DE4139529A1 - Verfahren zum betreiben einer fahrzeuggasturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Betreiben einer Fahrzeug­ gasturbine mit flüssigem Kraftstoff wie insbesondere Diesel oder Benzin. Bauartmäßig kann es sich bei diesen Gasturbinen um solche mit Brennkammerausgestaltungen nach DE-A-26 59 351 und DE-A-27 27 795 handeln.

Dabei beschäftigt sich die Erfindung mit dem Problem, eine Fahrzeuggasturbine möglichst abgasgünstig zu betreiben.

Ein abgasmäßig kritischer Bereich liegt u. a.in dem unteren Teillastbereich der Gasturbine oberhalb der Leerlaufdrehzahl, die etwa bei 50% der Nenndrehzahl liegt und der etwa bei 60% der Nenndrehzahl endet. Kritisch ist dieser Bereich deshalb, weil dort in dem Abgas üblicherweise relativ hohe HC- und CO- Anteile vorliegen.

Durch das Verfahren nach den kennzeichnenden Merkmalen des An­ spruchs 1 wird in diesem kritischen Bereich erfindungsgemäß eine deutliche Verminderung dieser schädlichen Abgasbestand­ teile erzielt.

Die Verbesserung erklärt sich daraus, daß durch die angegebene Verbrennungstemperaturerhöhung in dem betreffenden unteren Teillastbereich automatisch niedrigere HC- und CO-Anteile in dem Abgas anfallen.

Für die schädlichen Abgasemissionen CO, HC und NOx ist bekann­ termaßen die Einhaltung insoweit optimierter Verbrennungstem­ peraturen wichtig. Wenn die Verbrennungstemperatur zu niedrig ist, werden die Werte für HC und CO zu hoch, und wenn die Verbrennungstemperatur zu hoch ist, entstehen zu große Stick­ oxidanteile.

Die Erfindung beschäftigt sich daher auch mit dem Problem, die Verbrennungstemperatur in dem Bereich zwischen Leerlauf und Vollast jeweils auf einem Temperaturwert zu halten, der die obengenannten schädlichen Abgasemissionen insgesamt möglichst gering hält.

Die Gasturbine, auf die sich die Erfindung bezieht, besitzt eine Vorverdampferbrennkammer, in die der Kraftstoff durch eine Zerstäuberdüse eingebracht wird. Beispiele für solche Vorverdampferkammern zeigen die eingangs zum Stand der Technik zitierten Schriften.

Die Temperatur in der Hauptbrennkammer der Gasturbine ist unter anderem davon abhängig, in welchem Maße der in die Vor­ verdampferkammer eingespritzte Kraftstoff dort verdampft. Bei starker Verdampfung in der Vorverdampferkammer wird in der Hauptbrennkammer eine relativ niedrige Verbrennungstemperatur erhalten, während eine hohe Verbrennungstemperatur bei gerin­ gerer Verdampfung erreicht wird. Geringe Verdampfung bedeutet, daß der Kraftstoff in relativ großen Tröpfchen in die Haupt­ brennkammer eindringt.

In die Vorverdampferbrennkammer wird der Kraftstoff üblicher­ weise durch eine an sich bekannte Luftzerstäuberdüse einge­ spritzt.

Um eine abgasoptimierte Verbrennungstemperatur zu erreichen, ist die Gasturbine mit einem Verfahren nach den kennzeichnen­ den Merkmalen des Anspruchs 2 zu betreiben.

Apparativ läßt sich die Zerstäuberluftmengenstromerhöhung nach Anspruch 2 bei steigender Drehzahl durch einen mit der Turbi­ nendrehzahl betriebenen Verdichter in recht einfacher und zweckmäßiger Weise zur Verfügung stellen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, auch bei Gas­ turbinen-Beschleunigungen und -Verzögerungen möglichst un­ schädliche Abgasemissionen sicherzustellen.

Eine Lösung dieses Problemes stellt ein Verfahren zum Betrei­ ben der Gasturbine nach den kennzeichnenden Merkmalen des An­ spruchs 3 für den Beschleunigungszustand und die Verfahrens­ führung nach Anspruch 4 für den Verzögerungszustand dar.

Um nach der Lehre des Anspruchs 3 kurzfristig eine Zerstäu­ bungsluftmengenstromerhöhung realisieren zu können, ist nach Anspruch 5 ein von der Gasturbine insbesondere selbst zu speisender Druckluftspeicher vorzusehen, aus dem praktisch verzögerungsfrei zusätzliche Luft für die Kraftstoffzerstäu­ bungsdüse abgerufen werden kann.

Die erfindungsgemäßen Verfahren werden nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Diagrammen im einzelnen noch näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 ein Temperatur (T)/Drehzahldiagramm (n) mit verschie­ denen Betriebskennlinien einer Fahrzeuggasturbine,

Fig. 2 ein Zerstäubungsluftmengen (M)/Gasturbinendrehzahl (n) - Diagramm,

Fig. 3 ein Schaltschema für eine Zuführung der Kraftstoff­ zerstäubungsluft,

Fig. 4 ein Diagramm, in dem für eine Gasturbinenbeschleuni­ gung eine Geometrieveränderung (F) der Vorverdampfer­ kammer sowie der Gasturbinendrehzahl (n) in Abhän­ gigkeit der Zeit dargestellt ist,

Fig. 5 ein Diagramm, in dem für eine Gasturbinenverzöge­ rung eine Geometrieveränderung (F) der Vorverdampfer­ kammer, sowie der Gasturbinendrehzahl (n) in Abhän­ gigkeit der Zeit dargestellt ist,

Fig. 6 einen Schnitt durch eine im wesentlichen nur schema­ tisch dargestellte Brennkammer einer Fahrzeuggastur­ bine.

Das Diagramm nach Fig. 1 bezieht sich auf die Lehre des An­ spruchs 1. Von den drei dargestellten Kurven stellen die Kurve a eine verbrauchsoptimierte, die Kurve b eine leistungsopti­ mierte und die Kurve c eine erfindungsgemäß abgasoptimierte Betriebskennlinie dar. Mit 0,5 n ist die Leerlaufdrehzahl an­ gegeben, während die Nenndrehzahl durch die 1,0 gekennzeichnet ist.

Das Diagramm nach Fig. 2 zeigt, in welchem Maße die Zerstäu­ berluftmenge entsprechend der Lehre des Anspruchs 2 über dem Drehzahlbereich zwischen Leerlauf und Vollast erfindungsgemäß am wirkungsvollsten ansteigen soll. Hierbei kommt es aller­ dings nur auf den tendentiellen Verlauf der gezeigten Kurve an, deren genaue Form von Anwendungsfall zu Anwendungsfall rechnerisch und experimentell festzulegen ist.

Das in Fig. 3 dargestellte Schaltschema ist der Lehre des An­ spruchs 3 zugeordnet.

Mit 1 ist dort die Brennkammerhauptdüse bezeichnet. Die Zer­ stäubungsluft erhält diese Düse im Normalfall über einen Ver­ dichter 2 über ein Rückschlagventil 3. Bei einer spontanen Drehzahlbeschleunigung wird der Brennkammerhauptdüse 1 zusätz­ liche Luft aus einem Druckspeicher 4 zugeführt. Die Zufuhr von Luft aus dem Druckspeicher 4 wird über ein Regelventil 5 an­ gesteuert. Das Rückschlagventil 3 sorgt dafür, daß aus dem Druckspeicher 4 ausströmende unter hohem Druck stehende Luft nicht zu dem Verdichter 2 gelangen kann. Der Druckspeicher 4 wird von der Fahrzeuggasturbine selbst mit Druckluft versorgt.

Die Fig. 4 und 5 zeigen Diagramme für eine Gasturbine einer Brennkammergestaltung nach Fig. 6.

Die Brennkammer nach Fig. 6 besitzt eine Vorverdampferbrenn­ kammer 6, in die Kraftstoff 7 durch eine Zerstäuberluftdüse eingetragen wird. Die Geometrie der Vorverdampferbrennkammer 6 sowie der Übergang von dieser Kammer 6 in die Hauptbrennkammer 8 ist durch einen in Achsrichtung der Kammern 6 und 8 ver­ schiebbaren trompetenförmig ausgebildeten Flammhalter 9 vari­ ierbar.

In dem Diagramm der Fig. 4 zeigt die Kurve F, um welchen Weg der Flammhalter 9 bei einer Erhöhung der Drehzahl n der Gas­ turbine in Richtung der Hauptbrennkammer verschoben wird, um dadurch einen größeren Übergangsquerschnitt zwischen den Kam­ mern 6 und 8 zu schaffen, der erforderlich ist, um den nach der Lehre des Anspruchs 3 erhöhten Primärluftstrom realisieren zu können.

In dem Diagramm nach Fig. 5 sind in analoger Darstellung zu Fig. 4 die entsprechenden Verhältnisse bei einer Verzögerung dargestellt.

Claims (5)

1. Verfahren zum Betreiben einer Fahrzeuggasturbine mit flüssigem Kraftstoff wie insbesondere Diesel oder Benzin, dadurch gekennzeichnet, daß die Fahrzeuggasturbine mit einer Betriebskennlinie in ei­ nem Verbrennungstemperatur (T) - Drehzahl-Diagramm (n) betrie­ ben wird, die im unteren Teillastbereich zwischen Leerlauf mit einer Drehzahl von etwa 50% der Nenndrehzahl und einer darüber liegenden den unteren Teillastbereich begrenzenden Drehzahl von etwa 55 bis 60% der Nenndrehzahl einer Ver­ brauchsoptimierung entspricht und daß die Betriebskennlinie bei darüber liegenden Drehzahlen einer leistungs- bzw. lei­ stungs/verbrauchsoptimierten Auslegung entspricht.

2. Verfahren zum Betreiben einer Fahrzeuggasturbine mit flüssigem Kraftstoff wie insbesondere Diesel oder Benzin, der für den Lastbetrieb luftzerstäubt in eine Vorverdampferkammer eingebracht wird, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff im unteren Teillastbereich, beginnend bei der Leerlaufdrehzahl mit einem geringeren Zerstäubungsluftmen­ genstrom eingebracht wird als bei der Nenndrehzahl und daß der Zerstäubungsluftmengenstrom mit zwischen Leerlauf und Nennlast steigender Drehzahl zunächst linear und im oberen Lastbereich zwischen linear und überproportional zunimmt, wobei eine Ab­ weichung von der linearen Zunahme sich mit steigender Dreh­ zahl erhöht.

3. Verfahren zum Betreiben einer Fahrzeuggasturbine mit flüssigem Kraftstoff wie insbesondere Diesel oder Benzin, der für den Lastbetrieb luftzerstäubt in eine Vorverdampferkammer eingebracht wird, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zerstäubungsluftmengenstrom bei einer kraftstoffer­ höhungsbedingten Beschleunigung der Gasturbine kurzzeitig über diejenigen Werte hinaus erhöht wird, die der jeweiligen Zer­ stäubungsluftmenge bei entsprechend stationären Drehzahlen entsprächen.

4. Verfahren zum Betreiben einer Fahrzeuggasturbine mit flüssigem Kraftstoff wie insbesondere Diesel oder Benzin, der für den Lastbetrieb luftzerstäubt in eine Vorverdampferkammer eingebracht wird, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zerstäubungsluftmengenstrom bei einer kraftstoffver­ minderungsbedingten Verzögerung der Gasturbine kurzzeitig un­ ter diejenigen Werte hinaus erniedrigt wird, die der jeweili­ gen Zerstäubungsluftmenge bei entsprechend stationären Dreh­ zahlen entsprächen.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein von der Gasturbine selbst aufzufüllender Druckluft­ speicher zur temporären Luftentnahme bei beschleunigungsbe­ dingten Drehzahlerhöhungen vorgesehen ist.