DE4417199C2

DE4417199C2 - Vorrichtung zum Steuern von Gasturbinen

Info

Publication number: DE4417199C2
Application number: DE4417199A
Authority: DE
Inventors: Yoshishige Ohyama; Yutaka Nishimura; Yoshio Sato; Motohisa Nishihara; Shigeru Azuhata; Kazuyuki Ito
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-05-17
Filing date: 1994-05-17
Publication date: 2002-05-23
Anticipated expiration: 2014-05-18
Also published as: DE4417199A1; JPH06323165A; US5533329A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern von Gasturbi nen, bei der insbesondere in einer Luftströmungsleitung von einem Verdichter zur Gasturbine ein Steuerventil zur Steuerung der Ver brennungsluft-Strömungsrate angeordnet ist, so daß das Luft- /Kraftstoffverhältnis in der Weise gesteuert werden kann, daß die Stickoxid-Emissionen reduziert werden.

Für Gasturbinen-Brennkammern besteht der dringende Bedarf an einer Reduzierung der Stickoxid-Emissionen, so daß es wichtig ist, das Luft-/Kraftstoffverhältnis in einem Verbrennungsabschnitt auf einen geeigneten Wert zu steuern. Es sind viele Vorschläge hinsicht lich der Steuerung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses in Gasturbinen- Brennkammern gemacht und verwirklicht worden. Ein Beispiel hier von ist aus der JP 4-186020-A bekannt, in der eine Gasturbinen- Brennkammer mit einem Mechanismus zur Veränderung der Querschnittsfläche eines Lufteinlaß kanals versehen ist, wobei das chemische Emissionsspek trum einer Flamme in der Hauptverbrennungszone erfaßt wird und der Änderungsmechanismus in einer geschlossenen Regelschleife auf der Grundlage des Erfassungsergebnisses in der Weise geregelt wird, daß als Sollwert ein Luft- /Kraftstoffverhältnis mit Luftüberschuß gesetzt wird, um die Konzentration der Stickoxide zu reduzieren und ein Ausblasen der Flammen zu verhindern.

Ein weiteres Verfahren ist aus der JP 2-163423-A bekannt, bei dem die Menge der durch eine Brennkammer sich bewe genden Luft anhand eines Verdichter-Auslaßdrucks, eines Turbinen-Einlaßdrucks, einer Turbinen-Einlaßtemperatur, eines Turbinen-Auslaßdrucks usw. berechnet wird und das Luft-/Kraftstoffverhältnis und die Kraftstoffmenge gesteuert werden.

Aus der JP 54-142410-A ist ein weiteres Verfahren be kannt, bei dem die jeweiligen Luftströmungsraten in getrennten Luftströmungen in einen Hochtemperaturab schnitt bzw. in einen Niedertemperaturabschnitt einer Hochstufungseinrichtung in einem Mantelstromtriebwerk unter Verwendung von gemessenen Triebwerksparametern und bekannten Parametern berechnet werden und auf der Grund lage der berechneten Werte eine Programmsteuerung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses des Hochtemperaturab schnitts sowie des Luft-/Kraftstoffverhältnisses des Niedertemperaturabschnitts ausgeführt wird.

In einer herkömmlichen Steuerung des Luft-/Kraftstoffver hältnisses wird die Berechnung der Luftmenge auf der Grundlage des folgenden technischen Wissens ausgeführt:

1. Die Luftmenge ist proportional zur Drehzahl der Turbine;
2. das Luft-/Kraftstoffverhältnis ist eine Funktion des Luftdrucks und des Stromgenerator-Ausgangs;
3. die Luftströmungsmenge ist durch ein Differential zwischen der Ansaugluftmenge des Verdichters und der Entnahmeluftmenge gegeben;
4. die Luftmenge ist eine Funktion des Verdichter- Auslaßdrucks, des Turbinen-Einlaßdrucks und der Tem peratur.

Ferner wird die Berechnung der Turbinen-Einlaßtemperatur, die einer der Hauptparameter der Verbrennungsbedingungen ist, auf der Grundlage der folgenden Annahmen ausgeführt:

1. Die Turbinen-Einlaßtemperatur ist eine Funktion des Luft-/Kraftstoffverhältnisses und der Turbinen-Dreh zahl;
2. die Turbinen-Einlaßtemperatur ist eine Funktion der Luftmenge und der Abgastemperatur; und
3. die Turbinen-Einlaßtemperatur ist eine Funktion der Leitrad-Temperatur und der Temperaturänderungsrate.

Im allgemeinen ist die Reaktion in einer geschlossenen Regelschleife für ein Luft-/Kraftstoffverhältnis gering, wenn die Turbinenlast geändert wird, so daß die Änderung der Luftmenge einer Änderung der Kraftstoffmenge nicht folgen kann, mit dem Ergebnis, daß sich das Luft- /Kraftstoffverhältnis ändert, so daß die Stickoxid- Emission ansteigt oder Fehlzündungen und Nachbrennvor gänge auftreten.

Ferner kann durch die ausschließliche Berechnung gemäß der obigen Positionen 1) bis 4) die zur Verbrennungszone der Brennkammer gelieferte Luftmenge nicht korrekt geschätzt werden. Keine dieser Positionen betrifft nämlich Meßwerte der tatsächlich in den Verbrennungsab schnitt zu liefernden Luftmenge, sondern Werte, die unter Verwendung einer Luftmenge, des Drucks und der Temperatur am Verdichterabschnitt oder am Turbinenabschnitt als Parameter berechnet werden. Bei der wirklichen Verbren nung sind jedoch eine Nebenleitungs-Luftmenge, die die Verbrennungszone umgeht, ohne der Verbrennung unterworfen zu werden, sowie eine Kühlluftmenge vorhanden, wobei die Änderung der Luftmengen die zur Verbrennungszone gelie ferte Menge der Verbrennungsluft ändert. Es ist daher schwierig, die Menge der zur Verbrennungszone gelieferten Luftmenge durch die obenerwähnte Berechnung korrekt zu schätzen. Daher wird das Luft-/Kraftstoffverhältnis im Hinblick auf den Rechenfehler bezüglich der Luftmenge auf einen etwas kleineren Wert gesetzt, was wiederum einer Reduzierung der Stickoxid-Emission entgegenwirkt.

Ferner ist es schwierig, ausschließlich durch die obige Luftmengen-Berechnung die Luftmenge für jede Brennkammer einer mit mehreren Brennkammern versehenen Gasturbine zu erhalten und Luftmengen in räumlich begrenzten Bereichen einer jeden Brennkammer zu erhalten. Es ist daher schwie rig, das Ungleichgewicht des Luft-/Kraftstoffver hältnisses aufgrund unterschiedlicher Luftmengen zwischen einzelnen Brennkammern und unterschiedlicher Luftmengen zwischen räumlich begrenzten Bereichen einer jeden Brennkammer zu beseitigen. Auch in diesem Fall wird das Luft-/Kraftstoffverhältnis im Hinblick auf die obenerwähnten unterschiedlichen Kraftstoffmengen auf einen kleineren Wert gesetzt, was wiederum der Reduzierung der Stickoxid-Emission entgegenwirkt.

Dies ist noch bedeutsamer in dem Fall, in dem für die Berechnung der Luftmenge das Rechenergebnis anhand der Turbinen-Einlaßtemperatur, wie es in den Positionen 5) bis 7) angegeben ist, verwendet wird.

In dem in der obenerwähnten JP 54-142410-A offenbarten Verfahren, in dem jede der Strömungsraten in den aufge teilten Strömungen in den Hochtemperaturabschnitt bzw. in den Niedertemperaturabschnitt der Hochstufungseinrichtung durch Berechnung erhalten wird und in dem die program mierte Steuerung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses des Hochtemperaturabschnitts und des Luft-/Kraftstoffverhält nisses des Niedertemperaturabschnitts auf der Grundlage der berechneten Strömungsraten ausgeführt wird, können die Luftmengen in räumlich begrenzten Bereichen der Brennkammer erhalten und jeweils lokal gesteuert werden. Daher kann das Verfahren das Ungleichgewicht der Luft- /Kraftstoffverhältnisse zwischen räumlich begrenzten Bereichen der Brennkammer beseitigen. Auch in diesem Fall wird jedoch die Luftmenge unter Verwendung gemessener Motorparameter und bekannter Parameter berechnet, so daß auch hier der Nachteil nicht vermieden werden kann, daß die erhaltene Luftmenge nicht notwendigerweise mit einer wirklich gelieferten Luftmenge übereinstimmt.

Weiterhin ist es in dem Fall, in dem die Luftmenge berechnet wird und das Luft-/Kraftstoffverhältnis auf der Grundlage des Rechenergebnisses gesteuert wird, zur Ausführung einer korrekten Steuerung ohne Verzögerung notwendig, eine Systemumgebung aufzubauen, für die ein Modell einfach erstellt werden kann. Für ein Mantelstrom triebwerk des in der JP 54-142410-A offenbarten Typs kann dies verhältnismäßig einfach geschehen. Wie jedoch beispielsweise in der JP 4-186020-A oder in der JP 2- 33419-A offenbart, können in einer Gasturbine des Typs, bei dem in einer Luftströmungsleitung vom Verdichter zur Gasturbine ein Luftströmungs-Steuerventil zur Steuerung der Strö mungsrate der Verbrennungsluft angeordnet ist, Luftverteilungsmuster auftreten, die nicht einfach vorhergesagt werden können oder für die die Erstellung eines Modells schwierig ist, so daß eine genaue Luftmen genberechnung unmöglich ist und die Konstruktion eines zufriedenstel lenden Steuersystems sehr schwierig ist.

Die Druckschrift EP 0 529 900 A1 betrifft eine Gasturbine mit einem Luftströmungssensor, der stromab eines Steuerventils angeordnet ist. Dieser Strömungssensor erfaßt eine Strömungsgeschwindigkeit, die sich entsprechend einer Änderung der Öffnungsfläche des Steuerventils ändert. Wenn der Druck konstant ist, ändert sich die Strömungsge schwindigkeit gemäß der Öffnungsfläche des Ventils und wenn die Öff nungsfläche konstant ist, ändert sich die Strömungsgeschwindigkeit abhängig vom Druck. Druckänderungen entstehen beispielsweise auf grund von sich verändernden Betriebszuständen des Kompressors auf grund von Luftleckagen in einem Strömungskanal, usw. Weiterhin tre ten natürlich stromab des Steuerventils Strömungsturbulenzen auf, welche zu Druckdifferenzen und unterschiedlichen eventuell pulsieren den Strömungsgeschwindigkeiten an einem stromab des Steuerventils angeordneten Sensor führen. Daraus können ungenaue Messungen der Strömungsgeschwindigkeit resultieren, welche der Steuereinheit unge nügende Daten liefern.

Die Druckschrift DE 29 14 275 A1 betrifft eine Luftdurchsatz-Meß vorrichtung für Brennkraftmaschinen.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Steuern einer Gasturbine zu schaffen, die eine hohe Genauigkeit bei der Erfassung der Luftströmungsgeschwindigkeit erzielt.

Die Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung auf.

Durch die Erfindung wird kein Anstieg der Stickoxid-Emissionen auf grund einer ungenauen Luft-/Kraftstoffverhältnis-Steuerung in der Gasturbine bewirkt, und insbesondere wird das Luft-/Kraftstoffver hältnis nicht auf einen größeren Wert gesetzt, um die Stickoxid- Emissionen ohne Entstehung von Fehlzündungen und von Nachbrenn vorgängen zu reduzieren, da die Verbrennungsluftmenge für die Brenn kammer der Gasturbine, bei der in einer Luftströmungsleitung vom Verdichter zur Gasturbine ein Luftströmungs-Steuerventil zur Steue rung der Verbrennungsluft-Strömungsrate angeordnet ist, direkt und hochgenau erfaßt wird. Weiterhin wird das Problem unterschiedlicher Luftmengen und unterschiedlicher Luft-/Kraftstoffverhältnisse in räumlich begrenzten Bereichen einer jeden von mehreren Brennkam mern durch eine hochgenaue Erfassung der Verbrennungsluft-Ge schwindigkeit oder der Verbrennungsluft-Strömungsraten in den räumlich begrenzten Bereichen der mehreren Brennkammern gelöst, wodurch die Menge der Stickoxid-Emissionen reduziert wird, und es wird ein Ungleichgewicht zwischen den Luft-/Kraftstoffverhältnissen in jeweiligen Brennkammern verhindert, indem die Luftströmungsge schwindigkeit oder die Luftströmungsrate in jeder der Brennkammern hochgenau erfaßt wird, wodurch das gesamte Luft-/Kraftstoffverhältnis auf einen höheren Wert gesetzt wird und die Menge der Stickoxid-Emis sionen reduziert wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in der Umgebung des Luftströmungs-Steuerventils zur Steuerung der Luft strömungsrate, das in einer Luftströmungsleitung einer Brennkammer angeordnet ist, ein Hitzdraht-Luftströmungssensor angeordnet, mit dem die Verbrennungsluftmenge direkt gemessen wird. Das Kraftstoff strömungs-Steuerventil und/oder das Luftströmungs-Steuerventil wird durch den Ausgang einer Steuereinrichtung auf der Grundlage des er faßten Signals gesteuert, wodurch das Luft-/Kraftstoffverhältnis in der Weise genau gesteuert wird, daß das Luft-/Kraftstoffverhältnis entspre chend der Last optimiert wird, d. h., daß das Luft-/Kraftstoffverhältnis auf einen maximalen Wert gesteuert wird, der sehr nahe an einem Pegel liegt, bei dem Fehlzündungen auftreten, wodurch die Stickoxid-Emis sionen minimiert werden.

Erfindungsgemäß sind insbesondere die Luftströmungssensoren in je dem der mehreren räumlich begrenzten Bereiche in einer oder in meh reren Brennkammern angeordnet, wobei die Menge der Verbrennungs luft in jedem der verschiedenen räumlich begrenzten Bereiche direkt erfaßt wird. Durch den Ausgang einer Steuereinheit werden auf der Grundlage der Meßsignale mehrere Kraftstoffströmungs-Steuerventile und/oder Luftströmungs-Verteilungsventile gleichzeitig gesteuert. Durch diese Konstruktion wird das Luft-/Kraftstoffverhältnis in jedem räumlich begrenzten Bereich optimiert, außerdem werden die Stick oxid-Emissionen minimiert.

Weiterhin ist in jeder der mehreren Brennkammern ein Luftströmungs sensor angeordnet und die Verbrennungsluftmenge in jede Brennkam mer wird direkt gemessen. Auf der Grundlage dieser Meßsignale werden ein Kraftstoffströmungs-Steuerventil und/oder das Luftströmungs- Steuerventil einer jeden Brennkammer durch den Ausgang einer Steu ereinheit gleichzeitig gesteuert, wodurch unterschiedliche Luft-/Kraft stoffverhältnisse zwischen den Brennkammern klein oder im wesentli chen Null werden und die Stickoxid-Emissionen minimiert werden.

In der vorliegenden Erfindung gibt ein Luftströmungssensor vorzugs weise elektrische Meßwertsignale aus, die der Luftgeschwindigkeit in jedem räumlich begrenzten Bereich entsprechen und die in eine Steu ereinheit eingegeben werden. Die Steuereinheit enthält einen Mikropro zessor und berechnet die Geschwindigkeit in jedem räumlich begrenz ten Bereich auf der Grundlage eines die Luftgeschwindigkeit betreffen den Ausgangssignals. Anschließend wird die Luftmenge durch Multipli kation dieser berechneten Geschwindigkeit mit der Querschnittsfläche der Luftströmungsleitung erhalten, welche im Mikroprozessor im vor aus gespeichert ist. Anschließend wird die Differenz zwischen der Luft menge und einer festgelegten Luftmenge berechnet, welche im voraus im Mikroprozessor gespeichert ist. Schließlich gibt die Steuereinheit an das Luftströmungs-Verteilungsventil ein Betätigungssignal aus, derart, daß die Differenz im wesentlichen Null wird.

Gleichzeitig gibt ein Kraftstoffströmungssensor, der stromaufseitig zum Kraftstoffströmungs-Steuerventil angeordnet ist, ein elektrisches Signal aus, das einer Kraftstoffmenge entspricht und das in die Steuereinheit eingegeben wird. Anhand dieses elektrischen Signals wird eine Differenz zwischen der Kraftstoffmenge und einer festgelegten Kraftstoffmenge berechnet, welche im voraus im Mikroprozessor gespeichert wird, woraufhin die Steuer einheit an das Kraftstoffströmungs-Steuerventil ein Betätigungssignal ausgibt. Das Kraftstoffströmungs- Steuerventil wird durch jedes Betätigungssignal betätigt, um den Kraftstoff in der Weise zu steuern, daß das Luft- /Kraftstoffverhältnis einen festgelegten Wert annimmt. Die Luftmenge und die Kraftstoffmenge werden in einer geschlossenen Schleife gesteuert.

Im folgenden werden weitere erfindungsgemäße Operationen beschrieben. Die Steuereinheit liest auf der Grundlage von Meßwerten des Luftströmungssensors Eingangssignale ein. In der Steuereinheit sind im voraus Werte bezüglich der Kraftstoffmenge gesetzt, so daß die Steuereinheit auf der Grundlage dieser gesetzten Werte Betätigungssignale für das Kraftstoffströmungs-Steuerventil ausgeben kann. Entsprechend einer Änderung der Luftmenge wird die Kraftstoffmenge sofort geändert, so daß das Luft- /Kraftstoffverhältnis konstant gehalten werden kann.

Eine weitere erfindungsgemäße Operation ist die folgende:
In die Steuereinheit wird zunächst ein Lastanforderungs signal eingegeben. Die Steuereinheit gibt auf der Grund lage der Daten bezüglich des Kraftstoff-Last-Verhältnis ses, die im voraus im Mikroprozessor gespeichert sind, an das Kraftstoffströmungs-Steuerventil ein Betätigungssignal aus. Ferner wird auf der Grundlage eines gesetzten Wertes für das Verhältnis des Luft-/Kraftstoff verhältnisses zur Last eine erforderliche Luftmenge berechnet, woraufhin an das Luftströmungs-Verteilungs ventil ein Betätigungssignal ausgegeben wird. In diesem Zeitpunkt wird das Betätigungssignal auf der Grundlage des Ausgangssignals vom Luftströmungssensor korrigiert, so daß das Luft-/Kraftstoffverhältnis auf einem gesetzten Wert gehalten wird.

Auf die obenbeschriebene Weise können die Luftmenge, die Kraftstoffmenge und das Luft-/Kraftstoffverhältnis in der Brennkammer der Gasturbine, die in einer Luftströmungs leitung vom Verdichter zur Gasturbine ein Luftströmungs- Steuerventil zur Steuerung der Strömungsrate der Verbren nungsluft besitzt, in einem weiten Betriebsbereich auf einem optimalen Wert gehalten werden. Ferner kann folgen de Betrachtung angestellt werden:
Im allgemeinen erscheinen unterschiedliche Luft- /Kraftstoffverhältnisse zwischen räumlich begrenzten Bereichen einer Brennkammer als unterschiedliche Aus gangssignale von Temperatursensoren. Daher kann die Anzahl der vorgesehenen Luftströmungssensoren dadurch verringert werden, daß mehrere Temperatursensoren ange ordnet werden. Die unterschiedlichen Luftströmungsmengen in räumlich begrenzten Bereichen können durch Ausgangssi gnale der Temperatursensoren erfaßt werden, so daß das Betätigungssignal des Luftströmungsventils auf der Grundlage der Signale vom Luftströmungssensor korrigiert werden kann und somit die Differenz im wesentlichen Null wird. Das Luftströmungsventil wird auf der Grundlage dieses Korrekturwerts betätigt. Ferner besitzt die Temperatur im allgemeinen ein langsames Ansprechverhal ten, so daß es schwierig ist, das Luft-/Kraftstoff verhältnis während einer Übergangszeit oder Einschwingzeit anhand dieses Temperatursensors zu steuern. Daher werden unterschiedliche Luft-/Kraftstoffverhältnisse zwischen räumlich begrenzten Bereichen während der normalen Betriebszeit korrigiert, woraufhin eine Steuerung der Luftströmungsmenge auf der Grundlage des korrigierten Betätigungssignals ausgeführt wird, wodurch eine Verschlechterung des Ansprechverhaltens vermieden werden kann. Anstelle des Temperatursensors können Verbrennungsbedingungs-Sensoren wie etwa Konzentrations sensoren, Drucksensoren usw. verwendet werden. Außerdem ist es auch möglich, eine Korrektur anhand des Flammen spektrums und dergleichen auszuführen.

Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile sind in den Unteransprüchen angegeben, die sich auf bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Gastur bine gemäß einer Ausführungsform der vorlie genden Erfindung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Steuerung;

Fig. 3 ein Kennliniendiagramm der Steuerung;

Fig. 4 ein weiteres Blockschaltbild der Steuerung;

Fig. 5 ein weiteres Kennliniendiagramm der Steue rung;

Fig. 6 ein weiteres Kennliniendiagramm der Steue rung;

Fig. 7 ein weiteres Blockschaltbild einer Steuerung;

Fig. 8(a) eine schematische Darstellung einer Gastur bine gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8(b) ein Kennliniendiagramm der Steuerung;

Fig. 9 eine schematische Darstellung einer Gastur bine gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 10 eine schematische Darstellung einer Gastur bine gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 11 ein Kennliniendiagramm der Steuerung gemäß der vierten Ausführungsform;

Fig. 12 eine Schnittansicht eines Teils der Brennkam mer, die eine Sensoranordnung zeigt;

Fig. 13 eine Ansicht zur Erläuterung einer Sensorkon struktion;

Fig. 14 ein Schaltbild einer Sensorschaltung; und

Fig. 15 eine schematische Darstellung einer Brennkam mer, die eine Art der Erfassung der Verbren nungsbedingungen veranschaulicht.

Zunächst wird mit Bezug auf die Fig. 1 bis 7 eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer Gasturbine, die eine Steuereinrichtung gemäß der Erfindung verwendet. Die Gasturbine umfaßt einen Verdichter 1, eine Brennkammer 2, eine Turbine 3 und einen Stromgenerator 4. Ein Luftein laßkanal 5 der Brennkammer 2 ist mit einem Auslaß des Verdichters 1 verbunden, ferner ist ein Verbrennungsgas- Auslaß 6 mit einem Einlaß der Turbine 3 verbunden.

Die Brennkammer 2 umfaßt einen Vormischabschnitt 7, einen Diffusionsabschnitt 8 und einen stromabseitigen Abschnitt 9. Eine dem Vormischabschnitt 7 zugeführte Luftmenge wird durch ein Vormisch-Luftströmungsventil 10 gesteuert, das die Funktion eines Luftströmungs-Steuerventils zur Steuerung der Strömungsrate der Verbrennungsluft erfüllt. Das Vormisch-Luftströmungsventil 10 wird durch ein geeignetes Betätigungselement 11 angetrieben. Im stromab seitigen Abschnitt 9 ist eine Luftströmungs-Nebenleitung vorgesehen, wobei ein Teil der verdichteten Luft durch die Luftströmungs-Nebenleitung bewegt wird, in der ein Nebenleitungs-Luftströmungsventil 12 vorgesehen ist, das die Funktion eines Luftströmungs-Steuerventils erfüllt. Das Nebenleitungs-Luftströmungsventil wird ebenfalls durch ein geeignetes Betätigungselement 13 angetrieben.

Im Diffusionsabschnitt 8 sind eine Zünd-Kraftstoffdüse 14 sowie Diffusions-Kraftstoffdüsen 15, 16 angeordnet, wobei eine den Düsen 14, 15, 16 zugeführte Kraftstoffmenge durch Kraftstoffströmungs-Steuerventile 18, 19 und 20 gesteuert werden. Im Vormischabschnitt 7 sind Vormischdü sen 23, 24 angeordnet, wobei die diesen Vormischdüsen 23, 24 zugeführte Kraftstoffmenge durch Kraftstoffströmungs- Steuerventile 21 bzw. 22 gesteuert wird. Stromaufseitig zu den jeweiligen Kraftstoffströmungs-Steuerventilen sind Kraftstoffströmungs-Sensoren 25, 26, 27, 28 und 29 angeordnet. Ferner ist in unmittelbarer Nähe und stromaufseitig zum Nebenleitungs-Luftströmungsventil 12 in der Luftströmungs-Nebenleitung ein Luftströmungssenor 30 angeordnet. Stromaufseitig bzw. stromabseitig vom Vor misch-Luftströmungsventil 10 sind Luftströmungssenoren 31, 35 bzw. 33, 34 angeordnet. Diese Sensoren sind beispielsweise vom Hitzdrahtsensor-Typ, der später beschrieben wird.

Der Luftströmungssenor 30 erfaßt eine durch das Nebenlei tungs-Luftströmungsventil 12 sich bewegende Luftmenge. Die Luftströmungssenoren 31, 35 erfassen eine zum Vor mischabschnitt 7 und zum Diffusionsabschnitt 8 gelieferte Luftmenge. Ferner erfassen die Luftströmungssenoren 33, 34 eine zum Diffusionsabschnitt 8 gelieferte Luftmenge. Eine zum Vormischabschnitt 7 gelieferte Luftmenge wird durch Subtraktion der Meßwerte der Luftströmungssenoren 33, 34 von den Meßwerten der Luftströmungssenoren 31, 35 berechnet.

In einem Bereich des Vormischabschnitts 7 sind Stabilisa toren (Flammenstabilisierungselemente) 40, 41 angebracht. Die Temperatursensoren 50, 51 sind beispielsweise jeweils aus einem Platinwiderstandsdraht hergestellt. Wenn sich die Temperatur des Gases ändert, ändert sich folglich auch die Temperatur des Widerstandes, so daß sich der elektrische Widerstand des Drahts verändert. In eine Steuereinheit 60, die einen Mikroprozessor enthält, werden Signale von den jeweiligen Kraftstoffströmungs senoren 25, 26, 27, 28, 29, den jeweiligen Luftströmungs senoren 30, 31, 33, 34, 35 und den jeweiligen Temperatur sensoren 50 und 51 eingegeben, außerdem gibt die Steuer einheit 60 auf der Grundlage der Eingangssignale Betäti gungssignale für die jeweiligen Kraftstoffströmungs- Steuerventile 21, 19, 18, 20, 22, das Vormisch-Luftströ mungsventil 10 und das Nebenleitungs-Luftströmungsventil 12 aus.

Nun wird die Wirkungsweise mit Bezug auf Fig. 2 der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform erläutert. Der Mikropro zessor der Steuereinheit 60 besitzt einen im voraus gesetzten Ausgangs-Sollwert P0 und steuert eine Kraft stoffmenge Gf für einen Turbinenauslaß in der Weise, daß er gleich dem Ausgangs-Sollwert P0 wird. In diesem Fall wird die Temperatur in der Brennkammer 2 durch die Temperatursensoren 50, 51 erfaßt. Anschließend wird die Steuerung mittels einer geschlossenen Regelschleife ausgeführt, so daß das Luft-/Kraftstoffverhältnis den Wert des gesetzten Luft-/Kraftstoffverhältnis erreicht. Eine Luftmenge Ga wird durch die Luftströmungssenoren 30, 31, 33, 34, 35 erfaßt, ferner werden das Vormisch-Luft strömungsventil 10 und das Nebenleitungs-Luftströmungs ventil 12 in der Weise gesteuert, daß die Signale von den Luftströmungssenoren einen festgelegten Wert besitzen. Die Kraftstoffmenge wird durch die Kraftstoffströmungs sensoren 25 bis 29 erfaßt, wobei die Kraftstoffströmungs- Steuerventile 21, 19, 18, 20, 22 in der Weise gesteuert werden, daß die Kraftstoffmenge einen gesetzten Wert annimmt. Die jeweiligen Kraftstoffströmungs-Steuerventile und das Vormisch-Luftströmungsventil werden unabhängig voneinander gesteuert, wobei eine Luftmenge, eine Kraft stoffmenge und ein Luft-/Kraftstoffverhältnis im Vor mischabschnitt 7 und im Diffusionsabschnitt 8 der Brenn kammer 2 in einem weiten Betriebsbereich jeweils auf einen optimalen Pegel gesteuert werden.

Wenn in Fig. 1 beispielsweise der Öffnungsgrad des Vormisch-Luftströmungsventils 10 zunimmt, nimmt die im Vormischabschnitt 7 verteilte Luftmenge zu, weshalb das Luft-/Kraftstoffverhältnis zu groß wird und Fehlzündungen auftreten können, solange nicht die Kraftstoffmenge von den Kraftstoffdüsen 23, 24 ansteigt. Um sich von diesem Phänomen zu befreien, erfaßt die Steuereinheit 60 eine Änderung der in den Vormischabschnitt 7 geleiteten Luftmenge auf der Grundlage der Meßsignale von den Luftströmungssenoren 31, 35 und betätigt die Kraft stoffströmungs-Steuerventile 21, 22 entsprechend der erfaßten Änderung, wobei eine Übergangsveränderung oder Einschwingveränderung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses vermieden werden kann.

Wenn, wie in Fig. 3 gezeigt, die Gesamtluftmenge (d. h. die gesamte in die Brennkammer gelieferten Luft) gegen die Kraftstoffmenge klein wird, wird die Temperatur hoch, so daß eine thermische Ermüdung induziert wird, weshalb für die minimale Luftmenge im Verhältnis zu einer gesetz ten Kraftstoffmenge ein Grenzwert besteht. Wenn ferner die Menge der Vormischluft zunimmt, nimmt das Luft- /Kraftstoffverhältnis zu, so daß eine Fehlzündung auftre ten kann, weshalb die Menge der Vormischluft entsprechend der Kraftstoffmenge auf eine optimale Menge gesteuert wird.

Fig. 4 zeigt ein Flußdiagramm einer Steuerung. Für einen Ausgangs-Sollwert P0 der Turbine ist im Schritt 71 die gesamte Kraftstoffmenge Gf (= P0/Hu) durch die Menge Hu der erzeugten Wärmemenge gegeben. Im nächsten Schritt 72 wird ein gesetztes Luft-/Kraftstoffverhältnis A/F (= f1(P0)) in Abhängigkeit vom Ausgangs-Sollwert P0 gegeben. Das gesetzte Luft-/Kraftstoffverhältnis wird im voraus im Speicher der Steuereinheit 60 gespeichert. Im Schritt 73 wird eine Luftmenge Ga = ((A/F).Gf) berechnet. Im Schritt 74 wird eine dynamische Korrektur, die wegen einer Verzögerung im Steuersystem erforderlich ist, ausgeführt, ferner werden eine der Brennkammer zuzufüh rende Luftmenge Ga* und eine der Brennkammer zuzuführende Kraftstoffmenge Gf* gesetzt.

Im Schritt 75 werden auf der Grundlage der erhaltenen Kraftstoffmenge Gf* und der erhaltenen Luftmenge Ga* ein Betätigungssignal Xf (= f2(Gf*)) der Kraftstoffströmungs- Steuerventile und ein Betätigungssignal Xa (= f3(Ga*)) des Vormisch-Luftströmungsventils berechnet, mit denen die Kraftstoffströmungs-Einstellventile und das Vormisch-Luftströmungsventil betätigt werden. Im Schritt 76 werden die Meßwertsignale vom Kraftstoffströmungssen sor, vom Luftströmungssensor und von dem an der Gasturbi nen-Brennkammer angebrachten Temperatursensor eingelesen, ferner werden Abweichungen von den Sollwerten Gf*, Ga* auf der Grundlage der Daten berechnet, woraufhin Korrek turbeträge ΔXf, ΔXa berechnet werden, damit die Werte mit den gesetzten Werten Gf*, Ga* in Übereinstimmung gelan gen.

Wenn, wie in Fig. 5 gezeigt, die Menge der erzeugten Wärme und ein thermischer Wirkungsgrad konstant sind, ist die Kraftstoffmenge Df proportional zum Ausgangssollwert. Falls die Menge der Luft im Vormischabschnitt 7 konstant ist, nimmt bei abnehmender Kraftstoffmenge Gf der Luft überschuß des Luft-/Kraftstoffverhältnisses zu und erreicht eine Verdünnungsgrenze, jenseits derer die Verbrennung instabil wird. In einem solchen Fall wird das Nebenleitungs-Luftströmungsventil 12 geöffnet, um eine Menge der Nebenleitungs-Luftströmung Gab zu erhöhen und dadurch den Luftüberschuß im Luft-/Kraftstoffverhältnis des Vormischabschnitts 7 zu verringern. In diesem Zeit punkt wird die Luftmenge im Vormischabschnitt 7 unter Verwendung der Luftströmungssensoren 31, 35, 33, 34 erfaßt, so daß die Luftströmungsmenge in der Weise gesteuert werden kann, daß das Luft-/Kraftstoffverhältnis einen Pegel erreicht, der sehr nahe am Verdünnungsgrenz wert liegt, wodurch die Stickoxid-Emissionen minimiert werden können. Wenn ferner die Kraftstoffmenge abnimmt, wird die Flammenstabilisierung unzureichend, ferner können Fehlzündungen auftreten, so daß die Menge des flammenstabilisierenden Kraftstoffs B erhöht wird. Dieser Kraftstoff wird in die Umgebung der Stabilisatoren 40, 41 geleitet.

Im Zusammenhang mit diesem Brennkammertyp ist bekannt, daß bei fortschreitender Zeit Instabilitäten aufgrund der Verbrennung auftreten und Verbrennungsdruckänderungen stattfinden, wie in Fig. 6 gezeigt ist. Aufgrund der Konstruktion der Brennkammer wird die Verbrennungs druckänderung im wesentlichen zur Änderung der Luftmenge äquivalent, die in jeden Verbrennungsabschnitt strömt. In dem Fall, in dem die Luftströmungssensoren wie in dieser Ausführungsform angeordnet sind, kann daher die Verbren nungsdruckänderung sofort erfaßt werden. Wenn die Kraft stoffmenge auf der Grundlage der erfaßten Signale bezüg lich der Luftmengen so gesteuert wird, daß die Verände rung unterdrückt wird, wird für die Verbrennungsdruckän derung eine aktive Steuerung möglich. Wie in Fig. 7 gezeigt, wird ein Erfassungssignal bezüglich der erfaßten Luftmenge Ga in ein dynamisches Modell 80 eingegeben, um eine aktive Kraftstoffmenge Gf zu erhalten.

Nun wird mit Bezug auf Fig. 8(a) eine weitere Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. In Fig. 8(a), die einen Teil einer Gasturbine zeigt, in der eine Steuereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, umfaßt eine Brennkammer 2 mehrere Ver brennungsabschnitte, d. h. einen Vorsteuerabschnitt 120, einen ersten Vormischabschnitt 121, einen zweiten Vor mischabschnitt 122 sowie einen dritten Vormischabschnitt 123. Kraftstoff, der durch ein Kraftstoffströmungs- Steuerventil 94 gesteuert wird, wird dem Vorsteuerab schnitt 120 zugeführt. Sowohl der durch die Kraft stoffströmungs-Steuerventile 93, 95 gesteuerte Kraftstoff als auch die Luft, die durch die jeweils als Luftströmungs-Steuerventile arbeitenden Luftströmungsventile 112, 113 gesteuert wird, werden dem ersten Vormischabschnitt 121 zugeführt. Die Luftmenge wird durch Luftströmungssen soren 103, 104 gemessen, die stromaufseitig zu den Luftströmungsventilen 112, 113 und in deren Nähe ange bracht sind.

Der zweite Vormischabschnitt 122 wird mit Kraftstoff, der durch die Kraftstoffströmungs-Steuerventile 92, 96 gesteuert wird, sowie mit Luft versorgt, die durch Luftströmungsventile 111, 114 gesteuert wird, welche jeweils als Luftströmungs-Steuerventile arbeiten, wobei die Luftmenge durch Luftströmungssensoren 102, 105 erfaßt wird, die stromaufseitig zu den Luftströmungsventilen 111, 114 und in deren Nähe angebracht sind. Der dritte Vormischabschnitt 123 wird mit Kraftstoff, der durch Kraftstoffströmungs-Steuerventile 91, 97 gesteuert wird, sowie mit Luft versorgt, der durch Luftströmungsventile 110, 115 gesteuert wird, wobei die Luftmenge durch Luftströmungssensoren 101, 106 erfaßt wird, die stromauf seitig zu den Luftströmungsventilen 110, 115 und in deren Nähe angebracht sind.

Bei dieser Konstruktion werden die Luftströmungsmengen Ga1 (im Vorsteuerabschnitt 120), Ga21 und Ga22 (im ersten Vormischabschnitt 121), Ga31 und Ga32 (im zweiten Vor mischabschnitt 122) sowie Ga41 und Ga42 (im dritten Vormischabschnitt 123) an verschiedenen räumlich begrenz ten Bereichen der Brennkammer 2 erfaßt und jeweils gesteuert. Selbst in dem in Fig. 8(b) durch die durchge zogene Linie gezeigten Fall einer optimalen Verbrennung, bei der die Luftmengen in den verschiedenen räumlich begrenzten Bereichen wenigstens in den jeweiligen Ver brennungsabschnitten gleichmäßig verteilt sind, besitzt ein herkömmliches System den Nachteil, daß sich die Luftmengen zwischen dem stromaufseitigen Abschnitt und dem stromabseitigen Abschnitt des Luftströmungsventils wegen des Unterschiedes zwischen den Ventilen selbst im selben Verbrennungsabschnitt unterscheiden, wie durch die unterbrochene Linie gezeigt ist. In der vorliegenden Erfindung werden jedoch die Luftmengen in den verschiede nen räumlich begrenzten Bereichen durch die Luftströ mungssensoren einzeln erfaßt, so daß Betätigungsstellgrö ßen der Luftströmungsventile auf die gleiche Weise wie in der ersten Auführungsform von Fig. 1 korrigiert werden können und somit die Luftmengen sehr nahe an die optimale Verteilung angenähert werden können, die in Fig. 8(b) durch die durchgezogene Linie gezeigt ist.

Nun wird mit Bezug auf Fig. 9 eine weitere Ausführungs form der Erfindung beschrieben.

In Fig. 9, die einen Teil einer Gasturbine zeigt, die eine Steuereinrichtung gemäß der Erfindung verwendet, sind um einen Verdichter 130 mehrere Brennkammern 150 angeordnet, wobei Verbrennungsgas an Leiträder 131 geliefert wird. Jede Brennkammer 150 besitzt einen Vorsteuerabschnitt 151 und einen Vormischabschnitt 152. Dem Vorsteuerabschnitt 151 wird durch ein Luftströmungs ventil 132, das als Luftströmungs-Steuerventil arbeitet, Luft Ga1 sowie durch ein Kraftstoffströmungs-Steuerventil 139 Kraftstoff zugeführt. Dem Vormischabschnitt 152 wird durch ein Luftströmungsventil 133 Luft Ga2 sowie durch Kraftstoffströmungs-Steuerventile 138, 140 Kraftstoff zugeführt. Stromabseitig zum Vormischabschnitt 152 wird Kühlluft Ga3 zugeführt, ferner wird stromabseitig vom Kühlluftzufuhrpunkt durch ein Nebenleitungs-Luftströ mungsventil 134 Nebenleitungsluft Ga4 zugeführt. Die Luftströmungsventile und das Nebenleitungs-Luftströmungs ventil sind sämtlich in einer Luftleitung vom Verdichter 130 zu den Verbrennungsabschnitten 151, 152 der Brennkammer 150 angeordnet, um die Strömungsraten der Verbren nungsluft zu steuern.

Die Luftmengen (Luftmengen in räumlich begrenzten Berei chen), die sich durch die jeweiligen Ventile bewegen, werden durch Luftströmungssensoren 135 (Ga1), 136 (Ga2), 137 (Ga4), 153 (Ga3) erfaßt, welche sich nahe an den jeweiligen Ventilen befinden. Die Gesamtluftmenge Ga = Ga1 + Ga2 + Ga3 + Ga4 wird für jede Brennkammer berechnet und verglichen. Ferner werden die Luftmengen Ga1, Ga2, Ga3, Ga4 in den räumlich begrenzten Bereichen für jede Brennkammer zwischen den einzelnen Brennkammern vergli chen, wobei die Luftströmungsventile 132, 133, 134 so betätigt werden, daß zwischen den einzelnen Brennkammern im wesentlichen keine Differenz auftritt, wodurch die Operationen der Brennkammern einander angeglichen werden und Wärmeenergie gleichmäßig an jedes Turbinen-Leitrad 131 geliefert wird.

Nun wird mit Bezug auf Fig. 10 eine weitere Ausführungs form der vorliegenden Erfindung beschrieben.

In der in Fig. 10 gezeigten Gasturbine, die eine Steuer einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, tritt Luft von einem Verdichter 181 in eine Brennkammer 180 ein, wobei jedoch ein Teil der Luft durch eine Luftentnahmeleitung 163 an einen Auslaß der Turbine 182 abgeführt wird. Die Leitung 163 ist mit einem Luftströ mungsventil 164 sowie mit einem stromaufseitig zum Luftströmungsventil 164 und in der Nähe desselben ange ordneten Luftströmungssensor 165 versehen. Ferner wird durch Luftströmungssensoren 161, 162, die in der Umgebung des Einlaßkanals 166 für den Einlaß von Luft in eine Hauptverbrennungskammer angeordnet sind, eine Verbren nungsluftmenge erfaßt, ferner wird eine Kraftstoffmenge durch ein Kraftstoffströmungs-Steuerventil 160 gesteuert.

Wenn bei dieser Konstruktion wie in Fig. 11 gezeigt das Luftströmungsventil 164 geschlossen ist, nimmt eine Luftmenge zur Brennkammer 180 zu, wobei es möglich ist, die Kraftstoffmenge zu erhöhen. In einer herkömmlichen Konstruktion ändert sich jedoch, wie durch eine unterbro chene Linie gezeigt ist, das Einschwing-Luft- /Kraftstoffverhältnis, so daß hier der Nachteil besteht, daß Fehlzündungen sowie ein Anstieg der Stickoxid-Emis sionen verursacht werden. Im Gegensatz dazu wird in der vorliegenden Erfindung die Menge der Verbrennungsluft durch die Luftströmungssenoren 161, 162 direkt gemessen, ferner wird das Kraftstoffströmungs-Steuerventil 160 auf der Grundlage dieses Meßergebnisses gesteuert, so daß Änderungen des Luft-/Kraftstoffverhältnisses im wesentli chen auf Null reduziert werden können, wie in Fig. 11 durch eine durchgezogene Linie gezeigt ist.

Nun wird ein Luftströmungssensor beschrieben, der in dem erfindungsgemäßen Verfahren und in der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Steuerung von Gasturbinen geeignet verwendet werden kann.

Als Luftströmungssensoren sind ein Karmanwirbel-Strö mungsmesser, ein Staudruckrohr, ein Ultraschall-Strö mungsmesser, ein Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser, ein Strömungsmesser mit beweglicher Platte, ein Blenden messer, ein Laminarströmungsmesser, ein Hitzdrahtsensor usw. bekannt. Der Hitzdrahtsensor ist jedoch von diesen Meßgeräten am besten geeignet, weil die Geschwindigkeit der Durchflußmenge ohne Korrektur der Luftdichte erfaßt werden kann.

Es werden nun der Sensor und ein Anbringungsverfahren für den Sensor für den Fall erläutert, in dem dieser Sensor stromaufseitig vom Luftströmungsventil 10 und in der Umgebung dieses Ventils in der in Fig. 1 gezeigten Brennkammer angeordnet ist. Wie in Fig. 12 gezeigt, ist ein Sensor S am äußeren Zylinder 201 der Brennkammer mittels eines Stopfens 208 aus rostfreiem Stahl befe stigt. Eine in einem Vormischabschnitt 202 verteilte Luftmenge Ga1 wird durch eine Öffnung eines Gleitventils 204 (das dem Luftströmungsventil 10 entspricht) gesteu ert. Der Kraftstoff wird mittels einer Düse 203 zuge führt.

Ein später beschriebener Hitzdrahtfühler 209 (siehe Fig. 13) sowie ein Temperaturfühler 211 sind in einem ringför migen Spalt (ungefähr 40 mm) zwischen dem äußeren Zylin der 201 und einem inneren Zylinder 210 angeordnet und werden durch Träger 212, 215 sowie durch Träger 213, 214 getragen, die jeweils aus rostfreiem Stahl hergestellt sind. Die Träger dienen als Leitungsdrähte und sind mit einer in Fig. 14 gezeigten Brückenschaltung verbunden. Die Träger 212, 215, 213, 214 sind jeweils mittels eines Keramikelementes 216 befestigt, wobei das Keramikelement 216 seinerseits mittels des Stopfens 208 dicht montiert ist. Zwischen dem äußeren Zylinder 201 und dem Stopfen 208 ist eine Scheibe 217 angeordnet, die ein Austreten von GaS nach außen verhindert.

Der Hitzdrahtfühler 209 ist in einem in radialer Richtung mittigen Bereich eines Durchlasses angebracht, der zwischen einem trompetenförmigen Ausrichtelement 220 und dem äußeren Zylinder 201 definiert ist. Die Luftmenge Ga1 wird durch Multiplikation des Meßwertes mit der Quer schnittsfläche des Durchlasses berechnet. Die richtige Strömungsmenge kann dadurch erfaßt werden, daß das Ausrichtelement 220 so vorgesehen wird, daß das Gleitven til 204 keine Strömungsablenkung verursacht.

Wie in Fig. 13 gezeigt, ist der Hitzdrahtfühler 209 an den Trägern 212, 215 aus rostfreiem Stahl durch Punktschweißen befestigt. Der Hitzdrahtfühler 209 ist durch Wickeln eines Platindrahts mit einem Durchmesser von 20 µm um ein Keramikrohr 220 mit einem Durchmesser von 0,2 bis 0,5 mm und einer Länge von 1 bis 3 mm hergestellt. Das Keramikrohr 220 ist an den Trägern 212, 215 über Leitungsdrähte 222, 223 unterstützt. Die Enden des Platindrahts 221 sind an den Leitungsdrähten 222, 223 durch Punktschweißen befestigt. Der Platindraht 221 ist mit einem Film aus wärmebeständigem Glas 224 überzogen und an dem Keramikrohr 220 befestigt. Die Leitungsdrähte 222, 223 sind jeweils aus einer Pt-Ir-Legierung zusammen gesetzt, die weicher als das Material der Träger 212, 215 ist und eine mechanische und thermische Beanspruchung absorbiert. Durch diese Konstruktion kann der Hitzdraht fühler 209 bis zu einer Temperatur von 700°C verwendet werden.

In Fig. 14 sind ein Beispiel einer Brückenschaltung und ein Verwendungszustand des Hitzdrahtfühlers 209 und des Temperaturfühlers 211 gezeigt. Mittels eines Verstärkers 225 wird der Brückenschaltung Strom zugeführt, wobei die Temperatur des Hitzdrahtfühlers 209 um ungefähr 100°C höher als die Temperatur des Temperaturfühlers 211 ist. Die Strömungsgeschwindigkeit wird durch den in diesem Zeitpunkt fließenden elektrischen Strom erfaßt. Wenn beispielsweise die Temperatur eines Gases wie etwa der der Brennkammer zuzuführenden Verbrennungsluft 370°C beträgt, beträgt die Temperatur des Hitzdrahtfühlers 209 ungefähr 470°C. Da in diesem Zeitpunkt ein Teil der Wärme durch die Träger 212, 215 entweicht, ist jeder der Träger 212, 215, 212, 214 durch das Keramikelement 216 (Fig. 12) unterstützt, das wie oben erwähnt nur eine geringe Wärmeleitfähigkeit hat, um auf diese Weise Meßfehler zu vermeiden. Durch diese Konstruktion kann die Wärme, die durch die Träger nach außen entweicht, auf 1% oder weniger reduziert werden, während diese Wärme bei einem Metallträger ungefähr 5% beträgt, so daß die Meßgenauig keit verbessert werden kann.

Wie oben bereits erwähnt worden ist, werden in dem Verfahren und in der Einrichtung zur Steuerung des Luft- /Kraftstoffverhältnisses in Gasturbinen gemäß der vorlie genden Erfindung weitere Meßsignale eingelesen, die den lokalen Verbrennungszuständen in der Brennkammer entspre chen, wobei auf der Grundlage dieser Meßsignale eine erforderliche Korrektur ausgeführt wird und ferner stabile Verbrennungsbedingungen aufrechterhalten werden können. Im folgenden werden hierzu einige Beispiele erläutert.

Fig. 15 zeigt eine weitere Ausführungsform zur Erfassung der Verbrennungsbedingungen. Die Verfahren zur Erfassung der Verbrennungsbedingungen, die im folgenden erläutert werden, können auf jeden beliebigen Typ von Gasturbinen, wie sie in den Fig. 1, 8(a), 9 und 10 gezeigt sind, angewendet werden. Daher sind in Fig. 15 nur diejenigen Teile gezeigt, die für die Erfassung der Verbrennungsbe dingungen notwendig sind, während Luftströmungs-Vertei lungsventile, Luftströmungssensoren, ein Verdichter und dergleichen weggelassen sind.

Die in Fig. 15 gezeigte Brennkammer umfaßt einen Diffusi onsabschnitt 8, einen Vormischabschnitt 7 und einen stromabseitigen Abschnitt 9. Der Kraftstoff wird durch eine Kraftstoffdüse 14 und Düsen 23, 24 einem Verbren nungsabschnitt zugeführt. Im Vormischabschnitt 7 sind Drucksensoren 301, 303 angebracht. Wenn die Verbrennung im Vormischabschnitt 7 instabil wird, ändert sich der Druck. Die Druckänderung wird durch die Drucksensoren 301, 303 erfaßt und zur Steuereinheit 60 geschickt. Die Steuereinheit 60 berechnet auf der Grundlage der Signale der erfaßten Änderung Korrektursignale bezüglich des Öffnungsgrades des Kraftstoffströmungsventils und/oder des Luftströmungsventils. Die Kraftstoffmenge und die Luftmenge werden durch die Korrektursignale korrigiert, wobei das Luft-/Kraftstoffverhältnis gesteuert wird und die Verbrennung stabilisiert wird. Für die Drucksensoren 301, 303 werden beispielsweise ein Sensoren des Typs verwendet, bei dem die Verformungen einer Membran in elektrische Signale umgewandelt werden.

Als weitere Einrichtung zur Erfassung der Verbrennungsbe dingungen können eine Lichtleitfaser 305 und ein lichte lektrischer Wandler 307 verwendet werden. Die Lichtleit faser 305 leitet das im Vormischabschnitt 7 vorhandene Flammenspektrum zum lichtelektrischen Wandler 307, wobei die Verbrennungsbedingungen aus diesem Spektrum erfaßt werden. Beispielsweise bedeutet eine Zunahme der Intensi tät des Spektrums eine Zunahme der Verbrennungstempera tur. Ferner bedeutet eine Abnahme der Intensität des Spektrums, daß leicht Fehlzündungen auftreten können. Daher können unter Verwendung der Signale, die auf der Grundlage der Intensität des Spektrums erfaßt werden, Korrektursignale für die Korrektur der Kraftstoffmenge und der Luftmenge berechnet werden, um Fehlzündungen zu erfassen bzw. zu vermeiden.

Ferner können solche Korrektursignale dadurch erhalten werden, wenn die Konzentration der Stickoxide im Vor mischabschnitt 7 unter Verwendung eines Stickoxidkonzen trations-Sensors 309, eines Strömungssteuerventils 311 und eines Prüfrohrs 313 gemessen wird und die Luftmenge in der Weise gesteuert wird, daß das Luft /Kraftstoffverhältnis im Vormischabschnitt 7 erhöht wird und die Verbrennungstemperatur abgesenkt wird, wenn die erfaßte Stickoxidkonzentration höher als ein gesetzter Wert ist. Als Stickoxidkonzentrations-Sensor 309 kann ein bekannter Chemolumineszenz-Detektor effektiv verwendet werden.

Es können entweder ein bestimmter Typ von Sensoren oder eine Kombination verschiedener Sensortypen verwendet werden. Beispielsweise kann eine ungleichmäßige Vertei lung der Luft-/Kraftstoffverhältnisse in räumlich be grenzten Bereichen sicher und schneller erhalten werden, wenn unabhängig auf der Grundlage der Signale vom Druck sensor 301 ein Korrektursignal für die Korrektur einer Kraftstoffmenge von der Kraftstoffdüse 23 und auf der Grundlage der Signale vom Drucksensor 303 ein Korrektur signal für die Korrektur einer Kraftstoffmenge von der Kraftstoffdüse 24 erhalten werden, ferner kann ein Anstieg der Stickoxid-Emissionen aufgrund der ungleichmä ßigen Verteilung der Luft-/Kraftstoffverhältnisse siche rer unterdrückt werden (dieser Fall kann insbesondere für die Gasturbine des in Fig. 8(a) gezeigten Typs zutref fen).

Wie oben erwähnt, wird in einer Gasturbine, die in einer Luftströmungsleitung von einem Verdichter zur Gasturbine ein Luftströmungs-Steuerventil für die Steuerung einer Strömungsrate der Verbrennungsluft besitzt, eine dem Verbrennungsabschnitt zugeführte Luftmenge auf der Grundlage der Signale eines Luftgeschwindigkeits- oder Luftströmungssensors (beispielsweise eines Hitzdrahtsen sors) gemessen, der in der Umgebung des Luftströmungs- Steuerventils angeordnet ist. Daher kann die Verbren nungsluftmenge für eine Brennkammer direkt und hochgenau erfaßt werden, ferner kann das Luft-/Kraftstoffverhältnis im Verbrennungsabschnitt durch Steuern des Öffnungsgrades des Kraftstoffströmungs-Steuerventils und/oder des Luftströmungs-Steuerventils auf der Grundlage der Meßwer te gesteuert werden, so daß das Luft-/Kraftstoffver hältnis auf einen großen Wert in der Umgebung eines Grenzwertes gesetzt werden kann und die Stickoxid- Emissionen reduziert werden können, ohne Fehlzündungen und/oder ein Nachbrennen hervorzurufen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, die unterschiedlichen Luftmengen und Luft- /Kraftstoffverhältnisse in räumlich begrenzten Bereichen in jeder Brennkammer durch genaues Messen der Verbren nungsluftmenge mittels der Luftströmungssensoren, die in mehreren Bereichen in der Brennkammer angeordnet sind, zu reduzieren. Auch durch diese Konstruktion kann das Luft- /Kraftstoffverhältnis auf einen großen Wert gesetzt werden, wodurch die Stickoxid-Emissionen auf einen niedrigen Pegel reduziert werden können.

Da die Luftströmungsgeschwindigkeit oder die Luftströ mungsrate in jeder Brennkammer in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung genau gemessen werden können, ist es möglich, die Luft-/Kraftstoffver hältnisse in den jeweiligen Brennkammern auf gleiche Werte zu steuern, so daß die Stickoxid-Emissionen abgesenkt werden können.

Da das Problem des Ungleichgewichts der Luft-/Kraftstoff verhältnisse zwischen verschiedenen räumlich begrenzten Bereichen einfach gelöst werden kann, werden die Stickoxid-Emissionen durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Einrichtung im Vergleich zum Stand der Technik um ungefähr 30% reduziert, da in entsprechenden Gasturbinen des Standes der Technik das Luft-/Kraftstoffverhältnis in einigen räumlich begrenzten Bereichen niedriger ist und somit die Stickoxid- Emissionen ansteigen.

Ferner ist es durch Anwenden der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung und des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens auf eine Gasturbine mit mehrstufiger Verbrennung möglich, das Luft-/Kraftstoffverhältnis in einem Diffusi onsabschnitt und in einem Vormischabschnitt entsprechend der Last auf einen optimalen Wert zu steuern. Es wird vermieden, daß das Luft-/Kraftstoffverhältnis zu groß wird, wodurch Fehlzündungen und ein Nachbrennen auftreten könnten, außerdem kann eine stabile verfügbare Leistung erzeugt werden.

Selbst in dem Fall, in dem sich die Außentemperatur und die Menge der erzeugten Wärme während des Betriebs ändern, können eine geeignete Luftmenge und ein geeigne tes Luft-/Kraftstoffverhältnis einfach und sofort ent sprechend der jeweiligen Änderung festgesetzt werden, so daß in einer in der Praxis verwendeten Maschine eine stabile Verbrennung erzielt werden konnte, um ausreichend Leistung auszugeben, selbst wenn ein Kaltbetrieb ab 40°C und ein Anwärmbetrieb ausgeführt wurden.

Da ferner die Kraftstoffmenge durch direkte Erfassung der Luftmenge am Einlaß der Verbrennungskammer und durch Verwendung des erfaßten Signals gesteuert wird, wird die Ansprechzeit in der in der Praxis verwendeten Maschine von einer Sekunde auf 100 ms oder weniger reduziert, so daß die Stickoxid-Emissionen, die durch eine Änderung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses während der Einschwingzeit verursacht wurden, auf 50% reduziert werden konnten.

Da ferner zwischen den jeweiligen Brennkammern im wesent lichen keine unterschiedlichen Luft-/Kraftstoffverhält nisse vorhanden sind, wurde eine mittlere Stickoxid- Emissionsmenge in der in der Praxis verwendeten Maschine um ungefähr 20% reduziert.

Da ferner die Kraftstoffmenge durch eine Erfassung der Änderung der Luftmenge direkt vor dem Eintritt in die Brennkammer korrigiert wird, wurde ein Auftreten von Verbrennungsschwingungen verhindert.

Da ferner die Kraftstoffmenge direkt entsprechend einer Änderung der Luftmenge korrigiert wird, wird eine Ände rung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses im Zeitpunkt einer Luftverteilungsänderung auf 0,3 oder weniger des Ände rungsbereichs des Luft-/Kraftstoffverhältnisses in der in der Praxis verwendeten Maschine gedrückt, ferner wurde die Stickoxid-Emissionsmenge in einer Einschwingzeit um 30% reduziert.

Da ferner die Kombination der Verbrennungstemperatur steuerung und der Steuerung des Luft-/Kraftstoffverhält nisses hochgenau ist, kann eine thermische Ermüdung der Turbine in großem Ausmaß verhindert werden.

Claims

1. Vorrichtung zum Steuern einer Gasturbine (3), die von einem Verdichter (1; 130) zugeführte Verbrennungsluft erhält und ein Steuerventil (10; 110-115; 132, 133) aufweist, das in einem Lufteinlaßkanal (5) zum Steuern der Luftmenge angeordnet ist,
mit einem Luftströmungssensor (31, 35; 101-106; 135, 136) zur Erfassung der zu einem Vormischabschnitt (7) der Gasturbine (3) und zum Diffusionsabschnitt (8) zugeführten Luftmenge und
einer Steuereinheit (60) zum Einstellen des Steuerventils (10; 110-115; 132, 133) basierend auf dem Signal des Luftströ mungssensors (31, 35; 101-106; 135, 136),
dadurch gekennzeichnet, daß
der Luftströmungssensor (31, 35; 101-106; 135, 136) stromauf zum Steuerventil (10; 110-115; 132, 133) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftströmungssensor (31, 35; 101-106; 135, 136) einen Platin draht (221) aufweist, der an einem Keramikkörper (220) ange ordnet ist, der Platindraht (221) auf eine Temperatur oberhalb der jeweiligen Lufttemperatur erhitzt wird, der Keramikkörper (220) über Leitungsdrähte (222, 223) befestigt ist, die weicher sind als der Keramikkörper (220), und daß der Platindraht (221) mit einem Film aus wärmebeständigem Glas (224) überzogen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Steuerventile (110-115) und Sensoren (101-106) jeweils in mehreren räumlich begrenzten Bereichen (121, 122, 123) in einer Brennkammer (2) angeordnet sind, um dadurch das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in jedem der räumlich begrenzten Bereiche (121, 122, 123) zu steuern.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Brennkammern (150) um den Verdichter (130) ange ordnet sind und in einer Luftströmungsleitung vom Verdichter (130) zu einem Verbrennungsabschnitt (151, 152) einer jeden Brennkammer (150) das jeweilige Steuerventil (132, 133) vorge sehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerventile (132, 133) und die Luftströmungssensoren (135, 136) in jedem der mehreren räumlich begrenzten Bereiche (151, 152) in jeder der Brennkammern (150) angeordnet sind, um dadurch das Luft-/Kraftstoffverhältnis in jedem der räumlich begrenzten Bereiche (151, 152) in jeder der Brennkammern (150) zu steuern.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (60) die Kraftstoffmenge und/oder die Luft menge in einer geschlossenen Regelschleife steuert, um dadurch das Luft-/Kraftstoffverhältnis zu steuern.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
einen Verbrennungszustandssensor (209; 211; 301, 303; 305, 307) zur Erfassung der Verbrennungszustände der Brennkam mer (2) und
eine Korrekturmengen-Berechnungseinrichtung (60) zur Korrek tur des Luft-/Kraftstoffverhältnisses in jedem räumlich be grenzten Bereich im Verbrennungsabschnitt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungszustandssensor (209; 211; 301, 303; 305, 307) ein Druckerfassungssensor (301, 303), ein Temperaturerfassungs sensor (211), ein Kraftstoffkonzentrationsdetektor oder ein Flammenspektrumdetektor (305, 307) ist.