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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Diese
Anmeldung ist mit der auf die gemeinsame Anmelderin lautenden US-Patentanmeldung 12/493716
[GE Aktenzeichen 239283], eingereicht am 29. Juni 2009, verwandt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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1 veranschaulicht
schematisch die Umgebung, in der ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung arbeitet.
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2 veranschaulicht
schematisch ein Ausführungsbeispiel
des Brennstoffzufuhrsystems, das dem in 1 veranschaulichten
Turbotriebwerk zugeordnet ist.
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3A bis 3C,
zusammengefasst als 3, veranschaulichen
in Graphen ein Ausführungsbeispiel
eines Betriebs des in 2 veranschaulichten Brennstoffzufuhrsystems
während
eines Übergangsereignisses.
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4 veranschaulicht
schematisch ein Ausführungsbeispiel
eines Drucksteuerungszellensystems, das in ein Brennstoffzufuhrsystem
integriert ist, gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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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.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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