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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Bereich der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft Gasturbinenmotoren und insbesondere Systeme für
und Verfahren zur aktiven Steuerung/Regelung eines Musterfaktors
in Gasturbinenmotoren, um die Motorleistung zu optimieren, indem
der Brennstoffverbrauch optimiert wird, Emissionen reduziert werden
und die Langlebigkeit eines Bauteils erhöht wird.
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2. Hintergrund der verwandten Technik
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Gasturbinenmotoren
umfassen typischerweise mehrere Brennstoffeinspritzeinrichtungen, welche
um einen Umfang einer Brennkammer herum angeordnet sind. Abhängig
von Motorbetriebszuständen oder -bedingungen können überhitzte
Stellen innerhalb der Brennkammer die Lebensdauer von Motorbauteilen,
wie z. B. Turbinenschaufeln, verkürzen. Die gesamte räumliche
Temperaturverteilung innerhalb der Brennkammer wird als der Motor-”Musterfaktor” (Pattern-Faktor)
bezeichnet, welcher als die Differenz zwischen der maximalen Brennkammertemperatur
(Tmax) und der mittleren Brennkammerausgangstemperatur
(T4) geteilt durch die Differenz zwischen
der mittleren Brennkammerausgangstemperatur (T4)
und der Brennkammereinlasstemperatur (T3)
definiert ist. Das heißt: Musterfaktor
= [(Tmax – T4)/(T4 – T3)]
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In
der Vergangenheit wurden passive Messungen verwendet, um einen Musterfaktor
zu modifizieren, indem beispielsweise das Kraftstoffeinspritzverteilungsmuster
modifiziert wurde, oder die Form oder Kapazität der Brennkammer
verändert wurde. Jedoch haben sich passive Steuerungen/Regelungen
als zu kostspielig und die Brennkammerleistung begrenzend erwiesen.
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Darüber
hinaus wird Brennstoff, welcher irgendeinem der mehrfachen Brennstoffeinspritzeinrichtungen
in einer Brennkammer zugeführt wird, typischerweise über
einen gemeinsamen Brennstoffverteiler zugeführt, ohne einzelne
Steuerung/Regelung der Brennstoffströmung durch jede Einspritzeinrichtung.
Die Anmelder haben erkannt, dass der Brennstoffdruck auf und die
Brennstoffströmungsrate durch jede Einspritzeinrichtung
daher durch äußere Einflüsse beeinflusst
werden kann, um eine ungleiche Brennstoffverteilung über
den Umfang der Brennkammer zu bewirken, was zu einem unerwünscht
hohen Musterfaktor führen kann.
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Die
Anmelder haben daher erkannt, dass in der Technik einen Bedarf nach
Systemen und Verfahren besteht, um einen Musterfaktor zu minimieren und
somit die Langlebigkeit von Motorbauteilen zu unterstützen.
Die Erfindung bietet Lösungen für diesen Bedarf.
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ÜBERSICHT DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft neue und nützliche Verfahren zur aktiven
Musterfaktorsteuerung/regelung für Gasturbinenmotoren.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren
zur aktiven Steuerung/Regelung eines Verbrennungsmusterfaktors die Schritte,
Brennstoff durch einen oder mehrere in Umfangsrichtung angeordnete
Brennstoffeinspritzeinrichtungen in eine Brennkammer eines Gasturbinenmotors
auszugeben, einen Anfangsumfangsmusterfaktor in der Brennkammer
zu bestimmen und eine Brennstoffströmung durch eine oder
mehrere ausgewählte Brennstoffeinspritzeinrichtungen basierend auf
dem Anfangsumfangsmusterfaktor einzustellen, um einen modifizierten
Umfangsmusterfaktor in der Brennkammer zu erhalten.
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Der
Schritt, einen Anfangsumfangsmusterfaktor in der Brennkammer zu
bestimmen, kann wiederum die Schritte umfassen, eine chemilumineszente
Signatur innerhalb der Brennkammer zu erfassen, die chemilumineszente
Si gnatur mit einem Äquivalenzverhältnis zu korrelieren,
und den Anfangsumfangsmusterfaktor basierend auf dem Äquivalenzverhältnis
zu berechnen.
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Alternativ
kann gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung
der Schritt, einen Anfangsumfangsmusterfaktor in der Brennkammer
zu bestimmen, ein Messen von Temperaturen an einer Mehrzahl von
Umfangspositionen an dem Brennkammerausgang und ein Berechnen des
Anfangsumfangsmusterfaktors basierend auf den gemessenen Temperaturen
umfassen. Alternativ können Temperaturmessungen an anderen
axialen Stellen längs der Länge der Turbine vorgenommen
werden und solche Temperaturmessungen können beispielsweise
unter Verwendung optischer Temperatursensoren vorgenommen werden.
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Gemäß noch
einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zur aktiven
Steuerung/Regelung eines Verbrennungsmusterfaktors in einem Gasturbinenmotor
die Schritte, Brennstoff in eine Brennkammer des Gasturbinenmotors
durch eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung angeordnete Brennstoffeinspritzeinrichtungen
auszugeben, eine Brennstoffströmungsrate durch zwei oder
mehrere der Mehrzahl von Brennstoffeinspritzeinrichtungen zu messen,
die Brennstoffströmungsrate durch die zwei oder mehreren
der Mehrzahl von Brennstoffeinspritzeinrichtungen zu vergleichen
und die Brennstoffströmungsrate durch einen oder mehrere
Einspritzeinrichtungen einzustellen, um eine gleiche Brennstoffströmung
zu jeder der zwei oder mehreren Einspritzeinrichtungen aufzurechtzuerhalten,
um einen optimalen Musterfaktor zu erreichen. In einem solchen Fall
kann die Brennstoffströmungsrate gemessen werden, indem
beispielsweise Volumen- oder Massenströmungsraten gemessen
werden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zur aktiven
Steuerung/Regelung eines Verbrennungsmusterfaktors in einem Gasturbinenmotor
die Schritte, Brennstoff von einer oder mehreren in Umfangsrichtung
angeordneten Brennstoffeinspritzeinrichtungen in eine Brennkammer
des Gasturbinenmotors auszugeben, eine minimale Anzahl an Brennstoff einspritzeinrichtungen zu
bestimmen, welche benötigt werden, um Brennstoff für
eine Aufrechterhaltung von Verbrennungsanforderungen strömen
zu lassen, die Brennstoffströmung durch ausgewählte
Brennstoffeinspritzeinrichtungen einzustellen, indem den ausgewählten
Brennstoffeinspritzeinrichtungen zugeordnete Ventilanordnungen in
vollständig geöffnete Positionen betätigt werden
und indem den nicht ausgewählten Brennstoffeinspritzeinrichtungen
zugeordnete Ventilanordnungen in vollständig geschlossene
Positionen betätigt werden.
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Wie
gewünscht oder verlangt, können die nachstehend
dargelegten optionalen Merkmale in irgendeine Ausführungsform
von einem Verfahren oder System einbezogen sein, welches gemäß der Erfindung
ausgebildet oder konstruiert ist.
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Zusätzlich
kann der Schritt durchgeführt werden, eine Brennstoffströmungsrate
durch die eine oder mehrere in Umfangsrichtung angeordnete Brennstoffeinspritzeinrichtungen
vor und nach dem Einstellschritt zu messen.
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Der
Schritt, eine Brennstoffströmung einzustellen, kann das
Einstellen einer Brennstoffströmung zu einem Pilotbrennstoffkreis
von einer Brennstoffeinspritzeinrichtung umfassen. Ein solches Einstellen kann
das in einer anderen Weise durchgeführte Modulieren, Trimmen
oder eine Reduzierung oder Erhöhung einer Strömungsrate
umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann der Schritt,
eine Brennstoffströmung einzustellen, das Einstellen einer
Brennstoffströmung zu einem Hauptbrennstoffkreis von einer Brennstoffeinspritzeinrichtung
umfassen. Der Schritt, eine Brennstoffströmung von ausgewählten
Brennstoffeinspritzeinrichtungen einzustellen, kann das Öffnen
oder Schließen eines elektromechanischen Ventils umfassen.
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Verfahren
und Systeme gemäß irgendeiner Ausführungsform
der Erfindung können ferner ein Bereitstellen eines an
einem Verteiler angeordneten Ventils umfassen, um eine Brennstoffströmung
zu einem Pilotbrennstoffkreis und einem Hauptbrennstoffkreis einstellen
zu können.
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Der
Schritt, eine Brennstoffströmung durch die ausgewählten
Brennstoffeinspritzeinrichtungen einzustellen, kann das Einstellen
einer Brennstoffströmung zu einem oder mehreren ausgewählten Brennstoffeinspritzeinrichtungen
umfassen, während eine Brennstoffströmung mit
einer unveränderten Rate zu anderen übrigen Einspritzeinrichtungen
aufrechterhalten wird.
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Verfahren
und Systeme gemäß der Erfindung können
auch ein Einstellen einer Brennstoffströmung durch die
ausgewählten Brennstoffeinspritzeinrichtungen umfassen,
kann die Verwendung einer elektromechanischen Ventilanordnung mit
variabler Verstellung umfassen, welche mit den ausgewählten
Brennstoffeinspritzeinrichtungen integriert ist, um eine durch die
ausgewählten Brennstoffeinspritzeinrichtungen strömende
Brennstoffmenge einzustellen. Das elektromechanische Ventil kann
dazu ausgebildet und konfiguriert sein, irgendeinen notwendigen
Grad einzustellen, und in einem Aspekt ist es dazu ausgebildet und
konfiguriert, eine Brennstoffströmungsrate um etwa +/–20%
von einer mittleren Brennstoffströmungsrate zu verändern.
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In
allen hier dargelegten Ausführungsformen kann die Brennstoffströmungsrate
durch jede der Mehrzahl von Brennstoffeinspritzeinrichtungen gemessen
werden. Massen- und/oder Volumen-Strömungsratenmessungen
können vorgenommen werden.
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Der
Schritt, den Anfangsumfangsmusterfaktor zu bestimmen, kann ein Erfassen
von Verbrennungsbedingungen innerhalb der Brennkammer umfassen,
was wiederum eine Erfassung von thermo-chemischen Flammencharakteristika
innerhalb der Brennkammer umfassen kann.
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Wenn
es so zum Ausdruck gebracht ist, können getrennte Verteiler
vorgesehen sein, um Brennstoff separat Hauptbrennstoffkreisen und
Pilotbrennstoffkreisen zuzuführen.
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Diese
und andere Aspekte der vorliegenden Systeme und Verfahren zur aktiven
Musterfaktorsteuerung/regelung für Gasturbinenmotoren wird Fachleuten
aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung, welche
zusammen mit den angehängten Zeichnungen verwendet wird,
leichter ersichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Damit
Fachleute, für welche die Erfindung bestimmt ist, leichter
verstehen, wie das aktive Musterfaktorsteuer/regelsystem der Erfindung
zu verwenden ist, werden Details derselben nachfolgend unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 eine
Seitenansicht eines Abschnitts eines Gasturbinenmotors ist, welcher
das aktive Musterfaktorsteuer/regelsystem der vorliegenden Erfindung
umfasst, wobei das äußere Gehäuse der Brennkammer
weggeschnitten ist und die innere Auskleidung im Schnitt dargestellt
ist, um mehrere der Brennstoffeinspritzeinrichtungen zu zeigen,
welche Teil der vorliegenden Erfindung bilden;
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2 eine
Querschnittsansicht längs einer Linie 2-2 von 1 ist,
durch die Brennkammer des Gasturbinenmotors, welche eine Mehrzahl
von Brennstoffeinspritzeinrichtungen veranschaulicht, welche gemäß einem
bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung konstruiert sind;
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3 auch
eine Querschnittsansicht längs der Linie 2-2 von 1 ist,
durch die Brennkammer des Gasturbinenmotors, welche eine alternative
Anordnung von Brennstoffeinspritzeinrichtungen veranschaulicht,
wobei mehrere der Einspritzeinrichtungen gemäß einem
bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung konstruiert sind und
andere Einspritzeinrichtungen in einer konventionelleren Weise konstruiert
sind;
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4A eine
Seitenansicht von einer Brennstoffeinspritzeinrichtung ist, welche
gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden
Erfindung konstru iert ist, wobei ein dynamischer Drucksensor an dem
Einspritzeinrichtungskörper angeordnet ist und wobei die
Brennstoffdüse im Querschnitt gezeigt ist, um die Position
der optischen Flammensensoren zu veranschaulichen;
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4B eine
Seitenansicht einer weiteren Brennstoffeinspritzeinrichtung ist,
welche gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden
Erfindung konstruiert ist, wobei die Brennstoffdüse im
Querschnitt gezeigt ist, um die Position des dynamischen Drucksensors
und der optischen Flammensensoren zu veranschaulichen;
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5 ein
Flussdiagramm ist, welches den Informationsfluss zwischen den Sensoren,
welche in der Brennstoffeinspritzeinrichtung von 4 angeordnet
sind, und einer elektronischen Steuer/Regeleinrichtung veranschaulicht,
welche Teil der vorliegenden Erfindung bildet und welche mit einer
Ventilanordnung in Verbindung steht, welche basierend auf einer
Eingabe von den Sensoren Brennstoff mit einer befohlenen Strömungsrate
zu den Brennstoffeinspritzeinrichtungen liefert;
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6 ein
beispielhaftes System veranschaulicht, welches eine Mehrzahl von
nicht instrumentierten Brennstoffeinspritzeinrichtungen mit integralen
Ventilen zur Verwendung im Zusammenhang mit den Verfahren der vorliegenden
Erfindung umfasst; und
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7 ein
beispielhaftes System veranschaulicht, welches eine Mehrzahl von
instrumentierten Brennstoffeinspritzeinrichtungen mit integralen Ventilen
zur Verwendung im Zusammenhang mit den Verfahren der vorliegenden
Erfindung umfasst.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Gasturbinenmotoren
haben typischerweise Sensoren zur Messung von Betriebszuständen
bzw. -bedingungen, umfassend beispielsweise eine Brennkammerausgangstemperatur
oder Turbineneinlasstemperatur (”T4”), eine/n
Verdichtergeschwindigkeit und -druck, eine Gesamtbrennstoffströmungsrate zu
der Brennkammer und eine/n Abgastemperatur und -druck. In aktiven
Musterfaktorsteuer/regelverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung können auch zusätzliche Messungen nötigt
sein zur Feinabstimmung der Motorleistung. Solche Parameter umfassen
thermochemische Charakteristika der Brennkammerflamme und/oder eine
Brennstoffströmungsrate an einer oder mehreren Brennstoffeinspritzeinrichtungen,
welche Brennstoff der Brennkammer des Motors zuführen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Turbineneinlasstemperatur (T4),
welche manchmal auch als die Brennkammerausgangstemperatur bezeichnet
wird, in vorteilhafter Weise verwendet werden, um einen Musterfaktor
zu steuern/regeln.
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Die
aktiven Musterfaktorsteuer/regelsysteme und Verfahren der vorliegenden
Erfindung sind primär dafür bestimmt, die Motorleistung
durch eine Verbesserung der Brennstoffverbrennung zu verbessern,
Emissionen zu reduzieren und die Bauteillanglebigkeit zu erhöhen.
Die Verfahren sind für jeden Gasturbinenmotor gut geeignet,
einschließlich beispielsweise industrielle Gasturbinenmotoren,
zivile Luftfahrt und schubverstärkte militärische
Hochleistungsflugzeugmotoren. Folglich können gemäß der Erfindung
beschriebene Verfahren und Systeme im Zusammenhang mit fetten oder
mageren Motorbetriebsprogrammen verwendet werden.
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Nun
auf die Zeichnungen Bezug nehmend, in welchen gleiche Bezugszahlen ähnliche
Merkmale oder Aspekte der vorliegenden Erfindung bezeichnen, ist
in
1 ein Gasturbinenmotor
10 veranschaulicht,
welcher u. a. ein aktives Steuer/Regelsystem umfasst, welches dazu
ausgebildet sein kann, die vorliegenden aktiven Musterfaktorsteuer/regelverfahren
zu implementieren, wie auch Stufen- und Trimmsteuer/regelverfahren,
wie sie in der
US-Patent-Publikation
Nr. 2007/0119147 und ihrer Vorgängeranmeldung,
der
US-Patent-Publikation
Nr. 2006/0000219 dargelegt sind, welche Anmeldungen hier
durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen sind. Gemäß der
Erfindung ist das System im Allgemeinen durch die Bezugszahl
100 bezeichnet.
Im Allgemeinen umfasst der Gasturbinenmotor
10 einen Verdichter
12,
eine Brennkammer
14 stromabwärts von dem Verdichter
12 und
eine Turbi ne (nicht gezeigt) stromabwärts von der Brennkammer
14.
Die Brennkammer
14 umfasst eine im Allgemeinen zylindrische äußere
Brennkammerauskleidung bzw. Flammrohr (combustion liner) oder Brennkammergehäuse
14a und
eine im Allgemeinen ringförmige innere Brennkammerauskleidung
bzw. Flammrohr
14b. Fachleute werden leicht einsehen, dass
andere Brennkammerkonfigurationen möglich sind, wie z.
B. eine Einzelbrennkammer oder Rohrbrennkammer (can-type combustor).
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Das
Verbrennungssteuer/regelsystem 100 umfasst eine Mehrzahl
von Brennstoffeinspritzeinrichtungen 110, von denen jeder
an dem äußeren Gehäuse 14a des
Motors 10 angebracht ist, um zerstäubten Brennstoff
in die innere Brennkammerauskleidung 14b der Brennkammer 14 auszugeben,
wie dargestellt. Wie nachstehend detaillierter erläutert, sind
eine oder mehrere der Brennstoffeinspritzeinrichtungen 110 des
Systems 100 in einer solchen Weise instrumentiert, dass
sie die Messung von thermochemischen Charakteristika der Flamme
innerhalb der Brennkammer 14, oszillierenden Druckänderungen
innerhalb der Brennkammer 14 und die Brennstoffströmungsrate
durch die Einspritzeinrichtung selbst ermöglichen. Zusätzlich,
wie detaillierter nachstehend erläutert, ist ein Brennstoffmodulationsventil 112,
welches ein Hochgeschwindigkeitsbrennstoffmodulationsventil sein
kann, betriebsmäßig jeder instrumentierten Brennstoffeinspritzeinrichtung 110 zugeordnet,
um die Strömung von diesem zugeführten Brennstoff
während des Motorbetriebs zu steuern/regeln. Gemäß der
Erfindung können Brennstoffmodulationsventile und andere
Typen von Ventilen, wie z. B. elektromechanische Ventile mit variabler
Verstellung, in Reihe oder parallel zu solchen Modulationsventilen
verwendet werden. Es ist bevorzugt, dass irgendeines der vorangehenden
Ventile integriert mit den Brennstoffeinspritzeinrichtungen oder genau
vor den Brennstoffeinspritzeinrichtungen vorgesehen sind, um die
Brennstoffströmung zu diesen zu steuern/regeln, wie veranschaulicht.
Es ist jedoch verständlich, dass die Ventile dazu ausgebildet
und konfiguriert sein können, die Brennstoffzufuhr zu einem
oder mehreren Brennstoffverteilern zu steuern/regeln, um, als eine
Alternative, gleichzeitig eine Brennstoff strömung zu einer
Mehrzahl von Brennstoffeinspritzeinrichtungen zu steuern/regeln.
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Wie
in 1 gezeigt, wird Brennstoff den einzelnen Brennstoffeinspritzeinrichtungen 110 und präziser
den jeweiligen Modulationsventilen 112, welche diesen zugeordnet
sind, durch einen Verteiler 18 zugeführt. Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung empfängt der Verteiler 18 abgemessene Brennstoffmengen
durch eine digitale Steuer/Regeleinheit 20, welche eine
volldigitale Triebswerksregeleinheit (FADEC) (Full Authority Digital
Electronic Contol (FADEC) Unit) sein kann. Die digitale Steuer/Regeleinheit 20 akzeptiert
Eingaben (z. B. Motorbetriebstemperaturen und Drücke, Wellengeschwindigkeiten
und Drehmomente, Umgebungsbedingungen) von verschiedenen Sensoren
an oder innerhalb des Turbinenmotors 10 und befiehlt die
Position eines primären Brennstoffdosierventils (nicht
gezeigt) basierend auf Software-Steuer/Regelgesetzen, welche für
die spezielle Motoranwendung entwickelt wurden. Die Software-Steuer/Regelgesetze
werden geschrieben, um eine Leistungsabgabe und einen Antrieb des
Gasturbinenmotors in einem sicheren Betriebsbereich für
einen gegebenen Leistungsbefehl und Reihe von Betriebsbedingungen
zu optimieren. Es ist vorgesehen, dass die digitale Steuer/Regeleinheit
mit dem Verbrennungssteuer/regelsystem 100 kooperieren
kann, um Motoremissionen, wie z. B. NOx aktiv zu reduzieren.
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Wie
oben dargelegt, kann die digitale Steuer/Regeleinheit 10 als
ein FADEC verkörpert sein. Alternativ kann die digitale
Steuer/Regeleinheit 20 zur Musterfaktorsteuerung/regelung
eine Zusatzsteuer/regeleinheit sein, welche in Verbindung mit einem FADEC
verwendet wird. Alternativ kann der Musterfaktor nach wie vor durch
ein verteiltes Steuer/Regelsystem gesteuert/geregelt werden, bei
dem Steuer/Regeleinheiten beispielsweise an oder nahe jeder Brennstoffeinspritzeinrichtung
angeordnet sind, welche dazu ausgebildet und konfiguriert sind,
miteinander zu kommunizieren.
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Bevor
der detaillierten Beschreibung der instrumentierten Brennstoffeinspritzeinrichtungen 110 zugewandt
wird, wird auf 2 Bezug genommen, in welcher
eine Mehrzahl von instrumentierten Brennstoffeinspritzeinrichtungen 110a–110h veranschaulicht
sind, welche in Umfangsrichtung um den Umfang der Brennkammer 14 herum
angeordnet sind. Bei dieser Anordnung können Verbrennungscharakteristika,
welche thermochemische Flammencharakteristika und akustische Druckänderungen
umfassen, in einer sehr örtlich festgelegten Weise überall
am gesamten Umfang der Brennkammer 14 durch die Erfassungsinstrumentierung
bzw. Messtechnik überwacht und gemessen werden, welche
jeder Brennstoffeinspritzeinrichtung 110a–110h zugeordnet
ist. Somit kann in Fällen, in welchen die Verbrennungscharakteristika
an einer bestimmten Stelle innerhalb der Brennkammer 14 relativ
zu bestimmten Ausgangswerten erfasst oder anders gemessen werden, die
Brennstoffströmung zu einer oder mehreren der Einspritzeinrichtungen
entsprechend der Stelle in der Brennkammer durch das diesem zugeordnete
Ventil 112 eingestellt werden, um einen Musterfaktor einzustellen,
die Verbrennung zu stabilisieren und/oder den Motor anders abzustimmen.
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Fachleute
sollten erkennen, dass die Anzahl der in 2 gezeigten
Einspritzeinrichtungen nur zu Zwecken einer Veranschaulichung dient
und nicht dafür gelten soll, den Offenbarungsgegenstand
in irgendeiner Weise einzuschränken. Ferner ist als eine Alternative
vorgesehen, dass mehr als eine instrumentierte Brennstoffeinspritzeinrichtung
mit einem einzelnen Brennstoffmodulationsventil verbunden sein kann.
Obgleich es bevorzugt ist, dass jede in 2 gezeigte
Einspritzeinrichtung 110a–110h ein jeweiliges
Brennstoffmodulationsventil 112 umfasst, ist somit vorgesehen,
dass ein spezielles Brennstoffmodulationsventil 112 alternativ
konfiguriert sein kann, um Brennstoff zu mehreren Brennstoffeinspritzeinrichtungen,
beispielsweise zu jeder Einspritzeinrichtung innerhalb eines speziellen
Quadranten oder Zone der Brennkammer 14, zu modulieren.
Folglich kann als eine Alternative ein Verteiler, wie z. B. der Verteiler 18,
dafür verwendet werden, Brennstoff von einem Ventil 112 zu
mehreren Brennstoffeinspritzeinrichtungen zu verteilen.
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In
einer beispielhaften alternativen Einspritzeinrichtungsanordnung,
welche beispielsweise in 3 veranschaulicht ist, sind
einige der Brennstoffein spritzeinrichtungen, welche in dem Motor 10 vorgesehen
sind, instrumentiert und werden durch integrale Ventile 112 separat
moduliert, während einige Einspritzeinrichtungen nicht
instrumentiert oder durch integrale Ventile separat moduliert werden. Insbesondere
sind die Einspritzeinrichtungen 110a, 110b, 110c und 110d instrumentiert,
um gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung
zu arbeiten und umfassen jeweilige Brennstoffmodulationsventile 112.
Im Gegensatz dazu sind die Brennstoffeinspritzeinrichtungen 120a, 120b, 120c und 120d nicht instrumentiert,
sondern stattdessen sind sie in einer herkömmlicheren Weise
konfiguriert, um zerstäubten Brennstoff der Brennkammer 14 durch
die instrumentierten Einspritzeinrichtungen zuzuführen.
Bei einer solchen Anordnung werden die Verbrennungscharakteristika
innerhalb bestimmter Verbrennungszonen oder Quadranten der Brennkammer 14 überwacht
und gemessen. Es ist möglich, die Brennkammer in mehrere
winkelförmige Sektoren zu unterteilen. Beispielsweise könnte
irgendeine Zahl zwischen eins und zwölf oder mehr Zonen
definiert werden, jedoch können weniger Zonen, wie z. B.
vier, im Wesentlichen gleiche Quadranten eine adäquate
Verbrennungssteuerung/regelung ohne übermäßige Ventile,
Sensoren und Steuerungen/Regelungen bereitstellen, um auf diese
Weise das Gewicht und die Kosten zu minimieren, während
ein effektives Steuer/Regelsystem erhalten wird. Es ist vorgesehen, dass
eine solche Anordnung ausreichend ist, um aktiv einen Musterfaktor
und/oder andere Verbrennungscharakteristika in bestimmten wenn nicht
vielen Motoranwendungen aktiv zu steuern/regeln. Bei einer solchen
Konfiguration können Verbrennungscharakteristika, wie z.
B. ein Musterfaktor, aktiv innerhalb einer bestimmten Verbrennungszone
oder Quadrant gesteuert/geregelt werden durch eine Modulation der
Brennstoffströmung zu einem oder mehreren der instrumentierten
Einspritzeinrichtungen 110a–110d, welche
der Zone oder den Quadranten zugeordnet sind. Dies kann mit jeder
instrumentierte Einspritzeinrichtung 110a–110d erreicht
werden, welcher ein jeweiliges Modulationsventil 112 hat,
wie gezeigt. Alternativ kann ein Modulationsventil mehr als einer
instrumentierten Einspritzeinrichtung zugeordnet werden.
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Fachleute
werden leicht einsehen, dass die Umfangsposition der instrumentierten
Brennstoffeinspritzeinrichtungen 110 und/oder die Anzahl
an instrumentierten Brennstoffeinspritzeinrichtungen 110 abhängig
von der Motorkonfiguration und Anwendung variieren kann. Tatsächlich
ist beabsichtigt und durchaus im Schutzbereich des Offenbarungsgegenstands,
dass bestimmte Motoranwendungen nur eine einzige instrumentierte
Einspritzeinrichtung 110 benötigen können,
während der Rest der Brennstoffeinspritzeinrichtungen in
dem Motor so konfiguriert sind, dass sie in einer konventionelleren
Weise arbeiten.
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Nun
auf 4A Bezug nehmend ist dort eine instrumentierte
Brennstoffeinspritzeinrichtung 110 dargestellt, welche
gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist.
Die Brennstoffeinspritzeinrichtung 110 umfasst einen Einlassendabschnitt 114, welcher
Brennstoffeinlassanschlussteile 114a und 114b hat,
um Brennstoff von dem Verteiler 18 zu erhalten. Das Brennstoffmodulationsventil 112 ist
in dem Einlassendabschnitt 114 untergebracht oder diesem
anders betriebsmäßig zugeordnet und ist in Fluidverbindung
mit den Einlassanschlussteilen 114a, 114b. In
irgendeines oder beide der Einlassanschlussteile 114a, 114b strömender
Brennstoff kann durch das Ventil 112 moduliert werden.
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Die
Brennstoffeinspritzeinrichtung 110 umfasst ferner einen
Hauptkörperabschnitt, welcher von einer Tragstütze
oder Zuleitungsarm 115 definiert ist, welcher von dem Einlassendabschnitt 114 winkelig abhängt.
Eine Brennstoffdüse 116 hängt von dem
unteren Endabschnitt des Zuleitungsarms 115 ab, um zerstäubten
Brennstoff an die Brennkammer 14 abzugeben. Ein Flansch 118 ist
an dem oberen Endabschnitt von dem Zuleitungsarm 115 vorgesehen zur
Montage der Brennstoffeinspritzeinrichtung 110 an dem äußeren
Gehäuse 14a des Gasturbinenmotors 10.
Im Betrieb liefern innere Brennstoffleitungen (nicht gezeigt) eine
modulierte Brennstoffströmung von der Ventilanordnung 112 durch
den Zuleitungsarm 115 zu der Brennstoffdüse 116.
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Die
Brennstoffeinspritzeinrichtung 110 ist dazu ausgebildet
und konfiguriert, zerstäubten Brennstoff in die innere
Brennkammerauskleidung 14b der Brennkammer 14 unter
variierenden Betriebsbedingungen zuzuführen, umfassend
eine stationäre Strömung und bei gesteuerten/geregelten Brennstoffströmungsmodulationsfrequenzen.
Vorzugsweise ist die Brennstoffeinspritzeinrichtung 110 für
eine Mager-Direkteinspritzung ausgebildet und konfiguriert. Jedoch
werden Fachleute leicht erkennen, dass die Brennstoffeinspritzeinrichtung
der vorliegenden Erfindung für eine Vielzahl von Brennstoffzerstäubungsanwendungen
konfiguriert sein kann. Darüber hinaus ist anzumerken,
dass die konkrete Konfiguration der Brennstoffeinspritzeinrichtungen, welche
gemäß den vorliegenden Verfahren verwendet werden
können, wie gewünscht oder erforderlich variieren
kann.
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Im
Allgemeinen gibt es zwei primäre Typen von zerstäubenden
Brennstoffeinspritzeinrichtungen und jeder Typ von Einspritzeinrichtung
kann mit den Steuer/Regelsystemen und Verfahren der vorliegenden
Erfindung verwendet werden. Diese Einrichtungen umfassen Dralldruckzerstäuber
(Swirl Pressure Atomizers), welche Energie für die Zerstäubung
aus einem Brennstoffdruck erlangen, und Luftblaszerstäuber
bzw. Luftsstromzerstäuber (Air Blast Atomizers), welche
Energie für die Zerstäubung aus Hochgeschwindigkeitsverdichterluft
erlangen. Beispiele von zerstäubenden Brennstoffeinspritzeinrichtungen sind
in dem
US-Patent Nr. 6,688,534 von
Bretz offenbart, dessen Offenbarung hierin durch Bezugnahme in ihrer
Gesamtheit aufgenommen ist.
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Weiterhin
unter Bezugnahme auf 4A umfasst die instrumentierte
Brennstoffeinspritzeinrichtung 110 einen dynamischen Drucksensor 130 zur
Messung akustischer Druckunterschiede innerhalb der Brennkammer 14 des
Turbinenmotors 10 und einen Flammensensor oder optische
Sensoranordnung 140 zur Beobachtung von Flammencharakteristika
innerhalb der Brennkammer 14 des Turbinenmotors 10.
Alternativ oder zusätzlich, wenn vorgesehen, können
ein oder mehrere separate (nicht integral mit der Brennstoffeinspritzeinrichtung)
dynamische Drucksensoren innerhalb oder nahe der Brennkammer angeordnet
sein. Der dynamische Drucksensor 130 ist stromaufwärts
von der inneren Brennkammerauskleidung 14b an dem Zuleitungsarm 115 von
der Brennstoffeinspritzeinrichtung 110 angeordnet oder
anders abgestützt. Ein dynamischer Drucksensor 130 ist
dazu ausgebildet und konfiguriert, thermoakustische Druckschwankungen
in der durch die Brennkammer 14 strömenden verdichteten Luft
zu erfassen.
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Vorzugsweise
liegt der dynamische Drucksensor 130 in der Form eines
akustischen Mikrofons vor, welches einen piezoelektrischen dynamischen Drucksensor
verwendet. Wichtig ist, dass der dynamische Drucksensor 130 mit
einem Schutzgehäuse abgestützt ist, welches für
einen Hochtemperaturbetrieb innerhalb der Brennkammer 14 eines
Gasturbinenmotors 10 geeignet ist. Die Stelle des dynamischen
Drucksensors 130 an dem Zuleitungsarm 115 kann
variieren, solange der Sensor adäquat bezüglich
der Strömungsrichtung der Luft durch die Brennkammer 14 positioniert
ist.
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Ein
Beispiel eines dynamischen Drucksensors ist in dem
US-Patent Nr. 6,928,878 von Eriksen et
al. offenbart, dessen Offenbarung hier durch Bezugnahme in ihrer
Gesamtheit aufgenommen ist. Ein Beispiel einer temperaturbeständigen
Halbleitertragrahmenkonstruktion für einen dynamischen
Drucksensor ist in dem
US-Patent
Nr. 6,773,951 von Eriksen et al. offenbart, dessen Offenbarung
hier auch in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Es ist vorgesehen und gut innerhalb des Offenbarungsgegenstands,
dass alternative dynamische Hochtemperaturdrucksensoren in dem aktiven
Musterfaktorsteuer/regelsystem
10 der vorliegenden Erfindung
verwendet werden können, einschließlich beispielsweise
PCB-Sensoren (hergestellt von PCB Piezoelectronics, Depew, New York,
USA) und Vibrometer.
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Weiterhin
unter Bezugnahme auf 4A umfasst der Flammensensor 140 von
der instrumentierten Brennstoffeinspritzeinrichtung 110 vorzugsweise
eine optische Sensoranordnung, welche innerhalb der Brennstoffdüse 116 angeordnet
ist, um Flammencharakteristika zu erfassen, welche Verbrennungscharakteristika,
wie z. B. ein Äquivalenzverhältnis, eine Temperatur, betreffen.
Insbesondere ist der Flammensensor oder die optische Sensoranordnung 140 dazu
ausgebildet und konfiguriert, spektrale und/oder thermische Charakteristika
der Brennkammerflamme zu erfassen, welche stromabwärts der
Düse 116 auftreten. Im Allgemeinen werden diese
Charakteristika hier als eine ”chemilumineszente Signatur” bezeichnet.
In dieser Ausführungsform oder alternativ bei jeder anderen
hier dargelegten Ausführungsform umfasst die optische Sensoranordnung 140 eine
Mehrzahl von lichtleitenden Stäben, wie z. B. Saphirstäben,
welche sich von einer vorderen Fläche der Brennstoffdüse 116 aus
erstrecken. Ein Beispiel einer optischen Sensoranordnung, welche
in dieser Weise konstruiert ist, ist in der US-Patentanmeldung Publikationsnummer
2006/0000219 von Myhre offenbart, deren Offenbarung hier in ihrer Gesamtheit
durch Bezugnahme aufgenommen ist.
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Zusätzlich
kann ein Brennstoffströmungssensor 490 in Verbindung
mit der Brennstoffeinspritzeinrichtung 110 vorgesehen sein.
Obwohl so dargestellt, als ob er innerhalb des Einlassabschnitts 114 ist,
kann der Strömungssensor an irgendeinem Punkt längs
des Brennstoffströmungswegs angeordnet sein, was eine genaue
Messung der Brennstoffströmungsrate erlaubt. Folglich kann
der Brennstoffströmungssensor 490 als ein separates
Element verkörpert sein und tatsächlich muss er
nicht unmittelbar benachbart demselben sein. Der Brennstoffströmungssensor 490 kann
irgendein geeigneter Typ sein und kann als ein Massenströmungssensor
oder Volumenströmungssensor verkörpert sein. Ein
beispielhafter Strömungssensor ist in der am 23. August 2007
eingereichten US-Patentanmeldung Nr. 11/895,196 von Spivak et al.
beschrieben, deren Offenbarung hier in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme
aufgenommen ist.
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Nun
auf 4B Bezug nehmend ist dort ein weiteres Beispiel
der instrumentierten Brennstoffeinspritzeinrichtung 110 veranschaulicht.
Bei dieser oder bei allen anderen Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung ist der dynamische Drucksensor 130 nicht
an dem Zuleitungsarm 115 von der Einspritzeinrichtung 110 angeordnet,
sondern ist stattdessen in der Brenn stoffdüse 116 der
Brennstoffeinspritzeinrichtung 110 angeordnet oder anders
abgestützt. Ferner umfasst in dieser oder alternativ in
anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung der Flammensensor
oder die optische Sensoranordnung 140 einen oder mehrere
optische Faserbündel, welche sich von einer vorderen Fläche
der Düse 116 aus erstrecken. Ein Beispiel einer
optischen Sensoranordnung, welche in dieser Weise konstruiert ist,
ist in der US-Patentanmeldungspublikation 2005/0247066 von Myhre
offenbart, deren Offenbarung hier in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme
aufgenommen ist.
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Auf 5 Bezug
nehmend stellt im Betrieb, abhängig von der präzisen
Implementierung, der dynamische Drucksensor 130 von einer
instrumentierten Brennstoffeinspritzeinrichtung 110 ein
Ausgabesignal bereit, welches auf eine Druckmessung hindeutet, an
eine elektronische Steuer/Regeleinrichtung 170, welche
das Signal unter Verwendung eines Signalprozessors 175 analysiert.
Basierend auf der Signalanalyse befiehlt die Steuer/Regeleinrichtung 170 dem
Modulationsventil 112, welches der Einspritzeinrichtung 110 zugeordnet
ist, die Brennstoffströmung zu der Einspritzeinrichtung 110 in
einer Weise zu modulieren, welche eine Verbrennungsstabilität aufrechterhält,
wenigstens lokal in der Zone der Brennkammer, welcher die Einspritzeinrichtung
zugeordnet ist.
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Im
Betrieb stellt der Flammensensor oder die optische Sensoranordnung
140 ein
Ausgabesignal an den Signalprozessor
175 bereit, welcher
der elektronischen Steuer/Regeleinrichtung
170 zugeordnet ist,
welches durch ein Spektrometer oder ähnliche Einrichtung
analysiert wird. Das Spektrometer ist konfiguriert, um Flammenqualitätsparameter
betreffend die Verbrennung zu erlangen. Diese Parameter umfassen
beispielsweise ein Äquivalenzverhältnis von dem
Verbrennungsprozess in Bereichen oder Quadranten der Brennkammer,
eine Flammenintensität, Flammenstabilität und
Flammentemperatur, wie auch das Vorhandensein von Brennstoffverunreinigungen
und chemischen Emissionen oder Radikalen, welche die Verbrennungsparameter
verursachen. Spektraldaten des Verbrennungsprozesses, welche auf chemische
Emissionen bezüglich der Verbrennungsparameter hindeuten,
können durch die optische Sensoranordnung
140 erhalten
werden. Aus solchen Daten kann ein Äquivalenzverhältnis
der Verbrennungsreaktion bestimmt werden und daher kann ein Umfangsmusterfaktor
bestimmt werden. Die
US-Patentpublikation
Nr. 2005/0247066 von Myhre beschreibt eine solche Verwendung
von optischen Verbrennungsdaten. Die vorangehende Anmeldung ist
hier in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen. Auf den Empfang
solcher Daten hin stellt die Steuer/Regeleinrichtung
170 Befehle
an die Ventilanordnung
112 bereit, welche der Brennstoffeinspritzeinrichtung
110 zugeordnet
ist, basierend auf dem analysierten Signal von dem Flammensensor
140,
um eine Brennstoffströmung zu der Einspritzeinrichtung
110 zu
modulieren und einen Umfangsmusterfaktor einzustellen.
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Alternativ
oder zusätzlich können Ionensensoren verwendet
werden, um Bestandteile in dem Verbrennungsprozess zu erfassen,
und dadurch ein Äquivalenzverhältnis festzustellen,
auf welchen Ergebnissen eine Brennstoffströmung eingestellt
werden kann, um einen Umfangsmusterfaktor zu reduzieren, was nachstehend
erläutert ist.
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Wie
oben dargelegt, kann jede instrumentierte Brennstoffeinspritzeinrichtung 110 von
dem aktiven Musterfaktorsteuer/regelsytem 110 zur Verwendung
mit den Verfahrensgegenständen einen Brennstoffströmungssensor
umfassen, um Brennstoffströmungsraten an jeder Brennstoffeinspritzeinrichtung zu überwachen.
Die Brennstoffströmungssensoren sind gemäß irgendeiner
hier dargelegten Ausführungsform dazu ausgebildet und konfiguriert,
mit Leitungsdrücken von zwischen 1,38 bis 10,34 MPa (200 bis
1500 psig) zu arbeiten und sind dazu ausgebildet, einen Bereich
einer Brennstoffströmung von 25% bis 100% und eine Modulation
von etwa ±20% von der Durchschnittsbrennstoffströmung
zu der Düse abzudecken. Die Position des Brennstoffströmungssensors
innerhalb der Brennstoffeinspritzeinrichtung kann variieren, solange
sie derart angeordnet ist, dass sie eine präzise Messung
der Brennstoffströmung zu der Düse bereitstellt.
Eine beispielhafte Position für einen Brennstoffströmungssensor 490 ist
in 4A veranschau licht. Der Strömungssensor 490 kann
beispielsweise ein Massenströmungssensor oder ein Volumenströmungssensor
sein. Solche Brennstoffmassenströmungssensoren 490 ermöglichen
eine genaue Messung der Brennstoffströmung durch die Brennstoffeinspritzeinrichtung.
Die aus dieser Messung erhaltenen Daten allein oder in Kombination
mit anderen Daten können dann dafür verwendet
werden, die Brennstoffströmung durch einen oder mehrere
Brennstoffeinspritzeinrichtungen einzustellen. Ein beispielhafter
Brennstoffmassenströmungssensor ist in der am 23. August
2007 eingereichten US-Patentanmeldung Nr. 11/895,196 von Spivak
et al. dargelegt, welche, wie oben dargelegt, hier in ihrer Gesamtheit
durch Bezugnahme aufgenommen ist.
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Obwohl
vorgesehen ist, dass jeder Sensor in der Brennstoffeinspritzeinrichtung 110 direkt
mit der elektronischen Steuer/Regeleinrichtung 170 kommunizieren
kann, wie in 5 gezeigt, ist vorgesehen, dass
ein Sensorinterface in jeder Einspritzeinrichtung 110 angeordnet
sein kann, um Eingabesignale von dem dynamischen Drucksensor 130 und
dem Flammensensor 140 zu empfangen, wie auch von anderen
Sensoren, welche in oder an der Brennstoffeinspritzeinrichtung aufgenommen
sein können. Das Sensorinterface ist dazu ausgebildet und
konfiguriert, mit der elektronischen Steuer/Regeleinrichtung 170 zu
kommunizieren, welche wiederum dazu ausgebildet und konfiguriert
ist, mit der Modulationsventilanordung 112 zu kommunizieren.
Es ist vorgesehen, dass das Sensorinterface digitale Kommunikationsmerkmale
zur Kommunikation mit der elektronischen Steuer/Regeleinrichtung 170 umfassen
kann.
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Wie
oben kurz beschrieben, umfasst die wenigstens eine Einspritzeinrichtung
110 oder
umfassen alternativ alle Einspritzeinrichtungen ein zugeordnetes
Brennstoffmodulationsventil
112, welches dazu ausgebildet
und konfiguriert ist, eine Brennstoffströmung zu den Einspritzeinrichtungen
110 zu
modulieren in Reaktion auf unerwünschte Verbrennungsbedingungen
bzw. -zustände, umfassend einen unerwünscht hohen
Musterfaktor, welcher durch den Flammensensor
140, Temperatursensoren
oder Brennstoffströmungsra tesensoren
490 erfasst
wird. Insbesondere ist das Brennstoffmodulationsventil
112 dazu
konfiguriert, eine Brennstoffströmung proportional zu erfassten
unerwünschten Verbrennungsbedingungen bis zu etwa ±20%
der mittleren Brennstoffströmung zu modulieren, bei einer
Frequenz bis zu 1.000 Hz. Die
US-Patentpublikation
Nr. 2007/0151252 von Cornwell et al., welche hier in ihrer
Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen ist, offenbart verschiedene
Ausführungsformen eines Hochgeschwindigkeitsbrennstoffmodulationsventils, welches
in Verbindung mit den instrumentierten Brennstoffeinspritzeinrichtungen
110 von
dem Brennstoffsteuer/regelsystem
100 verwendet werden kann.
In alternativen Ausführungsformen können einfache
binäre Ventile, welche nur Offen- und Geschlossen-Positionen
haben, und andere elektromechanische Ventile mit variabler Verstellung,
durch Ventile ersetzt oder in Verbindung mit diesen verwendet werden,
wie jene, die von Cornwell beschriebenen werden.
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Es
ist auch beabsichtigt und vom Schutzbereich des Offenbarungsgegenstands
umfasst, dass alternative Typen von Ventilaktuatoren mit dem aktiven
Musterfaktorsteuer/regelsystem 100 der vorliegenden Erfindung
verwendet werden können, um eine proportionale und/oder
gepulste Brennstoffströmung zu den instrumentierten Einspritzeinrichtungen 100 zu
modulieren oder auf andere Art zuzuführen. Diese umfassen
beispielsweise elektromagnetische, magnetostriktive Ventilaktuatoren,
piezoelektrische Ventilaktuatoren, Ventilaktuatoren, welche eine
kavitierende piezoelektrische Brennstoffmodulation verwenden, Aktuatoren
vom MEMS-Typ (thermische- Fluid-, oder mechanische Verstärker),
elektrodynamische Ventilaktuatoren und Ventilaktuatoren vom Rotationstyp.
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Gemäß den
Verfahrensgegenständen und verwandten Systemen können
ein oder mehrere Ventile in dem Verfahren zur Einstellung einer
Brennstoffströmung in einem Gasturbinenmotor verwendet werden,
um zu einem gewünschten Musterfaktor zu führen.
Solche Ventile können zusätzlich oder alternativ
in Verbindung mit anderen Motorsteuerungen/regelungen, wie z. B.
Verbrennungsstabilitätssteuer/regelsystemen, verwendet
werden.
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Die
oben dargelegten Ventile können durch irgendwelche geeigneten
Mittel betätigt werden, aber in einem bevorzugten Aspekt
umfassen sie eine elektromechanische Betätigung. Solche
Ventile können proportionale Ventile mit variabler Verstellung
und pulsierende Ventile, welche zu einer schnellen Bewegung fähig
sind, welches Ventil ein binäres Ventil sein kann, umfassen,
sind aber nicht darauf beschränkt. Wie oben dargelegt,
kann jedoch irgendeines der in der
US-Patentpublikation Nr. 2007/0151252 von Cornwell
et al. beschriebenen Ventile oder Variationen derselben verwendet
werden.
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Die 6 und 7 sind
schematische Darstellungen von beispielhaften Systemen und Details von
Systemen zur Verwendung in Verbindung mit den Verfahren der vorliegenden
Erfindung. 6 veranschaulicht ein beispielhaftes
System 600, welches eine Mehrzahl von nicht instrumentierten Brennstoffeinspritzeinrichtungen 120 umfasst,
wie jene, die vorangehend beschrieben wurden. Integrale Ventile 612 sind
daran vorgesehen und können alternativ in einem separaten
Gehäuse angeordnet sein und über eine Rohrleitung
mit jeder der Brennstoffeinspritzeinrichtungen 120 verbunden
sein. Brennstoff wird über eine Brennstoffsteuerung/regelung 601 und
durch einen Verteiler 18 den Ventilen 612 und
im Wechsel den Brennstoffeinspritzeinrichtungen 120 bereitgestellt.
Eine digitale Steuer/Regeleinheit 20, wie oben beschrieben,
ist konfiguriert, um die Ventile 612 zu steuern/regeln,
wie auch die Brennstoffsteuerung/regelung 601.
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In
Verwendung betätigt unter Verwendung von Daten, welche
durch die oben beschriebenen Sensoren erhalten werden, die elektronische
Steuerung/Regelung 20, welche ein FADEC sein kann, eines
oder mehrere Ventile, welche jedem der Brennstoffeinspritzeinrichtungen 120a–120h zugeordnet ist/sind,
was die Brennstoffströmung hindurch einstellt. Wenn folglich
beispielsweise unerwünschte Verbrennungsbedingungen durch
die von den Sensoren vorgenommenen Messungen angezeigt werden, kann
Brennstoff durch ein Öffnen oder Schließen des
jeweiligen Ventils 612 derart eingestellt werden, dass
solche Bedingungen abgestellt werden. Wenn das Ventil 612 ein
variables Ventil ist, welches eingestellt werden kann, um eine Druckvariation
bereitzustellen, um zu einer Brennstoffströmungsrate innerhalb
eines speziellen Massen- oder Volumen-Strömungsratenbereichs
zu resultieren, können dann entsprechend Einstellungen
von irgendeinem Inkrement vorgenommen werden. Wenn ein pulsierendes
Ventil in Verbindung mit den Brennstoffeinspritzeinrichtungen 120a–120h verwendet
wird, kann dann eine Brennstoffströmung mit irgendeiner
Frequenz für irgendeine gewünschte Dauer moduliert werden,
abhängig davon, ob reduzierte oder erhöhte Brennstoffmengen
erforderlich sind, um den Umfangsmusterfaktor zu verbessern, wie
durch die digitale Steuer/Regeleinheit 20 bestimmt.
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Gemäß der
Erfindung werden vorzugsweise binäre Ventile für
eine Stufensteuerung/regelung verwendet. In solchen Anwendungen
verbessern solche Ventile die Turbinenfunktionsfähigkeit
unter niedrigen Leistungsbedingungen, indem die lokalen Brennstoff-Luft-Verhältnisse
eingestellt werden, um eine stabile Verbrennung aufrecht zu erhalten.
Anderenfalls würde bei niedriger Leistung dieselbe reduzierte Brennstoffmenge
unter allen Brennstoffeinspritzeinrichtungen verteilt werden, welche
dann unfähig wären, die Verbrennung aufrechtzuerhalten.
Typischerweise verbessert eine Stufensteuerung/regelung nicht einen
Umfangsmusterfaktor infolge der Heterogenität der Verbrennung
um den Umfang der Brennkammer. Jedoch führt eine Stufensteuerung/regelung
nicht zu Turbineneinlasstemperaturen, welche zulässige
Grenzwerte überschreiten und steht daher den Zielen der
vorliegenden Erfindung nicht entgegen.
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Darüber
hinaus können, obwohl nicht explizit in 6 veranschaulicht,
eine oder mehrere der Brennstoffeinspritzeinrichtungen 120a–120h durch mehrere
Brennstoffkreise Brennstoff bereitstellen. Beispielsweise kann Brennstoff
zu jeder Brennstoffeinspritzeinrichtung durch Haupt- und Pilotbrennstoffkreise
bereitgestellt werden, oder durch einen gemeinsamen Brennstoffversorgungskreis.
Die Brennstoffströmung, welche von jedem dieser Kreise kommt
und durch die Haupt- und Pilotbrennstoffkreise innerhalb der Einspritzeinrichtung 120 kann
durch separate Ventile gesteuert/geregelt wer den, welche in einer
Einspritzeinrichtungsanordnung enthalten sind. Alternativ können
ein oder mehrere der Ventile nahe an einer Leitung angeordnet sein,
welche zu der Einspritzeinrichtung führt. Ein oder mehrere
der Ventile können ein Proportionalventil sein und/oder ein
oder mehrere der Ventile können ein pulsierendes Ventil
sein. Gemäß einem Aspekt wird die Strömung des
Pilotbrennstoffs durch ein binäres Ventil gesteuert/geregelt
und die Strömung des Hauptbrennstoffs wird durch ein Proportionalventil
gesteuert/geregelt.
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Als
ein Beispiel kann in einem Fall eines Betriebs mit niedriger Leistung
oder einem unerwünschten Verbrennungszustand Brennstoff
bei bestimmten Einspritzeinrichtungen reduziert oder unterbrochen werden,
wie z. B. bei den Einspritzeinrichtungen 120a, 120c und 120d.
Der Brennstoff zu den anderen Einspritzeinrichtungen kann derselbe
bleiben, erhöht werden oder um einen geringeren Betrag
reduziert werden. Darüber hinaus kann es wünschenswert sein,
nur eine Brennstoffströmung zu einer oder mehreren Brennstoffeinspritzeinrichtungen
nur durch einen der Brennstoffkreise einzustellen. Wenn beispielsweise
eine Einstellung infolge Motorbedingungen notwendig ist, kann eine
Brennstoffströmung nur durch den Hauptbrennstoffkreis in
bestimmten Brennstoffeinspritzeinrichtungen reduziert werden, indem
die Brennstoffströmung durch ein Proportionalventil, durch
welches die Hauptbrennstoffströmung zu dieser Einspritzeinrichtung
strömt, justiert wird.
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7 veranschaulicht
ein beispielhaftes System 700, welches dem System 600 der 6 ähnlich
ist. Zusätzlich sind die Brennstoffeinspritzeinrichtungen 110 von 7 wie
vorangehend beschrieben instrumentiert und daher in der Lage, eine
Rückkopplung zu der digitalen Steuer/Regeleinheit 20 bereitzustellen,
um dabei zu helfen, den Motor innerhalb gewünschter Betriebsparameter
zu halten.
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In
einem aktiven Brennstoffjustiermodus wird eine Ventilanordnung dazu
verwendet, einen Prozentsatz oder ein Mengenverhältnis
von der mittleren Brennstoffströmung durch ein oder mehrere
der instrumentierten Brenn stoffeinspritzeinrichtungen 110a–110h zuzuführen,
wie von der elektronischen Motorsteuerung/regelung 20 befohlen.
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Wenn
Betriebsbedingungen mit niedriger Leistung verlangt werden, wird
in einem aktiven Stufenmodus eine Ventilanordnung in jeder der instrumentierten
Brennstoffeinspritzeinrichtungen 110a–110h (siehe
z. B. 2) entweder für eine Brennstoffströmung
vollständig geschlossen, oder für eine Brennstoffströmung
vollständig geöffnet, wie von der elektronischen
Motorsteuer/regeleinheit 20 befohlen. In dem Fall von instrumentierten Pilotbrennstoffeinspritzeinrichtungen
mit Haupt- und Pilotbrennstoffkreisen können die Haupt-
und/oder Pilotbrennstoffkreise in jeder Brennstoffeinspritzeinrichtung
in dieser Weise aktiv justiert und/oder gestuft werden. Die Ventile,
welche verwendet werden, um dies zu erreichen, können irgendwelche
von den hier dargelegten sein.
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Fachleute
werden einsehen, dass eine Brennkammer effizienter und effektiver
arbeiten wird, wenn das verbrannte Gasmedium einen gewünschten
Umfangsmusterfaktor aufweist, bevor es an die Turbine abgegeben
wird. Durch eine Verringerung des Umfangsmusterfaktors kann ein
gleichmäßigeres Temperaturprofil und Verteilung
der Verbrennungsprodukte erreicht werden und an dem Ausgang der
Brennkammer erhalten werden. Der Umfangsmusterfaktor kann eingestellt
werden, indem die Brennstoffverteilung in der Brennkammer gesteuert/geregelt
wird. Wie vorangehend dargelegt, wird der Musterfaktor im Allgemeinen
unter Verwendung der mittleren Brennkammerausgangstempertur (T4) in
die Turbine definiert, wobei der Musterfaktor = [(Tmax – T4)/(T4 – T3)], wobei T3 die
Brennkammereinlasstemperatur ist und Tmax die
maximale Brennkammertemperatur ist.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung wird die Brennstoffverteilung in einer Brennkammer
aktiv unter Verwendung der elektromechanischen Brennstoffmodulationsventile
gesteuert/geregelt, welche den oben beschriebenen instrumentierten
Brennstoffeinspritzeinrichtungen zugeordnet sind. Zum Beispiel werden
Verbrennungsbedingungen beobachtet und/oder erfasst (z. B. Niveaus
von OH- und/oder CH-Radikalemissionen) und verwendet, um Äquivalenzverhältnisse
des Verbrennungsprozesses zu bestimmen. Wenn die Äquivalenzverhältnisse
einmal bestimmt sind, können die Einstellungen der Brennstoffströmung
vorgenommen werden, um den Umfangsmusterfaktor zu verringern. Wie
nachstehend detaillierter erläutert, kann die Brennstoffverteilung
in der Brennkammer eingestellt werden, um einen gewünschten
Musterfaktor zu erreichen, durch eine Brennstoff-Justierung (trimming)
und/oder -stufung (staging).
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Das Äquivalenzverhältnis
eines Verbrennungssystems ist als das Verhältnis von dem
Brennstoff-zu-Oxidationsmittel-(Sauerstoffträger-)Verhältnis
zu dem stöchiometrischen Brennstoff-zu-Oxidationsmittel-Verhältnis
definiert. Ein Äquivalenzverhältnis, welches größer
als Eins ist – d. h. größer als ein Wert
von 1 ist – verkörpert ein fettes Brennstoff-zu-Oxidationsmittel-Verhältnis
(überschüssiger Brennstoff) in dem Brennstoff-Oxidationsmittel-Gemisch,
als für eine vollständige Verbrennung erforderlich
wäre, ungeachtet von dem verwendeten Brennstoff und Oxidationsmittel.
Ein Äquivalenzverhältnis von kleiner als Eins
verkörpert ein mageres Gemisch oder einen Brennstoffmangel
mit einem entsprechenden Überschuss an Oxidationsmittel
in dem Brennstoff-Oxidationsmittel-Gemisch.
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Auf
2 in
Verbindung mit
5 Bezug nehmend kann in Reaktion
auf beobachtete oder anders erfasste Verbrennungsbedingungen und/oder festgesetzte Äquivalenzverhältnisse
das aktive Musterfaktorsteuer/regelsystem selektiv oder programmatisch
in einem Einstellmodus arbeiten, um einen gewünschten Umfangsmusterfaktor
zu erhalten. In beispielhafter Weise befiehlt in einem Brennstoffeinstellmodus
eine elektronische Motorsteuerung/regelung (z. B. ein FADEC) den
elektromechanischen Ventilanordnungen in den Brennstoffeinspritzeinrichtungen
110b,
110d,
110f und
110g,
einen kleineren Prozentanteil an Brennstoff zu der Brennkammer zu liefern
als die Ventilanordnungen in den Brennstoffeinspritzeinrichtungen
110a,
110c,
110e und
110h, und
auf diese Weise den Musterfaktor in der Brennkammer einzustellen.
In diesem Fall kann ein Ventil mit variabler Verstellung von einem
geeig neten Typ betätigt werden, um den Brennstoff um den
gewünschten Betrag einzustellen. Alternativ kann ein pulsierendes
Ventil anstelle eines Proportionalventils mit variabler Verstellung
verwendet werden, um eine Druckmodulation bereitzustellen und so
eine Gesamtbrennstoffströmungsrate zu reduzieren. Die von Cornwell
(
US-Patent Publikation Nr.
2007/0151252 ) beschriebenen Ventile können auch
in dieser Weise verwendet werden.
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In
Reaktion auf beobachtete oder anderweitig erfasste Verbrennungsbedingungen
und/oder festgesetzte Äquivalenzverhältnisse kann
das System selektiv oder programmatisch in einem Stufenmodus unter
niedrigen Leistungsbedingungen arbeiten. Wie oben dargelegt, widerspricht
das Stufen nicht den Zielen der vorliegenden Erfindung und kann daher
in Verbindung mit den Musterfaktorsteuer/regelverfahren und Systemen
der Erfindung verwendet werden. In beispielhafter Weise befiehlt
in einem Stufenmodus eine elektronische Motorsteuerung/regelung
(beispielsweise FADEC) den elektromechanischen Ventilanordnungen
in den Brennstoffeinspritzeinrichtungen 110a, 110c, 110e, 110f und 110h,
sich zu einer vollständig geöffneten Position
zu bewegen und befiehlt den Ventilanordnungen in den Brennstoffeinspritzeinrichtungen 110b, 110d und 110g,
sich zu einer vollständig geschlossenen Position zu bewegen,
um auf diese Weise die gewünschten Motorbetriebsparameter
aufrecht zu erhalten. In diesem Fall kann ein Ventil mit variabler
Verstellung bzw. Verstellventil oder ein binäres Ventil
verwendet werden, aber ein binäres Ventil arbeitet wahrscheinlich
rascher und erhält daher wahrscheinlich Motorbetriebsparameter rascher
als viele Ventil mit variabler Verstellung.
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Wie
oben erwähnt, ist es alternativ oder zusätzlich
zu einer Verwendung von optischen Sensoren zur Beobachtung und/oder
Erfassung von chemischen Reaktionen, welche in Wechselbeziehung
stehen mit Äquivalenzverhältnissen und ihren zugeordneten
Musterfaktoren, und als ein Mittel, um dem System eine Steuer/Regelrückkopplung
bereitzustellen, ist vorgesehen, dass an der Einspritzeinrichtung angebrachte
Strömungssensoren auch dafür verwendet werden
können, eine aktive Verbrennungssteuer/regelrückkopplung bereitzustellen.
Insbesondere können die bekannten Strömungswerte
(Volumen- und/oder Massenströmung) durch jede Brennstoffeinspritzeinrichtung
dafür verwendet werden, eine gleiche Brennstoffzufuhr an
jeder Einspritzeinrichtung aufrecht zu erhalten und dadurch einen
geringen Umfangsmusterfaktor zu erzeugen.
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Wie
oben dargelegt und unter Bezugnahme auf die 1–7 können
Verfahren zur aktiven Steuerung/Regelung eines Verbrennungsmusterfaktors
in einem Gasturbinenmotor 10 die Schritte umfassen, Brennstoff
in eine Brennkammer (z. B. die Brennkammer 14 in 1)
von dem Gasturbinenmotor durch eine oder mehrere in Umfangsrichtung
angeordnete Brennstoffeinspritzeinrichtungen (z. B. die Brennstoffeinspritzeinrichtungen 110a–h
von 2) abzugeben, einen Anfangsumfangsmusterfaktor
in der Brennkammer zu bestimmen, und eine Brennstoffströmung
durch eine oder mehrere ausgewählte Brennstoffeinspritzeinrichtungen
basierend auf dem Anfangsumfangsmusterfaktor einzustellen, um einen modifizierten
Umfangsmusterfaktor in der Brennkammer zu erhalten. Einstellungen
werden unter Verwendung von Ventilen, wie oben dargelegt, implementiert.
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Der
Schritt, einen Anfangsumfangsmusterfaktors in der Brennkammer zu
bestimmen, kann wiederum die Schritte umfassen, eine chemilumineszente
Signatur innerhalb der Brennkammer zu erfassen, die chemilumineszente
Signatur mit einem Äquivalenzverhältnis zu korrelieren,
und den Anfangsumfangsmusterfaktor basierend auf dem Äquivalenzverhältnis
zu berechnen. Eine solche Berechnung kann durch eine elektronische
Steuer/Regeleinrichtung 20 oder 170 gehandhabt
werden, wie in den 5 bis 7 veranschaulicht.
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Die
chemilumineszente Signatur wird vorzugsweise optisch erhalten, was
beispielsweise durch die optische Sensoranordnung 140 der 4A und 5 erreicht
werden kann. Ein Signal von der Sensoranordnung 140 wird
an die elektronische Steuer/Regeleinrichtung 170 ausgegeben,
wo eine Analyse der chemilumineszenten Signatur von dem Signalprozessor 175 durchge führt
wird, in der veranschaulichten Ausführungsform oder alternativ
in anderen Ausführungsformen gemäß der
Erfindung. Die elektronische Steuer/Regeleinrichtung 170,
welche als ein FADEC verkörpert sein kann, gibt dann ein
geeignetes Signal an ein oder mehrere Ventile 612 aus, welche
einer oder mehreren Brennstoffeinspritzeinrichtungen zugeordnet
sind, um die Brennstoffströmung zu diesen zu modifizieren,
was dadurch den Umfangsmusterfaktor in der Brennkammer modifiziert,
um einen akzeptablen Musterfaktor zu erhalten.
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Alternativ
kann gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung
der Schritt, einen Anfangsumfangsmusterfaktor in der Brennkammer
zu bestimmen, das Messen von Temperaturen an einer Mehrzahl von
Umfangsstellen an dem Brennkammerausgang und die Berechnung des
Anfangsumfangsmusterfaktors basierend auf den gemessenen Temperaturen
umfassen. In dieser alternativen Weise zur Bestimmung eines Umfangsmusterfaktors
kann der Umfangsmusterfaktor bestimmt werden, indem die Temperatur
an verschiedenen Umfangsstellen der Brennkammer nahe ihrem Ausgang
direkt gemessen wird, bevor das Verbrennungsgas in die Turbine eintritt.
Die Temperatur kann direkt durch einen Sensor, wie z. B. ein an
der Brennkammer angeordnetes Thermoelement, gemessen werden, oder
durch optische Erfassung oder durch die Verwendung einer Ionensonde.
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Die
Signalausgabe von einem Temperatursensor kann dann zu der jeweiligen
Steuer/Regeleinrichtung, wie z. B. der Steuer/Regeleinrichtung 20 oder 170,
zurückgeführt bzw. rückgekoppelt werden, welche
dann Ventilen, welche Bereichen mit höheren relativen Temperaturen
Brennstoff bereitstellen, befiehlt, etwas zu schließen
oder die Brennstoffströmung in anderer Weise abzuschwächen,
um auf diese Weise eine Brennstoffströmung zu dem Bereich zu
reduzieren und folglich die lokale Temperatur von diesem Bereich
abzusenken.
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Gemäß noch
einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zur aktiven
Steuerung/Regelung eines Verbrennungsmusterfaktors in einem Gasturbinenmotor
ein Messen einer Brennstoffströmungsrate durch ein oder
mehrere der Mehrzahl von Brennstoffeinspritzeinrichtungen, ein Vergleichen
der Brennstoffströmungsrate durch eines oder mehrere der
Mehrzahl von Brennstoffeinspritzeinrichtungen und ein Einstellen
einer Brennstoffströmungsrate durch eine oder mehrere Einspritzeinrichtungen,
um eine gleiche Brennstoffströmung zu jeder Einspritzeinrichtung
zu erhalten, um einen optimalen Musterfaktor zu erreichen. In einem
solchen Fall kann die Brennstoffströmungsrate gemessen
werden, indem beispielsweise Volumen- oder Massenströmungsraten
gemessen werden. Brennstoffströmungsraten können,
wie vorangehend beschrieben, eingestellt werden, indem ein Ventil
betätigt wird, um beispielsweise einen Druckabfall quer
hindurch zu verändern.
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Solche
Strömungsraten können vor oder nach einem Ventil
aufgenommen werden. Der Druckabfall quer durch und daher die Brennstoffströmungsraten
durch eine Mehrzahl von Einspritzeinrichtungen können so
auf derselben Rate für jede der Mehrzahl von Einspritzeinrichtungen
gehalten werden, um einen günstigen Musterfaktor zu fördern.
Daten von einem oder mehreren Strömungssensoren (z. B. Massenströmungssensor 490)
können in die elektronische Steuer/Regeleinrichtung 20 oder 170 zurückgeführt
werden, welche dann den Messwert mit einem Befehlswert vergleichen
kann und alle Diskrepanzen beilegen kann, indem jeweilige Werte
weiter eingestellt werden.
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Darüber
hinaus dient gemäß der Erfindung ein alternatives
Verfahren zur Sicherstellung eines günstigen Musterfaktors
dazu, allen Brennstoffeinspritzeinrichtungen in der Turbine genau
gleiche Brennstoffmengen zuzuführen. Eine Verwendung mehrerer
Strömungssensoren, wie z. B. der Sensor 490, erlaubt
eine Rückführung von Information zu der elektronischen
Steuer/Regeleinrichtung, wie z. B. der Steuer/Regeleinrichtung 20 (6 bis 7)
oder 170 (5), welche die Werte an jedem
Strömungssensor vergleichen können und die jeweiligen
Ventile einstellen können, um zu einer einheitlichen und
gleichen Brennstoffzufuhr zu jeder Brennstoffeinspritzeinrich tung
zu führen, um auf diese Weise einen erwünschten
Musterfaktor zu begünstigen.
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Durch
die Verwendung von Rückkopplungs- bzw. Rückführungsinformation
von Sensoren kann eine Brennstoffströmung eingestellt werden,
während Verbrennungsbedingungen/zustände einschließlich
beispielsweise ein Musterfaktor überwacht werden. Wenn
notwendig, kann die Änderungsrate der Brennstoffströmung
reduziert werden, indem einem oder mehreren Ventilen 612 befohlen wird,
langsamer zu schließen, das Schließen vorübergehend
einzustellen oder die Richtung umzukehren, um noch einmal einen
gewünschten Musterfaktor zu erhalten. Sobald bestimmt ist,
dass die Verbrennungsbedingungen in der Turbine vorteilhaft sind,
kann wieder mit einer Brennstoffreduzierung zu einem oder mehreren
Brennstoffeinspritzeinrichtungen begonnen werden. Solche Rückführungsinformation
kann zu jedem Zeitpunkt während des Betriebs einer Gasturbine
verwendet werden, welche gemäß der Erfindung gestaltet,
konstruiert und betrieben wird.
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Gemäß einem
Aspekt kann eine Einstellung einer Brennstoffströmung durch
ein Ventil mit variabler Verstellung erreicht werden, welches als
ein Proportionalventil oder ein pulsierendes Ventil verkörpert sein
kann und separat oder in Verbindung mit einem Binärventil
vorgesehen ist. Der Schritt, eine Brennstoffströmung einzustellen,
kann ein Modulieren eines Brennstoffs durch ein pulsierendes Ventil
zu einer Einspritzeinrichtung umfassen und/oder das Einstellen des
Brennstoffs unter Verwendung eines Proportionalventils. Das pulsierende
Ventil kann ein Solenoidventil sein, welches beispielsweise nur
offene und geschlossene Positionen hat, oder kann alternativ eine
verschiedene Konfiguration besitzen, wie vorangehend beschrieben.
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Eine
Brennstoffströmungseinstellung, wie sie von der Steuer/Regeleinrichtung 170 befohlen wird,
kann ein Justieren bzw. Einstellen der Proportionalventile oder
ein Modulieren einer Brennstoffströmung durch pulsierende
Ventile umfassen, welche ausgewählten Brennstoffeinspritzeinrichtungen
zugeordnet sind, z. B. den Einspritzeinrichtungen 120a, 120d und 120h,
wäh rend Brennstoff zu anderen Einspritzeinrichtungen, z.
B. den Einspritzeinrichtungen 120b, 120c, 120e, 120f und 120g,
aufrechterhalten wird. Jedes Ventil und somit die Brennstoffströmung zu
jeder Einspritzeinrichtung kann unabhängig gesteuert/geregelt
und eingestellt werden. Eine Brennstoffströmung durch jede
Einspritzeinrichtung kann durch die gemessenen Massen- und/oder
Volumen-Brennstoffströmungsratenwerte bestätigt
werden, wie oben beschrieben.
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Eine
oder mehrere der Einspritzeinrichtungen können mit einem
Ventil oder einer Mehrzahl von Ventilen durch eine Rohrleitung als
eine Alternative zu einer direkten Verbindung zwischen dem Ventil und
der Einspritzeinrichtung verbunden sein, jedoch sind kürzere
Distanzen zwischen dem Ventil und der Einspritzeinrichtung bevorzugt,
um eine Dämpfung innerhalb des Brennstoffsystems zu reduzieren.
In jeder Anordnung kann eine Brennstoffströmung zu jeder
Brennstoffeinspritzeinrichtung unabhängig gesteuert/geregelt
werden.
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Alternativ
kann eine Brennstoffströmung durch einen Kreis von der
Brennstoffeinspritzeinrichtung, z. B. den Hauptbrennstoffkreis,
separat durch ein elektromechanisches Ventil gesteuert/geregelt werden,
welches für jede Einspritzeinrichtung vorgesehen ist, wie
z. B. ein Proportionalventil, während eine Brennstoffströmung
durch einen anderen Kreis der Brennstoffeinspritzeinrichtung, z.
B. Pilotbrennstoffkreis, durch ein Ventil gesteuert/geregelt werden kann,
welches einer Mehrzahl von Brennstoffeinspritzeinrichtungen gemein
ist. Die Steuer/Regeleinrichtung 170 ist in jeder Anordnung
dazu konfiguriert und ausgebildet, eine solche Konfiguration zu
steuern/regeln.
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Eine
Einstellung einer Brennstoffströmung von ausgewählten
Brennstoffeinspritzeinrichtungen kann das Einstellen einer elektromechanischen
Ventilanordnung mit variabler Verstellung umfassen, welche mit ausgewählten
Brennstoffeinspritzeinrichtungen integriert ist, um eine Brennstoffmenge
einzustellen, welche durch die ausgewählten Brennstoffeinspritzeinrichtungen
strömt. Die Einstellung eines solchen Ventils mit variabler
Verstellung kann durch eine elektronische Steuer/Regeleinrichtung 170 signalisiert
werden.
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Solche
elektromechanischen Ventile mit variabler Verstellung können
mit einzelnen Brennstoffeinspritzeinrichtungen integriert sein,
wie oben beschrieben, oder einfach nahe der Brennstoffeinspritzeinrichtung
angeordnet sein, wie z. B. an einer Brennstoffversorgungsleitung
nahe der Brennstoffeinspritzeinrichtung. Das elektromechanische
Ventil kann so verkörpert sein, dass es über einen
Bereich von Druckabfällen einstellbar ist, was in einem
Bereich von potenziellen Brennstoffmassenströmungsraten
resultiert, jedoch ist gemäß einem Aspekt der Erfindung
das Ventil dazu ausgebildet und konfiguriert, geöffnet
und geschlossen zu werden, um in einer Brennstoffströmungseinstellung
von etwa 20% um eine mittlere Brennstoffströmungsrate zu
resultieren.
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Basierend
auf Information, welche von den vorgesehenen Sensoren erhalten wird,
bestimmt die elektronische Steuer/Regeleinheit 20 oder 170,
ob eine Einstellung einer Brennstoffströmung zu einer oder
mehreren Brennstoffeinspritzeinrichtungen erforderlich ist, um einen
akzeptablen Musterfaktor einzustellen und aufrechtzuerhalten. Wie
oben dargelegt, kann ein Strömungsratensensor verwendet
werden, um die Brennstoffströmung durch jede Einspritzeinrichtung
zu messen, wie auch um irgendwelche an dem Ventil vorgenommenen
Einstellungen zu bestätigen.
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Wie
oben dargelegt, kann die digitale Steuer/Regeleinheit 20 oder 170 als
ein FADEC verkörpert sein, oder alternativ als eine zusätzliche
Steuer/Regeleinheit mit einem separaten FADEC zur Steuerung/Regelung
anderer Motorbetriebsparameter, welche in Verbindung stehen können.
Immer noch alternativ können verteilte Steuer/Regeleinheiten
an oder nahe jeder Einspritzeinrichtung angeordnet sein. Solche
verteilten Steuer/Regeleinheiten können miteinander kommunizieren,
relevante Information an andere Steuer/Regeleinheiten weiterleiten und
vergleichen, sodass eine Bestimmung bezüglich Brennstoffströmungsraten
für jede Einspritzeinrichtung vorgenommen werden kann.
Folglich können Temperaturdaten, Brennstoffströmungsraten,
Spektraldaten in Bezug auf Äquivalenzverhältnisse
und somit auf einen Musterfaktor oder andere gemessene Parameter
unter der verteilten Steuerung/Regelung verglichen werden. Im Anschluss
an einen solchen Vergleich können geeignete Werte auf einen Punkt
eingestellt werden, wo die jeweiligen Parameter (z. B. Temperaturdaten,
Brennstoffströmungsraten, Spektraldaten) einen wünschenswerten
Musterfaktor anzeigen.
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Obwohl
die aktiven Musterfaktorsteuer/regelsysteme und Verfahren der vorliegenden
Erfindung und deren Komponenten unter Bezugnahme auf bevorzugte
Ausführungsformen beschrieben wurden, werden Fachleute
leicht erkennen, dass Änderungen und Modifikationen daran
vorgenommen werden können, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden
Erfindung abzuweichen.
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Ein
Verfahren zur aktiven Steuerung/Regelung eines Musterfaktors in
einem Gasturbinenmotor umfasst die Schritte, Brennstoff in eine
Brennkammer eines Gasturbinenmotors durch eine oder mehrere in Umfangsrichtung
angeordnete Brennstoffeinspritzeinrichtungen auszugeben, einen Anfangsumfangsmusterfaktor
in der Brennkammer zu bestimmen und die Brennstoffströmung
durch eine oder mehrere ausgewählte Brennstoffeinspritzeinrichtungen
basierend auf dem Anfangsumfangsmusterfaktor einzustellen, um einen
modifizierten Umfangsmusterfaktor in der Brennkammer zu erhalten.
Der Schritt, den Umfangsmusterfaktor zu bestimmen, kann die Schritte
umfassen, eine chemilumineszente Signatur innerhalb der Brennkammer
zu erfassen, die chemilumineszente Signatur mit einem Äquivalenzverhältnis
zu korrelieren und den Anfangsumfangsmusterfaktor basierend auf
dem Äquivalenzverhältnis zu berechnen. Alternativ
kann der Schritt, den Umfangsmusterfaktor zu bestimmen, die Schritte
umfassen, Temperaturen an einer Mehrzahl von Umfangspositionen an dem
Brennkammerausgang zu messen und den Anfangsumfangsmusterfaktor
basierend auf den gemessenen Temperaturen zu berechnen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2007/0119147 [0032]
- - US 2006/0000219 [0032]
- - US 6688534 [0043]
- - US 6928878 [0046]
- - US 6773951 [0046]
- - US 2005/0247066 [0051]
- - US 2007/0151252 [0055, 0058, 0070]