SE525323C2 - Gasturbin och förfarande för styrning av en gasturbin - Google Patents

Description

25 30 är det känt att beräkna ett luftmassflöde baserat på andra mätbara storheter, såsom gasgeneratorvarvtal eller kompressortryck och dosera bränslemängden som tillförs bränslekammaren under transienter baserat på det beräknade luftmassflödet.

I många applikationer, och då speciellt vid de transienta förloppen, föreligger höga krav på noggranhet och snabbhet. Sådana transienter är vidare vanligtvis förknippade med emissionspikar då kända lösningar inte snabb Det önskvärt att åstadkomma reducerade avgasemissioner vid ger tillräckligt reglering. vore därför transienterna.

SAMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ett första syfte med uppfinningen är att åstadkomma en gasturbin som skapar förutsättningar för en noggrann dosering av bränsle till brännkammaren, och speciellt under transient drift.

Detta syfte uppnås genom att gasturbinen innefattar medel för direkt mätning av luftmassflödet i en position luftflödets syfte att tillförs innan brännkammaren i bana i reglera mängden bränsle som brännkammaren baserat på det uppmätta luftmassflödet.

Enligt en föredragen utföringsform innefattar medlet för direkt mätning av luftmassflödet varmfilm eller varmtrád för mätningen.

Enligt en annan föredragen utföringsform innefattar gasturbinen två kompressorer och en mellankylare anordnad mellan dessa och medlet för direkt mätning av luftmassflödet är inrättat efter mellankylaren och före -1 u annan; c u n a-cono 10 15 20 25 30 i L. f N I . ...... . . -. .. .... . . . ...- .. ...- . . . . .. .. luftflödets bana. Härigenom den andra kompressorn i mäter man luftmassflödet efter nedkylning, det vill säga vid en relativt sett låg temperatur.

Ett andra syfte med uppfinningen är att åstadkomma ett förfarande för styrning av en gasturbin som ger en noggrann dosering av bränsle till brännkammaren, och speciellt under transient drift.

Detta syfte uppnås genom att luftmassflödet mäts direkt i en position innan gasturbinens brännkammare i luftflödets bana, och att mängden bränsle som tillförs brännkammaren regleras baserat på det uppmätta luftmassflödet. Luftmassflödet mäts alltså explicit och doseringen av bränsle görs baserat på det uppmätta värdet/-na. Övriga fördelaktiga utföringsformer av och fördelar med uppfinningen framgår av övriga patentkrav samt den följande beskrivningen.

KORT BESKRIVNING AV FIGURER Uppfinningen skall beskrivas närmare i det följande, med hänvisning till den utföringsform som visas på de bifogade ritningarna, varvid FIG 1 schematiskt visar en gasturbin, FIG 2 visar en styrlag för reglering av gasturbinen, och FIG 3 visar ett fordon i form av en lastbil i en sidovy, vilket fordon drivs av gasturbinen.

DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER I figur“ 1 visas schematiskt en tvàaxlig' gasturbin 1 enligt en första utföringsform. Detta är en lämplig :nu n 10 15 20 25 30 4 konstruktion för en gasturbin med lågemissions~ brännkammare i en applikation där transienter förekommer. Gasturbinen 1 innefattar en första kompressor 2 med ett första kompressorinlopp 3 och ett första kompressorutlopp 4 samt en andra kompressor 5 med ett andra kompressorinlopp 6 och ett andra kompressorutlopp 7. Den första kompressorns 2 kompressorinlopp 3 är via ett ej visat luftfilter öppet Mellan den första kompressorns 2 mot atmosfären. kompressorutlopp 4 och den andra kompressorns 5 kompressorinlopp 6 är anordnat en mellankylare 9 vars funktion är att kyla den av den första kompressorn 2 komprimerade luften innan ytterligare tryckhöjning sker i den andra kompressorn 5. Mellankylaren 9 är kopplad till ett ej visat separat kylsystem. vidare ett förbundna 10b, och med ett i en turbin Vardera kompressor 2,5 innefattar kompressorhjul vilka är vridfast med varandra, via en axel l0a, 11 anordnat turbinhjul.

Nedströms den andra kompressorns 5 kompressorutlopp 7 är anordnat en värmeväxlare 14 för återvinning av avgasvärme i samband med drift. till en leds därefter förbränningskammare 16, via dennes gasinlopp 17, till Den komprimerade luften vilken man medelst ett bränslesystem 18 tillför bränsle som förbränns däri med hjälp av den varma komprimerade luften. De varma förbränningsgaserna leds, via förbränningskammarens 16 gasutlopp 19, till nämnda turbin 11 där en första begränsad expansion av förbränningsgaserna sker för drivning av nämnda kompressorer 2,5. Den slutliga expansionen, ner till 10 15 20 25 30 ø . - | .- nära atmosfärstryck, sker i en kraftturbin 20 anordnad nedströms nämnda turbin ll. Genom att slutligen leda förbränningsgaserna från kraftturbinen 20 genom nämnda värmeväxlare 14 kan. energi återvinnas, innan qgaserna leds till avgasutloppet 13, vilket bidrar till ökad totalverkningsgrad för gasturbinen 1.

I den illustrerade utföringsformen är två drivturbiner 20,20' är utrustade med medel 40,40' för varierbar reglering av anordnade på drivaxeln 23. Var och en av dessa flödet till kraftturbinen 20,20". Dessa medel utgörs av en variabel stator, eller ledskenor. Ledskenorna är inrättade för reglering av gasmängden till kraftturbinen och. man kan hârigenom styra inloppstemperaturen till turbinen.

Gasturbinen innefattar dessutom medel 45 för varierbar reglering av flödet till den första kompressorn 2. Detta medel 45 utgörs av en variabel stator, eller ledskenor.

Ledskenorna är inrättade för reglering av flödets anströmningsvinkel mot kompressorn och man kan hârigenom styra kompressorns tryckhöjning.

En frán kraftturbinen 20 utgående axel 21 är via en transmission 22 förbunden med en drivaxel 23 hos det fordon vilket gasturbinen 1 är anordnat att framdriva.

Drivaxeln 23 ärli sin tur kopplad till en differential 24 vilken fördelar drivmomentet till fordonets drivhjul 25, 26.

Gasturbinen 1 innefattar medel 8 för direkt mätning av luftmassflödet i en _position efter' mellankylaren 9 i luftflödets Medlet 8 för luftmassflödet är närmare bestämt bana. direkt mätning av inrättat innan den oc: Q 10 15 20 25 30 andra kompressorn 5 .i luftflödets bana. Gasturbinen 1 innefattar vidare en till medlet 8 för direkt mätning av luftmassflödet streckade till ansluten styrenhet 27, se linjer. Styrenheten 27 är även ansluten bränslesystemet 18 för reglering av mängden bränsle som tillförs baserat pá det uppmätta luftmassflödet.

Härigenom kan man styra luftbränsleblandningen på ett noggrant sätt för att få en ur emissionssynpunkt optimal förbränning. Styrenheten 27 utgörs av en dator och innefattar mjukvara för behandling av indata från medlet 8 för direkt mätning av luftmassflödet och styrning av bränslemängden. Nedan. beskrivs de steg som utförs av styrenheten 27 med hjälp av en styrlag i form av ett flödeschema, se figur 2.

Medlet 8 för direkt mätning av luftmassflödet innefattar företrädesvis varmfilm eller varmtrád för mätningen. varmtrádsteknik är konventionella Varmfilms- och mätmetoder, som ej beskrivs närmare här.

Gasturbinen 1 innefattar vidare medel 28 för mätning av temperaturen hos luften i brännkammarinloppet i syfte att reglera mängden bränsle som tillförs brännkammaren även den Även uppmätta temperaturen. baserat på temperaturmätaren 28 är därför ansluten till styrenheten 27. Detta är speciellt föredraget vid rekuperativa gasturbiner.

I figur 2 visas styrlagen för bestämning av mängden bränsle som skall tillföras brännkammaren 16, enligt en Styrsystemet har àterkopplad kallade Varvtalet benämns NGG och det finns föredragen utföringsform. reglering av önskat varvtal på den så gasgeneratorn (GG). 10 15 20 25 30 7 även en àterkopplad begränsning av temperaturen på två ställen efter brännkammaren 16 kallade T4 och T6.

Syrsystemet innefat (PD) 51,52,53 i deríverande regulatorer, eller minskning av kuänslemängden. signalen är förändring i tiden. minväljare en integrerad signal i. en integrator 55. 55 till (limit) integratorn 56, (min select) tar tre proportionell Den minsta signalen väljs i 54. och en funktion finns àterkopplade mot felet regulatorer form av så kallade proportionella, som beräknar en önskad ökning Detta innebär att och felets en Efter minväljaren adderas en (1/s) På ingången begänsningsfunktion 57 som avbryter integrationen om den àterkopplade regulatorn ej väljs i efterföljande väljarblock (min select respektive max select) 59,60. För detta finns en återkoppling 64 (anti windup).

Från uppmätt massflöde, luftmassflödesmätning brännkammaren (T35) F och (FLOW) uppmätt via medlet 8 för temperatur före via temperaturmätaren 28 beräknas frán en tabellfunktion (steady state fuel schedule) 58 det stationära bränsleflöde som motorn normalt behöver vid givet flöde och temperatur. till integratorn 55. regulatorn framför bränsleflödet. En Detta flöde adderas signalen från den àterkopplade regulatorn och Pâ detta sätt får den áterkopplande korrigering av bränslemängden med direkt verkan.

I minväljaren 59, tabellfunktion bränslemängden tillåten temperatur allt en korrigerande effekt på störning pà massflödet ger en jämförs bränslemängden med en (acc limiting) som funktion av FLOW och T35 (T4,lim) T4,til1. 61 som ger den maximala samt Denna funktion « ~ veva.- n canon. 0 n on-no 10 15 20 25 30 uu.- väljs först och främst under accelerationer och förhindrar snabba temperaturhöjningar som annars skulle kväveoxider. utsläpp av Begränsnings- (NPT ge förhöjda funktionen limiting) 62 för den fria kraftturbinens (Power Turbine, PT) varvtal (N) är en övervarvning. 60 där säkerhetsfunktion för att hindra Slutligen finns en maxväljare (max select) beräknat bränsleflöde jämförs med ett minsta flöde från en funktion (Dec. schedule) 63. Denna funktion förhindrar dålig förbränning, och därmed utsläpp av oförbrända kolväten och kolmonoxid, vid brânsleminskning, liksom eventuell utslockning av brännkammaren. Utsignal från schemat är en bränslesignal (WFD).

Gasturbinen har ovan beskrivits i det fall att den innefattar en fri kraftturbin. Detta är en föredragen, sätt begränsande applikation av men på intet uppfinningen. Anordningen av kompressorn, turbinen för drivning av kompressorn via den första axeln, samt brännkammaren benämns vanligtvis gasgenerator. Den med förbundna nedströms den första turbinen och inrättad att drivas av en drivaxel kraftturbinen är anordnad gasen frán den första turbinen. Med andra ord är det enda som förbinder gasgeneratorn och kraftturbinen de expanderade heta gaserna.

Den beskrivna gasturbinen är vidare av rekuperativ eller vill värmeväxlare 14 som är inrättad för att återvinna energi regenerativ typ, det säga innefattande en från de varma avgaserna.

I figur 3 visas en lastbil 100 som drivs av gasturbinen 1 (enbart schematiskt illustrerad) enligt figur 1. Detta . a aønqon o u ~ nu-one 10 15 20 25 30 9 skall enbart betraktas som en möjlig applikation av uppfinningen och uppfinningen skall inte anses vara begränsad till denna applikation.

Uppfinningen skall inte anses vara begränsad till den ovan beskrivna utföringsformen, utan en rad modifieringar av denna är möjliga utan att för den skull lämna patentskyddets ram. Exempelvis kan både antalet kompressorsteg som turbinsteg varieras både uppåt och nedåt.

Inom ramen för patentskyddet ligger exempelvis att gasturbinen kan vara av enaxlig typ, dvs den med kompressorn förbundna turbinen är inrättad att även utgöra drivturbin för framdrivning av ett fordon.

Som ett alternativ' till att medlet 8 för mätning av luftmassflödet är inrättat efter mellankylaren 9 och före den andra kompressorn 5 så kan nämnda medel vara anordnat efter den andra kompressorn och innan brännkammaren.

Som ett alternativ/vidareutveckling till den ovan beskrivna gasturbinen kan man anordna en avtappningsventil direkt efter den första kompressorn 2 för att undvika pumpning i den första kompressorn.

Luften som tappas av leds då ut i avgasröret 13.

Vidare kan man tänka sig att utnyttja annan teknik än varmfilm- och varmtrádsteknik för mätningen av luftmassflödet.

Claims (13)

10 15 20 25 30 10 PATENTKRAV

1. Gasturbin (1) en turbin innefattande åtminstone (1l,20,20'), åtminstone en av turbinen driven kompressor (2,5) (16) kompressorn och turbinen i luftflödets bana, och en brännkammare anordnad mellan k ä n n e t e c k n a d av, att gasturbinen innefattar medel (8) för direkt mätning av luftmassflödet i en position innan brännkammaren (16) i luftflödets bana i syfte att reglera mängden bränsle det uppmätta som tillförs brännkammaren baserat pá luftmassflödet.

2. Gasturbin enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av, att medlet (8) för direkt mätning av luftmassflödet innefattar varmfilm eller varmtrád för mätningen.

3. Gasturbin enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a d av, att gasturbinen (1) är inrättad för transienter.

4. Gasturbin enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a d av, att gasturbinen (1) innefattar medel (40,40',45) för varierbar inställning av geometrin hos turbinen (1l,20,20') och/eller kompressorn (2,5).

5. Gasturbin enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a d av, innefattar en värmeväxlare (14) (2,5) (16) för återvinning av avgasvärme. att gasturbinen (1) anordnad mellan kompressorn och brännkammaren 10 15 20 25 30 ll

6. Gasturbin enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a d av, att medlet (8) för direkt mätning av luftmassflödet är inrättat i inloppet till kompressorn.

7. Gasturbin enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a d av, att gasturbinen innefattar två kompressorer (2,5) och en mellankylare (9) anordnad mellan dessa.

8. Gasturbin enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a d av, att medlet (8) för direkt mätning av luftmassflödet är inrättat efter mellankylaren (9) och före den andra kompressorn (5) i luftflödets bana.

9. Gasturbin enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a d av, att gasturbinen (1) innefattar medel (28) för mätning av position innan syfte att luften i en luftflödets bana i temperaturen hos (16) i reglera mängden bränsle som tillförs brännkammaren även brännkammaren baserat på den uppmätta temperaturen.

10. Fordon (100) k ä n n e t e c k n a d av, att det för framdrivning innefattar en. gasturbin (1) enligt något av de föregående kraven.

11. ll. Förfarande för styrning av en gasturbin k ä n n e t e c k n a t av, direkt i (16) i luftflödets bana, att luftmassflödet mäts en position innan gasturbinens brännkammare och 10 15 .a 0 auc- n o ~ o 12 att mängden bränsle som tillförs brännkammaren regleras baserat pà det uppmätta luftmassflödet.

12. Förfarande enligt krav ll, k ä n n e t e c k n a d av, att luftflödet varmtrádsteknik. mäts med varmfilmsteknik eller

13. Förfarande enligt krav ll eller 12, k ä n n e t e c k n a t av, att temperaturen hos luften mäts i. en position innan (16) i luftflödets bana och som tillförs brännkammaren även gasturbinens brännkammare att mängden bränsle regleras baserat pá den uppmätta lufttemperaturen. uo~noo u