DE102010017380A1

DE102010017380A1 - System zur Milderung eines Übergangsvorgangs eines Brennstoffsystems

Info

Publication number: DE102010017380A1
Application number: DE102010017380A
Authority: DE
Inventors: David August Snider
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-06-29
Filing date: 2010-06-15
Publication date: 2010-12-30
Also published as: US20100326077A1; JP2011007188A; CN101936223A; CH701308A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung nimmt die Form eines Systems ein, das die Auswirkung eines Übergangsvorgangs eines Brennstoffsystems reduzieren kann. Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bezieht im Wesentlichen eine Drucksteuerungszelle (PCC) bei dem Brennstoffsystem mit ein. Die PCC kann als ein zusätzliche Volumen betrachtet werden, das einen Teil des Brennstoffs entfernt, der während eines Übergangsereignisses in dem Brennstoffsystem verbleibt. Wenn während eines Übergangsereignisses eine rasche Verringerung des Brennstoffs für einen Brennstoffkreislauf erforderlich ist, kann dem Brennstoff gestattet werden, aus einem Verteiler des Brennstoffsystems auszutreten und in die PCC einzutreten. Dieser Brennstoff kann nun in der PCC gespeichert werden und kann für das Brennkammerrohr nicht mehr zur Verfügung stehen. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung kann in einer verminderten Wahrscheinlichkeit einer unerwünschten Steigerung der Rotordrehzahl und eines Mager-Verlöschereignisses der Flamme liegen.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Diese Anmeldung ist mit der auf die gemeinsame Anmelderin lautenden US-Patentanmeldung 12/493716 [GE Aktenzeichen 239283], eingereicht am 29. Juni 2009, verwandt.
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Brennstoffsystem, das einem Verbrennungsprozess zugeordnet ist; und sie betrifft insbesondere ein System zur Milderung einer Auswirkung eines Übergangsvorgangs auf das Brennstoffsystem.
Brennstoffsysteme sind äußerst vielfältigen Verbrennungsprozessen einer Maschine zugeordnet. Das Brennstoffsystem dient gewöhnlich dazu, dem Verbrennungsprozess einen Brennstoff, beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, ein Erdgas, zuzuführen. Das Brennstoffsystem weist allgemein einen Verteiler und ein Ventil auf, die den Brennstoffzustrom zu dem Verbrennungsprozess gemeinsam steuern. Das Brennstoffsystem kann auch den Druck des dem Ventil zugeführten Brennstoffs steuern. Das Ventil kann als die primäre Steuerung eines Gasstroms zu dem Verbrennungsprozess arbeiten.
Eine Turbomaschine bzw. ein Turbotriebwerk stellt ein nicht als beschränkend zu bewertendes Beispiel für eine Maschine dar, die einen Verbrennungsprozess aufweist. Einige Turbomaschinen, beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, eine Gasturbine, ein (aus der Luftfahrt abgeleitete) Aero-Derivat-Turbine, oder dergleichen, enthalten mehrere Brennstoffsysteme, die wenigstens ein Brennkammerrohr aufweisen. Diese Brennstoffsysteme führen dem Brennkammerrohr Brennstoff zu.
Im Falle von Turbomaschinen werden die Anforderungen an Übergangsvorgänge, einschließlich des Dauerbetriebs nach einem Übergangsereignis, zunehmend anspruchsvoller. Während eines Übergangsereignisses kann der Brennstoffzustrom zu dem Verbrennungsprozess möglicherweise rasch verringert sein. Ein Übergangsvorgang kann, ohne darauf beschränkt zu sein, eine Lastabschaltung, einen plötzlichen Lastabwurf, oder dergleichen beinhalten. Dies kann die Wahrscheinlichkeit einer unangemessen hohen Drehzahl des Turbomaschinenrotors erhöhen. Die hohe Rotordrehzahl rührt möglicherweise von dem Brennstoff her, der abstromseitig des Ventils verbleibt, nachdem der Brennstoffzustrom zügig verringert wurde. Dieser Brennstoff wird durch den Verbrennungsprozess verbraucht und kann die Rotordrehzahlsteigerung bewirken. Von Bedeutung ist, dass die Steuerung des Brennstoffstroms zu dem Verbrennungsprozess während eines Übergangsereignisses gegenüber der gewünschten Reaktion eine Verzögerung aufweist.
Während eines Übergangsvorgangs, der das Brennstoffsystem beeinträchtigt, basiert eine bekannte Regelungs strategie gewöhnlich auf: a) einem Verankern der Flamme an dem Brennstoffkreislauf, der in der Lage ist, die auf das Übergangsereignis folgende Bedingung zu bewältigen; und b) einem raschen Reduzieren des Brennstoffzustroms zu anderen Brennstoffkreisläufen, falls dies anwendbar ist. Diese Strategie beinhaltet eine rasche Reduzierung des Gesamtbrennstoffzustroms, während versucht wird, ein Verlöschen der Flamme des Brennkammerrohrs im Magerbetrieb zu vermeiden. Aufgrund der komprimierbaren Volumina des gasförmigen Brennstoffs, der in den Brennstoffkreisläufen verbleibt, nachdem der Brennstoff plötzlich reduziert wird, kann sich ein bedeutender Brennstoffzustrom zu dem Verbrennungsprozess fortsetzen. Nach dem Übergangsereignis wird dieser übrige Brennstoff verbrannt, und er kann die Turbomaschine in Richtung einer Überdrehzahlbedingung antreiben und kann außerdem den Luftstrom zu dem Brennkammerrohr steigern, was zu einem Mager-Verlöschen der Flamme führen kann.
Es sind einige Nachteile der Verwendung bekannter Systeme und Steuerungsansätze während eines Übergangsereignisses vorhanden. Bekannte Systeme können ein Brennstoffsystem aufweisen, das während des Übergangsereignisses verhältnismäßig langsam anspricht. Außerdem können einige bekannte Systeme während des Übergangsvorgangs einer übermäßig großen Luftmenge den Eintritt in die Turbomaschine erlauben, was die Gefahr eines Mager-Verlöschens der Flamme steigert.
Aus den oben erwähnten Gründen besteht möglicherweise ein Bedarf nach einem System zum Mildern der Wirkungen eines Übergangsvorgangs auf das Brennstoffsystem. Das System sollte eine rascheres Ansprechen des Brennstoffsystems während des Übergangsereignisses ermöglichen. Das System sollte außerdem die Gefahr einer Überdrehzahl und eines Mager-Verlöschens der Flamme verringern.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein System zur Milderung eines Übergangsvorgangs geschaffen, dem ein Brennstoffsystem unterworfen ist, wobei das System aufweist: einen primären Brennstoffkreislauf, der dazu eingerichtet ist, einem Verbrennungsprozess einen Brennstoff zuzuführen, wobei der primäre Brennstoffkreislauf aufweist: ein Ventil, das dazu eingerichtet ist, eine Strömung des Brennstoffs zu steuern/regeln; und einen primären Verteiler, der dazu eingerichtet ist, den Brennstoff auf Komponenten des Verbrennungsprozesses aufzuteilen; wobei der primäre Verteiler stromabwärts des Ventils angeordnet ist; und eine Drucksteuerungszelle (PCC, Pressure Control Cell), die dazu eingerichtet ist, den Druck in dem primären Verteiler während eines Brennstoffsystemübergangsvorgangs zu entlasten; wobei die PCC während des Brennstoffsystemübergangsvorgangs einen Teil des Brennstoffs innerhalb des primären Verteilers entfernt und eine Auswirkung des Brennstoffsystemübergangsvorgangs auf das Brennstoffsystem mildert.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein System zur Milderung eines Übergangsvorgangs geschaffen, dem eine Turbomaschine unterworfen sind, wobei das System aufweist: eine Turbomaschine, die ein Brennkammerrohr und ein Brennstoffsystem aufweist, das dazu eingerichtet ist, dem Brennkammerrohr einen Brennstoff zuzuführen; wobei das Brennstoffsystem folgendes aufweist: einen ersten Brennstoffkreislauf, der dazu eingerichtet ist, den Brennstoff dem Brennkammerrohr zuzuführen, wobei der erste Brennstoffkreislauf aufweist: eine Einrichtung, die dazu eingerichtet ist, einen Brennstoffzustrom zu steuern/regeln; und einen ersten Verteiler, der dazu eingerichtet ist, den Brennstoff auf Komponenten des Brennkammerrohrs zu verteilen; wobei der erste Verteiler stromabwärts der Einrichtung angeordnet ist; und eine Drucksteuerungszelle (PCC), die dazu eingerichtet ist, den Druck in dem ersten Verteiler während eines Brennstoffsystemübergangsvorgangs zu reduzieren; wobei die PCC während des Brennstoffsystemübergangsvorgangs einen Teil des Brennstoffs in dem primären Verteiler entfernt und die Auswirkung des Brennstoffsystemübergangsvorgangs auf das Brennstoffsystem mildert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 veranschaulicht schematisch die Umgebung, in der ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung arbeitet.
2 veranschaulicht schematisch ein Ausführungsbeispiel des Brennstoffzufuhrsystems, das dem in 1 veranschaulichten Turbotriebwerk zugeordnet ist.
3A bis 3C, zusammengefasst als 3, veranschaulichen in Graphen ein Ausführungsbeispiel eines Betriebs des in 2 veranschaulichten Brennstoffzufuhrsystems während eines Übergangsereignisses.
4 veranschaulicht schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Drucksteuerungszellensystems, das in ein Brennstoffzufuhrsystem integriert ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
5A bis 5C, zusammengefasst als 5, veranschaulichen in Graphen ein Beispiel eines Betriebs des Drucksteuerungszellensystems von 4 während eines Übergangsereignisses, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Im Vorliegenden wird eine bestimmte Terminologie lediglich zum Zweck der Vereinfachung verwendet und ist nicht im Sinne einer Beschränkung der Erfindung zu verstehen. Beispielsweise beschreiben Begriffe wie ”oberer”, ”unterer”, ”linker”, ”vorderer” ”rechter”, ”horizontaler” ”vertikaler”, ”stromaufwärts gelegener”, ”stromabwärts gelegener”, ”vorderer” ”hinterer”, ”oberster” ”unterster”, ”oberer” und ”unterer” lediglich die in den Figuren gezeigte Anordnung. Tatsächlich können die Komponenten in einer beliebigen Richtung ausgerichtet sein, und die Terminologie sollte daher, wenn nicht anders lautend spezifiziert, als derartige Abweichungen einschließend verstanden werden.
In dem hier verwendeten Sinne sollte die Nennung eines Elements oder Schritts im Singular und die Voranstellung des unbestimmten Artikels nicht in dem Sinne verstanden werden, dass eine Mehrzahl der Elemente oder Schritte ausgeschlossen ist, es sei den, ein derartiger Ausschluss ist ausdrücklich genannt. Außerdem soll eine Bezugnahme auf ”ein Ausführungsbeispiel” der vorliegenden Erfindung weitere Ausführungsbeispiele, die die aufgeführten Ausstattungsmerkmale verwenden, nicht ausschließen.
Die vorliegende Erfindung nimmt die Form eines Systems ein, das die Auswirkung eines Übergangsvorgangs eines Brennstoffsystems reduzieren kann. Die folgende Erörterung beschreibt im Einzelnen ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das in ein Brennstoffsystem eines Turbo triebwerks integriert ist, beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, einer Gasturbine, die ein Brennkammerrohr aufweist. Andere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können in sonstigen Brennstoffsystemen integriert sein, die eine Reduktion der Auswirkungen eines Übergangsereignisses erfordern.
Im Wesentlichen verwendet ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Drucksteuerungszelle (PCC, Pressure Control Cell) in Verbindung mit dem Brennstoffsystem. Die PCC kann als ein zusätzliches Volumen betrachtet werden, das Teil eines Systems ist, das einen Anteil des Brennstoffs entfernt, der während eines Übergangsereignisses in dem Brennstoffsystem verbleibt. Wenn während eines Übergangsereignisses eine rasche Verringerung des Brennstoffs für einen Brennstoffkreislauf erforderlich ist, kann es dem Brennstoff gestattet werden, einen Verteiler des Brennstoffsystems zu verlassen und in die PCC einzutreten. Dieser Brennstoff kann nun in der PCC gespeichert werden und kann für das Brennkammerrohr nicht mehr verfügbar sein. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung kann eine verminderte Wahrscheinlichkeit einer unerwünschten Steigerung der Rotordrehzahl und eines Mager-Verlöschens der Flamme sein.
Indem nun auf die Figuren Bezug genommen wird, in denen die unterschiedlichen Bezugszeichen über die mehreren Ansichten hinweg gleichartige Teile und/oder Elemente repräsentieren, veranschaulicht 1 schematisch die Umgebung, in der ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung arbeitet. In 1 enthält ein Turbotriebwerk (allgemein eine Turbomaschine) 100: einen Verdichterabschnitt 110; mehrere Brennkammerrohre 120 eines Verbrennungssystems, wobei jedes Rohr 120 Brennstoffdüsen 125 aufweist; einen Turbinenabschnitt 130; und einen Strömungspfad 135, der zu einem Übergangsabschnitt 140 führt. Ein Brennstoffzufuhrsystem 160 kann dem Verbrennungssystem einen Brennstoff, beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, ein Erdgas, zuführen.
Allgemein enthält der Verdichterabschnitt 110 mehrere Einlassleitschaufeln (IGVs, Inlet Guide Vanes) und mehrere rotierende Schaufeln und stationäre Leitschaufeln, die konstruiert sind, um ein Fluid zu verdichten. Die mehreren Brennkammerrohre 120 können mit dem Brennstoffzufuhrsystem 160 verbunden sein. Im Inneren jedes Brennkammerrohrs 120 werden die verdichtete Luft und der Brennstoff miteinander vermischt, gezündet und in dem Strömungspfad 135 verbraucht, so dass dadurch ein Arbeitsfluid entsteht.
Der Strömungspfad 135 des Arbeitsfluids verläuft im Wesentlichen von dem hinteren Ende der Brennstoffdüsen 125 ausgehend stromabwärts durch den Übergangsabschnitt 140 in den Turbinenabschnitt 130 hinein. Der Turbinenabschnitt 130 enthält mehrere nicht gezeigte rotierende und stationäre Komponenten, die die Energie des Arbeitsfluids in ein mechanisches Drehmoment umwandeln, das genutzt werden kann, um eine Last 170, beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, einen Generator, einen mechanischen Antrieb oder dergleichen, anzutreiben. Die Ausgangsleistung der Last 170 kann von einem Turbinensteuerungssystem 190 oder dergleichen als ein Parameter genutzt werden, um den Betrieb des Turbotrieb werks 100 zu regeln. Es können auch Abgastemperaturdaten 180 von einem Turbinensteuerungssystem 190 oder dergleichen als ein Parameter zum Steuern/Regeln des Betriebs des Turbotriebwerks 100 genutzt werden.
2 veranschaulicht schematisch ein Ausführungsbeispiel des Brennstoffzufuhrsystems 160, das dem in 1 veranschaulichten Turbotriebwerk 100 zugeordnet ist. Ein Beispiel des Brennstoffzufuhrsystems 160 weist ein Sperrventil 200 mit einem stromaufwärts gelegenen Ende auf, das den Brennstoff aufnimmt. Das Sperrventil 200 regelt im Allgemeinen den Druck des Brennstoffzufuhrsystems 160. Ein stromabwärts gelegenes Ende des Sperrventils 200 kann mittelbar oder unmittelbar mit einem stromaufwärtigen Ende eines Zwischenvolumens 205 verbunden sein, das als ein ”P2-Volumen” bezeichnet sein kann. Das Zwischenvolumen 205 und das Sperrventil 200 können im Betrieb die Funktion eines Druckreglers des Brennstoffzufuhrsystems 160 ausführen.
Ein Brennstoffkreislauf kann die Komponenten und Konstruktionen in dem Brennstoffzufuhrsystem 160 beinhalten, die zu den Brennstoffdüsen 125 den Brennstoff liefern. Wie in 2 veranschaulicht, können manche Turbotriebwerke bzw. Turbomaschinen 100 mehrere Brennstoffkreisläufe aufweisen. Die vorliegende Erfindung soll nicht auf ein Turbotriebwerk bzw. eine Turbomaschine 100 beschränkt sein, das/die mehrere Brennstoffkreisläufe aufweist. Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann in Verbindung mit einem Turbotriebwerk bzw. einer Turbomaschine 100 verwendet werden, das/die einen einzigen Brennstoffkreislauf aufweist. Weiter soll die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwendung in Verbindung mit einem Turbotriebwerk bzw. einer Turbomaschine 100 beschränkt sein. Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann in Zusammenhang mit einer beliebigen Maschine verwendet werden, die einen einzigen oder mehrere Brennstoffkreisläufe aufweist.
2 veranschaulicht ein nicht als beschränkend zu bewertendes Beispiel eines primären Kreislaufs 207 des Brennstoffzufuhrsystems 160. Im vorliegenden Fall kann der primäre Kreislauf 207 ein Steuerungs-/Regelungsventil 210 und einen primären Verteiler 215 aufweisen. Das Steuerungs-/Regelungsventil 210 kann den Brennstoff von dem Zwischenvolumen 205 empfangen. Das Steuerungs-/Regelungsventil 210 kann außerdem den Strom des Brennstoffs steuern/regeln, der in den primären Verteiler 215 eintritt, der gewöhnlich dazu dient, den aufgenommenen Brennstoff auf einige der Brennstoffdüsen 125 zu verteilen.
Der zusätzliche Kreislauf 217 kann eine ähnliche allgemeine Anordnung aufweisen wie der primäre Kreislauf 207. Im vorliegenden Fall kann der zusätzliche Kreislauf 217 ein Steuerungs-/Regelungsventil 210 und einen zusätzlichen Verteiler 220 aufweisen. Wie beschrieben, kann das Steuer-/Regelventil 210 den Strom des Brennstoffs steuern/regeln, der in den zusätzlichen Verteiler 220 eintritt, der gewöhnlich dazu dient, den aufgenommenen Brennstoff auf einige der Brennstoffdüsen 125 des Brennkammerrohrs 120 zu verteilen.
Typischerweise kann ein Turbotriebwerk 100, das mehrere Brennstoffkreisläufe aufweist, ein Brennstoffstufungsverfahren nutzen, das im Wesentlichen in speziellen Betriebsbereichen Brennstoff einem festgelegten Kreislauf zuführt. Beispielsweise kann der primäre Kreislauf 207, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, Brennstoff für den Großteil eines Belastungsbereichs aufnehmen, während ein zusätzlicher Kreislauf (bzw. mehrere zusätzliche Kreisläufe) 217 möglicherweise lediglich in Bereichen höherer Belastung Brennstoff aufnehmen. Außerdem können Betriebsbereiche, in denen beide Brennstoffkreisläufe 207, 217 Brennstoff aufnehmen, beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, in einem Grundlastbetrieb, vorliegen.
3A bis 3C, zusammengefasst als 3, veranschaulichen in Form von Graphen ein Ausführungsbeispiel eines Betriebs des in 2 veranschaulichten Brennstoffzufuhrsystems 160 während eines Übergangsereignisses. Ein Übergangsereignis kann durch das Turbinensteuerungssystem 190 erfasst werden. Die Steuer-/Regelventile 190 des primären Kreislaufs 207 und des zusätzlichen Kreislaufs 217 beginnen sich zu schließen, um den Brennstoffzustrom zu reduzieren. Während dieses Vorgangs wird der Druck in dem primären und in dem zusätzlichen Verteiler 215, 220 von dem Brennstoffstrom verringert, der die Verteiler 215, 220 über die wirksame Düsenquerschnittsfläche verlässt, die den Brennstoffdüsen 125 zugeordnet ist. Der Brennstoffstrom wird durch die Differenz der in dem Verteiler und in dem Brennkammerrohr 120 vorliegenden Drücke angetrieben.
Das Steuerungssystem 190 regelt/steuert den Brennstoffzustrom außerdem hinsichtlich einer Verringerung der Wahrscheinlichkeit einer unerwünschten Steigerung der Drehzahl der Rotors. Die unerwünschte Erhöhung der Rotordrehzahl steigert gewöhnlich den Luftstrom, was zu einer Verringerung des Brennstoff/Luft-(B/L)-Verhältnisses führt, so dass sich die Wahrscheinlichkeit eines Verlöschens der Flamme im Magerbetrieb (eines Mager-Verlöschens der Flamme) des Brennkammersystems erhöht. Folglich kann durch eine Reduzierung des Betrags der Rotordrehzahlsteigerung die Wahrscheinlichkeit eines Auftretens eines Mager-Flammenverlöschens erheblich verringert werden.
Insgesamt veranschaulicht 3 Betriebsparameter des Turbotriebwerks 100 während eines Übergangsereignisses, aufgetragen gegen die Zeit. Diese Betriebsparameter können allgemein als Betriebsdaten 180 angesehen werden. Die horizontale Zeitachse von 3 weist drei spezielle Zeitspannen auf, die sequentiell geordnet mit T(0), T(1) und T(2) bezeichnet sind. T(0) kann als der Zeitpunkt angesehen werden, in dem das Übergangsereignis eintritt. T(1) kann als der Zeitpunkt betrachtet werden, in dem das Turbinensteuerungssystem 190 auf das Übergangsereignis anspricht. T(2) kann als der Zeitpunkt betrachtet werden, in dem das Turbotriebwerk 100 einen nahezu stabilen Dauerbetriebszustand erreicht hat.
3A veranschaulicht anhand eines Diagramms 300 die über der Zeitachse aufgetragene Rotordrehzahl des Turbotriebwerks 100. Im vorliegenden Fall ist die Rotordrehzahl durch eine Drehzahl_1-Datenreihe 305 repräsentiert. 3B zeigt ein Diagramm 310, das den über der Zeitachse aufgetragenen Brennstoffzustrom des Turbotriebwerks 100 veranschaulicht. Im vorliegenden Fall ist der Brennstoffstrom des primären Verteilers 215 durch eine PF_1-Datenreihe 315 repräsentiert; der Brennstoffstrom des zusätzlichen Verteilers 220 ist durch eine AF_1-Datenreihe 320 repräsentiert; und der gesamte Brennstoffzustrom ist durch eine TF_1-Datenreihe 323 repräsentiert. 3C zeigt ein Diagramm 325, das den über der Zeitachse aufgetragenen Steuer-/Regelventilhub des Turbotriebwerks 100 veranschaulicht. Im vorliegenden Fall ist die Stellung der Steuer-/Regelventile 210 des primären Kreislaufs 207 und des zusätzlichen Kreislaufs 217 jeweils durch eine PS_1-Datenreihe 330 dargestellt; und der Brennstoffstrom des zusätzlichen Verteilers 220 ist durch eine AS_1-Datenreihe 335 repräsentiert. Wie über 3 hinweg dargestellt, erhöht sich die Rotordrehzahl, deutlich, nachdem das Turbinensteuerungssystem 190 begonnen hat, auf das Übergangsereignis anzusprechen. Zum Zeitpunkt T(1) setzt sich die Beschleunigung des Rotors fort, obwohl der Brennstoffzustrom und der Steuer-/Regelventilhub abnehmen. Wie beschrieben, könnte diese fortgesetzte Beschleunigung des Rotors auf den Brennstoff zurückzuführen sein, der in dem (bzw. den) Verteiler(n) des Brennstoffzufuhrsystems 160 verblieben ist und anschließend in dem Brennkammerrohr 120 verbrannt wird.
4 veranschaulicht schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Drucksteuerungszellensystems 223, das in ein Brennstoffzufuhrsystem 160 integriert ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Ein Ausführungsbeispiel des Drucksteuerungszellensystems 223 kann in vielen unterschiedlichen Arten von Brennstoffzufuhrsystemen 160 integriert sein, beispielsweise auch in solchen, die nicht in 2 und 4 dargestellt sind. Die nachfolgende Erörterung beschreibt im Einzelnen ein nicht als beschränkend zu bewertendes Ausführungsbeispiel des Drucksteuerungszellensystems 223, das in das anhand von 2 und 4 erörterte Brennstoffzufuhrsystem 160 integriert ist.
Im Wesentlichen integriert ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein unabhängiges Volumen, eine primäre Drucksteuerungszelle (PCC) 240, in das Brennstoffzufuhrsystem 160. Der Brennstoffstrom in die PCC 240 hinein und aus dieser heraus kann durch wenigstens ein Ventil geregelt/gesteuert werden. Die PCC 240 kann zu Beginn mit einem Fluid, beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, mit einem Edelgas, Luft oder Kombinationen davon, bei einem Druck gefüllt sein, der im Wesentlichen mit dem Umgebungsdruck übereinstimmt. Während eines Übergangsereignisses kann ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung es dem Brennstoff erlauben, von einem Brennstoffverteiler 240 zu der PCC 240 zu strömen.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann ein Ventil vorsehen, das den Strom in die PCC 240 regelt/steuert, die eine wesentlich größere wirksame Fläche aufweist als diejenige der Brennstoffdüsen 125. Dieses Merkmal kann es erlauben, den Druck des entsprechenden Verteilers im Vergleich zu sonstigen bekannten Systemen verhältnismäßig rascher zu verringern. Dieses Merkmal kann es dem Druck in der PCC 240 außerdem erlauben anzusteigen, während der Druck des Brennstoffverteilers abnimmt. Das Brennstoffvolumen, das sich nun in der PCC 240 befindet, kann als die Energie betrachtet werden, die für eine Beschleunigung des Rotors nicht mehr zur Verfügung steht. Ein zusätzlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung basiert darauf, dass die reduzierte Rotorbeschleunigung außerdem den maximalen Luftstrom verringern kann, was die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Mager-Flammenverlöschens verringert. Nachdem eine stabile Betriebsbedingung des Turbotriebwerks 100 erreicht ist, kann der Brennstoff aus dem zusätzlichen Volumen über einen Brennstoffauslass 250 allmählich ausgegeben werden.
Indem erneut auf 4 eingegangen wird, kann ein Ausführungsbeispiel des Drucksteuerungszellensystems 223 ein erstes PCC-Ventil 225, ein zweites PCC-Ventil 230, ein drittes PCC-Ventil 235, eine primäre Steuerungszelle (PCC) 240, eine Spülquelle 245 und einen Brennstoffauslass 250 aufweisen. Das erste PCC-Ventil 225 dient gewöhnlich dazu, das Drucksteuerungszellensystem 223 von dem Brennstoffzufuhrsystem 160 zu isolieren. Insbesondere kann das erste PCC-Ventil 225 in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung den Durchfluss des Brennstoffs steuern/regeln, der aus dem zusätzlichen Verteiler 220 austritt und in die PCC 240 eintritt. Das zweite PCC-Ventil 230 dient gewöhnlich dazu, die PCC 240 von der Spülquelle 245 zu isolieren. Insbesondere kann das zweite PCC-Ventil 230 in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung den Strom des Spülfluids steuern/regeln, das die Spülquelle 245 verlässt und das in die PCC 240 eintritt. Das dritte PCC-Ventil 235 dient gewöhnlich dazu, die PCC 240 von dem Brennstoffauslass 250 zu isolieren. Insbesondere kann das dritte PCC-Ventil 235 in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung den Strom des Brennstoffs steuern/regeln, der die PCC 240 verlässt und der in den Brennstoffauslass 250 eintritt.
Die PCC 240 dient im Wesentlichen als ein vorübergehendes Volumen zum Aufnehmen des überschüssigen Brennstoffs in einem Verteiler, beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, in dem primären Verteiler 215 oder in dem zusätzlichen Verteiler 220, des Brennstoffzufuhrsystems 160. Dieser überschüssige Brennstoff kann, wie beschrieben, auf ein Übergangsereignis zurückzuführen sein. Die Abmessung der PCC 240 kann kundenspezifisch angepasst sein, um ein spezielles Verbrennungssystem zu unterstützen. Beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, kann ein spezielles Verbrennungssystem eine PCC 240 erfordern, die ein Volumen im Bereich von etwa 5 Kubikfuß bis ungefähr 25 Kubikfuß aufweist.
Das Drucksteuerungszellensystem 223 kann es dem ersten PCC-Ventil 225 erlauben, bis zu einer wirksamen Fläche geöffnet zu werden, die um ein Vielfaches größer ist als die wirksame Fläche der Brennstoffdüsen 125. Dieses Merkmal kann es erlauben, dass der Großteil des überschüssigen Brennstoffs, der das Auftreten einer Überdrehzahl hervorrufen kann, in das Volumen der PCC 240 übertragen wird.
Die Spülquelle 245 kann der PCC 240 ein Spülfluid liefern, beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, ein Edelgas, Luft oder Kombinationen davon. Dies kann dem Drucksteuerungszellensystem 223 mehrere Vorteile verleihen. Wenn das zweite PCC-Ventil 230 geöffnet wird, kann die Spülquelle 245 es dem Spülfluid gestatten, den Brennstoff aus der PCC 240 zu treiben. Außerdem kann das Spülfluid genutzt werden, um die PCC 240 zu reinigen oder zu säubern, nachdem der Brennstoff herausgespült ist. Dies kann dazu beitragen, das Drucksteuerungszellensystem 223 für einen zukünftigen Einsatz vorzubereiten.
Der Brennstoffauslass 250 erlaubt im Allgemeinen dem Großteil des in der PCC 240 vorhandenen Fluids, das Drucksteuerungszellensystem 223 zu verlassen. Wenn das dritte PCC-Ventil 235 geöffnet wird, ist es dem Brennstoff und/oder Spülfluid in der PCC 240 ermöglicht, diese zu verlassen. Der Brennstoffauslass 250 kann in Form eines Entlüftungssystems ähnlicher Art ausgeführt sein. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann der Brennstoffauslass 250 eine Komponente eines Systems des Turbotriebwerks 100 beinhalten. Im vorliegenden Fall kann der Brennstoffauslass 250, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, ein Abgasauslasssystem und/oder das Verdichtereinlasssystem des Turbotriebwerks 100 einschließen.
Im Einsatz kann das Drucksteuerungszellensystem 223 zu Beginn die PCC 240 mit dem Spülfluid spülen. Anschließend können sich die PCC-Ventile 225, 230 und 235 in Schließstellung befinden, und das Turbotriebwerk 100 kann in einem normalen Modus arbeiten.
Wie erörtert, kann die Antwort des Turbinensteuerungssystems 190 auf das Übergangsereignis geringfügig verzögert sein, bis Betriebsdaten 180 über das Übergangsereignis empfangen werden und/oder bis das Turbinensteuerungssystem 190 eine Rotorbeschleunigung und einen Anstieg der Rotordrehzahl erfassen kann. Nach einem Erfassen des Übergangsereignisses kann das Turbinensteuerungssystem 190 die Stellung jedes Steuerungs-/Regelungsventils 210 der primären und zusätzlichen Kreisläufe 207, 217 anpassen. Beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, kann das Steuer-/Regelventil 210 des primären Kreislaufs 207 geöffnet werden, um mit dem Ziel einer Verringerung der Wahrscheinlichkeit eines Flammenverlöschens im Magerbetrieb die Flamme zu verankern. Nahezu gleichzeitig kann das (bzw. können die) Steuer-/Regelventil(e) 210 des zusätzlichen Kreislaufs (bzw. der zusätzlichen Kreisläufe) 217 mit dem Ziel einer Reduzierung des Brennstoffzustroms und einer Steuerung/Regelung der Rotordrehzahl geschlossen werden.
Als Nächstes kann das Drucksteuerungszellensystem 223, nachdem der primäre Kreislauf 207 die Flamme verankert hat, das erste PCC-Ventil 225 öffnen. Wie erörtert, kann ein Ausführungsbeispiel des ersten PCC-Ventils 225 ein Ventil sein, das eine wirksame Fläche aufweist, die wesentlich größer ist als die wirksame Fläche der Brennstoffdüsen 125. Dies kann dem in dem zusätzlichen Verteiler 220 verbliebenen überschüssigen Brennstoff ermöglichen, in die PCC 240 zu strömen. Hierdurch lässt sich die Verbrennung des in dem zusätzlichen Verteiler 220 vorhandenen überschüssigen Brennstoffs, wie beschrieben, verhindern.
Als Nächstes kann, wenn das Turbotriebwerk 100 einen verhältnismäßig stabilen Betriebszustand erreicht, der Druck bei der PCC 240 und dem zusätzlichen Verteiler 220 nahezu gleich dem Verdichterauslassdruck sein. Anschließend kann das erste PCC-Ventil 225 geschlossen werden, und das dritte PCC-Ventil 235 kann geöffnet werden, um dem in der PCC 240 vorhandenen Brennstoff zu erlauben, in Richtung des Brennstoffauslasses 250 zu strömen. Anschließend kann das zweite PCC-Ventil 230 geöffnet werden, und das erste PCC-Ventil 225 kann geschlossen werden. Dies kann dem Spülfluid der Spülquelle 245 erlauben, den in der PCC 240 vorhandenen Brennstoff in Richtung des Brennstoffauslasses 250 auszuspülen.
Als Nächstes können das zweite PCC-Ventil 230 und das dritte PCC-Ventil 235, nachdem der Druck in der PCC 240 auf ein gewünschtes Maß abgenommen hat, anschließend geschlossen werden. Hierdurch kann das Drucksteuerungszellensystem 223 in einen Normalzustand versetzt bzw. zurückgesetzt werden.
5A bis 5C, zusammengefasst als 5, veranschaulichen in Form von Graphen ein Beispiel eines Betriebs des Drucksteuerungszellensystems 223 nach 4 während eines Übergangsereignisses gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Insgesamt veranschaulicht 5, aufgetragen gegen die Zeit, Betriebsdaten 180 des Turbotriebwerks 100 während eines Übergangsereignisses, der an einem Turbotriebwerk 100 auftritt, das mit einem Ausführungsbei spiel des Drucksteuerungszellensystems 223 der vorliegenden Erfindung ausgerüstet ist. Die horizontale Zeitachse von 5 umfasst drei spezielle Zeitspannen, die in sequentieller Reihenfolge bezeichnet sind mit: T(0), T(1) und T(2). T(0) kann als der Zeitpunkt betrachtet werden, in dem das Übergangsereignis eintritt. T(1) kann als der Zeitpunkt betrachtet werden, in dem das Turbinensteuerungssystem 190 auf das Übergangsereignis anspricht. T(2) kann als der Zeitpunkt betrachtet werden, in dem das Turbotriebwerk 100 einen stabilen Dauerbetriebszustand nahezu erreicht hat.
5A veranschaulicht anhand eines Diagramms 500 die über der Zeitachse aufgetragene Rotordrehzahl des Turbotriebwerks 100. Im vorliegenden Fall ist die Rotordrehzahl durch eine Drehzahl_2-Datenreihe 505 repräsentiert. 5B zeigt ein Diagramm 510, das den über der Zeitachse aufgetragenen Brennstoffzustrom des Turbotriebwerks 100 veranschaulicht. Im vorliegenden Fall ist der Brennstoffstrom des primären Verteilers 215 durch eine PF_2-Datenreihe 515 repräsentiert; der Brennstoffstrom des zusätzlichen Verteilers 220 ist durch eine AF_2-Datenreihe 520 repräsentiert; und der gesamte Brennstoffzustrom ist durch eine TF_2-Datenreihe 525 repräsentiert. 5C zeigt ein Diagramm 530, das den über der Zeitachse aufgetragenen Steuer-/Regelventilhub des Turbotriebwerks 100 veranschaulicht. Im vorliegenden Fall ist die Stellung der Steuer-/Regelventile 210 des primären Kreislaufs 207 und des zusätzlichen Kreislaufs 217 jeweils durch eine PS_2-Datenreihe 535 dargestellt; und der Brennstoffstrom des zusätzlichen Verteilers 220 ist durch eine AS_2-Datenreihe 540 repräsentiert. 5C veranschaulicht außerdem die Stel lung des ersten PCC-Ventils 225, die als die PCC_S-Datenreihe 545 dargestellt ist.
Die Vorteile eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung sind in einfacher Weise durch ähnliche Vergleiche von 3 und 5 veranschaulicht. Wie über 5 hinweg dargestellt, ist die Erhöhung der Rotordrehzahl bei T(1) bei einem Vergleich von 3A und 5A wesentlich geringer. Dies kann die Abnahme des Brennstoffs repräsentieren, der durch den zusätzlichen Kreislauf 217 verbrannt wird. Wie außerdem durch einen Vergleich von 3B und 5B gezeigt, nähert sich der Wert des Gesamtbrennstoffzustroms demjenigen des primären Kreislaufs 207 wesentlich rascher bei Verwendung eines Ausführungsbeispiels des Drucksteuerungszellensystems 223.
Obwohl die vorliegende Erfindung im Einzelnen mit Bezug auf lediglich wenige Ausführungsbeispiele derselben gezeigt und beschrieben wurde, sollte dem Fachmann klar sein, dass nicht beabsichtigt ist, die Erfindung auf die Ausführungsbeispiele zu beschränken, da vielfältige Modifikationen, Auslassungen und Hinzufügungen an den beschriebenen Ausführungsbeispielen vorgenommen werden können, ohne materiell von der neuen Lehre und den Vorteilen der Erfindung, insbesondere mit Blick auf die im Vorausgehenden erläuterte Lehre, abzuweichen.
Dementsprechend sollen sämtliche derartige Modifikationen, Auslassungen, Hinzufügungen und äquivalente Formen abgedeckt sein, die in den Schutzbereich der Erfindung fallen, wie er durch die nachfolgenden Ansprüche definiert ist. Beispielsweise, jedoch es ohne darauf beschränken zu wollen, veranschaulichen 2 und 4 lediglich einen einzigen zusätzlichen Kreislauf 217. Andere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können in ein Brennstoffzufuhrsystem 160 integriert sein, das mehrere zusätzliche Schaltkreise 217 aufweist. Als ein weiteres Beispiel, jedoch ohne es darauf beschränken zu wollen, veranschaulichen 2 und 4 das Drucksteuerungszellensystem 223 als in den zusätzlichen Kreislauf 217 integriert. Andere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können das Drucksteuerungszellensystem 223 in den primären Kreislauf 207 integrieren. Außerdem können weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eine PCC 240 in mehrere Verteiler des Brennstoffzufuhrsystems 160 integrieren. In einer Abwandlung weisen weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzufuhrsystem 160 auf, das mit einer einzigen PCC 240 pro Verteiler ausgerüstet ist.
Die vorliegende Erfindung nimmt die Form eines Systems ein, das die Auswirkung eines Übergangsvorgangs eines Brennstoffsystems reduzieren kann. Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bezieht im Wesentlichen eine Drucksteuerungszelle (PCC) bei dem Brennstoffsystem mit ein. Die PCC kann als ein zusätzliche Volumen betrachtet werden, das einen Teil des Brennstoffs entfernt, der während eines Übergangsereignisses in dem Brennstoffsystem verbleibt. Wenn während eines Übergangsereignisses eine rasche Verringerung des Brennstoffs für einen Brennstoffkreislauf erforderlich ist, kann dem Brennstoff gestattet werden, aus einem Verteiler des Brennstoffsystems auszutreten und in die PCC einzutreten. Dieser Brennstoff kann nun in der PCC gespeichert werden und kann für das Brennkammerrohr nicht mehr zur Verfügung stehen. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung kann in einer verminderten Wahrscheinlichkeit einer unerwünschten Steigerung der Rotordrehzahl und eines Mager-Verlöschereignisses der Flamme liegen.

100: Turbomaschine, Turbotriebwerk
110: Verdichterabschnitt
120: Mehrere Brennkammerrohre
125: Brennstoffdüsen
130: Turbinenabschnitt
135: Strömungspfad
140: Übergangsabschnitt
160: Brennstoffzufuhrsystem
170: Last
180: Betriebsdaten
190: Turbinensteuerungssystem
200: Sperrventil
205: Zwischenvolumen
207: Primärer Kreislauf
210: Steuerungs-/Regelungsventil
215: Primärer Verteiler
217: Zusätzlicher Kreislauf
220: Zusätzlicher Verteiler
223: Drucksteuerungszellensystem
225: Erstes PCC-Ventil
230: Zweites PCC-Ventil
235: Drittes PCC-Ventil
240: Drucksteuerungszelle (PCC)
245: Spülquelle
250: Brennstoffauslass
300: Diagramm
305: Drehzahl_1-Datenreihe
310: Diagramm
315: PF_1-Datenreihe
320: AF_1-Datenreihe
323: TF_1-Datenreihe
325: Diagramm
330: PS_1-Datenreihe
335: AS_1 Datenreihe
500: Diagramm
505: Drehzahl_2-Datenreihe
510: Diagramm
515: PF_2-Datenreihe
520: AF_2-Datenreihe
525: TF_2-Datenreihe
530: Diagramm
535: PS_2-Datenreihe
540: AS_2 Datenreihe
545: PCC_S-Datenreihe

Claims

System zur Milderung eines Übergangsereignisses, das durch ein Brennstoffsystem (160) erfahren wird, wobei das System aufweist: einen primären Brennstoffkreislauf (207), der eingerichtet ist, um einem Verbrennungsprozess (110, 120) einen Brennstoff zuzuführen, wobei der primäre Brennstoffkreislauf (207) aufweist: ein Ventil (210), das eingerichtet ist, um eine Strömung des Brennstoffs zu steuern/regeln; und einen primären Verteiler (215), der eingerichtet ist, um den Brennstoff Komponenten des Verbrennungsprozesses (110, 120) zuzuteilen; wobei der primäre Verteiler (215) stromabwärts des Ventils (210) angeordnet ist; und eine Drucksteuerungszelle (PCC) (240), die eingerichtet ist, um während eines Brennstoffsystemübergangsvorgangs den Druck in dem primären Verteiler (215) zu entlasten; wobei die PCC (240) während des Brennstoffsystemübergangsvorgangs einen Teil des Brennstoffs in dem primären Verteiler (215) entfernt und eine Auswirkung des Brennstoffsystemübergangsvorgangs auf das Brennstoffsystem (160) mildert.
System nach Anspruch 1, wobei stromaufwärts des primären Verteilers (215) der primäre Brennstoffkreislauf (207) ferner aufweist: ein Sperrventil (200), ein Steuer-/Regelventil (210) und ein Brennstoffzwischenvolumen (205), das zwischen dem Sperrventil (200) und dem Steuer-/Regelventil (210) angeordnet ist.
System nach Anspruch 2, wobei die PCC (240) bei dem primären Verteiler integriert ist.
System nach Anspruch 2, das ferner einen sekundären Kreislauf (217) aufweist, wobei der sekundäre Kreislauf (217) aufweist: einen sekundären Verteiler (220), der eingerichtet ist, um einen Teil des Brennstoffs zu empfangen, der für den sekundären Kreislauf (217) bestimmt ist; und ein sekundäres Ventil (230), das eingerichtet ist, um eine Strömung des Brennstoffs zu steuern/regeln, und stromaufwärts des sekundären Verteilers (220) angeordnet ist.
System nach Anspruch 4, wobei die PCC (240) bei dem sekundären Verteiler (220) integriert ist.
System nach Anspruch 1, wobei die PCC (240) bei einer Spülquelle (245) integriert ist, die zur Beseitigung eines Großteils des Brennstoffs aus der PCC (240) eingerichtet ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Spülquelle (245) einen Speicherbehälter (245) aufweist, der ein Fluid aufweist.
System nach Anspruch 7, das ferner einen Brennstoffauslass (245) aufweist, der eingerichtet ist, um den aus der PCC (240) ausgespülten Brennstoff auszugeben.
System nach Anspruch 8, das ferner einen PCC-Kreislauf (223) aufweist, der aufweist: die PCC; ein erstes PCC-Ventil (225), das zwischen dem primären Verteiler (215) und der PCC (240) angeordnet ist; ein zweites PCC-Ventil, das zwischen der Spülquelle (245) und der PCC (240) angeordnet ist (230); und ein drittes PCC-Ventil (235), das zwischen dem Brennstoffauslass (250) und der PCC (240) angeordnet ist.
System nach Anspruch 1, das ferner ein Turbinensteuersystem (190) aufweist, das eingerichtet ist, um die Betriebsweise der PCC (240) zu steuern.