DE60209928T2

DE60209928T2 - Verfahren zum starten einer gasturbine

Info

Publication number: DE60209928T2
Application number: DE60209928T
Authority: DE
Inventors: Richard Gloucester O'CONNOR
Original assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Current assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Priority date: 2001-12-14
Filing date: 2002-11-07
Publication date: 2006-12-14
Anticipated expiration: 2022-11-08
Also published as: US6810676B2; CA2466568A1; WO2003052250A1; DE60209928D1; CA2466568C; JP4118811B2; EP1454046A1; US20030110777A1; US20050028533A1; EP1454046B1; JP2005513319A; US6988368B2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft das generelle Gebiet von Gasturbinenmaschinen und insbesondere ein Verfahren zum Erzielen einer Entflammungs-Brennstoffströmung bei einer Vielzahl von Höhen- und Temperaturbedingungen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In einer Gasturbinenmaschine wird kontinuierlich Einlassluft verdichtet, mit Brennstoff in einem brennbaren Verhältnis vermischt und dann einer Zündquelle ausgesetzt, um die Mischung zu zünden, die dann weiter brennt, um die Verbrennungsprodukte zu erzeugen.
Das Anlassen einer Gasturbinenmaschine ist ein komplexer Vorgang und weist generell zwei Stufen auf. Bei der ersten Stufe wird die Gasturbinenmaschine durch ein Drehmoment gedreht, welches von einer externen Quelle bereitgestellt wird, beispielsweise durch einen Anlasser. Wenn ein vorbestimmter Verdichterdruck oder wenn eine vorbestimmte Verdichterdrehzahl erreicht ist, wird eine Brennstoffströmung mit einer kontrollierten Rate in die Brennkammer injiziert, um sich mit der Luftströmung zu vermischen, und die Mischung wird einer Zündquelle ausgesetzt, und schließlich kommt es zu einer Zündung. In der zweiten Stufe wird die Brennstoffströmung kontinuierlich in die Brennkammer injiziert und ermöglicht es der lokalen Entzündung, voranzuschreiten und sich auszubreiten, um eine stabile Verbrennung in der Brennkammer zu bilden. Während der zweiten Stufe wird die Maschinendrehzahl erhöht, indem die Brennstoffströmungsinjektion erhöht wird, bis die Maschine bei einer selbsttragenden Drehzahl arbeitet.
Als Teil der Maschinenkonstruktions-Testverfahren müssen Gasturbinenmaschinen in der Lage sein, unter Bedingungen angelassen zu werden, die einen Bereich von Temperaturen und Höhen beinhalten. Höhen können von nach unten bis zu einigen Tausend Fuß unterhalb Meeresniveau bis auf Höhen, die über 65.000 Fuß über Meeresniveau sind, variieren. Temperaturen können in einem Bereich von –60°F bis unter +335°F sein.
Die typische Maschinenbrennstoffkontrolle stellt eine feste Anlassbrennstoffströmung zum Entflammen, basierend auf dem Umgebungsdruck und der Umgebungstemperatur, bereit. Im Fall eines erneuten Entflammens während des Fluges können die Effekte von Stauluft auch in das Brennstoffkontrollsystem eingegeben werden, um zusätzlich einen Bias für die Brennstoffströmung für das Entflammen zu schaffen.
Die Anforderungen der Maschine für die Entflammungs-Brennstoffzufuhr variieren signifikant mit der Maschinengröße, der Anzahl von Düsen, der Art von verwendeten Düsen, der Höhe, der Temperatur der Luft und des Brennstoffs, der viskosen und aerodynamischen Widerstandseffekte auf die Rotoren und die Vorwärtsgeschwindigkeit der Maschine. Zunehmende Höhe bewirkt eine Verknappung der Luft und ein Erfordernis zum Verringern der Entflammungs-Brennstoffströmung. Sehr kalte Temperaturen bewirken ein Bedürfnis nach höheren Brennstoffströmungen, um ein Entflammen zu erzielen. Insbesondere kann bei sehr kalten statischen Anlassvorgängen in großer Höhe ein sehr hohes Entflammungs-Brennstoffströmungserfordernis benötigt werden, um ein Entflammen zu initiieren. Jedoch kann ein Beibehalten dieser Strömung zu Übertemperaturen in dem Turbinenbereich und den daraus folgenden zugehörigen Belastungen führen. Außerdem kann diese hohe Brennstoffströmung, die für das Entflammen benötigt wird, zum Emittieren einer sichtbaren Flamme aus dem Strahlrohr oder der Ausströmöffnung der Maschine führen. Längere Entflammungszeiten können zu einer Ansammlung von Brennstoff führen. Sobald dieser angesammelte Brennstoff schließlich brennt, kann es zu einer sichtbaren Fackelbildung führen. Diese Fackelbildung ist höchst unerwünscht, da sie auch zu einer Maschinenschädigung an der Turbinenbeschaufelung führen kann.
Es wurden Anstrengungen in der Industrie unternommen, um das Anlassen von Gasturbinenmaschinen zu verbessern, insbesondere um die Entflammungszeit zu verringern, die von dem Zeitpunkt der Brennstoffinjektion bis zu dem Auftreten des Entflammens genommen wird, um ein schnelles Anlassen der Maschine zu haben. Das US-Patent 5 718 111, welches Ling et al. am 17. Febru ar 1998 erteilt wurde, beschreibt, als ein Beispiel derartiger Anstrengungen ein Gasturbinenmaschinen-Anlass-Kontrollsystem und -Verfahren, wobei die Maschinenaustrittstemperatur und die Verdichterdrehzahländerungsrate erfasst werden, und die erfassten Parameter werden mit gewünschten Anlasseigenschaften verglichen und mit Nachschlagetabellen referenziert, um einen Ausgangs-Zusammensetzungs-Faktor zu bestimmen. Basierend auf dem Ausgangs-Zusammensetzungs-Faktor wird das Anlassen der Gasturbinenmaschine angepasst, generell durch ein Anpassen der Brennstoffströmung durch die Verwendung eines Brennstoffkontrollsystems. Ähnlich beschreibt EP 856 651 das Beschleunigen der Maschine auf Entflammungsdrehzahl und dann Injizieren einer schnellen transienten Anreicherung von Brennstoff in die Brennkammer.
US-Patent 6 062 016, welches Edelman am 16. Mai 2000 erteilt wurde, beschreibt ein Gasturbinenmaschinen-Entflammungssystem und -Verfahren, wobei die Gasturbinenmaschine bei einer festen Drehzahl betrieben wird, um eine im Wesentlichen konstante Zufuhr von Verbrennungsluft zum Entflammen zu schaffen, und die Brennstoffströmung wird rampenartig nach oben gefahren, um das korrekte Brennstoff/Luft-Verhältnis für das Entflammen zu erzielen.
US-Patent 5 107 674, welches Wibbelsman et al. am 28. April 1992 erteilt wurde, beschreibt ein Anlasssystem für ein Flugzeug-Gasturbinentriebwerk. Das Anlasssystem kontrolliert automatisch das sequenzielle Ablaufen von Ereignissen, die während des Anlassens der Maschine benötigt werden, die zum Entflammen führen, einschließlich Sensoren für Umgebungstemperatur, Abgastemperatur, Verdichterdrehzahl, Brennstoffströmung, etc. Die Steuerung weist Brennstoffströmung in einer Weise zu, die Strömungsabrisse vermeidet und nimmt eine Korrekturmaßnahme vor, wenn es zu Strömungsabrissen kommt, und liefert eine Zuweisung von Brennstoffströmung bei äußerst kalten Bedingungen.
US-Patent 5 369 948, welches Vertens et al. am 6. Dezember 1994 erteilt wurde, beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Anlassen einer Gasturbinenmaschine. Bei dieser Vorrichtung mit einer Anlasssteuerung für eine Gasturbinenmaschine wird die durch gesteuerte Dosierpumpen injizierte Brennstoffmenge vorbestimmt, wodurch die Menge an injiziertem Brennstoff als eine Funktion der Differenz zwischen dem Injektionsdruck und dem Verdichterdruck in der Brennkammer der Turbine oder an dem Verdichterauslass geregelt werden kann.
Dennoch gibt es immer noch ein Bedürfnis nach einem besseren Maschinenanlassverfahren zum Verringern von Entflammungszeit des Maschinenanlassens und zum Vermeiden des Injizierens von übermäßigem Brennstoff während des Maschinenanlassens, insbesondere bei kalten Wetterbedingungen, weil die Brennstoffgenauigkeit für das Erzielen des Entflammens von Gasturbinenmaschinen um so kritischer wird, je kälter die Temperatur von Brennstoff und Luft werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Verfahren zum Maschinenanlassen in einer Gasturbinenmaschine gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Schritte des Rotierens der Maschine, um eine Luftströmung in eine Brennkammer der Maschine bereitzustellen, und des Injizierens von Brennstoff in die Brennkammer mit einer sich ändernden Rate, bis die Maschine entflammt ist, auf. Die sich ändernde Rate der Brennstoffinjektion ist eine Funktion der Zeit und repräsentiert durch eine Kurve, die mindestens eine hohe Frequenz hat, die momentane Änderungen der Rate zum Schneiden einer Entflammungszone repräsentiert. Die Kurve hat vorzugsweise ferner eine niedrige Frequenz bezogen auf die Entflammungszeit, was einen Änderungstrend der sich ändernden Rate repräsentiert. Nach dem Auftreten des Entflammens wird die Maschine auf einen selbsttragenden Betriebszustand beschleunigt durch kontinuierliches Injizieren von Brennstoff in die Brennkammer. Die Maschine kann mit einer sich gemäß einer zeitlichen Funktion ändernden Drehzahl rotiert werden, beispielsweise zunehmende Drehzahl, oder mit einer festen Drehzahl rotiert werden, um ein Entflammen zu erzielen. Die Kurve zum Schneiden einer Entflammungszone hat vorzugsweise einen zunehmenden Trend und weist beispielsweise gemäß verschiedener Ausführungsformen ein oszillierendes Profil, ein quadratisch angenähertes Wellenprofil (squared-off wave profile), ein Stufenprofil oder eine Serie von Spitzen auf.
Die Mischung aus Brennstoff und Luft kann in der Brennkammer einer Gasturbinenmaschine bei einem Brennstoff/Luft-Verhältnis, welches in einen geeigneten Bereich fällt, entzündet werden, was generell als Entflammen bezeichnet wird. Dieser Brennstoff/Luft-Verhältnis-Bereich für das Entflammen wird be einflusst durch die Brennstoffviskosität, die Atmosphärentemperatur und den Atmosphärenluftdruck. Der Luftdruck wird hauptsächlich durch die Verdichterdrehzahl und die Höhe, auf der die Gasturbinenmaschine angeordnet ist, bestimmt. Während des Gasturbinenbetriebs, einschließlich des Anlassverfahrens davon, wird die Luftströmung, welche in die Brennkammer gelangt und sich mit dem Brennstoff vermischt, von dem Verdichter der Maschine getrieben, und so ist die Luftströmungsrate eine Funktion der Verdichterdrehzahl oder der Maschinendrehzahl. Deshalb ist der Brennstoff/Luft-Verhältnis-Bereich für das Entflammen hauptsächlich durch eine Entflammungszone einer Brennstoffströmungsrate und einer Maschinendrehzahlrate bestimmt. Die Entflammungszone wird durch die atmosphärische Temperatur und die Höhe beeinflusst, bei der die Maschine positioniert ist. Das wird nachfolgend weiter beschrieben. Deshalb ist es normalerweise schwierig, ein schnelles Entflammen unter verschiedenen Temperatur- und Höhenbedingungen, insbesondere bei kaltem Wetter, zu erzielen, wenn nicht die präzise Entflammungszone unter diesen Bedingungen identifiziert werden kann.
Im Gegensatz zu der konventionellen Weise der Brennstoffinjektion zum Entflammen, bei der die Brennstoffinjektionsrate generell durch eine lineare oder monotone Kurve repräsentiert ist, liefert die vorliegende Erfindung eine neue Art zum Injizieren von Brennstoff in die Brennkammer zum Erzielen von Entflammen, bei der der Brennstoff mit einer sich ändernden Rate injiziert wird, was durch eine Kurve repräsentiert werden kann, welche mindestens eine hohe Frequenz hat, beispielsweise ein oszillierendes Profil, welches momentane Änderungen der Rate repräsentiert, was verschiedene momentane Brennstoff/Luft-Verhältnisse liefert, um die zu den speziellen Temperatur- und Höhenbedingungen gehörende Entflammungszone zu lokalisieren und dabei die Menge an in die Brennkammer injiziertem Brennstoff zu verringern. Das wird mit Bezugnahme auf die Zeichnungen und die Ausführungsformen nachfolgend beschrieben.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Mehrzahl von Sensoren vorgesehen, um die Temperaturen der Brennstoff- und Luftströmung, die in die Brennkammer injiziert werden sollen, die Vorwärtsfluggeschwindigkeit-Stauluftmenge, die als die Druckdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass der Gasturbinenmaschine gemessen wird, und die Drehzahl der Maschine zu messen. Die gemessenen Daten werden verarbeitet, um eine minimale Maschinendrehzahl zu bestimmen, bei der das Einbringen eines vorbestimmten ersten Brennstoffströmungsniveaus beginnt. Die Temperatur der Abgasströmung wird auch gemessen, um zu bestimmen, ob es zu einem Entflammen kommt. Die Entflammungszeit wird gemessen und in einer Datenbank zusammen mit allen anderen Messdaten gespeichert für eine Bezugnahme bei einem zukünftigen Entflammen der Gasturbinenmaschine, welches unter ähnlichen Höhen- und Temperaturbedingungen erfolgt. Somit können das vorbestimmte erste Brennstoffströmungsniveau, die Kriterien für die minimale Maschinendrehzahl für das Einbringen des vorbestimmten ersten Brennstoffströmungsniveaus und das Profil der Kurve, welche die sich ändernde Brennstoffinjektionsrate repräsentiert, angepasst werden, um eine kürzere Entflammungszeit basierend auf der in der Datenbank gespeicherten Information zu erzielen.
Die Grundlage der vorliegenden Erfindung basiert zum Teil auf dem Prinzip, dass "bei jeder vorgegebenen Luftmassenströmung der Bereich von Luft/Brennstoffverhältnis, in dem die Mischung entzündet werden kann, schmaler ist als der, für den eine stabile Verbrennung möglich ist, sobald es zu einem Zünden gekommen ist". Dieses Prinzip ist in "Gas Turbine Theory" von H. Cohen, G.F.C. Rogers und H.I.H. Saravanamuttoo angegeben. Die zunehmende oszillatorische Entflammungs-Brennstoffströmung wird die Entflammungszone schneiden, und sobald die Maschine entflammt ist, wird die Verbrennung bei einer niedrigeren Brennstoffströmung aufrecht erhalten, weil das Entflammen der Brennstoff/Luftmischung zu einem speziellen Augenblick in einem sehr kleinen lokalen Bereich erfolgt, so dass das Auftreten von Entflammen hauptsächlich durch das momentane Brennstoff/Luft-Verhältnis oder durch die momentane Brennstoffströmungsrate bestimmt ist. Andererseits wird eine stabile Verbrennung effizienter durch das durchschnittliche Brennstoff/Luft-Verhältnis oder durch die durchschnittliche Brennstoffströmungsrate bestimmt. Die durchschnittliche Brennstoffströmung eines jeden Zyklus der Entflammungs-Brennstoffströmung ist niedriger als die maximale Brennstoffströmungsrate in dem gleichen Zyklus. Somit kann selbst bei sehr kaltem Wetter ein schnelles Entflammen einer Gasturbinenmaschine erzielt werden und eine kontinuierliche Verbrennung aufrecht erhalten werden, und somit kann eine übermäßige Brennstoffinjektion vermieden werden.
Andere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung wird man mit Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen und die Zeichnungen der vorliegenden Erfindung, die nachfolgend beschrieben werden, besser verstehen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachdem so generell die Art der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde, wird nun auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die zu Zwecken der Darstellung die bevorzugten Ausführungsformen davon zeigen, für die gilt:
1 ist eine Schnittansicht einer Gasturbinenmaschine, welche eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet;
2 ist eine vereinfachte Darstellung, die ein Maschinenanlassverfahren gemäß der Ausführungsform der 1 zeigt;
3 ist eine grafische Darstellung, die ein Brennstoffinjektionsprofil zeigt, welches bei der Ausführungsform der 1 verwendet wird;
3a ist eine grafische Darstellung, welche die Details des Brennstoffinjektionsprofils von 3 zeigt;
3b bis 3d sind grafische Darstellungen, welche verschiedene Brennstoffströmungsprofile gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigen;
4 ist eine grafische Darstellung, die eine durch die Brennstoffströmungsrate und die Maschinendrehzahlrate definierte Entflammungszone zeigt;
5 ist eine schematische Darstellung, die Änderungen der Entflammungszone beeinflusst durch Temperaturen und Höhen zeigt; und
6 ist eine geografische Darstellung, welche eine Brennstoffströmung zeigt, die eine Entflammungszone schneidet, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es wird auf die Zeichnungen und insbesondere die 1 Bezug genommen. Eine beispielhafte Gasturbinenmaschine 10 weist in serieller Strömungsverbindung um eine Längsmittelachse 12 einen Bläser mit einer Mehrzahl von umfangsmäßig beabstandeten Bläser- oder Rotorlaufschaufeln 14, einen konventionellen Niederdruckverdichter 16, einen konventionellen Hochdruckverdichter 18, eine konventionelle ringförmige Brennkammer 20, eine konventionelle Hochdruckturbine 22 und eine konventionelle Niederdruckkabine 24 auf. Die Niederdruckturbine 24 ist sicher sowohl mit dem Niederdruckverdichter 16 als auch den Bläserlaufschaufeln 14 durch eine erste Rotorwelle 26 verbunden, und die Hochdruckturbine 22 ist sicher mit dem Hochdruckverdichter 18 durch eine zweite Rotorwelle 28 verbunden. Eine konventionelle Brennstoffinjektionseinrichtung 30 ist zum selektiven Injizieren einer Brennstoffströmung in die Brennkammer zum Antreiben der Maschine 10 vorgesehen. Eine Zündfunkenzündeinrichtung 33 ist in der Brennkammer 20 in enger Nähe zu den Brennstoffdüsen (nicht durch Bezugszeichen bezeichnet) der Brennstoffinjektionseinrichtung 30 vorgesehen.
Ein konventionelles ringförmiges Gehäuse 32 umgibt die Maschine 10 von dem Niederdruckverdichter 16 zu der Niederdruckturbine 24 und definiert mit dem Niederdruckverdichter 16 einen Niederdruckverdichtereinlass 34 für das Aufnehmen eines Teils der Umgebungsluft, welche durch Pfeile 36 repräsentiert ist. Das strömungsabwärtige Ende des Gehäuses 32 definiert mit einem konventionellen ringförmigen Abgaszapfen 40 einen ringförmigen Abgasauslass 42. Ein Teil der durch die Bläserlaufschaufeln 14 verdichteten Umgebungsluft 36 benachbart den Laufschaufelwurzeln 38 wird durch den Niederdruckverdichter 16 und den Hochdruckverdichter 18 weiter verdichtet und in die Brennkammer 20 gezwungen. Die Mischung der verdichteten Luft 36 und des durch die Brennstoffinjektionseinrichtung 30 injizierten Brennstoffs erzeugt durch Pfeile 52 dargestellte Verbrennungsgase. Die Verbrennungsgase 52 lassen die Hochdruckturbine 22 und die Niederdruckturbine 24 rotieren, um den Hochdruckverdichter 18 bzw. den Niederdruckverdichter 16 und die Bläserlaufschaufeln 14 anzutreiben.
Die Laufschaufeln 14 und den strömungsaufwärtigen Bereich des Gehäuses 32 umgibt eine Gondel 44, die radial nach außen von dem Gehäuse 32 beabstandet ist, die zusammen mit dem Gehäuse 32 einen ringförmigen Kanal 55 definiert, um es dem radial äußeren Teil der Luft 36, welche durch die Laufschaufeln 14 verdichtet wurde, zu erlauben, die Maschine zu umströmen. Zur einfacheren Beschreibung ist diese Bypassluftströmung durch Pfeile 36a angegeben. Eine Mehrzahl von umfangsmäßig beabstandeten Statorleitschaufeln 46 ragt radial zwischen dem Gehäuse 32 und der Gondel 44, und sie sind axial strömungsabwärts von den Laufschaufeln 14 beabstandet. Die Gondel 44 weist einen Einlass 48 an ihrem strömungsaufwärtigen Ende zum Aufnehmen der Umgebungsluft 36 und einen Auslass 50 an dem strömungsabwärtigen Ende zum Abgeben der Bypassluftströmung 36a zum Liefern eines Teils des Schubs auf.
Es wird nun auf die 1 und 2 Bezug genommen. Während eines Anlassverfahrens der Maschine 10 wird die Maschine 10, insbesondere der Hochdruckverdichter 18 der Maschine 10, von einem Anlasser (nicht gezeigt) rotiert, um die Luftströmung 36 in die Brennkammer 20 zu liefern. Ein Sensor (nicht gezeigt), der dem Hochdruckverdichter 18 zugeordnet ist, misst die Drehzahl des Hochdruckverdichters 18 und gibt an eine elektronische Maschinensteuerung 56 ein Drehzahlsignal ab, welches durch den Block 60 repräsentiert ist. Wenn eine minimale Drehzahl des Hochdruckverdichters 16 gemäß vorbestimmten Kriterien erreicht ist, signalisiert die elektronische Maschinensteuerung 56 der Brennstoffinjektionseinrichtung 30, welche die Brennstoffpumpe 29 und ein Stepperventil oder ein Drehmomentmotorventil 31 oder ein Ventil äquivalenter Funktion aufweist, mit der Injektion einer Brennstoffströmung in die Brennkammer zu beginnen, welche beispielsweise ein zunehmendes oszillierendes Profil hat, wie in dem Block 78 gezeigt, in dem F die Brennstoffströmung repräsentiert und T die Zeit repräsentiert. Die Mischung aus Brennstoff und Luft mit dem sich ändernden Brennstoff/Luft-Verhältnis kommt in Kontakt mit der Zündfunkenzündeinrichtung 33 und bewirkt ein Entflammen des Verbrennungsprozesses in der Brennkammer 20, wenn ein geeignetes Brennstoff/Luft-Verhältnis erreicht wird. Um das Auftreten eines Entflammens zu bestimmen, wird ein Abgastemperatursignal, welches durch den Block 62 repräsentiert ist, durch einen (nicht gezeigten) dem ringförmigen Abgasauslass 42 zugeordneten Temperatursensor an die elektronische Maschinensteuerung 56 gesendet. Wenn eine Schwellenwerttemperatur von beispielsweise 200°F gemessen wird, signalisiert die elektronische Maschinensteuerung 56 der Brennstoffinjektionseinrichtung 30, die Brennstoffströmung gemäß einer Brennstoffvorgabe zu injizieren, die für den Maschinenbetrieb von dem Ent flammungspunkt bis zu einem selbsttragenden Zustand benötigt wird, und die auf aktuell bekannten Profilen basiert. Diese Brennstoffvorgabe könnte einem Brennstoffströmungsprofil mit offener Schleife basierend auf einer gewünschten Beschleunigungsrate folgen oder könnte auf einem limitierenden Abgastemperatursignal 62 basieren, wie es eine spezielle Maschinenanwendung betrifft.
Während des Entflammungsverfahrens erhält die elektronische Maschinensteuerung 56 auch ein Temperatursignal 64 der Umgebungseinlassluft 36, ein Höhensignal 66, welches durch den Höhendruck der Einlassluft angegeben ist, ein Stauluftsignal (Ram) 68, welches eine Messung der Vorwärtsgeschwindigkeit oder der Druckdifferenz ist, die über die Maschine 10 existiert, und ein Brennstofftemperatursignal 70. Diese Signale werden von der elektronischen Maschinensteuerung 56 verwendet, um ein passendes Brennstoffströmungsprofil für das Entflammungsverfahren auszuwählen. Ein Timing-Signal 72, welches von einer Timer-Schaltung (nicht gezeigt) erzeugt wird, die in die elektronische Maschinensteuerung 56 integriert ist, wird zum Messen der Entflammungszeit verwendet, die von dem Punkt des Anfangs der Brennstoffinjektion bis zu dem Auftreten des Entflammens genommen wird. Ein Fackelbildungssignal 74 ist ein optionales ultraviolettes oder fotoelektronisches Signal, welches die Anwesenheit von sichtbaren Flammen an dem Abgasauslass 42 der Maschine 10 anzeigt. Eine Datenbank 58 ist mit der elektronischen Maschinensteuerung 56 vorgesehen zum Speichern sämtlicher Daten, die erfasst oder gemessen wurden, sowie anderen vorbestimmten Daten und Programmen.
Das Maschinenanlassverfahren wird weiter im Prinzip beschrieben und wird im Detail mit Bezugnahme auf die 3 bis 6 beschrieben. Die Brennstoffströmung mit einer variierenden Rate, die in die Brennkammer injiziert wird, um Entflammen zu erreichen, ist eine Funktion der Zeit und wird durch eine Kurve 76 repräsentiert, wie mit den Koordinaten der Strömungsrate (F) und der Zeit (T) in der 3 gezeigt, die eine niedrigere Frequenz hat, welche einen sich ändernden Trend der Brennstoffströmungsrate repräsentiert und mindestens eine hohe Frequenz hat, die momentane Änderungen der Strömungsrate repräsentiert. Die Zeitdauer zwischen T₂ und T₁ ist die Entflammungszeit, wobei die Brennstoffinjektion bei der Zeit T₁ beginnt und das Entflammen bei T₂ auftritt.
Die niedrige Frequenz der Kurve 76 hat eine Zykluszeitdauer, die viel größer ist als die Entflammungszeit oder die Zeitdauer zwischen T₂ und T₁, so dass die niedrige Frequenz der Kurve 76 generell die sich ändernde durchschnittliche Strömungsrate repräsentiert, was die hoch frequenten Komponenten filtert, und sie ist durch den Teil der Kurve 76 mit unterbrochener Linie gezeigt. In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung repräsentiert der Änderungstrend der Brennstoffströmungsrate einen zunehmenden Trend. Jedoch muss die Kurve 76 nicht notwendigerweise die niedrige Frequenz aufweisen. Mit einer selbst-lernenden Funktion, die in dieses Maschinenanlassverfahren inkorporiert ist, kann ein schnelles Entflammen ohne den Änderungstrend der sich ändernden Brennstoffströmungsrate erreicht werden. Das wird nachfolgend weiter beschrieben.
Die mindestens eine hoch frequente Kurve 76 in dieser Ausführungsform weist ein zunehmendes oszillierendes Profil auf und weist insbesondere eine Serie von Spitzen 80 auf, die, wie deutlicher in 3a gezeigt, generell einen Abschnitt S₁ mit relativ niedriger und gleichmäßiger Strömungsrate und einen schnell und momentan ansteigenden Abschnitt S₂ aufweist, um eine momentane maximale Strömungsrate M_a zu erreichen, sowie einen abfallenden Abschnitt S₃, der eine allmähliche Änderung der Brennstoffrate repräsentiert und momentan und schnell von der momentanen maximalen Strömungsrate M_a auf eine relativ niedrige und stabile Strömungsrate des nächsten Zyklus der Spitzen abfällt. Dennoch könnte die Kurve 76 mit mindestens einer hohen Frequenz variieren, wie dargestellt durch beispielsweise ein Squared-off-Profil 76b, wie in 3b gezeigt, ein generell oszillierendes Profil, wie ein zufällig oszillierendes Profil 76c, wie in 3c gezeigt, oder ein Stufenprofil 76d, wie in 3d gezeigt.
Man erkennt, dass einerseits ein Entflammen in einem sehr kurzen Moment erfolgt und generell durch das momentane Brennstoff/Luft-Verhältnis bestimmt ist, und andererseits ein stabiler Verbrennungsprozess generell von dem durchschnittlichen Brennstoff/Luft-Verhältnis abhängt. Es ist ein generell anerkanntes Prinzip, dass bei jeder vorgegebenen Luftmassenströmung der Bereich von Luft/Brennstoff-Verhältnis, in dem die Mischung entzündet werden kann, schmaler ist als der, für den eine stabile Verbrennung möglich ist, sobald ein Zünden erfolgt ist. Die sich ändernde Brennstoffrate, die durch die Kurve 76 repräsentiert ist, mit den hoch frequenten Komponenten, liefert vorteilhafterweise eine Mehrzahl von momentanen maximalen Brennstoffströmungsraten, während die durchschnittliche Brennstoffströmungsrate auf einem allmählich sich ändernden Niveau, verglichen mit den momentan maximalen Brennstoffströmungsraten, niedriger gehalten ist. Wenn die Luftströmungsrate in die Brennkammer 20 fest ist oder sich in einer relativ stabilen Weise ändert, sind die Brennstoff/Luft-Verhältnisse hauptsächlich durch die Eigenschaften der Kurve 76 bestimmt. Diese momentanen maximalen Brennstoffströmungsraten stellen das relativ kleinere Luft/Brennstoff-Verhältnis für das Entflammen sicher, und das niedrige durchschnittliche Brennstoffströmungsniveau stellt ein relativ größeres Luft/Brennstoff-Verhältnis für stabile Verbrennung sicher. Deshalb liefert die durch die Kurve 76 repräsentierte zunehmende oszillierende Brennstoffströmungsrate ein neues Entflammungs-Brennstoffströmungsprofil, welches die Entflammungserfordernisse erfüllt, die in diesem Prinzip angegeben sind.
Die Brennstoffströmungsratenkurve 76 weist generell ein vorbestimmtes erstes Brennstoffströmungsniveau F₁ auf, welches lediglich für eine kurze Zeitdauer beibehalten wird und sich dann zu dem oszillierenden Profil ändert. Das vorbestimmte erste Brennstoffströmungsniveau F₁ und die Anfangszeit T₁ der Brennstoffströmungsinjektion sowie andere Eigenschaften der Brennstoffströmungskurve 76 werden gemäß der Höhen- und Temperaturbedingungen, bei denen die Maschine 10 angelassen wird, bestimmt. Das wird nachfolgend weiter beschrieben.
4 zeigt die Relation zwischen dem Auftreten von Entflammen und der Brennstoffströmungsrate als ein Prozentsatz der Brennstoffströmungsrate, angezeigt durch WF (%), und der Gasgeneratordrehzahl als ein Prozentsatz der vollen Gasgeneratordrehzahl, angezeigt durch Ng (%). Man versteht, dass die Gasgeneratordrehzahl in 4 der Drehzahl des Hochdruckverdichters 18 der Maschine äquivalent ist. In 4 wird die Brennstoffströmung in die Brennkammer mit sich ändernden Raten injiziert, und die Luftströmung wird in die Brennkammer mit sich ändernden Raten verdichtet, die mit den Gasgeneratordrehzahlraten korrespondieren. Somit kann man sich ändernde Brennstoff/Luft-Verhältnisse erreichen, und sie sind als Kreuzungspunkte der vertikalen und horizontalen Linien repräsentiert. Dennoch erfüllen lediglich die Kreuzungspunkte, welche die passenden Brennstoff/Luft-Verhältnisse repräsentieren, die Erfordernisse für Entflammen unter speziellen Höhen- und Temperaturbedingungen. Diese Kreu zungspunkte repräsentieren einen durch den geschlossenen Umlauf B definierten Bereich. Die Kreuzungspunkte, welche Brennstoff/Luft-Verhältnisse repräsentieren, bei denen es nicht zu einem Entflammen kommt, definieren den Bereich C, der den Bereich B umgibt. Der Entflammungsbereich B, der nachfolgend als die Entflammungszone bezeichnet wird, weist einen Bereich von Brennstoff/Luft-Verhältnissen auf, bei denen es zu einem Entflammen kommen kann. Jedoch ist die Entflammungszeit bei verschiedenen Brennstoff/Luft-Verhältnissen unterschiedlich. Generell gilt, dass Entflammungszeiten bei den Brennstoff/Luft-Verhältnissen, welche durch die Kreuzungspunkte in der Entflammungszone und nahe an deren Grenze repräsentiert sind, länger sind als die Entflammungszeiten der Brennstoff/Luft-Verhältnisse, welche durch die Kreuzungspunkte näher am Zentrum der Entflammungszone repräsentiert sind. Somit illustriert ein zentraler Bereich, der durch den geschlossenen Umlauf A definiert ist, einen kleineren Bereich von Brennstoff/Luft-Verhältnissen für ein schnelleres Entflammen.
5 ist eine schematische, grafische Darstellung, welche die Entflammungszonen unter verschiedenen Höhen- und Temperaturbedingungen zeigt, in der die Entflammungszonen schematisch lediglich zu Zwecken der Diskussion dargestellt sind und nicht die direkten Ergebnisse von Tests sind. Die Umgebungslufttemperatur beeinflusst nicht nur direkt die Temperatur der Luftströmung, der Brennstoffströmung und somit die Temperatur der in die Brennkammer injizierten Mischung, sondern beeinflusst auch die Dichte der Luft, was so das tatsächliche Brennstoff/Luft-Verhältnis beeinflusst, wenn die Brennstoffströmungsrate und die Maschinengeneratordrehzahl fest sind. Der Umgebungsluftdruck ändert sich bei unterschiedlichen Höhen, was die Dichte der Umgebungsluft ändert und so das tatsächliche Brennstoff/Luft-Verhältnis beeinflusst. Somit ändert sich die Entflammungszone, wenn sich die Höhenbedingungen oder die Umgebungstemperaturbedingungen ändern. Die Entflammungszonen 82 bis 92, die in 5 dargestellt sind, sind die jeweiligen Beispiele der 4 unter verschiedenen Temperatur- und Höhenbedingungen. Der generelle Effekt der Temperatur bei großen Höhen auf die Entflammungsgrenze ist in der Zone 82 großer Höhe und niedriger Temperatur, der Zone 84 großer Höhe und moderater Temperatur und der Zone 86 großer Höhe und hoher Temperatur gezeigt. Der generelle Effekt der Temperatur bei niedrigen Höhen auf die Entflammungsgrenze ist in der Zone 88 niedriger Höhe niedriger Temperatur, der Zone 90 niedriger Höhe moderater Temperatur und der Zone 92 niedriger Höhe hoher Temperatur gezeigt. Es ist gezeigt, dass bei einer festen Höhenbedingung die Entflammungszone b kleiner wird und sich die Position der Entflammungszone B bezogen auf die Koordinaten der Brennstoffströmung und der Gasgeneratordrehzahl ändert, wenn die Umgebungslufttemperatur niedriger wird. Die Entflammungszone B ändert sich auch in ihrer Form und Position, wenn sich die Höhe ändert, aber die Umgebungslufttemperatur relativ konstant bleibt. Deshalb müssen die Parameter, welche die Brennstoffströmungsratenkurve 76 in 3 bestimmen, ansprechend auf die Änderungen der Höhen- und Temperaturbedingungen geändert werden, um ein schnelles Entflammen zu erreichen.
Die Brennstoffströmungsratenkurve 76, die in 3 gezeigt ist, ist eine Funktion der Zeit. Während eines Anlassverfahrens nimmt die Gasgeneratordrehzahl allmählich zu und ist auch eine Funktion der Zeit. Deshalb kann die sich ändernde Brennstoffströmungsrate als eine Funktion der Zeit zu einer Funktion der Gasgeneratordrehzahl geändert werden, indem man eine mathematische Berechnung vornimmt, und dadurch wird die Brennstoffströmungsratenkurve 76 in 3 in eine korrespondierende Brennstoffströmungsratenkurve 76' mit Bezugnahme auf die Koordinaten Brennstoffströmungsprozentsatz WF (%) und Gasgeneratordrehzahl-Prozentsatz NG (%) konvertiert, wie in 6 gezeigt. Eine hypothetische Entflammungszone 94 und deren Zentralbereich 96 für schnelles Entflammen sind auch in 6 gezeigt.
Man versteht, dass dann, wenn die Brennstoffströmungsratenkurve 76' die Entflammungszone 94 oder deren Zentralbereich 96 schneidet, die Erfordernisse für Entflammen erfüllt sind und es zu einem Entflammen kommt. Jedoch variiert der präzise Punkt in der hypothetischen Entflammungszone 94, bei dem es zum Entflammen kommt, abhängig von den Parametern der Kurve 76' und anderen Bedingungen. Wie in 5 gezeigt, variieren die Größe, die Gestalt und die Position der Entflammungszone unter verschiedenen Höhen- und Temperaturbedingungen. Deshalb ist es schwierig, ein Entflammen unter verschiedenen Höhen- und Temperaturbedingungen zu lokalisieren, insbesondere bei sehr kaltem Wetter, weil die Entflammungszone relativ kleiner ist. Das Spitzenprofil oder die anderen Profile der in den 3b bis 3d gezeigten Kurve überstreichen einen Bereich, wenn die durchschnittliche Brennstoffströmungsrate zunimmt, so dass die Kurve 76' vorteilhafterweise mehrere Möglichkeiten liefert, die hypothetische Entflammungszone oder deren zentralen Bereich 96 zu schneiden, im Gegensatz zu einer sich ändernden Brennstoffströmungsrate, die durch eine lineare oder eine monotone Kurve repräsentiert ist, die im Stand der Technik verwendet wird, um die Entflammungszone für das Entflammen der Maschinenverbrennung zu schneiden.
Die hypothetische Entflammungszone 94 und deren Zentralbereich 96 ändern sich in ihrer Form, Größe und Position, wenn sich die Höhen- und Temperaturbedingungen ändern, und entsprechend müssen die die Kurve 76' bestimmenden Parameter geändert werden. Diese Parameter sind die minimale Gasgeneratordrehzahl V₁ für das Beginnen der Maschineninjektion, und das vorbestimmte erste Brennstoffströmungsniveau F₁, wenn die Brennstoffinjektion beginnt. Die Parameter beinhalten auch Δ₁, Δ₂, Δ₃, Δ₄, etc. von Inkrementen der Gasgeneratordrehzahl und H₁, H₂, H₃, H₄, etc. von Inkrementen der Brennstoffströmung, bezogen auf die Umläufe oder Spitzen der Kurve 76', wie in 6 gezeigt. Diese Inkremente können gleich, exponentiell oder logarithmisch sein, abhängig von den Ergebnissen empirischer Tests. Anfänglich werden die minimale Gasgeneratordrehzahl V₁ und das erste Niveau der Brennstoffströmung F₁ sowie die Inkremente Δ und H, die verschiedenen Höhen- und Temperaturbedingungen zugehörig sind, durch empirisches Testen vorbestimmt. Während eines Entflammungsvorgangs bei einer speziellen Höhen- und Temperaturbedingung werden die Temperatur des Brennstoffs und die Temperatur der Luftströmung, eine Vorwärtsfluggeschwindigkeits-Stauluftmenge und ein Umgebungsluftdruck sowie die Gasgeneratordrehzahl erfasst. Diese erfassten Daten werden an die elektronische Maschinensteuerung gesendet, um die minimale Gasgeneratordrehzahl V₁ für das Einbringen des vorbestimmten ersten Brennstoffströmungsniveaus F₁ zu bestimmen. Die elektronische Maschinensteuerung verarbeitet diese erfassten Daten, um weiter andere Parameter der Entflammungs-Strömungsratenkurve 76', beispielsweise das erste Brennstoffströmungsniveau F₁, die Brennstoffinkremente H und die Gasgeneratordrehzahlinkremente Δ, aus den in der Datenbank gespeicherten empirischen Testdaten auszuwählen, um ein passendes Profil der Entflammungs-Brennstoffströmungskurve 76' zu bestimmen und so ein schnelles Entflammen unter diesen speziellen Höhen- und Temperaturbedingungen zu erzielen. Die Entflammungszeit wird dann gemessen, und die Information wird in der Datenbank für spätere Bezugnahme gespeichert.
In einem zukünftigen Entflammungsvorgang werden alle erfassten Daten mit den in vorherigen Entflammungsvorgängen erzeugten Daten verglichen, um zu bestimmen, ob es Daten gibt, die zu einer Höhen- und Temperaturbedingung gehören, die ähnlich einer momentanen Höhen- und Temperaturbedingung sind. Wenn das Suchergebnis positiv ist, werden die Parameter der Entflammungs-Brennstoffströmungskurve 76', die bei dem früheren Entflammungsvorgang unter ähnlicher Höhen- und Temperaturbedingung verwendet wurden, verwendet, um die Information über die hypothetische Entflammungszone 94 und deren Zentralbereich 96 zu bestimmen. Basierend auf der neu bestimmten Information über die Entflammungszone 94 und deren Zentralbereich 96 unter dieser speziellen Höhen- und Temperaturbedingung wählt die elektronische Maschinensteuerung neue Parameter von F₁, V₁, H, Δ, etc. der Entflammungs-Brennstoffströmungskurve 76' aus, so dass der Startpunkt der Kurve 76' näher an der hypothetischen Entflammungszone 94 und deren Zentralbereich 96 ist und das Profil der Kurve 76' auch besser ist, um das Auftreten eines Entflammens zu erzielen. Die Entflammungszeit wird gemessen und mit der gespeicherten Entflammungszeit des vorherigen Entflammungsvorgangs unter der gleichen Höhen- und Temperaturbedingung verglichen. Wenn die momentane Entflammungszeit kürzer als die vorherige Entflammungszeit ist, werden alle momentan erfassten Daten in der Datenbank gespeichert, um die früher gespeicherten Daten zu ersetzen. Wenn die momentane Entflammungszeit länger als die früher gespeicherten Enflammungsdaten sind, werden die momentan erfassten Daten nicht gespeichert. Damit ist eine Selbstlernfunktion in das Maschinenanlass-Entflammungsverfahren der vorliegenden Erfindung inkorporiert. Mit einer derartigen Selbstlernfunktion kann es sein, dass die optimierte Kurve 76' nicht notwendigerweise die niedrige Frequenz beinhaltet, welche den Änderungstrend der sich ändernden Brennstoffströmungsrate repräsentiert, weil lediglich einer oder ein paar mehr Zyklen der hochfrequenten Oszillation erfolgreich das Auftreten von Entflammen verursachen können. Die Parameter H und Δ der Zyklen können jedoch variieren.
Man erkennt, dass in der vorangehend beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Gasgeneratordrehzahl während der Entflammungszeit zunimmt. Das ist ein Beispiel der vorliegenden Erfindung, welches für die Beschreibung einfach ist. Die vorliegende Erfindung ist auch anwendbar, wenn die Generatordrehzahl während der Entflammungszeit fest ist.
Modifikationen und Verbesserungen der vorangehend beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können Fachleuten ersichtlich werden. Die vorangehende Beschreibung soll beispielhaft und nicht beschränkend sein. Beispielsweise kann anstelle der Gasturbinenmaschine mit einer ringförmigen Brennkammer, wie in der Ausführungsform beschrieben, die vorliegende Erfindung mit verschiedenen Arten von Maschinen, beispielsweise Gasturbinenmaschinen mit separaten Verbrennungsauskleidungen, verwendet werden. Der Umfang der Erfindung soll deshalb lediglich durch den Umfang der angefügten Ansprüche beschränkt sein.

Claims

Verfahren zum Maschinenanlassen in einer Gasturbinenmaschine, aufweisend: Rotieren der Maschine (10) mit einer zunehmenden Drehzahl als eine Funktion der Zeit, um eine Luftströmung in eine Brennkammer (20) der Maschine (10) zu liefern; während des Erhöhens der Maschinendrehzahl, Injizieren von Brennstoff in die Brennkammer (20) mit einer sich ändernden Rate, bis die Maschine entflammt, wobei die sich ändernde Rate eine Funktion der Zeit ist und repräsentiert ist eine Kurve mit mindestens einer hohen Frequenz bezogen auf eine Entflammungszeit, welche momentane Änderungen der Rate repräsentiert zum Schneiden einer Entflammungszone, und dabei Verringern einer Menge an in die Brennkammer (20) injiziertem Brennstoff; und dann kontinuierliches Injizieren von Brennstoff in die Brennkammer (20), um die Maschine auf einen selbsttragenden Betriebszustand zu beschleunigen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kurve eine niedrige Frequenz bezogen auf die Entflammungszeit aufweist, die einen Änderungstrend der sich ändernden Rate repräsentiert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kurve einen zunehmenden Trend hat und ein oszillatorisches Profil aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kurve einen zunehmenden Trend hat und eine Serie von Spitzen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kurve einen zunehmenden Trend hat und ein Rechteckwellenprofil aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kurve einen zunehmenden Trend hat und ein Stufenprofil aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend das Einbringen eines vorbestimmten ersten Brennstoffströmungsniveaus in die Brennkammer (20) vor dem Injizieren des Brennstoffs mit der sich ändernden Rate.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner aufweisend: Auswählen einer minimalen Maschinendrehzahl für den Beginn des Einbringens des vorbestimmten ersten Brennstoffströmungsniveaus zum Anlassen der Maschine (10) unter einer Vielzahl von Höhen- und Temperaturbedingungen.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner aufweisend: Erfassen einer Temperatur des in die Brennkammer (20) zu injizierenden Brennstoffs; Erfassen einer Temperatur der in die Brennkammer (20) gelieferten Luftströmung; Erfassen einer Vorwärtsfluggeschwindigkeits-Stauluftmenge; Erfassen eines Umgebungsluftdrucks; Erfassen der sich ändernden Drehzahl der Maschine (10); und Verarbeiten der erfassten Daten zum Bestimmen der minimalen Maschinendrehzahl für das Einbringen des vorbestimmten ersten Brennstoffströmungsniveaus.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend: Erfassen einer Temperatur einer Abgasströmung, um zu bestimmen, ob es zu einem Entflammen kommt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend: Anpassen eines Profils der Kurve, welche die sich ändernde Brennstoffinjektionsrate repräsentiert gemäß Änderungen bei den Höhen- und Temperaturbedingungen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend: Ändern des vorbestimmten ersten Brennstoffströmungsniveaus gemäß den Änderungen bei den Höhen- und Temperaturbedingungen.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner aufweisend: Messen einer Entflammungszeit genommen von dem Beginn des Einbringens des vorbestimmten ersten Brennstoffströmungsniveaus bis zum Auftreten des Entflammens; und Speichern der gemessenen Entflammungszeit und der erfassten Daten in einer Datenbank (58) zur Bezugnahme bei einem zukünftigen Maschinenanlassvorgang, wenn eine Nachforschung keine Daten ergibt, die zu einer Höhen- und Temperaturbedingung gehören, die ähnlich zu einer momentanen Höhen- und Temperaturbedingung ist, die in einem früheren Entflammungsvorgang erzeugt wurden und in der Datenbank gespeichert wurden.
Verfahren nach Anspruch 13, ferner aufweisend: Ändern eines Kriteriums der minimalen Maschinendrehzahl und des vorbestimmten ersten Brennstoffströmungsniveaus, um die Entflammungszeit gemäß den gespeicherten Daten, die zu einer ähnlichen Höhen- und Tempera turbedingung gehören, zu verringern, wenn solche Daten in der Datenbank lokalisiert werden; und Speichern von Daten hinsichtlich der Änderungen und der aktuell gemessenen Entflammungszeit und Löschen der früher gespeicherten Daten der minimalen Maschinendrehzahl und dem vorbestimmten ersten Brennstoffströmungsniveau und der früher gespeicherten Entflammungszeit, die zu der ähnlichen Höhen- und Temperaturbedingung gehören, wenn die aktuelle Entflammungszeit kürzer ist als die vorher gespeicherte Entflammungszeit.