiel weist das Übergangsstück eine Vielzahl von Öffnungen 134 auf, die in einer Aussenwand 136 geformt sind. Das Übergangsstück weist auch einen ringförmigen Kanal 138 auf, der zwischen einer Innenwand 140 und der Aussenwand 136 definiert ist. Die Innenwand 140 definiert einen Führungshohlraum 142.

[0015] Im Betrieb treibt die Turbinenbaugruppe 108 die Verdichterbaugruppe 102 über die Welle 110 (in Fig. 1gezeigt) an. Wenn die Verdichterbaugruppe 102 rotiert, wird verdichtete Luft in den Luftverteiler 112 ausgelassen, wie durch die zugehörigen Pfeile angezeigt. In dem Beispiel wird der Grossteil der Luft, die aus der Verdichterbaugruppe 102 ausgelassen wird, durch das Verdichterauslassgehäuse 114 zur Brennkammer 104 geleitet, und ein kleinerer Anteil der verdichteten Luft kann geleitet werden, um Komponenten des Triebwerks 100 zu kühlen. Das heisst, die unter Druck gesetzte verdichtete Luft im Auslassgehäuse 114 wird über Aussenwandöffnungen 134 in das Übergangsstück und in den Kanal 138 geleitet. Die Luft wird dann vom ringförmigen Kanal 138 des Übergangsstücks in den Verbrennungsraumkühlkanal 129 geleitet. Luft wird aus dem Kanal 129 ausgelassen und in die Brennstoffdüsen 122 geleitet.

[0016] Brennstoff und Luft werden im Verbrennungsraum 128 gemischt und gezündet. Das Gehäuse 124 erleichtert die Isolierung des Verbrennungsraums 128 und seiner zugehörigen Verbrennungsprozesse von der äusseren Umgebung, zum Beispiel von den umgebenden Turbinenbauteilen. Die erzeugten Verbrennungsgase werden vom Raum 128 durch den Übergangsstückführungshohlraum 142 zur Turbinendüse 132 geleitet. In dem Beispiel ist die Brennstoffdüsenbaugruppe 122 über einen Brennstoffdüsenflansch 144 mit dem Abschlussdeckel 120 gekoppelt.

[0017] Fig. 3 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines beispielhaften Brennstoffversorgungssystems 200, das mit dem in Fig. 1und 2gezeigten Gasturbinentriebwerk verwendet werden kann. Fig. 4 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines anderen beispielhaften Brennstoffversorgungssystems 200, das mit dem in Fig. 1 und 2gezeigten Gasturbinentriebwerk verwendet werden kann. In dem Beispiel, das in Fig. 3gezeigt wird, umfasst das Gasturbinentriebwerk 10 achtzehn Brennkammerabschnitte 20, die einen Ring formen. In anderen Beispielen wird eine andere Anzahl von Brennkammerabschnitten 20 verwendet, z.B. vierzehn. In dem Beispiel weist jeder Brennkammerabschnitt 20 mindestens eine Brennstoffdüsenbaugruppe 22 auf.

[0018] Die Brennstoffdüsenbaugruppen 22 sind in der Umfangsrichtung in unmittelbarer Nähe des Brennkammerabschnitts 20 um den Umfang des Triebwerks 10 herum angeordnet. Das heisst, die Brennkammerabschnitte 20 formen einen Ring um einen Innenumfang des Gasturbinentriebwerks herum, und dadurch formen auch die Brennstoffdüsenbaugruppen und die Brennstoffverteiler einen Ring in der Umfangsrichtung um das Gasturbinentriebwerk 10 herum.

[0019] Auch wenn das Beispiel ein Gasturbinentriebwerk 10 mit achtzehn Brennkammerabschnitten 20 und achtzehn Brennstoffdüsenbaugruppen 22 veranschaulicht, versteht es sich, dass das Brennstoffsystem 200 mit einem Gasturbinentriebwerk mit n Brennkammerabschnitten und n*x Brennstoffdüsen 22 verwendet werden kann, wobei n ≥ 2 und x ≥ 1. Zum Beispiel kann das Gasturbinentriebwerk 10 n = 18 Brennkammern umfassen, und wenn x = 1, weist das Triebwerk 10 18 Brennstoffdüsen auf, d.h., eine Brennstoffdüse je Brennkammer. Optional, wenn x = 2, umfasst das Triebwerk 10 36 Brennstoffdüsen, d.h. zwei Brennstoffdüsen je Brennkammer, etc. Zudem können Düsen im Verbrennungsraum durch einen internen oder externen Verteiler auf der Verbrennungsraumebene weiter in Untergruppen unterteilt sein, und durch einen externen Verteiler auf der Gruppenebene, sodass eine gegebene Düsenuntergruppe eine gemeinsame Versorgung auf der Gruppen- oder Untergruppenebene aufweist.

[0020] Das Brennstoffversorgungssystem 200 umfasst eine Brennstoffpumpe 210, die konfiguriert ist, um Brennstoff aus einer Brennstoffversorgung (nicht gezeigt) zu empfangen. Die Brennstoffpumpe 210 wird benutzt, um mindestens einem ersten Brennstoffverteiler 220 und einem zweiten Brennstoffverteiler 222 Brennstoff zuzuführen. Der erste und zweite Brennstoffverteiler 220 und 222 sind beide bemessen und dimensioniert, um im Brennstoffversorgungssystem 200 ein Druckverhältnis zu erreichen, das der dem Gasturbinentriebwerk zugeführten Brennstoffmenge entspricht. Der erste und zweite Verteiler 220 und 222 an sich können ein Aggregat aus mehrfachen Verteiler-Teilsätzen sein, wobei erste und zweite Anordnungen beide Verteiler einschliessen, um Düsenuntergruppen auf der Verbrennungsraumebene unabhängig zu versorgen und zu regeln. Wie in Fig. 4 gezeigt, umfasst ein alternatives Beispiel des Brennstoffversorgungssystems 200 einen dritten Brennstoffverteiler 426, der konfiguriert ist, um einen dritten Satz Brennkammerabschnitte 20 mit Brennstoff zu versorgen.

[0021] Das heisst, das Brennstoffversorgungssystem 200 umfasst eine Brennstoffsaugleitung 230, die von der Brennstoffquelle 231 zu einem Einlass der Brennstoffpumpe 210 verläuft, und eine Auslassleitung 232, die von der Auslassseite der Brennstoffpumpe 210 zu jedem vom ersten und zweiten Brennstoffverteiler 220 und 222 verläuft. In dem Beispiel ist ein erstes Stufenventil 240 in der Auslassleitung 232 zwischen der Pumpe 210 und dem ersten Verteiler 220 angeordnet, und ein zweites Stufenventil 242 ist in der Auslassleitung 232 zwischen der Pumpe 210 und dem zweiten Verteiler 222 angeordnet. In dem Beispiel, das in Fig. 4gezeigt wird, ist ein drittes Stufenventil 446 in der Auslassleitung 232 zwischen der Pumpe 210 und dem dritten Verteiler 426 angeordnet.

[0022] Auch wenn das Beispiel, das in Fig. 3gezeigt wird, das Brennstoffversorgungssystem 200 mit zwei Verteilern 220 und 222 darstellt, versteht es sich, dass das Brennstoffversorgungssystem 200 drei oder mehr Brennstoffverteiler aufweisen kann. Zum Beispiel zeigt Fig. 3, dass der erste Verteiler 220 neun Brennkammerabschnitte 20 mit Brennstoff versorgt, und auch der zweite Verteiler 222 versorgt neun Brennkammerabschnitte 20 mit Brennstoff. Doch das Brennstoffversorgungssystem kann drei Verteiler umfassen, wobei jeder Verteiler sechs Brennkammerabschnitte mit Brennstoff versorgt, wie in Fig. 4 gezeigt. In dem Beispiel kann die Brennkammeranordnung mehrfache Rohrbrennkammer-Teilsätze aufweisen, wobei jeder Teilsatz mehrfache Düsenuntergruppen einschliessen kann. Zusätzlich können der Abstand und die Zahl der Rohre, die von jedem Verteiler versorgt werden, abhängig von aeromechanischen oder anderen Systembedingungen variiert werden.

[0023] Fig. 5 ist ein beispielhaftes Regelungssystem 500, das verwendet werden kann, um das in Fig. 3 gezeigte beispielhafte Brennstoffversorgungssystem 200 zu betreiben und/oder zu regeln. Das Regelungssystem 500 kann eine elektronische Steuereinheit (ECU) oder eine Triebwerksüberwachungseinheit (EMU) wie z.B. eine volldigitale Triebwerksregelung (FADEC) oder eine modernisierte digitale Triebwerksregelung (MDEC) umfassen. In einem alternativen Beispiel umfasst das Triebwerksregelungssystem 500 jede Triebwerksregelung, die konfiguriert ist, um Signale zum Gasturbinentriebwerk 10 zu senden und/oder von diesem zu empfangen, um die Regelung und/oder Überwachung des Brennstoffversorgungssystem 200 zu erleichtern. Das heisst, hierin kann eine ECU jedes elektronische Gerät sein, das an oder um ein Triebwerk angeordnet ist und einen Prozessor und mindestens eines von Software, Firmware, und/oder Hardware einschliesst, die programmiert ist, um das Brennstoffversorgungssystem 200 zu regeln oder zu überwachen.

[0024] Eine Vielzahl von Triebwerksdatensensoren 502 ist vorgesehen, um gewählte Datenparameter zu messen, die den Betrieb des Gasturbinentriebwerks 10 betreffen. Diese Datenparameter können, ohne aber darauf beschränkt zu sein, die Umgebungslufttemperatur und Triebwerksparameter wie z.B. die Abgastemperatur, die Öltemperatur, den Brennstoffdurchfluss des Triebwerks, die Drehzahl des Gasturbinentriebwerks, den Verdichtungsdruck, den Turbinen-Abgasdruck und/oder eine Vielzahl anderer Signale einschliessen, die vom Gasturbinentriebwerk 10 empfangen werden.

[0025] Das Regelungssystem 500 umfasst einen Steuerschnittstellenabschnitt 510, der die von den oben beschriebenen Triebwerksensoren empfangenen Daten abtastet und bei gewählten Triebwerksbetriebsbedingungen ein Steuersignal zu jedem vom ersten und zweiten Stufenventil 240, 242 ausgibt. In Beispielen, wo mehr als zwei Stufenventile verwendet werden, wie in Fig. 4, steuert der Schnittstellenabschnitt 510 auch die jeweiligen Ventile, z.B. das Ventil 246.

[0026] Das heisst, der Schnittstellenabschnitt 510 wandelt die von den Triebwerkssensoren empfangenen Daten in Digitalsignale zur nachfolgenden Verarbeitung um. Ein Computer 512 empfängt die abgetasteten und digitalisierten Sensordaten vom Steuerschnittstellenabschnitt 510 und führt die Hochgeschwindigkeitsanalyse durch. Der Computer 512 kann auch über eine Tastatur 514 Befehle von einem Bediener empfangen. Ein zugehöriger Bildschirm 516 wie z.B., ohne aber darauf beschränkt zu sein, eine Flüssigkristallanzeige (LCD) und/oder eine Bildröhre erlaubt dem Bediener, die vom Computer 512 empfangenen Daten zu beobachten. Die vom Bediener eingegebenen Befehle und Parameter werden vom Computer 512 benutzt, um Steuersignale und Information an den Steuerschnittstellenabschnitt 510 auszugeben.

[0027] In einem Beispiel umfasst der Computer 512 ein Gerät 518, zum Beispiel ein Diskettenlaufwerk, ein CD-ROM-Laufwerk, ein DVD-Laufwerk, ein Magneto-Optical-Disk (MOD)-Laufwerk und/oder ein anderes digitales Gerät einschliesslich eines Netzwerkanschlussgeräts wie z.B. ein Ethernet-Gerät zum Lesen von Anweisungen und/oder Daten von einem computerlesbaren Medium 520 wie z.B. einer Diskette, einer CD-ROM, einer DVD oder einer anderen digitalen Quelle wie z.B. ein Netzwerk oder das Internet sowie andere digitale Mittel, die noch zu entwickeln sind. In einem anderen Beispiel führt der Computer 512 Anweisungen aus, die in Firmware (nicht gezeigt) gespeichert sind. Der Computer 512 ist programmiert, um die hierin beschriebenen Funktionen durchzuführen, und der Begriff Computer beschränkt sich hierin nicht nur auf jene integrierten Schaltungen, die allgemein als Computer bekannt sind, sondern bezieht sich im weiteren Sinne auf Computer, Prozessoren, Mikrocontroller, Mikrocomputer, programmierbare Logik-Kontrolleinheiten, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen und sonstige programmierbare Schaltungen, und diese Begriffe sind hierin austauschbar.

[0028] Im Betrieb ist das Brennstoffversorgungssystem 200 in der Lage, das Gasturbinentriebwerk 10 in allen Betriebsbedingungen mit Brennstoff zu versorgen. Das heisst, das Regelungssystem 500 ist konfiguriert, um die Ventile 240 und 242 während eines ersten Betriebsmodus zu öffnen und abzustimmen. In einem alternativen Beispiel ist das Regelungssystem 500 konfiguriert, um die Ventile 240 und 242 während eines ersten Betriebs- und Modulationsmodus abzustimmen, und die Regelung der zu den Stufenventilen 240 und 242 gehörigen Brennkammern erfolgt dahinter, zum Beispiel an einem Steuerverteiler (nicht gezeigt) an jeder Brennkammer oder jedem Brennkammersatz, der den Stufenventilen 240 und 242 zugeordnet ist. Zum Beispiel kann der Computer 512 während eines anfänglichen Triebwerksanlaufmodus oder eines Betriebsmodus bei kleiner Leistung programmiert sein, das erste Stufenventil 240 zu öffnen und das zweite Stufenventil 242 so abzustimmen, dass ein Satz Brennkammern, der dem ersten Stufenventil 240 zugeordnet ist, in einem ersten Flammenmodus betrieben wird, zum Beispiel in einem Vormischmodus, und ein Satz Brennkammern, der dem zweiten Stufenventil 242 zugeordnet ist, in einem zweiten Flammenmodus betrieben wird, z.B. einer Diffusionsflamme und/oder einer vorgemischten partiellen Pilot-Diffusionsflamme. Im ersten Betriebsmodus wird Brennstoff über die Pumpe 210 durch das erste Stufenventil 240 durch den ersten Verteiler 220 und in die Vielzahl von Brennkammerabschnitten 20 zugeführt. Wie in Fig. 3 und 4 gezeigt, wird in diesem Betriebsmodus nur ein Teil der Brennkammerabschnitte 20 mit Brennstoff für den Vormischbetrieb versorgt, und die restlichen Brennkammerabschnitte werden mit Brennstoff für den Diffusions- oder den vorgemischten partiellen Pilot-Diffusionsbetrieb versorgt. Das heisst, die Brennkammerabschnitte, die im Vormischmodus betrieben werden, sind mit den Brennkammerabschnitten zwischengeschaltet, die in einem Diffusionsflammen- oder einem vorgemischten partiellen Pilot-Diffusionsflammenmodus betrieben werden. Genauer gesagt, ist jeder Brennkammerabschnitt, der Brennstoff für den Vormischbetrieb empfängt, benachbart zu einem Brennkammerabschnitt angeordnet, der im ersten Betriebsmodus Brennstoff für den Diffusionsflammen- und/oder vorgemischten partiellen Pilot-Diffusionsflammenbetrieb empfängt. Der gegebene Abstand und die Anordnung der Brennkammer-Teilsätze werden durch den gewünschten Leistungspegel und die aeromechanischen Bedingungen des Turbinenabschnitts bestimmt. Der Betrieb in einem gemischten Flammenmodus, zum Beispiel in einem Vormischmodus und/oder einer Diffusionsflamme oder einer vorgemischten partiellen Pilot-Diffusionsflamme erlaubt dem Triebwerk 10 gleichzeitig, bei einer relativ kleineren Ausgangsleistung betrieben zu werden, als dies mit allen Brennkammern in einem Vormisch-Betriebsmodus möglich wäre, und bei einem niedrigeren Emissionspegel, als dies mit allen Brennkammern in einem Diffusionsmodus möglich wäre. Auch wenn eine einzelne Brennkammer, die im Diffusionsflammen- und/oder in einem vorgemischten partiellen Pilot-Diffusionsflammenmodus betrieben wird, relativ höhere NOx-Emissionen als eine im Vormischmodus betriebene Brennkammer abgegeben kann, wird das gemischte Abgas aus allen Brennkammern im Abgasrohr zudem auf zulässige Grenzwerte gehalten, während der Betrieb bei niedrigeren Lasten und Brennstoffverbrauchen ermöglicht wird.

[0029] In einem zweiten Betriebsmodus ist das Regelungssystem 500 konfiguriert, um das zweite Stufenventil 242 so zu öffnen oder abzustimmen, dass Brennstoff über die Pumpe 210 durch das zweite Stufenventil 242, durch den zweiten Verteiler 222 und in die restlichen Verbrennungsabschnitte zugeführt wird. In einem alternativen Beispiel ist das Regelungssystem 500 konfiguriert, um das zweite Stufenventil 242 während des zweiten Betriebs- und Modulationsmodus zu öffnen, und die Brennkammern, die dem zweiten Stufenventil 242 zugeordnet sind, dahinter zu regeln, zum Beispiel an einem Steuerverteiler (nicht gezeigt) an jeder Brennkammer oder jedem Brennkammersatz, der dem zweiten Stufenventil 242 zugeordnet ist. Zum Beispiel lässt das Brennstoffversorgungssystem 200 während eines zweiten Betriebsmodus einen zusätzlichen Brennstoffstrom zu den restlichen Brennkammerabschnitten 20 zu, um zwecks Erhöhung der Ausgangsleistung des Gasturbinentriebwerks 10 zum Vormischflammenbetrieb überzugehen. Dementsprechend versorgen im zweiten Betriebsmodus sowohl der erste als auch der zweite Verteiler alle Brennkammerabschnitte mit Brennstoff, und alle Brennkammern werden in einem Vormischflammenmodus betrieben. In diesem Betriebsmodus stellt das Brennstoffversorgungssystem 200 zwei unabhängig gesteuerte, parallele Brennstoffversorgungen zum Verbrennungssystem her. Das heisst, bei Grundlast oder höheren Teillasten werden beide Systeme auf der Basis vorhandener Steuerkurven oder Brennstoffzeitpläne gleich gesteuert.

[0030] In einem beispielhaften dritten Betriebsmodus, der hierin als «Leistungsminderungsmodus» bezeichnet wird, wenn eine reduzierte Ausgangsleistung vom Gasturbinentriebwerk gewünscht wird, gehen die geeigneten Leitungskreise zu einem Diffusionsflammen- oder einen vorgemischten partiellen Pilot-Diffusionsflammen-Brennstoffstrom zu einem gewählten Rohrbrennkammersatz über. In diesem Beispiel wird entweder das erste oder das zweite Stufenventil 240 oder 242 so abgestimmt, dass der Vormischflammenbetrieb nur in einer Hälfte der Brennkammerabschnitte 20 verwendet wird.

[0031] Hierin wird ein beispielhaftes Brennstoffversorgungssystem beschrieben, das konfiguriert ist, um einen Diffusionsflammen- und/oder einen vorgemischten partiellen Pilot-Diffusionsflammen-Betriebsmodus für einen wählbaren Satz Brennkammern zu wählen und den Brennstoffstrom abzustimmen, um diese Emissionen während der gewählten Betriebsbedingungen zu reduzieren. Das beispielhafte Brennstoffversorgungssystem ist auch konfiguriert, um Leistungsminderungsvorgänge des Gasturbinentriebwerks zu optimieren, was dem Endbenutzer gestattet, einen rentableren Betrieb zu erreichen, wobei auch die Emissionen reduziert werden. Zusätzlich verbessert das Brennstoffversorgungssystem die Robustheit der Gasturbine in Spitzenlast- oder Lastfolgeanwendungen, die z.B. unter minimalen Teillastbedingungen laufen, statt einen schädlichen Abschalt-/Einschalt-Zyklus zu durchlaufen.

[0032] Das System gewährleistet die Vorteile der Flammenstabilität und niedrigen Emissionen über den gesamten Betriebsbereich des Gasturbinentriebwerks mit Rohrbrennkammern hinweg, einschliesslich bei niedrigen Teillastbedingungen. Das System kann bei niedrigeren Lastbedingungen rationell betrieben werden, wodurch kein Brennstoffverlust auftritt, wenn kein Hochlastbetrieb erforderlich ist, oder keine zusätzlichen Zyklen der Triebwerksausrüstung bei der Abschaltung. Das beispielhafte Brennstoffversorgungssystem erlaubt auch erheblich niedrigere Teillasten als aktuell möglich.

[0033] Zum Beispiel werden bei Grundlast oder höheren Teillasten sowohl der erste Verteiler als auch der zweite Verteiler auf der Basis vorhandener Steuerkurven und/oder Brennstoffzeitpläne gleich gesteuert. Wenn die minimale Teillast angefordert wird, gehen die entsprechenden Brennstoffleitungen auf einen Diffusionsflammenmodus oder einen partiellen Diffusionsflammenmodus über, z.B. ein Pilot-Vormischmodus in einem gewählten Satz Rohrbrennkammern. Als solche macht die Leistungsminderung keine Senkung der Verbrennungstemperaturen in einem Satz Brennkammern erforderlich, doch die zu erwartenden höheren Emissionen aus jeder Brennkammer, die im Diffusionsflammen- oder Pilot-Modus betrieben wird, in Kombination mit den Emissionen aus den Brennkammern, die noch im Vormischmodus betrieben werden, erlauben den Gesamtemissionen die Einhaltung der Grenzwerte. Daher wird sie keine negative Auswirkung auf die Emissionsabgabe des Systems haben. Überdies werden erheblich niedrigere Teillasten ermöglicht.

Claims (10)

1. Brennstoffversorgungssystem (200) für ein Gasturbinentriebwerk (10), wobei dieses Brennstoffversorgungssystem umfasst: eine Vielzahl von Brennkammern (104), die zu einer Vielzahl von Brennkammersätzen (20) gruppiert sind; eine Vielzahl von Brennstoffverteilern (220, 222, 426), wobei jeder Brennstoffverteiler (220, 222, 426) einem jeweiligen Satz von der Vielzahl von Brennkammersätzen (20) zugeordnet ist, wobei jeder Brennstoffverteiler (220, 222, 426) mit einem jeweiligen Satz von der Vielzahl von Brennkammersätzen (20) gekoppelt ist, wobei jeder Brennstoffverteiler (220, 222, 426) konfiguriert ist, um dem jeweiligen Satz von der Vielzahl von Brennkammersätzen (20) mit einer vorbestimmten Steuerkurve Brennstoff zuzuführen; und ein Regelungssystem (500), das in Wirkbeziehung mit jedem der Brennstoffverteiler gekoppelt ist, wobei dieses Regelungssystem konfiguriert ist, um Brennstoff, der durch jeden Brennstoffverteiler strömbar ist, so zu regeln, dass während eines ersten Betriebsmodus Brennkammern, die einem ersten Brennstoffverteiler (220) zugeordnet sind, bei einer Diffusionsflamme und/oder einer vorgemischten partiellen Pilot-Diffusionsflamme gehalten sind, und Brennkammern, die einem zweiten Brennstoffverteiler (222) zugeordnet sind, bei einer Vormischflamme gehalten sind.

2. System (200) nach Anspruch 1, wobei das Regelungssystem (500) ausserdem konfiguriert ist, um den Brennstoff, der durch jeden der Brennstoffverteiler (220, 222, 426) strömbar ist, so zu regeln, dass während eines zweiten Betriebsmodus die Vielzahl von Brennkammern (104) bei einer Vormischflamme gehalten ist.

3. System (200) nach Anspruch 1, wobei das Regelungssystem (500) ausserdem konfiguriert ist, um während des ersten Betriebsmodus ein dem ersten Brennstoffverteiler (220) vorgelagertes Stufenventil (240) gemäss einer ersten Steuerkurve zu öffnen und ein dem zweiten Brennstoffverteiler (222) vorgelagertes Stufenventil (242) gemäss einer zweiten Steuerkurve zu öffnen.

4. System (200) nach Anspruch 3, wobei das Regelungssystem (500) ausserdem konfiguriert ist, um während eines zweiten Betriebsmodus das dem ersten Brennstoffverteiler vorgelagerte Stufenventil und das dem zweiten Brennstoffverteiler vorgelagerte Stufenventil gemäss der zweiten Steuerkurve zu öffnen.

5. System (200) nach Anspruch 1, wobei das Regelungssystem (500) ausserdem konfiguriert ist, um bei hohen Gasturbinentriebwerkslastbedingungen alle Brennkammern (20) mit einer Vormischflamme zu betreiben.

6. System (200) nach Anspruch 1, wobei das Regelungssystem (500) ausserdem konfiguriert ist, um bei niedrigen Gasturbinentriebwerkslastbedingungen mindestens einen Satz der Brennkammern (20) mit mindestens einem von einer Diffusionsflamme und einer vorgemischten partiellen Pilot-Diffusionsflamme zu betreiben.

7. System (200) nach Anspruch 1, wobei Brennkammern (104) von einem von der Vielzahl von Brennkammersätzen (20) zwischen Brennkammern von einem anderen von der Vielzahl von Brennkammersätzen angeordnet sind.

8. Gasturbinentriebwerk (10), umfassend ein Brennstoffversorgungssystem (200) nach Anspruch 1.

9. Gasturbinentriebwerk (10) nach Anspruch 8, wobei das Brennstoffversorgungssystem (200) konfiguriert ist, um den Brennstoff, der durch jeden der Brennstoffverteiler (220, 222, 426) strömbar ist, während eines zweiten Betriebsmodus so zu regeln, dass die Vielzahl von Brennkammern (104) bei einer Vormischflamme gehalten ist.

10. Gasturbinentriebwerk (10) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Vielzahl von Brennkammern (104) um eine Längsachse des Gasturbinentriebwerks (10) herum ringförmig beabstandet ist.