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Querverweis auf verwandte Anmeldungen
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Diese
Anmeldung beansprucht die Priorität der am 12. Februar
2008 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 61/028,136,
welche hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Systeme zur Modulation
von einem Gasturbinenmotor zugeführten Brennstoff. Insbesondere
ist die vorliegende Erfindung auf Ventilanordnungen und Verfahren
zur Steuerung/Regelung solcher Ventilanordnungen in Gasturbinenmotoren
gerichtet.
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Beschreibung der verwandten Technik
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Eine
Verbrennungsinstabilität ist ein erhebliches Problem beim
Design von emissionsarmen Hochleistungsbrennkammern für
Gasturbinen. Die Verbrennungsinstabilität wird allgemein
verstanden als Druckschwankungen mit hoher Amplitude, welche als
ein Ergebnis der turbulenten Natur des Verbrennungsprozesses und
der großen volumetrischen Energiefreisetzung innerhalb
der Brennkammer auftreten. Eine Verbrennungsinstabilität
reduziert die Motorsystemleistung und die aus den Druckschwankungen
resultierenden Vibrationen oder Schwingungen können Hardwarekomponenten
einschließlich der Brennkammer selbst beschädigen.
Wenn darüber hinaus die Verbrennungswärmefreisetzung
in Phase mit akustischen Druckwellen kommt und diese verstärkt,
führt dies zu einer thermo-akustischen Instabilität.
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In
der Vergangenheit wurden passive Steuer/Regelverfahren verwendet,
um eine Verbrennungsinstabilität zu korrigieren, umfassend
beispielsweise das Modifizieren des Brennstoffeinspritzverteilungsmusters
oder das Ändern der Form oder Kapazität der Brennkammer.
Passive Steuerungen/Regelungen sind oft kostspielig und begrenzen
die Brennkammerleistung. In jüngster Zeit wurden aktive
Steuer/Regelverfahren verwendet, um eine Verbrennungsinstabilität
zu korrigieren, indem der Druck innerhalb des Systems modifiziert
wird.
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Die
US-Patentpublikation Nr. 2007/0151252 von
Cornwell et al., welche hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit
aufgenommen ist, offenbart eine Mehrzahl von Ventilanordnungen,
welche in der Lage sind, mit einer hohen Frequenz zu arbeiten (bis
zu und über 1000 Hz hinaus), um Brennstoffpulsationen mit
einer gewünschten Frequenz bereitzustellen, um beispielsweise
eine Verbrennungsstabilität zu unterstützen. Die
darin beschriebenen Ventile stellen rotierende Elemente bereit,
welche den Brennstoff modulieren, wie von einem Steuer/Regelsystem
befohlen. Obwohl die beschriebenen Einrichtungen mit mehrfachen
Ventilelementen verkörpert sein können, was zu
einer großen Vielfalt von Strömungsbedingungen führt,
haben die Anmelder erkannt, dass solche Ventile auch durch ein einziges
drehendes Ventilelement verkörpert werden können.
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Die
Anmelder haben ferner erkannt, dass es vorteilhaft wäre,
einfache und effektive und relativ kostengünstige Maßnahmen
einzusetzen, um solche pulsierenden Ventile zu nutzen, um effektiv
eine Verbrennungsstabilität zu bewerkstelligen. Die vorliegende
Erfindung stellt eine Lösung für diese Anforderungen
bereit.
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ÜBERSICHT DER ERFINDUNG
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Der
Zweck und die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der
nachfolgenden Beschreibung dargelegt und aus dieser ersichtlich.
Zusätzliche Vorteile der Erfindung werden durch die Verfahren
und Systeme realisiert und erreicht, welche in der schriftlichen
Beschreibung und den Ansprüchen hiervon wie auch von den
beigefügten Zeichnungen besonders hervorgehoben werden.
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Um
diese und andere Vorteile zu erreichen und gemäß dem
Zweck der Erfindung umfasst die Erfindung, wie verkörpert,
ein Verfahren zur Verbrennungsstabilitätssteuerung/regelung
in einem Gasturbinenmotor. Das Verfahren umfasst die Schritte, Umgebungs-
und Betriebsbedingungen zu bestimmen, welche eine Verbrennungsinstabilität
in dem Gasturbinenmotor verursachen, eine Steuer/Regeleinrichtung
mit den Umgebungs- und Betriebsbedingungen zu programmieren, welche
eine Verbrennungsinstabilität verursachen, und mit einer
Brennstoffmodulationspulsationsfrequenz, um einer Instabilität
unter irgendeiner Gruppe von Umgebungs- und Betriebsbedingungen
entgegenzuwirken, und wenigstens einen Umgebungssensor, welcher
mit der Steuer/Regeleinheit gekoppelt ist, und wenigstens ein Brennstoffmodulationsventil,
welches mit der Steuer/Regeleinheit gekoppelt ist, bereitzustellen,
um eine Brennstoffströmung zu dem Gasturbinenmotor zu modulieren.
Solche Umgebungsbedingungen können jene sein, die in oder
nahe der Brennkammer des Turbinenmotors gemessen werden, oder können
Bedingungen oder Zustände sein, welche durch andere Sensoren
an einem Flugzeug gemessen werden, wie z. B. einen Höhen-
oder Sauerstoffniveausensor. Beispielsweise kann ein Motorhersteller
alle Instabilitäten im Voraus aufzeichnen und effektive
Steuer/Regelschemata implementieren, um die Instabilitäten,
welche auftreten können, zu reduzieren oder zu beseitigen,
wie z. B. durch eine pulsierende Brennstoffströmung mit
einer geeigneten Frequenz bei einem geeigneten Brennstoffdruck.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Verbrennungsstabilitätssteuerung/regelung
für einen Gasturbinenmotor vorgesehen. Das Verfahren umfasst
die Schritte, von einer Stabilitätssteuer/regeleinrichtung
Information bezüglich Umgebungs- und Betriebsbedingungen
zu empfangen und die Umgebungs- und Betriebsbedingungen mit vorprogrammierter
Information zu vergleichen, um zu bestimmen, ob eine Wahrscheinlichkeit
einer Verbrennungsinstabilität besteht. Das Verfahren umfasst
ferner die Schritte, eine optimale Brennstoffmodulationsfrequenz
und -amplitude für die Umgebungsbedingung zu bestimmen,
um die Verbrennungsinstabilität zu reduzieren, wenn eine Wahrscheinlichkeit
einer Verbrennungsinstabilität be steht, und wenigstens
ein Brennstoffmodulationsventil zu betätigen, um bei der
optimalen Brennstoffmodulationsfrequenz und -amplitude die Verbrennungsinstabilität
zu reduzieren, wenn eine Wahrscheinlichkeit einer Verbrennungsinstabilität
besteht.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Verbrennungsstabilitätssteuerung/regelung
in einem Gasturbinenmotor vorgesehen. Das Verfahren umfasst die
Schritte, von einer Stabilitätssteuer/regeleinrichtung
Information von wenigstens einem Sensor bezüglich einer
Verbrennungsdruckwellenamplitude und -frequenz zu empfangen, die
Verbrennungsdruckwellenamplitude mit einem vorprogrammierten Amplitudengrenzwert
zu vergleichen, um zu bestimmen, ob eine übermäßige Verbrennungsinstabilität
vorliegt, eine optimale Brennstoffmodulationsfrequenz und -amplitude
für die Brennstoffpulse zu bestimmen, welche erforderlich
ist, um die Amplitude der Verbrennungsdruckwelle zu reduzieren,
und wenigstens ein Brennstoffmodulationsventil zu betätigen,
um Brennstoff mit einer ausgewählten Frequenz und Amplitude
zu pulsen, um die Verbrennungsdruckwellenamplitude zu reduzieren.
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Die
ausgewählte Frequenz, bei welcher das Brennstoffmodulationsventil
Brennstoff pulst, kann im Wesentlichen gleich der Frequenz der Verbrennungsdruckwellen
sein, welche den Druckamplitudengrenzwert überschreiten,
wobei die Ventilpulsationsfrequenz gegenphasig oder phasenverschoben zu
der Verbrennungsdruckwellenfrequenz ist. Gemäß diesem
Aspekt der Erfindung kann das jeweilige Steuer/Regelsystem dazu
geeignet und konfiguriert sein, die Verbrennungsstabilität
während und/oder nach der Modulation zu überwachen,
um die Verbrennung in eine akzeptable Grenze zu treiben. Solche
Systeme können ferner dafür geeignet sein, eine Verzögerungszeit
bei der Erfassung eines instabilen Verbrennungszustands z. B. dadurch
zu kompensieren, dass eine Stabilitätssteuer/regeleinrichtung
mit einer Lern- und Speicherfähigkeit versehen wird.
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Jedes
System gemäß der Erfindung kann dafür
geeignet und konfiguriert sein, eine Brennstoffströmung
fortgesetzt zu pulsen und auf die Verbrennungsinstabilität
zu reagieren, indem die Phase der Brennstoffpulsationen verschoben
wird, um Instabilitäten auszuschalten. Vorzugsweise ist
jedoch vorgesehen, dass die Brennstoffpulsation nur dann durchgeführt
wird, wenn sie infolge Instabilitäten erforderlich ist,
um nicht in dem Fall von Verbrennungsdruckwellen niedriger Amplitude
Instabilitäten zu verursachen, oder Ventilkomponenten frühzeitig
zu verschleißen. Selbst in Fällen, wo die Brennstoffströmung
nur dann gepulst wird, wenn es notwendig ist, können Verfahren
gemäß der Erfindung den Schritt umfassen, eine
relative Phase der Brennstoffpulsation einzustellen, bezüglich
Instabilitätsdruckwellen, um das Ausmaß der Verbrennungsinstabilitätsdruckwellen
zu minimieren.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein System zur Modulation
einer Brennstoffströmung in einem Gasturbinenmotor wenigstens
einen Verbrennungsstabilitätssensor zur Erfassung einer
Verbrennungsinstabilität in einer Brennkammer des Gasturbinenmotors
und eine Steuer/Regeleinheit, welche dafür konfiguriert
und geeignet ist, Verbrennungsstabilitätsdaten von dem wenigstens
einen Verbrennungsstabilitätssensor zu erhalten und ein
Steuer/Regelsignal basierend auf den Verbrennungsstabilitätsdaten
auszugeben. Das System umfasst auch wenigstens ein Brennstoffmodulationsventil,
welches dazu konfiguriert und geeignet ist, Brennstoff von einer
Brennstoffversorgung zu erhalten und ein Steuer/Regelsignal von
der Steuer/Regeleinheit zu empfangen und wenigstens eine Brennstoffeinspritzeinrichtung,
welche dazu konfiguriert und geeignet ist, Brennstoff von dem wenigstens einen
Brennstoffmodulationsventil zu erhalten, wobei die wenigstens eine
Brennstoffeinspritzeinrichtung modulierten Brennstoff in eine Brennkammer
des Turbinenmotors liefert, abgibt oder fördert.
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Jedes
System gemäß der Erfindung kann ferner eines oder
mehrere der folgenden Merkmale umfassen, wie nachstehend dargelegt.
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Ein
Verteilerkanal bzw. Verteiler kann zwischen ein Brennstoffmodulationsventil
und eine Mehrzahl von Brennstoffeinspritzeinrichtungen eingefügt
sein, wobei der Verteiler Brennstoff von dem Brennstoffmodulationsventil
zu der Mehrzahl von Brennstoffeinspritzeinrichtungen liefert.
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Ein
Strömungsteilerventil kann zwischen die Brennstoffversorgung
und das Modulationsventil eingefügt sein, wobei das Strömungsteilerventil
(flow divider valve) die Brennstoffströmung in wenigstens erste
und zweite Brennstoffströmungen teilt, welche jeweils wenigstens
durch erste und zweite Brennstoffleitungen bzw. Brennstoffkreise
abgeleitet werden. Der erste Brennstoffkreis kann mit einem ersten Modulationsventil
in Fluidverbindung stehen, welches wiederum in Fluidverbindung mit
einem ersten Verteilerkanal bzw. Verteiler steht, welcher dazu konfiguriert
und geeignet ist, Brennstoff zu einem ersten Brennstoffkreis von
jeder einer Mehrzahl von Brennstoffeinspritzeinrichtungen zu liefern.
Der zweite Brennstoffkreis kann in Fluidverbindung mit einem zweiten
Verteilerkanal bzw. Verteiler stehen, welcher dazu konfiguriert
und geeignet ist, Brennstoff an einen zweiten Brennstoffkreis der
Mehrzahl von Brennstoffeinspritzeinrichtungen zu liefern. Das zweite
Modulationsventil kann in dem zweiten Brennstoffkreis vorgesehen
sein, wobei es Brennstoff von dem Strömungsteilerventil
erhält und Brennstoff an den zweiten Verteiler liefert.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt können Systeme gemäß der
Erfindung ferner ein Stufenventil (staging valve) umfassen, welches
zwischen die Brennstoffversorgung und die Brennstoffmodulationsventile
eingefügt ist, wobei Brennstoff von dem Stufenventil zwischen
ersten und zweiten Brennstoffkreisen aufgeteilt wird, welche jeweils
Brennstoff zu ersten und zweiten Modulationsventilen liefern, jedes der
ersten und zweiten Modulationsventile in Fluidverbindung mit jeweiligen
ersten und zweiten Verteilern steht und diesen Brennstoff liefert,
und die ersten und zweiten Verteiler jeweils Brennstoff zu den ersten und
zweiten Gruppen von Brennstoffeinspritzeinrichtungen verteilen.
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Gemäß der
Erfindung können die Systeme ein Stufenventil umfassen,
welches zwischen die Brennstoffversorgung und ein Brennstoffmodulationsventil
eingefügt ist, wobei Brennstoff von dem Stufenventil zwischen
ersten und zweiten Brennstoffkreisen aufgeteilt wird, der erste
Brennstoffkreis in Fluidverbindung mit einem ersten Modulationsventil steht,
welches wiederum in Fluidverbindung mit einem ersten Verteilerkanal
bzw. Verteiler steht und diesem Brennstoff liefert, der zweite Brennstoffkreis in
Fluidverbindung mit einem zweiten Verteilerkanal bzw. Verteiler
steht, und die ersten und zweiten Verteiler jeweils Brennstoff zu
ersten und zweiten Gruppen von Brennstoffeinspritzeinrichtungen
verteilen.
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Alternativ
oder zusätzlich können die Systeme einen Brennstoffverteiler
(oder Brennstoffverteilerkanal) haben, welcher dazu konfiguriert
und geeignet ist, Brennstoff an eine Mehrzahl von Brennstoffeinspritzeinrichtungen
zu verteilen, welche integrale Brennstoffmodulationsventile haben.
Wenn gewünscht, können alle Brennstoffeinspritzeinrichtungen
mit integralen Brennstoffmodulationsventilen versehen sein. Alternativ
kann eine erste Gruppe von Brennstoffeinspritzeinrichtungen mit
integralen Brennstoffmodulationsventilen versehen sein, wobei eine
zweite Gruppe von Brennstoffeinspritzeinrichtungen in direkter Fluidverbindung
mit dem Verteiler steht.
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Es
ist verständlich, dass sowohl die vorangehende allgemeine
Beschreibung als auch die nachfolgende detaillierte Beschreibung
beispielhaft sind und dafür bestimmt sind, die beanspruchte
Erfindung weiter zu erläutern.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
beigefügten Zeichnungen, welche in diese Beschreibung aufgenommen
sind und Teil derselben bilden, sind enthalten, um ein weiteres
Verständnis des Verfahrens und des Systems der Erfindung zu
veranschaulichen und bereitzustellen. Zusammen mit der Beschreibung
dienen die Zeichnungen dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern,
wobei:
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1 einen
typischen Bereich für eine stabile Verbrennung in Gasturbinenmotoren
veranschaulicht, welcher bei einem konstanten Druck dargestellt ist;
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2 und 3 typische
Amplituden und Frequenzen von Instabilitäten für
einen Einturbinenmotor veranschaulichen, welcher unter derselben Gruppe
von Bedingungen arbeitet, ohne eine Verbrennungsstabilitätssteuerung/regelung
(2) und mit einer Verbrennungsstabilitätssteuerung/regelung gemäß der
Erfindung (3);
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4 und 5 zwei
beispielhafte Modulationsschemata im Vergleich zu einer Standardmodulation,
welche bei einer Frequenz von 500 Hz auftritt, veranschaulichen;
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6 eine
Ventilanordnung für Systeme gemäß der
Erfindung veranschaulicht, bei der Brennstoff von einem Brennstoffsteuer/regelsystem
durch ein Modulationsventil zugeführt wird, welches wiederum
durch einen einzelnen Verteilerkanal bzw. Verteiler modulierten
Brennstoff einer Mehrzahl von Brennstoffeinspritzeinrichtungen bereitstellt;
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7 eine
alternierende Anordnung von Ventilen für Systeme gemäß der
Erfindung zeigt, wobei ein Strömungsteilerventil vorgesehen
ist, um Brennstoff von einer Brennstoffsteuerung/regelung auf zwei
verschiedene Brennstoffkreise aufzuteilen, welche dieselbe Gruppe
von Pilotbrennstoffeinspritzeinrichtungen versorgen;
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8 eine
Variation der Ventilanordnung von 7 veranschaulicht,
in welcher Brennstoff sowohl durch die Haupt- als auch Pilotbrennstoffkreise durch
jeweilige Modulationsventile moduliert werden kann;
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9 und 10 weitere
Ventilanordnungen für Systeme gemäß der
Erfindung veranschaulichen, wo ein Stufenventil in Reihe mit einem
oder mehreren Modulationsventilen vorgesehen ist; und
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11 und 12 eine
Ventilanordnung für Systeme gemäß der
Erfindung veranschaulichen, bei der einzelne Modulationsventile
nur ausgewählten oder alternativ allen Brennstoffeinspritzeinrichtungen zugeordnet
sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Nun
wird detailliert auf charakteristische Ausführungsformen
der Erfindung Bezug genommen, von denen Beispiele in den beigefügten
Zeichnungen veranschaulicht sind. Die Verfahren und entsprechenden
Schritte der Erfindung werden zusammen mit der detaillierten Beschreibung
der Gegenstandssysteme beschrieben.
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Offenes Regelkreissystem
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein offenes Regelkreisverfahren
zur aktiven Steuerung/Regelung einer Verbrennungsinstabilität
vorgesehen. Gemäß diesem Aspekt werden Umgebungszustände
bzw. -bedingungen, welche Luftdruck, Temperatur, Höhe,
Sauerstoffkonzentration, Brennstoffdruck, Brennstoff-Luft-Verhältnis,
Brennstoffströmungsrate und Luftströmungsrate
umfassen können, aber nicht auf diese beschränkt
sind, gemessen, welche Daten in eine Verbrennungsstabilitätssteuer/regeleinheit
eingegeben werden. Die Verbrennungsstabilitätssteuer/regeleinheit
kann eine unabhängige Steuer/Regeleinheit sein, oder kann
in andere Steuerungen/Regelungen, beispielsweise eine elektronische
Motorsteuer/regeleinheit, wie z. B. ein FADEC, integriert sein.
Gemäß diesem Aspekt initiieren Bedingungen, welche
dafür bekannt sind, eine Verbrennungsinstabilität
zu verursachen, eine Reaktion von der Verbrennungsstabilitätssteuerung/regelung,
um die Verbrennungsstabilität durch eine Modulation der
Brennstoffströmung bzw. -flusses zu verbessern, wie detaillierter
nachstehend erörtert wird.
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1 veranschaulicht
einen typischen Bereich für eine stabile Verbrennung in
Gasturbinenmotoren, welcher bei einem konstanten Druck dargestellt
ist. Wie gesehen werden kann, kann durch einen Vergleich des Brennstoff-Luft-Verhältnisses
mit dem Luftmassenstrom die Wahrscheinlichkeit einer Verbrennungsinstabilität
für einen vorgegebenen Druck bestimmt werden. Die Anmelder
erdachten das nachfolgende Design und/oder Herstellung von einem
Turbinenmotor, wobei der Motor getestet werden kann (körperlich
und/oder virtuell durch eine rechnergestützte Modellierung),
um die genauen Verbrennungscharakteristika des Motors unter verschiedenen
Gruppen von Umgebungsbedingungen zu bestimmen. Bedingungen, welche
für diesen Motor Verbrennungsinstabilitäten verursachen,
wenn sie erfasst werden, können eine Brennstoffmodulation durch
die Verbrennungsstabilitätssteuerung/regelung und Brennstoffmodulationsventile
initiieren.
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Folglich
sind Verbrennungsstabilitätsdaten nicht unmittelbar erforderlich
gemäß einer offenschleifigen Verbrennungsstabilitätssteuerung/regelung
gemäß der vorliegenden Erfindung. Es ist jedoch
fortschrittliches Fachwissen über die Betriebscharakteristika
eines Motors erforderlich, welches gemäß der Erfindung
ausgearbeitet und in der Stabilitätssteuer/regeleinrichtung
gespeichert sein kann. Die Frequenzen der Verbrennungsinstabilität
unter irgendwelchen gegebenen Bedingungen werden auch nach Möglichkeit
untersucht und sind im Voraus bekannt, sodass Brennstoff mit einer
Frequenz moduliert werden kann, um einer gegebenen Frequenz der Verbrennungsinstabilität
entgegenzuwirken. Eine solche Frequenz ist vorzugsweise keine natürliche Frequenz
der Brennkammer und ist eine, welche äußerst effektiv
den bekannten instabilen Verbrennungszustand für eine gegebene
Gruppe von Umgebungs- und Betriebsbedingungen unterbricht. Ein Brennstoffsteuer/regelventil
kann dann durch die Stabilitätssteuer/regeleinheit so gesteuert/geregelt werden,
dass es mit der bevorzugten Frequenz arbeitet.
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Vorzugsweise
wird die Amplitude der Brennstoffmodulation derart ausgewählt,
dass das Ausmaß der Verbrennungsinstabilität reduziert
wird, ohne die Instabilität in einen anderen instabilen
Zustand zu übersteuern. Dies kann erreicht werden, indem
entsprechend ein Modulationsventil mit variablen Brennstoffdruckmodulationsamplituden
gesteuert/geregelt wird, oder indem ein Brennstoffmodulationsventil
in einer Größe bereitgestellt wird, sodass kein
Brennstoffüberschuss hindurch gefördert wird.
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Die 2 und 3 veranschaulichen
typische Amplituden und Frequenzen von Instabilitäten für
einen Einturbinenmotor, welcher unter derselben Gruppe von Bedingungen
ohne eine Verbrennungsstabilitätssteuerung/regelung (2)
arbeitet, und mit einer Verbrennungsstabilitätssteuerung/regelung gemäß der
Erfindung (3). Wie in 2 veranschaulicht,
liegt die Druckamplitude der Verbrennungsinstabilität bei
einer Frequenz von 265 Hz über einem vorbestimmten Amplitudengrenzwert.
Folglich wird das Verbrennungsstabilitätssystem gemäß der vorliegenden
Erfindung aktiviert, um die Druckamplitude so zu reduzieren, dass
sie an oder unter dem vorbestimmten Grenzwert liegt.
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Geschlossenes Regelkreissystem
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung können die Gegenstandssysteme
mit einem geschlossenen Regelkreis für eine Verbrennungsstabilität
konfiguriert sein und für diesen bestimmt sein. Gemäß diesem
Aspekt kann ein dynamischer Drucksensor vorgesehen sein, welcher
in die Brennkammer eingebaut ist. Alternativ oder zusätzlich
können andere Sensoren verwendet werden, wie sie in der
US-Patentpublikation Nr. 2007/0119147 von
Cornwell et al. beschrieben sind, welche hierin durch Bezugnahme
in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
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Vorzugsweise
sind beliebige oder alle vorgesehenen Sensoren in der Lage, sowohl
eine Verbrennungsdruckfrequenz als auch -amplitude zu erfassen.
Wenn die Amplitude der Verbrennungsinstabilität einen vorbestimmten
Grenzwert überschreitet, wie oben dargelegt und in Verbindung
mit den 1 und 2 beschrieben,
werden das Ventil oder die Ventile, welche in die Gegenstandssysteme
eingebaut sind, derart gesteuert/geregelt, dass sie bei einer bekannten
Frequenz pulsen, um eine vorgegebene Frequenz einer Instabilität
zu unterbrechen, oder alternativ bei der Frequenz der Instabilität,
aber gegenphasig oder phasenverschoben zu dieser.
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Darüber
hinaus kann die Amplitude der Pulsationen derart eingestellt werden,
dass sie Instabilitäten effektiv minimieren, ohne einen
andersartigen in stabilen Verbrennungszustand anzutreiben. Gemäß irgendeiner
hier dargelegten Ausführungsform kann die Amplitude der
Brennstoffpulsationen einstellbar sein, sodass die Amplitude der
Brennstoffpulsationen, welche durch die Brennstoffmodulationsventile
erzeugt werden, allmählich proportional zu einer Abnahme
der Verbrennungsinstabilität reduziert werden kann, oder
umgekehrt zunehmende Brennstoffpulsationsdruckamplituden bereitzustellen,
wenn die Verbrennungsinstabilitäten zunehmen. Die in der
US-Patentpublikation Nr. 2007/0151252 von
Cornwell et al. beschriebenen Ventile sind imstande, solche wählbaren
Brennstoffzuleitungsdruckamplituden und -frequenzen bereitzustellen.
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Systembildung
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Eine
Brennstoffmodulation gemäß der Erfindung kann
erreicht werden, indem Brennstoffventile moduliert werden, welche
für einzelne Brennstoffeinspritzeinrichtungen vorgesehen
sind, welche an einem Verteiler vorgesehen sind, welcher mehrere Brennstoffeinspritzeinrichtungen
versorgt, oder kann verwendet werden, um die Brennstoffströmung
durch einen oder mehrere Brennstoffkreise von Mehrstufenbrenstoffeinspritzeinrichtungen
zu steuern/regeln, wie nachstehend in Verbindung mit den
6 bis
12 detaillierter
beschrieben wird. Ventile zur Verwendung mit Systemen und Verfahren
gemäß der Erfindung können einzelne Amplitudenmodulationsventile
sein, welche mehrfache oder unbegrenzte Brennstoffmodulationsamplituden
haben, wie gewünscht oder erforderlich. Einige Beispiele von
Brennstoffmodulationsventilen, welche gemäß der
Erfindung verwendet werden können, sind in der
US-Patentpublikation 2007/0151252 von
Cornwell et al. beschrieben, welche Anmeldung hierin durch Bezugnahme
in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
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Die 4 und 5 veranschaulichen
zwei beispielhafte Modulationsschemata im Vergleich zu einer Standardmodulation,
welche bei einer Frequenz von 500 Hz auftritt. In 4 verkörpert
die durchgezogene Linie die Standard 500 Hz-Modulation, welche den
Brennstoffdruck um ±100% um einen mittleren Brennstoffdruck
verändert. Wie gezeigt, bleibt der Brennstoffdruck nur
momentan auf dem mittleren Druck, bleibt aber für eine
vorbestimmte Zeitperiode auf einem Maximum und Minimum – in diesem
Fall für 0,5 ms. Ebenso veranschaulicht ist eine unidirektionale
(einseitig gerichtete) Pulsweitenmodulation gemäß der
Erfindung, wo der Brennstoffdruck auf der mittleren Brennstoffrate
für eine vorbestimmte Zeitperiode gehalten wird – in
diesem Fall für 1,5 ms, und bis zu einem maximalen Druck
erhöht wird und zurück nach unten zu dem mittleren
Brennstoffdruck. Eine solche unidirektionale Modulation kann alternativ
zu einem Minimum hin auftreten, wo sie anstelle einer Erhöhung
der momentanen Brennstoffdruckamplitude momentan verringert wird.
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Wie
in 5 veranschaulicht, kann die Pulsweitenmodulation
alternativ gemäß der Erfindung bidirektional durchgeführt
werden, zwischen einer momentanen Brennstoffdruckzunahme bis auf
ein Maximum und einer Brennstoffdruckabnahme bis zu einem Minimum
alternierend bzw. abwechselnd und für eine vorbestimmte
Zeitlänge auf dem Mittelwert verharrend – in diesem
Fall für 1,0 ms. Systeme und Verfahren gemäß der
Erfindung ermöglichen irgendeines der oben dargelegten
Brennstoffdruckmodulationsschemata, einschließlich der
dargestellten Standardmodulation. Selbstverständlich können
die relativen Druckwerte und die Pulsdauer und Frequenz im Voraus
ausgewählt werden, abhängig von den Motorcharakteristika
und der Frequenz der Instabilität. Alternativ oder zusätzlich
kann eine Rückkopplungssteuer/regelanordnung implementiert
werden, um aktiv den Brennstoffdruck und die Modulationsfrequenz während
des Verbrennungsstabilitätssteuer/regelprozesses einzustellen,
und die Frequenz, Amplitude und Dauer der Pulse zu modifizieren.
In geschlossenen Regelkreissystemen gemäß der
Erfindung kann eine Phasenverschiebung zwischen der Brennstoffmodulation
durch eines oder mehrere Ventile und einer erfassten Verbrennungsinstabilität überwacht werden,
wobei eine Steuer/Regeleinheit dazu konfiguriert ist, die Druckamplitude
von dem Stabilitätssteuer/regelsystem zu erhöhen
oder zu reduzieren.
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Systeme
gemäß der Erfindung, wie oben dargelegt, können
ausgelöst werden, um durch eine Steuerung/Regelung der
Verbrennungsstabilität zu reagieren, wenn die Amplitude
der Druckwellen einen vorbestimmten Grenzwert übersteigt,
wie in 2 gezeigt. Die Systeme können derart
konfiguriert sein, dass dann, wenn eine spezielle Frequenz und Amplitude
einer Instabilität in dem offenen Regelkreis vorausgesehen
wird oder alternativ durch einen oder mehrere Sensoren in dem geschlossenen Regelkreis
erfasst werden, eines oder mehrere Modulationsventile ausgelöst
werden, um sich für eine vorbestimmte Zeitlänge
in Betrieb zu setzen. Danach kann das Vorhandensein der Verbrennungsinstabilität
bestimmt werden und das Brennstoffmodulationsventil kann erneut
für eine weitere vorbestimmte Dauer aktiviert werden. Alternativ
können die Ventile fortwährend betrieben werden,
wobei eine Stabilitätsbestimmung fortwährend durchgeführt
wird.
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6 veranschaulicht
eine beispielhafte Ventilanordnung für Systeme gemäß der
Erfindung, in welcher Brennstoff von einem Brennstoffsteuer/regelsystem
durch ein Modulationsventil 612 zugeführt wird,
welches wiederum modulierten Brennstoff einer Mehrzahl von Brennstoffeinspritzeinrichtungen 610 durch
einen einzelnen Verteilerkanal bzw. Verteiler 618 bereitstellt.
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7 zeigt
eine alternative Ventilanordnung für Systeme gemäß der
Erfindung, in welcher ein Strömungsteilerventil 701 vorgesehen
ist, um Brennstoff von einer Brennstoffsteuerung/regelung auf zwei
verschiedene Brennstoffkreise zu verteilen, welche dieselbe Gruppe
von Pilotbrennstoffeinspritzeinrichtungen 710 versorgt.
Ein Brennstoffkreis liefert Brennstoff direkt zu einem Brennstoffkreis
von einer Pilotbrennstoffeinspritzeinrichtung 710 (z. B.
dem Hauptbrennstoffkreis) durch einen Verteiler 718. Der andere
Brennstoffkreis umfasst ein Modulationsventil 612, welches
dann Brennstoff zu einem weiteren Verteilerkanal bzw. Verteiler 618 liefert,
welcher einen zweiten Kreis von den Brennstoffeinspritzeinrichtungen 710 versorgt,
wie z. B. den Pilotbrennstoffkreis desselben.
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8 veranschaulicht
eine Variation der Anordnung von 7, in welcher
Brennstoff sowohl durch die Haupt- als auch Pilotbrennstoffkreise
durch jeweilige Modulationsventile 812 und 892 moduliert werden
kann. Jedes Ventil 812, 892 liefert Brennstoff zu
jeweiligen Brennstoffverteilern 718, 618, welche jeweilige
Brennstoffkreise von derselben Gruppe von Brennstoffeinspritzeinrichtungen 710 versorgen,
wie z. B. die Haupt- und Pilotbrennstoffkreise derselben.
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Die 9 und 10 veranschaulichen
weitere Ventilanordnungen gemäß der Erfindung,
in welchen ein Stufenventil 901 in Reihe mit einem oder mehreren
Modulationsventilen vorgesehen ist. Alternativ kann eine Stufenventilfähigkeit
in die Modulationsventile integriert sein. Wie in 9 veranschaulicht,
sind die jeweiligen Verteiler 618, 718 vorgesehen
und liefern Brennstoff zu separaten Gruppen von Brennstoffeinspritzeinrichtungen 610 durch
separate Modulationsventile 812, 892. Diese Anordnung
erlaubt eine separate Steuerung/Regelung von verschiedenen Gruppen
von Brennstoffeinspritzeinrichtungen. Alternativ können
separate Stufenventile für jeden der zwei Brennstoffkreise
vorgesehen sein, was es ermöglicht, die Brennstoffeinspritzeinrichtungen 610,
welche mit diesen Brennstoffkreisen verbunden sind, unabhängig
von anderen abzuschalten. Wie in 10 veranschaulicht,
ist es möglich, nur ein Brennstoffmodulationsventil 892 zu
verwenden, um eine Brennstoffmodulationsfähigkeit und Stabilitätssteuerung/regelung
für eine Gruppe von Einspritzeinrichtungen bereitzustellen.
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Die 11 und 12 veranschaulichen eine
Ventilanordnung für Systeme gemäß der
Erfindung, in welcher einzelne Modulationsventile 1112 nur
mit ausgewählten oder alternativ mit allen Brennstoffeinspritzeinrichtungen 1110 verbunden
sind. Die Brennstoffmodulationsventile 1112 können
in den Körper der Brennstoffeinspritzeinrichtung 1110 integriert
sein, oder können mit diesem durch eine Brennstoffleitung
verbunden sein. Wie in 11 gezeigt, können
die Brennstoffmodulationsventile 1112 individuell mit jeder
Brennstoffeinspritzeinrichtung 1110 verbunden sein. Wie
in 12 gezeigt, können die Modulationsventile 1112 nur
mit bestimmten Brennstoffeinspritzein richtungen 1110 verbunden sein
und mit anderen Einspritzeinrichtungen 610 nicht. Es ist
jedoch verständlich, dass Stufenventile an jedem Punkt
in den Systemen der 11 und 12 vorgesehen
sein können und dass die Modulationsventile 1112 derart
verkörpert sein können, dass sie eine Brennstoffstufentrennungsfunktionalität bereitstellen.
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Die
Verfahren und Systeme der vorliegenden Erfindung, wie sie oben beschrieben
sind und in den Zeichnungen gezeigt sind, sorgen für vielseitige
und robuste Brennstoffmodulations- und Stabilitätssteuer/regelsysteme
für Gasturbinenmotoren. Es wird für Fachleute
ersichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen
an den Einrichtungen, Systemen und Verfahren der vorliegenden Erfindung
vorgenommen werden können, ohne vom Geiste oder Schutzbereich
der Erfindung abzuweichen.
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Es
ist ein Verfahren zur Verbrennungsstabilitätssteuerung/regelung
für einen Gasturbinenmotor vorgesehen und umfasst die Schritte,
von einer Stabilitätssteuer/regeleinrichtung Information
bezüglich Umgebungs- und Betriebsbedingungen zu empfangen
und die Umgebungs- und Betriebsbedingungen mit vorprogrammierter
Information zu vergleichen, um zu bestimmen, ob eine Wahrscheinlichkeit
einer Verbrennungsinstabilität besteht. Das Verfahren umfasst
ferner die Schritte, eine optimale Brennstoffmodulationsfrequenz
und -amplitude für die Umgebungsbedingung zu bestimmen,
um die Verbrennungsinstabilität zu reduzieren, wenn eine
Wahrscheinlichkeit einer Verbrennungsinstabilität vorhanden
ist, und wenigstens ein Brennstoffmodulationsventil zu betätigen,
um mit der optimalen Brennstoffmodulationsfrequenz und -amplitude
die Verbrennungsinstabilität zu reduzieren, wenn eine Wahrscheinlichkeit
einer Verbrennungsinstabilität besteht. Systeme zur Modulation
von Brennstoffströmungen sind auch vorgesehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2007/0151252 [0005, 0038, 0039]
- - US 2007/0119147 [0036]