DE60132922T2

DE60132922T2 - Verfahren und vorrichtung zur versorgung einer brennkammer mit brennstoff

Info

Publication number: DE60132922T2
Application number: DE60132922T
Authority: DE
Inventors: Bertil JÖNSSON
Original assignee: Volvo Aero AB
Current assignee: GKN Aerospace Sweden AB
Priority date: 2001-02-06
Filing date: 2001-12-17
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2021-12-18
Also published as: WO2002063214A1; EP1360439A1; SE521293C2; ATE386907T1; SE0100369L; CA2431286C; RU2272964C2; US20040094118A1; CA2431286A1; EP1360439B1; RU2003125642A; US6915640B2; SE0100369D0; DE60132922D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Zuführen von Kraftstoff zu einer Verbrennungskammer, die wenigstens eine Haupteinspritzeinrichtung und wenigstens eine Piloteinspritzeinrichtung aufweist, wobei der Piloteinspritzeinrichtung während des Anfahrens der Verbrennungskammer über ein erstes Regelventil ein erster Kraftstoffstrom zugeführt wird.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zum Zuführen von Kraftstoff zu einer Verbrennungskammer, die wenigstens eine Haupteinspritzeinrichtung und wenigstens eine Piloteinspritzeinrichtung aufweist, wobei die Vorrichtung einen Kraftstofftank, ein Leitungssystem zwischen dem Kraftstofftank und den Einspritzeinrichtungen, eine Pumpe zum Pumpen von Kraftstoff aus dem Tank zu den Einspritzeinrichtungen und ein erstes Regelventil zum Regeln des Kraftstoffstroms in einer ersten Leitung in dem System, die mit der Piloteinspritzeinrichtung verbunden ist, aufweist.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Zuführung von Kraftstoff zu einer Verbrennungskammer einer Gasturbine. In der herkömmlichen Technologie hat die Verbrennungskammer eine Piloteinspritzeinrichtung, die zentral angeordnet ist, und eine Vielzahl von Haupteinspritzeinrichtungen, beispielsweise fünf, die um die Piloteinspritzeinrichtung herum angeordnet sind.
Für das Anfahren einer kalten Maschine wird mit der Piloteinspritzeinrichtung eine Flamme gezündet, um die Temperatur in der Verbrennungskammer zu erhöhen, damit es möglich ist, eine Arbeitsflamme mit den Haupteinspritzeinrichtungen zu erhalten. Beim Einsatz der Haupteinspritzeinrichtungen soll der Kraftstoff in verdampfter Form verbrannt werden. Zum Erreichen der Verdampfung muss die Verbrennungskammer heiß sein. Im Gegensatz dazu soll der Kraftstoff aus der Piloteinspritzeinrichtung in flüssiger Form in Form von Tröpfchen verbrannt werden. Beim Anfahren wird der Piloteinspritzeinrichtung eine relativ große Kraft stoffmenge zugeführt. Im Betrieb mit einer Zwischen- und hohen Last soll der Piloteinspritzeinrichtung jedoch nur eine kleine Kraftstoffmenge zugeführt werden, die trotzdem ausreicht, um eine Flamme aus der Piloteinspritzeinrichtung aufrechtzuerhalten und dadurch zu gewährleisten, dass die Haupteinspritzeinrichtungen und die Verbrennungskammer nicht ausgehen.
Bei einer bereits bekannten Kraftstoffzuführvorrichtung wird das erste Regelventil dazu verwendet, den Kraftstoffstrom zu den Haupteinspritzeinrichtungen und zu der Piloteinspritzeinrichtung zu regeln. Die Vorrichtung hat weiterhin einen Druckregler für ein Zusammenwirken mit dem ersten Regelventil zur Steuerung des Kraftstoffstroms zu der Piloteinspritzeinrichtung. Es hat sich jedoch bei dieser Anordnung gezeigt, dass es schwierig ist, die Mengenströme zu den Haupt- und Piloteinspritzeinrichtungen genau zu steuern, was einerseits das Erlöschen der Verbrennungskammer verhindert und andererseits gewährleistet, dass Emissionen, wie CO, NOx und unverbrannter HC auf einem niedrigen Wert gehalten werden. Die Verbrennung des Kraftstoffs in Tröpfchenform über die Piloteinspritzeinrichtung ist tatsächlich solchen Emissionen zugeordnet.
Die US-A-5 311 742 offenbart eine Gasturbinenbrennkammer mit einer Hauptkraftstoffdüse und einer Nebenkraftstoffdüse. Zur Zuführung von Kraftstoff zu der Hauptkraftstoffdüse und der Nebenkraftstoffdüse über drei gesonderte Leitungen sind drei Steuerventile angepasst.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein erstes Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Zuführen von Kraftstoff zu einer Verbrennungskammer zur Verfügung zu stellen, wobei das Verfahren eine genauere Steuerung des Kraftstoffmengenstroms als der Stand der Technik ermöglicht. Das Ziel ist insbesondere, die Emissionen verglichen mit dem Stand der Technik zu verringern und eine verbesserte Sicherheit gegen ein Erlöschen der Verbrennungskammer bei einem Niederlastbetriebszustand zu erreichen.
Dieses Ziel wird dadurch erreicht, dass ein zweiter Kraftstoffmengenstrom, der wesentlich kleiner als der erste Kraftstoffmengenstrom ist, der Piloteinspritzeinrichtung zugeführt wird, um getrennt vom Anlauf einen speziellen Betriebszustand über ein zweites Regelventil zu erreichen, das für die Regelung eines Mengenstroms ausgelegt ist, der wesentlich kleiner als der des ersten Regelventils ist. Das heißt mit anderen Worten, dass ein kleines Ventil (das zweite Regelventil) zum Regeln eines kleinen Mengenstroms und ein großes Ventil (das erste Regelventil) zum Regeln eines großen Mengenstroms zur Piloteinspritzeinrichtung verwendet werden. Dies erzeugt die Bedingungen zum Erreichen einer Regelung des Mengenstroms zu der Piloteinspritzeinrichtung, die genauer als beim Stand der Technik ist. Durch dieses Verfahren kann die Kraftstoffzufuhr insbesondere an Übergängen zwischen verschiedenen Betriebszuständen genau gesteuert werden.
Nach der Erfindung ist das erste Regelventil für ein Fördern des ersten Kraftstoffstroms zu der Haupteinspritzeinrichtung angeordnet, wenn die Verbrennungskammer bei einem Zwischen- oder Hochlastzustand betrieben werden soll. In diesem Zwischen- oder Hochlastzustand wird der Piloteinspritzeinrichtung somit ein kleiner Kraftstoffstrom über das zweite Regelventil zugeführt. Das erste Regelventil wird somit dazu verwendet, einen großen Kraftstoffstrom zu der Piloteinspritzeinrichtung in einem bestimmten Betriebszustand und zu den Haupteinspritzeinrichtungen bei einem anderen Betriebszustand zu steuern. Das Steuern der Kraftstoffzufuhr auf diese Weise ermöglicht es, die Zustände für eine kosteneffektive und raumsparende Kraftstoffzuführvorrichtung zu schaffen.
Nach einer Weiterentwicklung ist das zweite Regelventil für ein Fördern des zweiten kleineren Kraftstoffstroms zu der Piloteinspritzeinrichtung angeordnet, wenn die Brennkammer bei einem Niederlastzustand betrieben werden soll. Der Niederlastbetrieb kann dann eingesetzt werden, wenn die Gasturbine und im vorliegenden Fall ihr Abgaswärmeaustauscher heiß sind und wenn deshalb beträchtlich weniger Kraftstoff als beim Anfahren benötigt wird.
Ein zweites Ziel der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Zuführen von Kraftstoff zu einer Verbrennungskammer zur Verfügung zu stellen, die Zustände für eine genauere Steuerung des Kraftstoffstroms als beim Stand der Technik erzeugt. Das Ziel ist insbesondere, in der Lage zu sein, die Emissionen verglichen mit dem Stand weiter zu reduzieren und eine Sicherheit gegen ein Auslöschen der Verbrennungskammer in einem Niederlastbetriebszustand zu erreichen.
Dieses Ziel wird dadurch erreicht, dass die Vorrichtung ein zweites Regelventil zum Regeln des Kraftstoffstroms durch eine zweite Leitung in dem System aufweist, die mit der Pilotein spritzeinrichtung verbunden ist, und dass das zweite Regelventil so ausgelegt ist, dass es einen im Wesentlichen kleineren Strom als das erste Regelventil regelt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zum Zuführen von Kraftstoff zu einer Brennkammer einer Gasturbine.
2 zeigt ein Diagramm der Kraftstoffströme zu der Piloteinspritzeinrichtung und den Hauptspritzeinrichtungen gemäß einem Arbeitsbeispiel.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung 1 zum Zuführen von Kraftstoff zu einer Brennkammer (nicht gezeigt) einer Gasturbine. Die Brennkammer hat eine Bauweise mit niedriger Emission und hat eine zentral angeordnete Piloteinspritzeinrichtung und eine Vielzahl von Haupteinspritzeinrichtungen, die um letztere herum angeordnet sind. In 1 sind die Piloteinspritzeinrichtung und die Haupteinspritzeinrichtungen schematisch mit dem Bezugszeichen 2 bzw. 3 dargestellt.
Die Größe der Kraftstromströme, die den Einspritzeinrichtungen 2, 3 zugeführt werden, hängt von dem beabsichtigten Betriebszustand ab. Wenn eine kalte Maschine angefahren wird, und möglicherweise bei einem Niederlastzustand, wird ein relativ großer Kraftstoffstrom der Piloteinspritzeinrichtung zugeführt, während den Haupteinspritzeinrichtungen kein Kraftstoff zugeführt wird. Bei Zwischen- und Hochlastzuständen wird im Gegensatz dazu der Piloteinspritzeinrichtung ein kleiner Kraftstoffstrom zugeführt, während den Haupteinspritzeinrichtungen ein großer Kraftstoffstrom zugeführt wird. Im letzteren Fall wird die Piloteinspritzeinrichtung als Sicherheit gegen ein Erlöschen des Systems verwendet. Die Differenz in der Größe der Kraftstoffströme zu der Piloteinspritzeinrichtung beim Anfahren und bei eingekop gelten Haupteinspritzeinrichtungen wird besonders betont, wenn die Gasturbine für einen Abgaswärmeaustausch ausgelegt ist.
Die Vorrichtung nach der Erfindung weist einen Kraftstofftank 4, ein Leitungssystem 5, das zwischen dem Kraftstofftank 4 und den Einspritzeinrichtungen 2, 3 angeordnet ist, eine Pumpe 6 zum Pumpen von Kraftstoff von dem Tank zu den Einspritzeinrichtungen und ein erstes Regelventil 7 zum Regeln des Kraftstoffstroms in einer ersten Leitung 8 in dem System auf, die mit der Haupteinspritzeinrichtung 3 verbunden ist.
Die Vorrichtung hat weiterhin ein zweites Regelventil 9 zum Regeln des Kraftstoffstroms durch eine zweite Leitung 10 in dem System, die mit der Piloteinspritzeinrichtung 2 verbunden ist. Das zweite Regelventil 9 ist für ein Regeln eines Stroms ausgelegt, der wesentlich kleiner als der des ersten Regelventils ist. Das zweite Regelventil 9 ist vorzugsweise so ausgelegt, dass es einen Strom reguliert, der kleiner als 20% und vorzugsweise kleiner als 10% des Stroms ist, für dessen Regelung das erste Regelventil 7 ausgelegt ist.
Die erste Leitung 8 ist auch mit der Piloteinspritzeinrichtung 2 zum Regeln des Stroms zu letzterer mit Hilfe des ersten Regelventils 7 verbunden. Zu diesem Zweck hat die Vorrichtung ein Wegeventil 11, das stromab von dem ersten Regelventil 7 angeordnet ist. Über das Wegeventil 11 kann der Kraftstoffstrom aus dem ersten Regelventil 7 zu der Piloteinspritzeinrichtung 2 über eine Zwischenleitung 12 befördert werden.
Die Zuführung des Kraftstoffs aus dem Tank 4 zu den Einspritzeinrichtungen 2, 3 wird nachstehend für drei verschiedene Betriebszustände beschrieben, nämlich das Anfahren, den Normallauf (Zwischen- und Hochlastbetrieb) und den Niederlastbetrieb (Leerlauf und Maschinenbremsbetrieb).
Beim Anfahren der Gasturbine ist das erste Regelventil 7 offen, um einen Durchfluss zu ermöglichen, während das zweite Regelventil 9 geschlossen ist. Dann wird ein relativ großer Kraftstoffstrom aus dem Tank 4 über einen Filter 14 zu der ersten Leitung 8 und durch das erste Regelventil 7 gefördert. Der Kraftstoff wird weiter zu der Piloteinspritzeinrichtung 2 in der Zwischenleitung 12 über das erste Wegeventil 11 und ein zweites Wegeventil 13 geför dert. D. h. mit anderen Worten, dass das Wegeventil 11 in diesem Fall so ausgelegt ist, dass es den Kraftstoff zu der Zwischenleitung 12 fördert.
Bei Zwischen- und Hochleistungsbetrieb sind sowohl das erste Regelventil 7 als auch das zweite Regelventil 9 offen, um einen Durchfluss zu ermöglichen. Das erste Wegeventil 11 wird nun so ausgelegt, dass die relativ große Kraftstoffmenge von dem ersten Regelventil 7 zu den Haupteinspritzeinrichtungen 3 gefördert wird. Im Vergleich wird nun ein kleinerer Kraftstoffstrom in der zweiten Leitung 10 durch das zweite Regelventil 9 und das zweite Wegeventil 13 zu der Piloteinspritzeinrichtung 7 gefördert.
Bei Niederlastbetrieb ist das erste Regelventil 7 geschlossen und das zweite Regelventil 9 offen. In der zweiten Leitung 10 wird nun durch das zweite Regelventil 9 und das zweite Wegeventil 13 ein relativ kleiner Strom zu der Piloteinspritzeinrichtung 2 gefördert.
Um in der Lage zu sein, den Durchfluss mit den Regelventilen 7, 9 mit großer Genauigkeit unabhängig von dem Druckwert stromab von den Regelventilen (der prinzipiell durch den Brennkammerdruck und den Druckabfall über den Einspritzeinrichtungen 2, 3 definiert ist) zu regeln, hat die Vorrichtung weitere Ventile 15, 16, um einen konstanten Druckabfall an den Regelventilen aufrechtzuerhalten. Im vorliegenden Fall wird ein Drucksteuerventil 15 mit Überströmfunktion für das erste Regelventil 7 verwendet, während ein Drucksteuerventil 16 mit einer Drosselfunktion für das zweite Regelventil 9 verwendet wird. Im vorliegenden Fall muss, wenn nur eine Pumpe verwendet wird, die Einstellung der Drucksteuerventile 15, 16 so gewählt werden, dass in allen Betriebszuständen das Drucksteuerventil 15 mit Überströmfunktion einen Druck stromauf von den Regelventilen aufrechterhält, der größer ist als der Druck, der stromauf von dem zweiten Regelventil 9 erforderlich ist, oder diesem Druck gleich ist.
Bei der bevorzugten Ausgestaltung von 1 ist auch ein Druckbegrenzungsventil 17 gezeigt, das das System gegen einen gefährlich hohen Druck schützt, daneben werden Ablassventile 18, 19 zum Abführen von Kraftstoff aus den Einspritzeinrichtungen beim Abschalten der Brennkammer verwendet.
2 zeigt in einem Diagramm ein Beispiel der Kraftstoffströme zur Piloteinspritzeinrichtung 2 bzw. zu den Haupteinspritzeinrichtungen 3. Die vertikale Achse zeigt den Strom q, die horizontale Achse die Zeit t. Die ausgezogene Linie zeigt den Strom durch das erste Regelventil 7, die gestrichelte Linie den Strom durch das zweite Regelventil 9. Der Zeitraum a zeigt die Anfahrphase, b den Normalbetrieb. Zwischen der Anfahrphase und dem Normalbetrieb erfolgt ein Anstieg der Mengenströme, um einen weichen Übergang zwischen den unterschiedlichen Betriebszuständen zu erreichen. Während der Anfahrphase wird eine relativ große Kraftstoffmenge q1 der Piloteinspritzeinrichtung 2 über das erste Regelventil 7 zugeführt (der Strom wird während der Anfahrphase etwas reduziert, wenn sich die Maschine mit der Zeit erwärmt). Während der Anfahrphase wird den Haupteinspritzeinrichtungen 3 kein Kraftstoff zugeführt. Wenn die Ansaugluft zur Brennkammer ausreichend heiß ist, damit eine Verbrennung mit den Haupteinspritzeinrichtungen 3 in der beabsichtigten Weise erfolgen kann, werden diese eingekuppelt. Zu der Zeit t1 erfolgt deshalb ein Übergang von der Anfahrphase zum Normalbetrieb. Nach dem Übergang werden die Haupteinspritzeinrichtungen 3 mit Kraftstoff q2 über das erste Regelventil 7 versorgt, während die Piloteinspritzeinrichtung 2 mit einem kleineren Strom q3 über das zweite Regelventil 9 gespeist wird. Zur Zeit t2 gibt es auch eine Beschleunigungsphase c, während der der Strom zu den Haupteinspritzeinrichtungen 3 auf ein Niveau q4, das einem Hochlastbetrieb entspricht, stark erhöht wird.
Wie 2 zeigt, gibt es natürlich Änderungen in dem Mengenstrom, worauf vorstehend als der zweite Mengenstrom Bezug genommen ist. Die Ausdrücke erster Mengenstrom und zweiter Mengenstrom sollen, mit anderen Worten, zwei Mengenstromintervalle bei verschiedenen Pegeln anzeigen. Innerhalb des Stromintervalls von beispielsweise dem zweiten Mengenstrom kann der spezifische Mengenstrom so gesteuert werden, dass unterschiedliche gewünschte Werte erreicht werden.
Die Erfindung ist nicht als begrenzt auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen anzusehen, vielmehr kommt eine Anzahl von weiteren Varianten und Modifizierungen innerhalb des Rahmens der beiliegenden Patentansprüche in Betracht.
Beispielsweise kann eine Regelung mit konstantem Druck auf andere Weise erreicht werden, beispielsweise durch Verwendung von zwei Pumpen, wobei in diesem Fall ein geeigneter Druckabfall an den Regelventilen unabhängig von den Druckniveaus in der Leitung zu der Haupteinspritzeinrichtung bzw. der Piloteinspritzeinrichtung gewählt werden kann.

Claims

Verfahren zum Zuführen von Kraftstoff zu einer Verbrennungskammer, die wenigstens eine Haupteinspritzeinrichtung (3) und wenigstens eine Piloteinspritzeinrichtung (2) aufweist, – wobei der Piloteinspritzeinrichtung während des Anfahrens der Verbrennungskammer überein erstes Regelventil (7) ein erster Kraftstoffstrom in einer ersten Leitung (8) zugeführt wird, – wobei der Piloteinspritzeinrichtung (2) in einer zweiten Leitung (10) ein zweiter Kraftstoffstrom der wesentlich kleiner als der erste Kraftstoffstrom ist, zum Erreichen eines speziellen, sich von dem Anfahrtzustand unterscheidenden Betriebszustands über ein zweites Regelventil (9) zugeführt wird, das so ausgelegt ist, dass es einen wesentlich kleineren Strom als das erste Regelventil (7) regelt, und – wobei das erste Regelventil (7) angeordnet ist, – um den ersten Kraftstrom zu der Haupteinspritzeinrichtung (3) über ein Wegeventil (11) stromab von dem ersten Regelventil (7) zu befördern, wenn die Verbrennungskammer in einem Zustand mit einer Zwischenlast oder einer hohen Last arbeiten soll, und – um den ersten Kraftstoffstrom zu der Piloteinspritzeinrichtung (2) über das Wegeventil (11) und eine Zwischenleitung (12) zu fördern, die die erste und zweite Leitung (8, 10) während des Anfahrens verbindet.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das zweite Regelventil (9) angeordnet ist, um den zweiten kleineren Kraftstoffstrom zu der Piloteinspritzeinrichtung (2) zu fördern, wenn die Verbrennungskammer in einem Zustand mit einer Zwischenlast oder einer hohen Last betrieben werden soll.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das zweite Regelventil (9) angeordnet ist, um den zweiten kleineren Kraftstoffstrom zu der Piloteinspritzeinrichtung (2) zu fördern, wenn die Verbrennungskammer in einem Zustand mit niedriger Last betrieben werden soll.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Verbrennungskammer in einer Gasturbine angeordnet ist.
Vorrichtung zum Zuführen von Kraftstoff zu einer Verbrennungskammer, die wenigstens eine Haupteinspritzeinrichtung (3) und wenigstens eine Piloteinspritzeinrichtung (2) aufweist, wobei die Vorrichtung – einen Kraftstofftank (4), – ein Leitungssystem (5), zwischen dem Kraftstofftank und den Einspritzeinrichtungen (2, 3), – eine Pumpe (6) zum Pumpen von Kraftstoff aus dem Tank zu den Einspritzeinrichtungen, – in erstes Regelventil (7) zum Regeln des Kraftstoffstroms in einer ersten Leitung (8) in dem System, die mit der Piloteinspritzeinrichtung (2) verbunden ist, ein zweites Regelventil (9) zum Regeln des Kraftstoffstroms durch eine zweite Leitung (10) in dem System, die mit der Piloteinspritzeinrichtung (2) verbunden ist, – wobei das zweite Regelventil (9) so ausgelegt ist, dass es einen wesentlich kleineren Strom als das erste Regelventil (7) regelt, und – wobei die erste Leitung (8) auch mit der Haupteinspritzeinrichtung (3) zum Regeln des Stroms zu letzterer mit Hilfe des ersten Regelventils (7) verbunden ist, und – ein Wegeventil (11) stromab von dem ersten Regelventil und eine Zwischenleitung (12) aufweist, die die erste und die zweite Leitung (8, 10) verbindet, – wobei das Wegeventil (11) und die Zwischenleitung (12) für das Fördern des Kraftstoffstroms zu der Haupteinspritzeinrichtung (3) oder der Piloteinspritzeinrichtung (2) angepasst sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher das zweite Regelventil (9) für das Regeln eines Stroms ausgelegt ist, der wenigstens kleiner als 20% und vorzugsweise kleiner als 10% des Stroms ist, für dessen Regelung das erste Regelventil (7) ausgelegt ist
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, die zum Zuführen von Kraftstoff zu der Verbrennungskammer einer Gasturbine ausgelegt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei welcher die Gasturbine einen Abgaswärmeaustauscher aufweist.