EP1079179A1 - Verfahren zur Adaption des Betriebszustandes einer gestuften Brennkammer für Gasturbinen - Google Patents

Verfahren zur Adaption des Betriebszustandes einer gestuften Brennkammer für Gasturbinen Download PDF

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EP1079179A1
EP1079179A1 EP00117741A EP00117741A EP1079179A1 EP 1079179 A1 EP1079179 A1 EP 1079179A1 EP 00117741 A EP00117741 A EP 00117741A EP 00117741 A EP00117741 A EP 00117741A EP 1079179 A1 EP1079179 A1 EP 1079179A1
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EP
European Patent Office
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combustion chamber
fuel
engine
grading
injection system
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EP00117741A
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English (en)
French (fr)
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Leif Dipl-Ing. Rackwitz
Klaus-Jürgen Dr. Ing. Schmidt
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Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
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Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/34—Feeding into different combustion zones
    • F23R3/346—Feeding into different combustion zones for staged combustion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2237/00—Controlling
    • F23N2237/02—Controlling two or more burners

Definitions

  • the invention relates to a fuel injection system for a tiered combustion chamber, for example of an aircraft gas turbine engine or a static gas turbine, whose pilot burner is always supplied with a certain amount of fuel, during their main burner (s) only with higher engine power Fuel is metered, with the whole downstream Control valve unit determining the fuel quantity this total fuel mass flow to the pilot burner (s) as well as the grading valve unit, which divisible the main burner is provided, both by an engine controller can be controlled, for the control of the step valve unit the desired engine performance sets.
  • a fuel injection system is from the WO 95/17632 known.
  • the step valve unit mentioned must be used for this appropriately controlled, that is, the division that of the combustion chamber at a certain operating point measured total amount of fuel on their so-called Pilot zone, which is or mostly the duplicate Pilot burner is / are assigned, as well as on their main zone, which of the or mostly the multiple existing main burner is / should be assigned using maps take place, which is preferred with regard to low pollutant emissions the combustion chamber or the one taking place in it Are designed for combustion. Of course can also use other criteria when designing these maps are taken into account, for example the largest possible stability reserve against flame extinction.
  • the step valve unit mentioned must be used for this appropriately controlled, that is, the division that of the combustion chamber at a certain operating point measured total amount of fuel on their so-called Pilot zone, which is or mostly the duplicate Pilot burner is / are assigned, as well as on their main zone, which of the or mostly the multiple existing main burner is / should be assigned using maps take place, which is preferred with regard to low pollutant emissions the combustion chamber or the one taking place in it Are designed for combustion.
  • this thrust-indicative parameter serves as an input variable for the control of a so-called step valve unit, the said division of a Control valve unit metered total amount of fuel the pilot burner and the main burner.
  • This there so-called thrust-indicative parameters which in general also can be referred to as a grading parameter and as such is also used as a parameter for the desired one Engine power with the metered total fuel mass flow can be generated.
  • grading parameter which of course is easy to grasp respectively should be measurable, are mentioned in this document either the gas temperature at the compressor outlet or the quotient from the total fuel mass flow and the pressure in the Combustion chamber suggested.
  • the step valve unit should be preferred Controlled using emission-optimized maps or operated, that is, the so-called Grading parameters, based on which the grading valve unit (because of the recourse to the maps mentioned) a switching line should be controlled, should not only one Related to engine performance, but more directly Are also related to the operation of the combustion chamber, about the advantages that a stepped combustion chamber has in terms of generally has reduced pollutant emissions, to actually be able to use.
  • stepped combustion chamber When regulating a gas turbine aircraft engine with a Low-pollution, stepped combustion chamber is a constant back and forth Switch between pilot and two-stage operation with small ones Avoid speed or load oscillations. This has not only affects engine stability but affects the service life of the hot parts is negative. A so-called Switching hysteresis prevented by a correspondingly broadly defined Hysteresis band unwanted cyclic switching of the Fuel rating.
  • Such hysteresis methods are generally used in the control often used.
  • a downgrading to pilot operation only carried out when the lower grading point was undershot and therefore a corresponding major engine load change has occurred.
  • a downgrading to pilot operation only carried out when the lower grading point was undershot and therefore a corresponding major engine load change has occurred.
  • the use of a switching hysteresis has the following disadvantages itself:
  • the constant calculation of two grading points (lower and upper) requires a higher software effort than that Use of a single grading point.
  • Still requires the use of a hysteresis band in the grading diagram further compromise with regard to optimization
  • the quality of the grading parameter becomes a concession in practice due to signal noise lead in the width of the hysteresis band.
  • Suffer from also pollutant optimization or it has to be expensive Measurement technology are used.
  • the switching hysteresis is flexible and depends on the to maintain the transient state of the engine. This also poses high demands on the measurement signal.
  • the object of the present invention is therefore on a Fuel injection system according to the preamble of claim 1 To show measures with the help of which the operation of the combustion chamber of the aircraft gas turbine engine in particular with regard lower pollutant emissions can be further improved.
  • the object is characterized by the features of Main claim solved, the sub-claims show further advantageous Embodiments of the invention.
  • the invention is characterized by a number of significant advantages out.
  • a control concept for safe and loss-minimizing Operation of a staged combustion chamber for aircraft engines found.
  • the stepped combustion chamber can with the help of the control system according to the invention in two different operating states operate.
  • In the lower load range all the fuel is sprayed into the pilot zone of the combustion chamber.
  • the mode of operation corresponds to the tiered one Combustion chamber of an unclassified combustion chamber.
  • the main burner with fuel in non-staged operation cooled from the pilot branch to reduce the risk of coking reduce.
  • the defined one takes place Connection of the main stage, so that both ring lines (Pilot stage and main stage) are supplied with fuel.
  • the fuel is distributed via an additional metering valve, that the total fuel on the pilot and the Main branch distributed.
  • This operating state of the combustion chamber is called tiered mode.
  • the "TIMER” time element is activated.
  • the "TIMER” function has the current, current value of SPK as the input variable.
  • the map for the minimum grading cycle t MIN, grading takes into account the influence of rapid load changes of the aircraft engine.
  • rapid load changes in which an immediate system response of the engine is required, for example when taking off, the requirement for compliance with a minimum grading cycle is of minor importance, so that the value of t MIN, gradation is 0.
  • the slower the load change the greater t MIN, gradation and, in the case of quasi-stationary load changes, reaches the maximum value that is infinitely large (t MIN, gradation >> 1 sec).
  • the operating state of the combustion chamber is "frozen", that is to say does not change and the combustion chamber remains in its previous operating mode (either un-stepped or stepped). Only when a load change occurs due to a change in speed (IdNH / dtl> 0) can the operating state of the combustion chamber change and a finite minimum step cycle (t MIN, step ⁇ 1 sec) is selected again.
  • the present invention thus enables a high degree of Flexibility in regulating the operating state of a tiered Combustion chamber because by introducing a variable Time function a stable operation of the combustion chamber in the non-graded and tiered operation is ensured.
  • An elevated one Signal noise from the control parameters for example from P30, has an effect does not rely on the selection of the operating state in the stationary Operation of the aircraft engine, since in this case a switchover not possible. Only when there is a load change that is in shape a change in the high-pressure speed is detected (IdNH / dtl > 0), another switching process is enabled.
  • the engine power due to the load on the gas turbine combustion chamber Characterized form of a so-called grading parameter (SP) on the basis of which the step valve unit is corresponding a switching line is controlled and the grading parameter (SP) from one of the following functional relationships is derived:
  • the total fuel mass flow (WF) is divided by the gas pressure at the combustion chamber inlet (P30) and this quotient is multiplied by the gas temperature at the combustion chamber inlet (T30), i.e. the step parameter SP is a function of [ WF / P30 ⁇ T30 ].
  • the total fuel mass flow (WF) is divided by the gas pressure at the combustion chamber inlet (P30) and this quotient is multiplied by the square root of the gas temperature at the combustion chamber inlet (T30), i.e. the step parameter SP is a function of [ WF / P30 ⁇ (T30) 1/2 ].
  • the total fuel mass flow (WF) is divided by the gas pressure at the combustion chamber inlet (P30) and this quotient with the square root of the quotient of the gas temperature at the combustion chamber inlet (T30) and the gas temperature at the engine inlet ( T20) multiplied, i.e. the grading parameter SP is a function of [ WF / P30 ⁇ (T30 / T20) 1/2 ].
  • the grading parameter (SP) less about a thrust-indicative parameter but rather about a parameter reflecting the combustion chamber load, so that the maps, on which of these grading parameters is accessed and from which the step valve unit is controlled according to a switching line, under much stronger reference to the combustion chamber and thus to the combustion taking place in it can be designed.
  • SP grading parameter
  • the total fuel mass flow (WF) via a special calibration table depending on the valve position of those already mentioned Control valve unit, this in the form of a primary Metering valves determined, can be calculated. It can this signal representing the total fuel mass flow, the can be particularly susceptible to signal noise with Be filtered using suitable low-pass elements. Further can meet the requirements for the desired fuel-air ratio in the individual operating points (in particular also with regard to the respective flame extinguishing limits) functional correlations in corresponding maps be mapped.
  • a stepped combustion chamber can be used with the help of a control system according to the invention in two different operating modes are operated.
  • the load range of the engine is all the fuel in the Pilot zone of the combustion chamber sprayed, so in this mode the operation of the stepped combustion chamber of that one unrated combustion chamber corresponds.
  • From a certain Operating point is the defined connection of the Main stage, after which both the pilot burner and Main burner can be supplied with fuel.
  • Switching between the non-tiered and tiered operating modes takes place with the inclusion of the time element according to the invention (TIMER), whereby if the engine power increases over the grading point switched on the main burner and when it drops the main burner in terms of engine performance below the staging point be switched off.
  • TIMER time element according to the invention
  • the grading point is preferably dependent on a map determined by the grading parameter according to the invention. But with that Desirably always at the same value for the fuel-air ratio is toggled after an advantageous Further development of the invention different influences be taken into account.
  • the grading point results from Addition or subtraction of correction elements ( ⁇ SP) to or from the nominal, from one of the derived functional relationships mentioned above Grading parameters (SP).
  • ⁇ SP correction elements
  • SP Grading parameters
  • a first such influencing parameter is the absolute value of the Gas pressure (P30) and / or the gas temperature (T30) at the combustion chamber inlet.
  • P30 Gas pressure
  • T30 gas temperature
  • Grading process from the non-graded to the graded operation delay as soon as the combustion chamber inlet pressure (P30) and / or the combustion chamber inlet temperature (T30) below certain limit values determined by combustion chamber tests for the stable operation of the combustion chamber decreases / decreases.
  • this function is particularly active in tiered mode and leads Falling below the specified limit values for (P30) and / or (T30) to switch to pilot mode, in which only the Pilot burners are supplied with fuel.
  • a second influencing parameter is the corrected speed of the High pressure compressor (N2RT20) and the gas pressure at the engine inlet (P20).
  • N2RT20 the corrected speed of the High pressure compressor
  • P20 the gas pressure at the engine inlet
  • SP the grading parameter
  • a third influencing parameter is the flight altitude of the aircraft gas turbine engine as well as changes in environmental conditions.
  • a fourth influencing parameter is the load change speed of the engine, with the following background:
  • the combustion stability is in the pilot zone to ensure safe operation of the Combustion chamber vital. So in everyone Operating state no flame extinction of the pilot burner an unfavorable fuel distribution between the two Fuel circuits, that is, on the pilot burner and on the Main burner can occur, the switching process from pure pilot operation in staged operation at fast unsteady load change processes delayed.
  • the already mentioned basic value of the grading point a from Operating state of the combustion chamber dependent offset added.
  • the grading point in the case of rapid load changes becomes too higher values of the grading parameter (SP) according to the invention postponed.
  • SP grading parameter
  • a fifth influencing parameter takes into account the influence of the Compressor pumping on the stability of the combustion in the staged Combustion chamber.
  • Pilot zone ensured by the main stage and emaciated the excess fuel is fed to the pilot burners becomes.
  • the pilot zone then always works within its Stability range and serves for the fuel-air mixture the main stage as an ignition source.
  • SP grading parameter
  • a so-called Split value which is the fuel distribution to the pilot burner and main burner describes (and thus from the above Fuel splitting table can be found) and based on this the step valve unit is controlled, also in transient conditions can be adjusted.
  • a pollutant-optimized map for control the step valve unit used, the or one of the grading parameters according to the invention as indicative Input variable for this map is used.
  • Complementary is now proposed during transient engine maneuvers adjust the calculated split value by a correction factor, this correction factor depending on the temporal change in the speed, in particular the high-pressure wave of the engine is calculated.
  • This adjustment can be done take place in such a way that the commanded pilot fuel mass flow and thus the fuel-air ratio of the pilot zone is briefly increased to extinguish the flames in the pilot zone of the combustion chamber. Recommends it is the split value calculated in this way, for example, for electronic Control circuits known high-win and low-win elements within defined limits.
  • This flag is then used to move in that also implemented in the electronic control unit Rules for staged combustion for the period to change the switching line of the compressor pumping (for what already at this point to the figure explained in more detail later 5).
  • the grading point is in the area high load points shifted so that the stepped combustion chamber in the operating mode before the compressor pumping occurred lingers. This means that if there is a major change in the grading parameter a cyclical switching between the two Operating modes of the combustion chamber (i.e. between pilot operation, in which only the pilot burners are supplied with fuel, and the staged operation, in which the main burner Received fuel) prevented.
  • a Limit substitute value for the split value is used if the calculated and then time-differentiated split value one Limit difference value exceeds. This can possibly occurring disturbances in the controlled variable e.g. during fastest load change or unexpected malfunctions by limiting the opening respectively Closing rate of the grading valve unit can be intercepted.
  • the attached, Figure 4 briefly explained later.
  • This limiter is only active if the commanded or determined split value below a defined limit falls, the maximum permissible in tiered mode Fuel distribution between the pilot burners and the main burners considered.
  • the current rate of change of the position the step valve unit is with the maximum allowed Rate of change is applied as long as the predefined limit is reached.
  • the split value (S) gives the current one Value of the distribution of the mass flows of the fuel the pilot stage or the main stage of the combustion chamber in front.
  • the grading point (SPK) gives a statement in which mode the fuel injection system is located, he thus gives a status display. With ABS is in Fig. 5 Absolute value of the grading point, which is always positive is.
  • the downstream comparator in which also the Limit value is received, then generates an SPK rating point value from 0 or 1.
  • the selection element comprises two states, namely "T” for "true” and "F” for "false".
  • SPK denotes the command for the classification point
  • SPK * means the time-delayed command for the classification point.
  • State 0 denotes an unstaged operating state of the combustion chamber in which the pilot stage is switched on but the main stage is switched off. 1 denotes an operating state in which both the pilot stage and the main stage are switched on.
  • the main burner ring line is always before starting the engine flushed out of fuel. If the engine is started (this can be ground starts and Trade starts in flight), first takes place via a replenishment of the whole taking place as short as possible Fuel line volume between the fuel metering unit or control valve unit and the injectors of the Pilot burner as well as the main burner. The fast one Filling process keeps the injection delay in the combustion chamber and thus the ignition delay taking place there as low as possible. For this there is an additional logic in the electronic Engine controller implemented. Accordingly, first of all an increased fuel mass flow that is several times above the Ignition fuel mass flow is, all fuel ring lines replenished.
  • the mentioned step valve unit temporarily from the only the pilot burner in a semi-open position Position driven in which the main burner with fuel be supplied. This will be parallel to the pilot lines also the fuel lines leading to the main burners replenished.
  • the corresponding opening time and the The opening position of the step valve unit is suitable predetermined.
  • FIG 1 in which a usual partial section through a stepped Ring combustion chamber of an aircraft gas turbine engine shown is with the reference number 1 the combustion chamber and with the reference number 2 denotes the exit from this combustion chamber 1.
  • the combustion chamber 1 reaches according to the illustrated Arrows a pumped by an upstream compressor and thereby compressed gas flow or air flow into it, which carries the required oxygen to the over the (or the multiple rings) Pilot burner 3 and possibly over the (or the multiple existing ring-shaped) main burner 4 in the combustion chamber 1 introduced fuel (this is punctured shown) to burn in the combustion chamber 1.
  • the combustion exhaust gases then pass through the combustion chamber outlet 2 according to the arrow first into the turbine of the engine.
  • the combustion chamber 1 is spatially divided into a pilot zone 1a, which is located directly downstream of the pilot burner 3, and in one adjoining it in the direction of flow of the gases Main zone 1b, into which the main burners 4 discharge the fuel.
  • the latter that is, a fuel supply to the main zone 1b the combustion chamber 1 via the main burner 4, however, only happens in those operating points of the engine in which a higher Performance development or performance submission required becomes.
  • 3 fuel is constantly passed through the pilot burner into the combustion chamber 1.
  • FIG. 2 shows a fuel injection system according to the invention, with which the pilot burner 3 and the main burner 4 with Fuel are supplied, schematically and greatly simplified shown.
  • the arrow WF illustrates the total fuel mass flow, dosed via a control valve unit 6 and thus to a certain operating point of the engine adapted is introduced into the combustion chamber 1.
  • Such a thing called step valve unit 7 sets what proportion this total fuel mass flow WF according to arrow 3 ' the pilot burners 3 and which ones (which are complementarily related) Share of this total fuel mass flow WF according to Arrow 4 'is fed to the main burners 4.
  • control block 8 is the (electronic) engine controller referred to, which usually contains several rule blocks.
  • a first control block 8a is now shown, which is the control valve unit 6 operated or positioned appropriately or sets, and the appropriate (usual) engine control laws contains or takes into account.
  • a second control block 8b is shown, the staging valve unit 7 controls and therefore rules for the tiered Combustion contains or takes into account.
  • This Control block 8b thus determines the so-called split value S, the distribution of the total fuel mass flow WF identifies the pilot burner 3 and the main burner 4 and adjusts the step valve unit 7 accordingly.
  • the temporal change in the speed of the high-pressure shaft of the engine that is to say the quotient (dNH / dt) Ref , can also be taken into account, as will be explained below in connection with claim 3.
  • FIG. 4 shows a preferred way of limiting the fuel distribution on the pilot burner 3 and on the main burner 4 shown.
  • the limit value for this query if necessary, is taken as the input variable with the reference number Denoted 12 and can be, for example, 50%.
  • the commanded split value runs through the range between 100% and 40%. Only from a pilot fuel content below The fuel distribution is limited to 50% Pilot burner. This means that the share 4 'of the total fuel mass flow WF, which over the main burner 4 in the Combustion chamber 1 can reach between 0% and 50% can lie.
  • FIG. 5 shows a diagram for the preferred calculation the operating mode of the combustion chamber 1, that is, whether this is operated in pilot operation or in staged operation.
  • the output variable of this scheme is a digital yes / no variable, which indicates whether the main burners 4 are supplied with fuel or not.
  • the one switch from the unrated pilot operation to the tiered operation mode below the idle mode the engine preventing function is also with "Idle” denotes, and the function that has an absolute value for gas pressure (P30) and / or gas temperature (T30) considered at the combustion chamber inlet to ensure a stable Ensure operation of the combustion chamber is also included Denoted "Stability”.
  • a fuel injection system results for a stepped combustion chamber in particular of an aircraft gas turbine engine, with which an essentially optimal operation of this combustion chamber 1 is made possible.
  • Possible is in particular a map-based, optimized for pollutants Regulation of staged combustion in quasi-stationary Business.
  • the control block 8b of the engine controller 8 implementable and previously described rules for staged combustion allow operation of one or the tiered combustion chamber 1 in the tiered Pilot operation and in tiered mode without significant influence on the safety, stability and thrust of the entire engine during a staging process, including a switching process between the two operating modes is understood.
  • the continuously adjustable staging valve unit 7 ensures that both the emission level of the combustion chamber, in particular with regard to NO x, and the temperature profile at the turbine inlet downstream of the combustion chamber 1 are optimized over the entire operating range of the engine.
  • the selected method of setting the fuel split that is to say the split value S, between the pilot burners 3 and the main burners 4 thus enables flexible distribution of the fuel in accordance with the current requirements for the control system in the respective operating state.
  • this method also enables the combustion chamber's operating behavior to be optimized with regard to combustion stability, burnout behavior and the temperature exit profile over the entire load range of the engine.
  • the invention relates to a fuel injection system for a tiered combustion chamber 1 of an aircraft gas turbine engine, the Pilot burner 3 always supplied with a certain amount of fuel will / will, during their main burner (s) 4 only at higher Engine power is metered to fuel, where downstream of a control valve unit determining the total amount of fuel 6 a this total fuel mass flow (WF) changeable on the pilot burner 3 and on the main burner 4 dividing stage valve unit 7 is provided, both be controlled by an engine controller 8, which for the Control of the staging valve unit 7 the desired engine power based, characterized in that the Engine performance due to the load on the gas turbine combustion chamber 1 in the form of a so-called grading parameter (SP) is characterized, on the basis of which the step valve unit 7 is controlled according to a switching line that the Grading parameters (SP) derived from a functional relationship is that a downstream summation point for Calculation of the difference between a current value of the grading point and a value of the nominal grading point and that the summation point is a

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzsystem für eine gestufte Brennkammer (1) eines Fluggasturbinen-Triebwerks, deren Pilotbrenner (3) stets mit einer gewissen Brennstoffmenge versorgt wird/werden, während deren Hauptbrenner(n) (4) nur bei höherer Triebwerksleistung Brennstoff zugemessen wird, wobei stromab einer die gesamte Brennstoffmenge bestimmenden Steuer-Ventileinheit (6) eine diesen Gesamt-Brennstoffmassenstrom (WF) auf die Pilotbrenner (3) sowie auf die Hauptbrenner (4) veränderbar aufteilende Stufungs-Ventileinheit (7) vorgesehen ist, die beide von einem Triebwerksregler (8) angesteuert werden, der für die Ansteuerung der Stufungs-Ventileinheit (7) die gewünschte Triebwerksleistung zugrunde legt, dadurch gekennzeichnet, dass die Triebwerksleistung durch die Belastung der Gasturbinen-Brennkammer (1) in Form eines so genannten Stufungsparameters (SP) charakterisiert ist, anhand dessen die Stufungs-Ventileinheit (7) entsprechend einer Schaltgeraden angesteuert wird, dass der Stufungsparameter (SP) aus einem funktionalen Zusammenhang abgeleitet wird, dass eine nachgeschaltete Summationsstelle zur Berechnung der Differenz zwischen einem aktuellen Wert des Stufungspunktes und einem Wert des nominalen Stufungspunktes vorgesehen ist, und dass der Summationsstelle ein Zeitelement (TIMER) nachgeordnet ist, welches so ausgebildet ist, dass nach dem Über- beziehungsweise Unterschreiten des angepassten Stufungspunktes der Umschaltvorgang zeitlich verzögert wird, wenn die Zeitdauer seit dem Ausführen der letzten Stufung kleiner ist als eine vordefinierte Zeitkonstante, die in einem Kennfeld abgelegt ist. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzsystem für eine gestufte Brennkammer beispielsweise eines Fluggasturbinen-Triebwerks oder einer statischen Gasturbine, deren Pilotbrenner stets mit einer gewissen Brennstoffmenge versorgt wird/werden, während deren Hauptbrenner(n) nur bei höherer Triebwerksleistung Brennstoff zugemessen wird, wobei stromab einer die gesamte Brennstoffmenge bestimmenden Steuer-Ventil-einheit eine diesen Gesamt-Brennstoffmassenstrom auf den/die Pilotbrenner sowie den/die Hauptbrenner veränderbar aufteilende Stufungs-Ventileinheit vorgesehen ist, die beide von einem Triebwerksregler angesteuert werden, der für die Ansteuerung der Stufungs-Ventileinheit die gewünschte Triebwerksleistung zugrunde legt. Ein derartiges Brennstoffeinspritzsystem ist aus der WO 95/17632 bekannt.
Mit einer so genannten gestuften Brennkammer sind an einer Gas-turbine, insbesondere an einem Fluggasturbinen-Triebwerk, verringerte Schadstoffemissionen erzielbar, wenn die Brennstoffeinspritzung in die Brennkammer hierfür geeignet ausgelegt wird. Insbesondere muss hierfür die genannte Stufungs-Ventileinheit geeignet angesteuert werden, das heißt die Aufteilung der der Brennkammer in einem bestimmten Betriebspunkt zugemessenen gesamten Brennstoffmenge auf deren so genannten Pilotzone, welcher der oder zumeist die mehrfach vorhandenen Pilotbrenner zugeordnet ist/sind, sowie auf deren Hauptzone, welcher der oder zumeist die mehrfach vorhandenen Hauptbrenner zugeordnet ist/sind, sollte unter Verwendung von Kennfeldern erfolgen, die bevorzugt im Hinblick auf niedrige Schadstoffemissionen der Brennkammer beziehungsweise der in dieser stattfindenden Verbrennung hin ausgelegt sind. Selbstverständlich können bei der Auslegung dieser Kennfelder auch weitere Kriterien berücksichtigt werden, so bspw. eine möglichst große Stabilitätsreserve gegenüber einer Flammenverlöschung. In diesem Zusammenhang sei noch ausdrücklich darauf hingewiesen, dass unter der genannten Aufteilung des Gesamt-Brennstoffmassenstromes auf die Pilotzone sowie auf die Hauptzone der Brennkammer auch derjenige Zustand zu verstehen ist, in dem die gesamte Brennstoffmenge alleine dem/den Pilotbrenner(n) zugeführt wird.
In der eingangs genannten WO 95/17632 wird von einem so genannten schubindikativen Parameter gesprochen, anhand dessen die genannte Aufteilung des Gesamt-Brennstoffmassenstromes vorgenommen wird, das heißt dieser schubindikative Parameter dient als Eingangsgröße für die Ansteuerung einer so genannten Stufungs-Ventileinheit, die die genannte Aufteilung der von einer Steuer-Ventileinheit zugemessenen gesamten Brennstoffmenge auf die Pilotbrenner sowie auf die Hauptbrenner vornimmt. Dieser dort so genannte schubindikative Parameter, der allgemein auch als Stufungsparameter bezeichnet werden kann und als ein solcher verwendet wird, ist dabei auch eine Kenngröße für die gewünschte Triebwerksleistung, die mit dem zugemessenen Gesamt-Brennstoffmassenstrom erzeugt werden kann. Für diesen Stufungsparameter, der selbstverständlich einfach erfassbar beziehungsweise messbar sein soll, werden in dieser genannten Schrift entweder die Gastemperatur am Kompressor-Austritt oder der Quotient aus dem Gesamt-Brennstoffmassenstrom und dem Druck in der Brennkammer vorgeschlagen.
Wie bereits erwähnt wurde, soll die Stufungs-Ventileinheit bevorzugt unter Rückgriff auf emissionsoptimierte Kennfelder angesteuert beziehungsweise betätigt werden, das heißt der so genannte Stufungsparameter, anhand dessen die Stufungs-Ventileinheit (wegen des Rückgriffs auf die genannten Kennfelder) anhand einer Schaltgeraden angesteuert wird, sollte nicht nur einen Bezug zur Triebwerksleistung haben, sondern in direkter Weise auch mit dem Betrieb der Brennkammer in Zusammenhang stehen, um die Vorteile, die eine gestufte Brennkammer hinsichtlich verringerter Schadstoffemissionen grundsätzlich besitzt, auch tatsächlich nutzen zu können.
Bei der Regelung eines Gasturbinenflugtriebwerks mit einer schadstoffarmen, gestuften Brennkammer ist ein ständiges Hin- und Herstufen zwischen Pilot- und Zweistufenbetrieb bei kleinen Drehzahl- oder Lastoszillationen zu vermeiden. Dies hat nicht nur Auswirkungen auf die Triebwerksstabilität sondern beeinflusst die Lebensdauer der Heißteile negativ. Eine so genannte Schalthysterese verhindert durch ein entsprechend breit definiertes Hystereseband unerwünschtes zyklisches Schalten der Kraftstoffstufung.
Allgemein werden solche Hysterese-Verfahren in der Regelung häufig eingesetzt. Durch die Definition eines oberen und eines unteren Stufungspunktes wird zum Beispiel ein Zurückstufen in den Pilotbetrieb erst vorgenommen, wenn der untere Stufungspunkt unterschritten wurde und damit auch eine entsprechend größere Laständerung des Triebwerks stattgefunden hat. Ein solches Verfahren ist in der WO 95/17632 beschrieben.
Die Nutzung einer Schalthysterese bringt folgende Nachteile mit sich: Die ständige Berechnung zweier Stufungspunkte (unterer und oberer) erfordert einen höheren Software-Aufwand als die Verwendung eines einzelnen Stufungspunktes. Weiterhin erfordert die Verwendung eines Hysteresebandes im Stufungsschaltplan einen weiter gehenden Kompromiss hinsichtlich der Optimierung zur Schadstoffarmut im Stufungsbereich als die Verwendung eines einzelnen Stufungspunktes. Auch die Qualität des Stufungsparameters wird in der Praxis durch Signalrauschen zu Zugeständnissen in der Breite des Hysteresebandes führen. Darunter leidet auch die Schadstoffoptimierung beziehungsweise es muss teure Messtechnik zum Einsatz kommen. Beim Einsatz einer Schalthysterese ist deren Bandbreite flexibel und abhängig vom transienten Zustand des Triebwerks zu halten. Auch dies stellt hohe Ansprüche an das Messsignal.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, an einem Brennstoffeinspritzsystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 Maßnahmen aufzuzeigen, mit Hilfe derer der Betrieb der Brennkammer des Fluggasturbinen-Triebwerks insbesondere hinsichtlich niedriger Schadstoffemissionen weiter verbessert werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Die Erfindung zeichnet sich durch eine Reihe erheblicher Vorteile aus.
Erfindungsgemäß wurde ein Regelkonzept zum sicheren und verlustminimierenden Betrieb einer gestuften Brennkammer für Flugtriebwerke gefunden. Die gestufte Brennkammer kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Regelsystems in zwei verschiedenen Betriebzuständen betrieben werden. Im unteren Lastbereich wird der gesamte Kraftstoff in die Pilotzone der Brennkammer eingesprüht. In diesem Modus entspricht die Operationsweise der gestuften Brennkammer der einer ungestuften Brennkammer. Zusätzlich werden im ungestuften Betrieb die Hauptbrenner mit Kraftstoff aus dem Pilotzweig gekühlt, um die Verkokungsgefahr zu verringern. Ab einem bestimmten Betriebspunkt erfolgt die definierte Zuschaltung der Hauptstufe, sodass beide Ringleitungen (Pilotstufe und Hauptstufe) mit Kraftstoff versorgt werden. Die Aufteilung des Kraftstoffs erfolgt über ein zusätzliches Zumessventil, das den Gesamtkraftstoff auf den Pilot- und den Hauptzweig verteilt. Dieser Betriebszustand der Brennkammer wird als gestufter Modus bezeichnet.
Ein wesentliches Element des neuen Verfahrens ist das Zeitelement "TIMER". Die vorgeschaltete Logik zur Berechnung eines nominalen Stufungspunktes ermöglicht somit, dass über eine Summationsstelle verschiedene Einflüsse wie zum Beispiel instationärer Betrieb und Flughöhe berücksichtigt werden können. Ist die Differenz zwischen dem neuen angepassten Schaltpunkt und dem aktuellen Messwert kleiner als ein Grenzwert, wird der gestufte Modus selektiert (Kommando für Stufungspunkt, SPK = 1). Nach dem Über- beziehungsweise Unterschreiten des nominalen Stufungspunktes wird der Umschaltvorgang zeitlich verzögert, wenn die Zeitdauer seit dem Ausführen der letzten Stufung kleiner ist als eine vordefinierte Zeitkonstante, die in einem Kennfeld abgelegt ist.
Sobald SPK den Wert 1 annimmt, wird das Zeitelement "TIMER" aktiviert. Die Funktion "TIMER" besitzt als Eingangsgröße den aktuellen, momentanen Wert von SPK. Der Parameter tMIN, Stufung dient zur Steuerung des Elementes "TIMER" und beschreibt die Zeitdauer, die mindestens zwischen zwei Stufungsereignissen eingehalten werden muss, wenn zwischen den beiden Betriebszuständen umgeschaltet werden soll. Liegt das Kommando für eine weitere Stufung innerhalb des Zeitfensters, wird die Ausgangsgröße des Zeitelementes (zeitverzögertes Kommando für Stufungspunkt, SPK*) solange auf den Wert der Eingangsgröße (= SPK) gehalten, bis die aktuelle Zeitspanne seit der letzten Stufung größer ist als das minimale Stufungsintervall, das heißt tTIMER > tMIN,Stufung.
Das Kennfeld für den minimalen Stufungszyklus tMIN,Stufung berücksichtigt den Einfluss schneller Lastwechsel des Flugtriebwerkes. Bei schnellen Lastwechseln, bei denen eine unverzügliche Systemantwort des Triebwerkes zum Beispiel beim Durchstarten gefordert wird, ist die Forderung nach der Einhaltung eines minimalen Stufungszyklus von untergeordneter Bedeutung, sodass der Wert von tMIN,Stufung gleich 0 ist. Je langsamer der Lastwechsel ist, desto größer wird tMIN,Stufung und erreicht im Fall quasi-stationärer Lastwechsel den Maximalwert, der unendlich groß ist (tMIN,Stufung >> 1 sec). In diesem Fall, wenn kein Lastwechsel erfolgt beziehungsweise die Schubhebelposition unverändert bleibt, ist der Betriebszustand der Brennkammer "eingefroren" das heißt ändert sich nicht und die Brennkammer verharrt in ihrem vorherigen Betriebsmodus (entweder ungestuft oder gestuft). Erst wenn ein Lastwechsel durch eine Drehzahländerung (IdNH/dtl > 0) auftritt, kann sich der Betriebszustand der Brennkammer ändern und es wird wieder ein endlicher minimaler Stufungszyklus (tMIN,Stufung < 1 sec) selektiert.
Die Ausgangsgröße SPK* der Funktion "TIMER" dient als Steuergröße für ein nachfolgendes Auswahlelement. Besitzt SPK* den Wert 0, wird am Auswahlelement "F" (= falsch) selektiert. In diesem Zustand ist der berechnete Betriebszustand (BZ) der gestuften Brennkammer gleich SPK, das heißt zur Auswahl des Betriebsmodus wird der aktuelle Wert der Stufungspunktberechnung herangezogen. Sobald SPK* = 1 ist, das heißt eine Stufung innerhalb von tMIN,Stufung erfolgen soll, wird im Gegensatz dazu (Auswahlelement "T" (= true, richtig)) der historische Wert von BZ, das heißt der Wert aus dem letzten Zeitschritt Z-1, verwendet. Damit wird sichergestellt, dass zwischen beiden Betriebsmodi kein zyklisches Schalten des Stufungsventils auftritt. Bei Überschreiten des Zeitkriteriums für den minimalen Stufungszyklus wird der Betriebszustand (0 = ungestuft, 1 = gestuft) wieder nach der erfindungsgemäßen Berechnungsvorschrift kontrolliert.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit ein hohes Maß an Flexibilität bei der Regelung des Betriebszustandes einer gestuften Brennkammer, da durch die Einführung einer variablen Zeitfunktion ein stabiler Betrieb der Brennkammer im ungestuften und gestuften Betrieb sichergestellt ist. Ein erhöhtes Signairauschen der Regelparameter zum Beispiel von P30 wirkt sich nicht auf die Auswahl des Betriebszustandes im stationären Betrieb des Flugtriebwerkes aus, da in diesem Fall ein Umschalten nicht möglich ist. Erst bei einem Lastwechsel, der in Form einer Änderung der Hochdruckdrehzahl detektiert wird (IdNH/dtl > 0), ist ein weiterer Schaltvorgang freigegeben.
Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass die Triebwerksleistung durch die Belastung der Gasturbinen-Brennkammer in Form eines so genannten Stufungsparameters (SP) charakterisiert ist, anhand dessen die Stufungs-Ventileinheit entsprechend einer Schaltgeraden angesteuert wird und wobei der Stufungsparameter (SP) aus einem der folgenden funktionalen Zusammenhänge abgeleitet wird:
Nach dem ersten funktionalen Zusammenhang wird der Gesamt-Brennstoffmassenstrom (WF) durch den Gasdruck am Brennkammer-Eintritt (P30) dividiert und dieser Quotient mit der Gastemperatur am Brennkammer-Eintritt (T30) multipliziert, das heißt der Stufungsparameter SP ist eine Funktion von [WF / P30 · T30].
Nach dem zweiten funktionalen Zusammenhang wird der Gesamt-Brennstoffmassenstrom (WF) durch den Gasdruck am Brennkammer-Eintritt (P30) dividiert und dieser Quotient mit der Quadratwurzel der Gastemperatur am Brennkammer-Eintritt (T30) multipliziert, das heißt der Stufungsparameter SP ist eine Funktion von [WF / P30 · (T30)1/2 ].
Nach dem dritten funktionalen Zusammenhang wird der Gesamt-Brennstoffmassenstrom (WF) durch den Gasdruck am Brennkammer-Eintritt (P30) dividiert und dieser Quotient mit der Quadratwurzel des Quotienten aus der Gastemperatur am Brennkammer-Eintritt (T30) und der Gastemperatur am Triebwerks-Eintritt (T20) multipliziert, das heißt der Stufungsparameter SP ist eine Funktion von [WF / P30 · (T30 / T20)1/2 ].
Nach dem vierten funktionalen Zusammenhang wird der Gesamt-Brennstoffmassenstrom (WF) durch den Gasdruck am Brennkammer-Eintritt (P30) dividiert und dieser Quotient mit dem Wert der Größe der Total-Temperatur stromab der Hochdruckturbine (= T44) oder mit der Quadartwurzel hiervon multipliziert, das heißt der Stufungsparameter SP ist eine Funktion von [WF / P30 · T44] beziehungsweise SP ist eine Funktion von [WF / P30 · (T44)1/2 ].
In anderen Worten ausgedrückt soll die Regelung des Brennstoffeinspritzsystems einer gestuften Gasturbinen-Brennkammer also durch einen die Belastung dieser Brennkammer charakterisierenden Stufungsparameter erfolgen, wobei die besagte Stufungsventileinheit entsprechend einer Schaltgeraden angesteuert wird und der Stufungsparameter aus einem der oben aufgelisteten Zusammenhänge abgeleitet wird.
Erfindungsgemäß handelt es sich nun beim Stufungsparameter (SP) weniger um einen schubindikativen Parameter sondern vielmehr um einen die Brennkammerbelastung widerspiegelnden Parameter, sodass die Kennfelder, auf welche über diesen Stufungsparameter zugegriffen wird und aus denen heraus die Stufungs-Ventileinheit entsprechend einer Schaltgeraden angesteuert wird, unter deutlich stärkerer Bezugnahme auf die Brennkammer und somit auf die darin stattfindende Verbrennung ausgelegt werden können. Damit ist eine verbesserte Verbrennung in nahezu allen Brennkammer-Betriebszuständen, in denen eine gestufte Verbrennung erfolgt, das heißt in denen sowohl die Pilotbrenner als auch die Hauptbrenner mit Brennstoff versorgt werden, erzielbar.
In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass der Gesamt-Brennstoffmassenstrom (WF) über eine spezielle Kalibriertabelle in Abhängigkeit von der Ventilposition der eingangs bereits genannten Steuer-Ventileinheit, die diesen in Form eines primären Zumessventiles bestimmt, berechnet werden kann. Dabei kann das diesen Gesamt-Brennstoffmassenstrom wiedergebende Signal, das gegenüber Signalrauschen besonders anfällig sein kann, mit Hilfe geeigneter Tiefpasselemente gefiltert werden. Ferner können die Anforderungen an das jeweils gewünschte Brennstoff-Luft-Verhältnis in den einzelnen Betriebspunkten (insbesondere auch hinsichtlich der jeweiligen Flamm-Verlöschgrenzen) über funktionale Zusammenhänge in entsprechenden Kennfeldern abgebildet werden.
Wie bereits erläutert wurde, kann eine gestufte Brennkammer mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Regelsystems in zwei verschiedenen Operationsmodi betrieben werden. Im unteren Lastbereich des Triebwerks wird der gesamte Brennstoff in die Pilotzone der Brennkammer eingesprüht, sodass in diesem Modus die Operationsweise der gestuften Brennkammer derjenigen einer ungestuften Brennkammer entspricht. Ab einem bestimmten Betriebspunkt erfolgt die definierte Zuschaltung der Hauptstufe, wonach sowohl die Pilotbrenner als auch Hauptbrenner mit Brennstoff versorgt werden. Das Umschalten zwischen dem ungestuften und dem gestuften Betriebsmodus erfolgt unter Einbeziehung des erfindungsgemäßen Zeitelements (TIMER), wobei bei einem Ansteigen der Triebwerksleistung über den Stufungspunkt die Hauptbrenner zugeschaltet und bei Absinken der Triebwerksleistung unter den Stufungspunkt die Hauptbrenner abgeschaltet werden.
In einem quasistationären Betriebszustand des Triebwerks wird der Stufungspunkt bevorzugt aus einem Kennfeld in Abhängigkeit vom erfindungsgemäßen Stufungsparameter ermittelt. Damit jedoch erwünschtermaßen stets beim gleichen Wert für das Brennstoff-Luftverhältnis umgeschaltet wird, sollen nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung verschiedene Einflüsse berücksichtigt werden. Der Stufungspunkt ergibt sich durch Addition beziehungsweise Subtraktion von Korrekturgliedern (ΔSP) zu beziehungsweise von dem nominalen, aus einem der weiter oben genannten funktionalen Zusammenhänge abgeleiteten Stufungsparameter (SP). Dabei sei darauf hingewiesen, dass für jeden Einflussparameter ein eigenes additives Korrekturglied vorgesehen sein kann, die dann alle aufsummiert werden können, sodass praktisch alle wesentlichen Einflussparameter bei der Berechnung des Stufungspunktes über eine einfache Summenbildung berücksichtigt werden können. Der einzelne Beitrag der Einflussparameter wird dabei als relative Änderung zum nominalen Stufungspunkt erfasst.
Ein erster derartiger Einflussparameter ist der Absolutwert des Gasdruckes (P30) und/oder die Gastemperatur (T30) am Brennkammer-Eintritt. Diesbezüglich wird vorgeschlagen, den Stufungsvorgang vom ungestuften in den gestuften Betrieb zu verzögern, sobald der Brennkammer-Eintrittsdruck (P30) und/oder die Brennkammer-Eintrittstemperatur (T30) unterhalb bestimmter durch Brennkammerversuche ermittelte Grenzwerte für den stabilen Betrieb der Brennkammer sinkt/sinken. Diese Funktion ist insbesondere im gestuften Modus aktiv und führt bei Unterschreitung der genannten Grenzwerte für (P30) und/oder (T30) zum Umschalten in den Pilotbetrieb, in welchem nur die Pilotbrenner mit Brennstoff versorgt werden.
Ein zweiter Einflussparameter ist die korrigierte Drehzahl des Hochdruckverdichters (N2RT20) und der Gasdruck am Triebwerkseintritt (P20). Mit Hilfe dieser weiteren redundanten Funktion kann ein Umschalten vom ungestuften in den gestuften Modus unterhalb des Leerlaufbetriebszustandes des Triebwerkes verhindert werden. Konkret wird hierfür vorgeschlagen, in Abhängigkeit von definierten Grenzwerten für die korrigierte Drehzahl des Hochdruckverdichters (N2RT20) und für den Fan-Eintrittsdruck (P20) den Stufungspunkt künstlich zu sehr hohen Werten für den Stufungsparamter (SP) zu verschieben und damit solange ein Umschalten zu verhindern, bis diese Grenzwerte überschritten sind.
Ein dritter Einflussparameter ist die Flughöhe des Fluggasturbinen-Triebwerks sowie Änderungen von Umgebungsbedingungen.
Ein vierter Einflussparameter schließlich ist die Lastwechselgeschwindigkeit des Triebwerkes, und zwar mit folgendem Hintergrund: Im gestuften Modus ist die Stabilität der Verbrennung in der Pilotzone zur Gewährleistung eines sicheren Betriebes der Brennkammer von entscheidender Bedeutung. Damit in jedem Betriebszustand keine Flammenverlöschung der Pilotbrenner durch eine ungünstige Brennstoffaufteilung auf die beiden Brennstoffkreise, das heißt auf die Pilotbrenner und auf die Hauptbrenner auftreten kann, wird der Umschaltvorgang vom reinen Pilotbetrieb in den gestuften Betrieb bei schnellen instationären Lastwechselvorgängen verzögert. Dazu wird auf den bereits genannten Grundwert des Stufungspunktes ein vom Betriebszustand der Brennkammer abhängiger Offset addiert. Hierdurch wird der Stufungspunkt bei schnellen Lastwechseln zu höheren Werten des erfindungsgemäßen Stufungsparameters (SP) hin verschoben.
Ein fünfter Einflussparameter berücksichtigt den Einfluss des Verdichterpumpens auf die Stabilität der Verbrennung in der gestuften Brennkammer.
In diesem Zusammenhang sei noch beschrieben, auf welche Weise ein schneller, sicherer und schubverlustfreier Übergang zwischen den beiden Operationsmodi der gestuften Brennkammer gewährleistet werden kann. Ein Stufungsvorgang das heißt ein Wechsel des Operationsmodus sollte nämlich keine signifikanten Auswirkungen auf das Verhalten des gesamten Triebwerkes, wie z.B. Verdichterpumpen durch instabile Verbrennung oder verringerten Pumpgrenzenabstand, Schubverlust, Flammenverlöschung, Beschädigung der Turbine durch Überhitzung, etc. hervorrufen. Folgende Methoden werden für einen schnellen und sicheren Übergang zwischen den Operationsmodi vorgeschlagen:
Während schneller Lastwechsel wird die Stabilität und Zündfähigkeit der Verbrennung durch eine kurzzeitige Anreicherung (Verfettung) des Brennstoff-Luft-Gemisches der Pilotzone sichergestellt, indem die Hauptstufe abgemagert und der damit überschüssige Brennstoff den Pilotbrennern zugeführt wird. Die Pilotzone arbeitet dann in jedem Fall innerhalb ihres Stabilitätsbereiches und dient für das Brennstoff-Luft-Gemisch der Hauptstufe als Zündquelle. Um dies zu erreichen, wird in Abhängigkeit von der momentanen Beschleunigung beziehungsweise Verzögerung eine erweiterte Brennstoffsplitting-Tabelle, in der in Abhängigkeit vom Stufungsparameter (SP) die Aufteilung des Gesamt-Brennstoffmassenstromes auf die Pilotbrenner sowie die Hauptbrenner fest gehalten ist, verwendet. Als indikative Parameter für diese Brennstoffsplitting-Tabelle beziehungsweise für dieses Kennfeld werden sowohl die zeitliche Ableitung der Drehzahl des Hochdruckverdichters (N2) als auch die zeitliche Ableitung des Brennkammer-Eintrittsdruckes (P30) genutzt. Zusätzlich wird über definierte Schliessratenbegrenzer eine zu starke Änderung des Brennstoffmassenstromes für den Pilotbrenner und damit eine zu starke Änderung der Brennstoff-Luft-Verhältnisse in der Pilotzone verhindert.
Parallel beziehungsweise unterstützend hierzu kann ein so genannter Splitwert, der die Kraftstoffaufteilung auf die Pilotbrenner und Hauptbrenner beschreibt (und somit aus der genannten Brennstoffsplitting-Tabelle auffindbar ist) und anhand dessen die Stufungs-Ventileinheit angesteuert wird, ebenfalls in instationären Zustände angepasst werden. Wie bereits mehrfach erwähnt wurde, wird in quasistationären Betriebszuständen des Triebwerks ein schadstoffoptimiertes Kennfeld zur Ansteuerung der Stufungs-Ventileinheit verwendet, wobei der beziehungsweise einer der erfindungsgemäßen Stufungsparameter als indikative Eingangsgröße für dieses Kennfeld herangezogen wird. Ergänzend wird nun vorgeschlagen, während instationärer Triebwerks-Manöver den berechneten Splitwert durch einen Korrekturfaktor anzupassen, wobei dieser Korrekturfaktor in Abhängigkeit von der zeitlichen Änderung der Drehzahl insbesondere der Hochdruckwelle des Triebwerks berechnet wird. Diese Anpassung kann dabei derart erfolgen, dass der kommandierte Pilot-Brennstoffmassenstrom und damit das Brennstoff-Luft-Verhältnis der Pilotzone kurzzeitig erhöht wird, um eine Flammenverlöschung der Flammen in der Pilotzone der Brennkammer zu verhindern. Dabei empfiehlt es sich, den so berechneten Splitwert bspw. über für elektronische Steuerkreise bekannte High-Win- und Low-Win-Glieder innerhalb definierter Grenzwerte zu halten.
Um in einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzsystems bei Erkennen eines Pumpens des Verdichters des Fluggasturbinen-Triebwerks einen stabilen Betrieb der gestuften Brennkammer zu gewährleisten, ist Folgendes vorgesehen: Die bereits bekannten beziehungsweise existierenden Triebwerks-Regelgesetze können ein auftretendes Verdichterpumpen bevorzugt durch das Erfassen stark schwankender Werte des Gasdruckes (P30) am Brennkammer-Eintritt und durch einen anschließenden Vergleich mit einem gesetzten Grenzwert detektieren. Nun wird vorgeschlagen, dass die Ausgangsgröße dieser Logik in einer digitalen elektronischen Steuereinheit zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzsystems ein Flag für den Zeitraum des detektierten Pumpvorgangs auf den Wert "1" setzt. Dieser Flag wird dann genutzt, um in den ebenfalls in der elektronischen Steuereinheit implementierten Regelgesetzen für die gestufte Verbrennung für den Zeitraum des Verdichterpumpens die Schaltgerade zu verändern, (wozu bereits an dieser Stelle auf die später noch näher erläuterte Figur 5 verwiesen wird). Dazu wird der Stufungspunkt in den Bereich hoher Lastpunkte verschoben, sodass die gestufte Brennkammer in dem Betriebmodus vor dem Auftreten des Verdichterpumpens verweilt. Damit wird bei einer starken Änderung des Stufungsparameters ein zyklisches Schalten zwischen den beiden Operationsmodi der Brennkammer (das heißt zwischen Pilotbetrieb, in dem nur die Pilotbrenner mit Brennstoff versorgt werden, und dem gestuften Betrieb, in dem auch die Hauptbrenner Brennstoff erhalten) verhindert. Nach dem Pumpen - das heißt sobald das Flag wieder den Wert "0" annimmt - wird der Wert für den Stufungspunkt wieder entsprechend den hier beschriebenen (regulären) Regelgesetzen für den gestuften Brennkammerbetrieb berechnet. Der Vorteil dieser Methode liegt neben dem Verhindern zyklischen Schaltens auch darin, dass der aktuelle kraftstoffsplit während des kurzzeitigen Pumpens des Verdichters ohne ein Wechsel des Betriebsmodus immer noch aus einem Kennfeld berechnet wird. Dadurch wird sichergestellt, dass der Pilotkraftstoffmassenanteil entsprechend dem Kraftstoff-Luft-Verhältnis bestimmt wird und eine genügend hohe Stabilitätsreserve gegenüber Flammenverlöschung erhalten bleibt.
In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung wird auf einen Grenz-Ersatzwert für den Splitwert zurückgegriffen, wenn der berechnete und danach zeitlich differenzierte Splitwert einen Grenz-Differenzenwert überschreitet. Hierdurch können eventuell auftretende Störungen in der Regelgröße bspw. während schnellster Lastwechsel oder unerwarteter Betriebsstörungen durch eine Limitierung der Öffnungs- beziehungsweise Schliessungsrate der Stufungs-Ventileinheit abgefangen werden. Diesbezüglich wird bereits an dieser Stelle auf die beigefügte, später noch kurz erläuterte Figur 4 verwiesen. Dazu wird die zeitliche Ableitung des berechneten Splitwertes über einen Zeitschritt gebildet und mit Hilfe eines Limiters begrenzt. Dieser Limiter ist nur aktiv, wenn der kommandierte beziehungsweise ermittelte Splitwert unterhalb eines definierten Grenzwertes fällt, der im gestuften Modus die maximal zulässige Brennstoff-Aufteilung auf die Pilotbrenner sowie auf die Hauptbrenner berücksichtigt. Die aktuelle Änderungsrate der Position der Stufungs-Ventileinheit wird mit der maximal erlaubten Änderungsrate beaufschlagt, solange der vordefinierte Grenzwert erreicht ist.
Weiterhin wird vorgeschlagen, während eines Stufungsvorganges beziehungsweise eines Überganges vom Pilotbetrieb (das heißt nur die Pilotbrenner werden mit Brennstoff versorgt) in den gestuften Betrieb (das heißt die Pilotbrenner und die Hauptbrenner werden mit Brennstoff versorgt) eine Änderung hinsichtlich der Entnahme von Zapfluft aus dem Triebwerk zu unterdrücken. Hierdurch kann eine zusätzliche Variation des Brennstoff-Luft-Gemisches vermieden werden. Nachdem anschließend im gestuften Operationsmodus ein Maximalwert für den Splitwert unterschritten wird, erfolgt dann minimal verzögert die gewünschte Zapfluftentnahme im gestuften Betrieb.
Schließlich ist es vorteilhaft, wenn eine so genannte Stufungs-Vorwegnahme-Logik, die bei sich abzeichnender Zuschaltung der Hauptbrenner ein kurzzeitiges Befüllen der Hauptbrenner mit Brennstoff hervorruft. Dies geschieht mit dem Ziel, das Auftreten von Schubverlusten und Brennkammer-Instabilitäten im Verlaufe eines Stufungsvorganges (das heißt wenn zusätzlich zu den zuvor alleinig betriebenen Pilotbrennern nun auch die Hauptbrenner mit Brennstoff versorgt werden sollen) zu verhindern. Im Falle eines derartigen transienten Triebwerksmanövers kann es nämlich aufgrund des Auffüllvorgangs. des wenn auch kleinen Totvolumens der Hauptbrennerdüsen kurzzeitig zu einem Absinken des der Brennkammer zugeführten Gesamt-Brennstoffmassenstromes kommen. Dies kann nun durch eine so genannte Stufungs-Vorwegnahme-Logik verhindert werden, die während des Stufungsvorganges ein im Brennstoffsystem vorgesehenes Druckregelventil (Zumessventil des Gesamt-Brennstoffmassenstromes) kurzzeitig weiter öffnet, um einerseits den Brennstoffdruck in den Pilotbrennern und damit den Brennstoffdurchsatz durch die Pilotbrenner aufrechtzuerhalten als auch die Totvolumina in den Hauptbrennern schneller aufzufüllen. Sowohl der Zeitraum der Positionsänderung des Ventils als auch der Betrag der Positionsänderung werden in Abhängigkeit von Parametern bestimmt, die den stationären Betriebszustand und die Änderung dieses Betriebszustandes berücksichtigen. Gleichzeitig erfolgt dadurch während der Stufung auch eine gewisse Anreicherung des gesamten Brennstoff-Luftverhältnisses in der Brennkammer, die notwendig ist, um die durch einen gewissen Zündverzug in der Hauptstufe der Brennkammer verzögert stattfindende Umsetzung des Brennstoffs in Wärme zu kompensieren. Daneben bestehen jedoch auch andere Möglichkeiten, bei einem sich abzeichnenden Stufungsvorgang kurzzeitig einen vergrößerten Brennstoffmassenstrom zur Verfügung zu stellen, um hiermit die Hauptbrenner vollständig zu befüllen und somit einen andernfalls möglicherweise kurzzeitig auftretenenden Schubverlust zu verhindern.
Als Abfragebedingung für diese vorgeschlagene Funktion wird jeder mögliche Parameter beansprucht, der im Zusammenhang mit der implementierten Grundformel beziehungsweise den grundsätzlichen Regelgesetzen zum Stufungsvorgang steht sowie jede beliebige Kombination der Parameter untereinander, als auch die Möglichkeit einer Erweiterung der Abfragebedingung durch weitere Tabellen, die auf diesem Parameter basieren. Grundsätzlich muss hierfür die genannte Abfragebedingung lediglich auf geeigneten Tabellen basieren, die den zu erwarteten Verlust oder Überschuss des Gesamt-Brennstoffmassenstromes berücksichtigen.
Wie in Fig. 5 dargestellt, gibt somit der Splitwert (S) den aktuellen Wert der Aufteilung der Massenströme des Brennstoffs zu der Pilotstufe beziehungsweise der Hauptstufe der Brennkammer vor. Der Stufungspunkt (SPK) gibt eine Aussage, in welchem Modus sich das Brennstoffeinspritzsystem jeweils befindet, er gibt somit eine Zustandsanzeige ab. Mit ABS ist in Fig. 5 ein Absolutwert des Stufungspunktes bezeichnet, welcher stets positiv ist. Der nachgeschaltete Vergleicher, in welchen auch der Grenzwert eingeht, erzeugt daraufhin einen SPK-Stufungspunkt-Wert von 0 oder 1.
Weiterhin zeigt die Fig. 5, dass in das Kennfeld zur Steuerung des TIMERS die Ableitung der Hochdruckwellendrehzahl nach der Zeit eingeht. Wie in der Beschreibung vorstehend bereits erläutert, umfasst das Auswahlelement zwei Zustände, nämlich "T" für "true" und "F" für "falsch". In dem Zustand "T" wird, da der Wert SPK* = 1 ist, der historische Wert von BZ (Betriebszustand), das heißt der Wert aus dem letzten Zeitschritt Z-1 verwendet. In der Legende der Fig. 5 wird mit SPK das Kommando für den Stufungspunkt bezeichnet, während SPK* das zeitverzögerte Kommando für den Stufungspunkt bedeutet. Mit dem Zustand 0 wird ein ungestufter Betriebszustand der Brennkammer bezeichnet, bei dem die Pilotstufe an-, die Hauptstufe jedoch ausgeschaltet ist. Mit 1 wird ein Betriebszustand bezeichnet, bei welchem sowohl die Pilotstufe als auch die Hauptstufe angeschaltet sind.
In diesem Zusammenhang sei noch eine Methode zur Vorauffüllung der zu den Hauptbrennern führenden Brennstoffleitungen beschrieben, die beim Anlassen des Triebwerks bevorzugt angewendet werden kann. Üblicherweise wird nämlich eine so genannte Brennstoffringleitung, die zu den Hauptbrennern führt, bei jedem Abschalten des Triebwerks passiv, das heißt mit Luft, gespült und der darin befindliche Brennstoff in einen Spültank entleert. Beim Betrieb des Triebwerks ist es jedoch erforderlich, dass die Brennstoffringleitung zu den Hauptbrennerdüsen vollständig aufgefüllt ist, wenn vom ungestuften Pilotbetrieb zum gestuften Betrieb beziehungsweise Operationsmodus übergegangen werden soll. Dies ist eine Voraussetzung für den sicheren und stabilen Betrieb des Triebwerks über dessen gesamten Leistungsbereich. Daher ist eine besondere Maßnahme erforderlich, die sicherstellt, dass beim Anlassen des Triebwerks die Brennstoffringleitung zu den Hauptbrennern parallel mit dem Auffüllen der zu den Pilotbrennern führenden Brennstoffringleitung aufgefüllt wird. Hierfür wird die folgende Methode vorgeschlagen:
Vor jedem Anlassen des Triebwerks ist die Hauptbrenner-Ringleitung von Brennstoff leergespült. Wenn das Triebwerk angelassen wird (hierbei kann es sich um Bodenstarts und um Starts im Flug handeln), erfolgt zunächst ein über einen möglichst kurzen Zeitraum stattfindendes Auffüllen des gesamten Brennstoffleitungsvolumens zwischen der Brennstoffzumesseinheit beziehungsweise Steuer-Ventileinheit und den Einspritzdüsen der Pilotbrenner sowie der Hauptbrenner. Der schnelle Auffüllvorgang hält den Einspritzverzug in die Brennkammer und damit den dort stattfindenen Zündverzug so gering wie möglich. Hierfür ist eine zusätzliche Logik im elektronischen Triebwerksregler implementiert. Demzufolge werden zunächst mit einem erhöhten Brennstoffmassenstrom, der mehrfach oberhalb des Zünd-Brennstoffmassenstromes liegt, sämtliche Brennstoff-Ringleitungen aufgefüllt. Damit dieser Brennstoff auch in die zu den Hauptbrennern führenden Leitungen gelangen kann, wird die genannte Stufungs-Ventileinheit vorübergehend von der nur die Pilotbrenner beaufschlagenden Position in eine halb offene Position gefahren, in der auch die Hauptbrenner mit Brennstoff versorgt werden. Dadurch werden parallel zu den Pilotleitungen auch die zu den Hauptbrennern führenden Brennstoffleitungen aufgefüllt. Die entsprechende Öffnungszeit und die Öffnungsposition der Stufungs-Ventileinheit sind dabei geeignet vorbestimmt. Der Vorteil dieser Methode ist, dass auf die Überwachung des Füllzustandes der Leitung in/zu den Hauptbrennern verzichtet werden kann.
Um dabei sicherzustellen, dass die Hauptbrenner-Brennstoffleitungen vollständig gefüllt werden, ist der Brennstoffdruck in diesen Leitungen durch geeignete Positionierung der Stufungs-Ventileinheit selbstverständlich so groß zu halten, dass die Rückschlagventile in den Hauptbrenner-Einspritzdüsen kurzzeitig aufgedrückt werden und sowohl das sich bildende Luftpolster als auch eine geringe Brennstoffmenge in die Brennkammer hineingedrückt werden. Diese geringe Brennstoffmenge verbrennt danach in der Brennkammer zusammen mit dem gleichzeitig durch die Pilotbrenner eingespritzten Zünd-Brennstoffmassenstrom. Die Hauptbrenner-Einspritzdüsen werden anschließend durch das passive Spülsystem wieder von Brennstoff freigespült, wodurch ein Verkoken der Hauptbrenner verhindert wird. Anschließend werden die Stufungs-Ventileinheit geschlossen (das heißt nur die Pilotbrenner sind zugeschaltet) und gleichzeitig der Brennstoffmassenstrom von der Brennstoffzumesseinheit beziehungsweise Steuer-Ventileinheit auf das Niveau des für die Zündung erforderlichen Zünd-Brennstoffmassenstroms reduziert. Die weitere Regelung der Brennstoffzufuhr bis zur Zündung und Beschleunigung wird wie bei einem Triebwerk mit einem konventionellen System gehandhabt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
Fig. 1
eine schematische Darstellung einer gestuften Brennkammer eines Fluggasturbinen-Triebwerks,
Fig. 2
eine schematische Teilansicht eines erfindungsgemäßen Triebwerkreglers,
Fig. 3
ein Teil-Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen Triebwerkreglers,
Fig. 4
ein weiteres Teil-Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen Triebwerkreglers, und
Fig. 5
ein Prinzipschaltbild zur Umsetzung in einer digitalen elektronischen Steuereinheit bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzsystems.
In Figur 1, in welcher ein üblicher Teil-Schnitt durch eine gestufte Ring-Brennkammer eines Fluggasturbinen-Triebwerks dargestellt ist, ist mit der Bezugsziffer 1 die Brennkammer und mit der Bezugsziffer 2 der Austritt aus dieser Brennkammer 1 bezeichnet. In die Brennkammer 1 gelangt gemäß den dargestellten Pfeilen ein von einem vorgeschalteten Kompressor geförderter und dabei verdichteter Gasstrom beziehungsweise Luftstrom hinein, der den benötigten Sauerstoff mitführt, um den über den (beziehungsweise die mehrfach vorhandenen ringförmig angeordneten) Pilotbrenner 3 sowie ggf. über den (beziehungsweise die mehrfach vorhandenen ringförmig angeordneten) Hauptbrenner 4 in die Brennkammer 1 eingebrachten Brennstoff (dieser ist punktiert dargestellt) in der Brennkammer 1 zu verbrennen. Die Verbrennungs-Abgase gelangen dann durch den Brennkammer-Austritt 2 gemäß Pfeil zunächst in die Turbine des Triebwerks.
Die Brennkammer 1 ist räumlich unterteilt in eine Pilotzone 1a, die sich direkt stromab der Pilotbrenner 3 befindet, sowie in eine sich in Strömungsrichtung der Gase daran anschließende Hauptzone 1b, in die die Hauptbrenner 4 den Brennstoff abgeben. Letzteres, das heißt eine Brennstoffzufuhr in die Hauptzone 1b der Brennkammer 1 über die Hauptbrenner 4 geschieht jedoch nur in solchen Betriebspunkten des Triebwerks, in denen eine höhere Leistungsentfaltung beziehungsweise Leistungsabgabe gefordert wird. Ständig hingegen gelangt über die Pilotbrenner 3 Brennstoff in die Brennkammer 1. In Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebspunkt des Fluggasturbinen-Triebwerks gelangen somit zwischen 10% und 100% des gesamten zugeführten Brennstoffmassenstromes über die Pilotbrenner 3 in die Brennkammer 1, während demzufolge über die Hauptbrenner 4 bei hoher Triebwerksleistung 90% und bei niedriger Triebwerksleistung 0% des Gesamt-Brennstoffmassenstromes in die Brennkammer 1 eingeleitet werden.
In Figur 2 ist ein erfindungsgemäßes Brennstoffeinspritzsystem, mit welchem die Pilotbrenner 3 sowie die Hauptbrenner 4 mit Brennstoff versorgt werden, schematisch und dabei stark vereinfacht dargestellt. Der Pfeil WF verdeutlicht dabei den Gesamt-Brennstoffmassenstrom, der über eine Steuer-Ventileinheit 6 dosiert und damit an einen bestimmten Betriebspunkt des Triebwerks angepasst in die Brennkammer 1 eingeleitet wird. Eine so genannte Stufungs-Ventileinheit 7 stellt dabei ein, welcher Anteil dieses Gesamt-Brennstoffmassenstromes WF gemäß Pfeil 3' den Pilotbrennern 3 und welcher (damit komplementär zusammenhängende) Anteil dieses Gesamt-Brennstoffmassenstromes WF gemäß Pfeil 4' den Hauptbrennern 4 zugeführt wird.
Mit der Bezugsziffer 8 ist der (elektronische) Triebwerksregler bezeichnet, der üblicherweise mehrere Regelblöcke enthält. Hier ist nun ein erster Regelblock 8a dargestellt, der die Steuer-Ventileinheit 6 betätigt beziehungsweise geeignet positioniert oder einstellt, und der hierfür geeignete (übliche) Triebwerkregelgesetze enthält beziehungsweise berücksichtigt. Ferner ist ein zweiter Regelblock 8b dargestellt, der die Stufungs-Ventileinheit 7 kontrolliert und demzufolge Regelgesetze für die gestufte Verbrennung enthält beziehungsweise berücksichtigt. Dieser Regelblock 8b bestimmt somit den so genannten Splitwert S, der die Aufteilung des Gesamt-Brennstoffmassen-stromes WF auf die Pilotbrenner 3 sowie auf die Hauptbrenner 4 kennzeichnet und stellt die Stufungs-Ventileinheit 7 dementsprechend ein.
Figur 3 zeigt schematisch und stark vereinfacht die Berechnung der Aufteilung des Gesamt-Brennstoffmassenstromes WF auf die Pilotbrenner 3 (Brennstoffstrom 3' in Fig. 2) und die Hauptbrenner 4 (Brennstoffstrom 4' in Fig. 2), wobei diese Aufteilung durch einen so genannten Splitwert S beschrieben wird. Wie weiter oben ausführlich erläutert wurde, wird hierbei auf die bekannten Größen
WF =
Gesamt-Brennstoffmassenstrom,
P30 =
Gasdruck am Brennkammer-Eintritt,
T30 =
Gastemperatur am Brennkammer-Eintritt, oder
T44 =
Total-Temperatur stromab der Triebwerks-Hochdruck-turbine
gegebenenfalls auch auf
T20 =
Gastemperatur am Triebwerks-Eintritt
zurückgegriffen. Hieraus ergibt sich nach obigen Erläuterungen der so genannte Stufungsparameter SP.
Ferner kann noch die zeitliche Änderung der Drehzahl der Hochdruckwelle des Triebwerks, das heißt der Quotient (dNH / dt)Ref berücksichtigt werden, wie dies unten in Verbindung mit Anspruch 3 erläutert wird.
Über Kennfelder 5 ergibt sich hiermit ein Splitwert S', der zunächst noch über ein an sich übliches Low-Win-Glied 9a sowie ein High-Win-Glied 9b geführt wird, woraus sich ein nominaler Splitwert S* ergibt. Das Low-Win-Glied 9a berücksichtigt dabei einen maximalen Splitwert MAX (dieser entspricht 100% Brennstoffanteil für die Pilotbrenner 3), während das High-Win-Glied 9b einen minimalem Splitwert MIN berücksichtigt, der zwischen 10% und 40% Brennstoffanteil für die Pilotbrenner 3 liegen kann. Auch diesbezüglich wird auf die Erläuterungen zu Patentanspruch 3 verwiesen.
In Figur 4 ist eine bevorzugte Art der Limitierung der Brennstoffaufteilung auf die Pilotbrenner 3 sowie auf die Hauptbrenner 4 dargestellt. Diesbezüglich wird auf die Erläuterungen zu Patentanspruch 5 verwiesen. Ein (zeitliches) Differenzierglied für den nominalen Splitwert S* trägt die Bezugsziffer 10 und der im obigen Beschreibungsabschnitt zu Anspruch 5 genannte Limiter die Bezugsziffer 11. Der Grenzwert, der für diese Abfrage ggf. berücksichtigt wird, ist als Eingangsgröße mit der Bezugsziffer 12 bezeichnet und kann bspw. 50% betragen. Bei einer Stufung vom Pilotbetrieb in den so genannten Dualbetrieb - ( in diesem werden die Pilotbrenner und die Hauptbrenner betrieben ) - durchläuft der kommandierte Splitwert den Bereich zwischen 100% und 40%. Erst ab einem Pilotbrennstoffanteil unterhalb von 50% erfolgt die Limitierung der Brennstoff-Aufteilung auf die Pilotbrenner. Dies bedeutet, dass der Anteil 4' am Gesamt-Brennstoffmassenstrom WF, der über die Hauptbrenner 4 in die Brennkammer 1 gelangen kann, im Bereich zwischen 0% und 50% liegen kann.
Figur 5 schließlich zeigt ein Schemata zur bevorzugten Berechnung des Operationsmodus der Brennkammer 1, das heißt ob diese im Pilotbetrieb oder im gestuften Betrieb gefahren wird. Die Ausgangsgröße dieses Schematas ist eine digitale Ja/Nein-Größe, die angibt, ob die Hauptbrenner 4 mit Brennstoff versorgt werden oder nicht.
Neben dem berechneten Splitwert S* (nomineller Stufungspunkt), sowie dem aktuellen Splitwert "Actual" gehen dabei in diese Festlegung beziehungsweise Berechnung des Stufungspunktes wie ersichtlich additiv mehrere Korrekturglieder ΔSP ein, so wie dies ebenfalls bereits ausführlich erläutert wurde. Diese einzelnen Korrekturglieder, die zu ΔSP aufsummiert werden, berücksichtigen dabei - wie bereits erläutert wurde - über geeignete Kennfelder 5 mehrere Einflussparameter. Die Berücksichtigung der Lastwechselgeschwindigkeit ist dabei auch mit "Transient" und diejenige der Flughöhe auch mit "Altitude" bezeichnet. Die ein Umschalten vom ungestuften Pilotbetrieb in den gestuften Operationsmodus unterhalb des Leerlaufbetriebszustandes des Triebwerkes verhindernde Funktion ist auch mit "Idle" bezeichnet, und diejenige Funktion, die einen Absolutwert für den Gasdruckes (P30) und/oder die Gastemperatur (T30) am Brennkammer-Eintritt berücksichtigt, um einen stabilen Betrieb der Brennkammer sicherzustellen, ist auch mit "Stability" bezeichnet.
Mit den soweit beschriebenen Merkmalen ergibt sich ein Brennstoffeinspritzsystem für eine gestufte Brennkammer insbesondere eines Fluggasturbinen-Triebwerks, mit der ein im Wesentlichen optimaler Betrieb dieser Brennkammer 1 ermöglicht wird. Möglich ist insbesondere eine schadstoffoptimierte kennfeldgestützte Regelung der gestuften Verbrennung im quasi-stationären Betrieb. Die im Regelblock 8b des Triebwerksreglers 8 implementierbaren und weiter oben beschriebenen Regelgesetze für die gestufte Verbrennung erlauben einen Betrieb einer beziehungsweise der gestuften Brennkammer 1 im ungestuften Pilotbetrieb und im gestuften Modus ohne signifikantem Einfluss auf die Sicherheit, Stabilität und das Schubvermögen des gesamten Triebwerkes während eines Stufungsvorganges, worunter ein Umschaltvorgang zwischen den beiden Operationsmodi verstanden wird. Insbesondere wird ein nahezu schubverlustfreier Übergang vom Betriebszustand mit alleiniger Beaufschlagung der Pilotbrenner 3 in den gestuften Betrieb, in dem neben den Pilotbrennern 3 auch den Hauptbrennern 4 Brennstoff zugemessen wird, gewährleistet. Der so genannte Stufungsvorgang beansprucht dabei vorteilhafterweise nicht die vorhandene Stabilitätsreserve des Verdichters.
Die stufenlos einstellbare Stufungs-Ventileinheit 7 stellt sicher, dass sowohl das Emissionsniveau der Brennkammer insbesondere bezüglich NOx als auch das Temperaturprofil am der Brennkammer 1 nachgeschalteten Turbineneintritt über dem gesamten Betriebsbereich des Triebwerks optimiert ist. Die gewählte Methode der Einstellung des Brennstoffsplits, das heißt des Splitwerts S, auf die Pilotbrenner 3 und die Hauptbrenner 4 ermöglicht damit eine flexible Aufteilung des Brennstoffs entsprechend den aktuellen Anforderungen an das Regelsystem im jeweiligen Betriebszustand. Damit erlaubt diese Methode neben einer optimalen Einstellung der Brennstoffaufteilung zur Minimierung der Schadstoffemissionen auch eine Optimierung des Betriebsverhaltens der Brennkammer hinsichtlich Verbrennungsstabilität, Ausbrandverhalten und des Temperaturaustrittsprofils über dem gesamten Lastbereich des Triebwerks.
Wie beschrieben erfolgt bevorzugt ein getrenntes Erfassen der wesentlichen Einflussfaktoren, wie z.B. Flughöhe, transiente Betriebsmanöver auf den Stufungspunkt sowie die korrekte Einstellung der Brennstoffaufteilung auf beide Brennstoffkreise im gestuften Modus. Alle wesentlichen Einflüsse auf die Stufungscharakteristik werden über einfache Kennfelder erfasst und deren Einfluss additiv sowohl auf den Stufungspunkt als auch auf den Brennstoffsplit, das heißt auf den Splitwert S, berücksichtigt. Damit wird sowohl eine Optimierung der Verbrennung in den beiden Brennkammerzonen, nämlich der Pilotzone 1a und der Hauptzone 1b, als auch die Einhaltung der Stabilität der Verbrennung gewährleistet.
Generell ergibt sich eine verbesserte Regelqualität aufgrund der Verwendung von gut messbaren Triebwerks-Parametern, wie WF, P30, T30 u.a. Eine Synthetisierung von Triebwerks-Parametern wird hierdurch vermieden. Auch kann bei Implementierung der so genannten Stufungs-Vorwegnahme-Logik während eines Stufungsvorganges eine signifikante Verminderung des Triebwerk-Schubes verhindert werden. Auch die beschriebene Berücksichtigung eines Anlassvorganges ist in einem erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzsystem äußerst vorteilhaft. Schließlich ist die Software zur Regelung des Stufungsprozesses einfach in einen vorhandenen Triebwerksregler integrierbar, wobei noch darauf hingewiesen sei, dass selbstverständlich eine Vielzahl von Details abweichend von obigen Erläuterungen gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.
Zusammenfassend ist Folgendes festzustellen:
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzsystem für eine gestufte Brennkammer 1 eines Fluggasturbinen-Triebwerks, deren Pilotbrenner 3 stets mit einer gewissen Brennstoffmenge versorgt wird/werden, während deren Hauptbrenner(n) 4 nur bei höherer Triebwerksleistung Brennstoff zugemessen wird, wobei stromab einer die gesamte Brennstoffmenge bestimmenden Steuer-Ventileinheit 6 eine diesen Gesamt-Brennstoffmassenstrom (WF) auf die Pilotbrenner 3 sowie auf die Hauptbrenner 4 veränderbar aufteilende Stufungs-Ventileinheit 7 vorgesehen ist, die beide von einem Triebwerksregler 8 angesteuert werden, der für die Ansteuerung der Stufungs-Ventileinheit 7 die gewünschte Triebwerksleistung zugrunde legt, dadurch gekennzeichnet, dass die Triebwerksleistung durch die Belastung der Gasturbinen-Brennkammer 1 in Form eines so genannten Stufungsparameters (SP) charakterisiert ist, anhand dessen die Stufungs-Ventileinheit 7 entsprechend einer Schaltgeraden angesteuert wird, dass der Stufungsparameter (SP) aus einem funktionalen Zusammenhang abgeleitet wird, dass eine nachgeschaltete Summationsstelle zur Berechnung der Differenz zwischen einem aktuellen Wert des Stufungspunktes und einem Wert des nominalen Stufungspunktes vorgesehen ist, und dass der Summationsstelle ein Zeitelement (TIMER) nachgeordnet ist, welches so ausgebildet ist, dass nach dem Über- beziehungsweise Unterschreiten des angepassten Stufungspunktes der Umschaltvorgang zeitlich verzögert wird, wenn die Zeitdauer seit dem Ausführen der letzten Stufung kleiner ist als eine vordefinierte Zeitkonstante, die in einem Kennfeld abgelegt ist.

Claims (15)

  1. Brennstoffeinspritzsystem für eine gestufte Brennkammer (1) eines Fluggasturbinen-Triebwerks, deren Pilotbrenner (3) stets mit einer gewissen Brennstoffmenge versorgt wird/werden, während deren Hauptbrenner(n) (4) nur bei höherer Triebwerksleistung Brennstoff zugemessen wird, wobei stromab einer die gesamte Brennstoffmenge bestimmenden Steuer-Ventileinheit (6) eine diesen Gesamt-Brennstoff-massenstrom (WF) auf die Pilotbrenner (3) sowie auf die Hauptbrenner (4) veränderbar aufteilende Stufungs-Ventileinheit (7) vorgesehen ist, die beide von einem Triebwerksregler (8) angesteuert werden, der für die Ansteuerung der Stufungs-Ventileinheit (7) die gewünschte Triebwerksleistung zugrunde legt, dadurch gekennzeichnet, dass die Triebwerksleistung durch die Belastung der Gasturbinen-Brennkammer (1) in Form eines so genannten Stufungsparameters (SP) charakterisiert ist, anhand dessen die Stufungs-Ventileinheit (7) entsprechend einer Schaltgeraden angesteuert wird, dass der Stufungsparameter (SP) aus einem funktionalen Zusammenhang abgeleitet wird, dass eine nachgeschaltete Summationsstelle zur Berechnung der Differenz zwischen einem aktuellen Wert des Stufungspunktes und einem Wert des nominalen Stufungspunktes vorgesehen ist, und dass der Summationsstelle ein Zeitelement (TIMER) nachgeordnet ist, welches so ausgebildet ist, dass nach dem Über- beziehungsweise Unterschreiten des angepassten Stufungspunktes der Umschaltvorgang zeitlich verzögert wird, wenn die Zeitdauer seit dem Ausführen der letzten Stufung kleiner ist als eine vordefinierte Zeitkonstante, die in einem Kennfeld abgelegt ist.
  2. Brennstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitelement (TIMER) aktivierbar ist, sobald der aktuelle Wert des Stufungspunktes einen Wert 1 annimmt.
  3. Brennstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitelement (TIMER) mittels einer Kennfeldsteuerung ansteuerbar ist.
  4. Brennstoffeinspritzsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennfeldsteuerung zur Abgabe eines Steuerungsparameters tMIN,Stufung an das Zeitelement (TIMER) ausgebildet ist.
  5. Brennstoffeinspritzsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerungsparameter bei schnellem Lastweg klein und bei langsamem Lastweg groß eingestellt ist.
  6. Brennstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kennfeldsteuerung für das Zeitelement (TIMER) als Eingangsgröße die Ableitung der Hochdruckturbinenwellendrehzahl nach der Zeit (dNH/dt) zuleitbar ist.
  7. Brennstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangswert SPK* des Zeitelements (TIMER) einem Auswahlelement zuleitbar ist.
  8. Brennstoffeinspritzsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswahlelement so ausgebildet ist, dass bei SPK* = 0 der aktuelle Wert der Stufungspunktberechnung herangezogen wird und dass bei SPK* = 1 der Wert des letzten Zeitschritts (Z-1) verwendet wird.
  9. Brennstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stufungsparameter (SP) aus einem funktionalen Zusammenhang abgeleitet wird:
    {Gesamt-Brennstoffmassenstrom (WF)} dividiert durch {Gasdruck am Brennkammer-Eintritt (P30)} multipliziert mit {Gastemperatur am Brennkammer-Eintritt (T30)},
    das heißt SP = Funktion von [WF / P30 · T30] oder
    {Gesamt-Brennstoffmassenstrom (WF)} dividiert durch {Gasdruck am Brennkammer-Eintritt (P30)} multipliziert mit {Quadratwurzel der Gastemperatur am Brennkammer-Eintritt (T30)},
    das heißt SP = Funktion von [WF / P30 · (T30)1/2] oder
    {Gesamt-Brennstoffmassenstrom (WF)} dividiert durch {Gasdruck am Brennkammer-Eintritt (P30)} multipliziert mit {Quadratwurzel des Quotienten aus der Gastemperatur am Brennkammer-Eintritt (T30) und der Gastemperatur am Triebwerks-Eintritt (T20)},
    das heißt SP = Funktion von [WF / P30 · (T30 / T20)1/2] oder
    {Gesamt-Brennstoffmassenstrom (WF)} dividiert durch {Gasdruck am Brennkammer-Eintritt (P30)} multipliziert mit {Total-Temperatur (T44) stromab der Hochdruckturbine oder der Quadratwurzel hiervon},
    das heißt
    SP = Funktion von [WF / P30 · T44], oder
    SP = Funktion von [WF / P30 · (T44)1/2]
  10. Brennstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bezüglich des Zuschaltens sowie des Abschaltens der Hauptbrenner (4) vorgesehen ist, dass bei Ansteigen der Triebwerksleistung über den Stufungspunkt die Hauptbrenner zugeschaltet und bei Absinken der Triebwerksleistung unter den Stufungspunkt die Hauptbrenner abgeschaltet werden, und dass zu einem Grundwert des Stufungspunktes, der insbesondere aus einem Kennfeld ermittelt wird, zumindest ein Korrekturglied (ΔSP) in Form eines Offsets addiert wird, durch welches einer der folgenden Einflussparameter berücksichtigt wird:
    Absolutwert des Gasdruckes (P30) und/oder der Gastemperatur (T30) am Brennkammer-Eintritt
    korrigierte Drehzahl des Hochdruckverdichters (N2RT20) und Gasdruck am Triebwerkseintritt (P20)
    Flughöhe und/oder ausgewählte Umgebungsbedingungen
    Lastwechselgeschwindigkeit
    Verdichterpumpen
  11. Brennstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei aus dem Stufungsparameter (SP) über ein Kennfeld ein so genannter Splitwert (S) ermittelt wird, der die Brennstoffaufteilung auf die Pilotbrenner (3) und die Hauptbrenner (4) beschreibt und anhand dessen die Stufungs-Ventileinheit (7) angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass in Instationärzuständen des Triebwerkes der Splitwert (S) durch einen Korrekturfaktor angepasst wird, der in Abhängigkeit von der zeitlichen Änderung der Drehzahl insbesondere der Hochdruck-Welle des Triebwerks ermittelt wird.
  12. Brennstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf einen Grenz-Ersatzwert für den Splitwert zurückgegriffen wird, wenn der zeitlich differenzierte berechnete Splitwert einen Grenz-Differenzenwert überschreitet.
  13. Brennstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Stufungsvorganges, bei welchem die Hauptbrenner (4) zugeschaltet oder abgeschaltet werden, initiiert durch den Triebwerksregler (8) eine Änderung der Zapfluft-Entnahmerate aus dem Triebwerk verhindert wird.
  14. Brennstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch eine Stufungs-Vorwegnahme-Logik, die bei sich abzeichnender Zuschaltung der Hauptbrenner (4) ein kurzzeitiges Befüllen der Hauptbrenner verursacht.
  15. Brennstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Anlassvorganges des Triebwerks die Kraftstoffleitungen zu den Hauptbrennern gleichzeitig mit den Leitungen zu den Pilotbrennern befüllt werden, ohne den Füllzustand in den Hauptbrenner-Leitungen zu messen.
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