SE521293C2

SE521293C2 - Förfarande och anordning för tillförsel av bränsle till en brännkammare

Info

Publication number: SE521293C2
Application number: SE0100369A
Authority: SE
Inventors: Bertil Joensson
Original assignee: Volvo Aero Corp
Priority date: 2001-02-06
Filing date: 2001-02-06
Publication date: 2003-10-21
Also published as: SE0100369D0; RU2272964C2; SE0100369L; WO2002063214A1; EP1360439B1; CA2431286C; CA2431286A1; ATE386907T1; DE60132922D1; US20040094118A1; EP1360439A1; DE60132922T2; RU2003125642A; US6915640B2

Description

25 30 521 293 2 föràngad form. För att åstadkomma föràngningen krävs att brännkammaren är varm. Bränslet fràn pilotspridaren avses däremot förbrännas i vätskeform, i form av droppar. Vid uppstarten tillförs ett relativt stort bränsleflöde till pilotspridaren. Vid mellan- och höglastdrift avses pilotspridaren däremot tillföras vilket emellertid skall bibehålla en säkerställa att enbart ett litet bränsleflöde, vara tillräckligt för att låga fràn pilotspridaren och därmed inte huvudspridarna och därmed brännkammaren slocknar.

Enligt en tidigare känd bränsletillförselanordning utnyttjas nämnda första reglerventil för reglering av bränsleflödet till sáväl huvudspridarna som pilotspridaren. Anordningen innefattar vidare en tryckregulator för samverkan med den första reglerventilen för styrning bränsleflödet till pilotspridaren. Med detta arrangemang har det emellertid visat sig vara svårt att styra flödena till huvud- och pilotspridarna pà ett noggrant sätt sä att dels utslockning av brännkammaren undviks och dels emissioner, sàsom CO, NOX och oförbränt HC, hàlls på en låg* nivá. Förbränningen av' bränslet' i droppform 'via pilotspridaren är nämligen förknippad med sàdana emissioner.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ett första syfte med uppfinningen är att åstadkomma ett förfarande för tillförsel av bränsle till en brännkammare som medför en i förhållande till tidigare teknik mer noggrann styrning av bränsleflödet. I synnerhet avser man reducera emissionerna i förhållande till tidigare teknik samt åstadkomma en 10 15 20 25 30 521 293 3 säkerhet mot utslockning av brännkammaren i ett làglastdriftsläge.

Detta syfte uppnàs genom att ett andra bränsleflöde, vilket är väsentligt mindre än det första bränsleflödet, tillförs nämnda. pilotspridare för att uppnà ett specifikt driftsläge, ätskilt frán uppstart, via en andra reglerventil, som är inrättad för reglering av ett väsentligt mindre flöde än den första reglerventilen. Med andra ord utnyttjas en liten ventil (den andra reglerventilen) för reglering av ett litet flöde och en stor ventil (den första reglerventilen) för reglering av ett stort flöde till pilotspridaren.

Härigenom. skapas förutsättningar för att uppná en i förhållande till tidigare teknik mer noggrann reglering av flödet till pilotspridaren. Tack vare detta förfarande kan speciellt tillförseln av bränslet kontrolleras noggrant under övergångar mellan olika driftslägen.

Enligt ett föredraget utförande bringas den första reglerventilen att leda det första bränsleflödet till nämnda huvudspridare dä brännkammaren avses drivas i ett mellan- eller höglastomräde. I detta mellan- eller höglastomràde tillförs alltså pilotspridaren ett litet bränsleflöde via den andra reglerventilen. Den första reglerventilen utnyttjas sáledes till att styra ett stort bränsleflöde till pilotspridaren i ett visst driftsläge och till huvudspridarna i ett annat driftsläge, Genom denna styrning av bränsletillförseln skapas förutsättningar för en kostnads- och utrymmeseffektiv bränsletillförselanordning_ 10 15 20 25 30 521 295' 4 Enligt en vidareutveckling bringas den andra reglerventilen att leda det andra, mindre bränsleflödet till nämnda pilotspridare dä brännkammaren avses drivas i ett läglastomràde. En sädan làglastdrift kan utnyttjas dä gasturbinen och i förekommande fall dess avgasvärmeväxlare är varma och således avsevärt mindre bränsle krävs än vid uppstart.

Ett andra syfte med uppfinningen är att àstadkomma en anordning för tillförsel av bränsle till en brännkammare som skapar förutsättningar för en i förhållande till tidigare teknik mer noggrann styrning av bränsleflödet. I synnerhet avser man i högre utsträckning kunna reducera emissionerna i förhållande till tidigare teknik samt àstadkomma en förhöjd säkerhet mot utslockning av brännkammaren i ett làglastdriftsläge.

Detta syfte uppnäs genom att anordningen innefattar en andra reglerventil för reglering av bränsleflödet genom en andra som är ansluten till ledning i systemet, nämnda pilotspridare, och att den andra reglerventilen är inrättad för reglering av ett' väsentligt mindre flöde än den första reglerventilen.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfinningen skall beskrivas närmare i det följande, med hänvisning till de bifogade ritningarna.

I figur l visas en föredragen utföringsform av en anordning för tillförsel av bränsle till en brännkammare hos en gasturbin. 10 15 20 25 30 521 293 5 I figur 2 visas en graf över bränsleflödena till pilotspridaren och huvudspridarna enligt ett driftsexempel.

DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER AV UPPFINNINGEN I figur 1 illustreras en föredragen utföringsform av en anordning l för tillförsel av bränsle till en brännkammare (ej visad) hos en gasturbin. Brännkammaren är av làgemissionstyp och har en centralt anordnad pilotspridare och ett flertal kring denna anordnade figur 1 är och huvudspridare. I pilotspridaren huvudspridarna schematiskt illustrerade med hänvisningsbeteckningen 2 resp 3.

Storleken. pà de bränsleflöden som tillförs spridarna 2,3 beror pà avsett driftsläge. Vid uppstart av en kall motor samt eventuellt i ett làglastomràde tillförs ett relativt stort bränsleflöde till pilotspridaren emedan och inget bränsle tillförs huvudspridarna. I nællan- höglastomrädet tillförs däremot pilotspridaren ett litet bränsleflöde och huvudspridarna ett stort bränsleflöde. Pilotspridaren utnyttjas i det senare fallet som en säkerhet mot utslockning. Skillnaden i storlek pá bränsleflödena till pilotspridaren vid uppstart och vid inkopplade huvudspridare är särskilt accentuerat dá gasturbinen är inrättad för avgasvärmeväxling.

Den uppfinningsenliga anordningen innefattar en bränsletank 4, ett ledningssystem 5 kopplat frán bränsletanken 4 till spridarna 2,3, en pump 6 för pumpning av bränsle frän tanken till spridarna, och en första reglerventil 7 för reglering av bränsleflödet i 10 15 20 25 30 521 295 6 en första ledning 8 i. systemet som är ansluten till nämnda huvudspridare 3.

Anordningen innefattar vidare en andra reglerventil 9 för reglering av bränsleflödet genom en andra ledning 10 i systemet, som är ansluten till nämnda pilotspridare 2. Den andra reglerventilen 9 är inrättad för reglering av' ett väsentligt mindre flöde än den första reglerventilen” Den andra reglerventilen 9 är företrädesvis inrättad för reglering av ett flöde som är åtminstone mindre än 20 % och företrädesvis mindre än 10 % av det flöde den första reglerventilen 7 är inrättad att reglera.

Den första ledningen. 8 är även ansluten till pilotspridaren 2 för reglering av flödet till denna med av den första detta hjälp reglerventilen 7. Anordningen innefattar för ändamål en efter den första reglerventilen 7 anordnad riktningsventil 11. Via riktningsventilen 11 kan bränsleflödet fràn den första reglerventilen 7 ledas till pilotspridaren. 2 via en mellanliggande ledning 12.

Nedan beskrivs tillförseln av bränsle frán tanken 4 till spridarna 2,3 i. tre olika driftslägen, nämligen normaldrift (mellan- och láglastdrift vid uppstart, vid höglastdrift) samt vid (tomgång och motorbromsdrift).

Vid uppstart av gasturbinen är den första reglerventilen. 7 öppen för genomflöde och den andra reglerventilen 9 stängd. Ett relativt sett stort bränsleflöde leds dà fràn tanken 4 via ett filter 14 till den första ledningen 8 och genom den första 10 15 20 25 30 521 293 7 Bränslet leds till pilotspridaren 2 i den mellanliggande ledningen 12 via reglerventilen 7. vidare den första riktningsventilen ll och en andra riktningsventil 13. Riktningsventilen ll är med andra ord i detta fall inrättad för ledning av bränslet till den mellanliggande ledningen 12.

Vid mellan- och höglastdrift är säväl den första 7 som den andra reglerventilen 9 öppna för genomflöde. Den första riktningsventilen ll är nu inrättad för ledning av' det relativt stora bränsleflödet frán den första reglerventilen '7 till huvudspridarna. 3. Ett relativt sett mindre bränsleflöde leds nu i den andra ledningen 10 genom den andra reglerventilen 9 och den andra riktningsventilen 13 till pilotspridaren 2.

Vid láglastdrift är den första reglerventilen 7 stängd och den andra reglerventilen 9 öppen. Ett relativt sett litet flöde leds nu i den andra ledningen 10 genom den andra reglerventilen 9 och den andra riktningsventilen 13 till pilotspridaren 2.

För att kunna reglera flödet med reglerventilerna 7,9 med stor noggrannhet oberoende av trycknivàn nedströms huvudsak bestäms av reglerventilerna (som i brännkammartrycket samt tryckfallet över spridarna 2,3) innefattar anordningen ytterligare ventiler 15,16 avsedda att hälla ett konstant tryckfall över reglerventilerna. I föreliggande fall användes en tryckreglerventil 15 med spillfunktion för den första reglerventilen 7 samt en tryckreglerventil 16 med strypfunktion för den andra reglerventilen 9. I föreliggande fall där endast en pump användes mäste tryckregleringsventilernas 15,16 inställning väljas sà 10 15 20 25 30 521 293 8 alla förekommande driftsfall häller att vid tryckregleringsventilen 15 med spillfunktion ett tryck uppström reglerventilerna som är högre än eller lika med det tryck som kräves uppströms den andra reglerventilen 9.

I den föredragna utföringsformen enl. fig. l visas även en tryckbegränsningsventil 17 som skyddar systemet mot skadligt höga tryck samt dräneringsventiler 18, 19 som användes för dränering av bränsle fràn spridarna vid avstängning av brännkammaren. illustreras i till I figur 2 en graf ett exempel pà bränsleflödena pilotspridaren 2 respektive huvudspridarna 3. Den vertikala axeln anger flödet q och den horisontella axeln anger tiden t. Den heldragna linjen visar flödet genom den första reglerventilen 7 och den streckade linjen visar flödet genom den andra reglerventilen 9. Perioden a anger uppstartsfasen och b anger normaldrift. Mellan uppstartsfasen och normaldrift utförs rampning av flödena för att uppná en mjuk övergáng mellan de olika driftslägena. Under uppstartsfasen tillförs ett relativt stort bränsleflöde ql till pilotspridaren 2 via den första reglerventilen 7 (flödet reduceras något under uppstartsfasen eftersom motorn värms upp med tiden). Inget bränsle tillförs huvudspridarna 3 under uppstartsfasen. När inloppsluften till brännkammaren är tillräckligt varm skall huvudspridarna 3 pà avsett sätt kopplas dessa in. Vid för att förbränningen kunna ástadkommas med tidpunkten tl sker därför en övergàng frän uppstartsfasen till normaldrift. Efter övergången huvudspridarna 3 flödet q2 via den första tillförs ett tillförs reglerventilen 7 och pilotspridaren 2 10 15 20 521 293 9 mindre flöde q3 via den andra reglerventilen 9. Vid tidpunkten t2 visas vidare en accelerationsfas c under vilken flödet till huvudspridarna 3 ökas kraftigt till en nivà q4, vilken motsvarar höglastdrift.

Som figur 2 illustrerar förekommer givetvis variationer i flöde i det som ovan benämns andra flödet. Med benämningarna första och andra flöde avses med andra ord tvâ flödesintervall pà olika nivàer. Inom flödesintervallet för till exempel det andra flödet kan det specifika flödet styras till olika önskade värden.

Uppfinningen skall inte anses vara begränsad till den ovan beskrivna utföringformen, utan en rad ytterligare varianter och modifikationer är tänkbara inom ramen för efterföljande patentkrav.

Exempelvis kan konstanttryckregleringen åstadkommas pà andra sätt, bland annat genom att använda tvá pumpar dà tryckfall reglerventilerna kan väljas till lämpligt över oberoende av trycknivàerna i ledningen huvudspridare respektive pilotspridare.

Claims

10 15 20 25 30 521 293 410 PATENTKRAV

1. Förfarande för tillförsel av bränsle till en brännkammare som innefattar åtminstone en huvudspridare (3) och åtminstone en pilotspridare (2), varvid ett första brånsleflöde tillförs nämnda pilotspridare under uppstart av' brânnkammaren 'via en första reglerventil (7) och varvid ett andra bränsleflöde, vilket är väsentligt mindre än det första bränsleflödet, tillförs nämnda pilotspridare (2) för att uppnå ett specifikt àtskilt reglerventil (9), som är inrättad för reglering av ett driftsläge, från uppstart, via en andra väsentligt mindre flöde än den. första reglerventilen (7) kânnetecknat av, att den första reglerventilen (7) bringas att leda det första bränsleflödet till nämnda huvudspridare (3) via en riktningsventil (11) då brânnkammaren avses drivas i ett mellan- eller höglastområde.

2. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av, att den andra reglerventilen (9) bringas att leda det andra, mindre bränsleflödet till nämnda pilotspridare (2) då brânnkammaren avses drivas i ett mellan- eller höglastområde.

3. Förfarande enligt något av' de föregående kraven, kännetecknat av, att den andra reglerventilen (9) bringas att leda det andra, mindre bränsleflödet till nämnda pilotspridare (2) då brânnkammaren avses drivas i ett låglastomràde.

4. Förfarande enligt något av' de föregående kraven, kånnetecknat av, att brânnkammaren är inrättad hos en gasturbin. 10 15 20 25 30 521 293 .ll

5. Anordning för tillförsel av bränsle till en brännkammare som innefattar åtminstone en huvudspridare (3) och (2), (4), kopplat från bränsletanken till varvid ett åtminstone en pilotspridare anordningen innefattar en bränsletank ledningssvstem (5) spridarna (2,3), en pump (6) för pumpning av bränsle från tanken till spridarna, en första reglerventil (7) för reglering av bränsleflödet i en första ledning (8) i systemet som är ansluten till nämnda pilotspridare (2), bränsleflödet genom en andra ledning (10) i systemet, och en andra reglerventil (9) för reglering av som är ansluten till nämnda pilotspridare (2), varvid den andra reglerventilen (9) är inrättad för reglering av ett väsentligt mindre flöde än den första reglerventilen (7) kännetecknad av, att ledningen (8) till för reglering av flödet till denna (7), och att anordningen innefattar en riktningsventil (11) anordnad den första även är ansluten huvudspridaren (3) med hjälp av den första reglerventilen efter den första reglerventilen (7) och en (12) och andra ledningen (8,10) för ledning av bränsleflödet mellanliggande ledning som förbinder den första till huvudspridaren (3) och/eller pilotspridaren (2).

6. Anordning enligt krav 5, kännetecknad av, att den andra reglerventilen (9) är inrättad för reglering av ett flöde som åtminstone är mindre än 20 % och 0 företrädesvis mindre än 10 6 av det flöde den första reglerventilen (7) är inrättad att reglera.

7. Anordning enligt krav 5 eller 6, kännetecknad av, att den är inrättad för tillförsel av bränsle till brännkammaren hos en gasturbin. 521 295 _12

8. Anordning enligt krav 7, kännetecknad av, att gasturbinen innefattar en avgasvärmeväxlare.