DE69913032T2

DE69913032T2 - Vorrichtung zum Treiben eines Brenners mit Gas

Info

Publication number: DE69913032T2
Application number: DE69913032T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey Mark Cohen; Gonzalo J. Rey; Nancy Mary Rey; Clas A. Jacobson
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1998-05-29
Filing date: 1999-05-28
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2019-05-29
Also published as: EP0962704B1; CN1244645A; US6560967B1; CN1143082C; CA2273311A1; RU2227837C2; JP2000002423A; EP0962704A2; KR100607012B1; EP0962704A3; KR19990088588A; DE69913032D1

Description

Die Erfindung betrifft Brennkammern und insbesondere Vorrichtungen zur Verwendung mit Brennkammern, welche vorvermischte Gas-Brennstoff/Luft-Mischungen einsetzen.
Gasturbinenmaschinen sind wohl bekannt. Eine typische Gasturbinenmaschine hat einen ringförmigen, sich axial erstreckenden Strömungspfad zum Führen von Arbeitsfluid sequenziell durch einen Kompressorbereich, einen Verbrennungsbereich und einen Turbinenbereich. Der Verbrennungsbereich mischt das Arbeitsfluid, typischerweise Luft, mit Brennstoff und zündet das Brennstoff/Luft-Gemisch.
Gasturbinenmaschinen verbrennen typischerweise fossile Brennstoffe. Ein unerwünschtes Ergebnis dieser Verbrennung ist die Bildung von Stickstoffoxiden, welche häufig als NOx bezeichnet werden. Stickstoffoxide sind Schadstoffe, welche Gesundheits- und Umweltprobleme bewirken können. Regierungsstandards stellen Grenzwerte für die Mengen an NOx auf, die in die Luft ausgestoßen werden können.
Die NOx-Erzeugungsrate innerhalb der Gasturbinenmaschine hängt direkt von der Temperatur innerhalb der Verbrennungskammer ab. Die Kammertemperatur hängt wiederum von dem Verhältnis von Brennstoff ro Luft in dem Gemisch ab. Die größte Kammertemperatur und daher die größte NOx-Erzeugungsrate ergibt sich, wenn das verbrennbare Brennstoff/Luft-Gemisch ein stöchiometrisches Brennstoff-zu-Luft-Verhältnis hat, üblicherweise als "stöchiometrisches" Gemisch bezeichnet. Ein Gemisch mit einem Brennstoffzu-Luft-Verhältnis, das geringer als stöchiometrisch ist, üblicherweise als "mageres" Gemisch bezeichnet, führt zu einer geringeren Temperatur und einer geringeren Rate als diejenige eines stöchiometrischen Gemisches. Ein Steigern der Magerheit eines mageren Gemisches führt zu einer noch geringeren Temperatur und einer noch geringeren NOx-Erzeugungsrate.
Wenn ein mageres Gemisch verwendet wird, um eine geringe NOx-Erzeugungsrate zu erreichen, ist es wünschenswert, den gasförmigen Brennstoff und einen großen Anteil der Luft zu mischen, bevor sie die Brennkammer erreichen. Dieser Ansatz, der üblicherweise als "Vorvermischen" bezeichnet wird, setzt einen Vorvermischer ein, um die Gleichmäßigkeit des der Brennkammer zugeführten Gemisches zu steigern. Der Brennstoff verbringt genügend Zeit innerhalb des Vorvermischers, um zu gewährleisten, dass er sich adäquat mit der Luft mischt. Diese Zeit, typischerweise als Verweildauer bezeichnet, kann etwa 1 oder 2 ms sein, ist aber häufiger etwa 4 ms. Ohne ein Vorvermischen ergibt sich in einigen Bereichen innerhalb der Brennkammer ein extrem mageres Gemisch, während sich in anderen ein weniger mageres, d. h. reicheres, der Stöchiometrie näheres Gemisch ergibt. Eine größere Gleichmäßigkeit in dem Brennstoff-zu-Luft-Verhältnis des Gemisches führt zu einer geringeren Spitzentemperatur innerhalb der Brennkammer und somit zu weniger NOx.
Selbst wenn ein Vorvermischen eingesetzt wird, können andere Gesichtspunkte die Magerheit des Gemisches effektiv begrenzen. Gemische, die zu mager sind, erlauben keine anhaltende Verbrennung und führen letztendlich zu einer "Flammabriss"-Bedingung, welche üblicherweise als "mageres Ausblasen" bezeichnet wird. Ferner ermöglichen magere Gemische mit einem geringfügig höheren Brennstoff-zu-Luft-Verhältnis eine anhaltende Verbrennung, können aber zu Oszillationen sowohl in der Größe des Drucks als auch der Wärmefreisetzungsrate innerhalb der Brennkammer führer. In manchen Situationen ist die Zeitbeziehung zwischen diesen zwei Oszillationen derart, dass die Oszillationen in der Größe des Brennkammerdrucks ein Steigern in der Amplitude der Oszillation in der Wärmefreisetzungsrate bewirkt und umgekehrt. Dieser Zustand, üblicherweise als Verbrennungsinstabilität bezeichnet, bewirkt große Oszillationen in der Größe des Drucks innerhalb der Brennkammer. Die Wiederholungsrate oder Frequenz dieser Oszillationen hängt von der Anwendung ab. Für industrielle Gasturbinenmaschinen ist die Frequenz typischerweise innerhalb eines Bereichs von etwa 100 Hz bis etwa 700 Hz, am häufigsten um 200 Hz. Demnach ist die Periode oder Dauer einer Oszillation am häufigsten etwa 5 ms. Das Auftreten einer Verbrennungsinstabilität kann zu Problemen ein schließlich eines Maschinenschadens führen. Die Möglichkeit, dass eine Verbrennungsinstabilität auftritt, könnte die Verwendung eines Brennstoff-zu-Luft-Verhältnisses, das nur geringfügig oberhalb des mageren Ausblas-Grenzwerts liegt, ausschließen.
Eine Technik zur passiven Kontrolle einer Verbrennungsinstabilität setzt eine Injektion eines zweiten oder Pilot-Brennstoffgemisches in eine Seitenwand der Brennkammer ein. US-Patent Nr. 5 263 325 an McVey et al. offenbart ein Beispiel dieser Technik. Der Einsatz einer Pilot-Brennstoffinjektion kann jedoch eine Verbrennungsinstabilität nicht ausreichend reduzieren, ohne auch einen wesentlichen Anstieg bei der NOx-Erzeugungsrate zu bewirken.
Einige Referenzen offenbaren eine aktive Kontrolle einer Verbrennungsinstabilität. Zum Beispiel offenbart die britische Patentanmeldung GB 2 239 691 A eine aktive Kontrolle, welche einen Druckmessfühler einsetzt, um Druckfluktuationen in der Brennkammer zu messen, und ein Servoventil, um die Menge an zu der Brennkammer zugeführten Brennstoff zu modulieren. US-Patent Nr. 5 145 355 an Poinsot et al. offenbart eine Vorrichtung, die eine Verbrennungsinstabilität detektiert und die Strömung von in die Kammer injiziertem Brennstoff als eine Funktion der Instabilität moduliert. US-Patent Nr. 5 575 144 an Brough offenbart ein System, welches Druckpulse in der Brennkammer erfühlt, einen Aufhebungspuls zum Ausgleichen eines vorherrschenden Druckpulses berechnet und periodisch gemessene Luftvolumina aus der frennkammer extrahiert, um einen Aufhebungspuls zu erzeugen. Keine dieser Referenzen offenbart jedoch ein System zur Verwendung mit einer Brennkammer, die ein vorvermischtes, gasförmiges Brennstoff/Luft-Gemisch verbrennt.
US-Patent Nr. 5 445 517 an Kondou et al. offenbart ein adaptives rauschdämpfendes System für eine Brennkammer. Das System berechnet ein Antiphasensignal eines Brennkammerrauschens und gibt das Signal an ein Gasströmungs-Kontrollventil ein, erzeugt dadurch eine Druckvariation in dem Gas-Brennstoff und realisiert eine Druckvariation in der Verbrennungskammer, um durch Phaseninterferenz, das Verbrennungsrauschen zu unterdrücken. Dieses System setzt eine Mischkammer zwischen dem Gasfluss-Kontrollventil und der Brennkammer ein. Der gesamte Brennstoff fließt jedoch durch das Gasfluss-Kontrollventil.
US-Patent Nr. 5 349 811 an Stickler et al. offenbart ein System zum Reduzieren der Bildung von NOx-Schadstoffen. Das System "moduliert" die Brennstoffzuführrate an die Brennkammer, um eine Brennkammer-Luft-Einlass-Strömungsoszillation und eine Massen-Strömungsoszillation innerhalb der Brennkammer zu erzeugen, welche eine Brennstoff/Luft-Homogenität über die Brennkammer hin verbessert und die Bedingungen, welche günstig für die Bildung von NOx sind, reduziert. Stickler offenbart jedoch nicht den Einsatz eines solchen Systems mit einer Brennkammer, die ein vorvermischtes Gas-Brennstoff/Luft-Gemisch verbrennt, sondern als eine Alternative zum Vorvermischen.
DE-A-19 636 093, welche die Basis des Oberbegriffs von Anspruch 1 bildet, offenbart ein Verfahren zum akustischen Modulieren einer in einem Hybridbrenner erzeugten Flamme.
Die vorliegende Erfindung sieht eine Vorrichtung zur Verwendung in einem System mit einer Gas-Brennstoffversorgung und einer Brennstoffkammer vor, die ein Gemisch aus Gas-Brennstoff und Luft verbrennt, wie in Anspruch 1 beansprucht.
Die Vorrichtung kann eine Mehrzahl von Vorvermischern aufweisen, wobei weniger als alle der Mehrzahl von Vorvermischern die modulierte Gas-Brennstoff-Strömung erhalten, wobei die anderen der Mehrzahl von Vorvermischern eine Gas-Brennstoffströmung bei einer Strömungsrate quasistationären Zustands erhalten, wobei die Mehrzahl von Vorvermischern die Gas-Brennstoff-Strömungen mit Luft vermischt, um Gas-Brennstoff- und Luft-Mischungen zu bilden, und die Mischungen der Brennkammer bereitstellt.
Wie hierin verwendet, umfasst der Begriff Modulation keinen quasi-stationären Betrieb, wie er allgemein bei Gasturbinenmaschinen eingesetzt wird, um die Rate der Brennstoffströmung zu dem Brenner in Reaktion auf eine Änderung bei der Maschinenbetriebsbedingung zu ändern. Solche Strömungsratenänderungen treten typischerweise sehr langsam auf, häufig über eine Dauer von vielen Sekunden oder sogar Minuten. Dies steht im Gegensatz zu der modulierten Strömungsrate der vorliegenden Erfindung, welche sich bei einer schnelleren, periodischen Rate ändert, typischerweise, aber nicht begrenzt, auf Hunderte von Hertz.
Während Systeme, welche eine Modulation der Brennstoffströmungsrate zu einer Brennkammer bisher in Bezug auf ein Mischen vor der Verbrennung bekannt sind, führen solche Systeme den gesamten Brennstoff einer Mischkammer durch ein Strömungskontrollventil zu. Obwohl dies helfen kann, eine ausreichende Kontrollgewalt und räumliche Gleichmäßigkeit der Strömungsrate in die Mischkammer zu gewährleisten, hat es den Nachteil, dass ein übermäßig großes Ventil benötigt wird. Ein solches Ventil könnte nicht in der Lage sein, für die gewünschte Modulationsgröße und -frequenz zu sorgen. Es wurde jedoch herausgefunden, dass nicht die gesamte Brennstoffströmung zu einem Vorvermischer moduliert zu werden braucht, d. h. nur ein Teil der Brennstoffströmung braucht eine modulierte Strömungsrate. In einer Ausführungsform z. B. umfasst die modulierte Brennstoffströmungsrate nur eine Minderheit der gesamten Brennstoffströmung zu dem Vorvermischer. Andere Ausführungsformen zunehmend geringerer Anteile der gesamten Brennstoffströmung können eingesetzt werden, z. B. 1/3, 1/5, 1/10, 1/20, 1/50. Zunehmend geringere Anteile können beispielsweise die Möglichkeit bieten, kleinere, schneller ansprechende, leichtere und weniger Leistung verbrauchende Aktuatorventile einzusetzen.
Es werden nun einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung nur im Wege von Beispielen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 eine teilweise ausgeschnittene Seitenansicht eines Gasturbinenkraftwerks zusammen mit einer schematischen Ansicht einer beispielhaften Anordnung eines Kontrollsystems für den Einsatz in einer Verrichtung der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine teilweise im Querschnitt gezeigte, entlang der Richtung der Linien 2-2 aus 3 aufgenommene Seitenansicht einer vorvermischenden Brennstoffdüse zusammen mit einer schematischen Wiedergabe eines Gas-Brennstoffaktuators, einer Kontrolleinrichtung und eines Sensors, welche in der Anordnung des Kontrollsystems aus 1 verwendet werden, ist;
3 eine in der Richtung der Linien 3-3 aus 2 aufgenommene Querschnittsansicht der vorvermischenden Brennstoffdüse aus 2 ist;
4 eine Seitenansicht eines Aktuatorventils ist, das in dem Kontrollsystem aus 1 verwendet werden kann;
5 ein Graph ist, welcher die Größe der Oszillationen im Druck eines Verbrennungsbereichs eines Gasturbinenkraftwerks aus 1 veranschaulicht;
6 ein weiterer Graph ist, welcher die Größe de r Oszillationen im Verbrennungsdruck während einer Periode einer typischen Verbrennungsinstabilität veranschaulicht;
7 eine teilweise ausgeschnittene Seitenansicht einer Gasturbinenmaschine in 1 ist zusammen mit einem druckbetätigten Brennstoffventil, welches in dem Kontrollsystem aus 1 in Übereinstimmung mit der Erfindung verwendet werden kann;
8 eine teilweise im Querschnitt, in der Richtung der Linien 2-2 aus 3 aufgenommene Seitenansicht der vorvermischenden Brennstoffdüse aus 2 ist, zusammen mit einer Seitenansicht, welche das druckbetätigte Brennstoffventil aus 7 wiedergibt;
9 eine Seitenansicht im Querschnitt eines mechanischen, Brennstoffdruckbetätigten Tellerventils ist;
10 eine teilweise im Querschnitt, in der Richtung der Linien 2-2 aus 3 aufgenommene Seitenansicht einer vorvermischenden Brennstoffdüse aus 2, zusammen mit einer Seitenansichtswiedergabe eines druckbetätigten Brennstoffventils in Kommunikation mit einer Brennstoffinjektionslanze, welche innerhalb des Vorvermischers angebracht ist;
11 eine Seitenansicht im Querschnitt des druckbetätigten Brennstoffventils aus 10 ist;
12 ein Flussdiagramm eines Kontrollalgorithmus ist, der durch die Kontrolleinrichtung aus 2 ausgeführt wird; und
13 ein Graph ist, welcher die Größe der Oszillation im Brennkammerdruck sowohl mit als auch ohne den Einsatz des Kontrollsystems aus 1 veranschaulicht.
Die vorliegende Erfindung ist hierin hinsichtlich einer bevorzugten Ausführungsform für den Einsatz in einem Gasturbinenkraftwerk des in 1 illustrierten Typs offenbart. Das Gasturbinenkraftwerk 20 umfasst eine Gasturbinenmaschine 22, eine Leistungsturbine und einer Generator 26, ein Brennstoffsystem 30 und eine Maschinenkontrolleinrichtung 34. Die Gasturbinenmaschine empfängt Brennstoff von dem Brennstoffsystem 30 unter Leitung der Maschinenkontrolleinrichtung 34 und verbrennt den Brennstoff, um dadurch die Leistungsturbine und den Generator 26 anzutreiben.
Die Gasturbinenmaschine 22 weist einen Kompressor 36, einen Brenner 38 (zur Klarheit teilweise weggebrochen gezeigt), und eine Turbine 40 auf. Der Brenner 38 weist eine Mehrzahl von z. B. 16 Vorvermischern, welche durch einen Vorvermischer 44 repräsentiert sind, und eine Brennkammer 48 auf. Die Vorvermischer 44 können umfangsmäßig um ein stromaufwärtiges Ende des Brenners 38 beabstandet sein. Die Brennkammer 48 ist vorzugsweise ringförmig und stromabwärtig der Vorvermischer 44 angeordnet, Die Vorvermischer empfangen und mischen komprimierte Luft 50 von dem Kompressor 36 mit Brennstoff, welcher im Wege einer Mehrzahl von Brennstoffleitungen 52 aus dem Brennstoffsystem 30 bereitgestellt ist. Die Vorrermischer 44 führen idealerweise eine Mischung, die räumlich im wesentlichen gleichmäßig ist, einer Brennkammer 48 zu, welche sie dann verbrennt. Eine Versorgung der Brennkammer 48 mit einer gleichmäßigen Mischung hi ft, die NOx-Erzeugungsrate innerhalb der Brennkammer zu minimieren.
Das Brennstoffsystem 30 kann eine Versorgung 100 gasförmigen Brennstoffs und ein Verteilungsnetzwerk 102 aufweisen, welche Brennstoff zu einer Mehrzahl von Brennstoffleitungen, wiedergegeben durch eine erste Brennstoffleitung 104 und eine zweite Brennstoffleitung 106, zuführen. Jede der Brennstoffleitungen 104, 106 kann einen Regulator 108, 110 und ein Messgerät 112, 114 aufweisen. Die Regulatoren 108, 110 können Ventile, beispielsweise Servoventile, sein, welche elektrisch zu der Maschinenkontrolleinrichtung 34 über Signalleitungen 116 verbunden sind. Die Messgeräte 112, 114 können Flussmessgeräte, z. B. Turbinen-Flussmessgeräte, sein, welche elektrisch zu der Maschinenkontrolleinrichtung 34 durch Signalleitungen 117 verbunden sind. Die erste und die zweite Brennstoffleitung 104, 106 verbindet zu der Mehrzahl von Brennstoffleitungen 52, die Brennstoff zu den Vorvermischern 44 zuführen.
Die Maschinenkontrolleinrichtung 34 stellt elektrische Signale bereit, welche die Regulatoren 108, 110 steuern und dadurch die Brennstoffströmungsraten durch die Regulatoren 108, 110 einstellen. Diese Raten wiederum stellen die gemittelten Brennstoffströmungsraten durch die Brennstoffleitungen 104, 106 und das gemittelte Brennstoff-zu-Luft-Verhältnis der zu der Brennkammer 48 zugeführten Mischung ein. Die Messgeräte 112, 114 versorgen die Maschinenkontrolleinrichtung mit elektrischen Signalen, welche die tatsächlichen Brennstoffströmungsraten durch die Regulatoren 108, 110 angeben. Die Strömungsraten durch die Regulatoren 108, 11C sind typischerweise quasi stationär, was bedeutet, dass jede Änderung in den Raten typischerweise sehr langsam auftritt, häufig über eine Dauer von vielen Sekunden oder sogar Minuten.
Die zweite Brennstoffleitung 106 weist ferner einen Brennstoffaktuator 130 auf, der die Brennstoffströmungsrate durch die zweite Brennstoffleitung 106 moduliert. Der Brennstoffaktuator kann ein Ventil, beispielsweise ein "AN/AUS"-Ventil und einen Ventiltreiber 132, der elektrisch zu der Maschinenkontrollein richtung 34 über die Signalleitungen 136 verbunden ist, aufweisen. Obwohl nicht begrenzt auf solche, kann ein "AN/AUS"-Ventil ein Magnetventil mit einer Stift/Öffnung-Anordnung (pintle/orifice) aufweisen. In der Praxis kann ein "AN/AUS"-Ventil alternativ ein Ventil vom Proportionaltyp aufweisen, welches derart modifiziert ist, um in einer AN/AUS-Weise zu arbeiten, d. h. um das Ventil so schnell wie möglich vollständig öffnen oder schließen zu lassen. Nun bezugnehmend auf 4 kann in einer solchen Alternative der Aktuator ein Kolben-und-Buchsen-Ventil (spool and bushing valve) 300 einer Serie D633, einen Linearmotor 302 und Ventiltreiberelektroniken 132, welche alle kommerziell von MOOG erhältlich sind, und einen Verteiler aufweisen. Die Ventiltreiberelektroniken sind dazu angepasst, das Ventil als ein AN/AUS-Ventil zu betreiben.
Das Brennstoff-zu-Luft-Verhältnis der Mischung ist vorzugsweise mager, stärker bevorzugt gerade knapp oberhalb des mageren Ausblas-Grenzwerts. Dieses Verhältnis ermöglicht eine anhaltende Verbrennung und hilft, die Rate und Menge von in der Brennkammer erzeugtem NOx zu minimieren. Wie jedoch hierin zuvor in dem Abschnitt zum Stand der Technik beschrieben, kann dieses Verhältnis zu einer Verbrennungsinstabilität führen, wobei Oszillationen in der Größe des Brennkammerdrucks die Wirkung des Steigerns der Amplitude der Oszillation in der Wärmefreisetzungsrate hat und umgekehrt. Eine Verbrennungsinstabilität bewirkt große Oszillationen in der Größe des Drucks innerhalb der Brennkammer.
Bezugnehmend auf 5 hat ein Graph 118 eine Kurve 119, welche veranschaulicht, dass die Spitze-zu-Spitze-Größe einer solchen Oszillation in der Größenordnung von 20 Pfund pro Quadratinch ("psi") (1,4 kPa) sein kann. Bezugnehmend auf 6 hat ein Graph 120 eine Kurve 121, welche veranschaulicht, dass die Größe der Oszillationen als eine Mehrzahl von Frequenzkomponenten wiedergegeben sein kann, welche jede eine andere Größe verglichen mit derjenigen der anderen hat. Die Frequenzkomponenten mit den größten Größen sind üblicherweise innerhalb eines relativ schmalen Frequenzbereiches, welcher hierin als der fundamentale Frequenzbereich der Oszillation bezeichnet wird.
Wieder Bezugnehmend auf 1 weist die Gasturbinenmaschine 22 ferner einen Sensor 122 auf, der ein das Vorliegen einer Verbrennungsinstabilität angebendes Signal bereitstellt. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor 122 ein Drucksensor, der den Druck in der Brennkammer wahrnimmt, obwohl jeder andere geeignete Typ von Sensor eingesetzt werden kann, einschließlich, aber nicht begrenzt auf einen thermischen Sensor, einen Lichtsensor oder einen Vibrationssensor. Ein thermischer Sensor oder ein Lichtsensor erzeugt ein Signal, welches die Wärmefreisetzungsrate oder Variationen darin innerhalb der Brennkammer angibt, wohingegen ein Vibrationssensor Signale erzeugt, welche den Druck oder die Wärmefreisetzungsrate oder Variationen darin innerhalb der Brennkammer angeben. Der Drucksensor kann eine Sonde 123, welche in der Brennkammer 43 angeordnet ist, und einen entfernt liegenden Signalgeber 124, der elektrisch zu der Maschinenkontrolleinrichtung 34 durch eine Signalleitung 126 verbunden ist, aufweisen. Der Drucksensor stellt ein Signal bereit, welches eine in einem Graph 128 vereinfacht über eine Zeitdauer gezeigte Größe 149 hat, welche die Oszillationen in der Größe des Drucks in der Brennkammer angibt.
Die Maschinenkontrolleinrichtung 34 weist vorzugsweise einen Prozessor 150, einen Speicher 152, einen Eingabe/Ausgabebereich (I/O) 154 und einen Bus 156 mit Verbindungen 158 zu jedem der Elemente der Kontrolleinrichtung 34 auf.
Die Maschinenkontrolleinrichtung stellt ein Befehlssignal an Leitung 136 in Reaktion auf das Signal an Leitung 126 von dem Sensor 122 bereit. Das Befehlssignal steuert den Aktuator 130 und führt zu einer modulierten Brennstoffströmungsrate durch die Brennstoffleitung 103 zu den Vorvermischern 44. Die Vorvermischer wiederum führen eine Mischung mit einer temporär modulierten Stöchiometrie zu der Brennkammer 48 zu. Die Modulation der Brennstoffströmungsrate ändert effektiv die Zeitbeziehung, d. h. die Phasenbeziehung, zwischen den Oszillationen in der Stärke des Brennkammerdrucks und den Oszillationen in der Wärmefreisetzungsrate. Diese Änderung bewirkt eine Verminderung der Kupplung zwischen den Oszillationen und dementsprechend eine Verminderung in der Stärke der Oszillationen in dem Brennkammerdruck.
In einer Ausführungsform hat das Befehlssignal eine in einem Graph 138 über eine Zeitdauer vereinfacht gezeigte Größe, die Befehle an das Ventil wiedergibt, um periodisch "zu öffnen" 140 und "zu schließen" 142. Dies lässt das Ventil die Brennstoffströmung periodisch "AN" modulieren, was einer maximalen Strömungsrate durch das Ventil entspricht, und "AUS", was einer minimalen Strömungsrate durch das Ventil entspricht. Die Länge der Periode 144 eines "AN/AUS"-Zyklus ist vorzugsweise im wesentlichen gleich der Länge der Periode 146 der Oszillation in der Größe des Kammerdrucks. Die Kontrolleinrichtung verzögert oder phasenverschiebt vorzugsweise den Startzeitpunkt 147 eines "AN/AUS"-Zyklus relativ zu dem Startzeitpunkt 148 der Oszillationen in der Größe des Brennkammerdrucks. Die Größe der Zeitverzögerung oder Phasenverschiebung kann derart gewählt sein, dass sie zu einer maximalen Absenkung der Größe 149 der Brennkammerdruckoszillationen führt. Die Modulation hat vorzugsweise einen Arbeitszyklus von etwa 50%, d. h. "AN" für etwa 50% der Periode 146 und "AUS" für etwa 50% der Periode. Dieser Arbeitszyklus sorgt für eine Symmetrie, welche ähnlich derjenigen der typischen Oszillationen in der Größe des Brennkammerdrucks ist. Er führt auch zu einer durchschnittlichen Brennstoffströmungsrate durch den Aktuator 130, der etwa die Hälfte der "AN"-Brennstoffströmungsrate durch den Aktuator ist.
Bezugnehmend nun auf 2 und 3 kann jeder der Vorvermischer 44 eine Tangential-Lufteinlass-Vorvermischbrennstoffdüse 56 aufweisen. Solche Düsen sind wohl bekannt. Eine bevorzugte Vorvermischbrennstoffdüse 56 kann eine oder mehrere Luftpassagen 58, 60, eine Mischkammer 62 und eine Mehrzahl von Brennstoffröhren 66 aufweisen. Die Luftpassagen und die Mischkammer kann durch zwei Teilzylinder 68, 70 mit Längsachsen 72, 74 ( 3), welche zueinander versetzt sind, ausgebildet sein. Die Luftpassagen 58, 60 haben je einen Einlass 76, 78 (3), welcher komprimierte Luft 50 von dem Kompressor 36 (1) empfängt, und eine Öffnung 80, 82 (3), welche mit der Mischkammer 62 kommuniziert. Jede Brennstoffröhre 66 hat einen Einlass 84, welcher zu einer der Mehrzahl von Brennstoffleitungen 52 verbunden ist, und eine Mehrzahl von Brennstoffinjektionsöffnungen 86, z. B. 15, die mit der Mischkammer 62 kommunizieren. Die Haupt-Brennstoff-Injektionsöffnungen sind vorzugsweise derart ausgelegt, dass sie für eine gute Brennstoff/Luft-Vermischung sorgen. Die Brennstoffinjektionsöffnungen 86 haben sich unterscheidende Querschnittsflächen, z. B. sieben der fünfzehn haben eine Querschnittsfläche von etwa 1,5 Mal der Querschnittsfläche der acht anderen, um ein Vermischen zu verbessern und ein Ausstoßen einer Flamme zu vereinfachen. Jede Brennstoffröhre 66 kann gleiche Anteile der gesamten Brennstoffströmung zu der Vorvermischdüse 56 empfangen, obwohl diese Aufteilung keine absolute Notwendigkeit ist.
Die Vorvermischdüse 56 weist ferner einen Zentralkörper 90 auf, welcher mit einer Längsachse 92 radial zentriert innerhalb der Mischkammer angeordnet ist, und einen Auslass 94 (2). Der Zentralkörper 90 ist vorzugsweise konisch mit einem geschlossenen, stromabwärtigen Ende 98. Luft und Brennstoff mischen sich innerhalb der Mischkammer 62, und die Mischung tritt aus der Düse an dem Auslass 94 aus.
Der Brennstoff sollte ausreichend Zeit innerhalb der Mischkammer 62 verbringen, um zu gewährleisten, dass er sich adäquat mit der Luft mischt. Eine Zeitperiode von wenigstens etwa 3 oder 4 ms wird bevorzugt, obwohl kürzere Zeiten, z. B. etwa 1 oder 2 ms in einigen Ausführungsformen genügen. Die komprimierte Luft verbringt in der Größenordnung von etwa 8 ms, um sich von den Luftpassageneinlässen 76, 78 zu dem Auslass 94 der Vormischdüse 56 ro bewegen.
Wie hierin zuvor beschrieben, stellt der Brennstoffaktuator die modulierte Brennstoffströmungsrate zu dem Vorvermischer bereit. Es ist wünschenswert, den Brennstoff mit der modulierten Strömungsrate mit der Luft in dem Vorvermischer im wesentlichen im selben Maße mischen zu lassen, wie sich der Brennstoff mit der nicht modulierten Brennstoffrate mit der Luft in dem Vorvermischer mischt. Dies begrenzt die Variation in dem Brennstoff/Luft-Verhältnis am Ausgang des Vorvermischers und führt zu einer geringeren NOx-Erzeugung. Aus diesem Grund wird der Brennstoff bei der modulierten Strömungsrate vorzugsweise in die Mischkammer durch eine oder mehrere Brennstoftinjektionsöffnungen injiziert. Ein Injektionsverteiler 330 kann vorgesehen sein, um für einen Strömungspfad zu den Injektionsöffnungen zu sorgen.
Es ist ebenfalls bevorzugt, die Fähigkeit bei der modulierten Brennstoffströmung aufrecht zu erhalten, den temporären Charakter des räumlich gemittelten Brennstoff/Luft-Verhältnisses am Ausgang des Vorvermischers zu kontrollieren. Die Fähigkeit, eine gute räumliche Brennstoff/Luft-Vermischung zu erhalten, während die Kontrolle der temporären Variationen bei dem Brennstoff/Luft-Verhältnis erhalten bleibt, führt zu einer maximalen Aktuator-Steuerfähigkeit, ohne die NOx-Erzeugung negativ zu beeinflussen.
In einer Anordnung kommuniziert der Injektionsverteiler 330 direkt mit zwei Injektionsöffnungen. Diese zwei Öffnungen sind in oder nahe der Mitte des Injektionsöffnungsfeldes, um zwei Belange auszugleichen: die Notwendigkeit, den Brennstoff mit der durchlaufenden Luft gründlich zu mischen und den Wunsch, diese unstetigen Brennstoffstrahle vor dem Auftreffen auf feste Oberflächen, wie dem Zentralkörper, zu bewahren.
Um die Effekte von Brennstoffkomprimierbarkeit zu minimieren, ist es bevorzugt, das Volumen des Injektionsverteilers 330 zwischen den Injektionsöffnungen und der praktischen Stelle des Brennstoffaktuators 130 zu minimieren. Etwa 10 bis 20% der gesamten gemittelten Brennstoffströmungsrate wurde in dieser Konfiguration durch das angesteuerte Brennstoftsystem durchgeleitet. Dies entspricht im wesentlichen vorzugsweise der Menge an Brennstoff, die durch zwei Öffnungen dieser Größe in dem Berech des Injektionsöffnungsfeldes, welches Brennstoff bei einer nicht modulierten Strömungsrate durchleitet, durchgeleitet wird. Es kann jedoch auch ein größerer oder kleinerer Prozentanteil eingesetzt werden.
Es ist typischerweise wünschenswert, den ersten Aktuator nahe zu dem Vorvermischer anzuordnen, um so die Distanz (welche das Volumen der Brennstoffleitung minimiert) zwischen dem Aktuator und dem Punkt, an dem die modulierte Brennstoffströmung in den Vorvermischer injiziert wird, zu minimieren. Weil der gasförmige Brennstoff komprimierbar ist, erfährt die Brenn stoffströmungsrate eine Modulationsreduzierung, d. h. eine Glättung, stromabwärts des Aktuators. Die Größe der Reduzierung steigt mit größer werdendem Abstand von dem Aktuator. Ein Minimieren der Distanz zwischen dem Aktuator und dem Vorvermischer minimiert die Reduzierung und hilft dadurch ro gewährleisten, dass der Vorvermischer die gewünschte, modulierte Brennstoffströmungsrate empfängt. Gleichfalls ist die Brennstoffleitung zwischen dem Aktuator und dem Vorvermischer vorzugsweise so gerade wie möglich.
Der Vorteil, dass der Aktuator nur einen Teil der gesamten Brennstoffströmungsrate zu dem Vorvermischer zuführt, liegt darin, dass sich die mittlere Strömungsrate durch den Aktuator verringert, was dazu führt, dass sich der Aktuator leichter designen und herstellen lässt, wobei er weiterhin eine Verbrennungsinstabilität reduziert.
In einer alternativen Anordnung kann der Brennsloffaktuator 130 ein Proportionalventil, z. B. ein Kolben- und Buchsenventil 300 der Serie D633, einen Linearmotor 302 und eine Ventiltreiberelektronik 132, welche alle von MOOG kommerziell erhältlich sind, und einen Verteiler aufweisen. In einer solchen Anordnung kann die Modulation der Brennstoftflussrate derart gewählt sein, dass sie proportional zu der Größe der Fluktuationen in dem Brennstoffkammerdruck ist. Beispielsweise kann der zu dem Ventil gesendete Befehl in Übereinstimmung mit der nachfolgenden Gleichung sein. Befehl = K1 + K2 × (P(t – T))wobei K₁ eine Gleichstromströmungskomponente wiedergibt,
K₂ einen Verstärkungsfaktor wiedergibt
P(t) die Größe der Fluktuation im Brennkammerdruck wiedergibt, und
T eine Zeit- oder Phasenverzögerung wiedergibt.
Zum Beispiel kann K₁ derart gewählt sein, dass es der gewünschten zeitgemittelten Strömungsrate entspricht. K₂ kann derart gewählt sein, um eine maximale Steuerbarkeit vorzusehen, wobei eine Sättigung des Ventils vermieden wird. T kann derart gewählt sein, um P(t) zu minimieren.
Jeder andere geeignete Aktuator oder Modulation kann auch eingesetzt werden einschließlich, aber nicht begrenzt auf eine sinusförmig modulierte Brennstoffströmungsrate.
Bei einigen Anordnungen ist es nicht praktisch, den Aktuator nahe dem Vorvermischer zu positionieren. Dies tritt auf, weil der erste Brennstoffaktuator typischerweise nicht geeignet ist für die Bedingungen, z. B. die Temperatur, welche innerhalb der Maschine vorgefunden werden. Ein Anordnen des Aktuators außerhalb der Maschine kann zu einer wesentlichen Distanz zwischen dem Aktuator und dem Vorvermischer führen.
Daher weist, bezugnehmend auf die 7 und 8, das Brennstoffsystem in Übereinstimmung mit der Erfindung ferner ein druckbetätigtes Ventil 310 auf, welches zwischen dem ersten Aktuator 130 und dem Vorvermischer 44 angeordnet ist. Das Ventil 310 hilft, den Effekt der Gaskompressibilität im Hinblick auf die Rate von Brennstoffströmung zu den Vorvermischern zu reduzieren. Das Ventil ist vorzugsweise so nahe wie möglich zu dem Vorvermischer und dem Punkt der Brennstoffinjektion angeordnet (möglicherweise im Kern der Maschine). Das Ventil kann ein "AN/AUS"-Ventil sein, vorzugsweise ein mechanisches Tellerventil 320 (8, 9), welches durch den Druck des Gases in der Leitung stromabwärts des ersten Aktuators betätigt wird.
Bezugnehmend nun auf 9 hat das Tellerventil 320 einen Ventilkörper 340, einen Sitz 342 und einen bewegbaren Düsenzapfen 344. Der Ventilkörper 340 hat eine Passage 346 mit einem Einlass 348, welcher mit der stromaufwärtigen Brennstoffleitung 52 strömungskommuniziert, und einem Auslass 350. Die Passage 346 sorgt für den Strömungspfad für den gasförmigen Brennstoff. Der Sitz 342 ist in den Ventilkörper benachbart zu dem Auslass eingepresst. Der Düsenzapfen 344 hat einen Kopf 352 und einen Schaft 354. Der Kopf ist derart geformt, dass er zu dem Sitz passt. Der Schaft erstreckt sich durch ein Loch in dem Körper. Der Schaft hat ein Gewindeende, das eine Schraube 356 aufnimmt. Eine Feder 358 ist zwischen dem Körper 340 und der Schraube 356 angeordnet.
Das Tellerventil 320 weist ferner eine Kupplung 360 und eine Spitze 362 auf. Die Kupplung hat zwei offene Enden 364, 366. Ein Ende 364 ist an den Ventilkörper angeschweißt; das andere Ende 366 stellt einen Gewindeeingriff mit der Spitze bereit. Die Spitze ist röhrenförmig mit einem Wandende 368, einer Kavität 370 und einem Auslass 372. Das Wandende 368 begrenzt die Bewegung des Düsenzapfens. Die Spitze weist ferner eine Mehrzahl von umfangsmäßig beabstandeten Kanälen 374 auf, die nahe dem Wandende und in Strömungskommunikation mit der Kavität 370 angeordnet sind. Sobald die Spitze in die Kupplung eingeschraubt ist, werden die Spitze und die Kupplung zusammengeschweißt, um eine Relativbewegung zwischen der Spitze und der Kupplung zu verhindern.
Das Tellerventil arbeitet wie folgt. Die Feder bewirkt eine Kraft auf die Schraube und zwingt dadurch den Kopf des Düsenzapfens hin zu dem Sitz (d. h. in die geschlossene Richtung). Der Druck des Gases in der Passage führt zu einer Kraft auf den Kopf in die entgegengesetzte Richtung (d. h. in die Öffnungsrichtung) zu derjenigen, die durch die Feder erzeugt wird. Wenn die Stärke der Kraft in der Schließrichtung diejenige des Gasdrucks (d. h. in der Öffnungsrichtung) übersteigt, passt sich der Kopf des Düsenzapfens in den Sitz ein und blockiert damit den Passagenauslass, wodurch der Strömungspfad blockiert wird und eine Brennstoffströmung verhindert wird. Wenn die Stärke der Kraft von dem Gasdruck (d. h. in der Öffnungsrichtung) diejenige der Kraft in der Schließrichtung übersteigt, bewegt sich der Kopf des Düsenzapfens weg von dem Sitz und öffnet dadurch den Strömungspfad. Die Größe des Drucks, die zum Öffnen des Strömungspfads benötigt wird, wird üblicherweise als "Öffnungs"-Druck bezeichnet.
Das Tellerventil wird typischerweise kalibriert, nachdem es teilweise zusammengebaut wurde, aber bevor der Tellerventil-Zusammenbauvorgang abgeschlossen ist. In einem typischen Szenarium werden der Sitz und der Düsenzapfen in dem Körper installiert, und die Feder und die Schraube werden an dem Schaft angeordnet. Die Position der Schraube wird dann so angepasst, dass sie zu dem gewünschten "Öffnungs"-Druck führt. Ein Anpassen der Po sition der Schraube ändert die Stärke der Kraft vor der Feder. Ein Klebstoff, z. B. LOCTITE^®-Hochtemperatur-Klebstoff, wird eingesetzt, um die Schraube an dem Schaft zu sichern. Das teilweise zusammengebaute Tellerventil wird dann in die stromaufwärtige Brennstoffleitung eingeführt und angeschweißt. Die Spitze wird in die Kupplung geschraubt, und die Kupplung wird an den Körper geschweißt. Das Tellerventil wird dann getestet, um seine Strömungskapazität zu bestimmen. Wenn die Strömungskapazität zu hoch ist, oder wenn das Tellerventil ein Resonanzproblem zeigt, wird die Position des Stops angepasst, um den Hub des Düsenzapfens zu begrenzen. Die Spitzenposition relativ zu der Kupplung wird angepasst, um den Stop an einer bestimmten Stelle zu positionieren. Wenn es geöffnet ist, ist der Spielraum zwischen dem Sitz und dem Kopf des Düsenzapfens vorzugsweise jedoch groß genug, um erwarteten Schadstoffen zu ermöglichen, durch das Tellerventil hindurch zu laufen. Die Spitze wird dann an die Kupplung geschweißt. Es kann jedoch nach einer Alternative zu der internen Feder-und-Schraube-Anordnung gesucht werden, um ein Anpassen des Öffnungsdrucks ohne ein Auseinanderbauen des Tellerventils zu ermöglichen. Der Öffnungsdruck wird vorzugsweise auf wenigstens etwa 500 psi (3,4 mPa), d. h. wenigstens etwa zweimal den maximalen, erwarteten Brennkammerdruck von 250 psi (1,7 mPa), eingestellt. Der Versorgungsdruck ist vorzugsweise efwa 600 psi (4,1 mPa).
Der Winkel des Sitzes und der Durchmesser des Düsenzapfens sind vorzugsweise angepasst, um für die benötigte Strömung bei den vorherrschenden Systemdrücken zu sorgen, wobei weiterhin eine geeignete Hublänge und geeignete Leckageeigenschaften vorgesehen sind. Die Strömungskapazität des Tellerventils hängt in großem Maße von dem Winkel des Sitzes und dem Durchmesser des Düsenzapfens ab. Der Sitzwinkel ist vorzugsweise groß genug, um den Düsenzapfen daran zu hindern, an dem Sitz aufgrund von Reibung zu haften.
Die oben beschriebenen Tellerventilkomponenten weisen vorzugsweise Inconel^® aufgrund der hohen Temperatur innerhalb der Maschine auf. In manchen Ausführungsformen können die Komponenten jedoch durch Anwenden einer Stickstoffspülung durch das Tellerventil gekühlt werden, wenn das Ventil/Tellerventil nicht betätigt wird.
Bezugnehmend nun auf 10 weist eine weitere Ausführungsform im wesentlichen die gleichen Komponenten auf wie oben beschrieben, außer dass die modulierte Brennstoffströmung in die Mischkammer des Vorvermischers von einer am Zentralkörper angebrachten Lanze 400 injiziert werden kann. Düsen mit Brennstoffinjektionslanzen werden gewöhnlich für Brennstoftvorvermischer verwendet. US-Patent Nr. 5 461 865 an Snyder et al. und US-Patent Nr. 5 479 773 an McCoomb et al. offenbaren zwei Beispiele. Diese Ausführungsform setzt auch ein Tellerventil 410 ein. Das Tellerventil ist im wesentlichen das gleiche wie das Tellerventil 320, welches hierin weiter oben beschrieben ist, ausgenommen seine Spitze.
Es wird nun Bezug genommen auf 11 in der Ausführungsform von 10. In einer solchen Ausführungsform hat die Spitze 420 vorzugsweise eine Mehrzahl von umfangsmäßig und axial beabstandeten Auslässen 422, 424, 426, 428 in Kommunikation mit einer Kavität 430 der Spitze 420 und der Mischkammer 62 des Vorvermischers 56. Die Auslässe 422, 424, 426, 428 sind an vier verschiedenen axialen Positionen (75%, 50%, 25%, 0%) an der Lanzenspitze angeordnet, gemessen von einem stromabwärtigen Ende 432. Sie sind jedoch vorzugsweise an drei verschiedenen, azimuthalen Stellen angeordnet. Die zwei Zentrallöcher 424, 426 sind derart angeordnet, dass sie Brennstoff radial weg vom Zentralkörper injizieren, und weisen vorzugsweise beide die gleiche Größe mit einer Strömungsfläche von 0,066 Quadratinch (0,43 cm²) auf. Das am weitesten stromaufwärts angeordnete Loch 422 ist 50% größer (0,099 Quadratinch) (0,64 cm²) als die Zentrallöcher und ist an einer azimuthalen Position +90° von der Zentralkörper-Radialrichtung angeordnet. Das am weitesten stromabwärts angeordnete Loch 428 ist 50% kleiner (0,033 Quadratinch) (0,22 cm²) als die Zentrallöcher und ist an einer azimuthalen Position –90° von der Zentralkörper-Radialrichtung angeordnet.
Es gibt viele mögliche Ausführungsformen zum Modulieren der Brennstoffströmungsrate zum Brenner 38. Zum Beispiel kann eine modulierte Brenn stoffströmungsrate zu einer oder mehreren der vorvermischenden Düsen vorgesehen sein. Außerdem kann die modulierte Brennstoffströmungsrate zur einer oder mehreren der Brennstoffröhren an jeder Düse vorgesehen sein. Außerdem können einige der eine modulierte Brennstoffströmung empfangenden Brennstoffdüsen mehr modulierte Brennstoffströmung empfangen als die anderen. Unabhängig davon hat der Aktuator vorzugsweise die Kapazität, für die gewünschte, modulierte Brennstoffströmungsrate zu sorgen, ohne einen so großen Druckabfall zu induzieren, dass der zur Verfügung stehende Brennstoffversorgungsdruck erschöpft würde. Soweit angemessen, kann der Aktuator mehrere Aktuatoren aufweisen, z. B. mehrere, parallel arbeitende Magnetventile. Bei manchen Ausführungsformen können Aktuatoren, welche denjenigen ähnlich sind, wie sie in Automobilen als Brennstoffinjektoren verwendet werden, anstatt des oben beschriebenen Magnettreibers eingesetzt werden. Automobil-Brennstoffinjektoren ermöglichen jedoch typischerweise keine so hohe Brennstoffströmungsrate wie das oben beschriebene Magnetventil, so dass eine Mehrzahl solcher Brennstoffinjektoren benötigt werden kann, um die gewünschte, modulierte Brennstoffströmungsrate bereitzustellen. Es kann selbstverständlich mehr als eine Brennstoffleitung benötigt werden, um die gewünschte Brennstoffströmungsrate zu modulieren und/oder dem Brenner zuzuführen.
Ein in dem Speicher 152 gespeichertes Programm umfasst einen Kontrollalgorithmus, der die Maschinenkontrolleinrichtung 34 steuert, um das Sensorsignal 122 zu verarbeiten und die geeigneten Befehlssignale an das Brennstoffsystem 30 zu erzeugen. Der I/O-Bereich 154 kann einen Filter zum Filtern der Größe des Sensorsignals aufweisen. Der Filter mindert die Größe von Frequenzkomponenten, die wesentlich oberhalb und wesentlich unterhalb des fundamentalen Frequenzbereichs liegen. Zum Beispiel weist in der bevorzugten Ausführungsform der Filter einen analogen Bandpassfilter auf, der für eine Minderung von –3 dB bei Frequenzen von 100 Hz und 300 Hz sorgt.
Bezugnehmend nun auf 12 veranschaulicht ein vereinfachtes Flussdiagramm 170 die schrittweise Ausführung des durch die Maschinenkontrolleinrichtung 34 in der bevorzugten Ausführungsform implementierten Kontrollal gorithmus. Der Algorithmus wird vorzugsweise bei im wesentlichen periodischen Intervallen, z. B. etwa jede 2,5 ms, ausgeführt. Der Algorithmus beginnt bei Schritt 172, welcher mit "START" bezeichnet ist. Beim Anweisungsschritt. 174 beginnt der Algorithmus eine Messung, durch einen Analog-zu-digital-Wandler (A/D), der Größe des gefilterten Sensorsignals, um eine digitale Wiedergabe der Größe zu diesem Zeitpunkt zu erhalten.
Bei den Schritten 176, 178, 180 führt der Algorithmus eine schrittweise Phasenverschiebung durch. Der Algorithmus benutzt einen Phasenschieber, der eine Serie, 1 bis N, von Speicherstellen aufweist, welche kollektiv als ein Speicherpuffer bezeichnet werden, in dem Speicherbereich 152. Jede der Speicherstellen speichert eine Größe, welche veranschaulichend als Größe (Stelle,) bis Größe (Stelle_N) gezeigt ist. Die Gesamtanzahl N von Speicherstellen in dem Puffer ist derart ausgewählt, in Verbindung mit der Ausführungsrate des Algorithmus, um für die gewünschte Phasenverschiebung zu sorgen. Dieser Typ von Phasenschieber ist wohl bekannt. In Schritt 176 wird die Größe in der letzten Speicherstelle aus dem Puffer heraus übertragen, wobei die Phasenverschiebung an dieser Größe abgeschlossen wird. In Schritt 178 werden alle anderen, zuvor gespeicherten Größen in dem Puffer zu jeweils der nächsten Speicherstelle übertragen. In Schritt 180 speichert der Algorithmus die zuletzt gemessene Größe in der ersten Speicherstelle. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird die Größe der Phasenverschiebung empirisch bestimmt, bevor der Algorithmus ausgeführt wird. Es können jedoch auch andere geeignete Verfahren zum Bestimmen einer angemessenen Phasenverschiebungsgröße verwendet werden einschließlich, aber nicht begrenzt auf einen adaptiven Algorithmus.
In den Schritten 182, 184, 186 erzeugt der Algorithmus ein Befehlssignal basierend auf der Größe, für die die Phasenverschiebung zuletzt in Schritt 176 abgeschlossen wurde. Schritt 182 bestimmt, ob die Größe größer als eine Grenzwert-Größe, z. B. null, ist. Trifft dies zu, erzeugt Schritt 184 ein Befehlssignal mit einer Größe, welche einen "Öffnen"-Befehl wiedergibt. Andernfalls erzeugt Schritt 186 ein Befehlssignal mit einer Grüße, welche einen "Schließen"-Befehl wiedergibt. Die Schritte 184, 186 können einen Digital-zu-ana log-Wandler zum Erzeugen des Befehlssignals, welches dann an den Aktuator 130 ausgegeben wird, einsetzen. Die Grenzwertgröße kann derart angepasst werden, dass sie zu dem gewünschten AN/AUS-Arbeitszyklus führt. Wenn die Oszillation symmetrisch um null ist, führt eine Grenzwertgröße von null zu einem 50% AN/50% AUS-Arbeitszyklus.
Der Algorithmus endet bei Schritt 180. Bei Ausführung dieses Algorithmus 170 über eine Zeitdauer erzeugt Schritt 174 eine Reihe von Größen, welche zusammen die Größe des gefilterten Sensorsignals über die Zeitdauer wiedergibt. Die Schritte 176, 178, 180 wenden eine Zeitverzögerung oder Phasenverschiebung auf jede in Schritt 174 erzeugte Größe e n. Die Schritte 182, 184, 186 erzeugen eine Reihe von Befehlssignalgrößen, basierend auf den phasenverschobenen Größen, welche zusammen das gesamte Befehlssignal über die Dauer wiedergeben.
Der mit dem Stand der Technik vertraute Fachmann wird erkennen, dass, obwohl die Kontrolleinrichtung in der offenbarten Ausführungsform programmierte Hardware aufweist, d. h. in Software durch einen Computer ausgeführt wird, sie andere Formen einschließlich fest verdrahteter Hardwarekonfigurationen, in Form integrierter Schaltungen gefertigter Hardware, Firmware und Kombinationen davon einsetzen kann. Es soll verstanden werden, dass, obwohl die offenbarte Ausführungsform ein digitales System mit periodisch aufgenommenen Signalen aufweist, die vorliegende Erfindung auch in einem analogen System mit kontinuierlichen Signalen oder einer Kombination eines digitalen und eines analogen Systems ausgeführt sein kann. Obwohl das Kontrollsystem in der bevorzugten Ausführungsform eine konstante Verstärkung und eine vorbestimmte Phasenverschiebung einsetzt, schließt dies ferner nicht die Verwendung eines adaptiven Kontrollsystems mit einer variablen Verstärkung und einer variablen Phasenverschiebung aus. Ferner kann die Kontrolleinrichtung sowohl eine mechanische Realisierung als auch eine elektrische aufweisen.
Bezugnehmend nun auf 13 stellt ein Graph 190 einige der möglichen Vorteile der vorliegenden Erfindung dar. Der Graph 190 hat zwei Kurven 192, 194, die in der Ausführungsform oben in 2 gesammelte Information bereitstellen. Andere Ausführungsformen bieten typischerweise geringfügig geringere Schwächungsgrade. Die durchgezogene Kurve 192 veranschaulicht die Größe der Oszillationen in dem Brennkammerdruck mit der vorliegenden Erfindung. Die gestrichelt gezeichnete Kurve 194 veranschaulicht die Größe ohne die vorliegende Erfindung. Wie bei Graph 120 (6) gibt Graph 190 die Größe der Oszillationen als eine Mehrzahl von Frequenzkomponenten wieder, welche jede eine andere Größe, verglichen mit derjenigen der anderen, hat. Ein Vergleich der Kurven 192, 194 zeigt an, dass die vorliegende Erfindung für eine Reduzierung von 10,5 psi in der Größe der Oszillationen bei der fundamentalen Frequenz sorgt.
Die vorliegende Erfindung sorgt für eine Reduzierung in der Größe der Oszillationen, unabhängig vom Brennstoff-zu-Luft-Verhältnis.
Die vorliegende Erfindung demonstriert, dass ein Vorvermischen nicht unvereinbar mit einer Modulation der Brennstoffströmungsrate zu der Brennkammer ist. Das durch einen Vorvermischer vorgesehene inhärente Mischen neutralisiert die Modulationen in der Brennstoffströmungsrate nicht, obwohl die Verweildauer des Brennstoffs innerhalb der Vorvermischdüse größer als die Periode der Modulation sein kann. Dies trifft selbst dann zu, wenn die modulierte Brennstoffströmungsrate eine Minderheit der gesamten Brennstoffströmung ro dem Vorvermischer umfasst oder weniger, z. B. 1/3, 1/5, 1/10, 1/20, 1/50. Zunehmend kleinere Anteile können z. B. die Möglichkeit bieten, kleinere, schneller ansprechende, leichtere oder weniger Leistung konsumierende Aktuatorventile einzusetzen.
Die vorliegende Erfindung strebt danach, ein System zum Kontrollieren der Größe einer Verbrennungsinstabilität in einer Brennkammer, die vorvermischte Gas-Brennstoff/Luft-Mischungen verbrennt, bereitzustellen.
Aus dem Obigen ist ersichtlich, dass die Erfindung wenigstens in ihren bevorzugten Ausführungsformen eine Vorrichtung vorsieht, die eine vorvermischte Gas-Brennstoff/Luft-Mischung mit einer temporär modulierten Stöchiometrie, d. h. Brennstoff-zu-Luft-Verhältnis, vorsieht, die die Größe einer Verbrennungsinstabilität in einer Brennkammer, die vorvermischte Gas-Brennstoft/Luft-Mischungen verbrennt, kontrolliert, und die die Größe von Oszillationen im Druck innerhalb der Brennkammer in einer Gasturbinenmaschine, die vorvermischte Gas-Brennstoff/Luft-Mischungen verbrennt, kontrollieren kann und die Größe einer Verbrennungsinstabilität kontrollieren kann, ohne die NOx-Erzeugungsrate in der Brennkammer wesentlich zu steigern.

Claims

Vorrichtung zur Verwendung in einem System mit einer Gas-Brennstoffversorgung (100) und einer Brennkammer (48), die eine Mischung aus Gas-Brennstoff und Luft verbrennt, wobei ein Druck in der Brennkammer und eine Wärmefreisetzungsrate in der Brennkammer sind, und wobei es ferner Variationen in der Größe des Drucks und/oder der Größe der Wärmefreisetzungsrate gibt, wobei der Vorrichtung aufweist: einen Brennstoff-Aktuator (130), der eine Gas-Brennstoffströmung (106) von der Gas-Brennstoffversorgung erhält und in Reaktion auf ein Befehlssignal eine erste modulierte Gas-Brennstoffströmung mit einer ersten modulierten Strömungsrate liefert; und eine Einrichtung ansprechend auf die Variationen in der Größe des Drucks und/oder der Größe der Wärmefreisetzungsrate in der Brennkammer zum Bereitstellen des Befehlsignals an den Brennstoff-Aktuator (130), um so Variationen in der Größe des Drucks in der Brennkammer (48) und/oder der Größe der Wärmefreisetzungsrate in der Brennkammer (48) zu verringern; dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner aufweist: ein druckbetätigtes Brennstoffventil (320; 410), welches die erste modulierte Gas-Brennstoffströmung erhält und ansprechend auf den Druck der ersten modulierten Gas-Brennstoffströmung eine zweite modulierte Gas-Brennstoftströmung mit einer zweiten modulierten Strömungsrate liefert; und einen Vorvermischer (44), der die zweite modulierte Gas-Brennstoffströmung erhält und die zweite modulierte Gas-Brennstoffströmung mit Luft vermischt, um eine Gas-Brennstoff- und Luftmischung ro bilden, und die Mischung der Brennkammer (48) liefert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite modulierte Gas-Brennstoffströmung, die dem Vorvermischer (44) geliefert wird, nur einen Teil der Gas-Brennstoffströmung zu dem Vorvermischer darstellt, wobei der andere Teil eine Gas-Brennstoffströmung (104) mit einer quasi-stationären Rate aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das druckbetätigte Brennstoffventil (320; 410) einen Öffnungsdruck von mindestens etwa zweimal der maximal erwarteten Größe des Drucks in der Brennkammer (48) hat.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das druckaktivierte Brennstoffventil (320; 410) ein Tellerventil ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die durchschnittliche Strömungsrate der zweiten modulierten Gas-Brennstoffströmung im Bereich von etwa 0,001 bis etwa 0,33 der der Gesamt-Brennstoffströmung zu der Brennkammer ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die durchschnittliche Strömungsrate der zweiten modulierten Brennstoffströmung in dem Bereich von etwa 0,01 bis etwa 0,16 der der Gesamt-Brennstoffströmung zu der Brennkammer (44) ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das äquivalente Brennstoff-Luft-Verhältnis der Mischung im Bereich von etwa 0,4 bis etwa 0,6 ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend: eine Mehrzahl von Vorvermischern (44), wobei weniger als alle der Mehrzahl von Vorvermischern die zweite modulierte Gas-Brennstoffströmung erhalten, wobei die anderen der Mehrzahl von Vorvermischern Gas-Brennstoffströmung bei einer Strömungsrate quasi-stationären Zustands erhalten, wobei die Mehrzahl von Vorvermischern die Gas-Brennstoffströmungen mit Luft vermischt, um Gas-Brennstoff- und Luftmischungen zu bilden, und die Mischungen der Brennkammer bereitstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die modulierte Gas-Brennstoffströmung, die weniger als allen der Vorvermischern (44) bereitgestellt wird, nur einen Teil der Brennstoffströmung zu den wer iger als allen von den Vorvermischern (44) darstellt, wobei der andere feil eine Brennstoffströmung (104) mit einer quasi stationären Rate aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung zum Bereitstellen eines Befehlsignals aufweist: einen Sensor (122), der die Variationen in einer von der Größe des Drucks und der Größe der Wärmefreisetzungsrate erfasst und ein dafür indikatives Signal bereitstellt; und eine Kontrolleinrichtung (34) ansprechend auf das Signal von dem Sensor zum Erzeugen eines Befehlsignals zum Steuern des Brennstoff-Aktuators (130).
Vorrichtung nach Anspruch (10), wobei der Sensor einen Drucksensor (122) aufweist, der die Variationen in der Größe des Drucks erfasst und ein dafür indikatives Signal bereitstellt, und die Steuereinrichtung (34) eine auf das Signal von dem Sensor ansprechende Einrichtung zum Erzeugen des Befehlsignals zum Steuern des Brennstoff-Aktuators (130) hat.
Vorrichtung nach Anspruch (11), wobei die Steuereinrichtung (34) aufweist: eine Einrichtung zum Messen des Sensorsignals, um ein gemessenes Signal zu erzeugen, welches indikativ für die Größe des Drucks in der Brennkammer (48) ist; eine Einrichtung zum Erzeugen eines phasenverschobenen Signals aus dem gemessenen Signal; und eine Einrichtung zum Erzeugen des Befehlsignals aus dem phasenverschobenen Signal.