CH697869A2 - Turbinentriebwerk mit modulierten Brenn- und Wiedererwärmungskammern. - Google Patents

Abstract

Ein Turbinentriebwerk (2) umfasst einen Verdichter (4), eine Brennkammer (10), die mit dem Verdichter (4) in Fluidverbindung ist, und eine erste Turbine (20), die mit einem Verbrennungsprodukt (16) betrieben wird, das in der Brennkammer (10) erzeugt wird. Das Turbinentriebwerk (2) umfasst auch eine Wiedererwärmungskammer (34), in welcher Luft, Kraftstoff und Abgase aus der ersten Turbine (20) entzündet werden, um ein Verbrennungsprodukt (40) zu erzeugen, das verwendet wird, um eine zweite Turbine (44) anzutreiben. Das Triebwerk (2) umfasst ausserdem ein Steuergerät (150), das mindestens eines von einer Menge an Kraftstoff und Druckluft, die der Brennkammer (10) zugeführt wird, und einer Menge an Kraftstoff, Druckluft und Abgasen, die der Wiedererwärmungskammer (34) zugeführt wird, auf der Basis mindestens eines von einem Sensor (154) gemessenen Turbinentriebwerksparameters regelt.

Description

  Stand der Technik

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Turbinentriebwerke und insbesondere ein Turbinentriebwerk mit einer modulierten Brennkammer und einer modulierten Wiedererwärmungskammer.

[0002] Allgemein verbrennen Gasturbinentriebwerke ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, um Wärmeenergie zur Erzeugung eines Hochtemperaturgastroms freizusetzen, der über einen Heissgasweg durch einen Turbinenabschnitt geleitet wird. Das heisst, ein Verdichter komprimiert Zuluft auf einen hohen Druck. Die Hochdruckluft wird einer Brennkammer zugeführt, um sich mit Kraftstoff zu mischen und ein brennbares Gemisch zu ergeben. Das brennbare Gemisch wird dann entzündet, um ein Hochdruck-/Hochgeschwindigkeitsgas zu erzeugen, das einer Turbine zugeführt wird.

   Die Turbine wandelt Wärmeenergie vom Hochdruck-/Hochgeschwindigkeitsgasstrom in mechanische Energie um, die eine Turbinenwelle dreht. Die Turbinenwelle ist mit dem Verdichter und auch mit anderen Maschinenausrüstungen wie z.B. einem Stromgenerator gekoppelt und treibt diese an.

[0003] Nach der Umwandlung der Wärmeenergie aus den Hochdruck-/Hochgeschwindigkeitsgasen in mechanische Energie werden Abgase geformt und aus der Turbine ausgelassen. Die Abgase können entweder an die Umgebungsluft ausgestossen werden oder genutzt werden, um die Brennkammer vorzuwärmen und den Wirkungsgrad der Turbine zu erhöhen. Abgase werden auch zu anderen Brenn- oder Wiedererwärmungskammern geleitet, kombiniert mit Luft und Zusatzkraftstoff, und entzündet, um Leistung für eine andere Turbine bereitzustellen.

   Die Optimierung des Turbinenwirkungsgrads bei verschiedenen Betriebsbedingungen, vor allem bei Grundlast, ist stets von Bedeutung.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0004] Nach einem Aspekt stellt die Erfindung ein Turbinentriebwerk bereit. Das Turbinentriebwerk
umfasst einen Verdichter,
eine erste Brennkammer, die mit dem Verdichter in Fluidverbindung ist, und
eine erste Turbine, die mit einem Verbrennungsprodukt aus der ersten Brennkammer betrieben wird.

[0005] Das Turbinentriebwerk umfasst auch eine Wiedererwärmungskammer, in welcher Luft, Kraftstoff und Abgase aus der ersten Turbine entzündet werden, um ein Verbrennungsprodukt zu erzeugen. Das Triebwerk umfasst auch eine zweite Turbine, die mit dem Verbrennungsprodukt betrieben wird, das in der Wiedererwärmungskammer erzeugt wird, und ein Steuergerät.

   Das Steuergerät regelt mindestens eines von einer Menge an Kraftstoff und Druckluft, die der Brennkammer zugeführt wird, und einer Menge an Kraftstoff, Druckluft und Abgasen, die der Wiedererwärmungskammer zugeführt wird, auf der Basis mindestens eines Turbinentriebwerksparameters, der von einem Sensor gemessen wird.

[0006] Nach einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Turbinentriebwerks bereit. Das Verfahren umfasst das Zuführen von Druckluft aus einem Verdichter an eine erste Brennkammer, das Mischen der Druckluft mit Kraftstoff, das Entzünden der Druckluft und des Kraftstoffs, um ein Verbrennungsprodukt zu erzeugen und eine erste Turbine mit dem Verbrennungsprodukt aus der ersten Brennkammer zu betreiben.

   Das Verfahren umfasst ausserdem das Zuführen der Abgase aus der ersten Turbine an eine Wiedererwärmungskammer, um sie mit Luft aus dem Verdichter und Zusatzkraftstoff zu mischen, um ein brennbares Gemisch zu ergeben. Das brennbare Gemisch wird entzündet, um ein Verbrennungsprodukt zu erzeugen, das zum Betreiben einer zweiten Turbine verwendet wird. Mindestens eines von der Menge an Kraftstoff und Druckluft, die der ersten Brennkammer zugeführt wird, und der Menge an Kraftstoff, Druckluft und Abgasen, die der Wiedererwärmungskammer zugeführt wird, sind von einem gemessenen Betriebsparameter des Turbinentriebwerks abhängig.

[0007] Es ist anzumerken, dass die vorliegende Erfindung den Turbinenwirkungsgrad bei veschiedenen Betriebsbedingungen auf der Basis von gemessenen und berechneten Betriebsparametern optimiert.

   In jedem Fall gehen zusätzliche Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung aus der folgenden ausführlichen Beschreibung dargestellter Aspekte in Verbindung mit den Zeichnungen hervor, wobei gleiche Bezugszeichen sich auf sich in den verschiedenen Ansichten auf entsprechende Teile beziehen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0008] 
<tb>Fig. 1<sep>ist eine schematische Darstellung eines Mehrwellen-Turbinentriebwerks mit einer modulierten Brennkammer und mehreren modulierten Wiedererwärmungskammern, die einem Aspekt der vorliegenden Erfindung gemäss aufgebaut sind.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

[0009] Auf Fig. 1 Bezug nehmend, ist ein Turbinentriebwerk, das der vorliegenden Erfindung gemäss aufgebaut ist, allgemein mit 2 angegeben. Das Triebwerk 2 weist einen Rotationsverdichter 4 auf, der Umgebungsluft 6 verdichtet, um Hochdruckluft 8 zu erzeugen.

   Hochdruckluft 8 wird zu einer ersten oder Hauptbrennkammer 10 geleitet, um sich mit Kraftstoff 12 zu mischen, bevor sie entzündet wird, um Hochdruck/Hochtemperatur-Verbrennungsprodukte 16 zu formen. Die Hochdruck/ Hochtemperatur-Verbrennungsprodukte 16 werden verwendet, um eine erste Turbine 20 anzutreiben, die in der gezeigten Ausführungsform eine gaserzeugende Turbine ist. Die erste Turbine 20 wird hauptsächlich benutzt, um den Verdichter 4 über eine Welle anzutreiben 24.

[0010] Der Brennkammer 10 wird mehr Hochdruckluft 8 zugeführt, als zur vollständigen Verbrennung des Kraftstoffs 12 benötigt wird. Daher enthält das Abgas 30, das von der Turbine 20 ausgegeben wird, einen Luftüberschuss, der einer ersten Wiedererwärmungskammer 34 zugeführt.

   Sobald er in der ersten Wiedererwärmungskammer 34 ist, vermischt sich der Luftüberschuss im Abgas 30 mit Zusatzkraftstoff 36 und Hochdruckluft 38 aus dem Verdichter 4 und wird entzündet, um ein Hochdruck/Hochtemperatur-Verbrennungsprodukt 40 zu ergeben. Auf ähnliche Weise wie oben beschrieben wird das Verbrennungsprodukt 40 verwendet, um eine zweite Turbine 44 anzutreiben, die über eine Welle 46 in Wirkbeziehung mit der ersten Turbine 20 verbunden ist.

[0011] Es ist mehr Hochdruckluft 38 und Abgas 30 aus der ersten Turbine 20 vorhanden, als zur vollständigen Verbrennung des Zusatzkraftstoffs 36 benötigt wird. Daher enthält ein Abgas 60, das von der zweiten Turbine 44 ausgegeben wird, einen Luftüberschuss, der einer zweiten Wiedererwärmungskammer 65 zugeführt wird.

   Sobald es in der zweiten Wiedererwärmungskammer 65 ist, vermischt sich das Abgas 60 mit Zusatzkraftstoff 68 und Hochdruckluft 70 aus dem Verdichter 4 und wird entzündet, um ein Hochdruck/Hochtemperatur-Verbrennungsprodukt 72 zu ergeben. Das Verbrennungsprodukt 72 wird verwendet, um eine dritte Turbine 76 anzutreiben, die in der dargestellten Ausführungsform eine Arbeitsturbine ist.

[0012] Auf ähnliche Weise wie oben beschrieben ist mehr Hochdruckluft 70 und Abgas 60 vorhanden, als zur vollständigen Verbrennung des Kraftstoffs 68 benötigt wird. Daher enthält ein Abgas 90, das von der dritten Turbine 76 ausgegeben wird, einen Luftüberschuss, der einer dritten Wiedererwärmungskammer 94 zugeführt wird.

   Sobald es in der dritten Wiedererwärmungskammer 94 ist, vermischt sich das Abgas 90 mit Zusatzkraftstoff 96 und Hochdruckluft 98 aus dem Verdichter 4 und wird entzündet, um ein Hochdruck/Hochtemperatur-Verbrennungsprodukt 104 zu ergeben. Das Verbrennungsprodukt 104 wird verwendet, um eine vierte Turbine 108 anzutreiben, die über eine Welle 110 in Wirkbeziehung mit der dritten Turbine 76 und über eine Welle 118 mit einem Stromgenerator 114 verbunden ist.

[0013] Nach einem Aspekt der Erfindung umfasst das Triebwerk 2 ein Steuergerät 150, das die Luft- und Kraftstoffzufuhr zur Hauptbrennkammer 10 und die Luft-, Kraftstoff- und Abgaszufuhr zu den Wiedererwärmungskammern 34, 65 und 94 auf selektive Weise auf der Basis von Triebwerkbetriebsparametern moduliert, wie sie von einem Triebwerkssensor 154 bestimmt werden.

   Das heisst, das Steuergerät 150 empfängt vom Sensor 154 eine Rückführung und vergleicht die Rückführung mit Bezugsbetriebsparametern, die in einem Speicher (nicht gezeigt) gespeichert sind, um einen Abweichungs- oder Differenzwert zu bestimmen. An diesem Punkt passt das Steuergerät 150 die Kraftstoff- und/oder Luftzufuhr zur Brennkammer 10 und/oder die Luft-, Kraftstoff- und/oder Abgaszufuhr zu den Wiedererwärmungskammern 34, 65 und 94 auf selektive Weise an. Der Sensor 154 kann konfiguriert sein, um eine oder mehrere Betriebsparameter des Triebwerks 2 zu messen. Zum Beispiel kann der Sensor 154 ein Abgastemperatursensor, ein Heissgaswegtemperatursensor, ein Kilowatt (kW)-Sensor, ein Durchflussmesser, ein Wellendrehmomentsensor, ein Umgebungslufttemperatursensor und ein Drehzahlsensor sein.

   Zudem kann der Sensor 154 mehrere Sensoren einschliessen, die konfiguriert sind, um mehrere Betriebsparameter des Triebwerks 2 zu überwachen und an das Steuergerät 150 zurückzuführen.

[0014] In jedem Fall ist das Steuergerät 150 mit einer ersten Vielzahl von Ventilen 170-173 gekoppelt, die konfiguriert ist, um die Luftzufuhr vom Verdichter 4 jeweils zur Hauptrennkammer 10 und zu den Wiedererwärmungskammern 34, 65 und 94 auf selektive Weise zu regeln. Das Steuergerät 150 ist auch mit einer zweiten Vielzahl von Ventilen 180-183 gekoppelt, die konfiguriert ist, um die Kraftstoffzufuhr jeweils zur Hauptbrennkammer 10 und zu den Wiedererwärmungskammern 34, 65 und 94 auf selektive Weise zu regeln.

   Zusätzlich ist das Steuergerät 150 mit einer dritten Vielzahl von Ventilen 190-192 gekoppelt, die konfiguriert ist, um die Abgaszufuhr zu den Wiedererwärmungskammern 34, 65 und 94 auf selektive Weise zu regeln. Wie oben erwähnt, vergleicht die Steuerung 150 bei dieser Anordnung die Rückführung, die von Sensor(en) 154 empfangen wird, mit Bezugsparametern oder Optimalbedingungen, z.B. Betriebsbedingungen wie die Drehzahl, Last usw. und Umgebungsbedingungen wie die Lufttemperatur, Feuchtigkeit usw., um eine Position eines oder mehrerer Ventile 170-173, 180-183 und 190-192 so zu regeln, dass die Luft-, Kraftstoff- und/oder Abgaszufuhr den Betrieb des Triebwerks 2 optimiert.

[0015] Einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung entsprechend ist das Steuergerät 150 mit einem Entnahmeregler 200 gekoppelt.

   Der Entnahmeregler 200 wählt auf der Basis der gemessenen Triebwerksbetriebsparameter auf selektive Weise, von welchem Verdichter-Absaugstutzen aus der Hauptbrennkammer 10, Wiedererwärmungskammer 34,. Wiedererwärmungskammer 65 und/oder Wiedererwärmungskammer 94 Luft zuzuführen ist. Das heisst, wenn das Steuergerät 150 beim Vergleich der tatsächlichen Betriebs- und/oder Umgebungsbedingungen mit den Bezugsmessungen bestimmt, dass zum Beispiel von der Hauptbrennkammer 10 eine grössere Luftmenge benötigt wird, wird ein Absaugstutzen mit höherem Druck gewählt. Wenn das Steuergerät 150 bestimmt, dass kleinere Luftmengen benötigt werden, können Absaugstutzen mit niedrigerem Druck verwendet werden.

   Auf diese Weise optimiert das Steuergerät 150 die Luftzufuhr, um den Wirkungsgrad des Triebwerkbetriebs zu erhöhen.

[0016] An dieser Stelle ist anzumerken, dass die verschiedenen Aspekte der vorliegenden Erfindung den Wirkungsgrad des Turbinentriebwerks bei verschiedenen Betriebsbedingungen optimieren, indem sie die Luft- und Kraftstoffzufuhr zu einer Brennkammer und die Luft-, Kraftstoff- und Abgaszufuhr zu einer oder mehreren Wiedererwärmungskammern auf der Basis gemessener Triebwerksbetriebsparameter auf selektive Weise regeln. Zusätzlich wird der Turbinenwirkungsgrad auch verbessert, indem gesteuert wird, von welchem Verdichter-Absaugstutzen Luft entnommen und der Brennkammer oder der (den) Wiedererwärmungskammer(n) zugeführt wird.

   Auch wenn Aspekte der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, versteht es sich, dass verschiedene Änderungen und/oder Modifikationen durchgeführt werden können, ohne von ihrem Geist abzuweichen. Auch wenn es in Verbindung mit dem Betreiben eines Stromgenerators beschrieben wurde, kann das Triebwerk 2 auch verwendet werden, um verschiedene andere Arten von Maschinenausrüstungen wie z.B. Pumpen und dergleichen zu betreiben. Auch wenn eine Hauptbrennkammer und mehrere Wiedererwärmungskammern betrieben werden, versteht es sich, dass die vorliegende Erfindung benutzt werden kann, um eine einzelne Brennkammer und eine einzelne Wiedererwärmungskammer zu betreiben. Ferner versteht es sich, dass der Triebwerksbetriebsparameter durch direkte Messung oder durch Berechnung bestimmt werden kann.

   Schliesslich, auch wenn das Triebwerk mit mehreren Wellen dargestellt ist, ist die vorliegende Erfindung gleichermassen auf einwellige Turbinen anwendbar. Allgemein ist beabsichtigt, dass die Erfindung nur durch den Umfang der folgenden Ansprüche beschränkt wird.

Claims (10)

1. Turbinentriebwerk (2), umfassend: einen Verdichter (4); eine Brennkammer (10), die mit dem Verdichter in Fluidverbindung ist, wobei diese Brennkammer (10) ein Verbrennungsprodukt (16) enthält, das durch Entzündung von Luft aus dem Verdichter (4) und Kraftstoff (16) erzeugt wird; eine erste Turbine (20), die mit dem Verbrennungsprodukt (16) betrieben wird, das in der ersten Brennkammer (20) erzeugt wird, wobei diese erste Turbine (20) Abgase (30) ausgibt; mindestens eine Wiedererwärmungskammer (34), die mit dem Verdichter (4) und der ersten Turbine (20) in Fluidverbindung ist, wobei diese mindestens eine Wiedererwärmungskammer (34) ein Verbrennungsprodukt (40) enthält, das durch Entzündung der Abgase der ersten Turbine (20), Luft aus dem Verdichter (4) und Zusatzkraftstoff (36) erzeugt wird;

eine zweite Turbine (44), die mit dem Verbrennungsprodukt (40) betrieben wird, das in der mindestens einen Wiedererwärmungskammer (34) erzeugt wird, wobei diese zweite Turbine (44) Abgase (60) ausgibt; mindestens einen Sensor (154), der angeordnet ist, um mindestens einen Triebwerksbetriebsparameter zu bestimmen; und ein Steuergerät (150), um mindestens eines von einer Menge an Kraftstoff und Luft, die der Brennkammer zugeführt wird, und einer Menge an Zusatzkraftstoff, Luft und Abgasen aus der erste Turbine (20), die der mindestens einen Wiedererwärmungskammer (34) zugeführt wird, auf der Basis des mindestens einen Triebwerksbetriebsparameters auf selektive Weise zu regulieren.

2. Turbinentriebwerk nach Anspruch 1, ausserdem umfassend: eine zweite Wiedererwärmungskammer (65), die mit dem Verdichter (4) und der zweiten Turbine (44) in Fluidverbindung ist, wobei diese zweite Wiedererwärmungskammer ein Verbrennungsprodukt (72) enthält, das durch Entzündung der Abgase aus der zweiten Turbine, Luft und Zusatzkraftstoff erzeugt wird.

3. Turbinentriebwerk nach Anspruch 2, ausserdem umfassend: dritte Turbine (76), die mit dem Verbrennungsprodukt (72) betrieben wird, das in der zweiten Wiedererwärmungskammer (65) erzeugt wird, wobei diese dritte Turbine Abgase ausgibt.

4. Turbinentriebwerk nach Anspruch 3, wobei das Steuergerät (150) mindestens eines von einer Menge an Zusatzkraftstoff, Luft und Abgasen aus der zweiten Turbine (44), die der zweiten Wiedererwärmungskammer (65) zugeführt wird, auf der Basis des mindestens einen Triebwerksbetriebsparameters auf selektive Wiese regelt.

5. Turbinentriebwerk nach Anspruch 4, ausserdem umfassend: eine dritte Wiedererwärmungskammer (94), die mit dem Verdichter (4) und der dritten Turbine (76) in Fluidverbindung ist, wobei diese dritte Wiedererwärmungskammer (94) ein Verbrennungsprodukt (104), das durch Entzündung der Abgase aus der dritten Turbine (76) erzeugt wird, Luft und Zusatzkraftstoff enthält.

6. Turbinentriebwerk nach Anspruch 5, ausserdem umfassend: eine vierte Turbine (108), die mit dem Verbrennungsprodukt (104) betrieben wird, das in der dritten Wiedererwärmungskammer (94) erzeugt wird, wobei diese vierte Turbine (108) Abgase ausgibt.

7. Turbinentriebwerk nach Anspruch 6, wobei das Steuergerät (150) mindestens eines von einer Menge an Zusatzkraftstoff, Luft und Abgasen aus der dritten Turbine (76), die der dritten Wiedererwärmungskammer (94) zugeführt wird, auf selektive Weise auf der Basis des mindestens einen Turbinentriebwerksbetriebsparameters regelt.

8. Turbinentriebwerk nach Anspruch 1, ausserdem umfassend: einen Entnahmeregler (200), der in Wirkbeziehung mit dem Steuergerät (150) verbunden ist, wobei dieser Entnahmeregler (200) einen bestimmten Verdichter-Absaugstutzen wählt, aus welchem auf der Basis des mindestens einen Triebwerksbetriebsparameters Luft zu entnehmen ist.

9. Turbinentriebwerk nach Anspruch 1, ausserdem umfassend: mindestens ein Kraftstoffventil (180), das in Wirkbeziehung mit dem Steuergerät (150) verbunden ist, wobei dieses mindestens eine Kraftstoffventil (180) geeignet ist, auf selektive Weise eine Kraftstoffmenge zu regeln, die der Brennkammer (10) zugeführt wird.

10. Turbinentriebwerk nach Anspruch 9, wobei das mindestens eine Kraftstoffventil (180) ein anderes Kraftstoffventil (181) umfasst, das in Wirkbeziehung mit dem Steuergerät (150) verbunden ist, wobei dieses andere Kraftstoffventil (181) geeignet ist, auf selektive Weise die Kraftstoffmenge zu regeln, die der Wiedererwärmungskammer (34) zugeführt wird.