DE4139529C2 - Verfahren zur Steuerung einer Luftmenge zu der einer Gasturbine in Abhängigkeit von Last und Drehzahl zugeführten Brennstoffmenge - Google Patents
Verfahren zur Steuerung einer Luftmenge zu der einer Gasturbine in Abhängigkeit von Last und Drehzahl zugeführten BrennstoffmengeInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung einer
Luftmenge zu der einer Gasturbine in Abhängigkeit von Last und
Drehzahl zugeführten Brennstoffmenge gemäß den weiteren im Ober
begriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
Ein Verfahren der gattungsgemäßen Art ist aus der DE-OS 26 59 351
bekannt. Zum Betreiben der Gasturbine wird von einer Luft
zerstäubungsdüse in die Brennkammer eine in Abhängigkeit von
Last und Drehzahl bestimmte Brennstoffmenge eingebracht, der eine
Luftmenge zugemessen wird, welche sich aus einem Primär- und
einem Zerstäubungsluftstrom zusammensetzt. Dabei wird der Pri
märluftstrom durch Verändern des Eintrittsquerschnitts zur
Brennkammer gesteuert, während der Zerstäubungsluftstrom weit
gehend unverändert bleibt.
Dadurch, daß bei Beschleunigungs- oder Verzögerungsvorgängen die
Zerstäubungsluftmenge im wesentlichen konstant, jedoch die
Brennstoffmenge sich ändert, ergeben sich Beeinträchtigungen in
der Zerstäubungsgüte des Brennstoff/Luft-Gemisches, was für die
Verbrennung und damit die Schadstoffkonzentration im Abgas un
günstig ist.
Ferner ist aus der DE-OS 27 27 795 eine Gasturbine bekannt, bei
der ebenfalls nur der Primärluftstrom in Abhängigkeit der ein
gespritzten Brennstoffmenge verändert werden kann und die damit
die gleichen Nachteile besitzt wie die Gasturbine aus der gat
tungsgemäßen Druckschrift.
Des weiteren ist aus DE-PS 30 23 550 ein Brennstoffregelsystem
für eine Gasturbine bekannt, bei dem die Brennstoffzufuhr ab
weichend vom Stationärbetrieb bei Laständerungen jeweils auf
Werte zur Erzielung einer max. Beschleunigung bzw. Verzögerung
eingestellt werden kann.
Die DE-OS 16 26 154 betrifft eine Antriebsanlage für Landfahr
zeuge, welche als Hauptantriebsmaschine einen Hubkolbenmotor und
eine Druckgasturbine als wahlweise zuschaltbare weitere An
triebsmaschine umfaßt. Zum Betrieb Antriebsanlage mit Höchst
leistung wird die Druckgasturbine durch Zufuhr von gespeicherter
Druckluft zugeschaltet.
Schließlich ist aus der DE-OS 27 47 678 eine Brennstoffdüse für Gas
turbinen bekannt, von der bei höheren Belastungen zusätzliche Luft
zur Verbesserung der Zerstäubungsgüte in das Brennstoff/Luft-
Gemisch zugeführt werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße
Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine in der Weise zu verbessern,
daß in allen Betriebsbereichen der Gasturbine immer eine
weitgehend optimale Zerstäubungsgüte des Brennstoffes und eine
gute Gemischzusammensetzung erzielt wird.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Pa
tentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Durch die Steuerung des Luftzerstäubungsstroms gemäß der Erfin
dung wird nicht nur für den Stationärbetrieb, sondern nunmehr
auch für den Instationärbetrieb eine möglichst optimale Zerstäu
bungsgüte des Brennstoffes erzielt. Optimale Zerstäubungsgüte
bedeutet dabei eine gute Verdampfung des Brennstoffes und damit
eine gute Verbrennung bei Verbrennungstemperaturen mit möglichst
geringer Schadstoffbildung.
Ein weiterer Vorteil ist, daß durch die Steuerung des Zerstäu
bungsluftstromes die Gemischzusammensetzung auch im Instationär
betrieb der Gasturbine für einen schadstoffarmen Betrieb optimiert
werden kann.
Mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 2 kann dabei das erfin
dungsgemäße Verfahren in einfacher und zweckmäßiger Weise durch
geführt werden.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand von in
der Zeichnung dargestellten Diagrammen im einzelnen noch näher
erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 ein Temperatur (T)/Drehzahldiagramm (n) mit verschiedenen
Betriebskennlinien einer Gasturbine,
Fig. 2 ein Zerstäubungsluftstrom (M)/Gasturbinendrehzahl (n)-
Diagramm,
Fig. 3 ein Schaltschema für eine Zuführung des Zerstäubungs
luftstromes,
Fig. 4 ein Diagramm, in dem für einen Beschleunigungsvorgang eine
Geometrieveränderung (F/n) der Vorverdampferkammer in Abhängigkeit
der Zeit dargestellt ist,
Fig. 5 ein Diagramm mit der Geometrieveränderung (F/n) der Vor
verdampferkammer in Abhängigkeit von der Zeit bei einem Verzöge
rungsvorgang,
Fig. 6 einen Schnitt durch eine im wesentlichen nur schematisch
dargestellte Brennkammer einer Gasturbine.
Im Diagramm der Fig. 1 sind drei Kurven gezeigt, von denen die
Kurve a eine verbrauchsoptimierte, die Kurve b eine leistungs
optimierte und die Kurve c eine erfindungsgemäß abgasoptimierte
Betriebskennlinie darstellt. Mit 0,5 n ist die Leerlaufdrehzahl
angegeben, während die Nenndrehzahl durch die 1,0 gekennzeichnet
ist.
Das Diagramm nach Fig. 2 zeigt, in welchem Maße der Zerstäu
bungsluftstrom über dem Drehzahlbereich zwischen Leerlauf und
Vollast erfindungsgemäß am wirkungsvollsten ansteigen soll.
Hierbei kommt es allerdings nur auf den tendenziellen Verlauf
der gezeigten Kurve an, deren genaue Form von Anwendungsfall zu
Anwendungsfall rechnerisch und experimentell festzulegen ist.
Im Schaltschema der Fig. 3 ist mit 1 die Luftzerstäubungsdüse
bezeichnet. Der Zerstäubungsluftstrom wird der Luftzerstäubungsdüse
1 im Normalfall über einen Verdichter 2 und ein Rückschlag
ventil 3 zugeführt. Bei einer spontanen Drehzahlbeschleunigung
wird der Luftzerstäubungsdüse 1 zusätzliche Luft aus einem Druck
speicher 4 zugeführt. Die Zufuhr von Luft aus dem Druckspeicher
4 wird über ein Regelventil 5 angesteuert. 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 Gasturbine 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 Vorverdampferbrennkammer
6, in die Kraftstoff 7 durch eine Zerstäubungsluftdüse ein
getragen 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 verschieb
baren trompetenförmig ausgebildeten Flammhalter 9 variierbar.
In dem Diagramm der Fig. 4 zeigt die Kurve F, um welchen Weg der
Flammhalter 9 bei einer Erhöhung der Drehzahl n der Gasturbine
in Richtung der Hauptbrennkammer verschoben wird, um dadurch einen
größeren Übergangsquerschnitt zwischen den Kammern 6 und 8
zu schaffen, der erforderlich ist, um den erhöhten Primärluftstrom
realisieren zu können.
Im Diagramm nach Fig. 5 sind in analoger Darstellung zu Fig. 4
die entsprechenden Verhältnisse bei einer Verzögerung dargestellt.
Claims (2)
1. Verfahren zur Steuerung einer Luftmenge zu der einer Gas
turbine in Abhängigkeit von Last und Drehzahl zugeführten Brenn
stoffmenge, wobei die Luftmenge von einem mit der Gasturbine
verbundenen Verdichter gefördert wird, von der eine Teilluftmenge
als Primärluftstrom einer Brennkammer und eine weitere
Teilluftmenge als Zerstäubungsluftstrom einer Luftzerstäubungsdüse
in einem Einströmkanal zur Brennkammer zugeführt wird und
wobei mittels eines im Einströmkanal angeordneten verstellbaren
Flammhalters die Luftmenge durch Änderung eines Eintrittsquer
schnittes zwischen Brennkammer und Einströmkanal betriebspara
meterabhängig eingestellt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß in Abhängigkeit von Last und Drehzahl der Gasturbine der der Luftzerstäubungsdüse (1) zugeführte Luftstrom änderbar ist, wobei mit zunehmender Drehzahl der Zerstäubungsluftstrom erhöht wird und
daß bei einer Beschleunigung der Gasturbine aus einem unteren in einen oberen Drehzahlbereich die Luftmenge zusätzlich durch eine kurzzeitige Erhöhung des Zerstäubungsluftstroms über den der jeweiligen stationären Drehzahl zugeordneten Zerstäu bungsluftstrom hinaus erhöht und
bei einer Verzögerung der Gasturbine aus einem oberen in einen unteren Drehzahlbereich die Luftmenge zusätzlich durch eine kurzzeitige Verringerung des Zerstäubungsluftstroms unter den der jeweiligen stationären Drehzahl zugeordneten Zerstäubungs luftstrom reduziert wird.
daß in Abhängigkeit von Last und Drehzahl der Gasturbine der der Luftzerstäubungsdüse (1) zugeführte Luftstrom änderbar ist, wobei mit zunehmender Drehzahl der Zerstäubungsluftstrom erhöht wird und
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bei einer Verzögerung der Gasturbine aus einem oberen in einen unteren Drehzahlbereich die Luftmenge zusätzlich durch eine kurzzeitige Verringerung des Zerstäubungsluftstroms unter den der jeweiligen stationären Drehzahl zugeordneten Zerstäubungs luftstrom reduziert wird.
2. Vorrichtung zur Steuerung des zusätzlichen Zerstäubungsluft
stroms gemäß Verfahren nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch einen Druckspeicher (4), der
mit der Luftzerstäubungsdüse (1) durch eine Druckleitung mit einem
Regelventil (5) verbunden ist, von dem aus bei Beschleunigung
der Gasturbine der zusätzliche Zerstäubungsluftstrom der
Luftzerstäubungsdüse (1) zugesteuert wird.
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