DE4139529C2 - Verfahren zur Steuerung einer Luftmenge zu der einer Gasturbine in Abhängigkeit von Last und Drehzahl zugeführten Brennstoffmenge - Google Patents

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.

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.