DE102023108896A1

DE102023108896A1 - Gasturbinentriebwerk für ein luftfahrzeug

Info

Publication number: DE102023108896A1
Application number: DE102023108896.3A
Authority: DE
Inventors: Peter SWANN; Christopher P. Madden; Craig W. BEMMENT
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 2022-04-12
Filing date: 2023-04-06
Publication date: 2023-10-12
Also published as: GB202205357D0; GB2623607A; FR3134423A1; GB202304682D0

Abstract

Die vorliegende Anmeldung offenbart ein Gasturbinentriebwerk (10) für ein Luftfahrzeug (1), umfassend: ein gestuftes Verbrennungssystem (64) mit Voreinspritzdüsen (313) und Haupteinspritzdüsen (314), wobei das gestufte Verbrennungssystem (64) in einem Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung, in dem Kraftstoff nur an die Voreinspritzdüsen (313) geliefert wird, und einem Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung, in dem Kraftstoff an mindestens die Haupteinspritzdüsen (314) geliefert wird, betrieben werden kann und einen Kraftstoff-Zufuhrregler (306), der so angeordnet ist, dass er die Zufuhr von Kraftstoff zu den Vor- und Haupteinspritzdüsen (313, 314) steuert, wobei der Kraftstoff-Zufuhrregler (306) so angeordnet ist, dass er Kraftstoff von einer ersten Kraftstoffquelle (302), die einen ersten Kraftstoff mit einem ersten Kraftstoffmerkmal enthält, und einer zweiten Kraftstoffquelle (304), die einen zweiten Kraftstoff mit einem zweiten Kraftstoffmerkmal enthält, empfängt, wobei sich das zweite Kraftstoffmerkmal von dem ersten unterscheidet. Das gestufte Verbrennungssystem (64) ist so angeordnet, dass es in einem Beschleunigungsmodus arbeitet, in dem eine Beschleunigung des Triebwerks aus einem stationären Betriebsmodus heraus bewirkt wird. Der Kraftstoff-Zufuhrregler (306) ist so angeordnet, dass er während des Betriebs in mindestens einem Teil des Beschleunigungsmodus Kraftstoff an eine oder beide der Vor- und Haupteinspritzdüsen liefert, der ein anderes Kraftstoffmerkmal aufweist als der Kraftstoff, der an eine oder beide der Vor- und Haupteinspritzdüsen (313, 314) während mindestens eines Teils des stationären Betriebsmodus geliefert wird. Ein Verfahren (4030) zum Betreiben eines Gasturbinentriebwerks (10) wird ebenfalls offenbart.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Gasturbinentriebwerk für ein Luftfahrzeug und ein Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinentriebwerks für ein Luftfahrzeug. Die vorliegende Offenbarung betrifft ferner ein computerimplementiertes Verfahren zur Bestimmung eines oder mehrerer Kraftstoffbeladungsparameter für ein Luftfahrzeug, ein System zur Bestimmung von Kraftstoffbeladungsparametern, ein Verfahren zur Bestimmung einer flottenweiten Kraftstoffzuteilung für eine Vielzahl von Missionen und ein System zur Bestimmung einer flottenweiten Kraftstoffzuteilung. Die vorliegende Offenbarung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Laden von Kraftstoff in das Luftfahrzeug und in eine Vielzahl von Luftfahrzeugen, die die Vielzahl von Missionen ausführen.
In der Luftfahrtindustrie wird ein Trend zur Verwendung von Kraftstoffen erwartet, die sich von den herkömmlichen Kerosinkraftstoffen unterscheiden, die gegenwärtig allgemein verwendet werden.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Gasturbinentriebwerk für ein Luftfahrzeug bereitgestellt, das Folgendes umfasst:

ein gestuftes Verbrennungssystem mit Voreinspritzdüsen und Haupteinspritzdüsen für Kraftstoff, wobei das gestufte Verbrennungssystem in einem Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung und einem Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung betreibbar ist; und
einen Kraftstoff-Zufuhrregler, der so angeordnet ist, dass er die Zufuhr von Kraftstoff zu den Vor- und Haupteinspritzdüsen steuert, wobei der Kraftstoff-Zufuhrregler so angeordnet ist, dass er Kraftstoff von einer ersten Kraftstoffquelle, die einen ersten Kraftstoff mit einem ersten Kraftstoffmerkmal enthält, und einer zweiten Kraftstoffquelle, die einen zweiten Kraftstoff mit einem zweiten Kraftstoffmerkmal enthält, erhält, wobei sich das zweite Kraftstoffmerkmal von dem ersten unterscheidet,
wobei der Kraftstoff-Zufuhrregler so angeordnet ist, dass er den Voreinspritzdüsen während mindestens eines Teils des Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzung Kraftstoff zuführt, der ein anderes Kraftstoffmerkmal aufweist als der Kraftstoff, der den Voreinspritzdüsen und/oder den Haupteinspritzdüsen während mindestens eines Teils des Betriebsbereichs mit Vor- und Haupteinspritzung zugeführt wird.

Die Erfinder haben festgestellt, dass es vorteilhaft sein kann, dem Kraftstoff-Zufuhrregler Kraftstoff aus verschiedenen Kraftstoffquellen mit unterschiedlichen Kraftstoffmerkmalen zuzuführen, und die Vor- und Haupteinspritzdüsen derart mit Kraftstoff zu versorgen, dass Kraftstoff mit unterschiedlichen Merkmalen in verschiedenen Betriebsbereichen der Brennkammer bereitgestellt wird. Diese flexiblere Versorgung der Brennkammer mit Kraftstoff kann es ermöglichen, Kraftstoff mit günstigen Verbrennungseigenschaften, der nur in begrenztem Umfang zur Verfügung steht, dort einzusetzen, wo diese günstigen Eigenschaften eine größere Wirkung entfalten.
Das erste Kraftstoffmerkmal kann mit einem Niveau der nvPM-Erzeugung verbunden sein, das geringer ist als das des zweiten Kraftstoffmerkmals. Der Kraftstoff, der den Voreinspritzdüsen zumindest während eines Teils des Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzung zugeführt wird, kann mit einer nvPM-Erzeugung verbunden sein, die geringer ist als diejenige des Kraftstoffs, der einem oder beiden Voreinspritzdüsen und Haupteinspritzdüsen zumindest während eines Teils des Betriebsbereichs mit Vor- und Haupteinspritzung zugeführt wird.
Der Kraftstoff-Zufuhrregler kann so eingerichtet sein, dass er Kraftstoff aus der ersten Kraftstoffquelle zu den Voreinspritzdüsen liefert während des Betriebs sowohl im Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung als auch im Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung und Kraftstoff aus der zweiten Kraftstoffquelle zu den Haupteinspritzdüsen während des Betriebs im Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung.
Der Kraftstoff-Zufuhrregler kann so eingerichtet sein, dass er Kraftstoff von der ersten Kraftstoffquelle zu den Voreinspritzdüsen während des Betriebs in mindestens einem Teil des Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzung liefert und Kraftstoff von der zweiten Kraftstoffquelle zu den Voreinspritzdüsen während des Betriebsbereichs mit Vor- und Haupteinspritzung liefert.
Der Kraftstoff-Zufuhrregler kann so eingerichtet sein, dass er die Zufuhr von Kraftstoff zu den Voreinspritzdüsen zwischen Kraftstoff aus der ersten Kraftstoffquelle und Kraftstoff aus der zweiten Kraftstoffquelle an einem oder mehreren Betriebspunkten innerhalb des Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzung oder an einer Grenze dieses Bereichs umschaltet.
Der Kraftstoff-Zufuhrregler kann so eingerichtet sein, dass er die Zufuhr des Kraftstoffs zu den Voreinspritzdüsen zwischen Kraftstoff aus der ersten Kraftstoffquelle und Kraftstoff aus der zweiten Kraftstoffquelle entsprechend einem Modussignal umschaltet, das eine Änderung im Betriebsbereich des gestuften Verbrennungssystems anzeigt. Die Umschaltung kann an dem Übergangspunkt zwischen dem Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung und dem Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung erfolgen.
Der Kraftstoff-Zufuhrregler kann so eingerichtet sein, dass er die Zufuhr von Kraftstoff zu den Voreinspritzdüsen zwischen Kraftstoff aus der ersten Kraftstoffquelle und Kraftstoff aus der zweiten Kraftstoffquelle an einem Schwellenwert innerhalb des Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzung umschaltet. Kraftstoff aus der zweiten Quelle kann den Voreinspritzdüsen mit Durchflussraten unterhalb des Schwellenwerts zugeführt werden, und Kraftstoff aus der ersten Quelle wird den Voreinspritzdüsen mit Durchflussraten zwischen dem Schwellenwert und der Grenze des Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzung zugeführt.
Bei dem Schwellenwert kann es sich um eine Durchflussrate handeln, bei der die Erzeugung von nvPM durch das Gasturbinentriebwerk einen Schwellenwert des nvPM überschreitet, das von dem Gasturbinentriebwerk während des Betriebs erzeugt wird, bei dem die Voreinspritzdüsen mit Kraftstoff mit dem zweiten Kraftstoffmerkmal versorgt werden
Zusätzlich oder alternativ kann der Schwellenwert eine vordefinierte Schwellenwert-Kraftstoffdurchflussrate sein, die um einen vordefinierten Betrag geringer ist als die Kraftstoffdurchflussrate an der Grenze zwischen Betrieb nur mit Voreinspritzung und Betrieb mit Vor- und Haupteinspritzung. Der vordefinierte Schwellenwert für die Kraftstoff-Durchflussrate kann entweder ein Prozentsatz der Kraftstoff-Durchflussrate am Stufenpunkt oder ein absoluter Wert der Kraftstoff-Durchflussrate sein, der unter dem am Stufenpunkt liegt.
Der Kraftstoff-Zufuhrregler kann einen Kraftstoffmischer umfassen, der so angeordnet ist, dass er Kraftstoff sowohl von der ersten als auch von der zweiten Kraftstoffquelle erhält und Kraftstoff aus der ersten Kraftstoffquelle, Kraftstoff aus der zweiten Kraftstoffquelle oder eine Mischung daraus ausgibt. Der Kraftstoffmischer kann so angeordnet sein, dass er Kraftstoff an die Voreinspritzdüsen liefert.
Das Kraftstoffmischgerät kann so eingerichtet sein, dass es den Voreinspritzdüsen zumindest während eines Teils des Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzung ein Gemisch aus Kraftstoff aus der ersten Kraftstoffquelle und Kraftstoff aus der zweiten Kraftstoffquelle zuführt.
Das Kraftstoffmischgerät kann so eingerichtet sein, dass es den Voreinspritzdüsen ein Kraftstoffgemisch mit einem variierenden Mischungsverhältnis von Kraftstoff aus der ersten Kraftstoffquelle und Kraftstoff aus der zweiten Kraftstoffquelle zuführt, wobei das Mischungsverhältnis innerhalb des Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzung entsprechend der Kraftstoffdurchflussrate variiert werden kann.
Der Anteil des Kraftstoffs aus der ersten Kraftstoffquelle im Vergleich zu dem aus der zweiten Kraftstoffquelle kann mit abnehmender Durchflussrate innerhalb des Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzung verringert werden.
Die Abhängigkeit des Anteils des Kraftstoffs aus der ersten Kraftstoffquelle im Vergleich zu dem aus der zweiten Kraftstoffquelle von der Durchflussrate wird in Abhängigkeit von einem gewünschten nvPM-Niveau bei einer bestimmten Kraftstoffdurchflussrate bestimmt und kann so festgelegt werden, dass das nvPM einen vorgegebenen Schwellenwert nicht überschreitet oder dass die nvPM-Erzeugung über eine Betriebszeit des Gasturbinentriebwerks minimiert wird. Die nvPM-Erzeugung kann über den LTO-Zyklus hinweg minimiert werden.
Der Kraftstoffmischer kann so eingerichtet sein, dass er Kraftstoff mischt, um bei einem oder mehreren Betriebszuständen des Gasturbinentriebwerks innerhalb des Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzung ein gewünschtes nvPM-Niveau zu erreichen.
Der Kraftstoffregler kann so eingerichtet sein, dass er den Voreinspritzdüsen Kraftstoff zuführt, um eine Kostenfunktion zu minimieren, die von einem oder mehreren nvPM-Einflussparametern abhängt. Der eine oder die mehreren nvPM-Einflussparameter können einen oder mehrere der folgenden Parameter umfassen:

i) Höhe über dem Boden, in der die nvPM-Produktion stattfindet;
ii) Ort (z. B. Längen- und Breitengrad) der nvPM-Produktion;
iii) Wetter- und/oder Witterungsbedingungen an einem Ort der nvPM-Produktion;
iv) Klimaauswirkungen in Verbindung mit dem Standort der nvPM-Produktion;
v) Masse und/oder Größe der einzelnen erzeugten nvPM-Partikel;
vi) mögliche Kondensstreifenproduktion und/oder Kondensstreifenmerkmale;
vii) Auswirkungen der Produktion von nvPM auf die lokale Luftqualität (LAQ); und/oder
viii) nvPM-Masse und/oder -Nummer.

Das von dem Kraftstoff-Mischgerät bereitgestellte Mischungsverhältnis kann zumindest teilweise nach einem oder mehreren der folgenden Kriterien bestimmt werden:

a) die für einen geplanten Flug verfügbare Kraftstoffmenge mit der ersten Kraftstoffzusammensetzung (z. B. Schätzung oder Messung der Kraftstoffmenge in den Kraftstofftanks, die die erste und zweite Kraftstoffquelle bilden);
b) die Menge des gesamten Kraftstoffbedarfs für die Voreinspritzdüsen während des Betriebs nur mit Voreinspritzung für den gesamten Flug in einem Betriebsbereich, in dem der Kraftstoff von der ersten Kraftstoffquelle bereitgestellt wird; und/oder
c) einen Grenzparameter für die Kraftstoffzusammensetzung (z. B. Zertifizierungsgrenze, für die Betankung verfügbare Kraftstoffzusammensetzung, Luftfahrzeug-/Triebwerksgrenzen).

Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben eines Gasturbinentriebwerks für ein Luftfahrzeug bereitgestellt, wobei das Gasturbinentriebwerk ein gestuftes Verbrennungssystem mit Voreinspritzdüsen und Haupteinspritzdüsen umfasst, wobei das gestufte Verbrennungssystem in einem Betriebsbereich mit nur Voreinspritzung und einem Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung betreibbar ist, wobei das Verfahren umfasst:

Regelung der Kraftstoffzufuhr zu den Vor- und Haupteinspritzdüsen aus einer ersten Kraftstoffquelle, die einen ersten Kraftstoff mit einem ersten Kraftstoffmerkmal enthält, und einer zweiten Kraftstoffquelle, die einen zweiten Kraftstoff mit einem zweiten Kraftstoffmerkmal enthält, wobei sich das zweite Kraftstoffmerkmal von dem ersten unterscheidet,
wobei die Regelung der Kraftstoffzufuhr das Zuführen von Kraftstoff zu den Voreinspritzdüsen während mindestens eines Teils des Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzung umfasst, der ein anderes Kraftstoffmerkmal aufweist als der Kraftstoff, der an eine oder beide der Vor- und Haupteinspritzdüsen während mindestens eines Teils des Betriebsbereichs mit Voreinspritzung geliefert wird.

Das erste Kraftstoffmerkmal kann mit einem Niveau der nvPM-Erzeugung verbunden sein, das geringer ist als das des zweiten Kraftstoffmerkmals. Der Kraftstoff, der den Voreinspritzdüsen zumindest während eines Teils des Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzung zugeführt wird, kann mit einer nvPM-Erzeugung verbunden sein, die geringer ist als diejenige des Kraftstoffs, der einem oder beiden Voreinspritzdüsen und Haupteinspritzdüsen zumindest während eines Teils des Betriebsbereichs mit Voreinspritzung zugeführt wird.
Die Regelung der Kraftstoffzufuhr kann die Zufuhr von Kraftstoff aus der ersten Kraftstoffquelle zu den Voreinspritzdüsen während des Betriebs sowohl im Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung als auch im Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung und von Kraftstoff aus der zweiten Kraftstoffquelle zu den Haupteinspritzdüsen während des Betriebs im Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung umfassen.
Die Regelung der Kraftstoffzufuhr kann die Zufuhr von Kraftstoff aus der ersten Kraftstoffquelle zu den Voreinspritzdüsen während des Betriebs in mindestens einem Teil des Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzung und die Zufuhr von Kraftstoff aus der zweiten Kraftstoffquelle zu den Voreinspritzdüsen während des Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzung umfassen.
Die Regelung der Kraftstoffzufuhr kann die Umschaltung der Kraftstoffzufuhr zu den Voreinspritzdüsen zwischen Kraftstoff aus der ersten Kraftstoffquelle und Kraftstoff aus der zweiten Kraftstoffquelle an einem oder mehreren Betriebspunkten innerhalb des Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzung oder an einer Grenze dieses Bereichs umfassen.
Die Regelung der Kraftstoffzufuhr kann darin bestehen, dass die Zufuhr des Kraftstoffs zu den Voreinspritzdüsen zwischen Kraftstoff aus der ersten Quelle und Kraftstoff aus der zweiten Quelle entsprechend einem Modussignal umgeschaltet wird, das eine Änderung des Betriebsbereichs des gestuften Verbrennungssystems anzeigt.
Die Regelung der Kraftstoffzufuhr kann ferner die Umschaltung der Kraftstoffzufuhr zu den Voreinspritzdüsen zwischen Kraftstoff aus der ersten Kraftstoffquelle und Kraftstoff aus der zweiten Kraftstoffquelle an einem Schwellenwert innerhalb des Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzung umfassen.
Bei dem Schwellenwert kann es sich um eine Kraftstoff-Durchflussrate handeln, bei der die Erzeugung von nvPM durch das Gasturbinentriebwerk einen Schwellenwert der nvPM-Menge überschreitet, die von dem Gasturbinentriebwerk während des Betriebs erzeugt wird, bei dem die Voreinspritzdüsen mit Kraftstoff des zweiten Kraftstoffmerkmals versorgt werden.
Zusätzlich oder alternativ kann es sich bei dem Schwellenwert um eine vordefinierte Durchflussrate handeln, die an der Grenze zwischen Betrieb nur mit Voreinspritzung und Betrieb mit Vor- und Haupteinspritzung um einen vordefinierten Betrag geringer ist als die Durchflussrate.
Die Regelung der Kraftstoffzufuhr kann Folgendes umfassen:

Mischen eines Vorrats an Kraftstoff aus der ersten und der zweiten Kraftstoffquelle, um einen gemischten Kraftstoff zu bilden, der aus Kraftstoff aus der ersten Kraftstoffquelle, Kraftstoff aus der zweiten Kraftstoffquelle oder einer Mischung davon besteht; und
Leiten des gemischten Kraftstoffs zu den Voreinspritzdüsen.

Die Zufuhr des Kraftstoffgemischs kann darin bestehen, dass den Voreinspritzdüsen zumindest während eines Teils des Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzung ein Gemisch aus Kraftstoff aus der ersten Kraftstoffquelle und Kraftstoff aus der zweiten Kraftstoffquelle zugeführt wird.
Die Zufuhr des gemischten Kraftstoffs kann die Zufuhr eines Kraftstoffgemischs zu den Voreinspritzdüsen mit einem variierenden Mischungsverhältnis von Kraftstoff aus der ersten Kraftstoffquelle und Kraftstoff aus der zweiten Kraftstoffquelle umfassen, wobei das Mischungsverhältnis innerhalb des Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzdüsen entsprechend der Kraftstoffdurchflussrate variiert wird.
Der Anteil des Kraftstoffs aus der ersten Kraftstoffquelle im Vergleich zu dem aus der zweiten Kraftstoffquelle kann mit abnehmender Durchflussrate innerhalb des Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzung verringert werden.
Die Abhängigkeit des Anteils des Kraftstoffs aus der ersten Kraftstoffquelle im Vergleich zu dem aus der zweiten Kraftstoffquelle von der Durchflussrate kann in Abhängigkeit von einem gewünschten resultierenden nvPM-Niveau bei einer bestimmten Kraftstoffdurchflussrate bestimmt werden, und zwar so, dass das nvPM einen vorbestimmten Schwellenwert nicht überschreitet, oder so, dass die nvPM-Erzeugung während einer Betriebszeit des Gasturbinentriebwerks minimiert wird.
Das Mischen des Kraftstoffs kann darin bestehen, dass der Kraftstoff so gemischt wird, dass bei einem oder mehreren Betriebszuständen des Gasturbinentriebwerks innerhalb des Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzung ein gewünschtes nvPM-Niveau erreicht wird.
Die Regelung der Kraftstoffzufuhr kann die Zufuhr von Kraftstoff zu den Voreinspritzdüsen umfassen, um eine Kostenfunktion zu minimieren, die von einem oder mehreren nvPM-Einflussparametern abhängt. Der eine oder die mehreren nvPM-Einflussparameter können einen oder mehrere der folgenden Parameter umfassen:

i) Höhe über dem Boden, in der die nvPM-Produktion stattfindet;
ii) Ort der nvPM-Produktion;
iii) Wetter- und/oder Witterungsbedingungen am Ort der nvPM-Produktion;
iv) Klimaauswirkungen in Verbindung mit dem Standort der nvPM-Produktion;
v) Masse und/oder Größe der einzelnen erzeugten nvPM-Partikel;
vi) mögliche Kondensstreifenproduktion und/oder Kondensstreifenmerkmale;
vii) Auswirkungen der Produktion von nvPM auf die lokale Luftqualität (LAQ); und/oder
viii) nvPM-Masse und/oder -Nummer.

Das Mischen des Kraftstoffs kann das Mischen des Kraftstoffs in einem Mischungsverhältnis umfassen, das zumindest teilweise nach einem oder mehreren der folgenden Kriterien bestimmt wird:

a) die für einen geplanten Flug verfügbare Menge an Kraftstoff mit der ersten Kraftstoffzusammensetzung;
b) die Menge des gesamten Kraftstoffbedarfs für die Voreinspritzdüsen während des Betriebs nur mit Voreinspritzung für den gesamten Flug in einem Betriebsbereich, in dem der Kraftstoff von der ersten Kraftstoffquelle bereitgestellt wird; und/oder
c) einen Grenzparameter für die Zusammensetzung des Kraftstoffs.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Luftfahrzeug bereitgestellt, das ein oder mehrere Gasturbinentriebwerke gemäß dem ersten Aspekt und optional eine oder mehrere der oben genannten zugehörigen Aussagen umfasst.
Gemäß einem dritten Aspekt wird ein Gasturbinentriebwerk für ein Luftfahrzeug bereitgestellt, das umfasst:

ein gestuftes Verbrennungssystem mit Voreinspritzdüsen und Haupteinspritzdüsen, wobei das gestufte Verbrennungssystem in einem Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung, in dem Kraftstoff nur an die Voreinspritzdüsen geliefert wird, und in einem Betriebsbereich mit Voreinspritzung und Haupteinspritzung, in dem Kraftstoff an mindestens die Haupteinspritzdüsen geliefert wird, betreibbar ist; und
einen Kraftstoff-Zufuhrregler, der so angeordnet ist, dass er die Kraftstoffzufuhr zu den Vor- und Haupteinspritzdüsen steuert, wobei der Kraftstoff-Zufuhrregler so angeordnet ist, dass er Kraftstoff von einer ersten Kraftstoffquelle, die einen ersten Kraftstoff mit einem ersten Kraftstoffmerkmal enthält, und einer zweiten Kraftstoffquelle, die einen zweiten Kraftstoff mit einem zweiten Kraftstoffmerkmal enthält, empfängt, wobei sich das zweite Kraftstoffmerkmal von dem ersten unterscheidet, wobei:
- das gestufte Verbrennungssystem so angeordnet ist, dass es zwischen dem Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung und dem Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung an einem Stufenpunkt umschaltet, der einem stationären Reiseflugbetrieb des Triebwerks entspricht, wobei der Stufenpunkt eine Grenze zwischen einem ersten Reiseflug-Betriebsbereich und einem zweiten Reiseflug-Betriebsbereich des Triebwerks definiert; und
- der Kraftstoff-Zufuhrregler so angeordnet ist, dass er den Voreinspritzdüsen während mindestens eines Teils des ersten Reiseflug-Betriebsbereichs Kraftstoff zuführt, der ein anderes Kraftstoffmerkmal aufweist als der Kraftstoff, der einem oder beiden der Vor- und Haupteinspritzdüsen während des zweiten Reiseflug-Betriebsbereichs zugeführt wird.

Die Erfinder haben festgestellt, dass es vorteilhaft sein kann, ein gestuftes Verbrennungssystem so zu betreiben, dass es zumindest während eines Teils des Reiseflugbetriebs nur mit Voreinspritzung arbeitet, während der Brennkammer während des Reiseflugbetriebs selektiv Kraftstoff aus zwei verschiedenen Quellen zugeführt wird. Die Erfinder haben festgestellt, dass durch die Einstellung des Stufenpunktes, so dass der Reiseflugbetrieb mit geringerer Leistung im reinen Voreinspritzbetrieb stattfinden kann, bestimmte Triebwerksemissionen reduziert und der Verbrennungswirkungsgrad verbessert werden können. In Verbindung mit der selektiven Verwendung von Kraftstoffen mit unterschiedlichen Eigenschaften haben die Erfinder festgestellt, dass nachteilige Auswirkungen auf die Emissionen, die sich sonst aus der Verlagerung des Stufenpunktes ergeben würden, gemildert werden können. Die Kombination dieser Faktoren führt daher insgesamt zu einer Verbesserung des Verbrennungswirkungsgrads und einer Verringerung der Emissionen.
Das erste Kraftstoffmerkmal kann mit einem Niveau der nvPM-Erzeugung verbunden sein, das geringer ist als das des zweiten Kraftstoffmerkmals. Der Kraftstoff, der den Voreinspritzdüsen während des ersten Reiseflug-Betriebsbereichs zugeführt wird, kann mit einer nvPM-Erzeugung verbunden sein, die geringer ist als diejenige des Kraftstoffs, der einem oder beiden Voreinspritzdüsen und Haupteinspritzdüsen zumindest während eines Teils des zweiten Reiseflug-Betriebsbereichs zugeführt wird.
Das erste Kraftstoffmerkmal kann einem größeren SAF-Anteil im jeweiligen Kraftstoff entsprechen als das zweite Kraftstoffmerkmal, und der während des ersten Reiseflug-Betriebsbereichs gelieferte Kraftstoff kann einen höheren SAF-Anteil aufweisen als der während des zweiten Reiseflug-Betriebsbereichs gelieferte Kraftstoff.
Der erste Reiseflug-Betriebsbereichs kann dem Betrieb des Luftfahrzeugs in einem späteren Teil eines Reiseflugsegments eines Fluges entsprechen, und der zweite Reiseflug-Betriebsbereichs kann dem Betrieb des Luftfahrzeugs in einem relativ früheren Teil des Reiseflugsegments entsprechen.
Der erste Reiseflug-Betriebsbereichs kann dem stationären Unterschall-Reiseflug des Triebwerks entsprechen und der zweite Reiseflug-Betriebsbereichs kann dem stationären Überschall-Reiseflug des Triebwerks entsprechen .
Der Kraftstoff-Zufuhrregler kann einen Kraftstoffmischer umfassen, der so angeordnet ist, dass er Kraftstoff sowohl von der ersten als auch von der zweiten Kraftstoffquelle erhält und Kraftstoff von der ersten Kraftstoffquelle, Kraftstoff von der zweiten Kraftstoffquelle oder ein Gemisch davon ausgibt. Der Kraftstoffmischer kann so angeordnet sein, dass er Kraftstoff an die Voreinspritzdüsen und optional an die Haupteinspritzdüsen liefert.
Der Anteil des von der ersten Kraftstoffquelle gelieferten Kraftstoffs im Vergleich zu dem von der zweiten Kraftstoffquelle kann entsprechend einem gewünschten resultierenden Niveau der nvPM-Erzeugung bei einer bestimmten Kraftstoff-Durchflussrate innerhalb des ersten Reiseflug-Betriebsbereichs bestimmt werden, und zwar so, dass die nvPM-Erzeugung einen vorgegebenen Schwellenwert nicht überschreitet, oder dass die nvPM-Erzeugung während einer Betriebszeit des Gasturbinentriebwerks minimiert wird.
Der Anteil des von der ersten Kraftstoffquelle gelieferten Kraftstoffs im Vergleich zu dem von der zweiten Kraftstoffquelle während des ersten Reiseflugbereichs des Triebwerks kann zumindest teilweise nach einem oder mehreren der folgenden Kriterien bestimmt werden:

a) die für einen vorgeschlagenen Flug verfügbare Menge an Kraftstoff mit dem ersten Kraftstoffmerkmal und dem zweiten Kraftstoffmerkmal;
b) die Menge des gesamten Kraftstoffbedarfs für die Voreinspritzdüsen während des Betriebs nur mit Voreinspritzung für den gesamten Flug in einem Betriebsbereich, in dem der Kraftstoff von der ersten Kraftstoffquelle bereitgestellt wird; und/oder
c) einen Grenzwert für die Kraftstoffzusammensetzung.

Gemäß einem vierten Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben eines Gasturbinentriebwerks für ein Luftfahrzeug bereitgestellt, wobei das Gasturbinentriebwerk ein gestuftes Verbrennungssystem mit Voreinspritzdüsen und Haupteinspritzdüsen umfasst, wobei das gestufte Verbrennungssystem in einem Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung, in dem Kraftstoff nur an die Voreinspritzdüsen geliefert wird, und einem Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung, in dem Kraftstoff an mindestens die Haupteinspritzdüsen geliefert wird, betreibbar ist, wobei das Verfahren umfasst:

Regeln der Kraftstoffzufuhr zu den Vor- und Haupteinspritzdüsen aus einer ersten Kraftstoffquelle, die einen ersten Kraftstoff mit einem ersten Kraftstoffmerkmal enthält, und einer zweiten Kraftstoffquelle, die einen zweiten Kraftstoff mit einem zweiten Kraftstoffmerkmal enthält, wobei sich das zweite Kraftstoffmerkmal von dem ersten unterscheidet;
Umschalten zwischen dem Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung und dem Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung an einem Stufenpunkt während eines stationären Reiseflugbetriebs des Triebwerks, um einen ersten Reiseflug-Betriebsbereichs und einen zweiten Reiseflug-Betriebsbereichs des Triebwerks zu definieren; und
Zuführen von Kraftstoff zu den Voreinspritzdüsen während mindestens eines Teils des ersten Reiseflug-Betriebsbereichs mit einem Kraftstoffmerkmal, das sich von dem des Kraftstoffs unterscheidet, der zu einer oder beiden der Vor- und Haupteinspritzdüsen während des zweiten Reiseflug-Betriebsbereichs zugeführt wird.

Das erste Kraftstoffmerkmal kann mit einem Niveau der nvPM-Erzeugung verbunden sein, das geringer ist als das des zweiten Kraftstoffmerkmals. Der Kraftstoff, der den Voreinspritzdüsen während des ersten Reiseflug-Betriebsbereichs zugeführt wird, kann mit einem Niveau der nvPM-Erzeugung verbunden sein, das geringer ist als das des Kraftstoffs, der einem oder beiden Voreinspritzdüsen und Haupteinspritzdüsen während zumindest eines Teils des zweiten Reiseflug-Betriebsbereichs zugeführt wird.
Das erste Kraftstoffmerkmal kann im Vergleich zum zweiten Kraftstoffmerkmal einem größeren Anteil an SAF im jeweiligen Kraftstoff entsprechen. Der während des ersten Reiseflug-Betriebsbereichs gelieferte Kraftstoff kann einen höheren SAF-Anteil aufweisen als der während des zweiten Reiseflug-Betriebsbereichs gelieferte Kraftstoff.
Der erste Reiseflug-Betriebsbereichs kann dem Betrieb des Luftfahrzeugs in einem späteren Teil eines Reiseflugsegments eines Fluges entsprechen, und der zweite Reiseflug-Betriebsbereichs kann dem Betrieb des Luftfahrzeugs in einem relativ früheren Teil des Reiseflugsegments entsprechen.
Der erste Reiseflug-Betriebsbereichs kann dem stationären Unterschall-Reiseflug des Triebwerks und der zweite Reiseflug-Betriebsbereichs dem stationären Überschall-Reiseflug des Triebwerks entsprechen.
Die Regeln der Kraftstoffzufuhr kann die Zufuhr von Kraftstoff aus der ersten Kraftstoffquelle, von Kraftstoff aus der zweiten Kraftstoffquelle oder einer Mischung daraus unter Verwendung eines Kraftstoffmischers umfassen. Das Kraftstoffmischgerät kann so angeordnet sein, dass es Kraftstoff an die Voreinspritzdüsen und optional an die Haupteinspritzdüsen liefert.
Der Anteil des von der ersten Kraftstoffquelle gelieferten Kraftstoffs im Vergleich zu dem von der zweiten Kraftstoffquelle kann entsprechend einem gewünschten resultierenden nvPM-Niveau bei einer bestimmten Kraftstoff-Durchflussrate innerhalb des ersten Reiseflug-Betriebsbereichs des Triebwerks bestimmt werden, und zwar so, dass das nvPM einen vorbestimmten Schwellenwert nicht überschreitet, oder dass die nvPM-Erzeugung während einer Betriebszeit des Gasturbinentriebwerks minimiert wird.
Der Anteil des von der ersten Kraftstoffquelle gelieferten Kraftstoffs im Vergleich zu dem von der zweiten Kraftstoffquelle gelieferten Kraftstoff während des ersten Reiseflug-Betriebsbereichs kann zumindest teilweise nach einem oder mehreren der folgenden Kriterien bestimmt werden:

a) die Menge an Kraftstoff mit dem ersten Kraftstoffmerkmal und dem zweiten Kraftstoffmerkmal, die für einen geplanten Flug zur Verfügung steht;
b) die Menge des gesamten Kraftstoffbedarfs für die Voreinspritzdüsen während des Betriebs nur mit Voreinspritzung für den gesamten Flug in einem Betriebsbereich, in dem der Kraftstoff von der ersten Kraftstoffquelle bereitgestellt wird; und/oder
c) einen Grenzparameter für die Kraftstofftzusammensetzung.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Luftfahrzeug bereitgestellt, das ein oder mehrere Gasturbinentriebwerke gemäß dem dritten Aspekt und optional eine oder mehrere der oben genannten zugehörigen Aussagen umfasst.
Gemäß einem fünften Aspekt ist ein Gasturbinentriebwerk für ein Luftfahrzeug vorgesehen, das Folgendes umfasst:

ein gestuftes Verbrennungssystem mit Voreinspritzdüsen und Haupteinspritzdüsen, wobei das gestufte Verbrennungssystem in einem Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung, in dem Kraftstoff nur an die Voreinspritzdüsen geliefert wird, und einem Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung, in dem Kraftstoff an mindestens die Haupteinspritzdüsen mit einer relativen Rate geliefert wird, die durch ein Vor- und Haupteinspritzungs-Stufenverhältnis definiert ist, betrieben werden kann; und
einen Kraftstoff-Zufuhrregler, der so angeordnet ist, dass er die Zufuhr von Kraftstoff zu den Vor- und Haupteinspritzdüsen steuert, wobei der Kraftstoff-Zufuhrregler so angeordnet ist, dass er Kraftstoff von einer ersten Kraftstoffquelle, die einen ersten Kraftstoff mit einem ersten Kraftstoffmerkmal enthält, und einer zweiten Kraftstoffquelle, die einen zweiten Kraftstoff mit einem zweiten Kraftstoffmerkmal enthält, empfängt, wobei sich das zweite Kraftstoffmerkmal vom ersten unterscheidet, wobei:
- das gestufte Verbrennungssystem ferner in einem Übergangs-Betriebsbereich zwischen dem Betriebsbereich mit nur Voreinspritzung und dem Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung betreibbar ist;
- innerhalb des Übergangs-Betriebsbereich Kraftstoff sowohl den Vor- als auch den Haupteinspritzdüsen mit einem Übergangs-Stufenverhältnis zugeführt wird, das sich von dem Vor- und Haupteinspritzungs-Stufenverhältnis unterscheidet; und
- der Kraftstoff-Zufuhrregler so angeordnet ist, dass er Kraftstoff an eine oder beide der Vor- und Haupteinspritzdüsen während des Übergangs-Betriebsbereichs mit einem Kraftstoffmerkmal liefert, das sich von dem des Kraftstoffs unterscheidet, der an eine oder beide der Vor- und Haupteinspritzdüsen während mindestens eines Teils des Betriebsbereichs mit Vor- und Haupteinspritzung geliefert wird.

Die Erfinder haben festgestellt, dass ein Übergangsbereich vorgesehen werden kann, der einen Übergang von der reinen Voreinspritzung (100:0) zur gewählten Vor- und Haupteinspritzung ermöglicht. Die Erfinder haben festgestellt, dass durch die Konfiguration des gestuften Verbrennungssystems für den Betrieb in einem Übergangsbereich zwischen dem Betrieb nur mit Voreinspritzung und dem Betrieb mit Vor- und Haupteinspritzung die CO- und HC-Emissionen in diesem Bereich der Leistungseinstellungen des Triebwerks reduziert werden können. Die Erfinder haben auch festgestellt, dass jede nachteilige Veränderung der Triebwerksemissionen, die sich aus dem Übergangsbereich ergibt, zumindest teilweise durch die Verwendung von Kraftstoff mit anderen Kraftstoffmerkmalen im Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung als im Betrieb mit Vor- und Haupteinspritzung abgeschwächt werden kann.
Das erste Kraftstoffmerkmal kann mit einem Niveau der nvPM-Erzeugung verbunden sein, das geringer ist als das des zweiten Kraftstoffmerkmals. Der Kraftstoff, der zumindest den Voreinspritzdüsen während des Übergangsbereichs zugeführt wird, kann mit einer nvPM-Erzeugung verbunden sein, die geringer ist als diejenige des Kraftstoffs, der zumindest während eines Teils des Betriebsbereichs mit Vor- und Haupteinspritzung an eine oder beide Voreinspritzdüsen geliefert wird.
Das erste Kraftstoffmerkmal kann im Vergleich zum zweiten Kraftstoffmerkmal einem höheren Anteil an SAF im jeweiligen Kraftstoff entsprechen. Der während des Übergangsbereichs gelieferte Kraftstoff kann einen höheren Anteil an SAF aufweisen als der Kraftstoff, der zumindest während eines Teils des Betriebsbereichs mit Vor- und Haupteinspritzung geliefert wird.
Das Übergangs-Stufenverhältnis kann zumindest in einem Teil des Übergangsbereichs eine kontinuierliche Veränderung der Triebwerksleistung aufweisen.
Die kontinuierliche Veränderung kann so beschaffen sein, dass innerhalb des Übergangs-Betriebsbereichs der Anteil des gesamten Kraftstoffstroms zu den Kraftstoff-Einspritzdüsen, der auf den Kraftstoffstrom zu den Voreinspritzdüsen zurückzuführen ist, mit zunehmender Triebwerksleistung abnimmt und der Anteil des gesamten Kraftstoffstroms zu den Kraftstoff-Einspritzdüsen, der auf den Kraftstoffstrom zu den Haupteinspritzdüsen zurückzuführen ist, mit zunehmender Triebwerksleistung zunimmt.
Das Übergangs-Stufenverhältnis kann zumindest innerhalb eines Teils des Übergangsbereichs einen konstanten Zwischenwert haben, der sich vom Vor- und Haupteinspritzungs-Stufenverhältnis unterscheidet. Der konstante Zwischenwert kann zwischen dem des Bereichs nur mit Voreinspritzung und dem des Bereichs mit Vor- und Haupteinspritzung liegen.
Das Übergangs-Stufenverhältnis kann zwischen einer Reihe von konstanten (d. h. voneinander verschiedenen) Zwischenwerten variieren, die sich jeweils von dem Vor- und Haupteinspritzungs-Stufenverhältnis unterscheiden. Jeder Zwischenwert kann zwischen dem der reinen Voreinspritzung und dem der Vor- und Haupteinspritzung liegen.
Der Regler für die Kraftstoffzufuhr kann ein Kraftstoffmischgerät umfassen, das so angeordnet ist, dass es eine Kraftstoffzufuhr sowohl von der ersten als auch von der zweiten Kraftstoffquelle erhält und Kraftstoff aus der ersten Kraftstoffquelle, Kraftstoff aus der zweiten Kraftstoffquelle oder eine Mischung daraus ausgibt. Der Kraftstoffmischer kann so angeordnet sein, dass er Kraftstoff an die Voreinspritzdüsen und optional an die Haupteinspritzdüsen liefert.
Der Anteil des von der ersten Kraftstoffquelle gelieferten Kraftstoffs im Vergleich zu dem von der zweiten Kraftstoffquelle kann entsprechend einem gewünschten resultierenden Niveau der nvPM-Erzeugung bei einer bestimmten Durchflussrate innerhalb des Übergangs-Betriebsbereichs bestimmt werden, und zwar so, dass die nvPM-Erzeugung einen vorbestimmten Schwellenwert nicht überschreitet, oder dass die nvPM-Erzeugung über eine Betriebsdauer des Gasturbinentriebwerks minimiert wird.
Der Anteil des von der ersten Kraftstoffquelle gelieferten Kraftstoffs im Vergleich zu dem von der zweiten Kraftstoffquelle während des Übergangsbereichs des Betriebs kann zumindest teilweise gemäß einem oder mehreren der folgenden Kriterien bestimmt werden:

a) die Menge an Kraftstoff mit dem ersten Kraftstoffmerkmal und dem zweiten Kraftstoffmerkmal, die für einen geplanten Flug zur Verfügung steht;
b) die Menge des gesamten Kraftstoffbedarfs für die Einspritzdüsen während des Betriebs nur mit Voreinspritzung für den gesamten Flug in einem Betriebsbereich, in dem der Kraftstoff von der ersten Kraftstoffquelle bereitgestellt wird; und/oder
c) einen Grenzparameter für die Kraftstpffzusammensetzung.

Gemäß einem sechsten Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben eines Gasturbinentriebwerks für ein Luftfahrzeug bereitgestellt, wobei das Gasturbinentriebwerk ein gestuftes Verbrennungssystem mit Voreinspritzdüsen und Haupteinspritzdüsen umfasst, wobei das gestufte Verbrennungssystem in einem Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung, in dem Kraftstoff nur an die Voreinspritzdüsen geliefert wird, und einem Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung, in dem Kraftstoff an mindestens die Haupteinspritzdüsen mit einer relativen Rate geliefert wird, die durch ein Vor- und Haupteinspritzungs-Stufenverhältnis definiert ist, betreibbar ist, wobei das Verfahren umfasst:

Regulieren der Kraftstoffzufuhr zu den Vor- und Haupteinspritzdüsen von einer ersten Kraftstoffquelle, die einen ersten Kraftstoff mit einem ersten Kraftstoffmerkmal enthält, und einer zweiten Kraftstoffquelle, die einen zweiten Kraftstoff mit einem zweiten Kraftstoffmerkmal enthält, wobei sich das zweite Kraftstoffmerkmal von dem ersten unterscheidet,
Betreiben des gestuften Verbrennungssystems in einem Übergangs-Betriebsbereich zwischen dem Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung und dem Betriebsbereich mit Voreinspritzdüsen und Haupteinspritzdüsen, in dem Kraftstoff sowohl an die Voreinspritzdüsen als auch an die Haupteinspritzdüsen mit einem Übergangs-Stufenverhältnis geliefert wird, das sich von dem Vor- und Haupteinspritzungs-Stufenverhältnis unterscheidet,
wobei das Regulieren der Kraftstoffzufuhr das Zuführen von Kraftstoff zu einem oder beiden der Vor- und Haupteinspritzdüsen während des Übergangs-Betriebsbereichs umfasst, der ein Kraftstoffmerkmal aufweist, das sich von dem des Kraftstoffs unterscheidet, der zu einem oder beiden der Vor- und Haupteinspritzdüsen während zumindest eines Teils des Betriebsbereichs mit Vor- und Haupteinspritzung zugeführt wird.

Das erste Kraftstoffmerkmal kann mit einem Niveau der nvPM-Erzeugung verbunden sein, das geringer ist als das des zweiten Kraftstoffmerkmals. Der Kraftstoff, der zumindest den Voreinspritzdüsen während des Übergangsbereichs zugeführt wird, kann mit einer nvPM-Erzeugung verbunden sein, die geringer ist als diejenige des Kraftstoffs, der zumindest während eines Teils des Betriebsbereichs mit Vor- und Haupteinspritzung an eine oder beide Voreinspritzdüsen geliefert wird.
Das erste Kraftstoffmerkmal kann einem größeren Anteil an SAF im jeweiligen Kraftstoff entsprechen als das zweite Kraftstoffmerkmal, und der während des Betriebsbereichs mit Vor- und Haupteinspritzung gelieferte Kraftstoff kann einen höheren Anteil an SAF aufweisen als der Kraftstoff, der zumindest während eines Teils des Betriebsbereichs mit Vor- und Haupteinspritzung geliefert wird.
Das Übergangs-Stufenverhältnis kann zumindest in einem Teil des Übergangs-Betriebsbereich eine kontinuierliche Veränderung der Triebwerksleistung aufweisen.
Die kontinuierliche Veränderung kann so beschaffen sein, dass innerhalb des Übergangs-Betriebsbereich der Anteil des Kraftstoff-Gesamtstroms zu den Einspritzdüsen, der auf den Kraftstoffstrom zu den Voreinspritzdüsen zurückzuführen ist, mit zunehmender Triebwerksleistung abnimmt und der Anteil des Kraftstoff-Gesamtstroms zu den Einspritzdüsen, der auf den Kraftstoffstrom zu den Haupteinspritzdüsen zurückzuführen ist, mit zunehmender Triebwerksleistung zunimmt.
Das Übergangs-Stufenverhältnis kann zumindest innerhalb eines Teils des Übergangs-Betriebsbereich einen konstanten Zwischenwert haben, der sich vom Vor- und Haupteinspritzungsverhältnis unterscheidet und optional zwischen dem des Betriebsbereichs mit Vor- und Haupteinspritzung und dem des Betriebsbereichs mit Vor- und Haupteinspritzung liegt.
Das Übergangs-Stufenverhältnis kann zwischen einer Reihe von konstanten Zwischenwerten variieren, die sich jeweils von dem Verhältnis zwischen Vor- und Haupteinspritzung unterscheiden und optional zwischen dem Verhältnis zwischen reiner Voreinspritzung und Vor- und Haupteinspritzung liegen.
Die Regulierung der Kraftstoffzufuhr kann die Zufuhr von Kraftstoff aus der ersten Kraftstoffquelle, von Kraftstoff aus der zweiten Kraftstoffquelle oder einer Mischung daraus unter Verwendung eines Kraftstoffmischers umfassen. Das Kraftstoffmischgerät kann so angeordnet sein, dass es Kraftstoff an die Voreinspritzdüsen und optional an die Haupteinspritzdüsen liefert.
Der Anteil des von der ersten Kraftstoffquelle gelieferten Kraftstoffs im Vergleich zu dem von der zweiten Kraftstoffquelle kann entsprechend einem gewünschten resultierenden Niveau der nvPM-Erzeugung bei einer bestimmten Durchflussrate innerhalb des Übergangs-Betriebsbereich bestimmt werden. Der Anteil des Kraftstoffs kann so bestimmt werden, dass die nvPM-Erzeugung einen vorgegebenen Schwellenwert nicht überschreitet oder dass die nvPM-Erzeugung über eine Betriebszeit des Gasturbinentriebwerks minimiert wird.
Der Anteil des von der ersten Kraftstoffquelle gelieferten Kraftstoffs im Vergleich zu dem von der zweiten Kraftstoffquelle während des Übergangs-Betriebsbereich kann zumindest teilweise gemäß einem oder mehreren der folgenden Kriterien bestimmt werden:

a) die Menge an Kraftstoff mit dem ersten Kraftstoffmerkmal und dem zweiten Kraftstoffmerkmal, die für einen geplanten Flug zur Verfügung steht;
b) die Menge des gesamten Kraftstoffbedarfs für die Einspritzdüsen während des Betriebs nur mit Voreinspritzung für den gesamten Flug in einem Betriebsbereich, in dem der Kraftstoff von der ersten Kraftstoffquelle bereitgestellt wird; und/oder
c) einen Grenzparameter für die Kraftstoffzusammensetzung.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Luftfahrzeug bereitgestellt, das ein oder mehrere Gasturbinentriebwerke gemäß dem fünften Aspekt und optional eine oder mehrere der oben genannten zugehörigen Aussagen umfasst.
Gemäß einem siebten Aspekt ist ein Gasturbinentriebwerk für ein Luftfahrzeug vorgesehen, das Folgendes umfasst:

ein gestuftes Verbrennungssystem mit Voreinspritzdüsen und Haupteinspritzdüsen, wobei das gestufte Verbrennungssystem in einem Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung, in dem Kraftstoff nur an die Voreinspritzdüsen geliefert wird, und einem Betriebsbereich mit Voreinspritzung und Haupteinspritzung, in dem Kraftstoff an mindestens die Haupteinspritzdüsen geliefert wird, betreibbar ist; und
einen Kraftstoff-Zufuhrregler, der so angeordnet ist, dass er die Zufuhr von Kraftstoff zu den Vor- und Haupteinspritzdüsen steuert, wobei der Kraftstoff-Zufuhrregler so angeordnet ist, dass er Kraftstoff von einer ersten Kraftstoffquelle, die einen ersten Kraftstoff mit einem ersten Kraftstoffmerkmal enthält, und einer zweiten Kraftstoffquelle, die einen zweiten Kraftstoff mit einem zweiten Kraftstoffmerkmal enthält, empfängt, wobei sich das zweite Kraftstoffmerkmal von dem ersten unterscheidet, wobei:
- das gestufte Verbrennungssystem so eingerichtet ist, dass es in einem Beschleunigungsmodus arbeitet, in dem eine Beschleunigung des Triebwerks aus einem stationären Betriebsmodus bewirkt wird; und
- der Kraftstoff-Zufuhrregler angeordnet ist, um während des Betriebs in mindestens einem Teil des Beschleunigungsmodus Kraftstoff an eine oder beide der Vor- und Haupteinspritzdüsen zu liefern, der ein anderes Kraftstoffmerkmal aufweist als der Kraftstoff, der an eine oder beide der Vor- und Haupteinspritzdüsen während mindestens eines Teils des stationären Betriebsmodus geliefert wird.

Um die Erzeugung übermäßiger Mengen an nvPM während der Beschleunigung zu verringern, ist es bekannt, auf einen „Beschleunigungs“-Betriebsmodus eines Gasturbinentriebwerks umzuschalten, bei dem der Stufenpunkt bei einer niedrigeren Leistungseinstellung des Triebwerks liegt. Die Erfinder haben jedoch festgestellt, dass das Umschalten auf einen solchen bekannten Beschleunigungsmodus eine Reihe von Nachteilen haben kann. So kann es beispielsweise zu einem Anstieg der HC- und CO-Emissionen kommen. In einem Beschleunigungsmodus der vorliegenden Anmeldung ist der Kraftstoff-Zufuhrregler so eingerichtet, dass er den Kraftstoffeinspritzdüsen (d.h. den Vor- und Haupteinspritzdüsen) Kraftstoff zuführt, der ein anderes Kraftstoffmerkmal aufweist als der Kraftstoff, der den Kraftstoffeinspritzdüsen (d.h. den Vor- und Haupteinspritzdüsen) während zumindest eines Teils des stationären Betriebsmodus zugeführt wird. Die Erfinder haben festgestellt, dass erhöhte nvPM-Emissionen beim Betrieb des Triebwerks im Beschleunigungsmodus vermieden oder reduziert werden können, indem ein Kraftstoff mit anderen Kraftstoffmerkmalen als im stationären Betrieb verwendet wird. Dadurch kann der Stufenpunkt während des Beschleunigungsmodus gleich oder ähnlich dem des stationären Betriebsmodus bleiben, wodurch ein nachteiliger Anstieg der HC- oder CO-Emissionen vermieden oder reduziert/begrenzt wird.
Das erste Kraftstoffmerkmal kann mit einem Niveau der nvPM-Erzeugung verbunden sein, das geringer ist als das des zweiten Kraftstoffmerkmals. Der Kraftstoff, der zumindest den Voreinspritzdüsen während des Beschleunigungsmodus zugeführt wird, kann mit einer nvPM-Erzeugung verbunden sein, die geringer ist als diejenige des Kraftstoffs, der einem oder beiden Voreinspritzdüsen und Haupteinspritzdüsen während des Betriebs im stationären Modus zugeführt wird.
Das erste Kraftstoffmerkmal kann einem größeren Anteil an SAF im jeweiligen Kraftstoff entsprechen als das zweite Kraftstoffmerkmal, und der während des Beschleunigungsmodus abgegebene Kraftstoff kann einen höheren Anteil an SAF aufweisen.
Das gestufte Verbrennungssystem kann so eingerichtet werden, dass es an einem Stufenpunkt zwischen dem Betrieb im Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung und dem Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung umschaltet.
Der Stufenpunkt kann im Beschleunigungsmodus bei gleicher oder höherer Triebwerksleistung liegen als im stationären Modus.
Der Stufenpunkt kann im Beschleunigungsmodus bei einer geringeren Triebwerksleistung liegen als im stationären Modus und liegt bei einer höheren Leistung als ein Standard-Stufenpunkt, nach dem das gestufte Verbrennungssystem gesteuert wird, wenn dem Verbrennungssystem kein Kraftstoff mit anderen Merkmalen zugeführt werden kann.
Der Kraftstoff-Zufuhrregler kann so eingerichtet sein, dass er den Voreinspritzdüsen während des Betriebs nur mit Voreinspritzung im Beschleunigungsmodus Kraftstoff zuführt, der andere Kraftstoffmerkmale aufweist als der Kraftstoff, der den Haupteinspritzdüsen während des Betriebs mit Vor- und Haupteinspritzung im stationären Betriebsmodus des Triebwerks zugeführt wird.
Der Kraftstoff-Zufuhrregler kann so eingerichtet sein, dass er während des Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzung im Beschleunigungsmodus Kraftstoff mit einem Kraftstoffmerkmal liefert, das auf der Grundlage eines Steuerparameters bestimmt wird, von dem die nvPM-Erzeugung durch das Triebwerk abhängt.
Der Steuerparameter kann ein Kraftstoff-Luft-Verhältnis in einer Brennkammer des gestuften Verbrennungssystems sein.
Mit der Verringerung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses kann auch der Anteil des Kraftstoffs verringert werden, der den Voreinspritzdüsen zugeführt wird, die eine niedrige nvPM-Produktion aufweisen.
Der Kraftstoff-Zufuhrregler kann so eingerichtet sein, dass er die Kraftstoffzufuhr zu einer oder beiden Haupteinspritzdüsen und den Voreinspritzdüsen zu Beginn einer Betriebsperiode im Beschleunigungsmodus auf ein Kraftstoffmerkmal umschaltet, das ein anderes ist.
Der Kraftstoff-Zufuhrregler kann so eingerichtet werden, dass nach einem Übergang zum Betrieb mit Vor- und Haupteinspritzung wieder Kraftstoff mit denselben Kraftstoffmerkmalen wie im stationären Modus zugeführt wird.
Der Kraftstoff-Zufuhrregler kann so eingerichtet sein, dass er einem oder beiden Voreinspritzdüsen und Haupteinspritzdüsen während des Beschleunigungsmodus Kraftstoff mit einer Rate zuführt, die größer ist als diejenige, die zur Aufrechterhaltung des stationären Betriebs des Triebwerks ausreicht.
Gemäß einem achten Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben eines Gasturbinentriebwerks für ein Luftfahrzeug bereitgestellt, wobei das Gasturbinentriebwerk ein gestuftes Verbrennungssystem mit Voreinspritzdüsen und Haupteinspritzdüsen umfasst, wobei das gestufte Verbrennungssystem in einem Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung, in dem Kraftstoff nur an die Voreinspritzdüsen geliefert wird, und einem Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung, in dem Kraftstoff an mindestens die Haupteinspritzdüsen geliefert wird, betreibbar ist, wobei das Verfahren umfasst:

Regeln der Kraftstoffzufuhr zu den Vor- und Haupteinspritzdüsen aus einer ersten Kraftstoffquelle, die einen ersten Kraftstoff mit einem ersten Kraftstoffmerkmal enthält, und einer zweiten Kraftstoffquelle, die einen zweiten Kraftstoff mit einem zweiten Kraftstoffmerkmal enthält, wobei sich das zweite Kraftstoffmerkmal von dem ersten unterscheidet;
Betreiben des gestuften Verbrennungssystems in einem Beschleunigungsmodus, in dem eine Beschleunigung des Triebwerks aus einem stationären Betriebsmodus bewirkt wird; und
Zuführen von Kraftstoff zu einer oder beiden der Vor- und Haupteinspritzdüsen während des Betriebs in mindestens einem Teil des Beschleunigungsmodus, der ein Kraftstoffmerkmal aufweist, das sich von dem Kraftstoff unterscheidet, der zu einer oder beiden der Vor- und Haupteinspritzdüsen während mindestens eines Teils des stationären Betriebsmodus zugeführt wird.

Das erste Kraftstoffmerkmal kann mit einem Niveau der nvPM-Erzeugung verbunden sein, das geringer ist als das des zweiten Kraftstoffmerkmals, und der Kraftstoff, der zumindest den Voreinspritzdüsen während des Beschleunigungsmodus zugeführt wird, kann mit einem Niveau der nvPM-Erzeugung verbunden sein, das geringer ist als das des Kraftstoffs, der einer oder beiden Voreinspritzdüsen und den Haupteinspritzdüsen während des Betriebs im stationären Modus zugeführt wird.
Das erste Kraftstoffmerkmal kann einem größeren Anteil an SAF im jeweiligen Kraftstoff entsprechen als das zweite Kraftstoffmerkmal, und der während des Beschleunigungsmodus abgegebene Kraftstoff kann einen höheren Anteil an SAF aufweisen.
Das gestufte Verbrennungssystem kann so eingerichtet werden, dass es an einem Stufenpunkt zwischen dem Betrieb im Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung und dem Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung umschaltet.
Der Stufenpunkt kann im Beschleunigungsmodus bei gleicher oder höherer Triebwerksleistung liegen als im stationären Modus.
Der Stufenpunkt kann im Beschleunigungsmodus bei einer geringeren Triebwerksleistung liegen als im stationären Modus und kann bei einer höheren Leistung liegen als ein Standard-Stufenpunkt, nach dem das gestufte Verbrennungssystem gesteuert wird, wenn dem Verbrennungssystem kein Kraftstoff mit anderen Kraftstoffmerkmalen zugeführt werden kann.
Während des reinen Voreinspritzbetriebs im Beschleunigungsmodus kann den Voreinspritzdüsen Kraftstoff mit anderen Kraftstoffmerkmalen zugeführt werden als den Haupteinspritzdüsen im Betrieb mit Vor- und Haupteinspritzung im stationären Modus des Triebwerks.
Die Zuführung von Kraftstoff zu den Einspritzdüsen kann die Zuführung von Kraftstoff während des Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzung im Beschleunigungsmodus mit Kraftstoffmerkmalen umfassen, die auf einem Steuerparameter basieren, von dem die nvPM-Erzeugung durch das Triebwerk abhängt. Der Steuerparameter kann ein Kraftstoff-Luft-Verhältnis in einer Brennkammer des gestuften Verbrennungssystems sein. Wenn das Kraftstoff-Luft-Verhältnis sinkt, kann auch der Anteil des Kraftstoffs, der den Voreinspritzdüsen zugeführt wird und eine geringe nvPM-Erzeugung bewirkt, verringert werden.
Die Zufuhr von Kraftstoff zu den Einspritzdüsen kann darin bestehen, dass die Zufuhr von Kraftstoff zu einer oder beiden Haupteinspritzdüsen und zu den Voreinspritzdüsen zu Beginn einer Betriebsperiode im Beschleunigungsmodus auf ein Kraftstoffmerkmal umgeschaltet wird, das ein anderes ist.
Die Zuführung von Kraftstoff zu den Einspritzdüsen kann darin bestehen, dass nach einem Übergang zum Betrieb mit Vor- und Haupteinspritzung wieder Kraftstoff mit denselben Kraftstoffmerkmalen wie im stationären Betrieb zugeführt wird.
Während des Beschleunigungsmodus kann den Einspritzdüsen mehr Kraftstoff zugeführt werden, als zur Aufrechterhaltung des stationären Betriebs erforderlich ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Luftfahrzeug bereitgestellt, das ein oder mehrere Gasturbinentriebwerke gemäß dem siebten Aspekt und optional eine oder mehrere der oben genannten zugehörigen Aussagen umfasst.
Nach einem neunten Aspekt ist ein Gasturbinentriebwerk für ein Luftfahrzeug vorgesehen, das Folgendes umfasst:

ein gestuftes Verbrennungssystem mit Voreinspritzdüsen und Haupteinspritzdüsen für Kraftstoff, wobei das gestufte Verbrennungssystem in einem Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung und einem Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung betreibbar ist; und
einen Kraftstoff-Zufuhrregler, der die Zufuhr von Kraftstoff zu den Vor- und Haupteinspritzdüsen steuert;
ein Kraftstoffmerkmal-Bestimmungsmodul, das so konfiguriert ist, dass es ein oder mehrere Kraftstoffmerkmale des Kraftstoffs, der dem gestuften Verbrennungssystem zugeführt wird, bestimmt; und
eine Steuerung, die so konfiguriert ist, dass sie einen Stufenpunkt bestimmt, der den Punkt definiert, an dem das gestufte Verbrennungssystem zwischen einem Betrieb nur mit Voreinspritzung und einem Betrieb mit Vor- und Haupteinspritzung umgeschaltet wird, wobei der Stufenpunkt auf der Grundlage der bestimmten einen oder mehreren Kraftstoffmerkmale bestimmt wird, und die Steuerung so konfiguriert ist, dass sie das gestufte Verbrennungssystem gemäß dem bestimmten Stufenpunkt steuert.

Die Erfinder haben festgestellt, dass der Stufenpunkt, nach dem ein gestuftes Verbrennungssystem gesteuert wird, in Abhängigkeit von den Merkmalen des Kraftstoffs bestimmt werden kann, der der Brennkammer zugeführt wird. Wie oben im Zusammenhang mit dem dritten, vierten, siebten und achten Aspekt erörtert, kann der Stufenpunkt in Fällen gesteuert werden, in denen Kraftstoff mit unterschiedlichen Merkmalen zur Verfügung steht, um bestimmte Triebwerksemissionen zu verringern.
Ein oder mehrere Kraftstoffmerkmale können darauf hinweisen, dass der Kraftstoff im Vergleich zu fossilem Kerosin eine geringere nvPM-Produktion aufweist.
Zu den Kraftstoffmerkmalen können eines oder mehrere der folgenden gehören:

(i) einen prozentualen Anteil an nachhaltigem Flugkraftstoff im Kraftstoff;
(ii) den Gehalt an aromatischen Kohlenwasserstoffen im Kraftstoff; und/oder
(iii) Naphthalin-Gehalt des Kraftstoffs.

Die Steuerung kann so konfiguriert sein, dass sie den Stufenpunkt so bestimmt, dass ein Stufenpunkt, der mit einem oder mehreren Kraftstoffmerkmalen verbunden ist, die angeben, dass der Kraftstoff mit einer niedrigen nvPM-Produktion assoziiert ist, einer höheren Leistungseinstellung des Triebwerks entspricht verglichen mit einem Stufenpunkt, der mit einem oder mehreren Kraftstoffmerkmalen verbunden ist, die angeben, dass der Kraftstoff mit einer relativ höheren nvPM-Produktion assoziiert ist.
Der ermittelte Stufenpunkt kann ein Reiseflug-Stufenpunkt sein, und die Steuerung kann so konfiguriert sein, dass sie das Verbrennungssystem unter Verwendung des ermittelten Stufenpunkts während eines Reiseflug-Betriebszustands des Triebwerks steuert.
Die Steuerung kann so konfiguriert sein, dass sie den Stufenpunkt so bestimmt, dass das gestufte Verbrennungssystem so eingerichtet ist, dass es zwischen dem Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung und dem Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung an einem Stufenpunkt umschaltet, der einem stationären Reiseflug-Betriebsmodus des Triebwerks entspricht, wobei der Stufenpunkt eine Grenze zwischen einem ersten Reiseflug-Betriebsbereich und einem zweiten Reiseflug-Betriebsbereich des Triebwerks definiert.
Der erste Reiseflug-Betriebsbereich kann dem Betrieb des Luftfahrzeugs in einem späteren Teil eines Reiseflugsegments eines Fluges entsprechen, und der zweite Betriebsbereich kann dem Betrieb des Luftfahrzeugs in einem relativ früheren Teil des Reiseflugsegments entsprechen.
Der erste Reiseflugbereich kann dem stationären Unterschall-Reiseflugbetrieb des Triebwerks entsprechen, der zweite Reiseflugbereich dem stationären Überschall-Reiseflugbetrieb des Triebwerks.
Der ermittelte Stufenpunkt kann ein Triebwerksbeschleunigungs-Stufenpunkt sein, und das Steuergerät kann so konfiguriert sein, dass es das gestufte Verbrennungssystem unter Verwendung des ermittelten Stufenpunkts während eines Beschleunigungsbetriebszustands des Triebwerks steuert. Der Triebwerksbeschleunigungs-Stufenpunkt kann in Abhängigkeit von einem oder mehreren Kraftstoffmerkmalen so bestimmt werden, dass er mit einem Stufenpunkt für den Reiseflug identisch ist (z. B. so eingestellt wird, dass er identisch ist).
Gemäß einem zehnten Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben eines Gasturbinentriebwerks für ein Luftfahrzeug bereitgestellt, wobei das Gasturbinentriebwerk ein gestuftes Verbrennungssystem mit Voreinspritzdüsen und Haupteinspritzdüsen umfasst, wobei das gestufte Verbrennungssystem in einem Betriebsbereich mit nur Voreinspritzung und einem Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung betreibbar ist, wobei das Verfahren umfasst:

Bestimmen eines oder mehrerer Kraftstoffmerkmale eines Kraftstoffs, der dem gestuften Verbrennungssystem zugeführt wird;
Bestimmen eines Stufenpunktes, der den Punkt definiert, an dem das gestufte Verbrennungssystem zwischen einem Betrieb nur mit Voreinspritzung und einem Betrieb mit Vor- und Haupteinspritzung umgeschaltet wird, auf der Grundlage der bestimmten einen oder mehreren Kraftstoffmerkmale; und
Steuerung des gestuften Verbrennungssystems entsprechend dem ermittelten Stufenpunkt.

Ein oder mehrere Kraftstoffmerkmale können darauf hinweisen, dass der Kraftstoff im Vergleich zu fossilem Kerosin eine geringere nvPM-Produktion aufweist.
Zu den Kraftstoffmerkmalen gehören eines oder mehrere der folgenden Merkmale:

Die Bestimmung des Stufenpunkts kann die Festlegung des Stufenpunkts in der Weise umfassen, dass ein Stufenpunkt, der mit einem oder mehreren Kraftstoffmerkmalen assoziiert ist, die darauf hinweisen, dass der Kraftstoff mit einer niedrigen nvPM-Produktion verbunden ist, einer höheren Leistungseinstellung des Triebwerks entspricht als ein Stufenpunkt, der mit einem oder mehreren Kraftstoffmerkmalen assoziiert ist, die darauf hinweisen, dass der Kraftstoff mit einer relativ höheren nvPM-Produktion verbunden ist.
Der ermittelte Stufenpunkt kann ein Reiseflug-Stufenpunkt sein, und das Verbrennungssystem kann unter Verwendung des ermittelten Stufenpunkts während eines Reiseflug-Betriebszustands des Triebwerks gesteuert werden.
Der Stufenpunkt kann so festgelegt werden, dass das gestufte Verbrennungssystem so eingerichtet ist, dass es zwischen dem Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung und dem Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung an einem Stufenpunkt umschaltet, der einem stationären Reiseflug-Betriebsmodus des Triebwerks entspricht. Der Stufenpunkt kann eine Grenze zwischen einem ersten Triebwerk-Reiseflug-Betriebsbereich und einem zweiten Triebwerk-Reiseflug-Betriebsbereich definieren.
Der erste Reiseflug-Betriebsbereich kann dem Betrieb des Luftfahrzeugs in einem späteren Teil eines Reiseflugsegments eines Fluges entsprechen, und der zweite Reiseflug-Betriebsbereich kann dem Betrieb des Luftfahrzeugs in einem relativ früheren Teil des Reiseflugsegments entsprechen.
Der erste Reiseflugbereich kann dem stationären Unterschall-Reiseflugbetrieb des Triebwerks entsprechen und der zweite Reiseflugbereich dem stationären Überschall-Reiseflugbetrieb des Triebwerks.
Der ermittelte Stufenpunkt kann ein Triebwerksbeschleunigungs-Stufenpunkt sein, und das gestufte Verbrennungssystem kann unter Verwendung des ermittelten Stufenpunkts während eines Beschleunigungsbetriebszustands des Triebwerks gesteuert werden. Der Triebwerksbeschleunigungs-Stufenpunkt kann in Abhängigkeit von einem oder mehreren Kraftstoffmerkmalen als derselbe wie ein Stufenpunkt für den Reiseflug bestimmt werden.
Gemäß einem elften Aspekt wird ein Luftfahrzeug bereitgestellt, das ein oder mehrere Gasturbinentriebwerke gemäß dem neunten Aspekt und optional eine oder mehrere der oben genannten zugehörigen Aussagen umfasst.
Gemäß einem zwölften Aspekt wird ein Gasturbinentriebwerk für ein Luftfahrzeug bereitgestellt, das Folgendes umfasst:

ein gestuftes Verbrennungssystem mit Voreinspritzdüsen und Haupteinspritzdüsen für Kraftstoff, wobei das gestufte Verbrennungssystem in einem Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung und einem Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung betreibbar ist;
einen Kraftstoff-Zufuhrregler, der die Zufuhr von Kraftstoff zu den Vor- und Haupteinspritzdüsen steuert;
ein Kraftstoffmerkmal-Bestimmungsmodul, das so konfiguriert ist, dass es ein oder mehrere Kraftstoffmerkmale des Kraftstoffs, der dem gestuften Verbrennungssystem zugeführt wird, bestimmt; und
eine Steuerung, die so konfiguriert ist, dass sie ein Stufenverhältnis bestimmt, das das Verhältnis des Kraftstoffstroms der Voreinspritzdüse zum Kraftstoffstrom der Haupteinspritzdüse definiert, wobei das Stufenverhältnis gemäß den einen oder mehreren Kraftstoffmerkmalen bestimmt wird und die Steuerung so konfiguriert ist, dass sie das gestufte Verbrennungssystem gemäß dem bestimmten Stufenverhältnis steuert.

Die Erfinder haben festgestellt, dass das Stufenverhältnis auf der Grundlage eines oder mehrerer Kraftstoffmerkmale bestimmt werden kann, um die Emissionen des Triebwerks effektiver zu steuern. Auf diese Weise kann das Stufenverhältnis beispielsweise so angepasst werden, dass die CO- und HC-Produktion in einer Weise reduziert wird, die andernfalls zu einer hohen nvPM-Produktion führen würde, wie oben im Zusammenhang mit dem fünften und sechsten Aspekt erläutert.
Ein oder mehrere Kraftstoffmerkmale können darauf hinweisen, dass der Kraftstoff im Vergleich zu fossilem Kerosin eine geringere nvPM-Produktion aufweist.
Zu den Kraftstoffmerkmalen können eines oder mehrere der folgenden gehören:

Die Steuerung kann konfiguriert werden zum:

Steuern des gestuften Verbrennungssystems während des Betriebsbereichs mit Vor- und Haupteinspritzung gemäß einem Vor- und Haupteinspritzungs-Stufenverhältnis, und wobei das gemäß den einen oder mehreren Kraftstoffmerkmalen bestimmte Stufenverhältnis ein Übergangs-Stufenverhältnis ist; und
Steuern des gestuften Verbrennungssystems, so dass es in einem Übergangs-Betriebsbereich zwischen dem Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung und dem Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung betrieben wird, wobei innerhalb des Übergangs-Betriebsbereichs das gestufte Verbrennungssystem gemäß dem Übergangs-Stufenverhältnis gesteuert wird, wobei das Übergangs-Stufenverhältnis von dem Vor- und Haupteinspritzungs-Stufenverhältnis verschieden ist.

Das Übergangs-Stufenverhältnis kann sich bei wechselnder Triebwerksleistung innerhalb des Übergangsbereichs kontinuierlich ändern.
Die kontinuierliche Veränderung kann so beschaffen sein, dass der Anteil des gesamten Kraftstoffstroms zu den Kraftstoffeinspritzdüsen, der dem Kraftstoffstrom zu den Voreinspritzdüsen zuzuordnen ist, mit zunehmender Triebwerksleistung abnimmt, und der Anteil des gesamten Kraftstoffstroms zu den Kraftstoffeinspritzdüsen, der dem Kraftstoffstrom zu den Haupteinspritzdüsen zuzuordnen ist, mit zunehmender Triebwerksleistung innerhalb des Betriebsübergangsbereichs zunimmt.
Das Übergangs-Stufenverhältnis kann zwischen einer Reihe von konstanten Zwischenwerten variieren, die sich jeweils von dem Vor- und Haupteinspritzungs-Stufenverhältnis unterscheiden. Jeder Zwischenwert kann zwischen dem der reinen Voreinspritzung und dem der Vor- und Haupteinspritzung liegen.
Gemäß einem dreizehnten Aspekt wird ein Gasturbinentriebwerk bereitgestellt, das ein gestuftes Verbrennungssystem mit Voreinspritzdüsen und Haupteinspritzdüsen aufweist, wobei das gestufte Verbrennungssystem in einem Betriebsbereich mit nur Voreinspritzung und einem Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung betreibbar ist, wobei das Verfahren umfasst:

Bestimmen eines oder mehrerer Kraftstoffmerkmale eines Kraftstoffs, der dem gestuften Verbrennungssystem zugeführt wird;
Bestimmen eines Stufenverhältnisses, das das Verhältnis des Kraftstoffflusses der Voreinspritzdüse zum Kraftstofffluss der Haupteinspritzdüse definiert, wobei das Stufenverhältnis entsprechend einem oder mehreren Kraftstoffmerkmalen bestimmt wird; und
Steuerung des gestuften Verbrennungssystems entsprechend dem ermittelten Stufenverhältnis.

Ein oder mehrere Kraftstoffmerkmale können darauf hinweisen, dass der Kraftstoff im Vergleich zu fossilem Kerosin eine geringere nvPM-Produktion aufweist.
Zu den Kraftstoffmerkmalen können eines oder mehrere der folgenden gehören:

Die Bestimmung des Stufenverhältnisses kann die Bestimmung eines Übergangs-Stufenverhältnisses umfassen; und die Steuerung des gestuften Verbrennungssystems kann darin bestehen, dass das gestufte Verbrennungssystem so gesteuert wird, dass es in einem Übergangsbereich zwischen dem Betriebsbereich mit nur Voreinspritzung und dem Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung betrieben wird. Innerhalb des Übergangs-Betriebsbereichs kann das gestufte Verbrennungssystem gemäß dem Übergangs-Stufenverhältnis gesteuert werden, wobei sich das Übergangs-Stufenverhältnis von einem Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung unterscheiden kann, gemäß dem die gestufte Brennkammer während des Betriebsbereichs mit Vor- und Haupteinspritzung gesteuert wird.
Das Übergangs-Stufenverhältnis kann sich bei wechselnder Triebwerksleistung innerhalb des Übergangsbereichs kontinuierlich ändern.
Die kontinuierliche Veränderung kann so beschaffen sein, dass der Anteil des gesamten Kraftstoffdurchflusses zu den Einspritzdüsen, der dem Kraftstoffdurchfluss zu den Voreinspritzdüsen zuzurechnen ist, mit zunehmender Triebwerksleistung abnimmt, und der Anteil des gesamten Kraftstoffdurchflusses zu den Einspritzdüsen, der dem Kraftstoffdurchfluss zu den Haupteinspritzdüsen zuzurechnen ist, mit zunehmender Triebwerksleistung innerhalb des Übergangsbereichs zunimmt.
Das Übergangs-Stufenverhältnis kann zwischen einer Reihe von konstanten Zwischenwerten variieren, die sich jeweils vom Verhältnis der Vor- und Haupteinspritzung unterscheiden. Jeder Zwischenwert kann zwischen dem des Bereichs nur mit Voreinspritzung und dem des Bereichs mit Vor- und Haupteinspritzung liegen.
Gemäß einem vierzehnten Aspekt wird ein Luftfahrzeug bereitgestellt, das ein oder mehrere Gasturbinentriebwerke gemäß dem dreizehnten Aspekt und optional eine oder mehrere der oben genannten zugehörigen Aussagen umfasst.
Gemäß einem fünfzehnten Aspekt wird ein computerimplementiertes Verfahren zur Bestimmung einer Kraftstoffzuteilung für ein Luftfahrzeug bereitgestellt, wobei:

das Luftfahrzeug umfasst eine erste Kraftstoffquelle, die geeignet ist, einen ersten Kraftstoff mit einem ersten Kraftstoffmerkmal zu enthalten, und eine zweite Kraftstoffquelle, die geeignet ist, einen zweiten Kraftstoff mit einem zweiten Kraftstoffmerkmal zu enthalten, wobei sich das zweite Kraftstoffmerkmal von dem ersten unterscheidet;
das Luftfahrzeug umfasst ein oder mehrere Gasturbinentriebwerke, die mit Kraftstoff aus der ersten und zweiten Kraftstoffquelle betrieben werden;
die ein oder mehreren Gasturbinentriebwerke jeweils ein gestuftes Verbrennungssystem mit Voreinspritzdüsen und Haupteinspritzdüsen umfassen, wobei das gestufte Verbrennungssystem in einem Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung und einem Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung betreibbar ist;
das eine oder die mehreren Gasturbinentriebwerke jeweils einen Kraftstoff-Zufuhrregler umfassen, der so angeordnet ist, dass er die Zufuhr von Kraftstoff zu den Vor- und Haupteinspritzdüsen von der ersten Kraftstoffquelle und der zweiten Kraftstoffquelle steuert,
wobei das Verfahren umfasst:
- Erhalten einer vorgeschlagenen Missionsbeschreibung mit einer Liste von Betriebspunkten für das eine oder mehrere Gasturbinentriebwerke während der Mission;
- Ermitteln von nvPM-Einflussparametern (nichtflüchtige Partikel) für das eine oder die mehreren Gasturbinentriebwerke, wobei die Einflussparameter mit jedem Betriebspunkt der vorgeschlagenen Mission in Verbindung stehen, bei der Kraftstoff aus der ersten Kraftstoffquelle, Kraftstoff aus der zweiten Kraftstoffquelle oder eine Mischung daraus verwendet wird;
- Berechnen eines optimierten Satzes von einem oder mehreren Kraftstoffmerkmalen für jeden Betriebspunkt der vorgeschlagenen Mission, die in der Missionsbeschreibung definiert ist, auf der Grundlage der nvPM-Einflussparameter; und
- Bestimmen einer Kraftstoffzuteilung auf der Grundlage des optimierten Satzes von einem oder mehreren Kraftstoffmerkmalen.

Die Erfinder haben festgestellt, dass durch die Berechnung der Kraftstoffzuteilung auf diese Weise der Kraftstoff für eine Mission so zugeteilt werden kann, dass dem Luftfahrzeug Kraftstoff mit den erforderlichen Merkmalen zur Verfügung gestellt werden kann, damit es die vorgeschlagene Mission ausführen kann, während die Auswirkungen des nvPM reduziert werden. Auf diese Weise können die Eigenschaften des verfügbaren Kraftstoffs besser genutzt werden, um den nvPM-Wert zu verringern, als wenn eine bestimmte Menge verschiedener Kraftstoffarten geladen wird, unabhängig von der Mission, die mit diesem Kraftstoff durchgeführt werden soll.
Das erste Kraftstoffmerkmal kann mit einer nvPM-Produktion verbunden sein, die geringer ist als die des zweiten Kraftstoffmerkmals.
Zusätzlich oder alternativ kann es sich bei dem ersten Kraftstoffmerkmal und dem zweiten Kraftstoffmerkmal um einen prozentualen Anteil von SAF in dem jeweiligen Kraftstoff handeln.
Jeder Betriebspunkt der Missionsbeschreibung kann einen oder mehrere der folgenden Punkte enthalten: einen oder mehrere Betriebszustände, unter denen die Gasturbinentriebwerke betrieben werden sollen, einen oder mehrere Werte für die Kraftstoff-Durchflussrate, die einem Betriebspunkt entsprechen, und/oder eine Zeitdauer des Betriebs an einem entsprechenden Betriebspunkt.
Die nvPM-Einflussparameter können einen nvPM-Einflussparameter umfassen, der die Menge an nvPM definiert, die von dem jeweiligen Gasturbinentriebwerk bei unterschiedlichen Kraftstoffmerkmalen, die den ersten Kraftstoff, den zweiten Kraftstoff oder eine Mischung davon umfassen, an jedem Betriebspunkt der Flugbeschreibung erzeugt wird.
Die Zuweisung von Kraftstoff kann eines oder mehrere der folgenden Elemente umfassen:

i) eine Kraftstoffmenge, die jeweils der ersten und der zweiten Kraftstoffquelle zugeordnet ist;
ii) das erste Kraftstoffmerkmal;
iii) das zweite Kraftstoffmerkmal; und/oder
iv) ein Kraftstoff-Mischungsverhältnis.

Das Verfahren kann ferner die Bestimmung eines oder mehrerer Kraftstoff-Verbrauchsparameter umfassen, die der Kraftstoffzuteilung entsprechen. Die Kraftstoff-Verbrauchsparameter können festlegen, wie der Kraftstoff während der durch die Missionsbeschreibung definierten Mission zu verwenden ist. Der eine oder die mehreren Kraftstoff-Verbrauchsparameter können einen oder mehrere der folgenden Parameter umfassen:

i) eine Misch-Ablaufplanung, nach der Kraftstoff aus der ersten Kraftstoffquelle und der zweiten Kraftstoffquelle durch den Kraftstofflieferungsregler gemischt wird;
ii) eine Umschalt-Ablaufplanung, nach der der Kraftstofflieferungsregler so konfiguriert ist, dass er zwischen der Lieferung von Kraftstoff aus der ersten Kraftstoffquelle und der zweiten Kraftstoffquelle umschaltet;
iii) eine Aufteilung der im Luftfahrzeug vorhandenen Kraftstofftanks, um die erste Kraftstoffquelle und die zweite Kraftstoffquelle zu bilden; und/oder
iv) eine Absperrventileinstellung für Kraftstofftanks, die die erste Kraftstoffquelle und die zweite Kraftstoffquelle bilden.

Der optimierte Satz von einem oder mehreren Kraftstoffmerkmalen kann ferner auf der Grundlage eines oder mehrerer der folgenden Kriterien bestimmt werden:

i) der erreichbare Bereich von Kraftstoffmerkmalen, der durch den Kraftstofflieferungsregler bereitgestellt werden kann;
ii) eine Gesamtmenge eines nicht standardmäßigen Kraftstoffs, die der Mission zugewiesen wurde;
iii) einen Gesamtbedarf an Kraftstoff für die Mission;
iv) das Fassungsvermögen der Kraftstofftanks des Luftfahrzeugs; und/oder
v) Beschränkungen, wie die Kraftstofftanks des Luftfahrzeugs der ersten oder der zweiten Kraftstoffquelle zugeordnet werden können.

Die Berechnung des optimierten Satzes von einem oder mehreren Kraftstoffmerkmalen kann die Minimierung einer Kostenfunktion umfassen, die von dem einen oder den mehreren nvPM-Einflussparametern abhängt.
Der eine oder die mehreren nvPM-Einflussparameter können einen oder mehrere der folgenden Parameter umfassen:

i) Höhe über dem Boden, in der die nvPM-Produktion stattfindet;
ii) Ort der nvPM-Produktion;
iii) Wetter- und/oder Witterungsbedingungen an einem Ort der nvPM-Produktion;
iv) Klimaauswirkungen in Verbindung mit dem Standort der nvPM-Produktion;
v) Masse/Größe der einzelnen erzeugten nvPM-Partikel;
vi) mögliche Kondensstreifenproduktion und/oder Kondensstreifenmerkmale;
vii) Auswirkungen der Produktion von nvPM auf die lokale Luftqualität (LAQ); und/oder
viii) Menge des produzierten nvPM (z. B. Masse und/oder Anzahl).

Gemäß einem sechzehnten Aspekt wird ein Verfahren zum Laden von Kraftstoff in ein Luftfahrzeug bereitgestellt, das Folgendes umfasst:

Bestimmung einer Zuteilung von Kraftstoff unter Verwendung des Verfahrens des fünfzehnten Aspekts und optional einer oder mehrerer der oben genannten zugehörigen Aussagen;und
Beladung des Luftfahrzeugs mit Kraftstoff entsprechend der Kraftstoffzuteilung.

Gemäß einem siebzehnten Aspekt wird ein nicht-transitorisches computerlesbares Medium bereitgestellt, auf dem Anweisungen gespeichert sind, die, wenn sie von einem Prozessor ausgeführt werden, den Prozessor veranlassen, das Verfahren des fünfzehnten Aspekts und wahlweise eine oder mehrere der oben genannten zugehörigen Aussagen durchzuführen.
Gemäß einem achtzehnten Aspekt wird ein System zur Bestimmung der Kraftstoffzuteilung für ein Luftfahrzeug bereitgestellt, wobei das System zur Bestimmung der Kraftstoffzuteilung eine Rechenvorrichtung umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie das Verfahren des fünfzehnten Aspekts und optional eine oder mehrere der oben genannten zugehörigen Aussagen ausführt.
Gemäß einem neunzehnten Aspekt wird ein System zur Bestimmung der Kraftstoffzuteilung für ein Luftfahrzeug bereitgestellt, bei dem eine Kraftstoffzuteilung bestimmt wird, wobei:

das Luftfahrzeug eine erste Kraftstoffquelle umfasst, die einen ersten Kraftstoff mit einem ersten Kraftstoffmerkmal enthalten kann, und eine zweite Kraftstoffquelle, die einen zweiten Kraftstoff mit einem zweiten Kraftstoffmerkmal enthalten kann, wobei sich das zweite Kraftstoffmerkmal vom ersten unterscheidet;
das Luftfahrzeug ein oder mehrere Gasturbinentriebwerke umfasst, die mit Kraftstoff aus der ersten und zweiten Kraftstoffquelle betrieben werden;
die ein oder mehreren Gasturbinentriebwerke jeweils ein gestuftes Verbrennungssystem mit Voreinspritzdüsen und Haupteinspritzdüsen umfassen, wobei das gestufte Verbrennungssystem in einem Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung und einem Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung betreibbar ist;
die ein oder mehreren Gasturbinentriebwerke jeweils einen Kraftstoff-Zufuhrregler umfassen, der so angeordnet ist, dass er die Zufuhr von Kraftstoff zu den Vor- und Haupteinspritzdüsen von der ersten und der zweiten Kraftstoffquelle steuert,
wobei das System zur Bestimmung von Kraftstoff-Beladungsparametern umfasst:
- ein Modul zum Erhalten einer Missionsbeschreibung, das so konfiguriert ist, dass es eine vorgeschlagene Missionsbeschreibung erhält, die eine Liste von Betriebsbedingungen für das eine oder die mehreren Gasturbinentriebwerke während der Mission umfasst;
- ein Modul zur Ermittlung von Einflussparametern, das so konfiguriert ist, dass es nvPM-Einflussparameter für das eine oder die mehreren Gasturbinentriebwerke erhält, wobei die Einflussparameter jedem Betriebspunkt der vorgeschlagenen Mission unter Verwendung von Kraftstoffzusammensetzungen zugeordnet sind, die Kraftstoff aus der ersten Kraftstoffquelle, Kraftstoff aus der zweiten Kraftstoffquelle oder eine Mischung davon umfassen;
- ein Kraftstoffmerkmal-Berechnungsmodul, das so konfiguriert ist, dass es einen optimierten Satz von einem oder mehreren Kraftstoffmerkmalen für jeden Betriebspunkt der vorgeschlagenen Mission, die in der Missionsbeschreibung definiert ist, auf der Grundlage der nvPM-Einflussparameter berechnet; und
- ein Modul zur Bestimmung der Kraftstoffzuteilung, das so konfiguriert ist, dass es eine Kraftstoffzuteilung auf der Grundlage des optimierten Satzes von einem oder mehreren Kraftstoffmerkmalen bestimmt.

Das erste Kraftstoffmerkmal kann mit einer nvPM-Produktion verbunden sein, die geringer ist als die des zweiten Kraftstoffmerkmals.
Zusätzlich oder alternativ kann es sich bei dem ersten Kraftstoffmerkmal und dem zweiten Kraftstoffmerkmal um den prozentualen Anteil von SAF in dem jeweiligen Kraftstoff handeln.
Jeder der Betriebspunkte der vom Modul zum Erhalten einer Missionsbeschreibung erhaltenen Missionsbeschreibung kann einen oder mehrere der folgenden Punkte enthalten: einen oder mehrere Betriebszustände, unter denen die Gasturbinentriebwerke betrieben werden sollen, einen oder mehrere Werte für die Durchflussrate des Kraftstoffs, die einem Betriebspunkt entsprechen, und/oder eine Zeitdauer des Betriebs an einem entsprechenden Betriebspunkt.
Die von dem Modul zur Ermittlung der Einflussparameter erhaltenen nvPM-Einflussparameter können einen nvPM-Einflussparameter umfassen, der die von den Gasturbinentriebwerken erzeugte nvPM-Menge für verschiedene Kraftstoffmerkmale definiert, die den ersten Kraftstoff, den zweiten Kraftstoff oder ein Gemisch davon an jedem Betriebspunkt der Einsatzbeschreibung umfassen.
Die vom Modul zur Bestimmung der Kraftstoffzuteilung ermittelte Kraftstoffzuteilung kann eines oder mehrere der folgenden Elemente umfassen:

Das System zur Bestimmung der Kraftstoffzuteilung kann ferner ein Modul zur Bestimmung von Kraftstoff-Verbrauchsparametern umfassen, das so konfiguriert ist, dass es einen oder mehrere Kraftstoff-Verbrauchsparameter bestimmt, die der Kraftstoffzuteilung entsprechen, wobei die Kraftstoff-Verbrauchsparameter definieren, wie der Kraftstoff während der durch die Missionsbeschreibung definierten Mission zu verwenden ist.
Der eine oder die mehreren Kraftstoff-Verbrauchsparameter können optional einen oder mehrere der folgenden Parameter umfassen:

Der optimierte Satz von einem oder mehreren Kraftstoffmerkmalen, der von dem Kraftstoffmerkmal-Berechnungsmodul bestimmt wird, kann ferner auf der Grundlage eines oder mehrerer der folgenden Kriterien bestimmt werden:

i) der erreichbare Bereich von Kraftstoffmerkmalen, der durch den Kraftstofflieferungsregler bereitgestellt werden kann;
ii) eine Gesamtmenge eines nicht standardmäßigen Kraftstoffs, die der Mission zugewiesen wurde;
iii) den Gesamtbedarf an Kraftstoff für die Mission;
iv) das Fassungsvermögen der Kraftstofftanks des Luftfahrzeugs; und/oder
v) Beschränkungen, wie die Kraftstofftanks des Luftfahrzeugs der ersten oder der zweiten Kraftstoffquelle zugeordnet werden können.

Das Kraftstoffmerkmal-Berechnungsmodul kann so konfiguriert sein, dass es den optimierten Satz von einem oder mehreren Kraftstoffmerkmalen durch Minimierung einer Kostenfunktion in Abhängigkeit von einem oder mehreren nvPM-Einflussparametern berechnet.
Der eine oder die mehreren nvPM-Einflussparameter können einen oder mehrere der folgenden Parameter umfassen:

i) Höhe über dem Boden, in der die nvPM-Produktion stattfindet;
ii) Ort der nvPM-Produktion;
iii) Wetter- und/oder Witterungsbedingungen an einem Ort der nvPM-Produktion;
iv) Klimaauswirkungen in Verbindung mit dem Standort der nvPM-Produktion;
v) Masse der erzeugten nvPM-Partikel;
vi) mögliche Kondensstreifenproduktion und/oder Kondensstreifenmerkmale;
vii) Auswirkungen der Produktion von nvPM auf die lokale Luftqualität (LAQ); und/oder
viii) Menge des produzierten nvPM (z. B. Masse/Anzahl).

Gemäß einem zwanzigsten Aspekt wird ein Luftfahrzeug bereitgestellt, das Folgendes umfasst:

eine erste Kraftstoffquelle, die geeignet ist, einen ersten Kraftstoff mit einem ersten Kraftstoffmerkmal zu enthalten, und eine zweite Kraftstoffquelle, die geeignet ist, einen zweiten Kraftstoff mit einem zweiten Kraftstoffmerkmal zu enthalten, wobei sich das zweite Kraftstoffmerkmal von dem ersten unterscheidet;
ein oder mehrere Gasturbinentriebwerke, die mit Kraftstoff aus der ersten und zweiten Kraftstoffquelle betrieben werden, wobei:
- die ein oder mehreren Gasturbinentriebwerke jeweils ein gestuftes Verbrennungssystem mit Voreinspritzdüsen und Haupteinspritzdüsen umfassen, wobei das gestufte Verbrennungssystem in einem Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung und einem Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung betreibbar ist;
- das eine oder die mehreren Gasturbinentriebwerke jeweils einen Kraftstoff-Zufuhrregler umfassen, der so angeordnet ist, dass er die Zufuhr von Kraftstoff zu den Vor- und Haupteinspritzdüsen aus der ersten Kraftstoffquelle, der zweiten Kraftstoffquelle oder einer Mischung davon steuert; und
ein System zur Bestimmung der Kraftstoffzuteilung gemäß dem achtzehnten oder neunzehnten Aspekt und optional eine oder mehrere der oben genannten zugehörigen Aussagen.

Gemäß einem zwanzigsten Aspekt wird ein computerimplementiertes Verfahren zur Bestimmung einer flottenweiten Kraftstoffzuteilung für eine Vielzahl von Missionen, die von einer Vielzahl von Luftfahrzeugen durchgeführt werden, bereitgestellt, wobei die Vielzahl von Missionen mit Kraftstoff von einer Kraftstoffquelle versorgt wird, die eine Menge eines Standardkraftstoffs und eine Menge eines Nicht-Standardkraftstoffs umfasst, wobei die Kraftstoffzuteilung die Menge des Nicht-Standardkraftstoffs und des Standardkraftstoffs angibt, die jeder der Vielzahl von Missionen zugeteilt werden soll, wobei der Standardkraftstoff und der Nicht-Standardkraftstoff ein oder mehrere Kraftstoffmerkmale aufweisen, die sich voneinander unterscheiden, wobei das Verfahren umfasst:

Erhalten einer anfänglich vorgeschlagenen Kraftstoff-Zuweisung für jede der mehreren Missionen;
Durchführen einer flottenweiten Optimierung, bei der die vorgeschlagene Kraftstoffzuteilung jeder der mehreren Missionen innerhalb der Beschränkungen des gesamten verfügbaren Standard- und/oder Nicht-Standard-Kraftstoffs von der Kraftstoffquelle modifiziert wird, um eine Summe von nvPM-Einflussparametern pro Mission über alle der mehreren Missionen zu minimieren, wobei jede der mehreren Missionen mit einem jeweiligen nvPM-Einflussparameter pro Mission verbunden ist, der gemäß einem Kraftstoffverbrauch für diese Mission bestimmt wird, wobei der Kraftstoffverbrauch definiert, wie die Kraftstoffzuteilung für die jeweilige Mission während dieser Mission zu verwenden ist; und
Bestimmung der flottenweiten Kraftstoffzuteilung für die Vielzahl der Einsätze auf der Grundlage der flottenweiten Optimierung.

Die Erfinder haben festgestellt, dass der verfügbare Kraftstoff für eine Vielzahl von Missionen auf intelligente Weise zwischen diesen Missionen aufgeteilt werden kann, um verschiedene Arten von verfügbarem Kraftstoff vorteilhaft zu nutzen. Dadurch kann Kraftstoff, von dem weniger zur Verfügung steht, zwischen den Missionen aufgeteilt werden, um ihn effektiver zu nutzen, z. B. so, dass die nvPM-Auswirkungen der Missionen insgesamt reduziert werden.
Der nicht standardmäßige Kraftstoff kann mit einer geringeren nvPM-Produktion verbunden sein als der standardmäßige Kraftstoff.
Der Nicht-Standard-Kraftstoff kann aus einem Gemisch aus einem ersten Kraftstoff mit einem ersten Kraftstoffmerkmal und einem zweiten Kraftstoff mit einem zweiten Kraftstoffmerkmal, das sich vom ersten unterscheidet, gebildet werden.
Bei den ersten und zweiten Kraftstoffmerkmalen kann es sich um einen prozentualen Anteil von SAF im jeweiligen Kraftstoff handeln. Der Nicht-Standard-Kraftstoff kann ein SAF-reicher Kraftstoff sein und der Standard-Kraftstoff kann ein relativ SAF-armer Kraftstoff sein (d. h. mit einem geringeren SAF-Gehalt im Vergleich zum SAF-reichen Kraftstoff).
Die Durchführung der flottenweiten Optimierung kann Folgendes umfassen:

i) Durchführen einer Optimierung in einer äußeren Schleife, bei der die Kraftstoffzuteilung einer oder mehrerer der mehreren Missionen variiert wird, um die Summe der nvPM-Einflussparameter pro Mission der mehreren Missionen zu verringern; und
ii) Durchführen einer Optimierung in einer inneren Schleife, bei der der Kraftstoffverbrauch für jede der mehreren Missionen entsprechend den Einschränkungen der variierten Kraftstoffzuteilung ermittelt wird, um einen neuen vorgeschlagenen Kraftstoffverbrauch für jede der mehreren Missionen zu bestimmen.

Die Schritte i) und ii) können wiederholt werden, bis ein optimierter Kraftstoffverbrauch für jede der mehreren Missionen ermittelt ist, der einer minimierten Summe der nvPM-Einflussparameter pro Mission entspricht.
Die Optimierung in der inneren Schleife kann darin bestehen, eine vorbereitete Lösung für den Kraftstoffverbrauch für eine bestimmte Mission zu erhalten.
Die vorgeschlagene Kraftstoffzuteilung für jede der mehreren Missionen kann durch die Ermittlung eines optimierten Kraftstoffverbrauchs für die jeweilige Mission ermittelt werden, wobei festgelegt wird, wie der Kraftstoff zu verwenden ist, um den Parameter für die nvPM-Auswirkungen pro Mission für diese Mission zu minimieren.
Der optimierte Kraftstoffverbrauch für jede Mission kann durch eine Optimierung pro Mission ermittelt werden.
Die Optimierung pro Mission kann für jede einzelne Mission Folgendes umfassen:

Bestimmung des Typs und/oder der Betriebsfähigkeiten einer Verbrennungsanlage, die von dem jeweiligen Luftfahrzeug für den Einsatz verwendet wird;
Bestimmung des gesamten Kraftstoffbedarfs für die jeweilige Mission;
Bestimmung der Kraftstoffmenge, die für jeden Typ von Einspritzdüsen in der Brennkammer für den jeweiligen Einsatz erforderlich ist, wenn mehr als ein Typ von Einspritzdüsen vorhanden ist;
Bestimmung der Abhängigkeit der nvPM-Emissionen für jeden Triebwerksbetriebspunkt der Mission unter Verwendung eines Kraftstoffs mit den Merkmalen des Standardkraftstoffs, eines Nicht-Standardkraftstoffs oder eines Gemischs davon; und
Bestimmung eines optimierten Kraftstoffverbrauchs, der die gesamten nvPM-Emissionen für die jeweilige Mission minimiert.

Die Bestimmung eines Typs der vom Luftfahrzeug verwendeten Verbrennungsanlage kann darin bestehen, dass festgestellt wird, ob das Luftfahrzeug eine gestufte Magerbrennkammer („lean-burn combustor“) oder eine fette Brennkammer („rich-burn combustor“) aufweist.
Handelt es sich um eine Magerbrennkammer mit Voreinspritzdüsen und Haupteinspritzdüsen, kann die für jeden Typ von Einspritzdüsen erforderliche Kraftstoffmenge bestimmt werden:

a) die Bestimmung der Kraftstoffmenge, die für die Voreinspritzdüsen während des Betriebs mit Vor- und Haupteinspritzung erforderlich ist; und/oder
b) Bestimmung einer Kraftstoffmenge, die für die Voreinspritzdüsen während des Betriebs nur mit Voreinspritzung erforderlich ist; und/oder
c) Bestimmung der Kraftstoffmenge, die für die Voreinspritzdüsen erforderlich ist, die innerhalb eines Schwellenbereichs des Betriebs bei Durchflussraten unterhalb des Stufenpunkts arbeiten.

Die flottenweite Optimierung kann auf folgenden Faktoren beruhen:

einen Prozentsatz eines ersten Kraftstoffs mit einem ersten Kraftstoffmerkmal innerhalb des Standardkraftstoffs, der den geringstmöglichen Prozentsatz an Kraftstoff mit dem ersten Kraftstoffmerkmal definiert, der für die Verbrennung verwendet werden kann; und/oder
einen prozentualen Anteil des ersten Kraftstoffs mit dem ersten Kraftstoffmerkmal innerhalb des Nicht-Standardkraftstoffs, der den höchstmöglichen Prozentsatz des Kraftstoffs mit dem ersten Kraftstoffmerkmal definiert, der für die Verbrennung verwendet werden kann; und/oder
die Menge an nicht standardmäßigem Kraftstoff, die für die Vielzahl der Einsätze zur Verfügung steht.

Gemäß einem zweiundzwanzigsten Aspekt wird ein Verfahren zum Laden von Kraftstoff in eine Vielzahl von Luftfahrzeugen bereitgestellt, die eine Vielzahl von Missionen ausführen, wobei die Vielzahl von Missionen mit Kraftstoff aus einer Kraftstoffquelle versorgt wird, die eine Menge eines Standardkraftstoffs und eine Menge eines Nicht-Standardkraftstoffs umfasst, wobei das Verfahren umfasst:

Bestimmen der Zuweisung von Kraftstoff für die Vielzahl von Missionen unter Verwendung des Verfahrens des einundzwanzigsten Aspekts und optional einer oder mehrerer der oben genannten zugehörigen Aussagen; und
Beladen der Luftfahrzeuge mit Kraftstoff entsprechend der Kraftstoffzuteilung.

Gemäß einem dreiundzwanzigsten Aspekt wird ein nicht-transitorisches computerlesbares Medium bereitgestellt, auf dem Anweisungen gespeichert sind, die, wenn sie von einem Prozessor ausgeführt werden, den Prozessor veranlassen, das Verfahren des einundzwanzigsten Aspekts und wahlweise eine oder mehrere der oben genannten zugehörigen Anweisungen durchzuführen.
Gemäß einem vierundzwanzigsten Aspekt wird ein flottenweites Kraftstoff-Zuweisungsbestimmungssystem zum Bestimmen einer Flotten-Kraftstoff-Zuweisung für eine Vielzahl von Missionen bereitgestellt, wobei das flottenweite Kraftstoff-Zuweisungsbestimmungssystem eine Rechenvorrichtung umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie das Verfahren des einundzwanzigsten Aspekts und optional eine oder mehrere der oben genannten zugehörigen Aussagen durchführt.
Gemäß einem fünfundzwanzigsten Aspekt wird ein flottenweites Kraftstoffzuteilungsbestimmungssystem zum Bestimmen einer Kraftstoffzuteilung für eine Vielzahl von Missionen, die von einer Vielzahl von Luftfahrzeugen durchgeführt werden, bereitgestellt, wobei die Vielzahl von Missionen mit Kraftstoff von einer Kraftstoffquelle versorgt wird, die eine Menge eines Standardkraftstoffs und eine Menge eines Nicht-Standardkraftstoffs umfasst, wobei die Kraftstoffzuteilung die Menge des Nicht-Standardkraftstoffs und des Standardkraftstoffs angibt, die jeder der Vielzahl von Missionen zugeteilt werden soll, wobei der Standardkraftstoff und der Nicht-Standardkraftstoff ein oder mehrere voneinander verschiedene Kraftstoffmerkmale aufweisen, wobei das System umfasst:

ein Modul zum Erhalten einer anfänglich vorgeschlagenen Kraftstoffzuteilung, das so konfiguriert ist, dass es eine anfänglich vorgeschlagene Kraftstoffzuteilung für jede der Vielzahl von Missionen erhält;
ein flottenweites Optimierungsmodul, das so konfiguriert ist, dass es eine flottenweite Optimierung durchführt, bei der die vorgeschlagene Kraftstoffzuteilung jeder der mehreren Missionen innerhalb der Beschränkungen des gesamten verfügbaren Standard- und/oder Nicht-Standard-Kraftstoffs von der Kraftstoffquelle modifiziert wird, um eine Summe von nvPM-Einflussparametern pro Mission über alle der mehreren Missionen zu minimieren, wobei jede der mehreren Missionen mit einem jeweiligen nvPM-Einflussparameter pro Mission verbunden ist, der gemäß einem vorgeschlagenen Kraftstoffverbrauch für diese Mission bestimmt wird, wobei der Kraftstoffverbrauch definiert, wie die Kraftstoffzuteilung für die jeweilige Mission während dieser Mission zu verwenden ist; und
ein Modul zur Bestimmung der flottenweiten Kraftstoffzuteilung, das so konfiguriert ist, dass es die flottenweite Kraftstoffzuteilung für die Vielzahl der Einsätze auf der Grundlage der flottenweiten Optimierung bestimmt.

Der nicht standardmäßige Kraftstoff kann mit einer geringeren nvPM-Produktion verbunden sein als der standardmäßige Kraftstoff.
Der Nicht-Standard-Kraftstoff kann aus einem Gemisch aus einem ersten Kraftstoff mit einem ersten Kraftstoffmerkmal und einem zweiten Kraftstoff mit einem zweiten Kraftstoffmerkmal, das sich vom ersten unterscheidet, gebildet werden.
Bei den ersten und zweiten Kraftstoffmerkmalen kann es sich um einen prozentualen SAF-Anteil im jeweiligen Kraftstoff handeln, wobei der Nicht-Standardkraftstoff ein SAF-reicher Kraftstoff und der Standardkraftstoff ein relativ SAF-armer Kraftstoff sein kann.
Das flottenweite Optimierungsmodul kann so konfiguriert werden, dass es die folgenden Schritte durchführt:

i) Durchführen einer Optimierung in einer äußeren Schleife, bei der die Kraftstoffzuteilung einer oder mehrerer der mehreren Missionen variiert wird, um die Summe der nvPM-Einflussparameter pro Mission der mehreren Missionen zu verringern; und
ii) Durchführung einer Optimierung in einer inneren Schleife, bei der der Kraftstoffverbrauch für jede der mehreren Missionen gemäß den Einschränkungen der variierten Kraftstoffzuteilung ermittelt wird, um einen neuen vorgeschlagenen Kraftstoffverbrauch für jede der mehreren Missionen zu bestimmen.

Das flottenweite Optimierungsmodul kann so konfiguriert sein, dass es die Schritte i) und ii) wiederholt, bis ein optimierter Kraftstoffverbrauch für jede der mehreren Missionen ermittelt ist, der einer minimierten Summe der nvPM-Einflussparameter pro Mission entspricht.
Das flottenweite Optimierungsmodul kann so konfiguriert sein, dass es die Optimierung in der inneren Schleife durchführt, indem es eine vorbereitete Lösung für den Kraftstoffverbrauch für eine bestimmte Mission erhält.
Das flottenweite Optimierungsmodul kann so konfiguriert sein, dass es die vorgeschlagene Kraftstoffzuteilung für jede der mehreren Missionen ermittelt, indem es einen optimierten Kraftstoffverbrauch für die jeweilige Mission bestimmt, der festlegt, wie der Kraftstoff zu verwenden ist, um den Parameter nvPM-Auswirkungen pro Mission für diese Mission zu minimieren.
Das flottenweite Optimierungsmodul kann so konfiguriert sein, dass es den optimierten Kraftstoffverbrauch für jede Mission ermittelt, indem es eine Optimierung pro Mission durchführt, wobei die Optimierung pro Mission optional für jede jeweilige Mission umfasst:

Bestimmung des Typs und/oder der Betriebsfähigkeiten einer Verbrennungsanlage, die von dem jeweiligen Luftfahrzeug für den Einsatz verwendet wird;
Bestimmung des gesamten Kraftstoffbedarfs für die jeweilige Mission; Bestimmung der Kraftstoffmenge, die für jeden Typ von Einspritzdüsen in der Brennkammer für den jeweiligen Einsatz erforderlich ist, wenn mehr als ein Typ von Einspritzdüsen vorhanden ist;
Bestimmung der Abhängigkeit der nvPM-Emissionen für jeden Betriebspunkt des Triebwerks der Mission unter Verwendung eines Kraftstoffs mit den Merkmalen des Standardkraftstoffs, eines Nicht-Standardkraftstoffs oder einer Mischung davon; und Bestimmung eines optimierten Kraftstoffverbrauchs, der die gesamten nvPM-Emissionen für die jeweilige Mission minimiert.

Die Bestimmung des Typs der vom Luftfahrzeug verwendeten Verbrennungsanlage kann darin bestehen, dass festgestellt wird, ob das Luftfahrzeug eine gestufte Magerbrennkammer oder eine fette Brennkammer aufweist.
Handelt es sich bei der Brennkammer um eine Magerbrennkammer mit Voreinspritzdüsen und Haupteinspritzdüsen, kann die Bestimmung der für jeden Typ von Einspritzdüse erforderlichen Kraftstoffmenge umfassen:

Bestimmung der Kraftstoffmenge, die für die Voreinspritzdüsen während des Betriebs mit Vor- und Haupteinspritzung erforderlich ist; und/oder
Bestimmung der Kraftstoffmenge, die für die Voreinspritzdüsen während des Betriebs nur mit Voreinspritzung erforderlich ist; und/oder
Bestimmung der Kraftstoffmenge, die für die Voreinspritzdüsen benötigt wird, die innerhalb eines Schwellenbereichs des Betriebs bei Durchflussraten unterhalb des Stufenpunkts arbeiten.

Das flottenweite Optimierungsmodul kann so konfiguriert werden, dass die Grundlage der flottenweiten Optimierung gestützt ist auf:

Die vorliegende Offenlegung kann für jede relevante Konfiguration eines Gasturbinentriebwerks gelten. Ein solches Gasturbinentriebwerk kann beispielsweise ein Turbofan-Gasturbinentriebwerk, ein Gasturbinentriebwerk mit offenem Rotor (bei dem der Propeller nicht von einer Gondel umgeben ist), ein Turboprop-Triebwerk oder ein Turbojet-Triebwerk sein. Jedes dieser Triebwerke kann mit einem Nachbrenner ausgestattet sein, muss es aber nicht.
Ein Gasturbinentriebwerk gemäß einem beliebigen Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann einen Triebwerkskern mit einer Turbine, einer Brennkammer, einem Verdichter und einer Kernwelle umfassen, die die Turbine mit dem Verdichter verbindet. Ein solches Gasturbinentriebwerk kann einen Fan (mit Schaufelblättern) umfassen. Ein solcher Fan kann stromaufwärts des Triebwerkskerns angeordnet sein. Alternativ kann das Gasturbinentriebwerk in einigen Beispielen einen Fan aufweisen, der stromabwärts des Triebwerkskerns angeordnet ist, beispielsweise wenn es sich bei dem Gasturbinentriebwerk um einen offenen Rotor oder ein Turboprop-Triebwerk handelt (in diesem Fall kann der Fan als Propeller bezeichnet werden).
Handelt es sich bei dem Gasturbinentriebwerk um einen offenen Rotor oder ein Turboprop-Triebwerk, kann das Gasturbinentriebwerk zwei gegenläufige Propellerstufen umfassen, die über eine Welle an einer freien Nutzturbine befestigt sind und von dieser angetrieben werden. Die Propeller können sich in entgegengesetzter Richtung drehen, so dass sich einer im Uhrzeigersinn und der andere gegen den Uhrzeigersinn um die Rotationsachse des Triebwerks dreht. Alternativ kann das Gasturbinentriebwerk aus einer Propellerstufe und einer Leitschaufelstufe bestehen, die der Propellerstufe nachgeschaltet ist. Die Leitschaufelstufe kann eine variable Steigung aufweisen. Dementsprechend können Hochdruck-, Mitteldruck- und freie Leistungsturbinen Hoch- und Mitteldruckverdichter bzw. Propeller über geeignete Verbindungswellen antreiben. Auf diese Weise können die Propeller den größten Teil des Antriebsschubs liefern.
Handelt es sich bei dem Gasturbinentriebwerk um ein Triebwerk mit offenem Rotor oder um ein Turboprop-Triebwerk, so können eine oder mehrere der Propellerstufen durch ein Getriebe angetrieben werden. Das Getriebe kann von der hier beschriebenen Art sein.
Ein Triebwerk im Sinne der vorliegenden Offenbarung kann ein Turbofan-Triebwerk sein. Bei einem solchen Triebwerk kann es sich um ein direkt angetriebenes Turbofan-Triebwerk handeln, bei dem der Fan direkt mit der Fan-Antriebsturbine verbunden ist, zum Beispiel ohne Getriebe. Bei einem solchen Triebwerk mit Direktantrieb kann man sagen, dass sich der Fan mit der gleichen Drehzahl wie die Turbine des Bläserantriebs dreht.
Ein Triebwerk im Sinne der vorliegenden Offenbarung kann ein Getriebefan-Triebwerk sein. In einer solchen Anordnung hat das Triebwerk einen Fan, der über ein Getriebe angetrieben wird. Dementsprechend kann ein solches Gasturbinentriebwerk ein Getriebe umfassen, das einen Antrieb von der Kernwelle erhält und einen Antrieb an den Fan abgibt, um den Fan mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle anzutreiben. Der Antrieb des Getriebes kann direkt von der Kernwelle oder indirekt von der Kernwelle erfolgen, beispielsweise über eine Stirnwelle und/oder ein Zahnrad. Die Kernwelle kann die Turbine und den Verdichter starr verbinden, so dass die Turbine und der Verdichter mit der gleichen Drehzahl rotieren (wobei der Fan mit einer niedrigeren Drehzahl rotiert).
Das hier beschriebene und/oder beanspruchte Gasturbinentriebwerk kann jede geeignete allgemeine Architektur aufweisen. Zum Beispiel kann das Gasturbinentriebwerk eine beliebige Anzahl von Wellen haben, die Turbinen und Verdichter verbinden, zum Beispiel eine, zwei oder drei Wellen. Rein beispielhaft kann die mit der Kernwelle verbundene Turbine eine erste Turbine sein, der mit der Kernwelle verbundene Verdichter kann ein erster Verdichter sein, und die Kernwelle kann eine erste Kernwelle sein. Das Triebwerkskern kann ferner eine zweite Turbine, einen zweiten Verdichter und eine zweite Kernwelle umfassen, die die zweite Turbine mit dem zweiten Verdichter verbindet. Die zweite Turbine, der zweite Verdichter und die zweite Kernwelle können so angeordnet sein, dass sie sich mit einer höheren Drehzahl als die erste Kernwelle drehen.
In einer solchen Anordnung kann der zweite Verdichter axial stromabwärts des ersten Verdichters angeordnet sein. Der zweite Verdichter kann so angeordnet sein, dass er den Strom des ersten Verdichters aufnimmt (z. B. direkt, z. B. über eine allgemein ringförmige Leitung).
Das Getriebe kann so eingerichtet sein, dass es von der Kernwelle angetrieben wird, die (z. B. im Betrieb) mit der niedrigsten Drehzahl rotiert (z. B. die erste Kernwelle im obigen Beispiel). Das Getriebe kann beispielsweise so eingerichtet sein, dass es nur von der Kernwelle angetrieben wird, die so konfiguriert ist, dass sie sich (z. B. im Betrieb) mit der niedrigsten Drehzahl dreht (z. B. nur die erste Kernwelle und nicht die zweite Kernwelle, wie im obigen Beispiel). Alternativ kann das Getriebe so eingerichtet sein, dass es von einer oder mehreren Wellen angetrieben wird, z. B. von der ersten und/oder zweiten Welle im obigen Beispiel.
Bei dem Getriebe kann es sich um ein Untersetzungsgetriebe handeln (d. h. der Ausgang zum Fan hat eine geringere Drehzahl als der Eingang von der Kernwelle). Es kann jeder Getriebetyp verwendet werden. Das Getriebe kann beispielsweise ein „Planeten-“ oder „Stern“-Getriebe sein, wie an anderer Stelle hierin ausführlicher beschrieben. Ein solches Getriebe kann einstufig sein. Alternativ kann es sich um ein Verbundgetriebe handeln, z. B. ein Verbundplanetengetriebe (bei dem der Eingang auf dem Sonnenrad und der Ausgang auf dem Hohlrad liegt und das daher auch als „Verbundsterngetriebe“ bezeichnet wird), das z. B. zwei Untersetzungsstufen hat.
Das Getriebe kann ein beliebiges Untersetzungsverhältnis haben (definiert als die Drehzahl der Eingangswelle geteilt durch die Drehzahl der Ausgangswelle), zum Beispiel größer als 2,5, zum Beispiel im Bereich von 3 bis 4,2, oder 3,2 bis 3,8, zum Beispiel in der Größenordnung von oder mindestens 3, 3,1, 3,2, 3,3, 3,4, 3,5, 3,6, 3,7, 3,8, 3,9, 4, 4,1 oder 4,2. Das Übersetzungsverhältnis kann z. B. zwischen zwei der im vorstehenden Satz genannten Werte liegen. Rein beispielhaft kann das Getriebe ein „Stern“-Getriebe mit einem Untersetzungsverhältnis im Bereich von 3,1 oder 3,2 bis 3,8 sein. Als weiteres Beispiel kann das Getriebe ein „Stern“-Getriebe mit einem Untersetzungsverhältnis im Bereich von 3,0 bis 3,1 sein. Als weiteres Beispiel kann das Getriebe ein „Planetengetriebe“ mit einem Untersetzungsverhältnis im Bereich von 3,6 bis 4,2 sein. In einigen Anordnungen kann das Übersetzungsverhältnis außerhalb dieser Bereiche liegen.
In jedem Gasturbinentriebwerk, wie es hier beschrieben und/oder beansprucht wird, wird Kraftstoff einer bestimmten Zusammensetzung oder eines bestimmten Gemischs einer Brennkammer zugeführt, die in Bezug auf den Strömungsweg stromabwärts des Fans und des (der) Verdichter(s) angeordnet sein kann (z. B. axial stromabwärts). Die Verbrennungsanlage kann sich beispielsweise direkt stromabwärts (z. B. am Ausgang) des zweiten Verdichters befinden, wenn ein zweiter Verdichter vorgesehen ist. Ein weiteres Beispiel ist, dass die Strömung am Ausgang der Brennkammer dem Einlass der zweiten Turbine zugeführt werden kann, wenn eine zweite Turbine vorhanden ist. Die Verbrennungsanlage kann stromaufwärts der Turbine(n) angeordnet sein.
Der oder jeder Verdichter (z. B. der erste Verdichter und der zweite Verdichter wie oben beschrieben) kann eine beliebige Anzahl von Stufen umfassen, z. B. mehrere Stufen. Jede Stufe kann eine Reihe von Rotorschaufeln und eine Reihe von Statorschaufeln umfassen, bei denen es sich um variable Statorschaufeln handeln kann (da ihr Anstellwinkel variabel sein kann). Die Reihe der Rotorschaufeln und die Reihe der Statorschaufeln können axial zueinander versetzt sein. Bei dem Gasturbinentriebwerk kann es sich beispielsweise um ein direkt angetriebenes Turbofan-Gasturbinentriebwerk mit 13 oder 14 Verdichterstufen (zusätzlich zum Fan) handeln. Ein solches Triebwerk kann z. B. 3 Stufen im ersten (oder „Niederdruck“-) Verdichter und entweder 10 oder 11 Stufen im zweiten (oder „Hochdruck“-) Verdichter umfassen. Ein weiteres Beispiel ist ein Gasturbinentriebwerk mit „Getriebe“ (bei dem der Fan über ein Untersetzungsgetriebe von einer ersten Kernwelle angetrieben wird) mit 11, 12 oder 13 Verdichterstufen (zusätzlich zum Fan). Ein solches Triebwerk kann aus 3 oder 4 Stufen im ersten (oder „Niederdruck“-) Verdichter und 8 oder 9 Stufen im zweiten (oder „Hochdruck“-) Verdichter bestehen. Ein weiteres Beispiel ist ein Gasturbinentriebwerk mit Getriebe, das 4 Stufen im ersten (oder „Niederdruck“-) Verdichter und 10 Stufen im zweiten (oder „Hochdruck“-) Verdichter aufweist.
Die oder jede Turbine (z. B. die erste Turbine und die zweite Turbine wie oben beschrieben) kann eine beliebige Anzahl von Stufen umfassen, z. B. mehrere Stufen. Jede Stufe kann eine Reihe von Rotorschaufeln und eine Reihe von Statorschaufeln umfassen. Die Reihe der Rotorschaufeln und die Reihe der Statorschaufeln können axial zueinander versetzt sein. Die zweite Turbine (oder „Hochdruckturbine“) kann aus zwei Stufen in beliebiger Anordnung bestehen (z. B. unabhängig davon, ob es sich um ein Triebwerk mit Getriebe oder Direktantrieb handelt). Bei dem Gasturbinentriebwerk kann es sich um ein Gasturbinentriebwerk mit Direktantrieb handeln, das eine erste (oder „Niederdruck“-)Turbine mit 5, 6 oder 7 Stufen umfasst. Alternativ kann es sich bei dem Gasturbinentriebwerk um ein Gasturbinentriebwerk mit „Getriebe“ handeln, das eine erste (oder „Niederdruck“-)Turbine mit 3 oder 4 Stufen umfasst.
Jedes Schaufelblatt kann so definiert werden, dass es eine radiale Spannweite hat, die sich von einer Wurzel (oder Nabe) an einer radial inneren, gasumspülten Stelle oder einer Position mit 0% Spannweite bis zu einer Spitze mit 100% Spannweite erstreckt. Das Verhältnis zwischen dem Radius des Schaufelblatts an der Nabe und dem Radius des Schaufelblatts an der Spitze kann kleiner sein als (oder in der Größenordnung) von: 0,4, 0,39, 0,38, 0,37, 0,36, 0,35, 0,34, 0,33, 0,32, 0,31, 0,3, 0,29, 0,28, 0,27, 0,26, oder 0,25. Das Verhältnis zwischen dem Radius des Schaufelblatts an der Nabe und dem Radius des Schaufelblatts an der Spitze kann in einem Bereich liegen, der durch zwei beliebige der im vorstehenden Satz genannten Werte begrenzt ist (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden), beispielsweise im Bereich von 0,28 bis 0,32 oder 0,29 bis 0,30. Diese Verhältnisse können allgemein als Naben-Spitzen-Verhältnis bezeichnet werden. Der Radius an der Nabe und der Radius an der Spitze können beide an der Vorderkante (oder am axial vordersten Teil) des Blattes gemessen werden. Das Naben-Spitzen-Verhältnis bezieht sich natürlich auf den gasumspülten Teil des Schaufelblatts, d. h. den Teil, der sich radial außerhalb einer Plattform befindet.
Der Radius des Fans kann zwischen der Mittellinie des Triebwerks und der Spitze eines Schaufelblatts an dessen Vorderkante gemessen werden. Der Durchmesser des Fans (der einfach das Doppelte des Radius des Fans sein kann) kann größer sein als (oder in der Größenordnung von) einem von: 140 cm, 170 cm, 180 cm, 190 cm, 200 cm, 210 cm, 220 cm, 230 cm, 240 cm, 250 cm (etwa 100 Zoll), 260 cm, 270 cm (etwa 105 Zoll), 280 cm (etwa 110 Zoll), 290 cm (etwa 115 Zoll), 300 cm (etwa 120 Zoll), 310 cm, 320 cm (etwa 125 Zoll), 330 cm (etwa 130 Zoll), 340 cm (etwa 135 Zoll), 350 cm, 360 cm (etwa 140 Zoll), 370 cm (etwa 145 Zoll), 380 cm (etwa 150 Zoll), 390 cm (etwa 155 Zoll), 400 cm, 410 cm (etwa 160 Zoll) oder 420 cm (etwa 165 Zoll). Der Durchmesser des Fans kann in einem Bereich liegen, der durch zwei beliebige der im vorigen Satz genannten Werte begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden), beispielsweise im Bereich von 240 cm bis 280 cm oder 330 cm bis 380 cm. Rein beispielhaft kann der Durchmesser des Fans in einem Bereich von 170 cm bis 180 cm, 190 cm bis 200 cm, 200 cm bis 210 cm, 210 cm bis 230 cm, 290 cm bis 300 cm oder 340 cm bis 360 cm liegen.
Die Drehzahl des Fans kann im Betrieb variieren. Im Allgemeinen ist die Drehzahl bei Ventilatoren mit größerem Durchmesser niedriger. Rein beispielhaft kann die Drehzahl des Fans im Reiseflug weniger als 3500 U/min, z. B. weniger als 2500 U/min, z. B. weniger als 2300 U/min betragen. Als weiteres, nicht begrenztes Beispiel kann die Drehzahl des Fans bei Reiseflugbedingungen für ein Gasturbinentriebwerk mit Getriebe und einem Fan-Durchmesser im Bereich von 200 cm bis 210 cm im Bereich von 2750 bis 2900 U/min liegen. Als weiteres, nicht begrenztes Beispiel kann die Drehzahl des Fans im Reiseflug für ein Gasturbinentriebwerk mit Getriebefan mit einem Fan-Durchmesser im Bereich von 210 cm bis 230 cm im Bereich von 2500 bis 2800 U/min liegen. Als weiteres, nicht begrenztes Beispiel kann die Drehzahl des Fans bei Reiseflugbedingungen für ein Gasturbinentriebwerk mit Getriebefan mit einem Fan-Durchmesser im Bereich von 340 cm bis 360 cm im Bereich von 1500 bis 1800 U/min liegen. Rein beispielhaft kann die Drehzahl des Fans bei Reiseflugbedingungen für ein direkt angetriebenes Triebwerk mit einem Bläserdurchmesser im Bereich von 190 cm bis 200 cm im Bereich von 3600 bis 3900 U/min liegen. Als weiteres, nicht begrenztes Beispiel kann die Drehzahl des Fans im Reiseflug für ein Triebwerk mit Direktantrieb und einem Fan-Durchmesser im Bereich von 300 cm bis 340 cm im Bereich von 2000 bis 2800 U/min liegen.
Beim Betrieb des Gasturbinentriebwerks dreht sich der Fan (mit den zugehörigen Schaufelblättern) um eine Rotationsachse. Diese Drehung führt dazu, dass sich die Spitze des Fan-Blatts mit einer Geschwindigkeit U_Spitze bewegt. Die von den Fan-Blättern 23 an der Strömung geleistete Arbeit führt zu einem Enthalpieanstieg dH der Strömung. Die Belastung der Ventilatorspitze kann als dH/U_Spitze ² definiert werden, wobei dH der Enthalpieanstieg (z. B. der durchschnittliche 1-D-Enthalpieanstieg) über den Ventilator und U_tip die (Translations-)Geschwindigkeit der Ventilatorspitze, z. B. an der Vorderkante der Spitze (definiert als Radius der Ventilatorspitze an der Vorderkante multipliziert mit der Winkelgeschwindigkeit) ist. Die Belastung der Fan-Spitze im Reiseflug kann größer sein als (oder in der Größenordnung) von: 0,28, 0,29, 0,30, 0,31, 0,32, 0,33, 0,34, 0,35, 0,36, 0,37, 0,38, 0,39 oder 0,4 (alle Werte sind dimensionslos). Die Belastung der Fan-Spitze kann in einem Bereich liegen, der durch zwei beliebige der im vorhergehenden Satz genannten Werte begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden), z. B. im Bereich von 0,28 bis 0,31 oder 0,29 bis 0,3 (z. B. für ein Gasturbinentriebwerk mit Getriebe).
Gasturbinentriebwerke gemäß der vorliegenden Offenbarung können ein beliebiges Bypass-Verhältnis aufweisen, wobei das Bypass-Verhältnis als das Verhältnis der Massenstromrate des Durchflusses durch den Bypass-Kanal zur Massenstromrate des Durchflusses durch den Kern bei Reiseflugbedingungen definiert ist. In einigen Anordnungen kann das Bypass-Verhältnis größer als (oder in der Größenordnung von) einer der folgenden Werte sein: 9. 9.5, 10, 10.5, 11, 11.5, 12, 12.5, 13, 13.5, 14, 14.5, 15, 15.5, 16, 16.5, 17, 17.5, 18, 18.5, 19, 19.5 oder 20. Das Bypass-Verhältnis kann in einem umfassenden Bereich liegen, der durch zwei beliebige der im vorigen Satz genannten Werte begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden), beispielsweise im Bereich von 12 bis 16, 13 bis 15 oder 13 bis 14. Rein beispielhaft kann das Nebenstromverhältnis eines Gasturbinentriebwerks mit Direktantrieb gemäß der vorliegenden Offenbarung im Bereich von 9:1 bis 11:1 liegen. Das Bypass-Verhältnis eines Gasturbinentriebwerks mit Getriebe gemäß der vorliegenden Offenbarung kann im Bereich von 12:1 bis 15:1 liegen, wobei es sich bei dem Bypass-Kanal im Wesentlichen um einen Ringkanal handelt. Der Bypasskanal kann sich radial außerhalb des Triebwerks befinden. Die radial äußere Oberfläche des Bypass-Kanals kann durch eine Gondel und/oder ein Fan-Gehäuse definiert sein.
Das hier beschriebene und/oder beanspruchte Gesamtdruckverhältnis eines Gasturbinentriebwerks kann definiert werden als das Verhältnis zwischen dem Stagnationsdruck am Ausgang des Verdichters mit dem höchsten Druck (vor Eintritt in die Brennkammer) und dem Stagnationsdruck vor dem Fan. Als nicht begrenztes Beispiel kann das Gesamtdruckverhältnis eines Gasturbinentriebwerks, wie es hier beschrieben und/oder beansprucht wird, bei Reiseflug größer sein als (oder in der Größenordnung von) einem der folgenden Werte: 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75. Das Gesamtdruckverhältnis kann in einem Bereich liegen, der durch zwei beliebige der im vorstehenden Satz genannten Werte begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden), beispielsweise im Bereich von 50 bis 70. Rein beispielhaft kann das Gesamtdruckverhältnis im Reiseflug eines Gasturbinentriebwerks mit Getriebe und einem Fan-Durchmesser im Bereich von 200 cm bis 210 cm im Bereich von 40 bis 45 liegen. Das Gesamtdruckverhältnis bei Reiseflugbedingungen eines Gasturbinentriebwerks mit Getriebe und einem Fan-Durchmesser im Bereich von 210 cm bis 230 cm kann im Bereich von 45 bis 55 liegen. Das Gesamtdruckverhältnis bei Reiseflugbedingungen eines Gasturbinentriebwerks mit Getriebe und einem Fan-Durchmesser im Bereich von 340 cm bis 360 cm kann im Bereich von 50 bis 60 liegen. Das Gesamtdruckverhältnis im Reiseflug eines Gasturbinentriebwerks mit Direktantrieb und einem Fan-Durchmesser im Bereich von 300 cm bis 340 cm kann im Bereich von 50 bis 60 liegen, wobei es sich um ein nichtlimitiertes Beispiel handelt.
Der spezifische Schub eines Triebwerks kann definiert werden als der Netto-Schub des Triebwerks geteilt durch den gesamten Massenstrom durch das Triebwerk. In einigen Beispielen kann der spezifische Schub bei einem bestimmten Schubzustand von der spezifischen Zusammensetzung des der Brennkammer zugeführten Kraftstoffs abhängen. Bei Reiseflugbedingungen kann der spezifische Schub eines hier beschriebenen und/oder beanspruchten Triebwerks geringer sein als (oder in der Größenordnung) einer der folgenden Werte: 110 Nkg^-1 s, 105 Nkg^-1 s, 100 Nkg^-1 s, 95 Nkg^-1 s, 90 Nkg^-1 s, 85 Nkg^-1 s oder 80 Nkg^-1 s. Der spezifische Schub kann in einem umfassenden Bereich liegen, der durch zwei beliebige der im vorigen Satz genannten Werte begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden), beispielsweise im Bereich von 80 Nkg^-1 s bis 100 Nkg^-1 s oder 85 Nkg^-1 s bis 95 Nkg^-1 s. Solche Triebwerke können im Vergleich zu herkömmlichen Gasturbinentriebwerken besonders effizient sein. Rein beispielhaft kann der spezifische Schub eines Gasturbinentriebwerks mit Getriebe und einem Fan-Durchmesser von 200 cm bis 210 cm im Bereich von 90 Nkg^-1 s bis 95 Nkg^-1 s liegen. Rein beispielhaft kann der spezifische Schub eines Gasturbinentriebwerks mit Getriebe und einem Fan-Durchmesser im Bereich von 210 cm bis 230 cm im Bereich von 80 Nkg^-1 s bis 90 Nkg^-1 s liegen. Der spezifische Schub eines Gasturbinentriebwerks mit Getriebe und einem Fan-Durchmesser im Bereich von 340 cm bis 360 cm kann im Bereich von 70 Nkg^-1 s bis 90 Nkg^-1 s liegen, wobei es sich um ein nicht begrenztes Beispiel handelt. Der spezifische Schub eines Gasturbinentriebwerks mit Direktantrieb und einem Fan-Durchmesser im Bereich von 300 cm bis 340 cm kann im Bereich von 90 Nkg^-1 s bis 120 Nkg^-1 s liegen, wobei es sich um ein nicht begrenztes Beispiel handelt.
Ein Gasturbinentriebwerk, wie hierin beschrieben und/oder beansprucht, kann jeden gewünschten Maximalschub haben. Rein beispielhaft kann eine hierin beschriebene und/oder beanspruchte Gasturbine in der Lage sein, einen maximalen Schub von mindestens (oder in der Größenordnung von) einem der folgenden Werte zu erzeugen: 100kN, 110kN, 120kN, 130kN, 140kN, 150kN, 160kN, 170kN, 180kN, 190kN, 200kN, 250kN, 300kN, 350kN, 400kN, 450kN, 500kN, oder 550kN. Die maximale Schubkraft kann in einem umfassenden Bereich liegen, der durch zwei beliebige der im vorigen Satz genannten Werte begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Rein beispielhaft kann eine Gasturbine, wie sie hierin beschrieben und/oder beansprucht wird, in der Lage sein, einen maximalen Schub im Bereich von 330kN bis 420 kN, beispielsweise 350kN bis 400kN, zu erzeugen. Rein beispielhaft kann der Maximalschub eines Gasturbinentriebwerks mit Getriebe und einem Fan-Durchmesser im Bereich von 200 cm bis 210 cm im Bereich von 140kN bis 160kN liegen. Der maximale Schub eines Gasturbinentriebwerks mit Getriebe und einem Fan-Durchmesser im Bereich von 210 cm bis 230 cm kann im Bereich von 150kN bis 200kN liegen, wobei es sich um ein nicht begrenztes Beispiel handelt. Der maximale Schub eines Gasturbinentriebwerks mit Getriebe und einem Fan-Durchmesser im Bereich von 340 cm bis 360 cm kann im Bereich von 370kN bis 500kN liegen, wobei es sich um ein nicht begrenztes Beispiel handelt. Der maximale Schub eines Gasturbinentriebwerks mit Direktantrieb und einem Fan-Durchmesser im Bereich von 300 cm bis 340 cm kann im Bereich von 370kN bis 500kN liegen, wobei es sich um ein nicht begrenztes Beispiel handelt. Der oben genannte Schub kann der maximale Netto-Schub bei Standard-Atmosphärenbedingungen auf Meereshöhe plus 15 Grad Celsius (Umgebungsdruck 101,3 kPa, Temperatur 30 Grad Celsius) sein, wobei das Triebwerk stillsteht.
Im Betrieb kann die Temperatur der Strömung am Eintritt in die Hochdruckturbine besonders hoch sein. Diese Temperatur, die als TET bezeichnet werden kann, kann am Ausgang der Brennkammer gemessen werden, z. B. unmittelbar stromaufwärts von der ersten Turbinenschaufel, die ihrerseits als Leitschaufel bezeichnet werden kann. In einigen Beispielen kann die TET für einen bestimmten Schubzustand von der spezifischen Zusammensetzung des Kraftstoffs abhängen, der der Brennkammer zugeführt wird. Im Reiseflug kann die TET mindestens (oder in der Größenordnung) einer der folgenden Werte sein: 1400K, 1450K, 1500K, 1550K, 1600K oder 1650K. Rein beispielhaft kann die TET im Reiseflug eines Gasturbinentriebwerks mit Getriebeantrieb und einem Fan-Durchmesser im Bereich von 200 cm bis 210 cm im Bereich von 1540K bis 1600K liegen. Rein beispielhaft kann die TET im Reiseflug eines Gasturbinentriebwerks mit Getriebe und einem Fan-Durchmesser im Bereich von 210 cm bis 230 cm im Bereich von 1590 K bis 1650 K liegen. Rein beispielhaft kann die TET im Reiseflug eines Gasturbinentriebwerks mit Getriebe und einem Fan-Durchmesser im Bereich von 340 cm bis 360 cm im Bereich von 1600 K bis 1660 K liegen. Rein beispielhaft kann die TET im Reiseflug eines Gasturbinentriebwerks mit Direktantrieb und einem Fan-Durchmesser im Bereich von 300 cm bis 340 cm im Bereich von 1590 K bis 1650 K betragen. Rein beispielhaft kann die TET im Reiseflug eines Gasturbinentriebwerks mit Direktantrieb und einem Fan-Durchmesser im Bereich von 300 cm bis 340 cm im Bereich von 1570 K bis 1630 K liegen.
Die TET im Reiseflug kann in einem umfassenden Bereich liegen, der durch zwei beliebige der im vorstehenden Satz genannten Werte begrenzt wird (d. h. die Werte können Ober- oder Untergrenzen bilden). Die maximale TET im Betrieb des Triebwerks kann z. B. mindestens (oder in der Größenordnung) einer der folgenden Werte sein: 1700K, 1750K, 1800K, 1850K, 1900K, 1950K, 2000K, 2050K oder 2100K. Rein beispielhaft kann die maximale TET eines Gasturbinentriebwerks mit Getriebe und einem Fan-Durchmesser im Bereich von 200 cm bis 210 cm im Bereich von 1890K bis 1960K liegen. Rein beispielhaft kann die maximale TET eines Gasturbinentriebwerks mit Getriebe und einem Fan-Durchmesser im Bereich von 210 cm bis 230 cm im Bereich von 1890 K bis 1960 K liegen. Rein beispielhaft kann die maximale TET eines Gasturbinentriebwerks mit Getriebe und einem Fan-Durchmesser im Bereich von 340 cm bis 360 cm im Bereich von 1890 K bis 1960 K liegen. Die maximale TET eines Gasturbinentriebwerks mit Direktantrieb und einem Fan-Durchmesser im Bereich von 300 cm bis 340 cm kann im Bereich von 1935 K bis 1995 K liegen, wobei es sich um ein nichtbegrenzendes Beispiel handelt. Rein beispielhaft kann die maximale TET eines Gasturbinentriebwerks mit Direktantrieb und einem Fan-Durchmesser im Bereich von 300 cm bis 340 cm im Bereich von 1890 K bis 1950 K liegen. Die maximale TET kann in einem Bereich liegen, der durch zwei beliebige der im vorhergehenden Satz genannten Werte begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden), beispielsweise im Bereich von 1800 K bis 1950 K. Die maximale TET kann z. B. bei einem hohen Schubzustand, z. B. bei einem maximalen Startzustand (engl.: maximum take-off - MTO) auftreten.
Eine Fanschaufel (Gebläseschaufel) und/oder ein Schaufelblatt einer Fanschaufel wie hier beschrieben und/oder beansprucht kann aus jedem geeigneten Material oder einer Kombination von Materialien hergestellt werden. Zum Beispiel kann zumindest ein Teil der Fanschaufel und/oder des Schaufelblatts zumindest teilweise aus einem Verbundwerkstoff, beispielsweise einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff und/oder einem organischen Matrix-Verbundwerkstoff, wie z. B. Kohlefaserverbundwerkstoff, hergestellt werden. Als weiteres Beispiel kann zumindest ein Teil der Fanschaufel und/oder des Schaufelblatts zumindest teilweise aus einem Metall, wie einem Metall auf Titanbasis oder einem Material auf Aluminiumbasis (wie einer Aluminium-Lithium-Legierung) oder einem Material auf Stahlbasis, hergestellt werden. Die Fanschaufel kann aus mindestens zwei Bereichen bestehen, die aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sind. Die Fanschaufel kann beispielsweise eine schützende Vorderkante aufweisen, die aus einem Material gefertigt ist, das einem Aufprall (z. B. durch Vögel, Eis oder anderes Material) besser standhält als der Rest der Schaufel. Eine solche Vorderkante kann z. B. aus Titan oder einer Titanlegierung hergestellt werden. So kann die Fanschaufel beispielsweise einen Körper aus Kohlefaser oder Aluminium (wie eine Aluminium-Lithium-Legierung) mit einer Vorderkante aus Titan haben.
Ein Fan (Gebläse), wie er hierin beschrieben und/oder beansprucht wird, kann einen zentralen Abschnitt umfassen, von dem sich die Fanschaufeln erstrecken können, beispielsweise in einer radialen Richtung. Die Fanschaufeln können in jeder gewünschten Weise an dem zentralen Abschnitt befestigt sein. Beispielsweise kann jede Fanschaufel eine Befestigung aufweisen, die in einen entsprechenden Schlitz in der Nabe (oder Scheibe) eingreifen kann. Eine solche Befestigung kann rein als Beispiel in Form eines Schwalbenschwanzes vorliegen, der in einen entsprechenden Schlitz in der Nabe/Scheibe einsteckbar und/oder einrastbar ist, um die Fanschaufel an der Nabe/Scheibe zu befestigen. Als weiteres Beispiel können die Fanschaufeln einstückig mit einem zentralen Abschnitt ausgebildet sein. Eine derartige Anordnung kann als Schaufelscheibe oder Schaufelring bezeichnet werden. Jedes geeignete Verfahren kann zur Herstellung einer solchen Schaufelscheibe oder eines solchen Schaufelrings verwendet werden. Zum Beispiel kann mindestens ein Teil der Fanschaufeln aus einem Block gefertigt sein und/oder mindestens ein Teil der Fanschaufeln kann durch Schweißen, wie etwa lineares Reibschweißen, an der Nabe/Scheibe befestigt sein.
Die hier beschriebenen und/oder beanspruchten Gasturbinentriebwerke können mit einer Düse mit variablem Querschnitt (VAN) ausgestattet sein oder nicht. Mit einer solchen Düse mit variablem Querschnitt kann die Austrittsfläche des Bypass-Kanals im Betrieb variiert werden. Die allgemeinen Grundsätze der vorliegenden Offenbarung können für Triebwerke mit oder ohne VAN gelten.
Der Fan einer Gasturbine, wie er hier beschrieben und/oder beansprucht wird, kann eine beliebige Anzahl von Fanschaufeln haben, zum Beispiel 14, 16, 18, 20, 22, 24 oder 26 Fanschaufeln. Wenn die Fanschaufeln einen Körper aus Kohlefaserverbundwerkstoff haben, können 16 oder 18 Fanschaufeln vorhanden sein. Haben die Fanschaufeln einen Metallkörper (z. B. aus Aluminium-Lithium- oder Titan-Legierung), so können 18, 20 oder 22 Fanschaufeln vorhanden sein.
Die hier verwendeten Begriffe Leerlauf, Rollen, Start, Steigflug, Reiseflug, Sinkflug, Anflug und Landung haben die übliche Bedeutung und werden vom Fachmann ohne weiteres verstanden. So würde der Fachmann bei einem bestimmten Gasturbinentriebwerk für ein Luftfahrzeug sofort erkennen, dass sich jeder Begriff auf eine Betriebsphase des Triebwerks im Rahmen eines bestimmten Einsatzes eines Luftfahrzeugs bezieht, für das das Gasturbinentriebwerk vorgesehen ist.
In diesem Zusammenhang kann sich der Begriff „Leerlauf“ auf eine Betriebsphase des Triebwerks beziehen, in der das Luftfahrzeug stillsteht und Bodenkontakt hat, das Triebwerk aber laufen muss. Während des Leerlaufs kann das Triebwerk zwischen 3 % und 9 % des verfügbaren Schubs des Triebwerks erzeugen. In weiteren, nicht begrenzten Beispielen kann das Triebwerk zwischen 5 % und 8 % des verfügbaren Schubs erzeugen. In weiteren, nicht begrenzten Beispielen kann das Triebwerk zwischen 6 und 7 % des verfügbaren Schubs erzeugen. Der Rollbetrieb kann sich auf eine Betriebsphase des Triebwerks beziehen, in der das Luftfahrzeug mit Hilfe des vom Triebwerk erzeugten Schubs über den Boden bewegt wird. Während des Rollens kann das Triebwerk zwischen 5 % und 15 % des verfügbaren Schubs erzeugen. In weiteren, nicht begrenzten Beispielen kann das Triebwerk zwischen 6 % und 12 % des verfügbaren Schubs erzeugen. In weiteren, nicht begrenzten Beispielen kann das Triebwerk zwischen 7 % und 10 % des verfügbaren Schubs erzeugen. Der Begriff „Start“ kann sich auf eine Betriebsphase des Triebwerks beziehen, in der das Luftfahrzeug durch den vom Triebwerk erzeugten Schub angetrieben wird. In der Anfangsphase des Starts kann das Luftfahrzeug angetrieben werden, während es den Boden berührt. In einem späteren Stadium der Startphase kann das Luftfahrzeug angetrieben werden, während es keinen Bodenkontakt hat. Während des Starts kann das Triebwerk zwischen 90 % und 100 % des verfügbaren Schubs erzeugen. In weiteren, nicht begrenzten Beispielen kann das Triebwerk zwischen 95 % und 100 % des verfügbaren Schubs erzeugen. In weiteren, nicht limitierten Beispielen kann das Triebwerk 100 % des verfügbaren Schubs erzeugen.
Steigflug kann sich auf eine Betriebsphase des Triebwerks beziehen, in der das Luftfahrzeug durch den vom Triebwerk erzeugten Schub angetrieben wird. Während des Steigflugs kann das Triebwerk zwischen 75 % und 100 % des verfügbaren Schubs erzeugen. In weiteren, nicht begrenzten Beispielen kann das Triebwerk zwischen 80 % und 95 % des verfügbaren Schubs erzeugen. In weiteren, nicht begrenzten Beispielen kann das Triebwerk zwischen 85 % und 90 % des verfügbaren Schubs erzeugen. In diesem Zusammenhang kann sich der Steigflug auf die Betriebsphase eines Luftfahrzeugs zwischen dem Start und dem Erreichen der Reiseflugbedingungen beziehen. Zusätzlich oder alternativ kann sich der Begriff Steigflug auf einen nominalen Punkt in einem Luftfahrzeug-Flugzyklus zwischen Start und Landung beziehen, in dem ein relativer Höhengewinn erforderlich ist, der einen zusätzlichen Schubbedarf des Triebwerks erfordern kann.
Der hier verwendete Begriff „Reiseflugbedingungen“ hat die übliche Bedeutung und ist für den Fachmann ohne weiteres verständlich. So würde der Fachmann bei einem bestimmten Gasturbinentriebwerk für ein Luftfahrzeug sofort erkennen, dass die Reiseflugbedingungen den Betriebspunkt des Triebwerks in der Mitte des Reisefluges eines bestimmten Einsatzes (der in der Branche als „wirtschaftlicher Einsatz“ bezeichnet werden kann) eines Luftfahrzeugs bedeuten, an dem das Gasturbinentriebwerk angebracht werden soll. In diesem Zusammenhang ist die Reiseflugmitte der Punkt im Flugzyklus eines Luftfahrzeugs, an dem 50 % des gesamten Kraftstoffs, der zwischen dem höchsten Punkt des Steigflugs und dem Beginn des Sinkflugs verbrannt wird, verbrannt worden sind (was durch den mittleren Punkt - in Bezug auf Zeit und/oder Entfernung - zwischen dem höchsten Punkt des Steigflugs und dem Beginn des Sinkflugs angenähert werden kann). Die Reiseflugbedingungen definieren somit einen Betriebspunkt des Gasturbinentriebwerks, der einen Schub liefert, der den stationären Betrieb (d. h. die Aufrechterhaltung einer konstanten Höhe und einer konstanten Machzahl) in der Mitte des Reiseflugs eines Luftfahrzeugs, für das es ausgelegt ist, gewährleistet, wobei die Anzahl der Triebwerke für dieses Luftfahrzeug berücksichtigt wird. Wenn beispielsweise ein Triebwerk für den Anbau an ein Luftfahrzeug mit zwei Triebwerken desselben Typs ausgelegt ist, liefert das Triebwerk im Reiseflug die Hälfte des Gesamtschubs, der für den stationären Betrieb des Luftfahrzeugs in der Reiseflugmitte erforderlich wäre.
Mit anderen Worten: Für ein bestimmtes Gasturbinentriebwerk für ein Luftfahrzeug sind die Reiseflugbedingungen definiert als der Betriebspunkt des Triebwerks, der einen bestimmten Schub (der - in Kombination mit anderen Triebwerken im Luftfahrzeug - für den stationären Betrieb des Luftfahrzeugs, für das es ausgelegt ist, bei einer bestimmten Machzahl in der Reiseflugmitte erforderlich ist) bei den atmosphärischen Bedingungen in der Reiseflugmitte (definiert durch die internationale Standardatmosphäre gemäß ISO 2533 in der Reiseflughöhe) liefert. Für ein beliebiges Gasturbinentriebwerk für ein Luftfahrzeug sind der Schub in der Reiseflugmitte, die atmosphärischen Bedingungen und die Machzahl bekannt, so dass der Betriebspunkt des Triebwerks unter Reiseflugbedingungen klar definiert ist.
Rein beispielhaft kann die Vorwärtsgeschwindigkeit im Reiseflug ein beliebiger Punkt im Bereich von Mach 0,7 bis 0,9, z. B. 0,75 bis 0,85, z. B. 0,76 bis 0,84, z. B. 0,77 bis 0,83, z. B. 0,78 bis 0,82, z. B. 0,79 bis 0,81, z. B. in der Größenordnung von Mach 0,8, in der Größenordnung von Mach 0,85 oder im Bereich von 0,8 bis 0,85 sein. Jede einzelne Geschwindigkeit innerhalb dieser Bereiche kann Teil des Reiseflugs sein. Bei einigen Luftfahrzeugen können die Reiseflugbedingungen außerhalb dieser Bereiche liegen, z. B. unter Mach 0,7 oder über Mach 0,9.
Rein beispielhaft können die Reiseflugbedingungen den atmosphärischen Standardbedingungen (gemäß International Standard Atmosphere, ISA) in einer Höhe entsprechen, die im Bereich von 10000m bis 15000m, beispielsweise im Bereich von 10000m bis 12000m, beispielsweise im Bereich von 10400m bis 11600m (etwa 38000 ft) liegt, z.B. im Bereich von 10500m bis 11500m, z.B. im Bereich von 10600m bis 11400m, z.B. im Bereich von 10700m (etwa 35000 ft) bis 11300m, z.B. im Bereich von 10800m bis 11200m, z.B. im Bereich von 10900m bis 11100m, z.B. in der Größenordnung von 11000m. Die Reiseflugbedingungen können den atmosphärischen Standardbedingungen in jeder beliebigen Höhe in diesen Bereichen entsprechen.
Rein beispielhaft können die Reiseflugbedingungen einem Betriebspunkt des Triebwerks entsprechen, der ein bekanntes erforderliches Schubniveau (z. B. einen Wert im Bereich von 30kN bis 35kN) bei einer Vorwärts-Machzahl von 0,8 und Standardatmosphärenbedingungen (gemäß der internationalen Standardatmosphäre) in einer Höhe von 11582 m (38000 ft) liefert. Als weiteres Beispiel können die Reiseflugbedingungen einem Betriebspunkt des Triebwerks entsprechen, der einen bekannten erforderlichen Schub (z. B. einen Wert im Bereich von 50kN bis 65kN) bei einer Vorwärts-Machzahl von 0,85 und Standardatmosphärenbedingungen (gemäß der internationalen Standardatmosphäre) in einer Höhe von 10668m (35000ft) liefert.
Im Betrieb kann ein hierin beschriebenes und/oder beanspruchtes Gasturbinentriebwerk unter den an anderer Stelle hierin definierten Reiseflugbedingungen arbeiten. Solche Reiseflugbedingungen können durch die Reiseflugbedingungen (z. B. die Bedingungen in der Mitte des Reiseflugs) eines Luftfahrzeugs bestimmt werden, an dem mindestens ein (z. B. 2 oder 4) Gasturbinentriebwerk zur Erzeugung von Antriebsschub angebracht sein kann.
Darüber hinaus würde der Fachmann sofort erkennen, dass sich der Sinkflug oder der Landeanflug auf eine Betriebsphase innerhalb eines Luftfahrzeug-Flugzyklus zwischen Reiseflug und Landung des Luftfahrzeugs bezieht. Während des Sinkflugs oder des Anflugs kann das Triebwerk zwischen 20 % und 50 % des verfügbaren Schubs erzeugen. In weiteren, nicht abschließenden Beispielen kann das Triebwerk zwischen 25 % und 40 % des verfügbaren Schubs erzeugen. In weiteren, nicht begrenzten Beispielen kann das Triebwerk zwischen 30 % und 35 % des verfügbaren Schubs erzeugen. Zusätzlich oder alternativ kann sich der Begriff „Sinkflug“ auf einen nominalen Punkt im Flugzyklus eines Luftfahrzeugs zwischen Start und Landung beziehen, an dem ein relativer Höhenabfall erforderlich ist, der einen geringeren Schubbedarf des Triebwerks erfordern kann.
Gemäß einem Aspekt wird ein Luftfahrzeug mit einem Gasturbinentriebwerk, wie hierin beschrieben und/oder beansprucht, bereitgestellt. Das Luftfahrzeug nach diesem Aspekt ist das Luftfahrzeug, für das das Gasturbinentriebwerk zum Anbau vorgesehen ist. Dementsprechend entsprechen die Reiseflugbedingungen gemäß diesem Aspekt dem mittleren Reiseflug des Luftfahrzeugs, wie an anderer Stelle hierin definiert.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinentriebwerks, wie hierin beschrieben und/oder beansprucht, bereitgestellt. Der Betrieb kann bei jeder geeigneten Bedingung erfolgen, die wie an anderer Stelle hierin definiert sein kann (z. B. in Bezug auf den Schub, die atmosphärischen Bedingungen und die Machzahl).
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zum Betrieb eines Luftfahrzeugs mit einem Gasturbinentriebwerk, wie hierin beschrieben und/oder beansprucht, bereitgestellt. Der Betrieb gemäß diesem Aspekt kann den Betrieb in jedem geeigneten Zustand umfassen (oder sein), zum Beispiel in der Mitte des Reiseflugs des Luftfahrzeugs, wie an anderer Stelle hierin definiert.
Der Fachmann wird verstehen, dass ein Merkmal oder ein Parameter, das bzw. der in Bezug auf einen der oben genannten Aspekte beschrieben wird, auch auf jeden anderen Aspekt angewendet werden kann, sofern sich diese nicht gegenseitig ausschließen. Darüber hinaus kann jedes hier beschriebene Merkmal oder jeder hier beschriebene Parameter auf jeden Aspekt angewandt und/oder mit jedem anderen hier beschriebenen Merkmal oder Parameter kombiniert werden, sofern sich diese nicht gegenseitig ausschließen.
Ausführungsbeispiele werden im folgenden beispielhaft anhand der Figuren beschrieben, in denen:

1 ist eine Seitenschnittansicht eines Gasturbinentriebwerks;
2 ist eine Seitenschnittgroßansicht eines stromaufwärtigen Abschnitts eines Gasturbinentriebwerks;
3 ist eine zum Teil weggeschnitte Ansicht eines Getriebes für ein Gasturbinentriebwerk;
4 ist eine schematische Darstellung eines Luftfahrzeugs mit zwei Kraftstoffquellen;
5 ist eine schematische Darstellung des Verbrennungssystems eines Gasturbinentriebwerks, das an zwei Kraftstoffquellen angeschlossen ist;
6 zeigt den Zusammenhang zwischen der Durchflussrate des Kraftstoffs und der nvPM-Zahl;
7 zeigt die Abhängigkeit der nvPM-Zahl von der Durchflussrate des Kraftstoffs für verschiedene Kraftstoffzusammensetzungen;
8 zeigt eine alternative Abhängigkeit der nvPM-Zahl von der Durchflussrate des Kraftstoffs für verschiedene Kraftstoffzusammensetzungen;
9 zeigt eine schematische Darstellung eines anderen Verbrennungssystems;
10 veranschaulicht die Abhängigkeit der nvPM-Zahl von der Kraftstoff-Durchflussrate für die Anordnung aus 9;
11 veranschaulicht ein Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinentriebwerks;
12 zeigt eine schematische Ansicht eines anderen Verbrennungssystems;
13 zeigt die Abhängigkeit der nvPM-Zahl von der Kraftstoff-Durchflussrate für die Anordnung aus 12;
14 veranschaulicht ein weiteres Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinentriebwerks;
15 zeigt ein weiteres Beispiel für die Abhängigkeit der nvPM-Zahl von der Kraftstoff-Durchflussrate für die Anordnung aus 12;
16 veranschaulicht ein weiteres Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinentriebwerks;
17 zeigt eine schematische Darstellung eines anderen Verbrennungssystems;
18 veranschaulicht die Abhängigkeit der nvPM-Zahl von der Kraftstoff-Durchflussrate für die in 17 dargestellte Anordnung;
19 zeigt den Bereich der möglichen nvPM-Zahlen in Abhängigkeit von der Kraftstoff-Durchflussrate für die in 17 dargestellte Anordnung;
20 zeigt eine weitere Abhängigkeit der nvPM-Zahl von der Kraftstoff-Durchflussrate für die in 17 dargestellte Anordnung;
21 veranschaulicht ein weiteres Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinentriebwerks;
22 veranschaulicht die Abhängigkeit des Emissionsindexes für Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) von der Leistungseinstellung des Triebwerks;
23 zeigt die Abhängigkeit des Emissionsindexes von Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) von der Leistungseinstellung des Triebwerks bei einem Stufenpunkt (SP), der so eingestellt ist, dass ein erster und ein zweiter Reiseflugbereich definiert werden;
24 veranschaulicht die Abhängigkeit des nvPM-Emissionsindex von der Leistungseinstellung des Triebwerks;
25 zeigt die Abhängigkeit des nvPM-Emissionsindexes von der Leistungseinstellung des Triebwerks, um das Ergebnis der selektiven Verwendung von Kraftstoff mit anderen Merkmalen während eines ersten Reiseflugs des Triebwerks zu veranschaulichen;
26 veranschaulicht ein weiteres Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinentriebwerks;
27 zeigt die Abhängigkeit des CO- und HC-Emissionsindex (EI) von der Leistungseinstellung des Triebwerks, um die Auswirkungen eines Übergangsbereichs zwischen einem Betrieb nur mit Voreinspritzung und einem Betrieb mit Vor- und Haupteinspritzung zu verdeutlichen;
28 zeigt die Abhängigkeit des nvPM-Emissionsindex von der Leistungseinstellung des Triebwerks, um die Auswirkungen des Übergangsbereichs zu verdeutlichen;
29 veranschaulicht ein weiteres Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinentriebwerks;
30 veranschaulicht ein weiteres Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinentriebwerks;
31 zeigt eine schematische Darstellung eines anderen Verbrennungssystems;
32 veranschaulicht ein weiteres Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinentriebwerks;
33 veranschaulicht ein weiteres Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinentriebwerks;
34 veranschaulicht ein Verfahren zur Bestimmung eines oder mehrerer Kraftstoff-Beladungsparameter;
35 veranschaulicht ein Verfahren zum Laden von Kraftstoff in ein Luftfahrzeug;
36 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems zur Bestimmung der Kraftstoff-Beladungsparameter;
37 veranschaulicht ein Verfahren zur Bestimmung einer optimierten flottenweiten Kraftstoffzuteilung für eine Vielzahl von Flügen;
38 veranschaulicht eine flugbezogene Optimierung zur Ermittlung eines optimierten Kraftstoffverbrauchs;
39 veranschaulicht ein Verfahren zum Laden von Kraftstoff in eine Vielzahl von Luftfahrzeugen;
40 zeigt eine schematische Darstellung eines flottenweiten Systems zur Bestimmung der Kraftstoffzuteilung; und
41 zeigt eine schematische Ansicht einer Datenverarbeitungsanlage.

1 stellt ein Gasturbinentriebwerk 10 mit einer Hauptdrehachse 9 dar. Das Triebwerk 10 umfasst einen Lufteinlass 12 und ein Schubgebläse 23, das zwei Luftströme erzeugt: einen Kernluftstrom A und einen Bypassluftstrom B. Das Gasturbinentriebwerk 10 umfasst einen Kern 11, der den Kernluftstrom A aufnimmt. Der Triebwerkskern 11 umfasst in Axialströmungsreihenfolge einen Niederdruckverdichter 14, einen Hochdruckverdichter 15, eine Verbrennungseinrichtung 16, eine Hochdruckturbine 17, eine Niederdruckturbine 19 und eine Kernschubdüse 20. Eine Triebwerksgondel 21 umgibt das Gasturbinentriebwerk 10 und definiert einen Bypasskanal 22 und eine Bypassschubdüse 18. Der Bypassluftstrom B strömt durch den Bypasskanal 22. Das Gebläse (Fan) 23 ist über eine Welle 26 und ein Epizykloidengetriebe 30 an der Niederdruckturbine 19 angebracht und wird durch diese angetrieben.
Im Betrieb wird der Kernluftstrom A durch den Niederdruckverdichter 14 beschleunigt und verdichtet und in den Hochdruckverdichter 15 geleitet, wo eine weitere Verdichtung stattfindet. Die aus dem Hochdruckverdichter 15 austretende komprimierte Luft wird in die Verbrennungsanlage 16 geleitet, wo sie mit Kraftstoff F vermischt und das Gemisch verbrannt wird. Die Verbrennungsanlage 16 kann als Brennkammer 16 bezeichnet werden, wobei die Begriffe „Verbrennungsanlage 16“ und „Brennkammer 16“ hier synonym verwendet werden. Die entstehenden heißen Verbrennungsprodukte expandieren dann durch die Hoch- und Niederdruckturbinen 17, 19 und treiben diese an, bevor sie durch die Düse 20 ausgestoßen werden, um einen gewissen Vortrieb zu erzeugen. Die Hochdruckturbine 17 treibt den Hochdruckverdichter 15 über eine geeignete Verbindungswelle 27 an. Der Fan 23 liefert im Allgemeinen den größten Teil des Antriebsschubs. Das Planetengetriebe 30 ist ein Untersetzungsgetriebe.
Eine beispielhafte Anordnung für ein Getriebegebläse-Gasturbinentriebwerk 10 wird in 2 gezeigt. Die Niederdruckturbine 19 (siehe 1) treibt die Welle 26 an, die mit einem Sonnenrad 28 der Epizykloidengetriebeanordnung 30 gekoppelt ist. Mehrere Planetenräder 32, die durch einen Planetenträger 34 miteinander gekoppelt sind, befinden sich von dem Sonnenrad 28 radial außen und kämmen damit. Der Planetenträger 34 beschränkt die Planetenräder 32 darauf, synchron um das Sonnenrad 28 zu kreisen, während er ermöglicht, dass sich jedes Planetenrad 32 um seine eigene Achse drehen kann. Der Planetenträger 34 ist über Gestänge 36 mit dem Gebläse 23 dahingehend gekoppelt, seine Drehung um die Triebwerksachse 9 anzutreiben. Ein Außenrad oder Hohlrad 38, das über Gestänge 40 mit einer stationären Stützstruktur 24 gekoppelt ist, befindet sich von den Planetenrädern 32 radial außen und kämmt damit.
Es wird angemerkt, dass die Begriffe „Niederdruckturbine“ und „Niederdruckverdichter“, so wie sie hier verwendet werden, so aufgefasst werden können, dass sie die Turbinenstufe mit dem niedrigsten Druck bzw. die Verdichterstufe mit dem niedrigsten Druck (d. h. dass sie nicht das Gebläse 23 umfassen) und/oder die Turbinen- und Verdichterstufe, die durch die Verbindungswelle 26 mit der niedrigsten Drehzahl in dem Triebwerk (d. h. dass sie nicht die Getriebeausgangswelle, die das Gebläse 23 antreibt, umfasst) miteinander verbunden sind, bedeuten. In einigen Schriften können die „Niederdruckturbine“ und der „Niederdruckverdichter“, auf die hier Bezug genommen wird, alternativ dazu als die „Mitteldruckturbine“ und „Mitteldruckverdichter“ bekannt sein. Bei der Verwendung derartiger alternativer Nomenklatur kann das Gebläse 23 als eine erste Verdichtungsstufe oder Verdichtungsstufe mit dem niedrigsten Druck bezeichnet werden.
Das Epizykloidengetriebe 30 wird in 3 beispielhaft genauer gezeigt. Das Sonnenrad 28, die Planetenräder 32 und das Hohlrad 38 umfassen jeweils Zähne um ihre Peripherie zum Kämmen mit den anderen Zahnrädern. Jedoch werden der Übersichtlichkeit halber lediglich beispielhafte Abschnitte der Zähne in 3 dargestellt. Obgleich vier Planetenräder 32 dargestellt werden, liegt für den Fachmann auf der Hand, dass innerhalb des Schutzumfangs der beanspruchten Erfindung mehr oder weniger Planetenräder 32 vorgesehen sein können. Praktische Anwendungen eines Epizykloidengetriebes 30 umfassen allgemein mindestens drei Planetenräder 32.
Das in 2 und 3 beispielhaft dargestellte Epizykloidengetriebe 30 ist ein Planetengetriebe, bei dem der Planetenträger 34 über Gestänge 36 mit einer Ausgangswelle gekoppelt ist, wobei das Hohlrad 38 festgelegt ist. Jedoch kann eine beliebige andere geeignete Art von Epizykloidengetriebe 30 verwendet werden. Als ein weiteres Beispiel kann das Epizykloidengetriebe 30 eine Sternanordnung sein, bei der der Planetenträger 34 festgelegt gehalten wird, wobei gestattet wird, dass sich das Hohlrad (oder Außenrad) 38 dreht. Bei solch einer Anordnung wird das Gebläse 23 von dem Hohlrad 38 angetrieben. Als ein weiteres alternatives Beispiel kann das Getriebe 30 ein Differenzialgetriebe sein, bei dem gestattet wird, dass sich sowohl das Hohlrad 38 als auch der Planetenträger 34 drehen.
Es versteht sich, dass die in 2 und 3 gezeigte Anordnung lediglich beispielhaft ist und verschiedene Alternativen in dem Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung liegen. Lediglich beispielhaft kann eine beliebige geeignete Anordnung zur Positionierung des Getriebes 30 in dem Triebwerk 10 und/oder zur Verbindung des Getriebes 30 mit dem Triebwerk 10 verwendet werden. Als ein weiteres Beispiel können die Verbindungen (z. B. die Gestänge 36, 40 in dem Beispiel von 2) zwischen dem Getriebe 30 und anderen Teilen des Triebwerks 10 (wie z. B. der Eingangswelle 26, der Ausgangswelle und der festgelegten Struktur 24) einen gewissen Grad an Steifigkeit oder Flexibilität aufweisen. Als ein weiteres Beispiel kann eine beliebige geeignete Anordnung der Lager zwischen rotierenden und stationären Teilen des Triebwerks (beispielsweise zwischen der Eingangs- und der Ausgangswelle des Getriebes und den festgelegten Strukturen, wie z. B. dem Getriebegehäuse) verwendet werden, und die Offenbarung ist nicht auf die beispielhafte Anordnung von 2 beschränkt. Beispielsweise ist für den Fachmann ohne Weiteres erkenntlich, dass sich die Anordnung von Ausgang und Stützgestängen und Lagerpositionierungen bei einer Sternanordnung (oben beschrieben) des Getriebes 30 in der Regel von jenen, die beispielhaft in 2 gezeigt werden, unterscheiden würden.
Entsprechend dehnt sich die vorliegende Offenbarung auf ein Gasturbinentriebwerk mit einer beliebigen Anordnung der Getriebearten (beispielsweise sternförmig oder planetenartig), Stützstrukturen, Eingangs- und Ausgangswellenanordnung und Lagerpositionierungen aus.
Optional kann das Getriebe Neben- und/oder alternative Komponenten (z. B. den Mitteldruckverdichter und/oder einen Nachverdichter) antreiben.
Andere Gasturbinentriebwerke, bei denen die vorliegende Offenbarung Anwendung finden kann, können alternative Konfigurationen aufweisen. Beispielsweise können derartige Triebwerke eine alternative Anzahl an Verdichtern und/oder Turbinen und/oder eine alternative Anzahl an Verbindungswellen aufweisen. Als ein weiteres Beispiel weist das in 1 gezeigte Gasturbinentriebwerk eine Teilungsstromdüse 18, 20 auf, was bedeutet, dass der Strom durch den Bypasskanal 22 seine eigene Düse aufweist, die von der Triebwerkskerndüse 20 separat und davon radial außen ist. Jedoch ist dies nicht einschränkend und ein beliebiger Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann auch auf Triebwerke zutreffen, bei denen der Strom durch den Bypasskanal 22 und der Strom durch den Kern 11 vor (oder stromaufwärts) einer einzigen Düse, die als eine Mischstromdüse bezeichnet werden kann, vermischt oder kombiniert werden. Eine oder beide Düsen (ob Misch- oder Teilungsstrom) kann einen festgelegten oder variablen Bereich aufweisen.
Das beschriebene Beispiel bezieht sich zwar auf ein Turbofan-Triebwerk, die Offenbarung kann jedoch für jede Art von Gasturbinentriebwerk gelten, z. B. für ein offenes Rotor- (bei dem die Fan-Stufe nicht von einer Gondel umgeben ist) oder Turboprop-Triebwerk. In einigen Anordnungen kann das Gasturbinentriebwerk 10 kein Getriebe 30 umfassen.
Die Geometrie des Gasturbinentriebwerks 10 und seiner Komponenten wird durch ein herkömmliches Achsensystem definiert, das eine axiale Richtung (die mit der Rotationsachse 9 ausgerichtet ist), eine radiale Richtung (in 1 von unten nach oben) und eine Umfangsrichtung (senkrecht zur Seite in der Ansicht von 1) umfasst. Die axiale, die radiale und die umlaufende Richtung stehen zueinander senkrecht.
Der Kraftstoff F, der der Verbrennungsanlage 16 zugeführt wird, kann ein fossiler KohlenwasserstoffKraftstoff wie Kerosin sein. So kann der Kraftstoff F Moleküle aus einer oder mehreren der chemischen Familien der n-Alkane, Iso-Alkane, Cycloalkane und Aromaten umfassen. Zusätzlich oder alternativ kann der Kraftstoff F aus erneuerbaren Kohlenwasserstoffen bestehen, die aus biologischen oder nicht-biologischen Ressourcen hergestellt werden, auch bekannt als nachhaltiger Flugkraftstoff (SAF). In jedem der genannten Beispiele kann der Kraftstoff F ein oder mehrere Spurenelemente enthalten, z. B. Schwefel, Stickstoff, Sauerstoff, anorganische Stoffe und Metalle.
Die funktionelle Leistung einer bestimmten Zusammensetzung oder eines bestimmten Kraftstoffgemischs für einen bestimmten Einsatz kann zumindest teilweise durch die Fähigkeit des Kraftstoffs definiert werden, den Brayton-Zyklus des Gasturbinentriebwerks 10 zu bedienen. Zu den Parametern, die die funktionale Leistung definieren, gehören beispielsweise die spezifische Energie, die Energiedichte, die thermische Stabilität und die Emissionen, einschließlich der Partikelemissionen. Eine relativ höhere spezifische Energie (d. h. Energie pro Masseneinheit), ausgedrückt als MJ/kg, kann zumindest teilweise das Startgewicht verringern und damit möglicherweise eine relative Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs bewirken. Eine relativ höhere Energiedichte (d. h. Energie pro Volumeneinheit), ausgedrückt als MJ/L, kann zumindest teilweise das Startkraftstoffvolumen verringern, was besonders wichtig für volumenbegrenzte Einsätze oder militärische Operationen mit Betankung sein kann. Eine relativ höhere thermische Stabilität (d. h. die Verhinderung der Zersetzung oder Verkokung von Kraftstoff unter thermischer Belastung) kann es dem Kraftstoff ermöglichen, höhere Temperaturen im Triebwerk und in den Einspritzdüsen aufrechtzuerhalten, was zu einer relativen Verbesserung des Verbrennungswirkungsgrads führen kann. Geringere Emissionen, einschließlich Feinstaub, können die Bildung von Kondensstreifen verringern und gleichzeitig die Umweltauswirkungen einer bestimmten Mission reduzieren. Auch andere Eigenschaften des Kraftstoffs können für die Funktionsfähigkeit entscheidend sein. So kann ein relativ niedriger Gefrierpunkt (°C) bei Langstreckeneinsätzen eine Optimierung des Flugprofils ermöglichen; eine Mindestkonzentration an Aromaten (%) kann eine ausreichende Quellung bestimmter Materialien gewährleisten, die bei der Herstellung von O-Ringen und Dichtungen verwendet werden und zuvor Kraftstoffen mit hohem Aromatengehalt ausgesetzt waren; und eine maximale Oberflächenspannung (mN/m) kann eine ausreichende Sprühzerstäubung und Zerstäubung des Kraftstoffs sicherstellen.
Das Verhältnis zwischen der Anzahl der Wasserstoffatome und der Anzahl der Kohlenstoffatome in einem Molekül kann die spezifische Energie einer bestimmten Zusammensetzung oder Mischung von Kraftstoff beeinflussen. Kraftstoffe mit einem höheren Verhältnis von Wasserstoffatomen zu Kohlenstoffatomen können eine höhere spezifische Energie aufweisen, wenn keine Bindungsspannung vorliegt. Kohlenwasserstoff-Kraftstoffe auf fossiler Basis können beispielsweise aus Molekülen mit etwa 7 bis 18 Kohlenstoffatomen bestehen, wobei ein erheblicher Anteil einer bestimmten Zusammensetzung aus Molekülen mit 9 bis 15 Kohlenstoffatomen besteht, mit einem Durchschnitt von 12 Kohlenstoffatomen.
Eine Reihe von nachhaltigen Flugkraftstoff-Mischungen sind bereits zugelassen, die zwischen 10 und 50 % nachhaltigen Kraftstoff enthalten (der Rest besteht aus einem oder mehreren fossilen Kohlenwasserstoff-Kraftstoffen wie Kerosin), wobei weitere Zusammensetzungen auf ihre Zulassung warten. In der Luftfahrtindustrie geht man jedoch davon aus, dass nachhaltige Flugkraftstoffmischungen, die bis zu 100 % nachhaltigen Kraftstoff (SAF) enthalten, letztendlich zur Verwendung zugelassen werden.
Nachhaltige Flugkraftstoffe können eines oder mehrere der folgenden Elemente enthalten: n-Alkane, Iso-Alkane, Cyclo-Alkane und Aromaten. Sie können beispielsweise aus einem oder mehreren der folgenden Elemente hergestellt werden: Synthesegas (Syngas), Lipide (z. B. Fette, Öle und Fette), Zucker und Alkohole. Nachhaltige Flugkraftstoffe können daher im Vergleich zu fossilen Kohlenwasserstoffkraftstoffen einen geringeren Gehalt an Aromaten und Schwefel aufweisen oder beides. Zusätzlich oder alternativ können nachhaltige Flugkraftstoffe einen höheren Gehalt an Iso-Alkanen und Cyclo-Alkanen im Vergleich zu fossilen Kohlenwasserstoff-Kraftstoffen aufweisen. So können nachhaltige Flugkraftstoffe in einigen Beispielen entweder eine Dichte zwischen 90 % und 98 % der Dichte von Kerosin oder einen Brennwert zwischen 101 % und 105 % des Brennwerts von Kerosin aufweisen oder beides.
Zumindest teilweise aufgrund der molekularen Struktur nachhaltiger Flugkraftstoffe können nachhaltige Flugkraftstoffe im Vergleich zu fossilen Kohlenwasserstoff-Kraftstoffen (z. B. bei der Verbrennung in der Verbrennungsanlage 16) folgende Vorteile bieten: eine höhere spezifische Energie (trotz einer in einigen Beispielen niedrigeren Energiedichte), eine höhere spezifische Wärmekapazität, eine höhere thermische Stabilität, eine höhere Schmierfähigkeit, eine niedrigere Viskosität, eine niedrigere Oberflächenspannung, einen niedrigeren Gefrierpunkt, niedrigere Rußemissionen und niedrigere CO₂ Emissionen. Dementsprechend können nachhaltige Flugkraftstoffe im Vergleich zu fossilen Kohlenwasserstoff-Kraftstoffen wie Kerosin zu einem relativen Rückgang des spezifischen Kraftstoffverbrauchs oder zu einem relativen Rückgang der Wartungskosten führen.
Kraftstoffsystem und Kraftstoffmerkmale von Luftfahrzeugen
4 zeigt ein Luftfahrzeug 1 mit zwei Gasturbinentriebwerken 10 gemäß einem der hier beschriebenen Beispiele. In diesem Beispiel umfasst das Luftfahrzeug 1 zwei Gasturbinentriebwerke 10, kann aber in anderen Beispielen auch ein oder mehrere Gasturbinentriebwerke umfassen. Das Luftfahrzeug 1 umfasst ferner ein Luftfahrzeug-Kraftstoffsystem, das sich an Bord des Luftfahrzeugs befindet und geeignet ist, jedes der Gasturbinentriebwerke 10 mit Kraftstoff F zu versorgen, der in der Verbrennungsanlage 16 des Triebwerks wie oben beschrieben verbrannt wird. Das Luftfahrzeug-Kraftstoffsystem ist so angeordnet, dass es Kraftstoff an ein Triebwerkskraftstoffsystem liefert, das an jedem der Gasturbinentriebwerke 10 vorgesehen ist. Das Kraftstoffsystem des Triebwerks und das Kraftstoffsystem des Luftfahrzeugs bilden zusammen das Kraftstoffversorgungssystem des Flugzeugs 1.
Das Kraftstoffsystem des Luftfahrzeugs umfasst zwei Kraftstoffquellen, eine erste Kraftstoffquelle 302 und eine zweite Kraftstoffquelle 304 (in 4 unterschiedlich schattiert). Für die Zwecke der vorliegenden Anwendung ist unter dem Begriff „Kraftstoffquelle“ entweder 1) ein einzelner Kraftstofftank oder 2) eine Vielzahl von Kraftstofftanks zu verstehen, die miteinander verbunden sein können oder nicht. Jede der Kraftstoffquellen ist so angeordnet, dass sie getrennte Kraftstoffquellen bereitstellt, d. h. die erste Kraftstoffquelle kann einen ersten Kraftstoff enthalten, der eine andere Eigenschaft oder andere Eigenschaften hat als ein zweiter Kraftstoff, der in der zweiten Kraftstoffquelle enthalten ist. Die erste und die zweite Kraftstoffquelle sind daher nicht strömungstechnisch miteinander verbunden, um die verschiedenen Kraftstoffe zu trennen (zumindest unter normalen Betriebsbedingungen, wie an anderer Stelle hierin beschrieben).
Das Kraftstoffsystem des Luftfahrzeugs kann eine Vielzahl von Kraftstofftanks umfassen, die selektiv in verschiedenen Anordnungen miteinander verbunden werden können, um die erste und zweite Kraftstoffquelle zu bilden. Die Kraftstofftanks können zugehörige Absperrventile aufweisen, so dass verschiedene Kombinationen von Tanks in unterschiedlichen Konfigurationen zusammengefasst werden können. In solchen Beispielen kann es mehrere Möglichkeiten geben, einzelne Kraftstofftanks der ersten Kraftstoffquelle und der zweiten Kraftstoffquelle zuzuordnen. In anderen Beispielen kann die Zuordnung der Kraftstofftanks zu den einzelnen Kraftstoffquellen fest sein. Im vorliegenden Beispiel ist das Gesamtvolumen der Kraftstofftanks, die die erste Kraftstoffquelle 302 bilden, kleiner oder gleich dem Volumen der Kraftstofftanks, die die zweite Kraftstoffquelle 304 bilden. Bei anderen Beispielen ist dies jedoch nicht unbedingt der Fall.
Im vorliegenden Beispiel umfassen die erste und zweite Kraftstoffquelle 302, 304 eine Vielzahl von Flügelkraftstofftanks 53, von denen sich mindestens ein Flügelkraftstofftank im Backbordflügel und mindestens ein Flügelkraftstofftank im Steuerbordflügel befindet, sowie einen mittleren Kraftstofftank 55, der sich hauptsächlich im Rumpf des Luftfahrzeugs 1 befindet. Sowohl der mittlere Kraftstofftank 55 als auch die Flügelkraftstofftanks 53 können aus einer Vielzahl von miteinander verbundenen Kraftstofftanks bestehen, die in den Figuren nicht dargestellt sind. Wie die Schattierung in 4 zeigt, bilden die Flügelkraftstofftanks 53 die erste Kraftstoffquelle 302, während die zweite Kraftstoffquelle 304 im vorliegenden Beispiel durch den mittleren Kraftstofftank 55 gebildet wird.
Zum Ausgleich können ein oder mehrere Kraftstofftanks im Backbordflügel mit einem oder mehreren Kraftstofftanks im Steuerbordflügel verbunden werden. Dies kann entweder über einen mittleren Kraftstofftank erfolgen (wenn dieser nicht Teil der anderen Kraftstoffquelle ist) oder unter Umgehung des/der mittleren Kraftstofftanks oder beides (für maximale Flexibilität und Sicherheit).
In einem anderen Beispiel umfasst die zweite Kraftstoffquelle 304 Flügelkraftstofftanks und einen mittleren Kraftstofftank, während die erste Kraftstoffquelle 302 einen weiteren separaten mittleren Kraftstofftank umfasst. Eine Flüssigkeitsverbindung zwischen den Kraftstofftanks der Flügel und dem mittleren Kraftstofftank der zweiten Kraftstoffquelle kann zum Ausgleich des Luftfahrzeugs vorgesehen werden.
In einigen Beispielen kann die Zuordnung der im Luftfahrzeug verfügbaren Kraftstofftanks so eingeschränkt werden, dass die erste Kraftstoffquelle und die zweite Kraftstoffquelle 302, 304 jeweils im Wesentlichen symmetrisch zur Mittellinie des Luftfahrzeugs angeordnet sind. In Fällen, in denen eine asymmetrische Verteilung der Kraftstofftanks zulässig ist, ist ein geeignetes Mittel zur Kraftstoffübertragung zwischen den Kraftstofftanks der ersten Kraftstoffquelle und/oder zwischen den Kraftstofftanks der zweiten Kraftstoffquelle vorgesehen, so dass die Position des Massenschwerpunkts des Luftfahrzeugs während des gesamten Flugs innerhalb akzeptabler seitlicher Grenzen gehalten werden kann.
Ein Kraftstofftank für die Trimmung könnte in einigen Beispielen Teil der ersten Kraftstoffquelle 302 oder in anderen Beispielen Teil der zweiten Kraftstoffquelle 304 sein. Die Zuordnung von Kraftstofftanks zu der ersten Kraftstoffquelle 302 und der zweiten Kraftstoffquelle 304 kann so eingeschränkt werden, dass weder die erste Kraftstoffquelle 302 noch die zweite Kraftstoffquelle 304 ausschließlich den Kraftstofftank für die Trimmung umfasst.
Während die in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Beispiele nur eine erste und eine zweite Kraftstoffquelle 302, 304 aufweisen, können in anderen Beispielen weitere Kraftstoffquellen vorgesehen werden, so dass Kraftstoff aus einer beliebigen Anzahl von Quellen mit jeweils unterschiedlichen Kraftstoffmerkmalen oder -eigenschaften über den Kraftstoff-Zufuhrregler der Brennkammer zugeführt werden kann.
Die erste und die zweite Kraftstoffquelle 302, 304 können zur Speicherung von Kraftstoff mit unterschiedlichen Merkmalen verwendet werden. Dadurch kann der Verbrennungsanlage 16 Kraftstoff mit unterschiedlichen Merkmalen zugeführt werden, wie in den verschiedenen Beispielen weiter unten näher beschrieben wird.
Der hier verwendete Begriff „Kraftstoffmerkmale“ bezieht sich auf intrinsische oder inhärente Kraftstoffeigenschaften wie die Kraftstoffzusammensetzung und nicht auf variable Eigenschaften wie Volumen oder Temperatur. Beispiele für Kraftstoffmerkmale sind eines oder mehrere der folgenden Merkmale:

i. den prozentualen Anteil an nachhaltigem Flugkraftstoff (SAF) im Kraftstoff oder die Angabe, dass es sich um einen fossilen Kraftstoff, z. B. fossiles Kerosin, oder um einen reinen SAF handelt;
ii. Parameter einer Kohlenwasserstoffverteilung des Kraftstoffs, wie z. B.:
- • den Gehalt an aromatischen Kohlenwasserstoffen im Kraftstoff und gegebenenfalls auch / alternativ den Gehalt an multiaromatischen Kohlenwasserstoffen im Kraftstoff;
- • das Wasserstoff-Kohlenstoff-Verhältnis (H/C) des Kraftstoffs;
- • Angaben zur prozentualen Zusammensetzung für einige oder alle vorhandenen Kohlenwasserstoffe;
iii. das Vorhandensein oder der prozentuale Anteil eines bestimmten Elements oder einer bestimmten Art, wie z. B.:
- • der prozentuale Anteil der stickstoffhaltigen Spezies im Kraftstoff;
- • das Vorhandensein oder der prozentuale Anteil einer Tracer-Spezies oder eines Spurenelements im Kraftstoff (z. B. eine im Kraftstoff inhärent vorhandene Spurensubstanz, die von Kraftstoff zu Kraftstoff unterschiedlich sein kann und somit zur Identifizierung eines Kraftstoffs verwendet werden kann, und/oder eine absichtlich zugesetzte Substanz, die als Tracer wirkt);
- • Naphthalin-Gehalt des Kraftstoffs;
- • Schwefelgehalt des Kraftstoffs;
- • Cycloparaffingehalt des Kraftstoffs;
- • Sauerstoffgehalt des Kraftstoffs;
iv. eine oder mehrere Eigenschaften des Kraftstoffs bei der Verwendung in einem Gasturbinentriebwerk 10, wie z. B.:
- • Höhe der nichtflüchtigen Partikelemissionen (nvPM) oder der CO-Emissionen₂ bei der Verbrennung (es kann ein Wert für einen bestimmten Kraftstoff angegeben werden, der unter bestimmten Bedingungen betrieben wird, um einen fairen Vergleich der Kraftstoffe zu ermöglichen - ein gemessener Wert kann auf der Grundlage der Eigenschaften und Bedingungen des Kraftstoffs entsprechend angepasst werden);
- • Verkokungsgrad des Kraftstoffs;
v. eine oder mehrere Eigenschaften des Kraftstoffs selbst, unabhängig von der Verwendung in einem Triebwerk oder der Verbrennung, wie z. B:
- • thermische Stabilität des Kraftstoffs (z. B. Temperatur des thermischen Durchbruchs); und
- • eine oder mehrere physikalische Eigenschaften wie Dichte, Viskosität, Brennwert, Gefriertemperatur und/oder Wärmekapazität.

Das Luftfahrzeug 1 kann betankt werden, indem eine Betankungsquelle 60, z. B. ein Flughafen-Kraftstoff-LKW, ein festes Kraftstofflager oder eine permanente Pipeline, über eine Kraftstoffleitung 61 mit einer Anschlussöffnung 62 des Luftfahrzeugs verbunden wird. Von der Betankungsquelle 60 kann eine gewünschte Menge Kraftstoff in einen oder mehrere Tanks 53, 55 des Luftfahrzeugs 1 umgefüllt werden. In dem vorliegenden Beispiel, in dem verschiedene Tanks 53, 55 mit unterschiedlichen Kraftstoffen befüllt werden sollen, sind mehrere Kraftstoffleitungsanschlüsse 62 vorgesehen. Die Betankungsquelle 60 hält daher in diesem Beispiel zwei Kraftstoffe mit unterschiedlichen Kraftstoffmerkmalen in getrennten Behältern 60a, 60b (z. B. einen Standard- und einen Nicht-Standard-Kraftstoff, wie später beschrieben) in getrennten Tanks vor. In anderen Beispielen können Ventile verwendet werden, um den Kraftstoff in geeigneter Weise zu lenken, wenn er von einer einzigen Anschlussstelle kommt.
Kraftstoffmerkmale lassen sich erhalten durch:

(i) physikalische und/oder chemische Erfassung eines oder mehrerer Kraftstoffmerkmale, entweder während des Betriebs des Luftfahrzeugs (z. B. am Flügel) oder während der Betankung des Luftfahrzeugs;
(iii) Empfangen von Daten, z. B. von einer Eingabe an einer Benutzerschnittstelle, oder von Daten, die an das Luftfahrzeug 1 übertragen werden.

Kraftstoffmerkmale können auf verschiedene Weise ermittelt werden, sowohl direkt (z. B. aus Sensordaten, die dem betreffenden Kraftstoffmerkmal entsprechen) als auch indirekt (z. B. durch Ableitung oder Berechnung aus anderen Merkmalen oder Messungen). Die Merkmale können als relative Werte im Vergleich zu einem anderen Kraftstoff oder als absolute Werte bestimmt werden. Es können zum Beispiel eines oder mehrere der folgenden Verfahren zur Ermittlung verwendet werden:

• Der Aromaten- oder Cycloparaffingehalt des Kraftstoffs kann anhand von Messungen der Quellung einer Sensorkomponente aus einem Dichtungsmaterial wie z. B. einem Nitrildichtungsmaterial bestimmt werden.
• Anhand von Spurenstoffen oder -arten, die entweder von Natur aus im Kraftstoff vorhanden sind oder als Tracer zugesetzt werden, können Kraftstoffmerkmale bestimmt werden, z. B. der prozentuale Anteil an nachhaltigem Flugkraftstoff im Kraftstoff oder ob der Kraftstoff Kerosin ist.
• Messungen der Schwingungsmode eines piezoelektrischen Kristalls, der dem Kraftstoff ausgesetzt ist, können als Grundlage für die Bestimmung verschiedener Kraftstoffmerkmale dienen, einschließlich des Aromatengehalts des Kraftstoffs, des Sauerstoffgehalts des Kraftstoffs und der thermischen Stabilität oder des Verkokungsgrads des Kraftstoffs - z. B. durch Messung des Aufbaus von Oberflächenablagerungen auf dem piezoelektrischen Kristall, die zu einer Änderung der Schwingungsmode führen.
• Verschiedene Kraftstoffmerkmale können bestimmt werden, indem Leistungsmerkmale des Gasturbinentriebwerks 10 während einer ersten Betriebsperiode (z. B. während des Starts) erfasst und dann während einer zweiten Betriebsperiode (z. B. während des Reiseflugs) mit den erwarteten Werten verglichen werden, wenn Kraftstoff mit bekannten Eigenschaften verwendet wird.
• Verschiedene Kraftstoffmerkmale, einschließlich des Gehalts an aromatischen Kohlenwasserstoffen im Kraftstoff, können auf der Grundlage von Sensormessungen des Vorhandenseins, des Nichtvorhandenseins oder des Grades der Bildung eines Kondensstreifens durch die Gasturbine 10 während ihres Betriebs bestimmt werden.
• Kraftstoffmerkmale, einschließlich des Gehalts an aromatischen Kohlenwasserstoffen, können auf der Grundlage einer UV-Vis-Spektroskopiemessung des Kraftstoffs bestimmt werden.
• Verschiedene Kraftstoffmerkmale, darunter der Schwefelgehalt, der Naphthalin-Gehalt, der Gehalt an aromatischem Wasserstoff und das Wasserstoff-Kohlenstoff-Verhältnis, können durch Messung der in den Abgasen des Gasturbinentriebwerks 10 während seines Betriebs vorhandenen Stoffe bestimmt werden.
• Der Brennwert des Kraftstoffs kann während des Betriebs des Luftfahrzeugs 1 auf der Grundlage von Messungen ermittelt werden, die während der Verbrennung des Kraftstoffs durchgeführt werden, z. B. anhand der Durchflussrate des Kraftstoffs und der Wellendrehzahl oder der Temperaturänderung in der Brennkammer 16.
• Verschiedene Kraftstoffmerkmale können bestimmt werden, indem eine Betriebsänderung vorgenommen wird, die den Betrieb des Gasturbinentriebwerks 10 beeinflusst, eine Reaktion auf die Betriebsänderung erfasst wird und die ein oder mehreren Kraftstoffmerkmale des Kraftstoffs auf der Grundlage der Reaktion auf die Betriebsänderung bestimmt werden.
• Verschiedene Kraftstoffmerkmale können im Verhältnis zu Kraftstoffmerkmalen eines ersten Kraftstoffs bestimmt werden, indem ein dem Gasturbinentriebwerk 10 zugeführter Kraftstoff von dem ersten Kraftstoff auf einen zweiten Kraftstoff umgestellt wird und die ein oder mehreren Kraftstoffmerkmale des zweiten Kraftstoffs auf der Grundlage einer Änderung des Verhältnisses zwischen T30 und einem der Werte T40 und T41 bestimmt werden (wobei das Verhältnis für den Temperaturanstieg in der Brennkammer 16 kennzeichnend ist). Die Merkmale können als relative Werte im Vergleich zu dem ersten Kraftstoff oder als absolute Werte unter Bezugnahme auf bekannte Werte für den ersten Kraftstoff bestimmt werden.

Wie hier verwendet und im Folgenden erläutert, werden T30, T40 und T41 sowie alle anderen nummerierten Drücke und Temperaturen unter Verwendung der in der Norm SAE AS755 aufgeführten Stationsnummerierung definiert:

• T30 = Hochdruckkompressor (HPC) Auslass-Temperatur;
• T40 = Verbrennungsaustrittstemperatur; und
• T41 = Hochdruckturbine (HPT) Rotor-Eintrittstemperatur.

Verbrennungsanlage
5 zeigt schematisch weitere Einzelheiten der Verbrennungsanlage 16 (die einfach als „Brennkammer“ bezeichnet werden kann) des Gasturbinentriebwerks 10. In diesem Beispiel ist die Verbrennungsanlage Teil eines gestuften Verbrennungssystems 64, bei dem der Kraftstoff über Vor- und Haupteinspritzdüsen eingespritzt wird. Der Kraftstoff wird den Einspritzdüsen über einen Kraftstofflieferungsregler 306 zugeführt, der von einem elektronischen Triebwerksregler (EEC) 42 gesteuert wird. Der Kraftstoff wird von den Kraftstoffpumpen 308a, 308b zum Kraftstofflieferungsregler gefördert. Im vorliegenden Beispiel wird der Kraftstoff dem Kraftstoff-Zufuhrregler 306 aus zwei verschiedenen Kraftstoffquellen (der ersten Kraftstoffquelle 302 und der zweiten Kraftstoffquelle 304) zugeführt, wie oben beschrieben. Der Kraftstoff aus der ersten und der zweiten Kraftstoffquelle 302, 304 wird jeweils von einer ersten Kraftstoffpumpe 308a und einer zweiten Kraftstoffpumpe 308b bereitgestellt. Jede dieser Kraftstoffpumpen kann mechanisch über ein Zusatzgetriebe angetrieben werden. In alternativen Konfigurationen, z. B. in einer Konfiguration mit mehr elektrischem Triebwerk (MEE), kann die Kraftstoffpumpe elektrisch angetrieben sein. Der Fachmann wird verstehen, dass jede bekannte geeignete Konfiguration von Kraftstoffpumpen oder eine Kombination von Kraftstoffpumpen verwendet werden kann, um Kraftstoff aus den Kraftstofftanks 53, 55 in die Brennkammer 16 zu fördern.
Der Hochdruck-Kraftstoff wird durch den Kraftstoff-Zufuhrregler 306 in eine Vorsteuerverteilung 309 und einen Hauptverteiler 310 geleitet. Im vorliegenden Beispiel umfasst das gestufte Verbrennungssystem eine Vielzahl von Kraftstoffdüsen 311, die als doppelte Einspritzdüsen (auch als intern gestuft bezeichnet) ausgeführt sind. Im vorliegenden Beispiel sind 16 in Umfangsrichtung beabstandete Kraftstoffdüsen um eine ringförmige Brennkammer 312 angeordnet. Je nach Größe des Triebwerks und den konstruktiven Anforderungen können auch mehr oder weniger Kraftstoffdüsen vorgesehen werden. Darüber hinaus können verschiedene Brennerkonfigurationen verwendet werden, z. B. kanülenförmig, in einem Behälter usw.
Der Kraftstoff aus der Vorsteuerverteilung 309 und dem Hauptverteiler 310 wird an alle Kraftstoffdüsen 311 zur Einspritzung in die Brennkammer 312 geliefert. Im vorliegenden Beispiel erzeugt eine zentrale Voreinspritzdüse 313 einen Voreinspritzdüsenspray in einer Primärzone der Brennkammer 312, während eine konzentrische Haupteinspritzdüse 314 einen HauptKraftstoffspray erzeugt.
Die Zufuhr von Kraftstoff über die Vor- und Haupteinspritzdüsen 313, 314 ist gestaffelt, d. h. bei geringen Leistungen (und damit geringen Luftmassenströmen) wird Kraftstoff von der zentralen Voreinspritzdüse 313 mit einem fetten Kraftstoff-Luft-Verhältnis (d. h. mit einem Äquivalenzverhältnis größer als eins) zugeführt, um die Flammenstabilität zu verbessern. Im vorliegenden Beispiel wird mit zunehmender Leistung und zunehmendem Massenstrom ein Stufenpunkt (SP) erreicht, an dem Kraftstoff von einigen oder allen Haupteinspritzdüsen der Kraftstoffdüsen geliefert wird, wodurch der Kraftstoffstrom der Voreinspritzdüsen ergänzt wird. Die Haupteinspritzdüsen 314 sind so konfiguriert, dass sie Kraftstoff mit einem mageren Kraftstoff-Luft-Verhältnis einspritzen (d. h. mit einem Äquivalenzverhältnis kleiner als eins). Zu diesem Zeitpunkt ist der Luftstrom so beschaffen, dass das Äquivalenzverhältnis unmittelbar stromabwärts der Voreinspritzdüsen ebenfalls mager ist. Im vorliegenden Beispiel wird der Kraftstoff bei höherer Leistung von allen Haupteinspritzdüsen eingespritzt.
Das gestufte Verbrennungssystem ist daher durch einen Betriebsbereich „nur mit Voreinspritzung“ („pilot-only“) und einen Betriebsbereich „mit Vor- und Haupteinspritzung“ („pilot-and-main“) gekennzeichnet. Die beiden Bereiche sind durch den Stufenpunkt („staging point“) getrennt. Im Betrieb „nur mit Voreinspritzung“ wird der gesamte Kraftstoffstrom innerhalb der Brennkammer ausschließlich durch die Voreinspritzdüse(n) bereitgestellt. Im Betrieb „mit Vor- und Haupteinspritzung“ wird der Kraftstoff in der Brennkammer durch die Voreinspritzdüse(n) und die Haupteinspritzdüse(n) oder nur durch die Haupteinspritzdüse(n) bereitgestellt. Der Kraftstoff-Zufuhrregler 306 ist daher so angeordnet, dass er im Vor- und Haupteinspritzbetrieb Kraftstoff an die Haupteinspritzdüsen oder sowohl an die Haupt- als auch an die Voreinspritzdüsen liefert. Der Kraftstoff-Zufuhrregler kann so eingerichtet sein, dass er im Betrieb mit Vor- und Haupteinspritzung sowohl die Vor- als auch die Haupteinspritzdüsen mit Kraftstoff versorgt, anstatt die Voreinspritzdüsen im Falle eines schnellen Notbetriebs abzuschalten, um die Brennkammer in Betrieb zu halten. Beim Betrieb nur mit Voreinspritzung versorgt der Kraftstoff-Zufuhrregler nur die Voreinspritzdüsen mit Kraftstoff.
Für eine bestimmte Betriebsbedingung, wie z. B. die Höhe oder den Umgebungsluftdruck, wird der Stufenpunkt SP in der Regel durch einen Schwellenwert eines Triebwerksparameters definiert, der für die Leistungseinstellung des Triebwerks repräsentativ ist, wie z. B. T30 (Gesamtlufttemperatur am Verdichteraustritt) oder berechneter T40 (Gesamtlufttemperatur am Brennkammeraustritt) oder das Kraftstoff-Luft-Verhältnis (FAR) der Brennkammer. Es wird deutlich, dass für unterschiedliche Betriebsbedingungen unterschiedliche Schwellenwerte gelten können.
Fachleute sind mit dem Betrieb von gestuften Verbrennungssystemen vertraut, um bei hohen Leistungen eine magere Verbrennung zu erreichen und gleichzeitig die Flammenstabilitätsgrenzen bei niedrigeren Leistungen einzuhalten. Darüber hinaus sind sie auch mit anderen gestuften Verbrennungskonfigurationen vertraut, z. B. solchen mit getrennten Vor- und Haupteinspritzdüsen (im Gegensatz zu Duplex- oder intern gestuften Systemen), die parallel (radial getrennt, axial ausgerichtet) oder in Reihe (axial getrennt, radial ausgerichtet) angeordnet sein können. Es versteht sich, dass die hier offengelegten Grundsätze auf jedes gestufte Verbrennungssystem mit Vor- und Haupteinspritzdüsen angewendet werden können.
Das Gleichgewicht der Einspritzung von Kraftstoff durch die Voreinspritzdüsen 313 und die Haupteinspritzdüsen 314 wird durch das elektronische Triebwerk-Steuergerät 42 gesteuert, das Steuersignale an den Kraftstoff-Zufuhrregler 306 liefert, die den gesamten einzuspritzenden Kraftstoff in Form einer Durchflussrate (W_F) und des Verhältnisses von Voreinspritzdüse zu Haupteinspritzdüse (Stufenverhältnis) angeben. Der Kraftstoff-Fördermengenregler 306 ist so konfiguriert, dass er diese Steuersignale nutzt, um die geforderte Durchflussrate des Kraftstoffs in Übereinstimmung mit dem geforderten Gesamtkraftstoffdurchsatz und dem Verhältnis von Vor- und Hauptkraftstoffdurchsatz zu liefern. In alternativen Beispielen kann das elektronische Triebwerksteuergerät 42 stattdessen so konfiguriert sein, dass es Steuersignale an den Kraftstoff-Zufuhrregler 306 liefert, die die Durchflussrate des Kraftstoffs im Betrieb nur mit Voreinspritzung (W_FVor) und die Durchflussrate des Kraftstoffs im Hauptbetrieb (W_FHaupt) angeben. Es versteht sich von selbst, dass die übermittelten Informationen gleichwertig sind.
Bei Systemen nach dem Stand der Technik kann der Kraftstoff einfach aus einer einzigen Quelle zu einem Kraftstoff-Zufuhrregler geleitet werden, so dass Kraftstoff mit denselben Kraftstoffmerkmalen (d. h. derselben Kraftstoffzusammensetzung) sowohl den Vor- als auch den Haupteinspritzdüsen an allen Betriebspunkten der Brennkammer zugeführt wird. In der vorliegenden Anwendung ist der Kraftstoff-Zufuhrregler 306 jedoch so konfiguriert, dass er dem Haupt- und dem Vorsteuerverteiler selektiv Kraftstoff aus zwei verschiedenen Kraftstoffquellen zuführt, wie weiter unten beschrieben wird.
Gestufte Verbrennung unter Verwendung von Kraftstoff aus mehr als einer Quelle
Bei gestuften Verbrennungssystemen nach dem Stand der Technik steht nur eine einzige Kraftstoffquelle zur Verfügung, die sowohl im Betriebsbereich mit Vor- als auch mit Haupteinspritzung verwendet wird. Kraftstoff mit denselben Kraftstoffmerkmalen wird daher unabhängig von der Durchflussrate von den Einspritzdüsen der Brennkammer zugeführt. Die Erfinder haben festgestellt, dass es vorteilhaft sein kann, Kraftstoff aus verschiedenen Kraftstoffquellen mit unterschiedlichen Kraftstoffmerkmalen dem Kraftstoff-Zufuhrregler zuzuführen und die Vor- und Haupteinspritzdüsen mit Kraftstoff mit unterschiedlichen Merkmalen zu versorgen, so dass Kraftstoff mit unterschiedlichen Merkmalen in verschiedenen Betriebsbereichen der Brennkammer bereitgestellt wird. Bezogen auf das in 5 dargestellte gestufte Verbrennungssystem ist der Kraftstoff-Zufuhrregler 306 daher so eingerichtet, dass er den Voreinspritzdüsen 313 zumindest während eines Teils des Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzung (d. h. der Betriebsart) Kraftstoff mit anderen Kraftstoffmerkmalen zuführt als den Voreinspritzdüsen 313 und den Haupteinspritzdüsen 314 oder beiden, die zumindest während eines Teils des Betriebsbereichs mit Vor- und Haupteinspritzung mit Kraftstoff versorgt werden. Das unterschiedliche Kraftstoffmerkmal kann durch die Verwendung von Kraftstoff aus der ersten Kraftstoffquelle 302, von Kraftstoff aus der zweiten Kraftstoffquelle 304 oder einer Mischung davon bereitgestellt werden.
Ein Vorteil dieser flexibleren Versorgung der Brennkammer 16 mit Kraftstoff besteht darin, dass Kraftstoff mit günstigen Verbrennungseigenschaften, der nur in begrenztem Umfang zur Verfügung steht, dort eingesetzt werden kann, wo diese günstigen Eigenschaften eine größere Wirkung entfalten.
nvPM-Emissionen bei gestufter Verbrennung
6 veranschaulicht die Beziehung zwischen der Durchflussrate des Kraftstoffs W_F und der Ru ßpartikel-Emissionsrate (dargestellt als „nichtflüchtige Partikelzahl (nvPM)“ und hier als „nvPM-Nummer“ bezeichnet) für eine typische Magerbrennkammer (z. B. ein gestuftes Brennersystem). Jede Bezugnahme auf Ruß in diesem Dokument kann auch für andere Arten von nvPM gelten.
6 zeigt einen ersten Bereich links vom Stufenpunkt SP (bei geringerer Kraftstoff-Durchflussrate als am Stufenpunkt), in dem nur die Voreinspritzdüsen der Brennkammer in Betrieb sind und in dem nvPM-Nummer mit zunehmender Kraftstoff-Durchflussrate W_F schnell ansteigt. Der Betrieb in diesem ersten Bereich wird als Betrieb im Betriebsbereich „nur mit Voreinspritzung“ bezeichnet.
6 zeigt einen zweiten Bereich rechts vom Stufenpunkt SP (bei höherer Kraftstoff-Durchflussrate als am Stufenpunkt), in dem sowohl die Voreinspritzdüsen als auch die Haupteinspritzdüsen arbeiten und in dem nvPM-Nummer viel niedriger ist und mit zunehmendem W_F nur langsam (wenn überhaupt) ansteigt. Der Betrieb in diesem zweiten Bereich wird als Betriebsbereich „mit Vor- und Haupteinspritzung“ bezeichnet. Obwohl in 6 ein von Null abweichender Wert von nvPM-Nummer im Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung dargestellt ist, kann bei einigen Magerbrennkammern nvPM-Nummer im Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung im Wesentlichen gleich Null sein.
Es versteht sich von selbst, dass die in 6 gezeigte Kurvenform nur ein Beispiel zur Veranschaulichung ist. Im Allgemeinen ist das nvPM-Nummer im Betrieb nur mit Voreinspritzung wesentlich höher als im Betrieb mit Vor- und Haupteinspritzung, und es gibt eine scharfe Grenze zwischen den beiden Betriebsbereichen. Einige der nachstehend aufgeführten Beispiele nutzen die positive Steigung der Kurve im Betrieb nur mit Voreinspritzung zusätzlich aus, aber auch hier ist die genaue Form der in 6 gezeigten Kurve nur ein Beispiel für die Abhängigkeit zwischen W_F und nvPM-Nummer.
Die Position des Stufenpunkts SP kann so gewählt werden, dass die Kraftstoff-Durchflussrate während der meisten oder aller Reiseflugbedingungen rechts vom Stufenpunkt SP liegt, d. h. in einem Bereich des Betriebs mit Vor- und Haupteinspritzung, der sehr niedrigen (oder vielleicht sogar im Wesentlichen null) Werten von nvPM-Nummer entspricht. Umgekehrt kann der Betrieb zu vielen anderen Zeitpunkten eines Fluges, z. B. beim Rollen, Anflug und Sinkflug, einem Betrieb „nur mit Voreinspritzung“ entsprechen, bei dem die nvPM-(Ruß-)Emissionen vergleichsweise hoch sind.
Es versteht sich von selbst, dass der Stufenpunkt SP bei verschiedenen Flugbedingungen, z. B. in der Höhe, bei unterschiedlichen Werten von W_F liegen kann. Beispielsweise kann der Stufenpunkt SP bei Reiseflug, wo die Luftdichte niedrig ist und somit auch die Massenstromrate des Arbeitsfluids durch den Gasturbinenkern niedrig ist, einer wesentlich geringeren Kraftstoff-Durchflussrate entsprechen als am Boden, wo die Luftdichte wesentlich höher ist.
Der für eine bestimmte Flugbedingung geltende Stufenpunkt SP kann als absoluter Wert der Kraftstoff-Durchflussrate oder als vorbestimmter Prozentsatz des für die Flugbedingung geltenden Höchstwerts W_F definiert werden. Andere Definitionen des Stufenpunkts können ebenfalls verwendet werden, wie sie der Fachmann versteht.
Die vorliegenden Anwendungen beziehen sich auf die nvPM-Nummer (oder nvPM-Zahl) und ihre Abhängigkeit von W_F, wie in 6 dargestellt. Es versteht sich jedoch von selbst, dass eine entsprechende Beziehung für die nvPM-Masse und ihre Abhängigkeit von W_F ebenfalls in Betracht gezogen werden könnte und dass die hier beschriebenen Geräte und Verfahren entsprechend angepasst werden könnten.
Kontrolle der nvPM-Emissionen
Die Höhe der nvPM-Emissionen eines Gasturbinentriebwerks hängt von den Merkmalen des verwendeten Kraftstoffs ab. Beispielsweise können einige Luftfahrzeug-Kraftstoffe einen geringeren Anteil an bestimmten Bestandteilen aufweisen, die bekanntermaßen Rußemissionen verursachen, als typisches fossiles Kerosin, und daher bei gleicher Durchflussrate des Kraftstoffs in der Brennkammer eine geringere Rußmenge erzeugen.
Die nvPM-Emissionen eines Gasturbinentriebwerks könnten zwar durch die Verwendung von Kraftstoffen mit einem niedrigen nvPM-Produktionsindex wirksam verringert werden, doch ist dies nicht immer möglich. So kann es beispielsweise sein, dass solche Kraftstoffe nicht für die gesamte Flugdauer zur Verfügung stehen. Es kann auch andere technische, regulatorische oder kostentechnische Beschränkungen für die Verwendung solcher nvPM-armen Kraftstoffe in großen Kraftstoffmengen oder in großen Konzentrationen in einem Kraftstoffgemisch geben.
Die Erfinder haben festgestellt, dass durch den bevorzugten Einsatz von Kraftstoff mit relativ geringen nvPM-Emissionen (z. B. im Vergleich zu fossilem Kerosin) im Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung im Vergleich zum Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung die nvPM-Emissionen immer noch erheblich reduziert werden können, ohne dass eine große Menge des nvPM-armen Kraftstoffs im gesamten Betriebsbereich der Brennkammer verwendet werden muss.
Im vorliegenden Beispiel ist daher der erste Kraftstoff in der ersten Kraftstoffquelle 302 mit einer nvPM-Erzeugung verbunden, die geringer ist als die des zweiten Kraftstoffs in der zweiten Kraftstoffquelle 304 (z. B. wenn er unter entsprechenden Bedingungen verwendet wird). Der Kraftstoff, der den Voreinspritzdüsen zumindest während eines Teils des Betriebsbereichs nur Voreinspritzung zugeführt wird, ist ebenfalls mit einer nvPM-Produktion verbunden, die geringer ist als diejenige, die einem oder beiden Voreinspritzdüsen und Haupteinspritzdüsen zumindest während eines Teils des Betriebsbereichs mit Voreinspritzung zugeführt wird. Wie im Folgenden erläutert, kann der Kraftstoff für die Vor- und Haupteinspritzdüsen 313, 314 ausschließlich aus einer der beiden verfügbaren Kraftstoffquellen 302, 304 oder als Mischung aus Kraftstoff aus der ersten und zweiten Kraftstoffquelle 302, 304 bereitgestellt werden.
In einigen Beispielen kann das Kraftstoffsystem so konfiguriert sein, dass die Haupteinspritzdüsen 314 entweder von der ersten Kraftstoffquelle 302 oder der zweiten Kraftstoffquelle 304 versorgt werden können, und auch so, dass die Voreinspritzdüsen 313 entweder von der ersten Kraftstoffquelle 302 oder der zweiten Kraftstoffquelle 304 versorgt werden können. Auch wenn einige der im Folgenden vorgestellten Beispiele kein derartiges flexibles Kraftstoffsystem beinhalten, ist es aus Sicherheitsgründen von Vorteil, wenn sichergestellt ist, dass jeder Kraftstofftank jeden Einspritzdüsen eines beliebigen Triebwerks mit Kraftstoff versorgen kann.
In einigen der hier beschriebenen Beispiele wird eine einzelne Einspritzdüse 313, 314 entweder nur mit Kraftstoff aus der ersten Kraftstoffquelle 302 oder mit Kraftstoff aus der zweiten Kraftstoffquelle 304 versorgt, d. h. das Kraftstoffsystem schaltet zwischen den beiden Kraftstoffquellen um.
In anderen Beispielen umfasst das Kraftstoffsystem auch die notwendige Ausrüstung, um Kraftstoff aus den beiden an Bord befindlichen Kraftstoffquellen (z. B. Kraftstoffe mit hohem Rußindex und mit niedrigem Rußindex) zu mischen, wobei das Mischungsverhältnis nach verschiedenen Entscheidungskriterien variiert wird, um eine Kraftstoffzusammensetzung zu erzeugen, deren Merkmale denen der Kraftstoffzusammensetzung mit niedrigem Rußindex (Mischungsverhältnis 100:0) oder denen der Kraftstoffzusammensetzung mit hohem Rußindex (Mischungsverhältnis 0:100) entsprechen oder irgendwo dazwischen liegen (Mischungsverhältnis x:100-x mit 0 < x <100).
In verschiedenen Beispielen kann zwischen vorgegebenen Kraftstoffzusammensetzungen umgeschaltet und/oder eine gemischte Kraftstoffzusammensetzung nur für die Voreinspritzdüsen 313 erzeugt werden. Die Haupteinspritzdüsen 314 können in solchen Beispielen jederzeit mit Kraftstoff aus einer der Kraftstoffquellen versorgt werden (z. B. mit dem Kraftstoff mit hohem nvPM-Wert). Zur Erhöhung der Flexibilität kann jedoch in einigen Beispielen vorgesehen werden, dass die Haupteinspritzdüsen 314 während bestimmter anormaler Betriebszeiten auf den Kraftstoff aus der anderen Quelle (z. B. die Kraftstoffzusammensetzung mit niedrigem nvPM) und/oder auf eine gemischte Kraftstoffzusammensetzung umgeschaltet werden können, z. B. im Falle eines Verlusts von Kraftstoff mit hohem nvPM-Wert, z. B. aufgrund eines Kraftstofflecks.
In einigen Beispielen kann das Kraftstoffmerkmal, durch das sich der Kraftstoff aus der ersten Kraftstoffquelle 302 vom Kraftstoff aus der zweiten Kraftstoffquelle 304 unterscheidet, der prozentuale Anteil an nachhaltigem Flugkraftstoff (SAF) sein, der in dem jeweiligen Kraftstoff enthalten ist. Der Kraftstoff, der den Voreinspritzdüsen 313 zumindest während eines Teils des Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzung zugeführt wird, würde ebenfalls einen anderen Prozentsatz an SAF aufweisen als der Kraftstoff, der einer oder beiden Voreinspritzdüsen 313 und den Haupteinspritzdüsen 314 zumindest während eines Teils des Betriebsbereichs mit Voreinspritzung zugeführt wird.
Im Vergleich zu fossilem Kerosin weist SAF wesentlich geringere Ruß- oder allgemeinere nvPM-Emissionen auf. Wenn SAF als Teil eines Kraftstoffgemischs mit fossilem Kerosin verwendet wird, ist, grob gesagt, die Verringerung der nvPM-Emissionen umso größer, je höher der prozentuale Anteil von SAF im Gemisch ist (und damit je geringer der prozentuale Anteil an fossilem Kerosin), zumindest innerhalb bestimmter Bereiche des SAF-Anteils. Dieser Effekt wird in 7 veranschaulicht, die die Abhängigkeit der nvPM-Nummer-Emissionen von der Durchflussrate des Kraftstoffs W_F für eine Standard-Kraftstoffzusammensetzung (durchgezogene Linie) und für drei weitere Kraftstoffzusammensetzungen A, B und C (beschriftet) für eine bestimmte Flugbedingung zeigt, die z. B. durch Höhe und Vorwärtsgeschwindigkeit definiert ist. Die Standardkraftstoffzusammensetzung und die Kraftstoffzusammensetzungen A, B und C sind jeweils durch einen progressiv höheren SAF-Anteil und einen entsprechend niedrigeren Anteil an fossilem Kerosin gekennzeichnet. Die voreingestellte Kraftstoffzusammensetzung könnte zu 100 % aus fossilem Kerosin bestehen oder ein Gemisch sein, das hauptsächlich aus fossilem Kerosin und einem geringen SAF-Anteil besteht, wie es auf einigen Flughäfen standardmäßig verfügbar ist.
In 7 ist der Faktor für die Verringerung der nvPM-Nummer-Emissionen im Vergleich zur Standard-Kraftstoffzusammensetzung, der durch jede Kraftstoffmischung erreicht wird, als gleichbleibend mit W_F während des Betriebs nur mit Voreinspritzung und auch gleichbleibend mit W_F während des Betriebs mit Vor- und Haupteinspritzung dargestellt, obwohl die Verringerungsfaktoren in diesen beiden Betriebsbereichen als unterschiedlich dargestellt sind. Es wird deutlich, dass andere Abhängigkeiten von W_F in verschiedenen Implementierungen beobachtet werden können und in der vorliegenden Anwendung ebenfalls in Betracht gezogen werden.
8 zeigt eine solche alternative Abhängigkeit von W_F , die im Betrieb nur mit Voreinspritzung durch einen Anstieg des nvPM-Nummer-Reduktionsfaktors für jede Kraftstoffmischung gekennzeichnet ist, wenn W_F vom Stufenpunkt SP zu einem niedrigeren Kraftstoffdurchsatz hin reduziert wird. Andere Variationen sind möglich; insbesondere muss die Abhängigkeit des nvPM-Nummer-Reduktionsfaktors von W_F nicht für jede Kraftstoffmischung gleich sein und/oder muss nicht eine monoton steigende oder monoton fallende Funktion von W_F sein. Obwohl die nachfolgenden Beispiele in der vorliegenden Anmeldung auf der in 7 gezeigten Form beruhen, sind selbstverständlich auch allgemeinere Formen denkbar.
Die Erfinder haben festgestellt, dass beim Betrieb eines Gasturbinentriebwerks 10 im Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung die Rußemissionen von Natur aus niedrig sind und der Ersatz der StandardKraftstoffzusammensetzung (z. B. fossiles Kerosin) durch SAF (oder eine hochprozentige SAF-Mischung) oder einen anderen Kraftstoff mit geringer Rußbildung nur eine geringe weitere Verringerung der Rußemissionen bewirkt. Wird das Triebwerk 10 dagegen mit einer Durchflussrate betrieben, die unter dem Stufenpunkt SP, aber dennoch nahe daran liegt, können die Rußemissionen durch die Verwendung einer Kraftstoffzusammensetzung, die einen höheren Prozentsatz an schwach rußendem Kraftstoff (z. B. SAF) und einen geringeren Prozentsatz an fossilem Kerosin (oder einem anderen stark rußenden Kraftstoff) enthält, im Vergleich zu einer Standardkraftstoffzusammensetzung erheblich reduziert werden. Durch die Verwendung von Kraftstoff mit unterschiedlichen Kraftstoffmerkmalen in verschiedenen Betriebsbereichen der Brennkammer kann der prozentuale Anteil von SAF in der im reinen Voreinspritzbetrieb verbrannten Kraftstoffzusammensetzung erhöht (z. B. maximiert) werden, während der prozentuale Anteil von SAF in der im Vor- und Haupteinspritzbetrieb verbrannten Kraftstoffzusammensetzung verringert (z. B. minimiert) wird. Auf diese Weise kann die nvPM-reduzierende Wirkung der verfügbaren SAF eine größere Wirkung entfalten als bei Verwendung einer konstanten prozentualen SAF-Zusammensetzung über den gesamten Betriebsbereich der Brennkammer.
In verschiedenen anderen Beispielen können ein oder mehrere andere Merkmale des Kraftstoffs alternativ oder zusätzlich zum SAF-Anteil variiert werden. Änderungen anderer Merkmale zwischen den Kraftstoffen der ersten und der zweiten Kraftstoffquelle können zusätzlich oder alternativ mit unterschiedlichen Werten des nvPM-Nummer verbunden sein. So kann die erste Kraftstoffquelle 302 beispielsweise durch einen Kraftstoff mit einem geringeren Anteil an bestimmten Bestandteilen gekennzeichnet sein, die Ruß- oder andere nvPM-Emissionen verursachen als die zweite Kraftstoffquelle 304. In einigen Beispielen kann der Kraftstoff der ersten Kraftstoffquelle 302 durch einen geringeren Gehalt an aromatischen Kohlenwasserstoffen gekennzeichnet sein, insbesondere durch einen geringeren Naphthalin-Gehalt im Vergleich zur zweiten Kraftstoffquelle 304. Ein geringerer Gehalt an solchen rußbildenden Verbindungen kann im Vergleich zu fossilem Kerosin mit SAF in Verbindung gebracht werden. Dies muss jedoch nicht immer der Fall sein. Einige SAF können im Vergleich zu anderen mit einer höheren Rußerzeugung verbunden sein (z. B. wenn ihnen ein größerer Anteil an synthetischen Aromaten zugesetzt wurde), oder sie können mit einer höheren Rußerzeugung im Vergleich zu einem fossilen Kraftstoff wie fossilem Kerosin verbunden sein, aus dem die Aromaten entfernt wurden, um einen überwiegend paraffinischen Anteil zu erhalten.
Im Folgenden werden verschiedene Beispiele für die Zufuhr von Kraftstoff zu den Vor- und Haupteinspritzdüsen 313, 314 aus der ersten und zweiten Kraftstoffquelle 302, 304 (ausschließlich, zumindest unter normalen Betriebsbedingungen) oder einer Mischung davon zu verschiedenen Zeitpunkten während der Betriebsbereiche der Brennkammer beschrieben.
Figuren 9, 10 und 11
9 zeigt ein Beispiel, bei dem der Kraftstoff-Zufuhrregler 306 so angeordnet ist, dass er Kraftstoff von der ersten Kraftstoffquelle 302 zu den Voreinspritzdüsen 313 während des Betriebs sowohl im Betriebsbereich nur mit Vor- als auch mit Haupteinspritzung und Kraftstoff von der zweiten Kraftstoffquelle 304 zu den Haupteinspritzdüsen 314 während des Betriebs im Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung liefert. In diesem Beispiel umfasst der Kraftstoff-Zufuhrregler 306 einen Vorsteuerregler 306a, der über die erste Kraftstoffpumpe 308a mit der ersten Kraftstoffquelle 302 in Fluidverbindung steht. Der Kraftstoff-Zufuhrregler 306 umfasst ferner einen separaten Hauptregler 306b, der über die zweite Kraftstoffpumpe 308b mit der zweiten Kraftstoffquelle 304 in Fluidverbindung steht. Der Vorsteuerregler 306a ist so angeordnet, dass er Kraftstoff an die Vorsteuerverteilung 309 und die Voreinspritzdüsen 313 liefert. Der Hauptregler 306b ist so angeordnet, dass er Kraftstoff an den Hauptverteiler 310 und die Haupteinspritzdüsen 314 liefert. Der Kraftstoff-Zufuhrregler 306 umfasst daher zwei getrennte Strömungswege, über die Kraftstoff von jeder Kraftstoffquelle 302, 304 der Brennkammer 16 zugeführt wird. Die Durchflussrate des Kraftstoffs durch den Vorsteuerregler 306a und den Hauptregler 306b kann unabhängig voneinander mit Hilfe von Steuersignalen gesteuert werden, die der Kraftstoff-Zufuhrregler 306 vom EEC 42 erhält. Die Voreinspritzdüsen 313 werden daher stets mit Kraftstoff aus der ersten Kraftstoffquelle 302 und die Haupteinspritzdüsen 314 stets mit Kraftstoff aus der zweiten Kraftstoffquelle 304 versorgt. Der Kraftstofffluss zu den Haupteinspritzdüsen 314 kann im Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung im Wesentlichen gleich Null sein. Das bedeutet, dass sich die Zusammensetzung des Kraftstoffs, der durch eine einzelne Einspritzdüse fließt, während des gesamten Fluges nicht ändert und vor dem Flug festgelegt wird (zumindest unter normalen Betriebsbedingungen).
Im Beispiel der 9 enthält die erste Kraftstoffquelle 302 einen Kraftstoff, der mit einer niedrigen nvPM-Produktion verbunden ist, z. B. einen Kraftstoff mit einem relativ hohen SAF-Gehalt (z. B. einen SAF-reichen Kraftstoff). Die zweite Kraftstoffquelle 304 enthält einen Kraftstoff, der mit einer hohen nvPM-Produktion verbunden ist, z. B. einen Kraftstoff mit einem relativ niedrigen SAF-Gehalt (d. h. niedriger als der erste Kraftstoff), z. B. einen SAF-armen Kraftstoff. Der Begriff „SAF-reich“ kann hier verwendet werden, um einen Kraftstoff zu bezeichnen, der einen höheren SAF-Gehalt aufweist als ein „SAF-armer“ Kraftstoff. Der Begriff „SAF-reicher“ Kraftstoff kann Kraftstoff mit einem SAF-Gehalt von 100 % umfassen. Der „SAF-arme“ Kraftstoff kann einen Kraftstoff mit 0 % SAF enthalten, z. B. fossiles Kerosin. In einigen Beispielen kann der SAF-reiche Kraftstoff bis zu 50 % SAF enthalten, und der SAF-arme Kraftstoff kann im Wesentlichen null % SAF enthalten, z. B. kann es sich um fossilen Standardkerosin-Kraftstoff handeln.
In dem Beispiel von 9 kann die Zusammensetzung des SAF-reichen Kraftstoffs durch einen oder mehrere der folgenden Faktoren bestimmt werden:

a) Die Höhe der für einen geplanten Flug verfügbaren oder zugewiesenen SAF;
b) den Gesamtbedarf an Kraftstoff für die Voreinspritzdüsen der Piloten für den gesamten Flug (berechnet nach Verfahren, die dem Fachmann bekannt sind); und
c) Etwaige Begrenzungen des höchstzulässigen SAF-Anteils, z. B. Zertifizierungsgrenzen oder z. B. technische Grenzen in Bezug auf das betreffende Luftfahrzeug und/oder die Voreinspritzdüsen selbst, oder die maximale prozentuale Mischung, in der SAF zum Zeitpunkt der Kraftstoffbefüllung verfügbar ist.

Der gewünschte SAF-Anteil in der Zusammensetzung des SAF-reichen Kraftstoffs kann berechnet werden als 100 % mal Faktor a), dividiert durch Faktor b), vorbehaltlich eines maximal zulässigen Wertes, der das Minimum der verschiedenen in Faktor c) angegebenen möglichen Grenzwerte darstellt. Eine Anpassung kann erforderlich sein, um die unterschiedlichen volumetrischen Energiedichten von SAF und fossilem Kerosin zu berücksichtigen, wobei dem Fachmann bekannte Verfahren anzuwenden sind.
Im vorliegenden Beispiel kann die SAF-arme Kraftstoffzusammensetzung einen Standard-SAF-Prozentsatz von Null aufweisen (oder den geringstmöglichen Prozentsatz angesichts der Standard-Kraftstoffversorgung auf dem Flughafen, auf dem das Luftfahrzeug betankt wird), aber jeglicher SAF, der dem vorgeschlagenen Flug zugewiesen wurde und nicht in die SAF-reiche Kraftstoffzusammensetzung für die Voreinspritzdüsen 313 eingeflossen ist, wird als Teil der SAF-armen Kraftstoffzusammensetzung für die Haupteinspritzdüsen 314 verwendet. Der sich daraus ergebende prozentuale SAF-Anteil in der SAF-armen Kraftstoffzusammensetzung wird durch etwaige Zertifizierungsgrenzwerte oder technische Grenzwerte in Bezug auf das jeweilige Luftfahrzeug und/oder die Haupteinspritzdüsen bzw. den maximalen prozentualen Anteil der Mischung, in der SAF zum Zeitpunkt der Kraftstoffbeladung verfügbar ist, gedeckelt.
Der Betrieb der Brennkammer in 9 ist möglicherweise nicht bei allen Flügen möglich, da die Größe der verfügbaren Kraftstofftanks für SAF-reiche Kraftstoffzusammensetzung und für SAF-arme Kraftstoffzusammensetzung nicht ausreicht, um das erforderliche Kraftstoffvolumen für eine oder beide Voreinspritzdüsen 313 und Haupteinspritzdüsen 314 aufzunehmen. Dies kann bei Langstreckenflügen der Fall sein, bei denen alle Kraftstofftanks vor dem Abflug vollständig gefüllt werden müssen und bei denen die jeweiligen Anforderungen an das Kraftstoffvolumen für die verschiedenen Einspritzdüsen nicht genau mit den Quellvolumina übereinstimmen können.
10 zeigt die Abhängigkeit der nvPM-Zahl von der Durchflussrate des Kraftstoffs W_F für die Anordnung des Kraftstoffreglers aus 9 (gestrichelte Linie) im Vergleich zu der entsprechenden Abhängigkeit für eine Standard-Kraftstoffzusammensetzung wie fossiles Kerosin (durchgezogene Linie). In dieser Darstellung wird davon ausgegangen, dass die SAF-reiche Kraftstoffzusammensetzung der Kraftstoffzusammensetzung A aus 7 entspricht. Wie in 10 zu sehen ist, kommt es im Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung zu einer vorteilhaften Verringerung der nvPM-Zahl, während im Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung nur eine geringe oder gar keine Veränderung der nvPM-Zahl zu verzeichnen ist. In diesem Beispiel wurde eine begrenzte Menge an verfügbarer SAF daher effektiver auf einen Teil des Betriebsbereichs (d.h. nur Voreinspritzung) ausgerichtet, wo sie den größten Vorteil in Bezug auf die nvPM-Reduzierung bringen kann.
11 veranschaulicht ein Verfahren 4000 zum Betrieb eines Gasturbinentriebwerks, das unter Verwendung des gestuften Brennersystems von 9 durchgeführt werden kann. Das Verfahren 4000 umfasst die Regelung der Kraftstoffzufuhr 4002 zu den Vor- und Haupteinspritzdüsen 313, 314 von der ersten Kraftstoffquelle 302 und der zweiten Kraftstoffquelle 304. Wie oben beschrieben, umfasst die Regelung der Kraftstoffzufuhr im Allgemeinen die Zufuhr von Kraftstoff zu den Voreinspritzdüsen 313 während mindestens eines Teils des Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzung, der andere Kraftstoffmerkmale aufweist als der Kraftstoff, der an eine oder beide Voreinspritzdüsen 313 und Haupteinspritzdüsen 314 während mindestens eines Teils des Betriebsbereichs mit Vor- und Haupteinspritzung geliefert wird. Im Beispiel der 11 umfasst die Regelung der Kraftstoffzufuhr 4002 die Zufuhr von Kraftstoff 4004 von der ersten Kraftstoffquelle 302 zu den Voreinspritzdüsen 313 während des Betriebs sowohl im Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung als auch im Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung und von Kraftstoff von der zweiten Kraftstoffquelle 304 zu den Haupteinspritzdüsen 314 während des Betriebsbereichs mit Vor- und Haupteinspritzung. Alle anderen Merkmale, die oben im Zusammenhang mit 9 beschrieben wurden, können in das Verfahren von 11 einbezogen werden, auch wenn sie hier nicht wiederholt werden.
Figuren 12, 13 und 14
In dem in den 9, 10 und 11 dargestellten Beispiel wird die insbesondere im Betrieb nur mit Voreinspritzung (d. h. links von Punkt SP) beobachtete vorteilhafte Verringerung der nvPM-Zahl (im Vergleich zur Standard-Kraftstoffzusammensetzung) durch die vorrangige Zuführung von SAF zu den Voreinspritzdüsen ermöglicht, wodurch ein höherer SAF-Anteil in der Kraftstoffzusammensetzung für diese Einspritzdüsen erreicht wird. Im Vor- und Haupteinspritzdüsen-Betrieb (bei dem die Rußbildung selbst bei Betrieb mit fossilem Kerosin minimal ist) wird den Voreinspritzdüsen jedoch immer noch eine SAF-reiche Kraftstoffzusammensetzung zugeführt. Eine noch effizientere Nutzung des SAF-reichen Kraftstoffs kann durch eine weitere Flexibilität bei der Kraftstoffzufuhr zur Verbrennungsanlage erreicht werden.
12 zeigt ein Beispiel, in dem der Kraftstoff-Zufuhrregler 306 so angeordnet ist, dass er die Zufuhr von Kraftstoff zu den Voreinspritzdüsen 313 zwischen der ersten Kraftstoffquelle 302 und der zweiten Kraftstoffquelle 304 umschaltet. In dem beschriebenen Beispiel erfolgt die Umschaltung an der Grenze des Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzung (z. B. am Stufenpunkt SP). In anderen Beispielen kann es mehrere Schaltpunkte geben, auch an der Grenze und/oder innerhalb des Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzung. Allgemeiner ausgedrückt ist der Kraftstoff-Zufuhrregler 306 so angeordnet, dass er die Zufuhr von Kraftstoff zu den Voreinspritzdüsen 313 zwischen der ersten und der zweiten Kraftstoffquelle 302, 304 an einem oder mehreren Betriebspunkten innerhalb oder an einer Grenze des Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzung umschaltet.
Wie in 12 dargestellt, umfasst der Vorsteuerregler 306a zwei separate, unabhängig voneinander steuerbare Regler, einen ersten Regler 315a, der mit der ersten Kraftstoffquelle 302 in Fluidverbindung steht, und einen zweiten Regler 315b, der mit der zweiten Kraftstoffquelle 304 in Fluidverbindung steht. Der erste und der zweite Regler 315a, 315b des Vorsteuerreglers 306a sind durch Signale steuerbar, die vom EEC 42 empfangen werden. Sowohl der erste als auch der zweite Regler 315a, 315b stehen in Fluidverbindung mit der Vorsteuerverteilung 309, so dass sie die Zufuhr von Kraftstoff zu den Voreinspritzdüsen 313 steuern können.
Der Kraftstoff-Zufuhrregler 306 ist so angeordnet, dass er die Zufuhr des Kraftstoffs zu den Voreinspritzdüsen 313 zwischen Kraftstoff aus der ersten Kraftstoffquelle 302 und Kraftstoff aus der zweiten Kraftstoffquelle 304 entsprechend einem Modussignal umschaltet, das eine Änderung im Betriebsbereich des gestuften Verbrennungssystems anzeigt. Das Modussignal kann von dem EEC 42 von dem Verbrennungssystem 64 (oder der Brennkammer 16) erhalten und ein entsprechendes Steuersignal an die Regler 315a, 315b gesendet werden, so dass die Umschaltung am Stufenpunkt zwischen dem Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung und dem Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung erfolgen kann. Der Kraftstoff-Zufuhrregler 306 ist somit so eingerichtet, dass er die Voreinspritzdüsen 313 jedes Mal zwischen dem ersten Kraftstoff und dem zweiten Kraftstoff (oder umgekehrt) umschaltet, wenn der Stufenpunkt SP überschritten wird. Das EEC kann so konfiguriert sein, dass es von dem Verbrennungssystem 64 (oder der Brennkammer 16) ein Signal empfängt, das dessen Betriebsart (nur Voreinspritzung oder Vor- und Haupteinspritzung) angibt. Alternativ dazu kann das EEC 42 das Verbrennungssystem 64 anweisen, von einer Betriebsart in die andere zu wechseln. In diesem Beispiel kann das Modus-Signal bereits im EEC 42 vorhanden sein und zur Umschaltung der Kraftstoffzufuhr durch den Kraftstoff-Zufuhrregler 306 verwendet werden. Die Umschaltung der Kraftstoffzufuhr entsprechend einem Modus-Signal, das eine Änderung der Betriebsart der Brennkammer 16 anzeigt, kann ein akzeptables Maß an Synchronisation zwischen der Betriebsart der Brennkammer und der Kraftstoffzusammensetzung der Voreinspritzdüsen gewährleisten. Dies kann dazu beitragen, ein schnelles Umschalten zwischen den Kraftstoffquellen zu gewährleisten, wenn der Stufenpunkt überschritten wird.
In dem hier beschriebenen Beispiel ist der Vorsteuerregler 306a so angeordnet, dass er zwischen der Zufuhr von Kraftstoff ausschließlich aus der ersten Kraftstoffquelle 302 und ausschließlich aus der zweiten Kraftstoffquelle 304 umschaltet. Der erste und der zweite Kraftstoffregler 315a, 315b können daher so angeordnet sein, dass sie zwischen folgenden Betriebszuständen umschalten: i) der erste ist vollständig geschlossen (so dass der Brennkammer 16 kein Kraftstoff aus der entsprechenden Quelle zugeführt wird), und der zweite wird zur Steuerung der Durchflussrate aus der anderen Kraftstoffquelle verwendet; und ii) der zweite ist vollständig geschlossen (so dass der Brennkammer 16 kein Kraftstoff aus der entsprechenden Quelle zugeführt wird), und der erste wird zur Steuerung der Durchflussrate aus der anderen Kraftstoffquelle verwendet. In anderen Beispielen kann jede andere geeignete Anordnung des Kraftstoff-Vorsteuerreglers 306a vorgesehen werden, um das Umschalten zwischen Kraftstoffquellen zu ermöglichen.
Der in 12 dargestellte Kraftstoff-Zufuhrregler 306 kann so angeordnet sein, dass er Kraftstoff so liefert, dass bei Betrieb des Triebwerks 10 im nur Voreinspritzungs-Betrieb die Voreinspritzdüsen 313 mit einer SAF-reichen Kraftstoffzusammensetzung versorgt werden und bei Betrieb des Triebwerks im Vor- und Haupteinspritzungs-Betrieb sowohl die Voreinspritzdüsen 313 als auch die Haupteinspritzdüsen 314 mit einer SAF-armen Kraftstoffzusammensetzung versorgt werden.
In diesem Beispiel wird die Zusammensetzung des SAF-reichen Kraftstoffs durch die folgenden Faktoren bestimmt:

a) die Höhe der für einen geplanten Flug verfügbaren oder zugewiesenen SAF;
b) den Gesamtbedarf an Kraftstoff für die Voreinspritzdüsen während des Betriebs nur mit Voreinspritzung für den gesamten Flug (berechnet nach Verfahren, die dem Fachmann bekannt sind); und
c) etwaige Begrenzungen des höchstzulässigen SAF-Anteils, z. B. Zertifizierungsgrenzen oder z. B. technische Grenzen in Bezug auf das betreffende Luftfahrzeug und/oder die Voreinspritzdüsen selbst, oder die maximale prozentuale Mischung, in der SAF zum Zeitpunkt der Kraftstoffbefüllung verfügbar ist.

Der gewünschte SAF-Anteil in der SAF-reichen Kraftstoffzusammensetzung ist dann einfach 100% mal Faktor a) geteilt durch Faktor b), vorbehaltlich eines maximal zulässigen Wertes, der das Minimum der verschiedenen in Faktor c) ermittelten potenziellen Grenzwerte darstellt. Eine Anpassung kann erforderlich sein, um die unterschiedlichen volumetrischen Energiedichten von SAF und fossilem Kerosin zu berücksichtigen, wobei dem Fachmann bekannte Verfahren angewandt werden.
Die Zusammensetzung des SAF-armen Kraftstoffs kann nach demselben Verfahren und mit denselben Einschränkungen wie bei dem in den 9, 10 und 11 beschriebenen Beispiel bestimmt werden, gegebenenfalls zusätzlich mit den praktischen Einschränkungen in Bezug auf die Voreinspritzdüsen 313.
13 zeigt die Abhängigkeit der nvPM-Zahl von der Kraftstoff-Durchflussrate W_F für den Kraftstoff-Zufuhrregler aus 12 (gestrichelte Linie) im Vergleich zur entsprechenden Abhängigkeit für eine Standard-Kraftstoffzusammensetzung wie fossiles Kerosin (durchgezogene Linie). In dieser Darstellung wird davon ausgegangen, dass die SAF-reiche Kraftstoffzusammensetzung der Kraftstoffzusammensetzung B aus 7 und die SAF-arme Kraftstoffzusammensetzung der Standardkraftstoffzusammensetzung entspricht.
Wie in 13 zu sehen ist, ermöglicht der Kraftstoff-Zufuhrregler 316 aus 12 bei einer festen, einem einzelnen Flug zugewiesenen SAF-Menge einen höheren prozentualen SAF-Gehalt der SAF-reichen Kraftstoffzusammensetzung im Vergleich zum Beispiel aus 9, da die Verwendung der SAF-reichen Kraftstoffzusammensetzung weiter auf den Betrieb nur mit Voreinspritzung beschränkt wird. Infolgedessen wird SAF effektiver in einem Betriebsbereich eingesetzt, in dem die vorteilhafte Reduzierung des nvPM größer ist.
Wie beim Beispiel der 9, 10 und 11 kann die Kapazität der Kraftstofftanks bei einigen Flügen einen Betrieb nach dem Beispiel der 12 verhindern, da es schwierig sein kann, die Volumina der verschiedenen Kraftstofftanks an die erforderlichen Volumina der SAF-reichen und SAF-armen Kraftstoffzusammensetzungen anzupassen.
14 veranschaulicht ein Verfahren zum Betrieb eines Gasturbinentriebwerks 10, das unter Verwendung des gestuften Brennersystems von 12 durchgeführt werden kann. Die Verfahrensschritte, die dem Verfahren der 11 gemeinsam sind, sind entsprechend gekennzeichnet. In diesem Beispiel umfasst die Regelung 4002 der Kraftstoffzufuhr das Umschalten 4006 der Zufuhr des Kraftstoffs zu den Voreinspritzdüsen 313 zwischen der ersten Kraftstoffquelle 302 und der zweiten Kraftstoffquelle 304 am Stufenpunkt SP. Jedes der oben im Zusammenhang mit 12 beschriebenen Merkmale kann in das Verfahren der 14 einbezogen werden, auch wenn sie hier nicht wiederholt werden.
Figuren 15 und 16
Der Kraftstoff-Zufuhrregler der 12 kann in einigen Beispielen so eingerichtet sein, dass er die Zufuhr von Kraftstoff zu den Voreinspritzdüsen 313 zwischen der ersten Kraftstoffquelle 302 und der zweiten Einspritzdüse 304 an einem Schwellenwert TP innerhalb des Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzung umschaltet. Kraftstoff aus der zweiten Kraftstoffquelle 304 kann den Voreinspritzdüsen 313 mit Durchflussraten unterhalb des Schwellenwerts zugeführt werden, Kraftstoff aus der ersten Kraftstoffquelle 302 wird den Voreinspritzdüsen 313 mit Durchflussraten zwischen dem Schwellenwert und der Grenze des Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzung (Stufenpunkt) zugeführt, und Kraftstoff aus der zweiten Kraftstoffquelle 304 kann den Voreinspritzdüsen 313 mit Durchflussraten oberhalb der Grenze zugeführt werden. Die Haupteinspritzdüsen 314 können jederzeit mit Kraftstoff aus der zweiten Kraftstoffquelle 304 versorgt werden.
Ähnlich wie bei den zuvor beschriebenen Beispielen kann der erste Kraftstoff in der ersten Kraftstoffquelle 302 ein Kraftstoff mit niedrigem nvPM sein, z. B. ein SAF-reicher Kraftstoff, während der zweite Kraftstoff in der zweiten Kraftstoffquelle 304 ein Kraftstoff mit hohem nvPM sein kann, z. B. ein SAF-armer Kraftstoff. Wenn die Brennkammer 16 im reinen Voreinspritzbetrieb in der Nähe des Stufenpunkts SP (wie durch die Position des Schwellenwerts bestimmt) betrieben wird, werden die Voreinspritzdüsen 313 mit der SAF-reichen Kraftstoffzusammensetzung versorgt. Zu allen anderen Zeiten werden die Voreinspritzdüsen 313 mit einer SAF-armen Kraftstoffzusammensetzung versorgt.
Dieses Beispiel kann eine noch effizientere Nutzung von SAF ermöglichen und ist im Vergleich zu Beispielen, bei denen die Umschaltung nur am Stufenpunkt SP erfolgt, in Fällen, in denen der SAF-Anteil in der SAF-reichen Kraftstoffzusammensetzung des zweiten Beispiels durch die Verfügbarkeit von SAF und nicht durch Zulassungsgrenzen des Triebwerks begrenzt ist, von weiterem Vorteil. Das vorliegende Beispiel, bei dem zwei Umschaltpunkte vorgesehen sind, kann auch Schwierigkeiten mit potenziellen Unstimmigkeiten zwischen den einzelnen Kraftstofftankkapazitäten und den erforderlichen Mengen an SAF-reichen und SAF-armen Kraftstoffzusammensetzungen überwinden.
Die Position der Schaltschwelle TP kann in Abhängigkeit von einem oder mehreren Faktoren so festgelegt werden, dass die Schaltung „nahe“ am Stufenpunkt SP erfolgt. Die Schwelle kann zum Beispiel sein:

a) eine erste Schwellenwert-Kraftstoffdurchflussrate, bei deren Überschreiten die Erzeugung von nvPM durch das Gasturbinentriebwerk 10 einen Schwellenwert der nvPM-Menge überschreitet, die von dem Gasturbinentriebwerk während des Betriebs erzeugt wird, bei dem die Voreinspritzdüsen 313 mit Kraftstoff der zweiten Kraftstoffzusammensetzung versorgt werden. Der Schwellenwert kann beispielsweise als Betrieb nur mit Voreinspritzung bei einer Durchflussrate definiert werden, die bei einer Standard-Kraftstoffzusammensetzung wie fossilem Kerosin zu Rußemissionen führen würde, die einen Schwellenwert überschreiten. Die von dem Gasturbinentriebwerk erzeugten Rußemissionen oder nvPM können entweder als Anzahl der pro Masseneinheit Kraftstoff emittierten Rußpartikel (d. h. als Emissionsindex) oder als Anzahl der pro Zeiteinheit emittierten Rußpartikel (d. h. auch unter Berücksichtigung der Durchflussrate des Kraftstoffs) oder als Anzahl der pro Flugstreckeneinheit emittierten Rußpartikel (d. h. auch unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit des Luftfahrzeugs) definiert werden.
b) einen zweiten Schwellenwert, der als vordefinierte Schwellenwert-Kraftstoffdurchflussrate definiert ist, die geringer ist als die Kraftstoff-Durchflussrate am Stufenpunkt SP (wie für die aktuellen Flugbedingungen, z. B. die aktuelle Höhe, definiert). Der vordefinierte Schwellenwert kann entweder ein Prozentsatz der Kraftstoff-Durchflussrate am Stufenpunkt oder ein absoluter Wert des Durchflusses sein, der unter dem des Stufenpunktes liegt.

Der erste Schwellenwert und/oder der zweite Schwellenwert können unter Bezugnahme auf die für einen vorgeschlagenen Flug verfügbare SAF-Menge festgelegt werden, wobei von der Annahme ausgegangen wird, dass ein möglichst großer Teil der verfügbaren SAF in die SAF-reiche Kraftstoffzusammensetzung eingebracht wird, und zwar unter Berücksichtigung des für einen vorgeschlagenen Flug erforderlichen Kraftstoffvolumens für die Voreinspritzdüsen bei Betrieb „nahe am Punkt SP“ gemäß einem Kandidatenwert des ersten Schwellenwerts und/oder des zweiten Schwellenwerts, wobei das erforderliche Kraftstoffvolumen nach Verfahren bestimmt wird, die dem Fachmann bekannt sind.
Der zweite Schwellenwert kann unter Bezugnahme auf das an Bord des Luftfahrzeugs 1 für die SAF-reiche Kraftstoffzusammensetzung verfügbare Kraftstofftankvolumen festgelegt werden, wobei wiederum der Kraftstoffvolumenbedarf für einen vorgeschlagenen Flug für die Voreinspritzdüsen bei Betrieb „nahe Punkt SP“ berücksichtigt wird, wobei der Kraftstoffvolumenbedarf nach Verfahren ermittelt wird, die dem Fachmann bekannt sind. Bei einigen Flügen, insbesondere bei Langstreckenflügen, bei denen die gesamte verfügbare Kraftstoffkapazität genutzt werden muss, kann die Größe der verfügbaren Kraftstofftanks 53, 55 die verfügbaren Optionen in Bezug auf den zweiten Schwellenwert einschränken, um sicherzustellen, dass die Kapazität des Kraftstofftanks für die SAF-reiche Kraftstoffzusammensetzung vollständig genutzt wird. Dies würde entsprechende Beschränkungen für den SAF-Anteil in der SAF-reichen Kraftstoffzusammensetzung mit sich bringen
In Fällen, in denen der erste Schwellenwert und/oder der zweite Schwellenwert nicht unter Bezugnahme auf die verfügbare SAF-Menge festgelegt wurden, kann die Zusammensetzung des SAF-reichen Kraftstoffs durch einen oder mehrere der folgenden Faktoren bestimmt werden:

a) Die Höhe der für einen geplanten Flug verfügbaren oder zugewiesenen SAF;
b) der Gesamtkraftstoffbedarf für die Voreinspritzdüsen bei Betrieb nur mit Voreinspritzung in der Nähe des Stufenpunktes für den gesamten Flug (berechnet nach Verfahren, die dem Fachmann bekannt sind, und unter Berücksichtigung der entsprechenden Kraftstofftankvolumina, wie oben beschrieben); und
c) Etwaige Begrenzungen des höchstzulässigen SAF-Anteils, z. B. Zertifizierungsgrenzen oder praktische Grenzen, die mit dem jeweiligen Luftfahrzeug und/oder den Voreinspritzdüsen selbst zusammenhängen, oder die maximale prozentuale Mischung, in der SAF zum Zeitpunkt der Kraftstoffbefüllung verfügbar ist.

Der SAF-Anteil in der Zusammensetzung des SAF-reichen Kraftstoffs ist dann einfach 100% mal Faktor a) geteilt durch Faktor b), vorbehaltlich eines maximal zulässigen Wertes, der das Minimum der verschiedenen in Faktor c) ermittelten potenziellen Grenzwerte darstellt. Eine Anpassung kann erforderlich sein, um die unterschiedlichen volumetrischen Energiedichten von SAF und fossilem Kerosin zu berücksichtigen, wobei dem Fachmann bekannte Verfahren angewandt werden.
Die Zusammensetzung des SAF-armen Kraftstoffs kann nach demselben Verfahren und unter denselben Randbedingungen bestimmt werden, wie sie beispielsweise im Zusammenhang mit 12 beschrieben sind.
15 veranschaulicht die Abhängigkeit der nvPM-Zahl von der Kraftstoff-Durchflussrate W_F (gestrichelte Linie) für ein Beispiel, bei dem zwei Schaltpunkte vorgesehen sind, einer bei einem Schwellenwert TP im Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung und ein zweiter TP2 am Stufenpunkt SP, im Vergleich zu der entsprechenden Abhängigkeit für eine Standard-Kraftstoffzusammensetzung wie fossiles Kerosin (durchgezogene Linie). In dieser Darstellung wird angenommen, dass die SAF-reiche Kraftstoffzusammensetzung der Kraftstoffzusammensetzung C aus 7 und die SAF-arme Kraftstoffzusammensetzung der Standardkraftstoffzusammensetzung entspricht. Die Schaltpunkte TP, TP2 sind an den schnellen Änderungen der nvPM-Zahl bei der entsprechenden Kraftstoff-Durchflussrate zu erkennen.
16 zeigt ein Verfahren 4000 zum Betrieb eines Gasturbinentriebwerks 10, das unter Verwendung des gestuften Brennersystems von 12 durchgeführt werden kann, bei dem zwei Schaltpunkte TP, TP2 vorgesehen sind. Verfahrensschritte, die dem Verfahren der 14 gemeinsam sind, sind entsprechend gekennzeichnet. In diesem Beispiel umfasst die Regelung 4002 der Kraftstoffzufuhr ferner einen Schritt des Umschaltens 4008 der Zufuhr von Kraftstoff zu den Voreinspritzdüsen zwischen der ersten Kraftstoffquelle 302 und der zweiten Kraftstoffquelle 304 an einem Schwellenwert innerhalb des Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzung zusätzlich zu dem Umschalten 4006 am Stufenpunkt. Jedes der oben im Zusammenhang mit 15 beschriebenen Merkmale kann in das Verfahren der 16 integriert werden.
Figuren 17, 18 und 19
In den zuvor beschriebenen Beispielen ist der den Vor- und Haupteinspritzdüsen 313, 314 zugeführte Kraftstoff auf die Kraftstoffmerkmale der beiden vordefinierten Kraftstoffe (der erste und der zweite Kraftstoff) beschränkt, die in den ersten und zweiten Kraftstoffquellen 302, 304 enthalten sind. Die Erfinder haben festgestellt, dass weitere Vorteile erzielt werden können, wenn der Brennkammer 16 Kraftstoff zugeführt wird, der eine Mischung aus Kraftstoff aus der ersten und der zweiten Kraftstoffquelle 302, 304 enthält, um eine größere Flexibilität bei der den Einspritzdüsen 313, 314 zugeführten Kraftstoffzusammensetzung zu erreichen.
17 zeigt ein Beispiel, bei dem der Kraftstoff-Zufuhrregler 306 ein Kraftstoff-Mischgerät 318 umfasst. Das Kraftstoffmischgerät 318 ist so angeordnet, dass es eine Kraftstoffzufuhr sowohl von der ersten als auch von der zweiten Kraftstoffquelle 302, 304 erhält und Kraftstoff von der ersten Kraftstoffquelle 302, Kraftstoff von der zweiten Kraftstoffquelle 304 oder eine Mischung davon ausgibt (z. B. ein Mischungsverhältnis, das zwischen 100 % des ersten Kraftstoffs und 0 % des zweiten Kraftstoffs bis hin zu 0 % des ersten Kraftstoffs und 100 % des zweiten Kraftstoffs und einem beliebigen Verhältnis dazwischen variieren kann). Der Kraftstoffmischer 318 steht in Fluidverbindung mit der Vorsteuerverteilung 309 und ist so angeordnet, dass er Kraftstoff an die Voreinspritzdüsen 313 liefert. Der Kraftstoff-Zufuhrregler 306 besteht aus einem Hauptregler 306b, der mit der zweiten Kraftstoffquelle 304 verbunden und so angeordnet ist, dass er den Hauptverteiler 310 und die Haupteinspritzdüsen 314 versorgt, ähnlich wie in anderen Beispielen. In anderen Beispielen kann der Mischer so angeordnet sein, dass er sowohl die Haupt- als auch die Voreinspritzdüsen 313, 314 versorgt. Durch die Verwendung des Kraftstoffmischers 318 kann den Voreinspritzdüsen 313 zumindest während eines Teils des Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzung ein Gemisch von Kraftstoff zugeführt werden. Für andere Teile des Betriebs nur mit Voreinspritzung und während des Betriebs mit Vor- und Haupteinspritzdüsen können die Voreinspritzdüsen 313 durch das Kraftstoffmischgerät 313 mit Kraftstoff aus nur einer der Kraftstoffquellen versorgt werden. Während des gesamten Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzung und/oder während des Betriebsbereichs mit Vor- und Haupteinspritzung kann auch eine Mischung von Kraftstoff aus beiden Quellen bereitgestellt werden.
Ähnlich wie bei den zuvor beschriebenen Beispielen kann der erste Kraftstoff in der ersten Kraftstoffquelle 302 ein Kraftstoff mit niedrigem nvPM sein, wie z. B. ein SAF-reicher Kraftstoff, während der zweite Kraftstoff in der zweiten Kraftstoffquelle 304 eine hohe nvPM-Emission aufweisen kann, wie z. B. ein SAF-armer Kraftstoff. Wenn die Brennkammer 16 nur mit Voreinspritzung betrieben wird, kann den Voreinspritzdüsen 313 ein Kraftstoffgemisch zugeführt werden, so dass der zugeführte Kraftstoff mit einem niedrigeren nvPM-Wert verbunden ist als der Kraftstoff, der den Haupt- und/oder Voreinspritzdüsen 313, 314 im Betrieb mit Vor- und Haupteinspritzung zugeführt wird, wo der nvPM-Wert von Natur aus niedriger ist. Dies kann eine noch effizientere Nutzung von Kraftstoff mit niedrigem nvPM ermöglichen. Der Kraftstoff, der den Voreinspritzdüsen 313 zumindest während eines Teils des Betriebs nur mit Voreinspritzung zugeführt wird, kann daher im Vergleich zu dem Kraftstoff, der den Haupteinspritzdüsen 314 während des Betriebs mit Vor- und Haupteinspritzung zugeführt wird, mehr des ersten Kraftstoffs enthalten. Im Beispiel der 17 ermöglicht der Kraftstoff-Zufuhrregler 306, dass die Kraftstoffe aus den ersten und zweiten Quellen 302, 304 durch den Kraftstoffmischer 318 in einem gewünschten Mischungsverhältnis gemischt und der Vorsteuerverteilung 309 zugeführt werden. Dies steht im Gegensatz zu dem Beispiel der 12, 13 und 14, bei dem ein Kraftstoffgemisch, das durch Mischen einer Menge Kraftstoff aus der ersten Quelle 302 und einer Menge Kraftstoff aus der zweiten Quelle 304 gebildet wird, nicht bereitgestellt werden kann.
Mit der Bereitstellung von gemischtem Kraftstoff auf diese Weise sind eine Reihe von Vorteilen verbunden. So kann beispielsweise eine harte Grenze oder ein Schaltpunkt (z. B. der oben beschriebene Schwellenwert TP) innerhalb des nur Voreinspritzbereiches, unterhalb dessen eine SAF-arme Kraftstoffzusammensetzung den Voreinspritzdüsen 313 zugeführt wird und oberhalb dessen eine SAF-reiche Kraftstoffzusammensetzung den Voreinspritzdüsen 313 zugeführt wird, vermieden werden. Dadurch kann das Risiko eines plötzlichen Anstiegs der Rußemissionen bei Verringerung des Kraftstoffdurchsatzes verringert werden, was andernfalls zu unnötig hohen Rußemissionen führen könnte, beispielsweise während der Anflug- und/oder Endanflugphase.
Die Beimischung von Kraftstoff kann auch deshalb vorteilhaft sein, weil in der Nähe des Stufenpunkts SP (d. h. bei Durchflussraten knapp unterhalb des Stufenpunkts), wo die nvPM-Zahl am höchsten ist, eine Kraftstoffmischung verwendet werden kann, die den nvPM-Wert stärker reduziert. Auf diese Weise können die nvPM-Emissionen insgesamt besser kontrolliert und Kraftstoffe mit niedriger nvPM-Zahl effektiver genutzt werden.
Der prozentuale Anteil von SAF im SAF-reichen ersten Kraftstoff kann so hoch wie möglich sein, vorbehaltlich etwaiger Beschränkungen des maximal zulässigen SAF-Anteils, z. B. Zertifizierungsgrenzwerte oder z. B. technische Grenzen, die mit dem jeweiligen Luftfahrzeug und/oder den Voreinspritzdüsen selbst zusammenhängen, oder der maximalen prozentualen Mischung, in der SAF zum Zeitpunkt der Kraftstoffbefüllung verfügbar ist.
Der prozentuale Anteil von SAF im SAF-reichen ersten Kraftstoff kann auch durch den erforderlichen Füllfaktor des Kraftstofftanks bzw. der Kraftstofftanks, die für die SAF-reiche Kraftstoffzusammensetzung verwendet werden, in Verbindung mit der für den geplanten Flug vorgesehenen SAF-Menge begrenzt werden. Beispielsweise darf bei Langstreckenflügen, die eine vollständige Füllung aller Kraftstofftanks 53, 55 erfordern, das Volumen der SAF-reichen Kraftstoffzusammensetzung nicht geringer sein als das Fassungsvermögen des kleinsten einzelnen Kraftstofftanks, der die erste Kraftstoffquelle enthalten könnte.
Die Zusammensetzung des SAF-armen Kraftstoffs, d. h. des zweiten Kraftstoffs, kann nach demselben Verfahren und unter denselben Bedingungen wie bei den zuvor beschriebenen Beispielen bestimmt werden.
In einigen Beispielen kann der Kraftstoff-Zufuhrregler 306 so eingerichtet sein, dass er ein konstantes Mischungsverhältnis von Kraftstoff aus der ersten Kraftstoffquelle 302 und Kraftstoff aus der zweiten Kraftstoffquelle 304 bereitstellt. Dadurch kann der Brennkammer ein Kraftstoff zugeführt werden, der andere Merkmale aufweist als die für die Versorgung des Luftfahrzeugs 1 verfügbaren Kraftstoffe. Dies kann weitere Flexibilität und eine verbesserte nvPM-Steuerung ermöglichen. Beispielsweise kann das Mischungsverhältnis für einen bestimmten Flug bestimmt und festgelegt werden, sobald die Menge des Kraftstoffs in der ersten und zweiten Kraftstoffquelle 302, 304, die dem Flug zugewiesen wird, bekannt ist.
In anderen Beispielen ist der Kraftstoffmischer 318 so angeordnet, dass er den Voreinspritzdüsen 313 ein Kraftstoffgemisch mit einem variierenden Mischungsverhältnis von Kraftstoff aus der ersten Kraftstoffquelle 302 und Kraftstoff aus der zweiten Kraftstoffquelle 304 zuführt. Das Mischungsverhältnis kann innerhalb des Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzung entsprechend der Kraftstoff-Durchflussrate oder entsprechend der Kraftstoff-Durchflussrate geteilt durch die Kraftstoff-Durchflussrate am Stufenpunkt SP variiert werden. In einigen Beispielen kann die Kraftstoffmischung so variiert werden, dass der Anteil des Kraftstoffs aus der ersten Kraftstoffquelle 302 im Vergleich zu dem aus der zweiten Kraftstoffquelle 304 mit abnehmender Durchflussrate innerhalb des Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzung verringert wird. Dadurch kann die Menge des Kraftstoffs mit niedrigem nvPM-Wert (z. B. SAF) bei abnehmender Durchflussrate reduziert werden. In anderen Beispielen kann die Abhängigkeit des ersten Kraftstoffs von der Durchflussrate auch umgekehrt sein. So kann in einigen Fällen die prozentuale Verringerung des nvPM aufgrund der Verwendung von SAF bei niedrigen Leistungseinstellungen (z. B. bei niedrigem Kraftstoffdurchsatz) größer sein als bei höheren Leistungseinstellungen (z. B. bei hohem Kraftstoffdurchsatz).
Der Kraftstoff-Fördermengenregler 306 des Beispiels in 17 kann so angeordnet sein, dass er:

a) Zuführen von Kraftstoff aus der zweiten Kraftstoffquelle 304, z. B. von Kraftstoff mit hohem nvPM-Wert, wie SAF-armen Kraftstoff, sowohl für die Vor- und Haupteinspritzdüsen 313 als auch für die Haupteinspritzdüsen 314 mit Durchflussraten oberhalb des Stufenpunktes;
b) Zuführen von Kraftstoff zu den Voreinspritzdüsen 313 aus der ersten Kraftstoffquelle 302, z. B. von Kraftstoff mit niedrigem nvPM-Wert, wie SAF-reichem Kraftstoff, bei und/oder unmittelbar unter der Durchflussrate des Kraftstoffs am Stufenpunkt SP; und
c) Zuführen von Kraftstoff zu den Voreinspritzdüsen 313 mit einer Mischung, die zunehmend weniger des ersten Kraftstoffs aus der ersten Kraftstoffquelle 302 und entsprechend mehr des zweiten Kraftstoffs aus der zweiten Kraftstoffquelle 304 enthält, wenn die Gesamtdurchflussrate des Kraftstoffs unter den Stufenpunkt gesenkt wird.

Das Verhältnis zwischen dem ersten Kraftstoff und dem zweiten Kraftstoff, der den Voreinspritzdüsen 313 während des Betriebs nur mit Voreinspritzung zugeführt wird, kann nach einem Ablaufplan für die Kraftstoffmischung variiert werden. Der Ablaufplan für die Kraftstoffbeimischung kann vom EEC 42 bestimmt werden und dazu verwendet werden, Steuersignale an den Kraftstoff-Zufuhrregler 306 zu senden, um das Mischungsverhältnis zu steuern.
In einigen Beispielen kann die Abhängigkeit des Anteils des Kraftstoffs aus der ersten Kraftstoffquelle 302 im Vergleich zu dem aus der zweiten Kraftstoffquelle 304 von der Durchflussrate des Kraftstoffs entsprechend einem gewünschten resultierenden nvPM-Wert bei einer bestimmten Durchflussrate des Kraftstoffs bestimmt werden. Beispielsweise kann das Mischungsverhältnis so festgelegt werden, dass die nvPM-Zahl für eine bestimmte Kraftstoff-Durchflussrate einen vorgegebenen Schwellenwert nicht überschreitet. Für einen bestimmten Flugzustand (z. B. Flughöhe und Vorwärtsgeschwindigkeit) kann mit Hilfe einer Nachschlagetabelle das Mischungsverhältnis (z. B. SAF-Prozentsatz) bestimmt werden, das erforderlich ist, um ein bestimmtes Niveau der nvPM-Zahl bei einem bestimmten W_F zu erreichen. Bei Kenntnis der charakteristischen Werte des ersten und des zweiten Kraftstoffs (d. h. des SAF-Prozentsatzes innerhalb jeder der beiden vorgegebenen Kraftstoffzusammensetzungen, SAF-reich und SAF-arm) kann der Anteil der SAF-reichen Kraftstoffzusammensetzung bestimmt werden, der an die Voreinspritzdüsen geliefert werden muss. Der Anteil des SAF-armen Kraftstoffs, der mit dem SAF-reichen Kraftstoff gemischt wird, um eine momentane Kraftstoffzusammensetzung zu erzeugen, die den Voreinspritzdüsen 313 zugeführt werden soll, kann dann ebenfalls bestimmt werden, um die nvPM-Erzeugung während des gesamten Betriebs nur mit Voreinspritzung innerhalb eines Schwellenwerts zu halten. Die Bestimmung des Anteils jedes Kraftstoffs an der Mischung kann vom EEC 42 auf der Grundlage von Informationen aus der Nachschlagetabelle, Informationen über die Kraftstoffmerkmale der ersten und zweiten Kraftstoffquelle und der aktuellen Durchflussrate des Kraftstoffs vorgenommen werden. Sobald das EEC 42 ein Mischungsverhältnis bestimmt hat, kann der Blender 318 durch Steuersignale, die vom EEC 42 an den Kraftstoff-Zufuhrregler 306 gesendet werden, entsprechend gesteuert werden. In einigen Beispielen kann die EEC 42 das Mischungsverhältnis in Echtzeit als Reaktion auf Änderungen der aktuellen Flugbedingungen oder der aktuellen atmosphärischen Bedingungen berechnen.
In einem anderen Beispiel kann der Ablaufplan für die Kraftstoffbeimischung (unter Berücksichtigung der Veränderung des Reduktionsfaktors für nvPM-Nummer (oder nvPM-Masse) für eine bestimmte Kraftstoffzusammensetzung im Verhältnis zu dem für die Standardzusammensetzung oder SAF-arme Zusammensetzung mit W_F) so festgelegt werden, dass die Gesamtzahl (oder -masse) der emittierten nvPM während eines Betriebszeitraums des Gasturbinentriebwerks 10, z. B. eines Lande- und Startzyklus (LTO), minimiert (oder innerhalb eines vordefinierten Schwellenwerts gehalten) wird.
Vor einem Flug kann mit Hilfe der Kenntnis der gewünschten Abhängigkeit der nvPM-Zahl von W_F und den Flugbedingungen, der Eigenschaften des ersten und des zweiten Kraftstoffs und der Kenntnis der Kraftstoffmenge, die bei jedem Wert von W_F und jeder Flugbedingung verbraucht wird, die Gesamtmenge des ersten und des zweiten Kraftstoffs bestimmt werden, die für den geplanten Flug benötigt wird (siehe unten). Das Luftfahrzeug kann daher vor dem Flug mit der geeigneten Menge an Kraftstoff beladen werden.
18 zeigt ein Beispiel für die Abhängigkeit der nvPM-Zahl von der Durchflussrate des Kraftstoffs W_F für das in 17 dargestellte Beispiel (gestrichelte Linie) im Vergleich zu der entsprechenden Abhängigkeit für eine Standard-Kraftstoffzusammensetzung wie fossiles Kerosin (durchgezogene Linie). In diesem Beispiel ist der erste Kraftstoff eine SAF-reiche Kraftstoffzusammensetzung, die der Kraftstoffzusammensetzung C aus 7 entspricht, und der zweite Kraftstoff ist eine SAF-arme Kraftstoffzusammensetzung, die der Standardkraftstoffzusammensetzung in 7 entspricht.
Im Beispiel der 18 wird die Charakteristik des Kraftstoffs, der den Voreinspritzdüsen 313 während des Betriebs nur mit Voreinspritzung zugeführt wird, so bestimmt, dass die nvPM-Zahl einen vorgegebenen Schwellenwert nicht überschreitet, der im gezeigten Beispiel der nvPM-Zahl der SAF-reichen Kraftstoffzusammensetzung am Stufenpunkt SP entspricht. In diesem Beispiel gibt es einen Betriebsbereich mit niedrigen Werten von W_F, in dem die Voreinspritzdüsen 313 mit der SAF-armen Kraftstoffzusammensetzung versorgt werden. Wenn W_F ansteigt und die nvPM-Zahl zunimmt, muss ab einem bestimmten Punkt eine SAF-reiche Kraftstoffzusammensetzung beigemischt werden, um zu verhindern, dass die nvPM-Zahl über den vorgegebenen Schwellenwert steigt. Wenn W_F weiter ansteigt, nimmt der Anteil der SAF-reichen Kraftstoffzusammensetzung im Gemisch weiter zu, bis er am Stufenpunkt SP 100 % erreicht. Bei noch höheren Werten von W_F, die dem Betrieb mit Vor- und Haupteinspritzung entsprechen, werden die Voreinspritzdüsen 313 erneut mit SAF-armer Kraftstoffzusammensetzung versorgt.
Obwohl 18 eine begrenzte Abhängigkeit der nvPM-Zahl von W_F zeigt, wird deutlich, dass durch eine geeignete Bestimmung der Abhängigkeit des Mischungsverhältnisses von W_F im gesamten Bereich des Betriebs nur mit Voreinspritzung jede gewünschte Abhängigkeit der nvPM-Zahl von W_F erreicht werden kann, vorbehaltlich einer Obergrenze, die der Abhängigkeit des zweiten Kraftstoffs (d. h. des Kraftstoffs mit hohem nvPM-Wert, z. B. der SAF-armen Zusammensetzung) entspricht, und einer Untergrenze, die der Abhängigkeit des ersten Kraftstoffs entspricht.d. h. dem Kraftstoff mit hohem nvPM-Wert, wie z. B. der SAF-armen Kraftstoffzusammensetzung) und einer Untergrenze, die der Abhängigkeit vom ersten Kraftstoff (d. h. dem Kraftstoff mit niedrigem nvPM-Wert, wie z. B. der SAF-reichen Kraftstoffzusammensetzung) entspricht. Entspricht die SAF-reiche Kraftstoffzusammensetzung der Kraftstoffzusammensetzung C aus 7, so wird der adressierbare Bereich durch die schraffierte Fläche in 19 dargestellt.
Innerhalb des adressierbaren Bereichs kann durch eine geeignete Ablaufplanung in Abhängigkeit von W_F im Betrieb nur mit Voreinspritzung prinzipiell jede einwertige Funktion der nvPM-Zahl gegenüber W_F erreicht werden. 20 zeigt ein weiteres Beispiel dafür, wie die nvPM-Zahl von der Kraftstoff-Durchflussrate abhängen kann.
Indem den Voreinspritzdüsen im reinen Voreinspritzbetrieb (oder zumindest in einem oder mehreren Bereichen des Voreinspritzbetriebs) auf diese Weise eine Kraftstoffmischung zugeführt wird, kann die Änderungsrate der nvPM-Zahl mit W_F wesentlich geringer ausfallen als bei der Standard-Kraftstoffzusammensetzung, z. B. fossiles Kerosin, und auch geringer als bei anderen Beispielen, bei denen zwischen den Kraftstoffquellen 302, 304 gewechselt wird. Daher könnte im Betrieb nur mit Voreinspritzung, wie im Beispiel von 17, W_F aus anderen Gründen als der Rußemission variiert werden, ohne dass sich die Rußemissionen wesentlich ändern. In US2022042465 werden beispielsweise die Kraftstoff-Durchflussraten der einzelnen Triebwerke während des Endanflugs variiert, um das Anzapfgeräusch zu begrenzen. Wenn man davon ausgeht, dass der Schubbedarf im Endanflug einem Bereich entspricht, in dem nur Voreinspritzungen stattfinden, dann können die hier beschriebenen Beispiele, bei denen der Kraftstoff durch das erfindungsgemäße Kraftstoffmischgerät 318 gemischt wird, die Änderung der Rußemissionen, die ansonsten mit solchen lärmbedingten Änderungen des Kraftstoffdurchsatzes einhergehen würden, erheblich reduzieren.
Die in den 13 und 15 gezeigten Beispiele können als Sonderfälle des Beispiels für gemischten Kraftstoff angesehen werden, bei denen die SAF-reiche Kraftstoffzusammensetzung nicht nur am Stufenpunkt SP, sondern auch in einem Bereich verwendet wird, der sich ein Stück nach links vom Stufenpunkt erstreckt (d. h. bei niedrigeren Durchflussraten). In dem Beispiel von 13 erstreckt sich dieser Bereich bis zur linken Seite des Diagramms. Im Beispiel von 15 gibt es einen Umschaltpunkt, an dem die Zusammensetzung des Kraftstoffs innerhalb des Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzung scharf auf die SAF-arme Kraftstoffzusammensetzung umgeschaltet wird. Es wird deutlich, dass der Wechsel von einem Kraftstofftyp zum anderen einer Änderung des Mischungsverhältnisses von 0:100 auf 100:0 oder umgekehrt entspricht.
21 veranschaulicht ein Verfahren 4000 zum Betrieb eines Gasturbinentriebwerks 10, das unter Verwendung des Systems von 17 durchgeführt werden kann. Die Schritte, die auch in anderen zuvor beschriebenen Verfahren vorkommen, sind entsprechend gekennzeichnet. In diesem Beispiel umfasst die Regulierung 4002 der Kraftstoffzufuhr Folgendes: Mischen 4010 einer Zufuhr von Kraftstoff sowohl aus der ersten als auch aus der zweiten Kraftstoffquelle 302, 304, um einen gemischten Kraftstoff zu bilden, der aus Kraftstoff aus der ersten Kraftstoffquelle 302, Kraftstoff aus der zweiten Kraftstoffquelle 304 oder einer Mischung daraus besteht; und Zuführen 4012 des gemischten Kraftstoffs zu den Voreinspritzdüsen 313. Jedes der oben im Zusammenhang mit 17 beschriebenen Merkmale kann in das Verfahren der 21 einbezogen werden, auch wenn sie hier nicht wiederholt werden.
nvPM-Kostenfunktion
In den oben beschriebenen Beispielen basiert die Steuerung der Kraftstoffmerkmale, die den Einspritzdüsen zugeführt werden, auf einer gewünschten Form der Abhängigkeit der nvPM-Zahl von W_F, anhand derer die bei jedem Wert von W_F zu verwendenden Kraftstoffmerkmale bestimmt werden, damit diese gewünschte Form erreicht werden kann. Der Regler für die Kraftstoffzufuhr kann in diesen Beispielen daher so gesteuert werden, dass die nvPM-Produktion des Triebwerks minimiert wird. Die nvPM-Produktion kann sich auf den nvPM-Gehalt des Triebwerksabgases beziehen, z. B. auf die Masse oder die Anzahl der erzeugten nvPM-Partikel.
Um eine noch bessere Kontrolle der nvPM-Emissionen zu ermöglichen, können weitere Faktoren berücksichtigt werden, da die Erfinder festgestellt haben, dass ein emittiertes Rußpartikel nicht genauso nachteilig ist wie ein anderes emittiertes Rußpartikel. In einigen Beispielen kann daher die Höhe der Kosten oder des Schadens, die durch jedes emittierte Rußpartikel verursacht werden, berücksichtigt werden. So kann beispielsweise davon ausgegangen werden, dass Rußpartikel, die in Bodennähe emittiert werden, größere Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit haben als Rußpartikel, die in einer Höhe von mehreren tausend Fuß über dem Boden emittiert werden (in der Tat sind Rußemissionen in einer Höhe von weniger als 3000 Fuß über der Start- und Landebahn geregelt, während Rußemissionen in größeren Höhen nicht geregelt sind).
Der Kraftstoffregler eines der hier beschriebenen Beispiele kann so eingerichtet sein, dass er den Voreinspritzdüsen Kraftstoff zuführt, um die nvPM-Auswirkungen der Triebwerksabgase zu steuern (z. B. zu optimieren oder zu verringern). Der Kraftstoff-Zufuhrregler 306 kann daher so eingerichtet sein, dass er den Voreinspritzdüsen Kraftstoff zuführt, um eine Kostenfunktion zu minimieren, die von einem oder mehreren Parametern der nvPM-Auswirkung abhängt. Die nvPM-Einflussparameter können sich auf die Kosten oder den Schaden von nvPM-Emissionen (z. B. Ruß) einer bestimmten Art oder in einer bestimmten Situation beziehen. Auf diese Weise kann das Gasturbinentriebwerk 10 so betrieben werden, dass die nvPM-Emissionen, die andernfalls den größten Schaden anrichten würden, im Vergleich zu denjenigen, die weniger Auswirkungen auf die Umwelt und/oder die menschliche Gesundheit haben, reduziert werden.
Die ein oder mehreren nvPM-Einflussparameter, auf denen die Kostenfunktion basiert, können eines oder mehrere der folgenden Elemente umfassen:

i) Höhe über dem Boden, in der die nvPM-Produktion stattfindet;
ii) Position (z. B. Standort, z. B. Längen- und Breitengrad) der nvPM-Produktion. Die Kosten der nvPM-Emissionen können als Funktion der 3D-Position der Rußemissionen (z. B. Höhe, Längen- und Breitengrad) definiert werden, wobei die Nähe zu Bevölkerungszentren oder anderen wichtigen Orten berücksichtigt werden kann;
iii) Wetter-/Atmosphärische Bedingungen am Ort der nvPM-Produktion. Die Kostenfunktion kann beispielsweise vorherrschende Winde, Wettermuster und atmosphärisches Verhalten wie Abbauprozesse berücksichtigen, um die künftige Lage der emittierten Rußpartikel im Verhältnis zu Bevölkerungszentren oder anderen wichtigen Orten zu bewerten;
iv) Klimaauswirkungen in Verbindung mit dem Standort der nvPM-Produktion. So können beispielsweise die klimatischen Auswirkungen der Ablagerung von Ruß an bestimmten Orten berücksichtigt werden. Solche Orte können ansonsten hochalbedohaltige Oberflächen, z. B. Eis, umfassen;
v) Masse/Größe der einzelnen erzeugten nvPM-Partikel. Die Kostenfunktion kann so definiert werden, dass die Verringerung der nvPM-Anzahl und/oder -Masse in einem oder mehreren spezifischen Partikelgrößenbereichen gegenüber der Verringerung der nvPM-Anzahl und/oder -Masse in einem oder mehreren weiteren Größenbereichen Vorrang hat. Die Kostenfunktion kann beispielsweise eine gewichtete Summe über die Anzahl (oder Masse) der Partikel in verschiedenen Größenbereichen umfassen, wobei die Gewichtung so definiert ist, dass sie den Gedanken widerspiegelt, dass einige Größenbereiche möglicherweise gesundheitsschädlicher sind oder zu einem nachteiligeren Umweltergebnis führen als andere (und daher innerhalb der Kostenfunktion eine größere Bedeutung haben), ohne jedoch die anderen Größenbereiche völlig zu ignorieren;
vi) Potenzielle Kondensstreifenproduktion und/oder Kondensstreifenmerkmale. Beispielsweise könnte die Kostenfunktion die Wahrscheinlichkeit berücksichtigen, dass bestimmte nvPM-Emissionen die Bildung eines Kondensstreifens durch das Luftfahrzeug verursachen oder die Eigenschaften oder Merkmale eines vom Luftfahrzeug erzeugten Kondensstreifens beeinflussen. Dies kann insbesondere für Kondensstreifen gelten, die sich am oberen Ende der Sinkflugphase des Luftfahrzeugs bilden, wo der Betrieb der Brennkammer wahrscheinlich deutlich unter dem Stufenpunkt liegt und die Verwendung von Kraftstoff mit niedrigem nvPM-Wert eine größere Wirkung haben kann;
vii) Auswirkungen der Produktion von nvPM auf die lokale Luftqualität (LAQ); und/oder
viii) Menge der erzeugten nvPM. Die Kostenfunktion kann die Menge der vom Triebwerk erzeugten nvPM-Emissionen berücksichtigen, z. B. in Form der Gesamtmasse und/oder der Anzahl der nvPM-Partikel in einer bestimmten Zeit, oder einen Emissionsindex für die Masse (oder Anzahl) der nvPM pro Masseneinheit des verbrauchten Kraftstoffs.

Es kann eine beliebige Anzahl der oben genannten Einflussparameter definiert werden, um eine zu minimierende Kostenfunktion festzulegen und den Kraftstoff-Zufuhrregler 306 so zu steuern, dass er der Verbrennungsanlage 16 Kraftstoff mit den erforderlichen Merkmalen zuführt. In einigen Beispielen könnte die nvPM-Produktionskostenfunktion in eine umfassendere Kostenfunktion mit anderen Kosten integriert werden.
Die Steuerung des Kraftstoff-Zufuhrreglers 306 eines jeden hier beschriebenen Beispiels kann auf der Kostenfunktion basieren. Beispielsweise kann die bordeigene Mischung des ersten und zweiten Kraftstoffs (SAF-reich und SAF-arm) verwendet werden, um bei jedem Betriebszustand im Betrieb nur mit Voreinspritzung eine gewünschte nvPM-Zahl zu erreichen. Die Kraftstoffmerkmale, die den Voreinspritzdüsen 313 im Betrieb nur mit Voreinspritzung zugeführt werden (und damit das entsprechende Mischungsverhältnis zwischen der Menge der SAF-armen und der Menge der SAF-reichen Kraftstoffzusammensetzung), sind möglicherweise nicht mehr nur eine einfache Funktion von W_F (ja, es ist nicht einmal eine einwertige Funktion von W_F), sondern können in Abhängigkeit von anderen Parametern variieren, um eine Gesamtkostenfunktion zu minimieren.
Umschalten zwischen Betrieb nur mit Voreinspritzung und Betrieb mit Vor- und Haupteinspritzung während des Reisefluas
In bekannten gestuften Verbrennungssystemen wird der Stufenpunkt SP in der Regel so gewählt, dass der Reiseflugbetrieb im Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung stattfindet. Der Betrieb bei niedrigen Leistungseinstellungen, wie z. B. Rollbetrieb, Sinkflug und Landeanflug, findet häufig im Bereich der nur Voreinspritzung statt.
Die Erfinder haben festgestellt, dass es darüber hinaus vorteilhaft ist, ein gestuftes Verbrennungssystem so zu betreiben, dass es zumindest während eines Teils des Reisefluges nur Voreinspritzungen vornimmt und gleichzeitig während des Reisefluges selektiv Kraftstoff aus zwei verschiedenen Quellen in die Brennkammer einspeist.
In einem weiteren Beispiel der vorliegenden Anwendung ist das in 5 dargestellte gestufte Verbrennungssystem 64 zusätzlich oder alternativ so angeordnet, dass es zwischen dem Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung und dem Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung an einem Stufenpunkt umschaltet, der so gewählt ist, dass er einem stationären Reiseflug-Betriebsbereich des Triebwerks 10 entspricht. Der Stufenpunkt ist in diesem Beispiel so angeordnet, dass er eine Grenze zwischen einem ersten Triebwerk-Reiseflugbetriebsbereich und einem zweiten Triebwerk-Reiseflugbetriebsbereich definiert. Mit anderen Worten: Der Stufenpunkt wird so gewählt, dass er bei einer Leistungseinstellung des Triebwerks (oder einem anderen Treibwerksbetriebsparameter, der die Leistungseinstellung des Triebwerks angibt) liegt, die über der minimalen Leistungseinstellung des Triebwerks liegt, bei der das Triebwerk im stationären Reiseflug arbeitet. Damit wird ein Bereich relativ niedriger Reiseflug-Triebwerksleistungsbedingungen definiert, in dem das gestufte Verbrennungssystem im reinen Voreinspritz-Betrieb arbeitet, verglichen mit dem Betrieb mit Vor- und Haupteinspritzung bei relativ höheren Leistungseinstellungen des Reiseflugs. Dadurch wird der Stufenpunkt auf eine höhere Leistungseinstellung verschoben, so dass das Verbrennungssystem auch bei höheren Leistungen als der minimalen Reiseflugleistung noch im reinen Voreinspritz-Betrieb arbeiten kann. Die Bereiche nur Voreinspritzung und Vor- und Haupteinspritzung werden daher neu definiert, so dass das gestufte Verbrennungssystem 64 bei einer anderen W_F zwischen den Betriebsarten umschaltet, d. h. die Grenze zwischen den Bereichen wird im Vergleich zu Systemen nach dem Stand der Technik geändert.
In diesem Beispiel ist der Kraftstoff-Zufuhrregler 306 so angeordnet, dass er den Voreinspritzdüsen 313 zumindest während eines Teils oder vorzugsweise während des gesamten ersten Reiseflug-Betriebsbereichs Kraftstoff zuführt, der andere Kraftstoffmerkmale aufweist als der Kraftstoff, der einer oder beiden Voreinspritzdüsen 313 und den Haupteinspritzdüsen 314 während des zweiten Reiseflug-Betriebsbereichs zugeführt wird. Genauer gesagt versorgt der Kraftstoffregler 306 während des ersten Reiseflugbetriebsbereichs die Voreinspritzdüsen mit Kraftstoff aus den verfügbaren Kraftstoffquellen, der sich von dem Kraftstoff unterscheidet, der den Einspritzdüsen während des zweiten Reiseflugbetriebsbereichs zugeführt wird. Dabei kann es sich um Kraftstoff handeln, der sowohl den Vor- und Haupteinspritzdüsen als auch den Voreinspritzdüsen im Haupt- und Pilotbetrieb zugeführt wird.
Die Erfinder haben festgestellt, dass durch die Einstellung des Stufenpunktes, so dass ein Reiseflug mit geringerer Leistung im reinen Voreinspritz-Betrieb möglich ist, bestimmte Triebwerksemissionen reduziert und der Verbrennungswirkungsgrad verbessert werden können. In Verbindung mit der selektiven Verwendung von Kraftstoffen mit unterschiedlichen Merkmalen haben die Erfinder festgestellt, dass nachteilige Auswirkungen auf die Emissionen, die sich andernfalls aus der Verlagerung des Stufenpunkts ergeben würden, abgeschwächt werden können. Die Kombination dieser Faktoren führt daher insgesamt zu einer Verbesserung des Verbrennungswirkungsgrads und einer Verringerung der Emissionen.
Die Schadstoffemissionen können durch einen Emissionsindex (EI) charakterisiert werden, der die Masse (oder Anzahl) eines bestimmten Schadstoffs pro Masseneinheit des verbrauchten Kraftstoffs angibt. Die Erfinder haben festgestellt, dass im Betrieb nur mit Voreinspritzung bei sehr geringer Triebwerksleistung der Massenemissionsindex von Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) relativ hoch sein kann.
Dies stellt nicht nur eine Freisetzung von Schadstoffen in die Atmosphäre dar, sondern verringert auch die Kraftstoffeffizienz aufgrund der unvollständigen Verbrennung des Kraftstoffs, d. h. es wird nicht der gesamte Kraftstoff vollständig verbrannt. Dies kann dazu führen, dass der Kraftstoffverbrauch für den Einsatz erhöht und/oder die Nutzlastkapazität des Luftfahrzeugs verringert wird. Mit zunehmender Leistung des Triebwerks (immer noch im Betrieb nur mit Voreinspritzung) sinken sowohl der EI(CO) als auch der EI(HC) und bleiben danach niedrig. Beim Übergang zu noch höheren Leistungseinstellungen des Triebwerks und zum Betrieb mit Vor- und Haupteinspritzung werden EI(CO) und EI(HC) jedoch wieder hoch, bevor sie bei noch höheren Leistungseinstellungen des Triebwerks wieder sinken. Dies ist in 22 dargestellt, die die Abhängigkeit von EI(CO) und EI(HC) von der Leistungseinstellung des Triebwerks zeigt, wobei die vertikale gestrichelte Linie den Stufenpunkt SP darstellt.
Während des ersten Bereichs des Reiseflugs arbeitet das Triebwerk mit relativ niedrigen Leistungseinstellungen, so dass die CO- und HC-Emissionen relativ hoch wären, wenn der Stufenpunkt so gewählt würde, dass das Verbrennungssystem im Vor- und Haupteinspritzbetrieb arbeitet. Denn selbst wenn der Stufenpunkt so gewählt würde, dass der Reiseflug im Vor- und Haupteinspritzbetrieb, d. h. oberhalb des Stufenpunkts SP, stattfindet, können einige Teile des Reiseflugs ziemlich nahe am Stufenpunkt liegen (z. B. knapp darüber). Dies hätte den Nachteil, dass die HC- und CO-Emissionen während dieses Betriebs hoch sein können und der Verbrennungswirkungsgrad infolgedessen nachteilig und wesentlich verringert sein kann (was zu einem höheren Kraftstoffverbrauch und/oder einer geringeren Nutzlast des Luftfahrzeugs führen kann).
Durch die Einstellung des Stufenpunktes, so dass der Reiseflug mit geringer Leistung nur im Voreinspritzbetrieb stattfindet, kann diese nachteilige Emission von CO und HC reduziert oder vermieden werden. Dies wird in 23 veranschaulicht, die zeigt, wie sich die Einstellung des Stufenpunkts SP' auf die Festlegung eines ersten Reiseflugbereichs 320a und eines zweiten Reiseflugbereichs 320b auswirkt. Wie in 23 zu sehen ist, entspricht der erste Reiseflugbetriebsbereich 320a dem Reiseflug mit geringer Leistung, d. h. unterhalb des Stufenpunkts SP', während der zweite Reiseflugbetriebsbereich 320b dem Reiseflug mit höherer Leistung oberhalb des Stufenpunkts SP' entspricht. Innerhalb des ersten Reiseflug-Betriebsbereichs 320a ist das gestufte Verbrennungssystem 64 so konfiguriert, dass es nur mit Voreinspritzung arbeitet und somit niedrige CO- und HC-Emissionen erzeugt. Durch die Verschiebung des Stufenpunktes zu einer höheren Leistungseinstellung (z. B. von der dünnen zur dicken gestrichelten Linie in 23, die mit SP bzw. SP' gekennzeichnet ist) bleiben die CO- und HC-Emissionen über einen größeren Bereich von Leistungseinstellungen des Triebwerks niedrig (z. B. die dicke durchgezogene Linie gegenüber der dünnen gestrichelten Linie in der Abhängigkeit von EI(CO) und EI(HC) von der Leistungseinstellung).
Die Erfinder haben ferner festgestellt, dass der Emissionsindex von nvPM bei reiner Voreinspritzung mit der Triebwerksleistung rasch ansteigt, bei Vor- und Haupteinspritzung jedoch typischerweise gleichmäßig niedrig ist. Für nvPM kann der Emissionsindex mit Bezug auf die Masse des nvPM oder die Anzahl der nvPM-Partikel (pro Masseneinheit Kraftstoff) beschrieben werden. Ein Beispiel für die Abhängigkeit des nvPM von der Leistungseinstellung des Triebwerks ist in 24 dargestellt.
Infolge der effektiven Verlagerung des Stufenpunkts auf eine höhere Leistungseinstellung wird der Standard-El(nvPM) nachteilig erhöht. Wie aus 24 hervorgeht, würde der Betrieb im reinen Voreinspritzbetrieb bei höheren Leistungen zu einer erhöhten nvPM-Produktion führen, da im Betrieb nur mit Vor- und Haupteinspritzung weniger Triebwerksleistung anfällt, wo die nvPM-Produktion gering ist, und das nvPM bei höheren Leistungen im reinen Voreinspritzbetrieb schnell ansteigt.
Die Erfinder haben festgestellt, dass dieser ansonsten nachteilige Anstieg des nvPM durch die selektive Verwendung eines Kraftstoffs mit einem anderen Kraftstoffmerkmal zumindest während des Teils des Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzung im Reiseflug, in dem ansonsten ein hohes nvPM erzeugt würde, gemildert werden kann. Beispielsweise kann der Kraftstoff, der den Voreinspritzdüsen 313 während des ersten Teils des Betriebsbereichs mit Vor- und Haupteinspritzdüsen im Reiseflug des Triebwerks 320a zugeführt wird, so ausgewählt werden, dass er mit einer geringeren nvPM-Erzeugung verbunden ist als der Kraftstoff, der einer oder beiden Voreinspritzdüsen und Haupteinspritzdüsen 313, 314 zumindest während eines Teils des zweiten Teils des Betriebsbereichs mit Vor- und Haupteinspritzdüsen im Reiseflug des Triebwerks 320b zugeführt wird. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der in der ersten Kraftstoffquelle 302 enthaltene Kraftstoff im Vergleich zur zweiten Kraftstoffquelle 304 (bei entsprechenden Verbrennungsbedingungen) eine geringe nvPM-Erzeugung aufweist.
Die Auswirkung der selektiven Verwendung von Kraftstoff mit einem anderen Kraftstoffmerkmal während des ersten Reiseflugbereichs 320a des Triebwerks ist in 25 dargestellt. Die dicke durchgezogene Linie in der EI(nvPM)-Abhängigkeit von der Leistung kann mit der dicken gepunkteten Linie im ersten Reiseflug-Betriebsbereich 320a verglichen werden, die sich bei Verwendung eines Kraftstoffs mit niedrigerem nvPM ergibt.
In einigen Beispielen kann das Kraftstoffmerkmal, durch das sich der Kraftstoff aus der ersten Kraftstoffquelle 302 vom Kraftstoff aus der zweiten Kraftstoffquelle 304 unterscheidet, der prozentuale Anteil an nachhaltigem Flugkraftstoff (SAF) sein, der in dem jeweiligen Kraftstoff enthalten ist, wie oben beschrieben. Der Kraftstoff, der den Voreinspritzdüsen 313 zumindest während eines Teils des Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzung im Reiseflug zugeführt wird, würde ebenfalls einen anderen SAF-Anteil aufweisen als der Kraftstoff, der einer oder beiden Voreinspritzdüsen 313 und den Haupteinspritzdüsen 314 zumindest während eines Teils des Betriebsbereichs mit Voreinspritzung zugeführt wird. Wie bereits erwähnt, weist SAF im Vergleich zu fossilem Kerosin einen wesentlich niedrigeren nvPM-Wert auf und kann daher verwendet werden, um den Anstieg des nvPM-Wertes abzumildern, der sich ansonsten aus dem zusätzlichen Betrieb nur mit Voreinspritzung im Reiseflug ergeben würde. So kann der Kraftstoff, der den Voreinspritzdüsen während des ersten Reiseflugbereichs 320a zugeführt wird, einen höheren SAF-Anteil aufweisen als der Kraftstoff, der den Einspritzdüsen während des zweiten Reiseflugbereichs 320b zugeführt wird. Auf diese Weise kann eine begrenzte Menge SAF (oder ein anderer Kraftstoff mit niedrigem nvPM-Wert) selektiv verwendet werden, um die nvPM-, CO- und HC-Emissionen insgesamt zu verringern.
Dies muss jedoch nicht immer der Fall sein. In einigen Beispielen kann fossiles Kerosin so behandelt werden, dass aromatische Bestandteile, insbesondere Naphthaline, entfernt werden, um einen weitgehend paraffinischen Kraftstoff fossilen Ursprungs zu erzeugen, der ein Kraftstoff mit niedrigem nvPM-Wert wäre. Andere Kraftstoffmerkmale können daher mit niedrigem nvPM in Verbindung gebracht werden, wie z. B. der prozentuale Anteil des Aromaten- oder Naphthalinanteils.
Die Erfinder haben daher festgestellt, dass durch eine Kombination aus der selektiven Verwendung von zwei Kraftstoffarten und dem Betrieb im Nur-Voreinspritz-Modus bei Reiseflug mit niedriger Leistung die vorteilhafte Verringerung der CO- und HC-Emissionen mit einem geringeren nachteiligen Anstieg des nvPM einhergeht, als dies ohne die Verwendung einer SAF-reichen Kraftstoffzusammensetzung (oder eines anderen Kraftstoffs mit niedrigem nvPM) im relevanten Bereich der Leistungseinstellungen des Triebwerks der Fall wäre.
Der selektive Betrieb nur mit Voreinspritzung im Reiseflug und die selektive Verwendung von Kraftstoff sind im Vergleich zu anderen bekannten Verfahren zur Verringerung der gesamten nvPM-, HC- und CO-Emissionen vorteilhaft. Zu den alternativen Lösungen gehört beispielsweise ein „Vor- und Halb-Haupteinspritzungs“-Betriebsbereich, der zwischen dem Nur-Voreinspritzungsbereich und dem Vor- und Haupteinspritzungsbereich liegt. Wenn die Leistungseinstellung des Triebwerks dem Vor- und Halb-Haupteinspritzungs entspricht, wird nicht der gesamte Hauptkraftstoff gezündet, sondern nur ein Teil (z. B. die Hälfte) davon, beispielsweise mit einer abwechselnden Ein-Aus-Ein-Aus-Verteilung um den Brennkammerring herum (es sind auch andere Anordnungen denkbar, z. B. das Zünden der Hauptbrenner auf einer Hälfte des Ringes und nicht auf der anderen Hälfte). Dies führt jedoch zu ungleichmäßigen Verbrennungseigenschaften im Ringraum der Brennkammer und kann sich auch nachteilig auf den Betrieb und die Lebensdauer der Turbine auswirken. Ein anderer Ansatz ist ein gestuftes Pilotsystem, bei dem der „nur Voreinspritzung“-Betriebsbereich in Unterbereiche unterteilt ist, in denen eine immer größere Anzahl von Voreinspritzungsdüsen bei immer höheren Leistungseinstellungen des Triebwerks innerhalb des gesamten „nur Voreinspritzung“-Bereichs eingeschaltet wird. Eine solche Konfiguration hat den Nachteil, dass sie mehr Gewicht und Komplexität mit sich bringt, was durch die Verfahren der vorliegenden Anwendung vermieden werden kann.
In einem Beispiel entspricht der erste Bereich des Reiseflugbetriebs dem Betrieb des Luftfahrzeugs in einem späteren Teil eines Reiseflugsegments eines Flugs, und der zweite Betriebsbereich entspricht dem Betrieb des Luftfahrzeugs in einem relativ früheren Teil des Reiseflugsegments. Beispielsweise kann der Reiseflug eines Luftfahrzeugs während eines Flugzyklus in ein oder mehrere Reiseflugsegmente unterteilt sein. Diese können dem stationären Reiseflugbetrieb in unterschiedlichen Höhen entsprechen. Gegen Ende eines Reiseflugsegments sinkt die Leistungseinstellung des Triebwerks, die erforderlich ist, um einen stationären Reiseflug bei der angegebenen Machzahl und Höhe aufrechtzuerhalten, da das Luftfahrzeug Kraftstoff verbrennt und an Gewicht verliert. Da also im späteren Teil des Reiseflugs weniger Schub erforderlich ist, wird die Leistungseinstellung des Triebwerks reduziert. Das Verbrennungssystem der vorliegenden Anwendung kann daher so eingerichtet werden, dass es gegen Ende eines Reiseflugsegments auf einen Betrieb nur mit Voreinspritzung bei niedriger Triebwerksleistung umschaltet, anstatt während des gesamten Reiseflugsegments (oder der Segmente, falls es mehrere gibt) im Betrieb mit Vor- und Haupteinspritzung zu bleiben. Dies trägt dazu bei, die HC- und CO-Produktion zu verringern, die andernfalls gegen Ende des Reiseflugsegments auftreten könnte.
In einem anderen Beispiel entspricht der erste Reiseflug-Betriebsbereich 320a dem stationären Unterschall-Reiseflugbetrieb des Triebwerks und der zweite Reiseflug-Betriebsbereich 320b dem stationären Überschall-Reiseflugbetrieb des Triebwerks. In diesem Beispiel ist das Gasturbinentriebwerk 10 so ausgelegt, dass es sowohl im Unterschall- als auch im Überschall-Reiseflug des Luftfahrzeugs, in das es eingebaut ist, betreibbar ist. Der Stufenpunkt kann so festgelegt werden, dass der Betrieb nur mit Voreinspritzung im Reiseflug einem Unterschallbetrieb mit relativ geringer Triebwerksleistung entspricht, während der Betrieb mit Vor- und Haupteinspritzung einem Überschallbetrieb mit höherer Triebwerksleistung entspricht.
Bei einem Luftfahrzeug mit Überschallgeschwindigkeit ist ein Reiseflug mit Überschallgeschwindigkeit über Ozeanen wahrscheinlich möglich, aber über Land kann der Reiseflug aus Lärmschutzgründen auf Unterschall beschränkt sein. In einem solchen Beispiel kann der Überschallreiseflug einer hohen Leistungseinstellung des Triebwerks entsprechen, die deutlich über dem Stufenpunkt liegt. Der Reiseflug mit Unterschall kann in diesem Beispiel jedoch einer viel niedrigeren Leistungseinstellung des Triebwerks entsprechen, die in der Nähe eines Standard- oder Stand der Technik-Stufenpunkts liegt, was zu einem niedrigen Verbrennungswirkungsgrad und hohen CO- und HC-Emissionen während des Reiseflugs mit Unterschall führt. Ein Luftfahrzeug mit Überschallgeschwindigkeit verbraucht im UnterschallReiseflug unter Umständen einen erheblichen Teil seines Kraftstoffs, so dass die Verbrennungseffizienz in diesem Betriebszustand von großer Bedeutung ist. Durch den Betrieb nur mit Voreinspritzung während des Unterschallreiseflugs können die CO- und HC-Emissionen verringert werden, während gleichzeitig Kraftstoff mit anderen Eigenschaften zugeführt werden kann, um einen Anstieg der nvPM-Produktion zu minimieren. Der stationäre Überschallreiseflug kann vor dem stationären Unterschallreiseflug erfolgen oder umgekehrt. In einigen Beispielen kann der stationäre Unterschall-Reiseflugbetrieb ein Unterschall-Reiseflugbetrieb über Land sein, während der stationäre Überschall-Reiseflugbetrieb ein Überschall-Reiseflugbetrieb über Wasser (z. B. über dem Meer) sein kann.
Um die Voreinspritzdüsen 313 während des ersten Reiseflugs mit Kraftstoff zu versorgen, der sich von dem Kraftstoff unterscheidet, der der Brennkammer während des zweiten Reiseflugs zugeführt wird, ist der Kraftstoff-Zufuhrregler 306 so angeordnet, dass er selektiv Kraftstoff aus der ersten und der zweiten Kraftstoffquelle 302, 304, wie oben beschrieben, zuführt (z. B. Kraftstoff nur aus der ersten Kraftstoffquelle 302, Kraftstoff nur aus der zweiten Kraftstoffquelle 304 oder eine Mischung davon). In einem Beispiel kann der Kraftstoff-Zufuhrregler 306 einen Kraftstoff-Mischer 318 umfassen, wie in 17 dargestellt. Ähnlich wie oben beschrieben ist der Kraftstoffmischer so angeordnet, dass er Kraftstoff sowohl von der ersten als auch von der zweiten Kraftstoffquelle 302, 304 erhält und einen Kraftstoff ausgibt, der aus Kraftstoff von der ersten Kraftstoffquelle, Kraftstoff von der zweiten Kraftstoffquelle oder einer Mischung davon besteht. Dieser gemischte Kraftstoff wird den Voreinspritzdüsen 313 zugeführt, während die Haupteinspritzdüsen 314 mit Kraftstoff aus einer einzigen Kraftstoffquelle (im obigen Beispiel die zweite Kraftstoffquelle 304) versorgt werden. In anderen Beispielen kann der Mischer so eingerichtet sein, dass er sowohl die Vor- als auch die Haupteinspritzdüsen mit einer geeigneten Kraftstoffmischung versorgt. In wieder anderen Beispielen kann der Kraftstoff-Zufuhrregler 306 eines der hier beschriebenen Beispiele für die Zufuhr von Kraftstoff im ersten und zweiten Reiseflug-Betriebsbereich verwendet werden (z. B. bei Verwendung separater Regler für die erste und zweite Kraftstoffquelle oder eines Vorsteuerreglers, der zwischen den Kraftstoffquellen umschaltet).
Wie oben im Zusammenhang mit dem in 17 dargestellten Beispiel erörtert, kann die Abhängigkeit des Anteils des Kraftstoffs aus der ersten Kraftstoffquelle 302 im Vergleich zu dem aus der zweiten Kraftstoffquelle 304 von der Durchflussrate des Kraftstoffs entsprechend einem gewünschten resultierenden nvPM-Wert bei einer bestimmten Durchflussrate des Kraftstoffs bestimmt werden. Beispielsweise kann der Anteil des von der ersten Kraftstoffquelle 304 gelieferten Kraftstoffs im Vergleich zu dem von der zweiten Kraftstoffquelle 304 entsprechend einem gewünschten resultierenden nvPM-Wert bei einer bestimmten Durchflussrate innerhalb des ersten Reiseflugbereichs des Triebwerks festgelegt werden. Die von jeder Kraftstoffquelle gelieferte Kraftstoffmenge kann so bestimmt werden, dass das nvPM einen vorbestimmten Schwellenwert nicht überschreitet, oder so, dass die nvPM-Erzeugung über einen Betriebszeitraum des Gasturbinentriebwerks wie oben beschrieben minimiert wird. In jedem der hier beschriebenen Beispiele kann dies durch eine geeignete Steuerung des Mischers 318 oder eines der anderen hier beschriebenen Kraftstoff-Zufuhrregler 306 erreicht werden.
In einigen Beispielen kann der Anteil des von der ersten Kraftstoffquelle 302 gelieferten Kraftstoffs im Vergleich zu dem von der zweiten Kraftstoffquelle 304 gelieferten Kraftstoff während des ersten Reiseflugbetriebsbereichs zumindest teilweise nach einem oder mehreren der folgenden Kriterien bestimmt werden:

a) der Menge des Kraftstoffs mit dem ersten Kraftstoffmerkmal und die Menge des Kraftstoffs mit dem zweiten Kraftstoffmerkmal, die für einen geplanten Flug zur Verfügung stehen. Dies kann z. B. durch eine Schätzung oder Messung der Kraftstoffmenge in den Kraftstofftanks 53, 55, die die erste und zweite Kraftstoffquelle bilden, erfolgen;
b) der Menge des gesamten Kraftstoffbedarfs für die Einspritzdüsen 313 während des Betriebs nur mit Voreinspritzung für den gesamten Flug in einem Betriebsbereich, in dem Kraftstoff von der ersten Kraftstoffquelle 302 bereitgestellt wird; und/oder
c) einem Grenzparameter für die Kraftstoffzusammensetzung (z. B. eine Zertifizierungsgrenze, die für die Betankung verfügbare Kraftstoffzusammensetzung oder Grenzwerte für Luftfahrzeuge/Triebwerke).

26 veranschaulicht ein Verfahren 4014 zum Betrieb eines Gasturbinentriebwerks gemäß dem obigen Beispiel, bei dem den Voreinspritzdüsen während des ersten Reiseflugbereichs des Triebwerks Kraftstoff mit einem anderen Kraftstoffmerkmal zugeführt wird. Das Verfahren 4014 umfasst die Regelung 4016 der Kraftstoffzufuhr zu den Voreinspritzdüsen und/oder den Haupteinspritzdüsen 313, 314 aus der ersten Kraftstoffquelle 302, die einen ersten Kraftstoff mit einem ersten Kraftstoffmerkmal enthält, und der zweiten Kraftstoffquelle 304, die einen zweiten Kraftstoff mit einem zweiten Kraftstoffmerkmal enthält, wie oben beschrieben, unter Verwendung des Kraftstoff-Zufuhrreglers 306 eines beliebigen Beispiels hierin (d.h. Kraftstoff nur aus der ersten Kraftstoffquelle 302, Kraftstoff nur aus der zweiten Kraftstoffquelle 304 oder eine Mischung davon). Das zweite Kraftstoffmerkmal unterscheidet sich von dem ersten, wie oben beschrieben.
Das Verfahren umfasst ferner das Umschalten 4018 zwischen dem Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung und dem Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung an einem Stufenpunkt während eines stationären Reiseflugbetriebs des Triebwerks, um einen ersten Betriebsbereich mit Voreinspritzung 320a und einen zweiten Betriebsbereich mit Haupteinspritzung 320b zu definieren. Das Verfahren umfasst ferner die Lieferung von Kraftstoff 4020 an die Vor- und Haupteinspritzdüsen 313 während mindestens eines Teils des ersten Betriebsbereichs 320a des Triebwerks im Reiseflug, der andere Kraftstoffmerkmale aufweist als der Kraftstoff, der an eine oder beide der Vor- und Haupteinspritzdüsen 313, 314 während des zweiten Betriebsbereichs 320b des Triebwerks im Reiseflug geliefert wird. Jedes der oben im Zusammenhang mit den Beispielen beschriebenen Merkmale, bei denen im ersten und zweiten Reiseflugbereich des Triebwerks unterschiedlicher Kraftstoff zugeführt wird, kann in das Verfahren 4014 einbezogen werden, auch wenn sie hier nicht wiederholt werden.
Variierendes Stufenverhältnis im stationären Reiseflug in der Nähe des Stufenpunkts
In einem anderen Beispiel der vorliegenden Anwendung ist das in 5 dargestellte gestufte Verbrennungssystem 64 zusätzlich oder alternativ so angeordnet, dass es in einem Betriebsbereich zwischen dem Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung und dem Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung arbeitet. In den vorliegenden Beispielen ist der Übergangsbereich während des stationären Reiseflugbetriebs des Triebwerks vorgesehen. Im Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzdüsen wird Kraftstoff sowohl an die Voreinspritzdüsen als auch an die Haupteinspritzdüsen 313, 314 in einem Übergangs-Stufenverhältnis geliefert. Wie an anderer Stelle hierin definiert, definiert das Stufenverhältnis die relativen Kraftstoff-Durchflussraten, die den Voreinspritzdüsen 313 im Vergleich zu den Haupteinspritzdüsen 314 zuzuordnen sind. Im Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung beträgt das Stufenverhältnis per Definition 100:0. Im Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung ist die Brennkammer so konfiguriert, dass sie mit einem Vor- und Haupteinspritzungsverhältnis arbeitet, das 20:80 oder 30:40 usw. betragen kann. Im Betriebsbereich mit Vor-und Haupteinspritzung ist die Brennkammer so konfiguriert, dass sie mit einem Übergangs-Stufenverhältnis arbeitet, das sich vom Stufenverhältnis im Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung unterscheidet (und sich auch vom Stufenverhältnis im Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung unterscheidet, da Kraftstoff während des Übergangs-Betriebsbereichs sowohl an die Haupt- als auch an die Voreinspritzdüsen geliefert wird). Genauer gesagt ist der Anteil der Durchflussrate des Kraftstoffs, der auf die Voreinspritzdüsen im Vergleich zu den Haupteinspritzdüsen entfällt, im Übergangs-Betriebsbereich größer als im Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung. Mit anderen Worten, es wird ein sanfter oder mittlerer Übergang geschaffen, bei dem ein größerer Anteil des Kraftstoffs den Voreinspritzdüsen zugeführt wird, als wenn direkt umgeschaltet würde zwischen einem Zustand, in dem der gesamte Kraftstoff den Voreinspritzdüsen im Modus nur Voreinspritzung zugeführt wird, und einem Zustand mit dem Stufenverhältnis des Betriebs mit Vor- und Haupteinspritzung, in dem ein kleinerer Anteil des Kraftstoffs den Voreinspritzdüsen zugeführt wird. Mit anderen Worten: Anstatt den scharfen Stufenpunkt zu einer höheren Leistungseinstellung zu verschieben (wie an anderer Stelle hierin beschrieben), haben die Erfinder festgestellt, dass ein Übergangsbereich einbezogen werden kann, der durch einen langsameren Übergang (in Bezug auf die Leistungseinstellung des Triebwerks) vom nur Voreinspritzung umfassenden Stufenverhältnis (100:0) zum gewählten Vor- und Haupteinspritzverhältnis (z. B. 20:80) gekennzeichnet ist.
Die Erfinder haben festgestellt, dass durch die Konfiguration des gestuften Verbrennungssystems 64 für den Betrieb in einem Übergangsbereich (d. h. einem Übergangsbereich des Betriebs) zwischen dem Betrieb nur mit Voreinspritzung und dem Betrieb mit Vor- und Haupteinspritzung die CO- und HC-Emissionen in diesem Bereich der Leistungseinstellungen des Triebwerks reduziert werden können. Dies wird in 27 veranschaulicht, die unter die Abhängigkeit des CO- und HC-Emissionsindex (EI) für eine gestufte Brennkammer (wie die hier beschriebenen) von der Leistungseinstellung des Triebwerks zeigt. Der Übergangsbereich ist mit 322 gekennzeichnet und liegt in einem Triebwerksleistungsbereich zwischen dem Betrieb nur mit Voreinspritzung und dem Betrieb mit Vor- und Haupteinspritzung. Bei Triebwerksleistungen innerhalb des Übergangsbereichs würden hohe HC- und CO-Emissionen entstehen, wenn die Brennkammer 16 mit dem Vor-und Haupteinspritzungsverhältnis betrieben würde, wie die gestrichelte Linie in der HC- und CO-Kurve in 27 zeigt. Durch den Betrieb mit dem Übergangs-Stufenverhältnis (das in diesem Fall mit zunehmender Triebwerksleistung allmählich abnimmt) wird der CO- und HC-Emissionsindex reduziert, wie die dicke durchgezogene Linie in der HC- und CO-Kurve im Übergangsbereich zeigt.
In diesem Beispiel ist der Kraftstoff-Zufuhrregler 306 so angeordnet, dass er einem oder beiden der Vor- und Haupteinspritzdüsen 313 und 314 während des Betriebsübergangsbereichs Kraftstoff zuführt, der ein anderes Kraftstoffmerkmal aufweist als der Kraftstoff, der einem oder beiden der Vor- und Haupteinspritzdüsen 313, 314 zumindest während eines Teils des Betriebsbereichs mit Vor- und Haupteinspritzung zugeführt wird. Die Erfinder haben ferner festgestellt, dass der Standard-El(nvPM) innerhalb des Übergangsbereichs 322 bei Kraftstoff mit denselben Merkmalen nachteiligerweise erhöht ist. Dies ist in 28 zu erkennen, die die Abhängigkeit des Emissionsindex nvPM von der Triebwerksleistung für eine gestufte Brennkammer zeigt. Die dünne gepunktete Linie in 28 stellt die nvPM-Emissionen dar, wenn der Übergangsbereich 322 nicht vorgesehen ist. Die dicke durchgezogene Linie zeigt die Auswirkungen der Einführung des Übergangsbereichs 322 auf die nvPM-Emissionen. Im vorliegenden Beispiel haben die Erfinder festgestellt, dass El (nvPM) im Übergangsbereich 322 durch die Verwendung von Kraftstoff mit einem anderen Kraftstoffmerkmal (z. B. SAF-reicher Kraftstoff) gemildert werden kann, wie die dicke gepunktete Linie in der nvPM-Kurve innerhalb des Übergangsbereichs zeigt. Somit wird der nvPM-Nachteil (der erforderlich ist, um niedrigere CO/HC-Emissionen im Übergangsbereich 322 zu erreichen) durch die Verwendung einer SAF-reichen Kraftstoffzusammensetzung innerhalb des Übergangsbereichs 322 gegenüber der Verwendung einer Standardkraftstoffzusammensetzung innerhalb des Übergangsbereichs 322 verringert.
In einigen Beispielen kann daher der Kraftstoff, der zumindest den Voreinspritzdüsen 313 durch den Kraftstoff-Zufuhrregler 306 während des Betriebsübergangsbereichs 322 zugeführt wird, so ausgewählt werden, dass er mit einer nvPM-Erzeugung verbunden ist, die geringer ist als die des Kraftstoffs, der zumindest während eines Teils des Betriebsbereichs mit Vor-und Haupteinspritzdüsen 313, 314 an einen oder beide geliefert wird. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der in der ersten Kraftstoffquelle 302 enthaltene Kraftstoff im Vergleich zu dem in der zweiten Kraftstoffquelle enthaltenen Kraftstoff (bei entsprechenden Verbrennungsbedingungen) eine geringe nvPM-Produktion aufweist. In einigen Beispielen handelt es sich bei dem Kraftstoff, der sowohl den Vor- als auch den Haupteinspritzdüsen 313, 314 durch den Kraftstoff-Zufuhrregler 306 während des Betriebsübergangsbereichs 322 zugeführt wird, um nvPM-armen Kraftstoff. In einigen anderen Beispielen wird nur der Kraftstoff, der den Voreinspritzdüsen 313 während des Betriebsbereichs 322 zugeführt wird, so ausgewählt, dass er mit einem niedrigen nvPM-Wert verbunden ist (d. h., dass der Kraftstoff, der den Haupteinspritzdüsen zugeführt wird, gleich bleibt). Dadurch kann die verfügbare Menge an Kraftstoff mit niedrigem nvPM besser genutzt werden, da die Zufuhr von Kraftstoff zu den Haupteinspritzdüsen (d. h. dem mageren Teil des Kraftstoffsystems) weniger Auswirkungen auf die Verringerung des nvPM haben kann.
In einigen Beispielen kann das Kraftstoffmerkmal, durch das sich der Kraftstoff aus der ersten Kraftstoffquelle 302 vom Kraftstoff aus der zweiten Kraftstoffquelle 304 unterscheidet, der prozentuale Anteil an nachhaltigem Flugkraftstoff (SAF) sein, der in dem jeweiligen Kraftstoff enthalten ist, wie oben beschrieben. Der Kraftstoff, der den Voreinspritzdüsen 313 während des Übergangsbereichs 322 zugeführt wird, würde ebenfalls einen anderen SAF-Anteil aufweisen als der Kraftstoff, der einer oder beiden Voreinspritzdüsen 313 und Haupteinspritzdüsen 314 zumindest während eines Teils des Betriebsbereichs mit Vor- und Haupteinspritzung zugeführt wird. Wie bereits erwähnt, weist SAF im Vergleich zu fossilem Kerosin einen wesentlich niedrigeren nvPM-Wert auf und kann daher verwendet werden, um den Anstieg des nvPM-Wertes abzumildern, der andernfalls aus dem zusätzlichen Reiseflugbetrieb resultieren würde. So kann der Kraftstoff, der den Voreinspritzdüsen im Übergangsbereich zugeführt wird, einen höheren Anteil an SAF aufweisen als der Kraftstoff, der den Haupteinspritzdüsen im Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung zugeführt wird. Auf diese Weise kann eine begrenzte Menge SAF (oder ein anderer Kraftstoff mit niedrigem nvPM-Wert) selektiv verwendet werden, um die nvPM-, CO- und HC-Emissionen insgesamt zu verringern.
Dies muss jedoch nicht immer der Fall sein. In einigen Beispielen kann fossiles Kerosin so behandelt werden, dass aromatische Bestandteile, insbesondere Naphthaline, entfernt werden, um einen weitgehend paraffinischen Kraftstoff fossilen Ursprungs zu erzeugen, der ein Kraftstoff mit niedrigem nvPM-Wert wäre. Andere Kraftstoffmerkmale können daher mit niedrigem nvPM in Verbindung gebracht werden, wie z. B. der prozentuale Anteil an aromatischen Bestandteilen oder der Naphthalinanteil. Der erste und der zweite Kraftstoff können sich daher durch andere Kraftstoffmerkmale als den SAF-Gehalt unterscheiden und dennoch die gewünschte Wirkung auf die nvPM-Emissionen erzielen.
Während des Übergangsbereichs des Betriebs 322 kann das Übergangs-Stufenverhältnis mit der sich ändernden Leistungseinstellung des Triebwerks variieren. In einem Beispiel variiert das Übergangs-Stufenverhältnis kontinuierlich mit der Änderung der Triebwerksleistung innerhalb des Übergangsbereichs 322. Dies kann einen sanften Übergang zwischen dem Stufenverhältnis im Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung und im Betriebsbereich mit Vor-und Haupteinspritzung ermöglichen. Die kontinuierliche Variation kann so beschaffen sein, dass der Anteil des gesamten Kraftstoffdurchflusses zu den Einspritzdüsen (d. h. der gesamte Durchfluss zu den Vor- und Haupteinspritzdüsen), der auf den Kraftstoffdurchfluss zu den Voreinspritzdüsen 313 zurückzuführen ist, mit zunehmender Triebwerksleistung während des Betriebsbereichs 322 abnimmt. Der Anteil des Kraftstoffs, der zu den Haupteinspritzdüsen 314 fließt, nimmt dagegen mit steigender Triebwerksleistung im Übergangsbereich 322 zu.
In anderen Beispielen kann das Übergangs-Stufenverhältnis einen konstanten Zwischenwert haben, der sich vom Verhältnis zwischen Vor- und Haupteinspritzung unterscheidet. Das Übergangs-Stufenverhältnis kann zwischen dem Verhältnis nur Voreinspritzung und dem Verhältnis Vor- und Haupteinspritzung liegen. Dadurch wird ein allmählicherer Übergang von der reinen Voreinspritzung zur Vor- und Haupteinspritzung erreicht. Beispielsweise kann das Übergangs-Stufenverhältnis 70:30 betragen, was zwischen 100:0 im Bereich der reinen Voreinspritzung und einem Vor- und Haupteinspritzungsverhältnis von beispielsweise 20:80 oder 30:70 liegt.
In anderen Beispielen variiert das Übergangs-Stufenverhältnis zwischen einer Reihe konstanter Zwischenwerte, die sich jeweils von dem Verhältnis zwischen Vor- und Haupteinspritzung unterscheiden. Darüber hinaus kann jedes der Zwischenverhältnisse zwischen dem Verhältnis der reinen Voreinspritzung und dem der Vor- und Haupteinspritzung liegen. Zum Beispiel kann das Übergangs-Stufenverhältnis eine Reihe von Werten von 80:20, 60:40 und 40:60 sein. Das Verhältnis zwischen Vor- und Haupteinspritzung kann in diesem Beispiel 20:80 betragen. Die Zwischen-Stufenverhältnisse können also in Richtung des Vor-und Haupteinspritzverhältnisses abnehmen (d. h. ein zunehmend kleinerer Anteil des gesamten Kraftstoffs wird den Voreinspritzdüsen und ein zunehmend größerer Anteil des gesamten Kraftstoffs wird den Haupteinspritzdüsen zugeführt). Dies ist jedoch nur ein Beispiel, und jede andere Anzahl und jeder andere Wert von Zwischen-Übergangs-Stufenverhältnissen kann verwendet werden.
In einigen Beispielen kann das Übergangs-Stufenverhältnis in einem Teil des Übergangsbereichs eine kontinuierliche Veränderung mit der Triebwerksleistung aufweisen und in einem anderen Teil des Übergangsbereichs einen oder mehrere konstante Werte haben. Die obigen Beispiele können daher kombiniert werden. In anderen Beispielen kann das Stufenverhältnis eine kontinuierliche Variation über den gesamten Übergangsbereich des Betriebs oder einen oder mehrere konstante Werte über den gesamten Übergangsbereich des Betriebs aufweisen.
Um die Voreinspritzdüsen 313 während des Übergangs-Betriebsbereichs 322 mit Kraftstoff zu versorgen, der sich von dem Kraftstoff unterscheidet, der der Brennkammer 16 während des Betriebsbereichs mit Vor- und Haupteinspritzung zugeführt wird, ist der Kraftstoff-Zufuhrregler 306 so angeordnet, dass er selektiv Kraftstoff aus der ersten und der zweiten Kraftstoffquelle 302, 304, wie oben beschrieben, zuführt (z. B. nur aus der ersten Kraftstoffquelle 302, nur aus der zweiten Kraftstoffquelle 304 oder einer Mischung davon). In einem Beispiel kann der Kraftstoff-Zufuhrregler 306 einen Kraftstoff-Mischer 318 umfassen, wie in 17 dargestellt. Ähnlich wie oben beschrieben, ist der Kraftstoffmischer so angeordnet, dass er sowohl von der ersten als auch von der zweiten Kraftstoffquelle 302, 304 mit Kraftstoff versorgt wird und Kraftstoff aus der ersten Kraftstoffquelle, Kraftstoff aus der zweiten Kraftstoffquelle oder eine Mischung daraus ausgibt. Dieser gemischte Kraftstoff wird den Voreinspritzdüsen 313 zugeführt, wobei der Kraftstoff aus einer einzigen Kraftstoffquelle (im obigen Beispiel die zweite Kraftstoffquelle 304) den Haupteinspritzdüsen 314 zugeführt wird. In anderen Beispielen kann der Mischer so eingerichtet sein, dass er sowohl die Vor- als auch die Haupteinspritzdüsen mit einer geeigneten Kraftstoffmischung versorgt. In wieder anderen Beispielen kann der Kraftstoff-Zufuhrregler 306 eines der hier beschriebenen Beispiele verwendet werden, um Kraftstoff in den Bereichen „nur Voreinspritzung“, „Übergang“ und „Vor- und Haupteinspritzung“ zu liefern (z. B. bei Verwendung separater Regler für die erste und zweite Kraftstoffquelle oder eines Vorsteuerreglers, der zwischen den Kraftstoffquellen umschaltet).
Wie oben im Zusammenhang mit dem in 17 dargestellten Beispiel erörtert, kann die Abhängigkeit des Anteils des Kraftstoffs aus der ersten Kraftstoffquelle 302 im Vergleich zu dem aus der zweiten Kraftstoffquelle 304 von der Durchflussrate des Kraftstoffs entsprechend einem gewünschten resultierenden Niveau des nvPM bei einer bestimmten Durchflussrate des Kraftstoffs bestimmt werden. Beispielsweise kann der Anteil des von der ersten Kraftstoffquelle 302 gelieferten Kraftstoffs im Vergleich zu dem von der zweiten Kraftstoffquelle 304 gelieferten Kraftstoff entsprechend einem gewünschten resultierenden Niveau von nvPM bei einer bestimmten Durchflussrate innerhalb des Übergangsbereichs 322 festgelegt werden. Die Menge an Kraftstoff, die von jeder Quelle zugeführt wird, kann so bestimmt werden, dass das nvPM einen vorbestimmten Schwellenwert nicht überschreitet, oder so, dass die nvPM-Erzeugung über einen Betriebszeitraum des Gasturbinentriebwerks wie oben beschrieben minimiert wird. In jedem der hier beschriebenen Beispiele kann dies durch eine geeignete Steuerung des Mischers 318 oder eines der anderen hier beschriebenen Kraftstoff-Zufuhrregler 306 erreicht werden.
In einigen Beispielen kann der Anteil des von der ersten Kraftstoffquelle 302 gelieferten Kraftstoffs im Vergleich zu dem von der zweiten Kraftstoffquelle 304 gelieferten Kraftstoff während des Übergangs-Betriebsbereichs 322 zumindest teilweise nach einem oder mehreren der folgenden Kriterien bestimmt werden:

a) der Menge des Kraftstoffs mit dem ersten Kraftstoffmerkmal und die Menge des Kraftstoffs mit dem zweiten Kraftstoffmerkmal, die für einen geplanten Flug zur Verfügung stehen. Dies kann z. B. durch eine Schätzung oder Messung der Kraftstoffmenge in den Kraftstofftanks 53, 55, die die erste und zweite Kraftstoffquelle bilden, erfolgen;
b) der Menge des gesamten Kraftstoffbedarfs für die Einspritzdüsen 313 während des Betriebs nur mit Voreinspritzung für den gesamten Flug in einem Betriebsbereich, in dem Kraftstoff von der ersten Kraftstoffquelle 302 bereitgestellt wird; und/oder
c) einen Grenzparameter für die Kraftstoffzusammensetzung (z. B. eine Zertifizierungsgrenze, die für die Betankung verfügbare Kraftstoffzusammensetzung oder Grenzwerte für Luftfahrzeuge/Triebwerke).

29 veranschaulicht ein Verfahren 4022 zum Betrieb eines Gasturbinentriebwerks gemäß dem obigen Beispiel, bei dem den Voreinspritzdüsen während des Übergangsbereichs 322 im Vergleich zum Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung Kraftstoff mit einer anderen Charakteristik zugeführt wird. Das Verfahren 4022 umfasst die Regelung 4024 der Kraftstoffzufuhr zu den Vor- und/oder Haupteinspritzdüsen 313, 314 von der ersten Kraftstoffquelle 302, die einen ersten Kraftstoff mit einem ersten Kraftstoffmerkmal enthält, und der zweiten Kraftstoffquelle 304, die einen zweiten Kraftstoff mit einem zweiten Kraftstoffmerkmal enthält, wie oben beschrieben, unter Verwendung des Kraftstoff-Zufuhrreglers 306 eines beliebigen Beispiels hierin (z.B. so, dass der gelieferte Kraftstoff Kraftstoff nur von der ersten Kraftstoffquelle, Kraftstoff nur von der zweiten Kraftstoffquelle oder eine Mischung davon ist). Das zweite Kraftstoffmerkmal unterscheidet sich von dem ersten, wie oben beschrieben.
Das Verfahren umfasst ferner den Betrieb 4026 des gestuften Verbrennungssystems in einem Übergangs-Betriebsbereich 322 zwischen dem Betrieb nur mit Voreinspritzung und dem Betrieb mit Vor- und Haupteinspritzung, in dem Kraftstoff sowohl an die Vor- als auch an die Haupteinspritzdüsen mit einem Übergangs-Stufenverhältnis geliefert wird, das sich von dem Vor- und Haupteinspritzungs-Stufenverhältnis unterscheidet. Die Regelung 4024 der Kraftstoffzufuhr zu den Vor- und/oder Haupteinspritzdüsen umfasst die Zufuhr 4028 von Kraftstoff zu einer oder beiden der Vor- und Haupteinspritzdüsen während des Betriebsbereichs 322 mit einem Kraftstoffmerkmal, das sich von dem Kraftstoff unterscheidet, der einer oder beiden der Vor- und Haupteinspritzdüsen während zumindest eines Teils des Betriebsbereichs mit Vor- und Haupteinspritzung zugeführt wird. Jedes der Merkmale, die oben im Zusammenhang mit den Beispielen beschrieben wurden, bei denen im Betriebsbereich 322 unterschiedlicher Kraftstoff zugeführt wird, kann in das Verfahren 4022 einbezogen werden, auch wenn sie hier nicht wiederholt werden.
Gestufte Brennkammersteuerung während der Beschleunigung
Das Triebwerk wird beschleunigt, indem die Durchflussrate des Kraftstoffs absichtlich auf einen Wert erhöht wird, der über dem liegt, der zur Aufrechterhaltung eines stationären Betriebs erforderlich ist. Die Erfinder haben festgestellt, dass dieses „Überversorgen“ zu einem anfänglichen Anstieg des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses in der Brennkammer führt und eine erhöhte Produktion von nvPM (Ruß oder Rauch) zur Folge haben kann, insbesondere bei Leistungseinstellungen des Triebwerks, die einem Betrieb nur mit Voreinspritzung entsprechen.
Um die Erzeugung übermäßiger Mengen an nvPM während des Beschleunigens zu verringern, ist es bekannt, in einen „Beschleunigungs“-Betriebsmodus eines Gasturbinentriebwerks zu wechseln, bei dem der Stufenpunkt bei einer niedrigeren Leistungseinstellung des Triebwerks liegt. Der Übergang zum Betrieb mit Vor- und Haupteinspritzung erfolgt also bei einer niedrigeren Leistungseinstellung des Triebwerks als im stationären Betrieb. Dies trägt dazu bei, die Gesamtmenge des während der Beschleunigung erzeugten nvPM zu verringern.
Die Erfinder haben festgestellt, dass das Umschalten auf einen solchen bekannten Beschleunigungsmodus jedoch eine Reihe von Nachteilen haben kann. Zum Beispiel kann es zu einem Anstieg der HC- und CO-Emissionen kommen. Bei einigen bekannten Lösungen führt die Beibehaltung akzeptabler CO- und HC-Werte zu höheren NO_x -Emissionen, da die magersten Flammen, die in diesem Bereich die geringsten NO_x erzeugen, zu viel CO und HC produzieren, und umgekehrt können konstruktive Änderungen, die auf eine Reduzierung von CO und HC abzielen, zu höheren NO_x -Emissionen über die gesamte Leistungskurve führen. Eine bekannte Lösung könnte beispielsweise darin bestehen, die gesamte Haupteinspritzdüse physikalisch zu verändern und anzureichern, um die CO- und HC-Emissionen zu verringern, was dann zu höheren NOx-Emissionen bei allen Leistungen führen würde.
In einem anderen Beispiel der vorliegenden Anwendung ist das in 5 dargestellte gestufte Verbrennungssystem 64 zusätzlich oder alternativ so eingerichtet, dass es in einem Beschleunigungsmodus arbeitet. Im Beschleunigungsmodus ist der Kraftstoff-Zufuhrregler 306 so angeordnet, dass er den Kraftstoffeinspritzdüsen (d. h. den Vor- und/oder Haupteinspritzdüsen 313, 314) Kraftstoff zuführt, der andere Kraftstoffmerkmale aufweist als der Kraftstoff, der den Einspritzdüsen (d. h. den Vor- und/oder Haupteinspritzdüsen 313, 314) während zumindest eines Teils des stationären Betriebsmodus zugeführt wird.
Der Beschleunigungsmodus des Triebwerks ist ein Modus, in dem der Kraftstoff-Zufuhrregler 306 so angeordnet ist, dass er den Einspritzdüsen 313, 314 Kraftstoff mit einer Geschwindigkeit zuführt, die größer ist als diejenige, die ausreicht, um den stationären Betrieb des Triebwerks aufrechtzuerhalten. Dies bewirkt eine Beschleunigung des Triebwerks, d. h. eine Erhöhung der Winkelgeschwindigkeit einer oder Triebwerkwellen. Im Beharrungszustand werden die Einspritzdüsen nicht übermäßig mit Kraftstoff versorgt, so dass keine Beschleunigung des Triebwerks auftritt.
Die Erfinder haben festgestellt, dass erhöhte nvPM-Emissionen beim Betrieb des Triebwerks im Beschleunigungsmodus vermieden oder reduziert werden können, indem ein Kraftstoff mit anderen Kraftstoffmerkmalen als im stationären Betrieb verwendet wird. Dadurch kann der Stufenpunkt während des Beschleunigungsmodus gleich oder ähnlich dem des stationären Betriebsmodus bleiben, wodurch ein nachteiliger Anstieg der HC- oder CO-Emissionen vermieden oder reduziert/begrenzt wird.
In einigen Beispielen kann daher der während des Beschleunigungsbetriebs an die Kraftstoff-Einspritzdüsen (z. B. eine oder beide der Vor- und Haupteinspritzdüsen 313, 314) gelieferte Kraftstoff so ausgewählt werden, dass er mit einer nvPM-Erzeugung verbunden ist, die geringer ist als die des an die Kraftstoff-Einspritzdüsen (z. B. eine oder beide der Vor- und Haupteinspritzdüsen 313, 314) gelieferten Kraftstoffs zumindest während eines Teils des stationären Betriebs. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der in der ersten Kraftstoffquelle 302 enthaltene Kraftstoff im Vergleich zu dem in der zweiten Kraftstoffquelle 304 enthaltenen Kraftstoff (bei entsprechenden Verbrennungsbedingungen) eine geringe nvPM-Produktion aufweist. Kraftstoff mit einer geringeren nvPM-Erzeugung kann zumindest den Voreinspritzdüsen 313 während des Betriebs im Beschleunigungsmodus zugeführt werden, da dies die größte Auswirkung auf die nvPM-Erzeugung haben wird. Vorzugsweise kann Kraftstoff mit einer geringeren nvPM-Produktion nur den Voreinspritzdüsen während des Beschleunigungsmodus zugeführt werden, um einen begrenzten Vorrat an diesem Kraftstoff besser zu nutzen.
In einigen Beispielen kann das Kraftstoffmerkmal, durch das sich der Kraftstoff aus der ersten Kraftstoffquelle 302 vom Kraftstoff aus der zweiten Kraftstoffquelle 304 unterscheidet, der prozentuale Anteil an nachhaltigem Flugkraftstoff (SAF) sein, der in dem jeweiligen Kraftstoff enthalten ist, wie oben beschrieben. Der Kraftstoff, der den Einspritzdüsen während des Beschleunigungsbetriebs zugeführt wird, würde in ähnlicher Weise einen anderen Prozentsatz an SAF aufweisen als der Kraftstoff, der einem oder beiden Voreinspritzdüsen 313 und den Haupteinspritzdüsen 314 zumindest während eines Teils des stationären Betriebs zugeführt wird. Wie bereits erwähnt, weist SAF im Vergleich zu fossilem Kerosin einen wesentlich niedrigeren nvPM-Wert auf und kann daher verwendet werden, um den Anstieg des nvPM-Wertes abzumildern, der andernfalls durch eine Überbefüllung der Brennkammer während des Beschleunigungsmodus entstehen würde. Beispielsweise kann der Kraftstoff, der den Einspritzdüsen 313, 314 während des Beschleunigungsmodus zugeführt wird, einen größeren Anteil an SAF aufweisen als der Kraftstoff, der den Einspritzdüsen im stationären Modus zugeführt wird. Auf diese Weise kann eine begrenzte Menge SAF (oder ein anderer Kraftstoff mit niedrigem nvPM-Wert) selektiv verwendet werden, um die nvPM-, CO- und HC-Emissionen insgesamt zu verringern.
Wie bereits im Zusammenhang mit anderen Beispielen erörtert, muss dies jedoch nicht immer der Fall sein. In einigen Beispielen kann fossiles Kerosin so behandelt werden, dass aromatische Bestandteile, insbesondere Naphthaline, entfernt werden, um einen weitgehend paraffinischen Kraftstoff fossilen Ursprungs zu erzeugen, der ein Kraftstoff mit niedrigem nvPM-Wert wäre. Andere Kraftstoffmerkmale können daher mit niedrigem nvPM in Verbindung gebracht werden, wie z. B. der prozentuale Anteil an aromatischen Bestandteilen oder der Naphthalinanteil. Der erste und der zweite Kraftstoff können sich daher durch andere Kraftstoffmerkmale als den SAF-Gehalt unterscheiden und dennoch die gewünschte Wirkung auf die nvPM-Emissionen erzielen.
In einigen Beispielen ist der Kraftstoff-Zufuhrregler 306 so eingerichtet, dass er während eines Beschleunigungsbetriebs, der auf einen Betrieb nur mit Voreinspritzung folgt, Kraftstoff mit anderen Kraftstoffmerkmalen liefert. In einigen Beispielen werden daher die Kraftstoffmerkmale nur für Triebwerksbeschleunigungen geändert, die von einer Leistungseinstellung ausgehen, die unter dem stationären Stufenpunkt liegt. Da die Leistungseinstellung unterhalb des stationären Stufenpunkts liegt, wird die Brennkammer im reinen Voreinspritzbetrieb betrieben, und die Beschleunigung kann zu einem Anstieg der nvPM-Emissionen führen, ohne dass die Kraftstoffmerkmale nach den Verfahren der vorliegenden Anwendung geändert werden. In anderen Beispielen kann die Beschleunigung jedoch aus jeder beliebigen stationären Betriebsart erfolgen, unabhängig davon, ob es sich um den Betrieb mit Vor- und Haupteinspritzung oder nur Voreinspritzung handelt.
Das gestufte Verbrennungssystem 64 kann so eingerichtet sein, dass es im Beschleunigungsmodus bei gleicher oder höherer Triebwerksleistung im Vergleich zum stationären Modus zwischen dem Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung und dem Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung umschaltet. Mit anderen Worten: Das gestufte Verbrennungssystem 64 wird (z. B. vom EEC) unter Verwendung eines Stufenpunktes gesteuert, der im Beschleunigungsmodus bei der gleichen oder einer höheren Leistungseinstellung des Triebwerks liegt als im stationären Modus. Dies bedeutet, dass der Stufenpunkt während des Beschleunigungsmodus nicht auf eine niedrigere Leistungseinstellung des Triebwerks reduziert wird, wodurch ein Anstieg der HC- oder CO-Emissionen oder die Notwendigkeit, alle Haupteinspritzdüsen für alle Triebwerksleistungen anzureichern, vermieden oder verringert wird. In einigen Beispielen kann der Stufenpunkt sowohl im Beschleunigungs- als auch im Dauerbetrieb derselbe sein. Der im Beschleunigungsmodus verwendete Stufenpunkt kann als „Beschleunigungs-Stufenpunkt“ bezeichnet werden, während der im stationären Betrieb verwendete Stufenpunkt als „Reiseflug-Stufenpunkt“ bezeichnet werden kann. In diesem Beispiel liegt der Beschleunigungs-Stufenpunkt bei einer Leistungseinstellung, die größer oder gleich dem Reiseflug-Stufenpunkt ist.
In anderen Beispielen kann das gestufte Verbrennungssystem so eingerichtet sein, dass es im Beschleunigungsmodus bei einer geringeren Triebwerksleistung als im stationären Modus zwischen dem Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung und dem Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung umschaltet. Das gestufte Verbrennungssystem 64 wird in diesem Beispiel (z. B. durch das EEC) unter Verwendung eines Stufenpunktes gesteuert, der im Beschleunigungsmodus bei einer niedrigeren Leistungseinstellung des Triebwerks liegt als im stationären Modus. In diesem Beispiel ist der Beschleunigungs-Stufenpunkt größer als ein Standard-Beschleunigungs-Stufenpunkt, nach dem das Verbrennungssystem gesteuert würde, wenn der Brennkammer kein Kraftstoff mit einem anderen Merkmal zugeführt werden kann. Der Stufenpunkt für die Beschleunigung wird daher (im Verhältnis zum Stufenpunkt für den Reiseflug) um einen Betrag reduziert, der geringer ist als die Reduzierung auf den Standard-Stufenpunkt für die Beschleunigung, die in bekannten Systemen zu finden wäre.
Der Kraftstoff-Zufuhrregler 306 kann in einigen Beispielen so angeordnet sein, dass er den Voreinspritzdüsen 313 während des reinen Voreinspritzbetriebs im Beschleunigungsmodus Kraftstoff mit anderen Kraftstoffmerkmalen zuführt als den Haupteinspritzdüsen 314 während des Betriebs mit Vor- und Haupteinspritzung im stationären Betriebsmodus des Triebwerks. In diesem Beispiel wird den Voreinspritzdüsen 313 Kraftstoff mit einem anderen Kraftstoffmerkmal (z. B. SAF fetter Kraftstoff) zugeführt, wenn sie im reinen Voreinspritzbetrieb während der Beschleunigung des Triebwerks betrieben werden. Kraftstoff mit einem hohen nvPM (z. B. SAF-armer Kraftstoff) wird dann während des Betriebs mit Vor-und Haupteinspritzung im stationären Zustand, in dem die nvPM-Emissionen naturgemäß geringer sind, an die Haupteinspritzdüsen 314 geliefert. Auf diese Weise kann eine begrenzte Menge an Kraftstoff in der ersten Kraftstoffquelle (z. B. SAF-reicher Kraftstoff) effektiver genutzt werden, indem sie während der Beschleunigung des Triebwerks nur in der Voreinspritzung selektiv verwendet wird. In diesem Beispiel wird also der Kraftstoff mit einem anderen Kraftstoffmerkmal den Voreinspritzdüsen 313 nur während eines Teils des Beschleunigungsbetriebs zugeführt. Sobald der Stufenpunkt im Beschleunigungsmodus erreicht ist, kann die Kraftstoffzufuhr wieder auf die gleiche Weise erfolgen wie im stationären Betrieb (z. B. kann wieder ein SAF-armer Kraftstoff verwendet werden). In anderen Beispielen kann der SAF-reiche Kraftstoff (oder ein Kraftstoff mit einem anderen Merkmal) bei allen Triebwerksleistungen innerhalb des Beschleunigungsmodus verwendet werden (z. B. im Betrieb mit Vor- und Haupteinspritzung und nur Voreinspritzung).
In einem Beispiel ist der Kraftstoff-Zufuhrregler 306 so angeordnet, dass er während des Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzung im Beschleunigungsmodus Kraftstoff mit einem Kraftstoffmerkmal liefert, das auf der Grundlage eines Kraftstoff-Luft-Verhältnisses in der Brennkammer 16 bestimmt wird. In diesem Beispiel kann mit abnehmendem Kraftstoff-Luft-Verhältnis auch der Anteil des Kraftstoffs verringert werden, der den Voreinspritzdüsen zugeführt wird und mit einer niedrigen nvPM-Produktion verbunden ist. Mit der Verringerung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses (z. B. weil mit zunehmender Drehzahl des Triebwerks auch der Luftmassenstrom in der Brennkammer zunimmt) kann auch die Menge des Kraftstoffs mit geringer nvPM-Erzeugung (z. B. ein SAF-reicher Kraftstoff) verringert werden. Auf diese Weise kann der Kraftstoff mit niedrigem nvPM während eines Teils des Beschleunigungsbetriebs verwendet werden, in dem seine Vorteile größer sind, wodurch eine begrenzte Verfügbarkeit dieses Kraftstoffs besser genutzt wird. In anderen Beispielen können die Kraftstoffmerkmale auf der Grundlage eines anderen geeigneten Steuerungsparameters bestimmt werden, der mit der nvPM-Bildung in der Brennkammer zusammenhängt und nicht das Kraftstoff-Luft-Verhältnis ist.
In anderen Beispielen ist der Kraftstoff-Zufuhrregler 306 so angeordnet, dass er die Kraftstoffzufuhr zu den Einspritzdüsen (eine oder beide der Vor- und Haupteinspritzdüsen 313, 314) zu Beginn eines Betriebszeitraums im Beschleunigungsmodus auf ein Kraftstoffmerkmal mit einer anderen Zusammensetzung umstellt. In diesem Beispiel kann daher die Kraftstoffzusammensetzung zu Beginn einer Beschleunigungsphase auf eine andere Zusammensetzung umgestellt werden (z. B. auf einen SAF-reichen Kraftstoff). In einigen Beispielen kann der Kraftstoffregler 306 während des gesamten Beschleunigungsmodus weiterhin denselben Kraftstoff liefern. In anderen Beispielen ist der Kraftstoff-Zufuhrregler 306 so eingerichtet, dass er nach einem Übergang zum Betrieb mit Vor- und Haupteinspritzung wieder Kraftstoff mit denselben Kraftstoffmerkmalen wie im stationären Modus liefert. Die Kraftstoffzusammensetzung wird also wieder auf die Standard-Kraftstoffmerkmale des stationären Betriebs umgeschaltet, sobald der Stufenpunkt überschritten wurde. Dies kann auch dazu beitragen, die Verwendung von Kraftstoff mit niedrigen nvPM-Emissionen auf einen Teil des Beschleunigungsmodus zu beschränken und so einen begrenzten Vorrat an diesem Kraftstoff effektiver zu nutzen.
Um den Voreinspritzdüsen und/oder den Haupteinspritzdüsen 313, 314 während des Beschleunigungsmodus des Verbrennungssystems Kraftstoff zuzuführen, der sich von dem Kraftstoff unterscheidet, der der Brennkammer während des stationären Betriebs zugeführt wird, ist der Kraftstoff-Zufuhrregler 306 so angeordnet, dass er selektiv Kraftstoff aus den ersten und zweiten Kraftstoffquellen 302, 304, wie oben beschrieben, zuführt. In einem Beispiel kann der Kraftstoff-Zufuhrregler 306 einen Kraftstoff-Mischer 318 umfassen, wie in 17 dargestellt. Ähnlich wie oben beschrieben ist das Kraftstoffmischgerät so angeordnet, dass es eine Kraftstoffzufuhr sowohl von der ersten als auch von der zweiten Kraftstoffquelle 302, 304 erhält und Kraftstoff von der ersten Kraftstoffquelle 302, Kraftstoff von der zweiten Kraftstoffquelle 304 oder eine Mischung daraus ausgibt. Dieser gemischte Kraftstoff wird den Voreinspritzdüsen 313 zugeführt, wobei der Kraftstoff aus einer einzigen Kraftstoffquelle (im obigen Beispiel die zweite Kraftstoffquelle 304) den Haupteinspritzdüsen 314 zugeführt wird. In anderen Beispielen kann der Mischer so eingerichtet sein, dass er sowohl die Haupt- als auch die Voreinspritzdüsen 313, 314 mit einer geeigneten Kraftstoffmischung versorgt. In wieder anderen Beispielen kann der Kraftstoff-Zufuhrregler 306 eines der hier beschriebenen Beispiele dazu verwendet werden, zumindest während eines Teils des Beschleunigungsmodus (an eine oder beide der Vor- und Haupteinspritzdüsen) Kraftstoff zu liefern, der sich von dem Kraftstoff unterscheidet, der zumindest während eines Teils des stationären Betriebsmodus geliefert wird (z. B. bei Verwendung separater Regler für die erste und zweite Kraftstoffquelle oder eines Vorsteuerreglers, der so angeordnet ist, dass er zwischen den Kraftstoffquellen umschaltet).
Wie oben im Zusammenhang mit dem in 17 dargestellten Beispiel erörtert, kann die Abhängigkeit des Anteils des Kraftstoffs aus der ersten Kraftstoffquelle 302 im Vergleich zu dem aus der zweiten Kraftstoffquelle 304 von der Durchflussrate des Kraftstoffs entsprechend einem gewünschten resultierenden nvPM-Wert bei einer bestimmten Durchflussrate des Kraftstoffs bestimmt werden. Beispielsweise kann der Anteil des von der ersten Kraftstoffquelle 302 gelieferten Kraftstoffs im Vergleich zu dem von der zweiten Kraftstoffquelle 304 bei einer bestimmten Durchflussrate des Kraftstoffs während des Beschleunigungsmodus entsprechend einem gewünschten resultierenden nvPM-Wert festgelegt werden. Die von jeder Quelle gelieferte Kraftstoffmenge kann so bestimmt werden, dass das nvPM einen vorbestimmten Schwellenwert nicht überschreitet oder dass die nvPM-Erzeugung über einen Betriebszeitraum des Gasturbinentriebwerks wie oben beschrieben minimiert wird. In jedem der hier beschriebenen Beispiele kann dies durch eine geeignete Steuerung des Mischers 318 oder eines der anderen hier beschriebenen Kraftstoff-Zufuhrregler 306 erreicht werden.
In einigen Beispielen kann der Anteil des von der ersten Kraftstoffquelle 302 gelieferten Kraftstoffs im Vergleich zu dem von der zweiten Kraftstoffquelle 304 gelieferten Kraftstoff während des Beschleunigungsmodus des Verbrennungssystems zumindest teilweise nach einem oder mehreren der folgenden Kriterien bestimmt werden:

a) der Menge des Kraftstoffs mit dem ersten Kraftstoffmerkmal und die Menge des Kraftstoffs mit dem zweiten Kraftstoffmerkmal, die für einen geplanten Flug zur Verfügung stehen. Dies kann z. B. durch eine Schätzung oder Messung der Kraftstoffmenge in den Kraftstofftanks 53, 55 erfolgen, die die erste und zweite Kraftstoffquelle 302, 304 bilden;
b) der Menge des gesamten Kraftstoffbedarfs für die Voreinspritzdüsen 313 während des Betriebs nur mit Voreinspritzung für den gesamten Flug in einem Betriebsbereich, in dem Kraftstoff von der ersten Kraftstoffquelle 302 bereitgestellt wird; und/oder
c) einem Grenzparameter für die Kraftstoffzusammensetzung (z. B. eine Zertifizierungsgrenze, die für die Betankung verfügbare Kraftstoffzusammensetzung oder Grenzwerte für Luftfahrzeuge/Triebwerke).

30 veranschaulicht ein Verfahren 4030 zum Betrieb eines Gasturbinentriebwerks gemäß dem obigen Beispiel, bei dem Kraftstoff mit unterschiedlichen Kraftstoffmerkmalen an die Kraftstoffeinspritzdüsen (z. B. eine oder beide der Vor- und Haupteinspritzdüsen 313, 314) während mindestens eines Teils des Beschleunigungsmodus im Vergleich zu mindestens einem Teil des stationären Modus geliefert wird. Das Verfahren 4030 umfasst die Regulierung 4032 der Kraftstoffzufuhr zu den Vor- und Haupteinspritzdüsen 313, 314 von der ersten Kraftstoffquelle 302, die einen ersten Kraftstoff mit einem ersten Kraftstoffmerkmal enthält, und von der zweiten Kraftstoffquelle 304, die einen zweiten Kraftstoff mit einem zweiten Kraftstoffmerkmal enthält, wie oben beschrieben unter Verwendung des Kraftstoff-Zufuhrreglers 306 eines beliebigen Beispiels hierin. Das zweite Kraftstoffmerkmal ist ein anderes als das erste, wie oben beschrieben.
Das Verfahren umfasst ferner das Betreiben 4034 des gestuften Verbrennungssystems 64 in einem Beschleunigungsmodus, in dem eine Beschleunigung des Triebwerks aus einem stationären Betriebsmodus heraus bewirkt wird. Das Verfahren 4030 umfasst ferner die Lieferung von 4036 Kraftstoff an die Kraftstoffeinspritzdüsen (z.B. eine oder beide der Vor-und Haupteinspritzdüsen 313, 314) während mindestens eines Teils des Betriebs im Beschleunigungsmodus, der ein anderes Kraftstoffmerkmal aufweist als der Kraftstoff, der an die Kraftstoffeinspritzdüsen (z.B. eine oder beide der Vor- und Haupteinspritzdüsen 313, 314) während mindestens eines Teils des stationären Betriebsmodus des Triebwerks geliefert wird.
Jedes der oben im Zusammenhang mit den Beispielen beschriebenen Merkmale, bei denen im Beschleunigungsmodus ein anderer Kraftstoff zugeführt wird als im stationären Reiseflug, kann in das Verfahren 4030 der 30 einbezogen werden, auch wenn sie hier nicht wiederholt werden.
Bestimmung des Stufenpunkts anhand von Kraftstoffmerkmalen
In anderen Beispielen der vorliegenden Anwendung kann der Stufenpunkt, nach dem das gestufte Verbrennungssystem 64 betrieben wird, auf der Grundlage einer Bestimmung der Merkmale des Kraftstoffs, mit dem es versorgt wird, festgelegt werden. Die Erfinder haben festgestellt, dass der Stufenpunkt auf den Merkmalen des Kraftstoffs basieren kann, um den jeweiligen Kraftstoff, der dem Triebwerk 10 zugeführt wird, vorteilhaft zu nutzen.
In einigen Beispielen kann das in 4 dargestellte Luftfahrzeug so eingerichtet sein, dass es nur eine einzige Kraftstoffquelle hat. In einem solchen Beispiel können die Kraftstofftanks 53, 55 strömungstechnisch gekoppelt sein, um eine einzige Kraftstoffquelle an Bord des Luftfahrzeugs zu bilden. Das Luftfahrzeug kann daher Kraftstoff mit denselben Kraftstoffmerkmalen anstelle von Kraftstoffen mit unterschiedlichen Merkmalen mitführen.
31 zeigt ein Beispiel für ein gestuftes Verbrennungssystem 64, dessen Merkmale denen von 5 entsprechen, das aber mit Kraftstoff aus einer einzigen Quelle an Bord des Luftfahrzeugs 1 versorgt wird. In diesem Beispiel wird der Kraftstoff vom Kraftstoff-Zufuhrregler 306 über eine Kraftstoffpumpe 308 aus einer einzigen Kraftstoffquelle, z. B. den in 4 dargestellten Kraftstofftanks 53, 55, bezogen. Merkmale, die mit dem Beispiel in 5 übereinstimmen, sind entsprechend gekennzeichnet und werden daher nicht noch einmal beschrieben.
In dem in 31 dargestellten Beispiel umfasst das Gasturbinentriebwerk 10 außerdem ein Kraftstoffmerkmal-Bestimmungsmodul 330. Das Kraftstoffmerkmal-Bestimmungsmodul 330 ist so konfiguriert, dass es ein oder mehrere Kraftstoffmerkmale des Kraftstoffs bestimmt, der dem Kraftstoff-Zufuhrregler 306 zugeführt wird. In dem beschriebenen Beispiel steht das Kraftstoffmerkmal-Bestimmungsmodul 330 mit einer Sensorvorrichtung 332 in Verbindung, die so konfiguriert ist, dass sie eine Messung an dem Kraftstoff, der zu dem Kraftstofflieferungsregler 306 fließt, durchführt, um Kraftstoffmerkmale zu bestimmen. Die Sensorvorrichtung 332 kann eine Reihe verschiedener Formen annehmen und gemäß jedem der hierin offenbarten Beispiele für die Bestimmung von Kraftstoffmerkmalen arbeiten. In anderen Beispielen kann das Kraftstoffmerkmal-Bestimmungsmodul 330 Signale von einer Sensorvorrichtung empfangen, die sich an anderer Stelle an Bord des Luftfahrzeugs befindet und so konfiguriert ist, dass sie eine Messung der Kraftstoffmerkmale durchführt. In wieder anderen Beispielen kann das Kraftstoffmerkmal-Bestimmungsmodul 330 Kraftstoffmerkmale aus anderen Quellen als einer Sensorvorrichtung, wie an anderer Stelle hierin beschrieben, erhalten, z. B. können die Kraftstoffmerkmale über einen Datenkommunikationskanal oder durch eine Benutzereingabe empfangen werden.
Das EEC 42 (das allgemeiner als „Steuergerät“ bezeichnet werden kann) steht mit dem Kraftstoffmerkmal-Bestimmungsmodul 330 in Verbindung, so dass es die Kraftstoffmerkmale des Kraftstoffs, der dem Kraftstoff-Zufuhrregler 306 zugeführt wird, empfangen kann. Im vorliegenden Beispiel ist das Kraftstoffmerkmal-Bestimmungsmodul 330 getrennt vom EEC dargestellt, in anderen Beispielen können sie jedoch kombiniert werden. Das Steuergerät 42 ist so konfiguriert, dass es den Stufenpunkt bestimmt, an dem das gestufte Verbrennungssystem zwischen seinem Betrieb nur mit Voreinspritzung und dem Betrieb mit Vor- und Haupteinspritzung umgeschaltet wird. Der Stufenpunkt wird auf der Grundlage eines oder mehrerer Kraftstoffmerkmale bestimmt. Sobald der Stufenpunkt auf diese Weise bestimmt ist, wird er von dem Steuergerät 42 verwendet, um den Betrieb des gestuften Verbrennungssystems 64 zu steuern, z. B. um den Betrieb des Kraftstoff-Zufuhrreglers so zu steuern, dass dem Vorsteuerverteiler 309 oder dem Vorsteuerverteiler 309 und dem Hauptverteiler 310 für den Betrieb im Nur-Voreinspritzung- bzw. im Vor- und Haupteinspritzung-Modus ein angemessener Kraftstoffstrom zugeführt wird.
Die Erfinder haben festgestellt, dass das gestufte Verbrennungssystem 64 vorteilhaft in Abhängigkeit von den Eigenschaften des zugeführten Kraftstoffs gesteuert werden kann. Insbesondere kann der Stufenpunkt so gewählt werden, dass die Eigenschaften des dem Triebwerk zugeführten Kraftstoffs vorteilhaft genutzt werden.
In einem Beispiel wird der Stufenpunkt auf der Grundlage eines oder mehrerer Kraftstoffmerkmale bestimmt, die darauf hindeuten, dass der Kraftstoff mit einem niedrigen nvPM-Produktionsniveau verbunden ist (z. B. niedrig im Vergleich zu fossilem Kerosin bei entsprechenden Verbrennungsbedingungen). Auf diese Weise kann der Stufenpunkt so angepasst werden, dass er einem Triebwerk-Betriebszustand entspricht, der andernfalls zu einer hohen nvPM-Produktion führen würde. Wird beispielsweise, wie in den 23 und 25 dargestellt, festgestellt, dass der Brennkammer ein Kraftstoff mit geringem nvPM-Ausstoß zugeführt wird, kann der Stufenpunkt so angepasst werden, dass die CO- und HC-Produktion verringert wird, ohne dass es zu einem nachteiligen Anstieg der nvPM-Produktion kommt, der sonst bei Verwendung eines Kraftstoffs mit relativ hohem nvPM-Ausstoß auftreten würde.
In einigen Beispielen kann das Kraftstoffmerkmal, auf dem die Bestimmung des Stufenpunkts basiert, der prozentuale Anteil von nachhaltigem Flugkraftstoff (SAF) im jeweiligen Kraftstoff sein. Wie bereits erwähnt, weist SAF im Vergleich zu fossilem Kerosin einen wesentlich niedrigeren nvPM-Wert auf und kann daher verwendet werden, um Änderungen des Stufenpunkts abzumildern, die andernfalls die nvPM-Produktion erhöhen würden.
In einigen Beispielen kann fossiles Kerosin so behandelt werden, dass aromatische Bestandteile, insbesondere Naphthaline, entfernt werden, um einen weitgehend paraffinischen Kraftstoff fossilen Ursprungs zu erzeugen, der ein Kraftstoff mit niedrigem nvPM-Wert wäre. Andere Kraftstoffmerkmale können daher mit niedrigem nvPM in Verbindung gebracht werden, wie z. B. der prozentuale Anteil des Aromaten- oder Naphthalingehalts. In anderen Beispielen können zu den Kraftstoffmerkmalen, anhand derer der Stufenpunkt bestimmt wird, der Gehalt an aromatischen Kohlenwasserstoffen im Kraftstoff und/oder der Naphthalin-Gehalt des Kraftstoffs gehören. Diese Kraftstoffmerkmale können auch einen Hinweis auf die Menge an nvPM geben, die durch den Kraftstoff erzeugt wird, und ermöglichen eine entsprechende Bestimmung des Stufenpunkts.
Das Steuergerät 42 kann so konfiguriert sein, dass es den Stufenpunkt so bestimmt, dass der Stufenpunkt, der einem Kraftstoff mit geringer nvPM-Erzeugung zugeordnet ist, einer höheren Leistungseinstellung des Triebwerks entspricht als der Stufenpunkt, der einem oder mehreren Kraftstoffmerkmalen zugeordnet ist, die darauf hindeuten, dass der Kraftstoff mit einer relativ höheren nvPM-Erzeugung verbunden ist. Mit anderen Worten: Der Stufenpunkt kann für einen Kraftstoff mit geringer nvPM-Produktion auf eine höhere Triebwerksleistung angehoben werden als für einen Kraftstoff mit höherer nvPM-Produktion. Die Triebwerksleistung, bei der der Stufenpunkt auftritt, kann daher mit abnehmender nvPM-Produktion des Kraftstoffs erhöht werden. Wie bereits im Zusammenhang mit den 23 und 25 erörtert, kann diese Erhöhung des Stufenpunktes dazu beitragen, die CO- und HC-Produktion zu verringern, ohne dass es zu einer wesentlichen Erhöhung des nvPM kommt. Bei dem Kraftstoff mit niedrigem nvPM-Wert kann es sich um einen Kraftstoff handeln, der im Vergleich zu fossilem Kerosin bei entsprechenden Verbrennungsbedingungen eine geringere nvPM-Emission erzeugt. Bei dem nvPM-armen Kraftstoff kann es sich um einen SAF-reichen Kraftstoff handeln, der zumindest einen gewissen SAF-Gehalt aufweist, vorzugsweise einen SAF-Gehalt von mehr als 10 %, oder noch besser von 50 % oder mehr.
In einigen Beispielen kann der auf der Grundlage der Kraftstoffmerkmale bestimmte Stufenpunkt ein Reiseflug-Stufenpunkt sein, mit dem das Verbrennungssystem 64 während des stationären Reiseflugbetriebs des Triebwerks gesteuert wird. Das Steuergerät 42 kann so konfiguriert sein, dass es den Stufenpunkt so bestimmt, dass er einer Leistungseinstellung des Triebwerks entspricht, die zu einem Wechsel zwischen Betrieb nur mit Voreinspritzung und Betrieb mit Vor- und Haupteinspritzung während des Reiseflugs im eingeschwungenen Zustand führt. Der vom Steuergerät 42 auf der Grundlage der Kraftstoffmerkmale ermittelte Stufenpunkt kann daher eine Grenze zwischen einem ersten Triebwerk-Reiseflugbetriebsbereich und einem zweiten Triebwerk-Reiseflugbetriebsbereich bilden. Der Stufenpunkt kann so gewählt werden, dass er diese beiden Reiseflug-Betriebspunkte definiert, wenn festgestellt wird, dass ein Kraftstoff mit relativ niedrigem nvPM-Wert verwendet wird (z. B. ein Kraftstoff mit hohem SAF-Wert und/oder niedrigem Aromaten- und/oder Naphthalinanteil). Dies kann den Betrieb nur mit Voreinspritzung während des Reiseflugs ermöglichen, um die geringe HO- und CO-Produktion zu nutzen und gleichzeitig den Anstieg des nvPM zu vermeiden, der andernfalls eintreten würde, wenn das Triebwerk mit einem Kraftstoff mit hohem nvPM versorgt würde (siehe 27 und 28 und die zugehörige Beschreibung oben).
Der erste Reiseflug-Betriebsbereich kann dem Betrieb des Luftfahrzeugs in einem späteren Teil eines Reiseflugsegments eines Fluges entsprechen, und der zweite Betriebsbereich kann dem Betrieb des Luftfahrzeugs in einem relativ früheren Teil des Reiseflugsegments entsprechen. Wie bereits erwähnt, kann dies dem gestuften Verbrennungssystem 64 ermöglichen, während eines späteren Teils eines Reiseflugsegments (z. B. eines Segments des Reiseflugs mit konstanter Höhe) auf den Betrieb nur mit Voreinspritzung umzuschalten. In einem anderen Beispiel kann der erste Reiseflug-Betriebsbereich dem stationären Unterschall-Reiseflugbetrieb des Triebwerks entsprechen und der zweite Reiseflug-Betriebsbereich dem stationären Überschall-Reiseflugbetrieb des Triebwerks. In beiden Beispielen wird der Stufenpunkt so gewählt, dass der Betrieb nur mit Voreinspritzung bei niedriger Triebwerksleistung im Reiseflug erfolgt, z. B. in einem späteren Teil eines Reiseflugsegments oder während des Unterschallreiseflugs. Der stationäre Überschall-Reiseflugbetrieb kann vor dem stationären Unterschall-Reiseflugbetrieb erfolgen oder umgekehrt. In einigen Beispielen kann der stationäre Unterschallreiseflug ein Unterschallreiseflug über Land sein, während der stationäre Überschallreiseflug ein Überschallreiseflug über Wasser sein kann.
In einem anderen Beispiel kann der gemäß den Kraftstoffmerkmalen bestimmte Stufenpunkt ein Triebwerkbeschleunigungs-Stufenpunkt sein, gemäß dem das gestufte Verbrennungssystem während eines Beschleunigungszustands des Triebwerks gesteuert wird. In einem solchen Beispiel kann das Steuergerät so konfiguriert sein, dass es den Stufenpunkt für die Beschleunigung des Triebwerks so auswählt, dass er mit dem im Reiseflug verwendeten Punkt übereinstimmt. Dies kann insbesondere dann geschehen, wenn festgestellt wird, dass ein Kraftstoff mit niedrigem nvPM-Wert verwendet wird (z. B. ein Kraftstoff mit hohem SAF-Gehalt und/oder niedrigem Aromaten- und/oder Naphthalin-Gehalt). Wie bereits erwähnt, kann auf diese Weise die Beschleunigung (zumindest teilweise) erfolgen, während der Betrieb nur in der Voreinspritzung fortgesetzt wird, obwohl die Durchflussrate des Kraftstoffs für die Beschleunigung erhöht wurde. Dies kann dazu beitragen, einen Anstieg der HC- und CO-Produktion zu vermeiden, der andernfalls durch eine Erhöhung des Stufenpunkts während der Beschleunigung des Triebwerks auftreten würde.
In einigen Beispielen kann das Steuergerät 42 so beschaffen sein, dass es den Reiseflug- und den Beschleunigungs-Stufenpunkt oder beide bestimmt, und es kann so beschaffen sein, dass es Stufenpunkte sowohl für den Überschall-/Unterschallbetrieb als auch für frühere/spätere Teile eines Reiseflugsegments bestimmt.
32 veranschaulicht ein Verfahren 4038 zum Betrieb eines Gasturbinentriebwerks für ein Luftfahrzeug. Das Verfahren kann mit der Vorrichtung aus 31 durchgeführt werden. Das Verfahren 4038 umfasst die Bestimmung 4040 eines oder mehrerer Kraftstoffmerkmale eines Kraftstoffs, der dem Verbrennungssystem zugeführt wird; die Bestimmung 4042 eines Stufenpunktes, der den Punkt definiert, an dem das Verbrennungssystem zwischen dem Betrieb mit nur Voreinspritzung und dem Betrieb mit Vor- und Haupteinspritzung auf der Grundlage des bestimmten einen oder der mehreren Kraftstoffmerkmale umgeschaltet wird; und die Steuerung 4044 des gestuften Verbrennungssystems gemäß dem bestimmten Stufenpunkt.
Die ein oder mehreren Kraftstoffmerkmale können darauf hinweisen, dass der Kraftstoff im Vergleich zu fossilem Kerosin, wie oben beschrieben, eine geringe nvPM-Produktion aufweist. Zu den Kraftstoffmerkmalen gehören eines oder mehrere der folgenden Merkmale: (i) ein prozentualer Anteil an nachhaltigem Flugkraftstoff im Kraftstoff; (ii) ein Gehalt an aromatischen Kohlenwasserstoffen im Kraftstoff; und/oder (iii) ein Naphthalin-Gehalt im Kraftstoff. Es können auch andere Kraftstoffmerkmale verwendet werden.
Die Bestimmung 4042 des Stufenpunkts kann die Bestimmung 4046 des Stufenpunkts in der Weise umfassen, dass der Stufenpunkt, der mit einem oder mehreren Kraftstoffmerkmalen assoziiert ist, die darauf hinweisen, dass der Kraftstoff mit einer niedrigen nvPM-Erzeugung verbunden ist, einer höheren Leistungseinstellung des Triebwerks entspricht als der Stufenpunkt, der mit einem oder mehreren Kraftstoffmerkmalen assoziiert ist, die darauf hinweisen, dass der Kraftstoff mit einer relativ höheren nvPM-Erzeugung verbunden ist.
Der nach dem Verfahren der 32 ermittelte 4042 Stufenpunkt kann ein Stufenpunkt für den Reiseflug sein und kann während eines späteren Teils eines Reiseflugsegments eines leichten oder während des Unterschall-Reiseflugbetriebs eines überschallfähigen Luftfahrzeugs verwendet werden, wie in den verschiedenen Beispielen oben beschrieben.
Jedes der oben im Zusammenhang mit den Beispielen beschriebenen Merkmale, bei denen der Stufenpunkt anhand eines oder mehrerer Kraftstoffmerkmale bestimmt wird, kann in das Verfahren 4038 der 32 aufgenommen werden.
In den obigen Beispielen wird der Stufenpunkt anhand der nvPM-Produktionsmerkmale des Kraftstoffs bestimmt. Dies ist jedoch nur ein Beispiel, und es können auch andere Kraftstoffmerkmale berücksichtigt werden, um einen geeigneten Stufenpunkt zu bestimmen, damit die Eigenschaften des der Brennkammer zugeführten Kraftstoffs genutzt werden können.
Bestimmung des Stufenverhältnisses anhand von Kraftstoffmerkmalen
In anderen Beispielen ist das in 31 dargestellte Steuergerät 42 zusätzlich oder alternativ dazu so angeordnet, dass es ein Stufenverhältnis entsprechend einem oder mehreren Kraftstoffmerkmalen bestimmt. Wie an anderer Stelle erläutert, ist das Steuergerät 42 so konfiguriert, dass es den Kraftstoff-Zufuhrregler 306 (und damit das gestufte Verbrennungssystem 64) entsprechend einem Stufenverhältnis steuert. Das Stufenverhältnis definiert das Verhältnis des Kraftstoffstroms der Voreinspritzdüse 313 zum Kraftstoffstrom der Haupteinspritzdüse 314. Die Erfinder haben festgestellt, dass das Stufenverhältnis so gewählt werden kann, dass bestimmte Kraftstoffmerkmale des Kraftstoffs, der dem Kraftstoff-Zufuhrregler zugeführt wird, vorteilhaft genutzt werden können, indem das Verhältnis auf der Grundlage der Kraftstoffmerkmale intelligent gewählt wird.
Beispielsweise kann das Stufenverhältnis auf der Grundlage eines oder mehrerer Kraftstoffmerkmale bestimmt werden, die darauf hindeuten, dass der Kraftstoff mit einer geringen nvPM-Produktion verbunden ist (z. B. gering im Vergleich zu fossilem Kerosin bei entsprechenden Verbrennungsbedingungen). Auf diese Weise kann das Stufenverhältnis so angepasst werden, dass die CO- und HC-Erzeugung in einer Weise reduziert wird, die andernfalls zu einer hohen nvPM-Erzeugung führen würde, wie in verschiedenen Beispielen oben beschrieben.
In einigen Beispielen können die Kraftstoffmerkmale, auf denen die Bestimmung des Stufenverhältnisses basiert, der prozentuale Anteil von nachhaltigem Flugkraftstoff (SAF) im jeweiligen Kraftstoff sein. Wie bereits erwähnt, weist SAF im Vergleich zu fossilem Kerosin einen wesentlich geringeren nvPM-Wert auf und kann daher verwendet werden, um Änderungen des Stufenverhältnisses abzumildern, die andernfalls die nvPM-Produktion erhöhen würden.
In einigen Beispielen kann fossiles Kerosin so behandelt werden, dass aromatische Bestandteile, insbesondere Naphthaline, entfernt werden, um einen weitgehend paraffinischen Kraftstoff fossilen Ursprungs zu erzeugen, der ein Kraftstoff mit niedrigem nvPM-Wert wäre. Andere Kraftstoffmerkmale können daher mit niedrigem nvPM in Verbindung gebracht werden, wie z. B. der prozentuale Anteil des Aromaten- oder Naphthalinanteils. In anderen Beispielen können zu den Kraftstoffmerkmalen, anhand derer das Stufenverhältnis bestimmt wird, der Gehalt an aromatischen Kohlenwasserstoffen im Kraftstoff und/oder der Naphthalin-Gehalt des Kraftstoffs gehören. Diese Kraftstoffmerkmale können auch einen Hinweis auf die Menge an nvPM geben, die durch den Kraftstoff erzeugt wird, und ermöglichen eine entsprechende Bestimmung des Stufenverhältnisses.
Das Steuergerät 42 kann so konfiguriert sein, dass es ein Übergangs-Stufenverhältnis bestimmt, das es ermöglicht, das gestufte Verbrennungssystem 64 in einem Übergangsbereich zwischen dem Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung und dem Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung zu betreiben, wie oben im Zusammenhang mit den 27 und 28 erläutert. Das Übergangs-Stufenverhältnis kann in Abhängigkeit von einem oder mehreren Kraftstoffmerkmalen bestimmt werden, die darauf hinweisen, dass der dem Kraftstoff-Zufuhrregler 306 zugeführte Kraftstoff ein niedriges nvPM-Produktionsniveau aufweist (z. B. entsprechend dem SAF-Gehalt, dem Aromatengehalt oder dem Naphthalin-Gehalt; eine niedrige nvPM-Produktion ist relativ geringer als bei fossilem Kerosin-Kraftstoff). Das Übergangs-Stufenverhältnis kann sich von einem Vor- und Haupteinspritzungs-Stufenverhältnis unterscheiden, nach dem der Regler 42 das gestufte Verbrennungssystem während des Betriebs mit Vor- und Haupteinspritzung steuert. Das Vor-und Haupteinspritzungs-Stufenverhältnis kann ein Standardverhältnis sein und kann nach bekannten Verfahren bestimmt werden.
Wie bereits im Zusammenhang mit den 27 und 28 erörtert, kann durch die Konfiguration des gestuften Verbrennungssystems 64 für den Betrieb im Übergangsbereich zwischen dem Betrieb nur mit Voreinspritzung und dem Betrieb mit Vor- und Haupteinspritzung die Menge der CO- und HC-Emissionen in diesem Bereich der Leistungseinstellungen des Triebwerks verringert werden. Durch die Feststellung, dass die Brennkammer mit einem Kraftstoff versorgt wird, der eine niedrige nvPM-Produktion aufweist, kann das Steuergerät feststellen, dass das Übergangs-Stufenverhältnis zur Verringerung der CO- und HC-Emissionen verwendet werden kann, ohne einen übermäßigen Anstieg der nvPM-Produktion zu verursachen.
Jedes der oben erörterten Merkmale des Übergangs-Stufenverhältnisses kann in die derzeit beschriebenen Beispiele einbezogen werden, bei denen das Übergangs-Stufenverhältnis in Abhängigkeit von einem oder mehreren Kraftstoffmerkmalen gewählt wird. Beispielsweise kann das Übergangs-Stufenverhältnis während der Übergangsphase mit einer veränderten Leistungseinstellung des Triebwerks variieren. In einem Beispiel variiert das Übergangs-Stufenverhältnis kontinuierlich mit der sich ändernden Triebwerksleistung innerhalb des Übergangs-Betriebsbereichs. Dies kann einen sanften Übergang zwischen dem Stufenverhältnis im Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung und im Betriebsbereich mit Vor-und Haupteinspritzung ermöglichen. Die kontinuierliche Variation kann so beschaffen sein, dass der Anteil des gesamten Kraftstoffdurchflusses zu den Einspritzdüsen (d. h. der gesamte Durchfluss zu den Vor- und Haupteinspritzdüsen), der auf den Kraftstoffdurchfluss zu den Voreinspritzdüsen 313 zurückzuführen ist, mit zunehmender Triebwerksleistung im Betriebsbereich des Übergangs abnimmt. Der Anteil des Kraftstoffstroms zu den Einspritzdüsen, der auf den Kraftstoffstrom zu den Haupteinspritzdüsen 314 entfällt, nimmt dagegen mit steigender Triebwerksleistung im Übergangsbereich zu.
In anderen Beispielen hat das Übergangs-Stufenverhältnis einen konstanten Zwischenwert, der sich von dem Verhältnis zwischen Vor- und Haupteinspritzung unterscheidet. Das Übergangs-Stufenverhältnis kann zwischen dem Verhältnis nur mit Voreinspritzung und dem Vor- und Haupteinspritzungs-Verhältnis liegen. Dadurch wird ein allmählicherer Übergang von der reinen Voreinspritzung zur Vor- und Haupteinspritzung erreicht. Beispielsweise kann das Übergangs-Stufenverhältnis 70:30 betragen, was zwischen 100:0 im Bereich der reinen Voreinspritzung und einem Vor- und Haupteinspritzungsverhältnis von 20:80 oder 30:70 liegt.
In anderen Beispielen variiert das Übergangs-Stufenverhältnis zwischen einer Reihe konstanter Zwischenwerte, die sich jeweils von dem Vor- und Haupteinspritzungs-Stufenverhältnis unterscheiden. Darüber hinaus kann jedes der Zwischenverhältnisse zwischen dem Verhältnis der reinen Voreinspritzung und dem der Vor- und Haupteinspritzung liegen. Beispielsweise kann das Übergangs-Stufenverhältnis zwischen einer Reihe von Werten von 80:20, 60:40 und 40:60 variieren. Das Verhältnis zwischen Vor- und Haupteinspritzung kann in diesem Beispiel 20:80 betragen. Die Zwischenstufenverhältnisse können also in Richtung des Vor- und Haupteinspritzverhältnisses abnehmen (d. h. ein zunehmend kleinerer Anteil des gesamten Kraftstoffs wird den Voreinspritzdüsen 313 und ein zunehmend größerer Anteil des gesamten Kraftstoffs wird den Haupteinspritzdüsen 314 zugeführt). Dies ist jedoch nur ein Beispiel, und es kann jede andere Anzahl und jeder andere Wert von Zwischen-Übergangs-Stufenverhältnissen verwendet werden.
In einigen Beispielen kann das Übergangs-Stufenverhältnis in einem Teil des Übergangsbereichs eine kontinuierliche Veränderung mit der Triebwerksleistung aufweisen und in einem anderen Teil des Übergangsbereichs einen oder mehrere konstante Werte haben. Die obigen Beispiele können daher kombiniert werden. In anderen Beispielen kann das Stufenverhältnis eine kontinuierliche Variation mit der Triebwerksleistung über den gesamten Übergangsbereich aufweisen, oder es kann einen oder mehrere konstante Werte mit der Triebwerksleistung über den gesamten Übergangsbereich haben.
33 veranschaulicht ein Beispiel für ein Verfahren 4050 zum Betrieb eines Gasturbinentriebwerks. Das Verfahren 4050 umfasst: Bestimmen 4052 eines oder mehrerer Kraftstoffmerkmale eines Kraftstoffs, der dem gestuften Verbrennungssystem 64 zugeführt wird; Bestimmen 4054 eines Stufenverhältnisses, das das Verhältnis des Kraftstoffstroms der Voreinspritzdüse zum Kraftstoffstrom der Haupteinspritzdüse definiert; und Steuern 4056 des gestuften Verbrennungssystems 64 gemäß dem bestimmten Stufenverhältnis. Das Verfahren 4050 kann mit der in 31 dargestellten Vorrichtung durchgeführt werden (zusätzlich oder alternativ zu dem Verfahren 4038, bei dem ein Stufenpunkt bestimmt wird).
Die ein oder mehreren Kraftstoffmerkmale können darauf hinweisen, dass der Kraftstoff im Vergleich zu fossilem Kerosin, wie oben beschrieben, eine geringe nvPM-Produktion aufweist. Zu den Kraftstoffmerkmalen gehören eines oder mehrere der folgenden Merkmale: (i) ein prozentualer Anteil an nachhaltigem Flugkraftstoff im Kraftstoff; (ii) ein Gehalt an aromatischen Kohlenwasserstoffen im Kraftstoff; und/oder (iii) ein Naphthalin-Gehalt im Kraftstoff. Es können auch andere Kraftstoffmerkmale verwendet werden.
Die Steuerung 4056 des gestuften Verbrennungssystems 64 kann die Steuerung 4058 des gestuften Verbrennungssystems 64 während des Betriebsbereichs mit Vor- und Haupteinspritzung gemäß einem Vor- und Haupteinspritzungs-Stufenverhältnis umfassen, wie oben beschrieben. Die Bestimmung 4054 des Stufenverhältnisses kann die Bestimmung 4060 eines Übergangs-Stufenverhältnisses umfassen. Die Steuerung 4056 des gestuften Verbrennungssystems 64 kann dann die Steuerung 4062 desselben derart umfassen, dass es in einem Übergangs-Betriebsbereich zwischen einem Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung und einem Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung betrieben wird, wie oben beschrieben. Das Übergangs-Stufenverhältnis kann nach einem der oben genannten Beispiele bestimmt werden.
Jedes der oben im Zusammenhang mit den Beispielen beschriebenen Merkmale, bei denen das Stufenverhältnis in Abhängigkeit von einem oder mehreren Kraftstoffmerkmalen bestimmt wird, kann in das Verfahren 4050 der 33 einbezogen werden.
In den obigen Beispielen wird das Stufenverhältnis anhand der nvPM-Produktionsmerkmale des Kraftstoffs bestimmt. Dies ist jedoch nur ein Beispiel, und es können auch andere Kraftstoffmerkmale berücksichtigt werden, um einen geeigneten AbStufenpunkt zu bestimmen, damit die Eigenschaften des der Brennkammer zugeführten Kraftstoffs genutzt werden können.
Abnormale Betriebsbedingungen
Die Regelung der Kraftstoffzufuhr nach einem der hier beschriebenen Beispiele ist für den Betrieb unter normalen Betriebsbedingungen des Gasturbinentriebwerks 10 oder des Luftfahrzeugs 1 geeignet. Bei abnormalen Betriebsbedingungen kann die hier beschriebene Zufuhr von Kraftstoff zur Brennkammer 16 (z. B. zur Steuerung des nvPM) außer Kraft gesetzt werden. Die hier beschriebene Regelung der Kraftstoffzufuhr ist daher zumindest während eines Teils des Betriebs des zugehörigen Gasturbinentriebwerks anwendbar, z. B. wenn die Verfügbarkeit von Kraftstoff entweder aufgrund von Tankkapazitätsgrenzen oder unerwarteten abnormalen Betriebsbedingungen dies nicht verhindert.
So kann zum Beispiel bei abnormalem Betrieb, etwa nach dem Ausfall eines Triebwerks, die Notwendigkeit, Kraftstoff von einem Flügeltank in einen anderen Flügeltank umzuladen (um eine akzeptable seitliche Schwerpunktlage des Luftfahrzeugs aufrechtzuerhalten), die Regelung der Kraftstoffzufuhr gemäß der vorliegenden Anwendung außer Kraft setzen, insbesondere in Fällen, die einen Kraftstofftransfer von der ersten Kraftstoffquelle 302 zur zweiten Kraftstoffquelle 304 oder umgekehrt erfordern. Wenn jedoch die beiden Kraftstofftanks der Tragflächen beide Teil derselben Kraftstoffquelle sind (d. h. beide sind Teil der ersten Kraftstoffquelle 302 oder beide sind Teil der zweiten Kraftstoffquelle 304) und entweder direkt oder über einen oder mehrere weitere Kraftstofftanks, die ebenfalls Teil derselben Kraftstoffquelle (der ersten bzw. zweiten Kraftstoffquelle) sind, strömungstechnisch miteinander verbunden sind, kann die hier beschriebene Kraftstoffregelung trotz solcher abnormalen Bedingungen weiterhin funktionieren.
Wenn der Kraftstoff-Zufuhrregler 306 so eingerichtet ist, dass er zwischen den Quellen umschaltet oder Kraftstoff aus der ersten und zweiten Kraftstoffquelle 302, 304 mischt, kann das Umschalten oder Mischen außer Kraft gesetzt werden, wenn eine der Kraftstoffquellen aufgrund eines Lecks oder aus anderen unerwarteten Gründen (z. B. falsche Kraftstoffbeladung) erschöpft ist. In einigen oder allen Beispielen, insbesondere in dem in 9 gezeigten, kann ein Kraftstoff-Bypass vorgesehen sein, in dem Kraftstoff zwischen der ersten und der zweiten Kraftstoffquelle im Falle eines anormalen Betriebszustandes verteilt werden kann. In dem Beispiel der 9 kann beispielsweise ein Kraftstoff-Bypass stromaufwärts des Kraftstoff-Zufuhrreglers 306 oder zwischen den Kraftstofftanks der ersten und zweiten Kraftstoffquelle 302, 304 vorgesehen sein, der eine Notverbindung zwischen der ersten und zweiten Kraftstoffquelle herstellt. Der Vorsteuerregler 306a und der Hauptregler 306b können daher mit Kraftstoff aus der ersten oder zweiten Kraftstoffquelle 302, 304 versorgt werden, falls eine der Kraftstoffquellen während des Betriebs ausfällt.
Die Regelung der Kraftstoffzufuhr kann auch während eines Teils des Fluges außer Kraft gesetzt werden, wenn nicht genügend erster und zweiter Kraftstoff in den Kraftstofftanks des Luftfahrzeugs untergebracht werden kann. Bei einigen Einsätzen kann der Gesamtbedarf an Kraftstoff für einen geplanten Flug den Mindestumfang vorgeben, bis zu dem jeder Kraftstofftank gefüllt sein muss, und dies kann bestimmte andere Mittel zur Steuerung der Kraftstoffzufuhr in den verschiedenen hier beschriebenen Beispielen außer Kraft setzen.
Berechnung der Zuteilung von Kraftstoff
Die vorliegende Anwendung stellt ferner ein Verfahren zur Bestimmung einer Kraftstoffzuteilung für ein Luftfahrzeug bereit. Das Verfahren ermöglicht die Bestimmung einer Kraftstoffzuteilung, nach der Kraftstoff in das Luftfahrzeug 1 geladen wird, um einen vorgeschlagenen Flug oder eine Mission auszuführen. Das Luftfahrzeug, für das das Verfahren angewendet wird, kann das in 4 dargestellte sein, das eine erste Kraftstoffquelle 302 umfasst, die einen ersten Kraftstoff mit einem ersten Kraftstoffmerkmal enthalten kann, und eine zweite Kraftstoffquelle 304, die einen zweiten Kraftstoff mit einem zweiten Kraftstoffmerkmal enthalten kann, wobei sich das zweite Kraftstoffmerkmal vom ersten unterscheidet. Wie bereits erwähnt, umfasst das Luftfahrzeug 1 ein oder mehrere Gasturbinentriebwerke 10, die mit Kraftstoff aus der ersten und zweiten Kraftstoffquelle 302, 304 betrieben werden. Die Gasturbinentriebwerke 10 umfassen jeweils einen Kraftstoff-Zufuhrregler 306, der so angeordnet ist, dass Kraftstoff aus jeder Kraftstoffquelle oder einer Mischung davon zugeführt wird, und ein gestuftes Verbrennungssystem 64, wie in 5 dargestellt oder wie hierin an anderer Stelle beschrieben.
Ein Verfahren 4070 zur Bestimmung einer Kraftstoffzuteilung ist in 34 dargestellt. Das Verfahren 4070 umfasst die Beschaffung 4072 einer vorgeschlagenen Missionsbeschreibung mit einer Liste von Betriebspunkten für das/die Gasturbinentriebwerk(e) 10 des Luftfahrzeugs 1 während einer Betriebsmission. Die Liste der Betriebspunkte enthält Informationen über den Betrieb der Gasturbinentriebwerke 10 des Luftfahrzeugs 1, die für einen bestimmten geplanten Betriebszeitraum erwartet werden, für den Kraftstoff in das Luftfahrzeug geladen werden soll. Die Liste der Betriebspunkte kann eine Vielzahl von Informationen enthalten, aus denen die erwartete nvPM-Auswirkung des Gasturbinentriebwerks während jedes Teils der Betriebsmission für die verwendeten Kraftstoffe mit unterschiedlichen Merkmalen bestimmt werden kann. Die Betriebspunkte der Missionsbeschreibung können eine oder mehrere der folgenden Angaben enthalten: eine oder mehrere Bedingungen, unter denen die Gasturbinentriebwerke 10 betrieben werden sollen (z. B. die für die spezifische Mission erwarteten Standort- und/oder Umgebungsbedingungen), einen oder mehrere Werte für die Kraftstoff-Durchflussrate, die einem Betriebspunkt entsprechen, und eine Betriebsdauer an einem entsprechenden Betriebspunkt. Die Betriebspunkte können daher angeben, dass die Mission beispielsweise einen Zeitraum umfasst, in dem die Triebwerke bei einem Reiseflug unter bestimmten Umgebungsbedingungen betrieben werden und in dem eine bestimmte Kraftstoff-Durchflussrate erforderlich ist. In der Liste der Betriebspunkte kann jede andere geeignete Information angegeben werden, so dass die nvPM-Erzeugung für die verschiedenen Teile des Fluges bei gegebenen Kraftstoffmerkmalen ermittelt werden kann. Die Missionsbeschreibung kann Einzelheiten über den Betrieb des Luftfahrzeugs am Boden enthalten, um die Betriebsmission zu erfüllen.
Das Verfahren 4070 umfasst ferner die Ermittlung von 4074 nvPM-Einflussparametern für die Gasturbinentriebwerke 10 auf der Grundlage der erhaltenen Missionsbeschreibung. Die Einflussparameter sind jedem der Betriebspunkte des vorgeschlagenen Einsatzes zugeordnet und können eine Menge an nvPM definieren, die von den Gasturbinentriebwerken 10 für verschiedene jeweilige Kraftstoffzusammensetzungen erzeugt wird, die den ersten Kraftstoff, den zweiten Kraftstoff oder eine Mischung davon bei jedem Betriebszustand der Einsatzbeschreibung umfassen.
Die vom Triebwerk erzeugte nvPM-Menge kann mit Hilfe einer Nachschlagetabelle der nvPM-Zahl als Funktion von W_F für alle Betriebsbedingungen (z. B. unter Berücksichtigung verschiedener Positionen des Stufenpunkts an verschiedenen Betriebspunkten der Mission) und für verschiedene Kraftstoffmerkmale bestimmt werden. Die Variation mit Kraftstoffmerkmalen kann in einigen Beispielen durch den prozentualen SAF-Gehalt parametrisiert werden. Die zur Bestimmung der nvPM-Produktion verwendete Nachschlagetabelle kann aus einer Reihe von Nachschlagetabellen ausgewählt werden, die verschiedenen SAF-Typen (HEFA, ATJ usw.) entsprechen. Ist die nvPM-Produktion für verschiedene Kraftstoffe ähnlich, kann für jeden dieselbe Nachschlagetabelle verwendet werden.
Bei den Einflussparametern kann es sich um die an anderer Stelle beschriebenen nvPM-Einflussparameter handeln, die sich auf die Kosten oder den Schaden von nvPM-Emissionen (z. B. Ruß) einer bestimmten Art oder in einer bestimmten Situation beziehen können (zusätzlich oder alternativ zur einfachen Angabe der erzeugten nvPM-Menge). Die Parameter für die nvPM-Auswirkungen können daher eines oder mehrere der folgenden Elemente umfassen:

i) Höhe über dem Boden, in der die nvPM-Produktion stattfindet;
ii) Position (z. B. Standort, z. B. Längen- und Breitengrad) der nvPM-Produktion;
iii) Wetter-/Atmosphärenbedingungen am Ort der nvPM-Produktion;
iv) Klimaauswirkungen in Verbindung mit dem Standort der nvPM-Produktion;
v) Masse/Größe der einzelnen erzeugten nvPM-Partikel;
vi) mögliche Kondensstreifenproduktion und/oder Kondensstreifenmerkmale;
vii) Auswirkungen der Produktion von nvPM auf die lokale Luftqualität (LAQ); und/oder
viii) Menge des produzierten nvPM (z. B. Masse/Anzahl)

Das Verfahren 4070 umfasst ferner die Berechnung 4076 eines optimierten Satzes von einem oder mehreren Kraftstoffmerkmalen für jeden in der Missionsbeschreibung definierten Betriebspunkt der vorgeschlagenen Mission auf der Grundlage der nvPM-Einflussparameter. In diesem Schritt berechnet das Verfahren die Kraftstoffmerkmale für jeden Teil der vorgeschlagenen Mission, die einen optimalen Satz von nvPM-Einflussparametern ergeben. Die Berechnung des optimierten Satzes von einem oder mehreren Kraftstoffmerkmalen umfasst die Minimierung einer Kostenfunktion in Abhängigkeit von dem einen oder den mehreren nvPM-Einflussparametern. In einigen Beispielen kann die Kostenfunktion nur die Menge an nvPM berücksichtigen, die während jedes Teils der Mission erzeugt wird, so dass sie minimiert werden kann. In anderen Beispielen können komplexere Kostenfunktionen, wie an anderer Stelle beschrieben, definiert werden, um andere Faktoren zu berücksichtigen, die sich auf die Auswirkungen der nvPM-Produktion beziehen (z. B. unter Verwendung der anderen oben definierten Einflussparameter).
Sobald der optimierte Satz von Kraftstoffmerkmalen berechnet worden ist, umfasst das Verfahren 4070 die Bestimmung 4078 einer Kraftstoffzuteilung auf der Grundlage des optimierten Satzes von einem oder mehreren Kraftstoffmerkmalen. Die Kraftstoffzuteilung legt fest, wie der Kraftstoff für die Mission zugeteilt wird und wie das Luftfahrzeug mit Kraftstoff zu beladen ist, um die Anforderungen der optimierten Kraftstoffmerkmale über die Dauer der Mission zu erfüllen. Die Kraftstoffzuteilung kann eines oder mehrere der folgenden Elemente umfassen:

i) eine Kraftstoffmenge (z. B. Volumen oder Masse), die jeweils der ersten und der zweiten Kraftstoffquelle zugeordnet ist. Dies kann es ermöglichen, die erforderliche Kraftstoffmenge während eines Betankungsvorgangs zu laden, bei dem das Luftfahrzeug an eine Kraftstoffquelle wie z. B. einen Tankwagen oder eine Kraftstoffversorgungsleitung angeschlossen ist;
ii) das erste Kraftstoffmerkmal und/oder die zweiten Kraftstoffmerkmale; und/oder
iii) ein Kraftstoff-Mischungsverhältnis (z. B. ein Verhältnis zwischen einem Standard- und einem Nicht-Standard-Kraftstoff).

Durch Angabe der Menge und der Merkmale des Kraftstoffs kann der gewünschte Kraftstoff aus den verschiedenen verfügbaren Kraftstoffarten geladen werden. In einigen Beispielen kann der Kraftstoff aus verschiedenen verfügbaren Kraftstoffen gemischt werden, bevor er geladen wird, z. B. aus einem Standard- und einem Nicht-Standard-Kraftstoff, wie später beschrieben.
Das Verfahren 4070 kann ferner die Bestimmung eines oder mehrerer Kraftstoff-Verbrauchsparameter umfassen, die der Kraftstoffzuteilung entsprechen, wobei die Kraftstoff-Verbrauchsparameter definieren, wie der Kraftstoff während der durch die Missionsbeschreibung definierten Mission zu verwenden ist. Die Kraftstoff-Verbrauchsparameter können definieren, wie die optimierten Kraftstoffmerkmale, die für jeden Teil der Mission erforderlich sind, der Brennkammer 16 des jeweiligen Triebwerks zugeführt werden sollen. Die Kraftstoff-Verbrauchsparameter können zu einem „Missionskraftstoffverbrauch“ kombiniert werden, der definiert, wie der Kraftstoff während der Dauer der Mission verwendet wird. Die Kraftstoff-Verbrauchsparameter können dem Luftfahrzeug 1 zur Verfügung gestellt werden, damit das Gasturbinentriebwerk 10 (z. B. der Kraftstoff-Zufuhrregler 306) entsprechend gesteuert werden kann oder die Kraftstofftanks 53, 55 entsprechend konfiguriert werden können. Der eine oder die mehreren Kraftstoff-Verbrauchsparameter können einen oder mehrere der folgenden Werte umfassen:

i) einen Misch-Ablaufplan, nach dem Kraftstoff aus der ersten Kraftstoffquelle 302 und der zweiten Kraftstoffquelle 304 durch den Kraftstofflieferungsregler 306 gemischt wird (z. B. unter Verwendung des oben beschriebenen Kraftstoffmischers 318);
ii) einen Umschalt-Ablaufplan, nach dem der Kraftstofflieferungsregler 306 so konfiguriert ist, dass er zwischen der Lieferung von Kraftstoff aus der ersten Kraftstoffquelle 302 und der zweiten Kraftstoffquelle 304 umschaltet;
iii) ein bordseitiges Kraftstoffmischungsverhältnis, nach dem der Kraftstoff-Zufuhrregler 306 so konfiguriert ist, dass er Kraftstoff aus den Quellen an Bord des Luftfahrzeugs mischt;
iv) eine Zuordnung von Kraftstofftanks 53, 55, die im Luftfahrzeug vorgesehen sind, um die erste Kraftstoffquelle 302 und die zweite Kraftstoffquelle 304 zu bilden. Dadurch kann die Zuordnung der Kraftstofftanks so konfiguriert werden, dass die für den Flug erforderliche Menge an Kraftstoff jedes Typs an Bord des Luftfahrzeugs gelagert werden kann; und/oder
ii) die Einstellung eines Absperrventils für die Kraftstofftanks 53, 55, die die erste Kraftstoffquelle 302 und die zweite Kraftstoffquelle 304 bilden. Auf diese Weise kann die Konfiguration der Kraftstofftanks festgelegt werden, indem bestimmt wird, welche Tanks an Bord des Luftfahrzeugs isoliert sind oder miteinander in Fluidverbindung stehen.

Die Erfinder haben festgestellt, dass durch die Berechnung der Kraftstoffzuteilung auf diese Weise Kraftstoff so in das Luftfahrzeug geladen werden kann, dass sich die erforderliche Menge an Kraftstoff mit den erforderlichen Merkmalen an Bord des Luftfahrzeugs befindet, um den geplanten Einsatz durchzuführen und gleichzeitig die Auswirkungen des nvPM zu verringern. Dies kann eine bessere Ausnutzung der Eigenschaften des verfügbaren Kraftstoffs zur Verringerung des NvPM ermöglichen als die Beladung mit einer bestimmten Menge der verfügbaren Kraftstoffarten. Es kann auch sicherstellen, dass ausreichend Kraftstoff zur Verfügung steht, um die hier beschriebenen Verfahren der Brennkammersteuerung durchzuführen, bei denen dem gestuften Verbrennungssystem 64 unter verschiedenen Betriebsbedingungen auf intelligente Weise Kraftstoff mit unterschiedlichen Merkmalen zugeführt wird.
Das erste Kraftstoffmerkmal kann mit einer nvPM-Produktion verbunden sein, die geringer ist als die des zweiten Kraftstoffmerkmals (unter entsprechenden Verbrennungsbedingungen). Genauer gesagt können das erste Kraftstoffmerkmal und das zweite Kraftstoffmerkmal ein prozentualer Anteil an SAF sein, der in dem jeweiligen Kraftstoff vorhanden ist. Wie an anderer Stelle erläutert, kann der SAF-Anteil die Höhe der nvPM-Produktion beeinflussen. Der erste und der zweite Kraftstoff können sich durch andere Kraftstoffmerkmale, einschließlich der hier definierten, unterscheiden. Sie können sich zum Beispiel durch den Gehalt an Aromaten (oder Naphthalin) unterscheiden.
In einigen Beispielen kann das Luftfahrzeug mit verschiedenen Kraftstoffen beladen werden, die an dem Ort, an dem es betankt wird, zur Verfügung stehen. Die Art und Menge des verfügbaren Kraftstoffs kann von Ort zu Ort unterschiedlich sein. Das vorliegende Verfahren kann es daher ermöglichen, unter Berücksichtigung der Merkmale des verfügbaren Kraftstoffs und der verfügbaren Menge eine optimierte Menge an Kraftstoff der verfügbaren Typen in das Luftfahrzeug zu laden. In einigen Beispielen kann der verfügbare Kraftstoff ein „Standardkraftstoff“ und ein „Nicht-Standardkraftstoff“ sein. Der Standardkraftstoff kann ein weithin verfügbarer Kraftstoff sein, der hauptsächlich aus fossilem Kerosin besteht (z. B. Jet A oder JetA-1). Der Standardkraftstoff kann einen geringen Anteil an SAF enthalten. Der Standardkraftstoff entspricht daher einem Kraftstoff, der die an anderer Stelle hierin beschriebenen zweiten Kraftstoffmerkmale aufweist. Es kann davon ausgegangen werden, dass er in Mengen zur Verfügung steht, für die es keine Obergrenze gibt. Der Nicht-Standard-Kraftstoff kann ein weniger weit verbreiteter Kraftstoff sein und enthält im Vergleich zum Standard-Kraftstoff einen relativ höheren SAF-Anteil. Der Nicht-Standard-Kraftstoff kann 50 % oder mehr SAF enthalten. Er kann andere SAF-Anteile enthalten, die deutlich über denen des Standardkraftstoffs liegen (der Rest ist fossiles Kerosin), und kann zu 100 % aus SAF bestehen.
Der optimierte Satz von einem oder mehreren Kraftstoffmerkmalen für jede Flugbedingung kann ferner auf der Grundlage eines oder mehrerer der folgenden Kriterien bestimmt werden:

i) den erreichbaren Bereich von Kraftstoffzusammensetzungen, die vom Kraftstoff-Zufuhrregler 306 des Triebwerks 10 des Luftfahrzeugs 1, für das der Kraftstoff geladen wird, bereitgestellt werden können. Beispielsweise kann der Kraftstoff-Zufuhrregler 306 so eingerichtet sein, dass er eine Mischung aus Kraftstoff aus der ersten und der zweiten Kraftstoffquelle 302, 304 liefert, zwischen Kraftstoff aus der ersten und der zweiten Kraftstoffquelle umschaltet oder während des gesamten Einsatzes ausschließlich Kraftstoff aus der ersten Kraftstoffquelle 302 oder Kraftstoff aus der zweiten Kraftstoffquelle 304 an die Haupteinspritzdüsen 314 oder die Voreinspritzdüsen 313 liefert. Die Art des Reglers kann daher die Eigenschaften des Kraftstoffs, der der Brennkammer zugeführt werden kann, einschränken und kann daher vorteilhaft bei der Berechnung der Kraftstoffmerkmale berücksichtigt werden;
ii) eine Gesamtmenge an nicht standardmäßigem Kraftstoff, die der Mission zugewiesen wird. Bei der Optimierung der erforderlichen Kraftstoffmerkmale kann die Menge des am Ort der Betankung verfügbaren nicht normgerechten Kraftstoffs berücksichtigt werden. Da der Vorrat an nicht normgerechtem Kraftstoff begrenzt sein kann, kann er bei der Optimierung des erforderlichen Kraftstoffs für jeden verfügbaren Typ berücksichtigt werden;
iii) der Gesamtbedarf an Kraftstoff für die Mission. Beispielsweise kann auch die Gesamtmenge des für die Durchführung der Mission erforderlichen Kraftstoffs (einschließlich einer eventuellen Reservemenge) berücksichtigt werden;
iv) das Fassungsvermögen der Kraftstofftanks des Luftfahrzeugs. Dadurch kann die Menge jedes Kraftstoffs, die in den Tanks des Luftfahrzeugs gespeichert werden kann, berücksichtigt werden. Einige Luftfahrzeuge können beispielsweise über eine feste Konfiguration von Kraftstofftanks verfügen, die eine vordefinierte Menge jedes verfügbaren Kraftstoffs aufnehmen können; und/oder
v) Beschränkungen bei der Zuordnung der Kraftstofftanks des Luftfahrzeugs zu der ersten oder zweiten Kraftstoffquelle. Wie bereits erwähnt, können einige Luftfahrzeuge über eine konfigurierbare Anzahl von Kraftstofftanks verfügen, die für Flexibilität bei der Menge des Kraftstoffs jedes Typs sorgen, der an Bord des Luftfahrzeugs gelagert werden kann.

Das Verfahren 4070 kann Teil eines Verfahrens 4080 zum Laden von Kraftstoff in ein Luftfahrzeug 1 sein. Ein solches Verfahren ist in 35 dargestellt. Das Verfahren 4080 kann die Bestimmung 4082 einer Kraftstoffzuteilung nach dem oben beschriebenen Verfahren 4070 umfassen. Sobald die Kraftstoffzuteilung bestimmt ist, umfasst das Verfahren 4080 das Laden 4084 von Kraftstoff in das Luftfahrzeug entsprechend der Kraftstoffzuteilung. Dies kann das Laden von Kraftstoff durch Anschließen des Luftfahrzeugs 1 an eine Kraftstoffversorgung nach einem bekannten Verfahren (z. B. wie in 4 dargestellt) umfassen und kann ferner das Konfigurieren von Kraftstofftanks nach Bedarf, die Auswahl zwischen Kraftstoffen mit unterschiedlichen Merkmalen und das Laden der erforderlichen Masse oder des Volumens jedes Kraftstoffs umfassen. Der Schritt des Ladens 4084 des Kraftstoffs kann auch das Speichern aller erforderlichen Steuerparameter in einem Steuersystem des betreffenden Triebwerks (z. B. dem EEC 42) oder des Luftfahrzeugs umfassen. Zu den Steuerparametern können beispielsweise die oben beschriebenen Kraftstoff-Verbrauchsparameter gehören.
Das Verfahren 4070 ist ein computerimplementiertes Verfahren. In einigen Beispielen kann das Verfahren 4070 von einer Rechnereinrichtung an Bord des Luftfahrzeugs 1 durchgeführt werden, z. B. von einem Steuersystem des Luftfahrzeugs (z. B. dem EEC 42 oder einem anderen Steuersystem des Triebwerks oder Luftfahrzeugs). Das Verfahren 4070 kann von jeder geeigneten Rechenvorrichtung durchgeführt werden, entweder an Bord des Luftfahrzeugs 1, getrennt vom Luftfahrzeug 1 als Teil eines Kraftstoff-Ladesystems oder als eigenes System.
36 veranschaulicht ein System 5000 zur Bestimmung der Kraftstoffzuteilung. Das System 5000 kann das oben beschriebene Verfahren 4070 durchführen. Jedes Merkmal, das oben im Zusammenhang mit dem Verfahren 4070 offenbart wurde, kann auch für das System 5000 gelten. Das System 5000 umfasst ein Missionsbeschreibungsbeschaffungsmodul 5002, das so konfiguriert ist, dass es eine vorgeschlagene Missionsbeschreibung erhält, die eine Liste von Betriebspunkten für die Gasturbinentriebwerke 10 während der Mission umfasst. Die Missionsbeschreibung kann von jeder geeigneten Quelle bezogen werden, einschließlich einer externen Quelle, mit der das System 5000 in Verbindung steht, oder einem lokalen Speicher, der so konfiguriert ist, dass er eine Reihe verschiedener Flugdefinitionen speichern kann.
Das System 5000 umfasst ferner ein Modul 5004 zur Ermittlung von Einflussparametern, das so konfiguriert ist, dass es nvPM-Einflussparameter für die Gasturbinentriebwerke ermittelt. Wie oben erörtert, werden die Einflussparameter mit jedem Betriebspunkt der vorgeschlagenen Mission in Verbindung gebracht, wobei Kraftstoffzusammensetzungen verwendet werden, die Kraftstoff aus der ersten Kraftstoffquelle 302, Kraftstoff aus der zweiten Kraftstoffquelle 304 oder eine Mischung daraus umfassen. Die Einflussparameter können wie oben beschrieben durch Zugriff auf eine Nachschlagetabelle bestimmt werden. Die Nachschlagetabelle kann vom System 5000 aus einer externen Quelle bezogen werden (z. B. um sie auf einen bestimmten, dem Luftfahrzeug zur Verfügung stehenden Kraftstoff abzustimmen) oder aus einem lokalen Speicher abgerufen werden.
Das System 5000 umfasst ferner ein Modul 5006 zur Berechnung von Kraftstoffmerkmalen. Das Modul zur Berechnung von Kraftstoffmerkmalen ist so konfiguriert, dass es einen optimierten Satz von einem oder mehreren Kraftstoffmerkmalen für jeden Betriebspunkt der vorgeschlagenen Mission, die in der Missionsbeschreibung definiert ist, auf der Grundlage der nvPM-Einflussparameter berechnet. Dies kann durch Optimierung einer Kostenfunktion geschehen, wie an anderer Stelle beschrieben.
Das System 5000 umfasst ferner ein Modul 5008 zur Bestimmung der Kraftstoffzuteilung. Dieses ist so konfiguriert, dass es die berechneten Kraftstoffmerkmale für jeden Teil der Mission empfängt und auf dieser Grundlage eine Kraftstoffzuteilung bestimmt.
Wie bereits erwähnt, kann das erste Kraftstoffmerkmal mit einer nvPM-Produktion verbunden sein, die geringer ist als die des zweiten Kraftstoffmerkmals. Beispielsweise können das erste Kraftstoffmerkmal und das zweite Kraftstoffmerkmal ein prozentualer Anteil von SAF in dem jeweiligen Kraftstoff sein. Es können auch andere Kraftstoffmerkmale verwendet werden, wie oben im Zusammenhang mit dem Verfahren der 34 beschrieben.
Jeder der Betriebspunkte der vom Missionsbeschreibungsbeschaffungsmodul 5002 erhaltenen Missionsbeschreibung kann einen oder mehrere der folgenden Punkte enthalten: einen oder mehrere Betriebszustände, unter denen die Gasturbinentriebwerke betrieben werden sollen, einen oder mehrere Werte für die Durchflussrate des Kraftstoffs, die jedem Betriebspunkt entsprechen, und eine Zeitdauer des Betriebs an einem entsprechenden Betriebspunkt.
Die von dem Modul 5004 zur Ermittlung von Einflussparametern ermittelten nvPM-Einflussparameter können jeweils eine von den Gasturbinentriebwerken erzeugte nvPM-Menge für verschiedene Kraftstoffmerkmale definieren, die den ersten Kraftstoff, den zweiten Kraftstoff oder eine Mischung davon bei jedem Betriebszustand der Missionsbeschreibung umfassen. Das Einflussparameter-Beschaffungsmodul kann die Einflussparameter wie oben beschrieben entweder von einer externen Quelle beziehen oder in einem lokalen Speicher speichern.
Die Kraftstoffzuteilung, die durch das Modul 5008 zur Bestimmung der Kraftstoffzuteilung bestimmt wird, kann wie oben beschrieben sein und kann nach jedem der Faktoren bestimmt werden, die oben im Zusammenhang mit dem in 34 gezeigten Beispiel diskutiert wurden und daher hier nicht wiederholt werden. Das System 5000 kann ferner ein Modul 5010 zur Bestimmung von Kraftstoff-Verbrauchsparametern umfassen, das so konfiguriert ist, dass es einen oder mehrere Kraftstoff-Verbrauchsparameter wie oben beschrieben bestimmt.
Das Modul 5006 zur Berechnung von Kraftstoffmerkmalen kann so konfiguriert sein, dass es den optimierten Satz von einem oder mehreren Kraftstoffmerkmalen durch Minimierung einer Kostenfunktion in Abhängigkeit von einem oder mehreren nvPM-Einflussparametern berechnet. Bei dem einen oder den mehreren vom Kraftstoffmerkmal-Berechnungsmodul 5006 verwendeten nvPM-Einflussparametern kann es sich um jeden der hierin beschriebenen Parameter handeln.
Flottenweite Zuteilung von Kraftstoff
In den obigen Beispielen wird die einer bestimmten Mission zuzuweisende Kraftstoffmenge so berechnet, dass Kraftstoff mit unterschiedlichen Eigenschaften genutzt wird. Die Erfinder haben ferner festgestellt, dass der verfügbare Kraftstoff auf intelligente Weise auf eine Reihe von Missionen aufgeteilt werden kann, um die verschiedenen verfügbaren Kraftstofftypen noch vorteilhafter zu nutzen.
Die vorliegenden Beispiele beziehen sich auf die Bestimmung einer Kraftstoffzuteilung für eine Vielzahl von Missionen (d. h. die jeder Mission zugeteilte Kraftstoffmenge), die von einer Vielzahl von Luftfahrzeugen durchgeführt werden, die mit Kraftstoff aus einer Kraftstoffquelle versorgt werden, die eine Menge eines Standardkraftstoffs und eine Menge eines Nicht-Standardkraftstoffs umfasst. Die Kraftstoffquelle kann Kraftstoffvorratsbehälter oder -tanks umfassen, aus denen Luftfahrzeuge betankt werden, wobei die Kraftstoffvorratsbehälter den Standardkraftstoff und den Nicht-Standardkraftstoff getrennt halten, z. B. die in 4 dargestellte und oben beschriebene Betankungsquelle 60. Die Menge jedes der Kraftstoffe wird an einem Betankungsort gelagert, an dem die Luftfahrzeuge, die zur Durchführung der Einsätze eingesetzt werden, betankt werden. Ein begrenzter Vorrat an Kraftstoff wird daher von dieser Kraftstoffquelle auf die Vielzahl der Einsätze verteilt. Dabei kann es sich beispielsweise um Missionen handeln, die alle von demselben Flughafen oder von demselben Terminal eines Flughafens abfliegen und die alle Zugang zu derselben Kraftstoffquelle haben. Die Kraftstoffzuteilung kann für eine Vielzahl von Missionen über ein vordefiniertes Zeitfenster bestimmt werden. Das Zeitfenster kann die Zeitspanne darstellen, in der der an der Kraftstoffquelle verfügbare Kraftstoff verwendet werden soll, z. B. kann es sich um die Zeitspanne zwischen den Lieferungen von Kraftstoff handeln, der in der Kraftstoffquelle gelagert und dem Luftfahrzeug zur Verfügung gestellt werden soll. In anderen Beispielen kann die Zeitspanne einer oder mehreren Betriebsreihen oder einem bestimmten Zeitraum wie einem oder mehreren Tagen oder einer oder mehreren Wochen entsprechen. Die Vielzahl der Einsätze wird als „Flotte“ bezeichnet, der Kraftstoff zugewiesen werden muss und für die eine flottenweite Optimierung durchgeführt werden soll.
Der am Ort der Betankung verfügbare Kraftstoff kann eine feste Menge eines Standardkraftstoffs und eine feste Menge eines Nicht-Standardkraftstoffs umfassen, wie oben beschrieben. Der Standardkraftstoff kann fossiles Kerosin (oder ein anderer SAF-armer Kraftstoff) sein, während der Nicht-Standardkraftstoff ein SAF-reicher Kraftstoff sein kann, z. B. mit einem SAF-Gehalt von 50 % oder mehr oder 100 % SAF (der SAF-reiche Kraftstoff kann jeder Kraftstoff sein, der im Vergleich zum SAF-armen Kraftstoff einen höheren Anteil an SAF aufweist). Allgemeiner ausgedrückt, kann der Nicht-Standard-Kraftstoff mit einer geringeren nvPM-Produktion verbunden sein als der Standard-Kraftstoff (z. B. bei Verwendung unter entsprechenden Bedingungen). Der Standard- und der Nicht-Standard-Kraftstoff können eine Vielzahl von Merkmalen aufweisen, wie oben beschrieben.
Wenn an einer Betankung sowohl Standard-Kraftstoff als auch Nicht-Standard-Kraftstoff bereitgestellt wird, gibt es eine Reihe von Möglichkeiten, wie diese Kraftstoffe verwendet werden können:

a) Mischen aller verfügbaren nicht standardmäßigen Kraftstoffe mit einer geeigneten Menge standardmäßigen Kraftstoffs, um eine einzige Kraftstoffzusammensetzung zu erhalten, die von allen zu betankenden Luftfahrzeugen verwendet wird. Dies ist im Großen und Ganzen das, was im Stand der Technik derzeit geschieht.
b) Der gesamte verfügbare Nicht-Standard-Kraftstoff wird mit einer angemessenen Menge Standard-Kraftstoff gemischt, um den Kraftstoffbedarf für Missionen zu decken, bei denen Triebwerke mit fetter Verbrennung zum Einsatz kommen. Die Missionen mit Triebwerken mit magerer Verbrennung würden die Standardkraftstoffzusammensetzung erhalten oder zugewiesen bekommen, da das Magerverbrennungssystem zumindest für einen Teil ihres Betriebs die Rußemissionen sehr stark reduziert.
c) Wie b), wobei jedoch der verfügbare, nicht voreingestellte Kraftstoff nicht nur auf die Missionen mit fetter Verbrennung, sondern auch auf die Untergruppe der Missionen mit magerer Verbrennung aufgeteilt wird, die einen „großen“ Anteil ihres Kraftstoffs im Modus „nur Voreinspritzung“ verbrauchen (d. h. Kurzstreckenflüge oder Flüge, bei denen der Zielflughafen einen hohen Anteil an Rollvorgängen erfordert). Der Begriff „groß“ kann unter Bezugnahme auf einen vorgegebenen Schwellenwert definiert werden.
d) Wie c), wobei jedoch diejenigen Missionen mit magerer Verbrennung, die eine Zuteilung von Nicht-Standardkraftstoff erhalten, diesen ausschließlich in ihren Voreinspritzdüsen verwenden und den Standardkraftstoff in ihren Haupteinspritzdüsen einsetzen. Für die Missionen, die eine Zuteilung von nicht standardmäßigem Kraftstoff erhalten, entspricht diese Option dem in 9 dargestellten Beispiel.

Die Erfinder haben festgestellt, dass der an der Betankungsstelle verfügbare Kraftstoff noch besser genutzt werden kann, indem eine optimierte „flottenweite“ Kraftstoffzuteilung für die Vielzahl von Einsätzen ermittelt wird, die mit dem an der Kraftstoffquelle gelagerten Kraftstoff durchgeführt werden müssen.
37 veranschaulicht ein Verfahren 4090 zur Bestimmung einer optimierten flottenweiten Kraftstoffzuteilung für die oben vorgestellte Vielzahl von Missionen. Das Verfahren umfasst die Ermittlung 4092 einer anfänglich vorgeschlagenen Kraftstoffzuteilung für jede der mehreren Missionen. Die vorgeschlagene anfängliche Kraftstoffzuteilung kann eine Menge des Nicht-Standard-Kraftstoffs und eine Menge des Standard-Kraftstoffs definieren, die für jede Mission zugeteilt werden, sowie optional ein Mischungsverhältnis, bei dem der Standard- und der Nicht-Standard-Kraftstoff vor dem Beladen eines Luftfahrzeugs gemischt werden können. Die vorgeschlagene Kraftstoffzuteilung kann einen entsprechenden Kraftstoffverbrauch haben (z. B. einen „Missionskraftstoffverbrauch“, der sich aus einem Kraftstoff-Verbrauchsparameter für jeden Flugzustand der Mission, wie oben beschrieben, zusammensetzt), der festlegt, wie die Zuteilung während der Dauer der Mission zu verwenden ist. Bei Luftfahrzeugen mit den entsprechenden Fähigkeiten kann dies auch die Kraftstoffzusammensetzung und die vorgeschlagenen Umschaltpunkte und/oder Ablaufpläne für den Einsatz beinhalten. Die Parameter für die Kraftstoffnutzung können ein Mischungsverhältnis zwischen dem Standard- und dem Nicht-Standard-Kraftstoff enthalten, nach dem der Kraftstoff gemischt und in das Luftfahrzeug geladen werden soll, um eine entsprechende Mission zu erfüllen.
Die anfänglich vorgeschlagene Kraftstoffzuteilung für jede Mission kann so festgelegt werden, dass der verfügbare Kraftstoff zwischen den Luftfahrzeugen aufgeteilt wird, so dass jede der Missionen abgeschlossen werden kann. Die anfänglich vorgeschlagene Kraftstoffzuteilung kann als Ausgangspunkt für weitere Optimierungen dienen und entspricht daher nicht unbedingt der optimalen Zuteilung für jede der Missionen. Die anfängliche Zuteilung des Kraftstoffs kann z. B. nach einer der oben genannten Methoden a) bis d) erfolgen.
Jeder der zahlreichen Missionen ist ein entsprechender NvPM-Einflussparameter pro Mission zugeordnet. Der Parameter für die Auswirkung pro Mission kann auf der Grundlage der Kraftstoffzuteilung für die jeweilige Mission und des Kraftstoffverbrauchs bestimmt werden, der festlegt, wie dieser Kraftstoff während der jeweiligen Mission zu verwenden ist. Der Parameter für die NvPM-Auswirkungen pro Mission kann durch Kombination eines NvPM-Einflussparameters für jeden Betriebspunkt des Gasturbinentriebwerks bzw. der Gasturbinentriebwerke 10 des jeweiligen Luftfahrzeugs 1 während der Mission (z. B. wie in einer Missionsbeschreibung definiert) bestimmt werden. Die NvPM-lmpact-Parameter für jede Mission können wie nachstehend beschrieben oder mit den oben beschriebenen Verfahren im Zusammenhang mit der Optimierung der Kraftstoffzuteilung für eine einzelne Mission berechnet werden.
Sobald eine anfängliche vorgeschlagene Kraftstoffzuteilung für jede der Missionen erhalten wurde, umfasst das Verfahren 4090 die Durchführung 4094 einer flottenweiten Optimierung, bei der die vorgeschlagene Kraftstoffzuteilung für jede der Vielzahl von Missionen so bestimmt wird, dass eine Kombination der nvPM-Auswirkungen pro Mission innerhalb der Beschränkungen der Gesamtmenge an Standard- und Nicht-Standard-Kraftstoff, die der Vielzahl von Missionen zugewiesen werden soll, optimiert wird. In einigen Beispielen kann die Menge des Standardkraftstoffs als uneingeschränkt angesehen werden, wobei nur die Menge des Nicht-Standardkraftstoffs begrenzt ist.
Die Kraftstoffzuteilung für jede Mission kann durch Abänderung der ursprünglich vorgeschlagenen Kraftstoffzuteilung mit Hilfe eines Optimierungsverfahrens bestimmt werden, so dass die Gesamtheit (z. B. die Summe) der nvPM-Auswirkungen für alle Missionen minimiert wird. Dazu kann ein geeigneter Optimierungsprozess (z. B. eine iterative Optimierung) verwendet werden, der zu einem Satz von Kraftstoffzuteilungen pro Mission konvergiert, der die niedrigsten flottenweiten nvPM-Auswirkungen ergibt. Die flottenweite Optimierung führt dazu, dass für jede Mission ein optimierter Kraftstoffverbrauch festgelegt wird, der den verfügbaren Kraftstoff so effektiv wie möglich nutzt, um die nvPM-Auswirkungen für alle Missionen und nicht für jede einzelne Mission zu minimieren.
Das Verfahren 4090 umfasst ferner die Bestimmung 4096 der flottenweiten Kraftstoffzuteilung für die Mehrzahl der Einsätze auf der Grundlage der flottenweiten Optimierung. Die flottenweite Kraftstoffzuteilung kann die Kraftstoffzuteilung für jedes der mehreren Luftfahrzeuge innerhalb der Flotte umfassen. Die Zuteilung kann derjenigen entsprechen, die oben in den Beispielen zur Bestimmung der Kraftstoffzuteilung für ein einzelnes Luftfahrzeug/eine einzelne Mission definiert wurde. Die flottenweite Kraftstoffzuteilung kann die Menge (entweder Masse oder Volumen) des Standardkraftstoffs, des Nicht-Standardkraftstoffs oder eines Gemischs davon angeben, die für jede Mission in das Luftfahrzeug geladen werden muss, damit Kraftstoff zur Erfüllung der optimierten Kraftstoffverbrauchsanforderungen für diese Mission verfügbar ist. Die flottenweite Kraftstoffzuteilung kann auch den Kraftstoffverbrauch für jedes Luftfahrzeug enthalten, um festzulegen, wie der in das betreffende Luftfahrzeug geladene Kraftstoff verwendet werden soll.
Wie bereits erwähnt, kann der nicht normgerechte Kraftstoff mit einer geringeren nvPM-Produktion verbunden sein als der normgerechte Kraftstoff. Genauer gesagt kann der Nicht-Standard-Kraftstoff aus einem Gemisch aus einem ersten Kraftstoff mit einem ersten Kraftstoffmerkmal und einem zweiten Kraftstoff mit einem anderen Kraftstoffmerkmal, das sich vom ersten unterscheidet, gebildet werden. Bei den ersten und zweiten Kraftstoffmerkmalen kann es sich um einen prozentualen Anteil von SAF im jeweiligen Kraftstoff handeln. Der Nicht-Standard-Kraftstoff kann daher eine Mischung aus einem ersten Kraftstoff, der zu 100 % aus SAF besteht, und einem zweiten Kraftstoff, der zu 100 % aus fossilem Kerosin besteht, sein. Der Nicht-Standard-Kraftstoff kann daher ein SAF-reicher Kraftstoff sein (z. B. mit einem SAF-Gehalt im Nicht-Standard-Kraftstoff von 50 % oder mehr), während der Standard-Kraftstoff ein relativ SAF-armer Kraftstoff ist. In anderen Beispielen kann der Nicht-Standard-Kraftstoff eine Mischung von Kraftstoffen sein, die sich durch andere hier definierte Kraftstoffmerkmale unterscheiden, z. B. durch den Aromatengehalt.
Die Durchführung 4094 der flottenweiten Optimierung kann die Durchführung einer flottenweiten Multiparameter-Optimierung umfassen, um die flottenweite nvPM-Auswirkung zu minimieren, d. h. die Summe der nvPM-Auswirkung pro Mission aus der Vielzahl der Missionen innerhalb der Beschränkungen des für die Vielzahl der Missionen verfügbaren Standard- und/oder Nicht-Standard-Kraftstoffs. Die Optimierung kann Folgendes umfassen: i) Durchführen 4097a einer Optimierung in einer äu ßeren Schleife, bei der die Kraftstoffzuteilung einer oder mehrerer der Missionen variiert wird, um die Summe der Parameter für die nvPM-Auswirkungen pro Mission der mehreren Missionen zu verringern; und ii) Durchführen 4097b einer Optimierung in einer inneren Schleife, bei der ein Kraftstoffverbrauch für jede der Missionen gemäß den Beschränkungen der variierten Kraftstoffzuteilung erhalten wird, um einen neuen vorgeschlagenen Kraftstoffverbrauch für jede der mehreren Missionen zu bestimmen. Die Ermittlung des Kraftstoffverbrauchs kann die Bestimmung eines optimierten Kraftstoffverbrauchs für die spezifische Mission auf der Grundlage der variierten Kraftstoffzuteilung umfassen, um einen neuen minimierten nvPM-Einflussparameter pro Mission für diese jeweilige Mission zu bestimmen. Diese einsatzspezifische Optimierung kann wie nachstehend beschrieben oder mit einer der anderen hier beschriebenen Techniken durchgeführt werden. Die flottenweite Optimierung ermöglicht es, verschiedene Verteilungen der SAF zwischen den verschiedenen Missionen auszuprobieren (d. h. die Optimierung in der äußeren Schleife), und für jede vorgeschlagene Verteilung prüft dann jede Mission, wie sie ihre eigene vorgeschlagene Zuteilung am besten nutzen kann (d. h. die Optimierung in der inneren Schleife).
Die flottenweite Optimierung kann mit der Änderung der in Schritt 4092 erhaltenen ursprünglichen vorgeschlagenen Kraftstoffzuteilung beginnen. Die flottenweiten Optimierungsschritte 4097a, 4097b können wiederholt werden, bis das Verfahren zu einer optimierten Lösung des vorgeschlagenen Kraftstoffverbrauchs für jede der mehreren Missionen konvergiert, die dem Minimalwert der Summe der nvPM-Einflussparameter pro Mission entspricht. In jeder Iteration der Optimierung der äußeren Schleife 4097a kann der Kraftstoffverbrauch variiert werden, indem eine vorgeschlagene Menge an nicht standardmäßigem Kraftstoff, der der entsprechenden Mission zugewiesen ist, variiert wird. So kann beispielsweise eine einer Mission zugewiesene Menge an nicht standardmäßigem Kraftstoff auf eine andere Mission verschoben werden, so dass der nicht standardmäßige Kraftstoff insgesamt optimaler zugewiesen werden kann.
In einigen Beispielen kann die Optimierung in der inneren Schleife 4097b darin bestehen, den Kraftstoffverbrauch einer bestimmten Mission zu ermitteln, indem das Ergebnis einer früheren Optimierung pro Mission für diese Mission herangezogen wird. Dadurch kann die Berechnungszeit reduziert werden. Die Durchführung der Optimierung in der inneren Schleife kann darin bestehen, eine vorbereitete Lösung für den Kraftstoffverbrauch für diese Mission zu erhalten (z. B. SAF-Prozentsätze innerhalb der SAF-armen und SAF-reichen Kraftstoffzusammensetzungen für diese Mission und die vorgeschlagenen Umschaltpunkte und/oder den Ablaufplan für die Vermischung, die bei dieser Mission verwendet werden sollen), um das gesamte nvPM für diese Mission zu minimieren. Die vorbereitete Lösung kann aus einem Näherungsmodell, einer Nachschlagetabelle oder einer „Antwortfunktion“ gewonnen werden, aus der für eine bestimmte vorgeschlagene Kraftstoffzuteilung eine entsprechende vorbereitete Lösung ermittelt werden kann. In einigen Beispielen kann die vorbereitete Lösung auch auf der Grundlage anderer Faktoren wie der vorgeschlagenen Route für den jeweiligen Einsatz und der erwarteten Wetterbedingungen ermittelt werden.
In einigen Beispielen kann die flottenweite Optimierung zumindest teilweise auf einem oder mehreren der folgenden Faktoren beruhen:

i) einem Prozentsatz eines ersten Kraftstoffs mit einem ersten Kraftstoffmerkmal innerhalb des Standardkraftstoffs, der den geringstmöglichen Prozentsatz an Kraftstoff mit dem ersten Kraftstoffmerkmal definiert, der für die Verbrennung verwendet werden kann;
ii) einem prozentualen Anteil des ersten Kraftstoffs mit dem ersten Kraftstoffmerkmal innerhalb des Nicht-Standardkraftstoffs, der den höchstmöglichen Prozentsatz des Kraftstoffs mit dem ersten Kraftstoffmerkmal definiert, der für die Verbrennung verwendet werden kann; und/oder
iii) die Menge an nicht standardmäßigem Kraftstoff, die für die Vielzahl der Einsätze zur Verfügung steht.

Handelt es sich bei dem ersten Kraftstoffmerkmal um den prozentualen SAF-Gehalt des Kraftstoffs, so kann mit den obigen Faktoren i) und ii) der niedrigste und der höchstmögliche SAF-Gehalt eines Kraftstoffs bestimmt werden, der aus dem Standard- und dem Nicht-Standard-Kraftstoff gebildet werden kann. Enthält beispielsweise der Nicht-Standard-Kraftstoff 80 % SAF und der Standard-Kraftstoff 10 % SAF, so beträgt der höchstmögliche SAF-Gehalt einer Mischung der beiden Kraftstoffe 80 % und der niedrigste 10 %.
Wie bereits erwähnt, wird der Kraftstoffverbrauch für jede der mehreren Missionen ermittelt, indem ein optimierter Kraftstoffverbrauch für die jeweilige Mission ermittelt wird, der festlegt, wie der zugewiesene Kraftstoff während der Mission verwendet wird. Der optimierte Kraftstoffverbrauch kann einen oder mehrere Kraftstoffverbrauchsparameter enthalten, anhand derer das Verbrennungssystem des jeweiligen Luftfahrzeugs gesteuert wird oder anhand derer der Kraftstoff gemischt und in das Luftfahrzeug geladen wird. Zu den Nutzungsparametern können beispielsweise die SAF-Prozentsätze innerhalb der SAF-armen und SAF-reichen Kraftstoffzusammensetzungen für diese Mission und die vorgeschlagenen Umschaltpunkte und/oder Ablaufpläne für die Vermischung gehören. Die Verwendungsparameter können so gewählt werden, dass ein Parameter für die nvPM-Auswirkungen pro Einsatz für den jeweiligen Einsatz innerhalb der Grenzen des Kraftstoffs, der diesem Einsatz durch die Kraftstoffzuteilung zugewiesen wurde, minimiert wird.
Der optimierte Kraftstoffverbrauch für jede Mission (z. B. als Teil der Innere-Schleife-Optimierung ermittelt) kann durch Durchführung einer Optimierung pro Mission (4098) gemäß 38 ermittelt werden. Die Optimierung pro Mission kann für jede einzelne Mission durchgeführt werden, indem:

i) Bestimmung 4098a eines Typs und/oder der Betriebsfähigkeiten einer Verbrennungsanlage, die von dem jeweiligen Luftfahrzeug, das für die Mission eingesetzt wird, verwendet wird;
ii) Bestimmung 4098b des Gesamtbedarfs an Kraftstoff für die jeweilige Mission;
iii) Bestimmung 4098c einer Kraftstoffmenge, die für jeden Typ von Einspritzdüsen in der Brennkammer für den jeweiligen Einsatz erforderlich ist;
iv) Bestimmen 4098d der Abhängigkeit der nvPM-Emissionen für jeden Betriebspunkt des Triebwerks unter Verwendung von Kraftstoff mit den Merkmalen des Standardkraftstoffs, eines Nicht-Standardkraftstoffs oder einer Mischung davon; und
v) Bestimmung eines optimierten Kraftstoffverbrauchs, der die gesamten nvPM-Emissionen für die Mission minimiert, 4098e.

In Schritt i) werden der Typ und die Fähigkeiten des Verbrennungssystems des Luftfahrzeugs, das den jeweiligen Einsatz durchführt, bestimmt. Dabei kann festgestellt werden, ob das Luftfahrzeug über eine gestufte Magerbrennkammer oder eine fette Brennkammer verfügt. Ferner kann festgestellt werden, welche Brennkammersteuerungsmodi verfügbar sind. So kann z. B. festgestellt werden, ob die Betriebsmöglichkeiten ein Umschalten des Kraftstoffs zwischen verschiedenen Quellen, die den Voreinspritzdüsen zugeführt werden, oder die Bereitstellung eines gemischten Kraftstoffs für die Voreinspritzdüsen und/oder die Haupteinspritzdüsen umfassen, wie in verschiedenen Beispielen hierin beschrieben. Wenn es sich bei der Brennkammer um eine Magerbrennkammer handelt, umfasst die Bestimmung der für jeden Typ von Einspritzdüsen erforderlichen Kraftstoffmenge die Bestimmung der für die Voreinspritzdüsen während des Betriebs nur mit Voreinspritzung erforderlichen Kraftstoffmenge. Zusätzlich oder alternativ kann die Kraftstoffmenge bestimmt werden, die für die Voreinspritzdüsen im Betrieb mit Vor- und Haupteinspritzung erforderlich ist. Die Bestimmung der für jeden Brennertyp erforderlichen Kraftstoffmenge kann in einigen Beispielen die Bestimmung der Kraftstoffmenge umfassen, die für die Voreinspritzdüsen erforderlich ist, die innerhalb eines Schwellenbereichs des Betriebs mit Durchflussraten unterhalb derjenigen des Stufenpunkts betrieben werden. Dies kann bei Beispielen der Fall sein, bei denen den Voreinspritzdüsen im nur Voreinspritzbetrieb in der Nähe des Stufenpunktes ein SAF-fetter Kraftstoff zugeführt wird, wie oben in Verbindung mit 15 beschrieben. In Schritt iv) wird die nvPM-Emission für jeden Betriebspunkt des Triebwerks in Abhängigkeit von den Eigenschaften des verbrannten Kraftstoffs ermittelt. Die Betriebspunkte des Triebwerks können wie in einer Einsatzbeschreibung definiert sein, wie an anderer Stelle hierin beschrieben. In Schritt v) wird der optimierte Kraftstoffverbrauch auf der Grundlage der Abhängigkeit der nvPM-Emissionen bestimmt, um den optimalen Kraftstoffverbrauch (z. B. Art oder Mischung des verwendeten Kraftstoffs) für jeden Triebwerksbetriebszustand zu ermitteln, um die nvPM-Gesamtemissionen zu minimieren. In einigen Beispielen kann die nvPM-Kostenfunktion für jeden Triebwerksbetriebszustand, wie an anderer Stelle hier definiert, minimiert werden.
Die Informationen, die in jedem der Schritte i) bis iv) der Optimierung pro Einsatz ermittelt werden, können mit jeder geeigneten Technik, die dem Fachmann bekannt ist, gewonnen oder berechnet werden. Dies kann zum Beispiel den Zugriff auf gespeicherte Informationen über die betreffenden Luftfahrzeuge und Beschreibungen jeder der zahlreichen Missionen, die sie fliegen sollen, beinhalten.
Die Optimierung pro Sendung kann nach einem der hier genannten Beispiele durchgeführt werden, z. B. nach dem in Verbindung mit 34 beschriebenen.
Das Verfahren 4090 ist ein computerimplementiertes Verfahren. Das Verfahren 4090 kann von jedem geeigneten Computer implementiert werden, entweder an Bord eines Luftfahrzeugs, getrennt vom Luftfahrzeug als Teil eines Kraftstoff-Ladesystems oder als spezielles System, das für die Verwaltung der Kraftstoffzuteilung konfiguriert ist.
Das Verfahren 4090 kann Teil eines Verfahrens 4100 zum Laden von Kraftstoff in die mehreren Luftfahrzeuge sein, für die die Kraftstoffzuteilung ermittelt wurde. Ein solches Verfahren ist in 39 dargestellt. Das Verfahren 4100 kann die Bestimmung der Kraftstoffzuteilung 4102 für die Vielzahl der Einsätze unter Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens 4090 umfassen. Sobald die Kraftstoffzuteilung bestimmt ist, umfasst das Verfahren 4100 das Laden von 4104 Kraftstoff in das Luftfahrzeug entsprechend der Kraftstoffzuteilung. Dies kann das Laden von Kraftstoff durch Anschluss des Luftfahrzeugs an eine Kraftstoffversorgung nach einem bekannten Verfahren umfassen. Das Laden des Kraftstoffs kann auch beinhalten, dass dem Luftfahrzeug die für jede Mission berechneten Informationen über den Kraftstoffverbrauch zur Speicherung in einem bordseitigen Steuersystem (wie dem EEC 42) zur Verfügung gestellt werden, damit das Luftfahrzeug entsprechend gesteuert werden kann. Dazu können Informationen über den Kraftstoffverbrauch gehören, um die Konfiguration von Kraftstofftanks nach Bedarf, die Auswahl zwischen Kraftstoffen mit unterschiedlichen Kraftstoffmerkmalen an bestimmten Betriebspunkten und/oder eine Ablaufplanung für Kraftstoffmischungen zu ermöglichen. Die Verbrauchsinformationen können auch ein Verhältnis enthalten, in dem der Standard- und der Nicht-Standard-Kraftstoff gemischt werden müssen, bevor sie in das Luftfahrzeug geladen werden (z. B. bei Flugzeugen, bei denen eine bordseitige Kraftstoffmischung oder -auswahl nicht möglich ist). Der Schritt des Ladens des Kraftstoffs kann auch das Speichern aller erforderlichen Steuerparameter in einem Steuersystem des betreffenden Triebwerks (z. B. dem EEC 42) umfassen.
40 zeigt ein flottenweites System zur Bestimmung der Kraftstoffzuteilung 5100 zur Bestimmung der Kraftstoffzuteilung für eine Vielzahl von Missionen. Das System 5100 kann das oben beschriebene Verfahren 4090 durchführen. Jedes Merkmal, das oben im Zusammenhang mit dem Verfahren 4090 offenbart wurde, kann daher auch für das System 5100 der 40 gelten.
Das System 5100 zur Bestimmung der flottenweiten Kraftstoffzuteilung umfasst im Allgemeinen ein Modul 5102 zur Ermittlung der anfänglich vorgeschlagenen Kraftstoffzuteilung, ein Modul 5104 zur flottenweiten Optimierung und ein Modul 5106 zur Bestimmung der flottenweiten Kraftstoffzuteilung. Diese Module können jeden der oben definierten Schritte in Bezug auf das Verfahren 4090 zur Bestimmung einer flottenweiten Kraftstoffzuteilung durchführen.
Das Modul 5102, das die anfänglich vorgeschlagene Kraftstoffzuteilung ermittelt, ist so konfiguriert, dass es eine erste vorgeschlagene Kraftstoffzuteilung für jede der mehreren Missionen ermittelt. Wie oben beschrieben, kann dies den Ausgangspunkt für die flottenweite Optimierung bilden. Das flottenweite Optimierungsmodul 5104 ist so konfiguriert, dass es eine flottenweite Optimierung durchführt, bei der die vorgeschlagene Kraftstoffzuteilung für jede der mehreren Missionen innerhalb der Beschränkungen des gesamten verfügbaren Standard- und/oder Nicht-Standard-Kraftstoffs aus der Kraftstoffquelle geändert wird, um eine Summe der nvPM-Einflussparameter pro Mission über alle der mehreren Missionen zu minimieren. Jeder der mehreren Missionen kann ein NvPM-Einflussparameter pro Mission zugeordnet werden, der entsprechend dem vorgeschlagenen Kraftstoffverbrauch wie oben beschrieben bestimmt wird.
Das Modul 5106 zur Bestimmung der flottenweiten Kraftstoffzuteilung ist so konfiguriert, dass es die flottenweite Kraftstoffzuteilung für die Vielzahl der Einsätze auf der Grundlage der flottenweiten Optimierung bestimmt.
Wie bereits erwähnt, ist der nicht normgerechte Kraftstoff mit einer geringeren nvPM-Produktion verbunden als der normgerechte Kraftstoff. Der Nicht-Standard-Kraftstoff wird aus einem Gemisch aus einem ersten Kraftstoff mit einem ersten Kraftstoffmerkmal und einem zweiten Kraftstoff mit einem zweiten Kraftstoffmerkmal, das sich vom ersten unterscheidet, gebildet. Insbesondere können die ersten und zweiten Kraftstoffmerkmale ein prozentualer Anteil von SAF in dem jeweiligen Kraftstoff sein, und wobei der Nicht-Standardkraftstoff ein SAF-reicher Kraftstoff und der Standardkraftstoff ein SAF-armer Kraftstoff ist.
Das Modul zur flottenweiten Optimierung kann so konfiguriert sein, dass es die oben beschriebene flottenweite Optimierung durchführt. Das Modul 5104 zur flottenweiten Optimierung ist daher so konfiguriert, dass es die folgenden Schritte durchführt:

i) Durchführung einer Optimierung in einer äußeren Schleife, bei der die Kraftstoffzuteilung für eine oder mehrere der Missionen variiert wird, um die Summe der pro Mission geltenden nvPM-Einflussparameter der mehreren Missionen zu verringern; und
ii) Durchführung einer Optimierung in einer inneren Schleife, bei der der Kraftstoffverbrauch für jede der Missionen gemäß den Beschränkungen der variierten Kraftstoffzuteilung ermittelt wird, um einen neuen vorgeschlagenen Kraftstoffverbrauch für jede der Vielzahl von Missionen zu bestimmen

Das Modul 5104 zur flottenweiten Optimierung kann so konfiguriert sein, dass es die Schritte i) und ii) wiederholt, bis ein optimierter Kraftstoffverbrauch für jede der mehreren Missionen bestimmt ist, der einer minimierten Summe der nvPM-Einflussparameter pro Mission entspricht. Das Modul 5104 zur flottenweiten Optimierung kann so konfiguriert sein, dass es die Innere-Schleife-Optimierung durchführt, indem es eine vorbereitete Lösung für den Kraftstoffverbrauch für eine jeweilige Mission erhält. Dies kann unter Verwendung von Informationen geschehen, die dem System 5100 bereits zur Verfügung stehen, wie z. B. die in einem lokalen oder entfernten Speicher gespeicherten Informationen.
Das Modul 5104 zur flottenweiten Optimierung kann so konfiguriert sein, dass es den Kraftstoffverbrauch für jede der mehreren Missionen ermittelt, indem es einen optimierten Kraftstoffverbrauch für die jeweilige Mission ermittelt, der festlegt, wie der Kraftstoff für eine jeweilige Mission zu verwenden ist, um einen NvPM-Einflussparameter pro Mission für diese Mission zu minimieren.
Das Modul 5104 zur flottenweiten Optimierung kann so konfiguriert sein, dass es den optimierten Kraftstoffverbrauch für jede Mission ermittelt, indem es wie oben beschrieben eine Optimierung pro Mission durchführt. Um die Optimierung pro Mission durchzuführen, kann das Modul zur flottenweiten Optimierung die in 38 gezeigten Schritte oder die in den obigen Beispielen beschriebenen Schritte durchführen. Die Einzelheiten der Optimierung pro Sendung werden daher hier nicht wiederholt. Es können auch andere Optimierungstechniken verwendet werden, wie z. B. alle hier beschriebenen.
Alle oben im Zusammenhang mit den Beispielen für das Verfahren 4090 zur Bestimmung der flottenweiten Zuteilung von Kraftstoff beschriebenen Funktionen können von den Modulen des Systems 5100 ausgeführt werden. Diese Funktionen werden daher hier nicht noch einmal beschrieben.
Die hier beschriebenen Computermodule, Systeme und computerimplementierten Verfahren können in Software, die von einem Prozessor ausgeführt wird, in Hardware oder in einer Kombination aus beidem implementiert werden. In einigen Ausführungsformen können die hierin beschriebenen Module, Systeme und Verfahrensschritte von einem oder mehreren Computergeräten implementiert werden. Ein solches Computergerät 6000 ist in 41 dargestellt, das einen oder mehrere Prozessoren 6002, Eingabe-/Ausgabeschnittstellen 6004 und einen Speicher 6006 umfasst. Der Speicher kann einen computer- oder maschinenlesbaren Speicher umfassen, der ein computer- oder maschinenlesbares Medium bildet. Der Fachmann wird verstehen, dass der Speicher durch eine Vielzahl von Komponenten bereitgestellt werden kann, einschließlich eines flüchtigen Speichers, einer Festplatte, eines nichtflüchtigen Speichers usw. Die Eingabe-/Ausgabeschnittstellen können es ermöglichen, Informationen wie eine vorgeschlagene Missionsbeschreibung von einer externen Quelle zu erhalten und die berechneten Kraftstoffzuteilungs- oder - verbrauchsparameter an eine andere Vorrichtung auszugeben (z. B. an ein Kraftstoff-Ladesystem, so dass das Kraftstoff-Ladesystem entsprechend gesteuert werden kann), oder sie können an einen Benutzer ausgegeben werden.
Der Speicher kann einen Satz von computerlesbaren Anweisungen, Datenstrukturen, Programmmodulen oder anderen Daten speichern. Zu den computerlesbaren Medien dürfen keine temporären computerlesbaren Medien (transitorische Medien) gehören, wie z. B. ein moduliertes Datensignal und eine Trägerwelle.
Der Fachmann wird verstehen, dass die hier beschriebenen Rechenmodule und -systeme als einzelne Komponenten nicht physisch voneinander getrennt sein müssen und sich an einem einzigen Ort befinden oder auf mehrere vernetzte Komponenten verteilt sein können. In einigen Ausführungsformen kann die Funktionalität der hier beschriebenen Module/Systeme unterschiedlich zwischen den Modulen/Systemen aufgeteilt sein, oder es werden andere Module/Systeme bereitgestellt, um eine der hier beschriebenen Funktionen auszuführen.
In einem Aspekt der vorliegenden Anwendung wird ein maschinen-/computerlesbares Medium oder ein Computerprogrammprodukt bereitgestellt, das Anweisungen enthält, die, wenn sie von einer Maschine oder einem Computer gelesen werden, die Durchführung eines der hierin beschriebenen oder beanspruchten computerimplementierten Verfahren oder von Teilen davon bewirken.
Bei dem maschinenlesbaren Medium kann es sich um eines der folgenden handeln: eine CD-ROM, eine DVD ROM / RAM (einschließlich -R/-RW oder +R/+RW), eine Festplatte, einen Speicher (einschließlich eines USB-Laufwerks, einer SD-Karte, einer Compact-Flash-Karte o. Ä.), ein übertragenes Signal (einschließlich eines Internet-Downloads, einer FTP-Dateiübertragung o. Ä.), eine Leitung usw. Bei dem maschinenlesbaren Medium kann es sich um ein nicht-übertragbares computerlesbares Medium handeln.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Änderungen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Mit Ausnahme der Fälle, in denen sich die Merkmale gegenseitig ausschließen, kann jedes der Merkmale separat oder in Kombination mit anderen Merkmalen verwendet werden, und die Offenbarung erstreckt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen von einem oder mehreren hier beschriebenen Merkmalen und schließt diese ein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2022042465 [0357]

Claims

Gasturbinentriebwerk (10) für ein Luftfahrzeug (1), umfassend: ein gestuftes Verbrennungssystem (64) mit Voreinspritzdüsen (313) und Haupteinspritzdüsen (314), wobei das gestufte Verbrennungssystem (64) in einem Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung, in dem Kraftstoff nur an die Voreinspritzdüsen (313) geliefert wird, und einem Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung, in dem Kraftstoff an mindestens die Haupteinspritzdüsen (314) geliefert wird, betrieben werden kann; und einen Kraftstoff-Zufuhrregler (306), der so angeordnet ist, dass er die Zufuhr von Kraftstoff zu den Vor- und Haupteinspritzdüsen (313, 314) steuert, wobei der Kraftstoff-Zufuhrregler (306) so angeordnet ist, dass er Kraftstoff von einer ersten Kraftstoffquelle (302), die einen ersten Kraftstoff mit einem ersten Kraftstoffmerkmal enthält, und einer zweiten Kraftstoffquelle (304), die einen zweiten Kraftstoff mit einem zweiten Kraftstoffmerkmal enthält, empfängt, wobei sich das zweite Kraftstoffmerkmal vom ersten unterscheidet, wobei: das gestufte Verbrennungssystem (64) so angeordnet ist, dass es in einem Beschleunigungsmodus arbeitet, in dem eine Beschleunigung des Triebwerks (10) aus einem stationären Betriebsmodus bewirkt wird; und der Kraftstoff-Zufuhrregler (306) angeordnet ist, um Kraftstoff an eine oder beide der Vor- und Haupteinspritzdüsen (313, 314) während des Betriebs in mindestens einem Teil des Beschleunigungsmodus zu liefern, der ein anderes Kraftstoffmerkmal als der Kraftstoff aufweist, der an eine oder beide der Vor- und Haupteinspritzdüsen (313, 314) während mindestens eines Teils des stationären Betriebsmodus geliefert wird.
Gasturbinentriebwerk (10) nach Anspruch 1, wobei das erste Kraftstoffmerkmal mit einem Niveau der nvPM-Erzeugung verbunden ist, das geringer ist als das des zweiten Kraftstoffmerkmals, und der Kraftstoff, der zumindest den Voreinspritzdüsen (313) während des Beschleunigungsmodus zugeführt wird, mit einem Niveau der nvPM-Erzeugung verbunden ist, das geringer ist als das des Kraftstoffs, der einem oder beiden der Vor- und Haupteinspritzdüsen (313, 314) während des Betriebs im stationären Modus zugeführt wird.
Gasturbinentriebwerk (10) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das erste Kraftstoffmerkmal einem größeren Anteil an SAF innerhalb des jeweiligen Kraftstoffs im Vergleich zum zweiten Kraftstoffmerkmal entspricht und der während des Beschleunigungsmodus gelieferte Kraftstoff einen höheren Anteil an SAF aufweist.
Gasturbinentriebwerk (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das gestufte Verbrennungssystem (64) so eingerichtet ist, dass es an einem Stufenpunkt zwischen dem Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung und dem Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung umschaltet, wobei der Stufenpunkt bei gleicher oder höherer Triebwerksleistung im Beschleunigungsmodus im Vergleich zum stationären Modus liegt.
Gasturbinentriebwerk (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das gestufte Verbrennungssystem (64) so eingerichtet ist, dass es zwischen dem Betrieb im Betriebsbereich mit nur Voreinspritzung und im Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung an einem Stufenpunkt umschaltet, wobei der Stufenpunkt bei einer niedrigeren Triebwerksleistung im Beschleunigungsmodus im Vergleich zum stationären Zustand liegt und bei einer höheren Leistung als ein Standard-Stufenpunkt liegt, gemäß dem das gestufte Verbrennungssystem (64) gesteuert wird, wenn dem Verbrennungssystem (64) kein Kraftstoff mit anderen Merkmalen zugeführt werden kann.
Gasturbinentriebwerk (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kraftstoff-Zufuhrregler (306) so angeordnet ist, dass er den Voreinspritzdüsen (313) während des Betriebs nur mit Voreinspritzung im Beschleunigungsmodus Kraftstoff zuführt, der ein anderes Kraftstoffmerkmal aufweist als der Kraftstoff, der den Haupteinspritzdüsen (314) während des Betriebs mit Vor- und Haupteinspritzung in der stationären Betriebsart der Turbine zugeführt wird.
Gasturbinentriebwerk (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kraftstoff-Zufuhrregler (306) so eingerichtet ist, dass er während des Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzung im Beschleunigungsmodus Kraftstoff mit einem Kraftstoffmerkmal liefert, das auf der Grundlage eines Steuerparameters bestimmt wird, von dem die nvPM-Erzeugung durch das Triebwerk abhängt, vorzugsweise ein Kraftstoff-Luft-Verhältnis in einer Brennkammer (16) des gestuften Verbrennungssystems (64), und wobei optional, wenn das Kraftstoff-Luft-Verhältnis abnimmt, der Anteil des Kraftstoffs, der mit einer niedrigen nvPM-Erzeugung verbunden ist und an die Voreinspritzdüsen (313) geliefert wird, ebenfalls abnimmt.
Gasturbinentriebwerk (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kraftstoff-Zufuhrregler (306) so angeordnet ist, dass er die Zufuhr von Kraftstoff zu einem oder beiden der Haupt- (314) und Voreinspritzdüsen (313) auf einen Kraftstoff mit einem anderen Kraftstoffmerkmal zu einem Startpunkt einer Betriebsperiode im Beschleunigungsmodus umschaltet, und wobei der Kraftstoff-Zufuhrregler (306) optional so angeordnet ist, dass er nach einem Übergang zum Betrieb mit Vor- und Haupteinspritzdüsen zur Zufuhr von Kraftstoff mit demselben Kraftstoffmerkmal zurückkehrt, das im stationären Modus zugeführt wird.
Gasturbinentriebwerk (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kraftstoff-Zufuhrregler (306) so angeordnet ist, dass er Kraftstoff an eine oder beide der Vor-und Haupteinspritzdüsen (313, 314) während des Beschleunigungsmodus mit einer Rate liefert, die größer ist als diejenige, die ausreicht, um einen stationären Betrieb des Triebwerks aufrechtzuerhalten.
Verfahren (4030) zum Betreiben eines Gasturbinentriebwerks (10) für ein Luftfahrzeug (1), wobei das Gasturbinentriebwerk (10) ein gestuftes Verbrennungssystem (64) mit Voreinspritzdüsen und Haupteinspritzdüsen (313, 314) umfasst, wobei das gestufte Verbrennungssystem (64) in einem Betriebsbereich nur mit Voreinspritzung, in dem Kraftstoff nur an die Voreinspritzdüsen (313) geliefert wird, und in einem Betriebsbereich mit Vor- und Haupteinspritzung, in dem Kraftstoff zumindest an die Haupteinspritzdüsen (314) geliefert wird, betrieben werden kann, wobei das Verfahren (4030) umfasst: Regeln (4032) der Kraftstoffzufuhr (306) zu den Vor- und Haupteinspritzdüsen (313, 314) von einer ersten Kraftstoffquelle (302), die einen ersten Kraftstoff mit einem ersten Kraftstoffmerkmal enthält, und einer zweiten Kraftstoffquelle (304), die einen zweiten Kraftstoff mit einem zweiten Kraftstoffmerkmal enthält, wobei sich das zweite Kraftstoffmerkmal von dem ersten unterscheidet; Betreiben (4034) des gestuften Verbrennungssystems (64) in einem Beschleunigungsmodus, in dem eine Beschleunigung des Triebwerks (10) aus einem stationären Betriebsmodus bewirkt wird; und Zuführen (4036) von Kraftstoff zu einer oder beiden der Vor- und Haupteinspritzdüsen (313, 314) während des Betriebs in mindestens einem Teil des Beschleunigungsmodus, der ein Kraftstoffmerkmal aufweist, das sich von dem Kraftstoff unterscheidet, der zu einer oder beiden der Vor- und Haupteinspritzdüsen (313, 314) während mindestens eines Teils des stationären Betriebsmodus zugeführt wird.
Verfahren (4030) nach Anspruch 10, wobei das erste Kraftstoffmerkmal mit einem Niveau der nvPM-Erzeugung verbunden ist, das geringer ist als das des zweiten Kraftstoffmerkmals, und der Kraftstoff, der zumindest den Voreinspritzdüsen (313) während des Beschleunigungsmodus zugeführt wird, mit einem Niveau der nvPM-Erzeugung verbunden ist, das geringer ist als das des Kraftstoffs, der einer oder beiden der Voreinspritzdüsen (313) und der Haupteinspritzdüsen (314) während des Betriebs im stationären Modus zugeführt wird.
Verfahren (4030) nach Anspruch 10 oder 11, wobei das erste Kraftstoffmerkmal einem größeren Anteil an SAF innerhalb des jeweiligen Kraftstoffs im Vergleich zum zweiten Kraftstoffmerkmal entspricht und der während des Beschleunigungsmodus gelieferte Kraftstoff einen höheren Anteil an SAF aufweist.
Verfahren (4030) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei den Voreinspritzdüsen (313) während des Betriebs nur mit Voreinspritzung im Beschleunigungsmodus Kraftstoff zugeführt wird, der ein anderes Kraftstoffmerkmal aufweist als der Kraftstoff, der den Haupteinspritzdüsen (314) während des Betriebs mit Vor- und Haupteinspritzung im stationären Betriebsmodus des Triebwerks zugeführt wird.
Verfahren (4030) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei das Zuführen (4036) von Kraftstoff zu den Kraftstoffeinspritzdüsen das Zuführen von Kraftstoff während des Betriebsbereichs nur mit Voreinspritzung im Beschleunigungsmodus umfasst, der Kraftstoffmerkmale aufweist, die auf einem Steuerparameter basieren, von dem die nvPM-Erzeugung durch das Triebwerk abhängt, vorzugsweise ein Kraftstoff-Luft-Verhältnis in einer Brennkammer (16) des gestuften Verbrennungssystems (64), und wobei optional, wenn das Kraftstoff-Luft-Verhältnis abnimmt, der Anteil des Kraftstoffs, der mit einer niedrigen nvPM-Erzeugung verbunden ist, der zu den Voreinspritzdüsen (313) geliefert wird, ebenfalls abnimmt.
Verfahren (4030) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei das Zuführen (4036) von Kraftstoff zu den Kraftstoffeinspritzdüsen das Umschalten der Zufuhr von Kraftstoff zu einer oder beiden der Haupt- (314) und Voreinspritzdüsen (313) auf ein Kraftstoffmerkmal mit einem anderen Kraftstoffmerkmal an einem Startpunkt eines Betriebszeitraums im Beschleunigungsmodus umfasst, und wobei das Zuführen (4036) von Kraftstoff zu den Kraftstoffeinspritzdüsen optional das Zurückkehren zur Zufuhr von Kraftstoff mit demselben Kraftstoffmerkmal wie dem im stationären Modus zugeführten nach einem Übergang zum Vor- und Haupteinspritzdüsen-Betrieb umfasst.