DE2850625A1 - Vorrichtung und verfahren zur temperaturanzeige - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur temperaturanzeige

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DE2850625A1
DE2850625A1 DE19782850625 DE2850625A DE2850625A1 DE 2850625 A1 DE2850625 A1 DE 2850625A1 DE 19782850625 DE19782850625 DE 19782850625 DE 2850625 A DE2850625 A DE 2850625A DE 2850625 A1 DE2850625 A1 DE 2850625A1
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Description

Patentanwälte
Dipl.-Ing. Dipl.-Chem. Dipl.-Ing.
E. Prinz - Dr. G. Häuser - G. Leiser
Ernsbergerstrasse 19 ' £. Q 3 U D fc W
8 München 60
Unser Zeichen; G 1439 21 .November 1978
GENERAL ELECTRIC COMPANY
Schenectady, New York/V.St.A.
Vorrichtung und Verfahren zur Temperaturanzeige
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Gasturbinen und insbesondere auf eine dafür vorgesehene i Temperaturanzeigevorrichtung sowie ein dafür vorgesehenes Temperaturanzeigeverfahren.
Einer der kritischsten Parameter bei der Steuerung und beim Betrieb von Gasturbinen ist die Temperatur der Verbrennungsgase am Einlaß des Turbinenabschnitts der Gasturbine. Wenn diese Temperatur steigt, nimmt auch der Wirkungsgrad der Gasturbine zu; die für die Beschaufelung im Turbinenabschnitt verwendeten Materialien ergeben jedoch eine Begrenzung der Turbineneinlaßtemperaturen wegen ihrer strukturbedingten Einschränkungen bei erhöhten Temperaturen.
Es wird allgemein angestrebt, in Hochleistungs-Gasturbinen diese Temperatür auf den höchstmöglichen Wert zu steuern,
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der mit den Hochtemperaturfähigkeiten der Beschaufelung des Turbinenabschnitts verträglich ist, damit eine maximale Gasturbinenleistung mit maximaler Lebensdauer des Turbinenabschnitts erreicht wird. Mit dem Aufkommen verbesserter Legierungen für die Beschaufelung des Turbinenabschnitts haben die Turbineneinlaßtemperaturen bis zu einem Punkt zugenommen, an dem eine direkte Messung dieses Parameters zu Steuerzwecken über die Möglichkeiten derzeit im Einsatz befindlicher Temperaturfühler hinausgeht. Bisher wurde eine indirekte Messung dieses Parameters mit Hilfe von Anzeigevorrichtungen durchgeführt, der andere Betriebsparameter der Gasturbine korreliert, um ein Turbineneinlaßtemperatursignal zu erhalten.
Eine solche Lösung ist in der US-PS 3 377 848 beschrieben. Bei dieser bekannten Anordnung werden die abgetasteten Parameter zur Berechnung der Turbineneinlaßtemperatur in eine iterative Rechenschleife eingegeben. Zur Erzielung einer brauchbaren Genauigkeit über einen großen Betriebsbereich wird die Berechnung für verschiedene Arten des Turbinenbetriebs modifiziert. Da jedoch das Hauptziel der Abtastung oder Berechnung der Turbineneinlaßtemperatur darin besteht, die Turbinentemperatur exakt oder ungefähr auf die Nennturvbinentemperatur zu steuern, ist eine brauchbare Genauigkeit über einen weiten Betriebsbereich nicht erforderlich; es ist vielmehr erwünscht, die Turbineneinlaßtemperatur nahe der Nenntemperatur so einfach und so genau wie möglich zu berechnen.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung werden gewisse Betriebsparameter der Gasturbine festgestellt und in einer Formel angewendet, die Konstanten enthält, die für eine bestimmte Gasturbinenausführung berechnet
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sind, indem ein iterativer Prozeß auf den zyklischen Betrieb einer bestimmten Gasturbine angewendet wird. Wenn einige Annahmen getroffen werden, kann eine äußerst genaue Darstellung der tatsächlichen mittleren Turbineneinlaßtemperatur bei hohen Betriebstemperaturwerten erhalten werden.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die festgestellten Gasturbinenparameter die Brennkammereinlaßtemperatur, der Brennkammereinlaßdruck, die Treibstoffströmung in die Brennkammer und der Strömungsquerschnitt des Turbineneinlasses. Ferner wird angenommen, daß der Brennkammerwirkungsgrad konstant ist und daß die Turbinenblendenflache in einem Betriebszustand mit gedrosselter Strömung arbeitet. Die spezielle Formel wird dann mit Konstanten angewendet, die für eine bestimmte Gasturbinenausführung durch Verwendung eines interativen Prozesses berechnet worden sind.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Brennstoffströmung durch das Produkt aus dem Brennkammqreinlaßdruck und dem Tur.bineneinlaßquerschnitt geteilt wird, und es wird eine Potenzfunktion des Verhältnisses durch Anwenden eines konstanten Exponenten gebildet. Die Funktion vereinfacht die Gesamtgleichung, und sie wird in dem bestimmten interessierenden Bereich genauer.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die Kompressörabströmtemperatur mit einem empirisch abgeleiteten konstanten Multiplikator und einem empirisch abgeleiteten konstanten Summanden angewendet, wobei die Konstanten für eine bestimmte Gasturbinenausführung durch Anwendung eines iterativen Prozesses berechnet sind.
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Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:
Fig.1 eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung bei der Anwendung bei einer Turbogebläsemaschine,
Fig.2 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Berechnung der Turbineneinlaßtemperatur für die Anwendung bei der Maschinenleistungseinstellung,
Fig.3 eine schematische Darstellung einer weiteren Möglichkeit zur Berechnung der Turbineneinlaßtemperatur und
Fig.4 und 5 schematische Darstellungen alternativer Verfahren zur Erzielung des Kompressorabströmtemperaturparameters .
In Fig.1 ist eine Steueranordnung 10 für einen Turbogebläsemotor 11 mit einem Kernmotor 12 dargestellt, der strömungsmässig hintereinander einen Kompressor 13, eine Brennkammer 14 und eine Hochdruckturbine 16 enthält. Der Kompressor 13 steht über einen Kernrotor 17 in einer Antriebsverbindung mit der Hochdruckturbine 16, und er arbeitet in der Weise, daß er am Kompressoreinlaß 18 kühle Luft mit relativ niedrigem Druck empfängt und diese Luft am Kompressorabströmpunkt 19 mit erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur abgibt. Ein TreibstoffSteuerorgan 21 bewirkt eine selektive Treibstoffeinspritzung in die Brennkammer 14 zur weiteren Erhöhung der Temperatur und des Drucks vor dem Eintritt in die Hochdruckturbine 16. Nach Durchlaufen der Hochdruckturbine 16 strömen die Gase durch die Niederdruckturbine 22 und dann aus der Düse 23· Die Niederdruckturbine 22 treibt das Gebläse 24 über eine Niederdruck-Verbindungswelle 26 an.
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Mit Hilfe der.hier zu beschreibenden Anordnungen soll die Temperatur der Gase, die die Brennkammer i4verlassen und in die Hochdruckturbine 16 eintreten, auf eine vorbestimmte Turbinennenntemperatur begrenzt werden, indem die Temperatur der Gase an dieser Stelle berechnet wird, und das Treibstoffsteuerorgan 21 so beeinflußt wird, daß die Treibstoffströmung zur Brennkammer 14 reduziert wird, falls dies notwendig ist. Die Anordnung ist also so ausgelegt, daß sie die Gastemperatur T/ am Einlaß der Hochdruckturbine 16 anzeigt, indem sie von einfach festgestellten Motorbetriebsparametern Gebrauch macht. Bevor diese Parameter und ihre Anwendung diskutiert werden, sei zunächst auf der Basis der Enthalpy-Gleichung für die Motorbrennkammer eine Gleichung folgendermaßen entwickelt:
Gleichung 1
V¥air OE4-V = (V» CB " V ¥
V¥air OE4-V = (V» CB " V ¥f «
darin sind: C = spezifische Wärme der Luft bei konstantem
Druck;
= Massendurchsatz der Luft durch die Brenn kammer 14;
r = Gesamttemperatur der Gase am Einlaß der Hochdruckturbine 16;
-z - = Gesamttemperatur der Luft am Einlaß der Brennkammer 14;
= TreibstoffWärmewert (Btu/lb);
-Jg= Verbrennungswirkungsgrad der Brennkammer 14;
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NgA = Verbrennungsfunktion oder, in anderen Worten, die Enthalpy-Änderung für den Treibstoff in der Brennkammer;
W- = Massendurchsatz des aus dem Steuerorgan 21 in die Brennkammer strömenden Treibstoffs.
Durch Lösen der Gleichung 1 und durch Einsetzen anderer repräsentativer Parameter, wie in der US-PS 3 377 448 erörtert ist, kann die Gleichung 1 folgendermaßen ausgedrückt werden:
Gleichung 2
(Qh
darin sind:
PS3 = s'fca'tischer Druck am Einlaß der Brennkammer oder am Abströmpunkt 19 des Kompressors;
Αλ = Strömungsquerschnitt am Einlaß der Hochdruckturbine 16;
f(N)= eine Kombination aller Gleichungsparameter,
die in einer Funktionsbeziehung mit der Rotordrehzahl stehen.
Für Motorleistungswerte über dem Flugleerlauf wird der Blendenquerschnitt der Hochdruckturbine gedrosselt, da das Druckverhältnis den für gedrosselte Strömung erforderlichen Wert überschreitet. Die Gaseigenschaften ändern sich zwar mit der Temperatur und mit dem Treibstoff/Luftverhältnis, doch kann der Faktor f(N) in der obigen Gleichung 2 als ein im wesentlicher konstanter Faktor angenommen werden, und durch den Faktor K ersetzt werden.
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Es hat sich gezeigt,daß der Ausdruck(QJl CB - N54) in der Gleichung 2 für moderne Motoren mit großem Turbogebläse, bei denen der Brennkammerwirkungsgrad I^ praktisch konstant ist, fast vollständig von C4 abhängt. Im interessierenden Temperaturbereich (-1840C bis + 38PC bei der Grenztemperatur T4) paßte der Ausdruck (Q^1 11CB " Nb^ ln die GleicllunS mit einer exponentiellen Funktion von T. in der folgenden Weise:
Gleichung 3
(Qh 11CB - Nß) = k<T4>" °'213
Durch Einsetzen der Konstanten k für f(N) und des Ergebnisses der Gleichung 3 in die Gleichung 2 ergibt sich die
Gleichung 4
wf(T4)0'287
rn m
A4
Es sei bemerkt, daß zur Erzielung der gewünschten hohen Genauigkeit die zwei oben angegebenen Näherungen nur für einen eingeschränkten Bereich des Motorbetriebs anwendbar sind, d.h. im Bereich nahe der oben erwähnten urenztemperatur.
Eine weitere Näherung, die bei diesen hohen Werten der Grenztemperatur T^, bei denen die Genauigkeit optimiert werden soll, vorgenommen werden kann, besteht darin, den Ausdruck (T^) ' ' unter Verwendung des Treibstoff/Luft-Parameters folgendermaßen anzunähern:
Gleichung = (K ^V
S3
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In dieser Näherung wird der auf T-* zurückzuführende Beitrag zu T^ (T, ändert sich in einer Gasturbine bei hoher Leistung nur wenig) vernachlässigt,doch können unte Anwendung empirischer Verfahren diese und andere Näherungen in der theoretischen Ableitung kompensiert werden. Diese empirischen Kompensationen ermöglichen es auch, den Ausdruck C in der Gleichung als Konstante zu behandeln . Das Einsetzen dieser empirischen Verfeinerungen und durch Ersetzen an Hand der Gleichung 5 kann die Gleichung 4 endgültig folgendermaßen ausgedrückt werden:
Gleichung 6
T4 = k1
flarin sind:
^ = Gesamttemperatur der Gase am Einlaß der Hochdruckturbine 16;
, = Gesamttemperatur der Gase am Einlaß der Brennkammer 14;
f = Massendurchsatz des Treibstoffs in die Brennkammer aus dem Steuerorgan 21;
g, = statischer Druck am Einlaß der Brennkammer oder am Abströmpunkt 19 des Kompressors;
^ = Strömungsquerschnitt am Einlaß der Hochdruckturbine 16;
^j, k2, k, und k^ = konstanteKoeffizienten, die für eine bestimmte Gasturbinenausführung empirisch bestimmt sind.
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Die Koeffizienten k^, k2, k, und k^ der halbempirischen Gleichung 6 werden durch Anwendung thermodynamischer Beziehungen und unter Anwendung eines genauen mathematischen Modells der Gasturbinenkomponenten einer speziellen Gasturbinenausführung auf empirische Weise erhalten. Anfangswerte dieser Koeffizienten können unter Berücksichtigung folgender Überlegungen geschätzt werden: k^ wird offensichtlich im Vergleich zu T^ sehr klein sein; k2 wird einen Wert nahe 1,0' haben, da die halbempirische Gleichung 6 nur eine kleine Abweichung von den Ausgangsgleichungen darstellt, in denen k^ den Wert 0 und k2 den Wert 1,0 haben; ki wird einen Wert nahe bei 1,287 haben, da der Treibstoff/Luft-Parameter in der Gleichung 6, den Exponenten 1 hat und wenn das Einsetzen aus der Gleichung 5 durchgeführt wird, wird er mit dem Treibstoff/Luft-Parameterausdruck, der mit 0,287 potenziert ist, multipliziert; mit Schätzwerten für die Koeffizienten k^, kp und k^ und mit einer einzigen Lösung des Gasturbinenzyklusgleichgewichts (unter Anwendung des mathematischen Modells) kann der Anfangsschätzwert für k, direkt erhalten werden.
Der letzte Schritt zur Entwicklung der Gleichungskoeffizienten für eine bestimmte Gasturbinenausführung besteht darin i Annäherungsprozeduren durchzuführen, um kleine Änderungen der Koeffizienten zu erhalten und dadurch ein genaueres Ergebnis zu erzielen. Dies wird unter Verwendung des mathematischen Modells zur Simulierung einer Anzahl von Gasturbinenbetrje bsbedingungen erreicht, wobei T^ hoch genug liegt, um für den Gasturbinensteuervorgang relevant zu sein, und wobei der gesamte Wertbereich für W-, PS3* ^4
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( falls veränderlich ) und. T7 abgenommen wird. Für ^eden ausgewählten Betriebszustand werden Modellwerte für Wf, P3^, A4 ( falls anwendbar) und T^ in der Gleichung 6 mit Näherungswerten für die Koeffizienten zur Berechnung der Tr-Werte verwendet, die dann mit den T/-Modellwerten für die entsprechenden Fälle verglichen werden. Wenn die Fehler zu groß sind, so daß sie nicht akzeptiert werden können, werden einer oder mehrere Koeffizienten verändert, und die Berechnung der T^-Werte an Hand der Gleichung kann für einen neuen Vergleich wiederholt werden. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis die gewünschte Genauigkeit erhalten ist. Die resultierenden Koeffizienten können dann für die bestimmte Gasturbinenausführung verwendet werden, damit die gewünschte Genauigkeit im interessierenden Betriebsbereich erhalten wird.
Nach der Ableitung der Gleichung 6 für die bestimmte Gasturbinenausführung können die Gasturbinenparameter in einfacher Weise abgetastet werden, und die berechneten Koeffizienten können zur Erzielung einer genauen Darstellung des T--Werts für einen bestimmten Betriebszustand angewendet werden.
In Fig.1 werden die Parameter Wf, P3, und T, mit Hilfe der Fühler 27, 28 bzw. 29 bestimmt. Der Haupt-Treibstoff-Strömungsfühler 27 steht über eine Leitung 31 mit dem Treibstoffsteuerorgan 21 in Verbindung, und er erzeugt ein den Parameter Wf repräsentierendes Signal·* Der Kompressorabströmdruckfühler 28 (CDP-Fühler) und der Kompressorabströmtemperaturfühler 29 (CDT-Fühler) sind über Leitungen 30 und 35 mit dem Kompressorabströmpunkt 19 verbunden; sie erzeugen Signale, die die Parameter Pg, bzw. T, repräsentieren. Das W--Signal und das Pg-z-Signal werden in eine Dividierschaltung 32 eingegeben, damit ein Signal für das
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Verhältnis W^/Pg, erhalten wird, das zu einem Leistungsfunktionsgenerator 33 geleitet wird. Dieser Funktionsgenerator, der ein mit mechanischen Kurvenscheiben ausgestatteter Generator oder ein elektrischer Funktionsgenerator sein kann, erzeugt die Funktion f(W^/A^Pg,) = k, (Wf/A4ps3) k4 un^er Verwendung der in der oben beschriebenen Weise berechneten Koeffizienten. Das Ergebnissignal gelangt zu einem Addierer 34,wo es mit weiteren Signalen kombiniert wird.
Das T,-Signal gelangt zu einem Multiplizierer 36, wo es mit dem Koeffizienten kp multipliziert wird. Das Ergebnissignal wird über eine Leitung 37 zum Addierer 34 übertragen. Ein drittes Signal, k^, das ebenso wie das Signal k2 in der oben beschriebenen Weise berechnet worden ist, wird ebenfalls zum Addierer 34 übertragen. Das Ergebnissignal T» ist eine genaue Darstellung der Turbineneinlaßtemperatur, die unter Verwendung der Gleichung 6 berechnet wurde. Dieses T^-Signal kann zu einer Anzeigevorrichtung 40, beispielsweise einem Aufzeichnungsgerät oder einem elektronischen Wiedergabegerät, übertragen werden, und es kann über eine Leitung 38 zur Steuerung der Gasturbinenbetriebstemperaturen gesendet werden.
Im unteren Teil von Fig.1 ist der normale Drehzahlsteuerabschnitt des Systems dargestellt; er enthält einen Funktionsgenerator 39, der die Einlaßtemperatur Tp des Kernmotors von einem Fühler 41 sowie ein Leistungshebelwinkelsignal (Ceistungsbedarfsignal PLA) über die Leitung 42 empfängt und ein Zuteilungssignal erzeugt, das über die Leitung 43 zu einem Addierer 44 übertragen wird. Gleichzeitig wird mit Hilfe eines Fühlers 46 die Ist-Drehzahl der Gasturbine bestimmt, und dieser Fühler schickt ein entsprechendes Signal über die Leitung 47 zum
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Addierer 44. Das positive Zuteilungssignal und das negative Ist-Drehzahlsignal werden im Addierer kombiniert ,und das Ergebnissignal wird über eine Leitung 48 zum Addierer 49 übertragen. Der Addierer 49 umfaßt in der folgenden Weise die Temperaturbegrenzuflgsfunktion: Das berechnete T,-Signal gelangt über die Leitung 38 zu einem Addierer 51, wo es vom Maximalbezugswert, der Temperatur T^ oder der Temperatur T^imi^ subtrahiert wird. Die Differenz wird durch ein Signal ausgedrückt, das über eine Leitung 52 zu einem Wähler 53 übertragen wird, der das Signal mit einem konstanten Signal mit dem Wert 0 vergleicht. Wenn die berechnete Temperatur T^ größer als das Grenzwertsignal T^imit ist, wird vom Wähler 53 über die Leitung 54 ein negatives Fehlersignal zum Integrator 56 übertragen, und das integrierte Fehlersignal wird im Addierer 49-, addiert, damit das über die Leitung 58 zum Treibstoffsteuerorgan 21 übertragene Signal reduziert wird, und die Treibstoffzufuhr sowie die Drehzahl herabgesetzt werden, wie es zur Begrenzung der Temperatur T^ auf den gewählten Wert der Maximalbezugstemperatur T, . ,ψ erforderlich ist.
Eine andere Möglichkeit zur Anwendung des in der oben beschriebenen Weise berechneten T^-Signals zur Einstellung der Gasturbinenleistung ist in Fig.2 dargestellt. Ein Funktionsgenerator 59 empfängt ein Leistungshebelwinkelsignal, und er erzeugt ein T^-Zuteilungssignal in.. Abhängigkeit von dem Leistungshebelwinkelsignal. "Dieses T^-Zuteilungssignal wird mit dem berechneten T^-Signal im Addierer 61 verglichen, und das Ergebnissignal wird über eine Leitung 62 zum Treibstoffsteuerorgan 21 zu einer entsprechenden
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Einstellung der Treibstoffströmung übertragen. Es sei bemerkt, daß zusätzlich zur Steuerung der Gasturbinenleistung gemäß Fig.2 das berechnete T.-Signal in ähnlicher Weise mit anderen Gasturbinenparametern zur Steuerung einer multivariablen Gasturbine verwendet werden kann. Außerdem kann die Gasturbinendrehzahl als Begrenzungsparameter im Treibstoffsteuerorgan in ähnlicher Weise angewendet werden, wie der Maximalbezugswert T-i.tm4+ in der Ausführung von Fig.1 angewendet wurde.
Wenn die bestimmte Gasturbine, für die ein berechneter ΪΛ-Wert gewünscht wird, eine Hochdrucktürbine mit variablem Strömungsquerschnitt enthält, wird die Berechnung so modifiziert, wie in der Ausführungsform von Fig.3 dargestellt ist. In dieser Ausführungsform werden die W- und Ρρ,-Signale abgetastet, und in der Dividierschaltung 32 wird wie zuvor das Verhältnis dieser beiden Signale gebildet. Anstelle der Einführung des Turbinenquerschnitts A^ mit Hilfe des Funktionsgenerators 33 werden jedoch zur Einführung dieser Variablen in die Gleichung ein Turbinenquerschnittfühler 63 und eine Dividierschaltung 64 vorgesehen. Der Rest der Schaltung stimmt mit der Schaltungsanordnung von Fig.1 überein.
Eine weitere Möglichkeit zur Modifizierung der Ausführungsform von Fig.1-besteht darin, daß eine Schaltungsanordnung hinzugefügt wird, mit deren Hilfe das T^-Signal berechnet und nicht unter Verwendung eines Fühlers 29 erhalten werden kann. In den Figuren 4 und sind zwei Möglichkeiten dargestellt, wie dies erreicht werden kann.In der Ausführungsform von Fig.4 werden mit Hilfe der Fühler 41 und 67 die Kernturbineneinlaßtemperatur Tp bzw. die Kerndrehzahl N abgetastet, und mit Hilfe des Funktionsgenerators 68 wird die
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Funktion f(N/VGL·) erzeugt, wobei Qp die korrigierte Temperatur ist. Das Ergebnis wird über eine Leitung 69 zu einem Multiplizierer 71 übertragen, wo es mit dem Tp-Signal multipliziert wird, damit ein berechnetes T^-Signal erhalten wird, das an den Multiplizierer 36 von Fig.1 in der gleichen Weise wie das abgetastete T,-Signal angelegt werden kann.
Auch in der Ausführungsform von Fig.5 wird die Einlaßtemperatur Tp der Kernturbine mit Hilfe des Fühlers 41 abgetastet. Außerdem wird das Ps,-Signal aus dem Fühler 28 der Ausführungsform von Fig.1 benutzt. Der dritte Parameter ist der Einlaßdruck P2 der Kernturbine, der mit Hilfe des Fühlers 72 abgegriffen wird. Die Pq^- und Pp-Signale werden in eine Dividierschaltung 73 eingegeben, und das von dieser abgegebene Verhältnis Pg^/^2 wird zu einem Funktionsgenerator 74 übertragen, der eine Zuteilungsfunktion in Abhängigkeit von diesem Verhältnis erzeugt. Das Ergebnis gelangt zu einem Multiplizierer 76, wo es mit dem T2-Signal multipliziert wird, damit das berechnete T,-Signal erhalten wird.
Das beschriebene System wird anders als bei Systemen, in denen die Turbinenabströmtemperaturen zur Bestimmung der Turbineneinlaßtemperaturen benutzt werden, nicht von Änderungen der Leistungsentnähme von der Welle oder von Temperatursdichtungsproblemen beeinflußt. Außerdem wird die Genauigkeit der bevorzugten Ausführungsform des beschriebenen Systems nicht von Änderungen der Turbinenkühlströmung, des Turbinenwirkungsgrades oder des Kompressorwirkungsgrades beeinflußt. Durch Eliminieren der Iterationsschleife bekannter Systeme wird das hier beschriebene System einfacher und genauer, und sein dynamisches AnBprech-
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verhalten wird verbessert, so daß auch die Berechnung für die Verwendung in digitalen Steuerungen geeigneter ist.
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Claims (20)

Ernsbergerstrasse 19 &. ö 3 U D ί W Unser Zeichen; G 1439 21.November 1978 GENERAL ELECTRIC COMPANY Schenectady, New York/V.St.A. Patentansprüche
1. Temperaturanzeigevorrichtung für die Verwendung in einer Gasturbine mit einem Kompressor, einer Brennkammer und einer Turbine, mit einer Anordnung zur Erzeugung von Signalen, die jeweils den Treibstofffluß zur Brennkammer, den Kompressorabströmdruck und der Kompressorabströmtemperatur proportional sind, gekennzeichnet durch eine Anordnung, die ein Signal erzeugt, das exakt die Temperatur am Einlaß der Turbine entsprechend der folgenden Gleichung repräsentiertί
41 23 ^ (p) ,
in der sind: T^ = die Gesamttemperatur der Gase am Turbineneinlaß}
T^ = die Gesamttemperatur der Gase am Brennkamme reinlaß;
Schw/Ba ■ .
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W^ = Massendurchsatz des in die Brennkammer fliessenden Treibstoffs,
P= statischer Druck am Brennkammereinlaß ;
A^ = Strömungsquerschnitt des Turbineneinlasses;
k^, kp, k,, kr = konstante Koeffizienten.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasturbine, einen Turbineneinlaß mit variablem Querschnitt aufweist und daß eine Anordnung zur Erzeugung eines dem
Strömungsquerschnitt des Turbineneinlasses proportionalen Signals vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des Koeffizienten k^ im wesentlichen gleich Null ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des Koeffizienten k2 im wesentlichen gleich 1,0 ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des Koeffizienten k^ im wesentlichen gleich 1,287 ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für eine gegebene Ausführung der Gasturbine die Koeffizienten k-|, k2, k-j und k^ bei Anwendung in einem Bereich von Betriebsbedingungen festgelegt sind.
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7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalerzeugungsanordnungen einzelne Fühler sind, die den Treibstofffluß in die Brennkammer, den Kompressorabströmdruck . und die Kompressorabströmtemperatur feststellen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Erzeugung von der Kompressorabströmtemperatur proportionalen Signalen unter Verwendung der Parameter der Kompressoreinlaßtemperatur und der Kompressordrehzahl arbeitet.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Erzeugung von der Kompressorabströmtemperatur proportionalen Signalen eine Einheit zum Feststellen der Kompressoreinlaßtemperatur, des Kompressorabströmdrucks und des Kompressoreinlaßdrucks sowie eine Einheit zum Berechnen der Kompressorabströmtemperatur in Abhängigkeit von diesen Größen enthält.
10. Temperaturanzeigevorrichtung für die Verwendung in einer Gasturbine.unit einem Kompressor, einer Brennkammer und einer Turbine, gekennzeichnet durch
(a) eine Anordnung zur Erzeugung eines dem Massendurchsatz des Treibstoffs zur Brennkammer proportionalen Signals w ·
(b) eine Anordnung zur Erzeugung eines der Temperatur
der in die Brennkammer eintretenden Luft proportionalen Signals T3;
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(c) eine Anordnung zur Erzeugung eines dem statischen Sruck der in die Brennkammer eintretenden Luft proportionalen Signals P33 ;
(d) eine Anordnung zur Verwendung dieser Signale zur Erzeugung einer exakten Darstellung der Temperatur am Turbineneinlaß entsprechend der folgenden Gleichung:
T4 = ki + k2T3 + k3( in der sind
FS3A4
T4 = die Gesamttemperatur der Gase am Turbineneinlaß
A^. = Strömungsquerschnitt des Turbineneinlasses; k^, k2, k, und k^ = konstante Koeffizienten.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasturbine einen veränderlichen Turbineneinlaßquerschnitt aufweist und daß eine Anordnung zur Erzeugung eines dem Strömungsquerschnitt des Turbineneinlasses proportionalen Signals A4 und eine Anordnung zur Anwendung dieses Signals in der Gleichung vorgesehen sind·
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Erzeugung des Signals ¥f einen .Durchflußfühler enthält.
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13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Erzeugung des Signals T, einen Temperaturfühler enthält.
14. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Erzeugung des Signals Pg^ einen Druckfühler enthält#
15. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Erzeugung des Signals T^ einen Fühler zum Feststellen der Kompressoreinlaßtemperatur und der Kompressordrehzahl sowie eine Einheit zum Berechnen des Signals T, in Abhängigkeit von diesen Parametern enthält.
16./Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Erzeugung des Signals T, einen Fühler zmm Feststellen der Kompressoreinlaßtemperaturf zur Feststellung des Kompressorabströmdrucks und zur Feststellung des Kompressoreinlaßdrucks sowie eine Einheit zum Berechnen des Signals T^in Abhängigkeit von diesen Parametern enthält.
17. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,daß die Einheit zur Anwendung der Signale einen Funktionsgenerator enthält, der ein.^Signal in Abhängigkeit vom Verhältnis W^/Pq^ erzeugt.
18. Verfahren zum Berechnen der Turbineneinlaßtemperatur in einer Gasturbine mit einem Kompressor, einer Brennkammer und einer Turbine, dadurch gekennzeichnet,
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(a) daß Signale erzeugt werden, die dem Kompressorabströmdruck, der Kompressorabströmtemperatur und der Treibstoffströmung zur Brennkammer proportional sind und
(b) daß diese Signale zur Erzeugung einer Darstellung der Turbineneinlaßtemperatur gemäß der- folgenden Gleichung angewendet werden
W Xr
f * 4 41 2 3 3 P33A4
in der sind: τ^ = &±e Gesamttemperatur der Gase am Turbineneinlaß;
T-z = die Gesamttemperatur der Gase am Brennkamme reinlaß;
Wf = Massendurchsatz des in die Brennkammer fliessenden Treibstoffs,
P(,^= statischer Druck a'· Brennkammereinlaß;
A4 = Strömungsquerschnitt des Turbineneinlasses;
k^, kp, k,, k4 = konstante Koeffizienten.
19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Gasturbine einen variablen Turbineneinlaßquerschnitt aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem Turbineneinlaßquerschnitt proportionales Signal erzeugt wird, und daß dieses Signal auf die Gleichung angewendet wird.
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20. Vorrichtung zum Begrenzen der Maximaltemperatur am Turbineneinlaß in einer Gasturbine mit einem Kompressor, einer Brennkammer, einer Turbine und einem Treibstoffsystem, das Treibstoff in Abhängigkeit von einer Drosselklappenstellung der Brennkammer zuführt, gekennzeichnet durch
(a) Anordnungen zur Erzeugung von Signalen, die dem Brennkammerabströmdruck, der Brennkammerabströmtemperatur und der Treibstoffströmung zur Brennkammer proportional sind;
(b) eine Anordnung zum Anwenden dieser Signale für die Erzeugung einer Darstellung der Temperatur am Turbineneinlaß entsprechend der folgenden Gleichung:
in der sind: T4 = Gesamttemperatur der Gase am Turbineneinlaß;
Τ·* = die Gesamttemperatur der Gase am Brennkammer einlaß;
IT« = Massendurchsatz des in die Brennkammer fliessenden Treibstoffs,
ρ ,= statischer Druck am Brennkammereinlaß{ Αλ = Strömttngsquerschnitt des Turbineneinlasses; k^, k2, k·,, k4 = konstante Koeffizienten; 909826/0640
(c) eine Anordnung zum Vergleichen der Temperaturdarstellung mit einem vorbestimmten Temperatürgrenzwert zur Erzeugung eines Fehlersignals und
(d) eine Anordnung zur Reduzierung der Treibstoffströmung zur Brennkammer, wenn die Temperaturdarstellung den vorbestimmten Temperaturgrenzwert überschreitet.
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