DE68914409T2 - Kraftstoffverteilsystem für eine Brennkammer. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf Brennkammern und insbesondere auf solche Brennkammern, die gasförmigen Brennstoff verwenden und in denen der gasförmige Brennstoff in einer primären und einer sekundären Zone mit Luft vorgemischt wird. Die Verbrennung erfolgt nur in der sekundären Zone.
• Gesetzes- und Umwelt-Erfordernisse geben strikte Grenzen für NOx Emissionen von Leistungserzeugungseinrichtungen vor. Es ist bekannt, daß niedrige Verbrennungstemperaturen erforderlich sind, um geringe NOx Emissionen in Gasturbinen zu erzielen. Der Stand der Technik enthält relativ extreme Maßnahmen, um geringe NOx Emissionen zu erreichen. Beispielsweise ist es üblich, den Brennkammern von einem Gasturbinentriebwerk Dampf oder Wasser zuzusetzen, um die Reaktionstemperatur darin zu senken. Obwohl sie wenigstens teilweise wirksam ist bei der Senkung der Verbrennungstemperatur vergrößert die Verwendung von Dampf oder Wasser die Komplexität der Zumessung der richtigen Menge davon zur Brennkammer und sie verringert den Wirkungsgrad der Brennkammer.
• Eine weitere Möglichkeit beinhaltet die selektive katalytische Reduktion unter Verwendung eines Katalysators, um die Verbrennung bei niedrigeren Temperaturen zu unterstützen, als sie anderenfalls möglich wären. Im allgemeinen sind Katalysatoren teuer, und Techniken zur Erzielung einer effizienten vollständigen Reaktion mit ihnen sind komplex.
• Eine weitere Möglichkeit, auf die die vorliegende Erfindung gerichtet ist, beinhaltet eine präzise Vormischung von gasförmigem Brennstoff und Luft vor der Verbrennung. Dies gestattet, daß die Verbrennung bei einer tieferen Temperatur mit daraus resultierenden verminderten NOx und CO Emissionen erfolgt.
• Es ist eine extreme Präzision bei der Proportionierung von gasförmigem Brennstoff und Luft erforderlich, um die gewünschten geringen Emissionen zu erzielen. Das Problem vergrößert sich in einer Brennkammer, wo eine primäre Mischzone Luft und einen Teil des Brennstoffgases empfängt und eine sekundäre Mischzone Luft und den Rest des Brennstoffgases empfängt. Die Verbrennung tritt nur in der sekundären Zone auf. Es ist eine genaue Zumessung von Brennstoffgas sowohl in den primären als auch den sekundären Zonen erforderlich. Zusätzlich ist eine präzise Proportionierung von gasförmigem Brennstoff zwischen den primären und sekundären Zonen kritisch für geringe Emissionen Fehler in der Proportionierung in dem Bereich von einigen wenigen Prozent reichen aus, um unzulässige Emissionswerte zu erzeugen. Derartige Genauigkeiten sind mit üblichen Techniken schwierig zu erzielen.
• GB-A-2 174 147 beschreibt ein Brennstoffsystem, das entweder zwei Solenoidventile parallel zu Strömungsverengungen oder ein einziges durch eine Magnetspule betätigtes Ventil und zwei Strömungsverengungen aufweist. Die zwei Ventile oder das Umleitventil steuern die Brennstoff strömung so, daß bei einem Triebwerksstart die Strömung zu den primären über eine erste Verengung und zu den sekundären (um die zweite Verengung herum) Brennstoffinjektoren nach Erfordernis proportioniert wird. Bei einer bestimmten Triebwerksdrehzahl wird die Strömung zu den sekundären Brennstoffinjektoren auf eine Reinigungsströmung durch die erste Verengung verkleinert, und der größere Teil der Brennstoffströmung strömt zu den primären Brennstoffinjektoren im Bypass zu der zweiten Verengung. Die Ventile haben keine Maßnahme für unterschiedliche Ventiltrimmungen.
• Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Meßsystem für gasförmigen Brennstoff zu schaffen, das die Nachteile des Standes der Technik überwindet.
• Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung- ein Meßsystem für gasförmigen Brennstoff zu schaffen, bei dem zwei Ventile, die gasförmigen Brennstoff zu primären und sekundären Mischzonen zuführen, unterschiedliche Ventiltrimmungen haben, wodurch die Verknüpfung der zwei Ventile zusammen mit einem für eine konstante Strömung sorgenden Ventilsystem stromaufwärts und den Charakteristiken der primären und sekundären Düsen stromabwärts für die erforderliche Präzision sorgen können.
• Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Zweigas-Ventilsystem zu schaffen, das getrennte Ventile zur Steuerung von Brennstoffgas zu primären und sekundären Brennstoffgasdüsen aufweist, und wobei die zwei Ventile durch eine einzige Betätigungseinrichtung für einen gemeinsamen Betrieb gesteuert werden.
• Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Zweigas-Ventilsystem zu schaffen, bei dem für eine im wesentlichen lineare gegenseitige Proportionierung zwischen Brennstoffgas, das primären und sekundären Mischzonen zugeführt wird, über dem Betriebsbereich gesorgt wird.
• Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Ventil für gasförmigen Brennstoff mit linearer Trimmung, das Brennstoffgas von einer gemeinsamen Quelle einer oder mehreren ersten Brennstoffgasdüsen zuführt, und ein Ventil für gasförmigen Brennstoff mit einer für einen gleichen Prozentsatz sorgenden Trimmung zu kombinieren, das Brennstoffgas einer zweiten Brennstoffgasdüse zuführt, und wobei die ersten und zweiten Ventile mechanisch oder elektrisch für einen gemeinsamen Betrieb betätigt werden.
• Kurz gesagt, schafft die Erfindung eine koordinierte Ventilteileranordnung mit einem eine lineare Trimmung aufweisenden primären Ventil parallel zu einem Ventil, dessen Trimmung für einen gleichen Prozentsatz sorgt, um Brennstoffgas zwischen primären Düsen und einer sekundären Düse von einer Gasturbinen-Brennkammer auf zuteilen bzw. zu splitten. In einem Ausführungsbeispiel wird die Koordination der Betätigung der zwei Ventile durch eine starre Verbindung der Ventilwellen herbeigeführt. Es wird auch eine Betätigung mit einem geformten Nockenkörper und eine elektronische Betätigung der zwei Ventile beschrieben.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Gasbrennstoffteiler für eine Brennkammer für ein Gasturbinentriebwerk geschaffen, wobei die Brennkammer wenigstens eine primäre Düse und wenigstens eine sekundäre Düse aufweist, enthaltend: Stopp-, Drehzahlverhältnis- und Steuerventile, die eine gesteuerte Strömung von gasförmigem Brennstoff zuführen, eine koordinierte Ventilteileranordnung, wobei die koordinierte Ventilteileranordnung ein primäres Teilerventil aufweist, das einen Teil der gesteuerten Strömung der wenigstens einen primären Düse zuführt, die koordinierte Ventilteileranordnung ferner ein sekundäres Teilerventil parallel zu dem primären Teilerventil aufweist und einen Rest der Strömung des gasförmigen Brennstoffes der wenigstens einen sekundären Düse zuführt, wobei das primäre Teilerventil und das sekundäre Teilerventil erste und zweite unterschiedliche Ventiltrimmungen aufweisen und eine Einrichtung zum Koordinieren der Betätigung des primären Teilerventils und des sekundären Teilerventils.
• Die vorstehend beschriebenen und anderen Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen deutlich, in denen gleiche Bezugszahlen die gleichen Elemente bezeichnen.
• Figur 1 ist eine schematische Darstellung von einer Brennkammer für ein Gasturbinentriebwerk mit einem üblichen Dreiwege-Teilerventil zur Proportionierung von Brennstoffgas zwischen primären und sekundären Düsen.
• Figur 2 ist eine schematische Darstellung von einer Brennkammer für ein Gasturbinentriebwerk mit parallelen Ventilen und Steuersystemen zur Steuerung von Proportionen eines Brennstoffgases, die primären und sekundären Düsen zugeführt werden.
• Figur 3 ist eine schematische Darstellung von einer Brennkammer für ein Gasturbinentriebwerk mit zwei parallelen Ventilen, die Brennstoffgas primären und sekundären Düsen der Brennkammer zuführen, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• Figur 4 ist eine Kurvendarstellung und zeigt die Relationen zwischen der Ventilstellung und der Gasströmung für eine proportionale Trimmung aufweisende Ventile in beiden Stellungen.
• Figur 5 ist eine Kurvendarstellung und zeigt die Relationen zwischen der Ventilstellung und der Gasströmung für ein eine lineare Trennung aufweisendes Ventil, das für ein primäres Teilerventil verwendet wird, und ein für eine gleiche prozentuale Trimmung sorgendes Ventil, das für ein sekundäres Teilerventil verwendet wird.
• Figur 6 ist eine Ansicht von einer physikalischen Relation der Ventile und der Betätigungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• In Figur 1 ist allgemein bei 10 eine Brennkammer für ein bekanntes konventionelles Gasturbinensystem (ansonsten nicht gezeigt) gezeigt. Eine Gaszufuhrleitung 12 führt Brennstoffgas einem konventionellem Satz von Stopp-, Drehzahlverhältnis- und Steuerventilen 14 zu. Ein Dreiwege-Teilerventil 16 teilt die Brennstoff strömung zwischen mehreren primären Brennstoffdüsen 18 und einer sekundären Brennstoffdüse 20 auf, die Brennstoffgas einer primären Mischzone bzw. einer sekundären Mischzone 24 zuführen. Zusätzlich zu den gezeigten Elementen enthält die Brennkammer 10 auch konventionelle Mittel (nicht gezeigt) zum Zuführen einer gesteuerten Strömung von Verbrennungsluft zur primären Mischzone 22 und zur sekundären Mischzone 24 und zum innigen Mischen des Brennstoffes und der Luft vor der Verbrennung, insbesondere in der primären Mischzone 22.
• Vorgemischte Gasbrennstoffsysteme sind sehr empfindlich gegenüber Änderungen in dem Teilungsverhältnis zwischen den zwei Düsensätzen und liefern eine optimale Leistungsfähigkeit nur über einem Betriebsband mit sehr schmaler Toleranz.
• Das System gemäß Figur 1 hat den Vorteil, daß es bestehende einzelne Stopp-, Drehzahlverhältnis- und Steuerventile 14 verwendet, deren Charakteristiken ausgiebig getestet und allgemein bekannt sind.
• Es zeigt sich jedoch, daß die primären Brennstoffdüsen 18 und die sekundäre Brennstoffdüse 20 gemeinsam mit allen Gasbrennstoffdüsen von Natur aus nichtlinear sind. Infolgedessen sind die Düsenströmungscharakteristiken der dominierende Faktor bei der Formgebung der Druck/Strömungs-Charakteristiken des Systems. Somit ist es die Aufgabe des Dreiwege-Teilerventils 16, auf die seltsam geformten Druck/Strömungs-Charakteristiken, die durch die zwei Düsensätze erzeugt werden, anzusprechen und diese zu korrigieren. Es zeigt sich, daß diese Technik zur Steuerung der Aufteilung zwischen den primären Brennstoffdüsen 18 und der sekundären Brennstoffdüse 20 nicht die maximale Senkung der Emissionen erreicht.
• In Figur 2 ist eine weitere bekannte Technik zum Steuern der Strömung von Brennstoffgas zu primären Brennstoffdüsen 18 und einer sekundären Brennstoffdüse 20 gezeigt. Die Gaszufuhrleitung 12 liefert Brennstoffgas an primäre Stopp-, Drehzahlverhält- und Steuerventile 26, die die Strömung von Brennstoffgas zu primären Brennstoffdüsen 18 und sekundären Stopp-, Drehzahlverhältnis- und Steuerventilen 28 steuern, die die Strömung von Brennstoffgas zur sekundären Brennstoffdüse 20 steuern.
• Das System gemäß Figur 2 sorgt für eine im wesentlichen lineare Charakteristik für jeden Steuersatz. Jedoch ist die Steuerung der Aufteilung zwischen den zwei Düsensätzen permanent abhängig von einer Überwachung der Gasströmung zu den zwei Düsensätzen. Somit hängt die Genauigkeit der Brennstoffaufteilung von der Genauigkeit und Ansprechgeschwindigkeit der Steuersysteme für die zwei Steuersätze ab. Es ist allgemein bekannt, daß Steuersysteme kein augenblickliches Ansprechverhalten haben, und ihr Ansprechverhalten kann sich mit der Zeit verschieben. Die Nachteile bezüglich der Geschwindigkeit und der Ansprechzeit sind schwerwiegend genug, um einen Betrieb bei den gewünschten niedrigen Emissionswerten zu verhindern.
• Neben den erwähnten Genauigkeitsproblemen leidet eine parallele Systemlösung unter einer großen Erhöhung der Komplexität und Kosten des Steuersystems. Zusätzlich wird durch die langen geraden Bahnen, die für Meßröhren erforderlich sind, um die Messung durchzuführen, die physikalische Auslegung des Systems eingeschränkt und dessen Kosten üblicherweise erhöht.
• Gemäß Figur 3 sorgen Stopp-, Drehzahlverhältnis- und steuerventile 14 für eine gesteuerte Strömung von gasförmigem Brennstoff zu einer koordinierten Ventilteileranordnung 30, die automatisch für die erforderliche Aufteilung von Gasbrennstoff zwischen primären Brennstoffdüsen 18 und der sekundären Brennstoffdüse 20 sorgt. Ein primäres Teilerventil 32 empfängt gasförmigen Brennstoff von dem einen Auslaßarm von einer Y-Leitung 34, die den primären Brennstoffdüsen 18 gasförmigen Brennstoff zuführt. Ein primärer Strömungsmesser 36 mißt die Gasströmung, die den primären Brennstoffdüsen 18 zugeführt wird. Ein sekundäres Teilerventil 38 empfängt gasförmigen Brennstoff von einem zweiten Auslaßarm der Y-Leitung 34, um diesen der sekundären Brennstoffdüse 20 zuzuführen. Die Gasströmung durch das sekundäre Teilerventil 38 muß nicht gemessen werden, obwohl eine derartige Messung nützlich sein kann, insbesondere während der Entwicklung der Erfindung. Eine Steuerwelle 40 des sekundären Teilerventils 38 ist starr koordiniert mit einer Steuerwelle 42, wobei beispielsweise eine starre mechanische Verbindung 44 verwendet wird.
• Die Trimmungen oder Relationen zwischen Strömung und Ventilstellungen des primären Teilerventils 32 und des sekundären Teilerventils 38 sind kritisch für einen zufriedenstellenden Betrieb der koordinierten Ventilteileranordnung 30. Berechnungen ergeben, daß, wenn lineare Charakteristiken für das primäre Teilerventil 32 und das sekundäre Teilerventil 38 gewählt werden, primäre und sekundäre Gasströmungen, wie sie in Figur 4 angegeben sind, erhalten werden. In dem Bereich einer großen Strömung jenseits von etwa 70% zur primären Brennstoffdüse 18, der der wichtigste Teil des Bereiches ist, zeigen steile Steigungen der zwei Strömungskurven an, daß sehr kleine Beträge der Ventilbewegung dramatische Änderungen in der Strömung zu den zwei Düsen erzeugen. Dies hat eine schlechte Steuerbarkeit zur Folge. In der Tat ist die Steuerbarkeit so schlecht, daß die gewünschte Genauigkeit der Gasaufteilung nicht erhalten wird. Wie sie hier verwendet wird, bezieht sich die Ventiltrimmung auf die Relation zwischen der Ventilwellenstellung und der dabei entstehenden Strömung.
• Es wurde gefunden, daß gemischte Ventilcharakteristiken in der koordinierten Ventilteileranordnung 30 eine nahezu optimale gesteuerte Brennstoffaufteilung durch die koordinierte Ventilteileranordnung 30 erzeugen können. In Figur 5 sind die Relationen zwischen der primären und sekundären Strömung für die koordinierte Ventilteileranordnung 30 gezeigt, wobei das primäre Teilerventil 32 ein Ventil mit linearer Trimmung und das sekundäre Teilerventil 38 ein für eine gleiche prozentuale Trimmung sorgendes Ventil ist. Wie es hier verwendet ist, ist ein für eine gleiche prozentuale Trimmung (Gleichprozent-Trimmung) sorgendes Ventil ein solches, bei dem für gleiche Inkremente der Ventilbewegung gleiche prozentuale Änderungen in der Strömung auftreten, vorausgesetzt, daß Druckunterschiede für alle Bedingungen gleich sind. Das heißt, bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten erzeugt eine gegebene Änderung in der Ventilstellung eine kleine Strömungsänderung, wogegen bei großen Strömungsgeschwindigkeiten die gleiche Änderung in der Ventilstellung eine große Änderung in der Strömungsgeschwindigkeit erzeugt.
• Aus Figur 5 wird deutlich, daß Strömungsänderungen in dem interessierenden Bereich jenseits von etwa 70% glatt, im wesentlichen linear und relativ flach sind im Vergleich zu denjenigen, wenn Ventile mit linearer Trimmung an beiden Stellen in der koordinierten Ventilteileranordnung 30 verwendet werden.
• Einer der wesentlichen Vorteile der koordinierten Ventilteileranordnung 30 liegt in der Einfachheit, die durch dieses Konzept gestattet wird. In Figur 6 ist die Einfachheit der daraus resultierenden Hardware verdeutlicht. In diesem Ausführungsbeispiel ist die starre mechanische Verbindung 44 die gegenüberliegende Verbindung von Steuerwellen 40 und 42 mit Wellen von einem zwei Enden aufweisenden Hydraulikzylinder. Der zwei Enden aufweisende Hydraulikzylinder kann durch eine übliche Quelle eines Druckfluids angetrieben sein, um die verbundenen Steuerwellen 40 und 42 zu verschieben. Eine übliche Stellungs-Rückführungsvorrichtung 46, wie beispielsweise ein linearer, variabler Differenzwandler, ist so verbunden, daß er Stellungen der verbundenen Steuerwellen 40 und 42 abtastet. Die Ausgangsgröße der Stellungs-Rückführungsvorrichtung 46 wird einem üblichen Regelsystem zugeführt zum Vergleichen der Ist-Stellung der Steuerwellen 40 und 42 mit ihren Soll- Stellungen. Fehler in dem Vergleich werden verstärkt zur Lieferung von Druckfluid zu dem zwei Enden aufweisenden Hydraulikzylinder in der starren mechanischen Verbindung 44 in einem Sinne, daß der Fehler verkleinert wird.
• Für den Fachmann ist klar, daß andere Elemente verwendet werden können, um Ergebnisse zu erzielen, die denjenigen entsprechen, die durch die Einrichtung in dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel erreicht werden. Beispielsweise kann ein für eine gleiche prozentuale Trimmung sorgendes Ventil zur Verwendung in dem sekundären Teilerventil 38 simuliert werden, anstatt daß es durch die Ventiltrimmung selbst hervorgerufen wird. Ein Weg für eine Durchführung einer derartigen Simulation beinhaltet geformte Nockenkörper, die das primäre Teilerventil 32 und das sekundäre Teilerventil 38 betätigen Die Formen der Nockenkörper in Verbindung mit den Ventiltrimmungen selbst erzeugen zusammen den gewünschten Satz von Ventiltrimmungen des Systems. Sowohl das primäre Teilerventil 32 als auch das sekundäre Teilerventil 38 können eine lineare Trimmung haben. Nockenformen können die lineare Trimmung des primären Teilerventils 32 aufrechterhalten und eine für einen gleichen Prozentsatz sorgende Trimmung in dem sekundären Teilerventil 38 simulieren.
• Eine weitere Möglichkeit kann die Schaffung einzelner hydraulischer Betätigungsglieder (nicht gezeigt) für die Steuerwellen 40 und 42 und ein elektronisches Regel- bzw. Steuersystem beinhalten, das für die Formgebung der Steuercharakteristiken der hydraulischen Betätigungsglieder sorgt, um das Äquivalent der zwei Ventiltrimmungen zu erreichen. Von einem konzeptionellen Standpunkt ist die direkte Verbindung der Steuerwellen 40 und 42 durch die starre mechanische Verbindung 44 äquivalent zur Koordination durch geformte Nockenkörper und zur Koordination durch eine externe elektronische Regel- bzw. Steuerschaltung.
• Der Fachmann wird erkennen, daß hydraulische Betätigungsglieder nur eine aus einer Anzahl von äquivalenten Antriebskraftquellen zur Betätigung der Steuerwellen 40 und 42 ist. Äquivalente Quellen, wie beispielsweise elektrische Motoren oder pneumatische Betätigungsvorrichtungen, sind als in den Schutzumfang der Erfindung fallend zu betrachten, wie er in den Ansprüchen definiert ist.

Claims (4)

1. Gasbrennstoffteiler für eine Brennkammer für ein Gasturbinentriebwerk, wobei die Brennkammer wenigstens eine primäre Düse (18) und wenigstens eine sekundäre Düse (20) aufweist, enthaltend:

einen Satz von Stop-, Drehzahlverhältnis- und Steuerventilen (14), die eine gesteuerte Strömung von Gasbrennstoff zuführen,

eine koordinierte Ventilteileranordnung (30), die die gesteuerte Strömung empfängt,

die koordinierte Ventilteileranordnung (30) ein primäres Teilerventil (32) aufweist, das einen Teil der gesteuerten Strömung der wenigstens einen primären Düse (18) zuführt,

die koordinierte Ventilteileranordnung (30) ferner ein sekundäres Teilerventil (38) parallel zu dem primären Teilerventil aufweist und einen Rest der Strömung des Gasbrennstoffes der wenigstens einen sekundären Düse (20) zuführt,

das primäre Teilerventil (32) und das sekundäre Teilerventil (38) erste und zweite unterchiedliche Ventiltrimmungen aufeisen und

eine Einrichtung (44) zum Koordinieren der Betätigung des primären Teilerventils und des sekundären Teilerventils.

2. Gasbrennstoffteiler nach Anspruch 1, wobei die erste oder zweite Ventiltrimmung eine lineare Trimmung ist und

die andere der ersten und zweiten Ventiltrimmungen eine Gleichprozent-Trimmung ist.

3. Gasbrennstoffteiler nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zum Koordinieren eine mechanische Verbindung (44) zwischen Steuerwellen (40,42) des primären Teilerventils und des sekundären Teilerventils ist.

4. Gasbrennstoffteiler nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung (44) zum Koordinieren eine starre mechanische Verbindung ist.