SE437407B - System for att tillfora gasbrensle till forbrenningsrummet i en gasturbinmotor - Google Patents

Description

veuszes-1 Ett speciellt problem som är förenat med införandet av gasdrift vid en vätskesysianïzonstruktion är gasdynamisk instabilitet och resonans, som är förorsakade av tryckvariationer, vilka upp- träder inuti gasturbinmotorns förbränningsrum. Detta problem är särskilt akut vid låga strömningshastigheter hos gasbränslet in i förbränningsrummet. Närmare bestämt förorsakar energi, som frigöres genom förbränning av bränsle inuti förbränningsrummet, tryckvågor eller tryckvariationer, vilka påverkar efterföljande avgivande av gasbränsle in i förbränningsrummet. Vid låga ström- ningshastigheter befinner sig gasbränslet inuti bränsletillför- selsystemet vid ett relativt lågt tryck,_vilket i storlek ligger nära det nominella trycket inuti förbränningsrummet. Tryck- variationerna inuti förbränningsrummet åstadkommer i vissa fall transienta tryck, som är högre än gasbränslets tryck inuti syste- met. Tryckvågorna avbryter momentant strömningen av gasbränslet in i förbränningsrummet genom sammanpressning och lagring av gasbränslet inuti inmatningssystemet. Det har visat sig att gas- bränslet pressas samman så långt uppströms som gasbränslegren- ledningen, vilken har en avsevärd volym och kan lagra en avse- värd mängd gasbrânsle vid ett extremt högt tryck. Då tryckstör- ningen upphör till följd av att bränsleströmningen avstannar befinner sig det sammanpressade gasbränslet inuti inmatnings- systemet vid ett tryck, som är väsentligt högre än det nominella trycket i förbränningsrummet, och följaktligen strömmar gas- bränslet in i förbränningsrummet med en momentant hög strömnings- hastighet, vilket i sin tur därefter förorsakar en ytterligare tryckvariation eller tryckstörning inuti förbränningsrummet.

Detta förlopp upprepas om och om igen med en hög upprepnings- hastighet vilket förorsakar ett fenomen som är känt såsom dynamisk instabilitet, resonans eller “chugging“, vilket kan resultera i avsevärda skador på komponenterna i gasrutbinmotorn.

Det ovan beskrivna fenomenet inträffar inte i vätskebränslesystem, emedan vätskor är nära nog inkompressibla, och ej heller inträffar fenomenet vid gasformiga bränslen under höga strömningshastigheter emedan gasens tryck inuti inmatningssystemet då är större än storleken på de tryckvariationer, som inträffar inuti förbrännings- rummet. Föreliggande uppfinning avser att övervinna effekten av tryckvariationer eller -störningar inuti förbränningsrummet i ett gasbränsletillförselsystem under förhållanden med liten strömning.

Sådana förhållanden kan inträffa då en gasturbinmotor med dubbel Pugacmanrf 7803266-1 funktion drives med en kombination av vätske- och gasbränslen samtidigt eller med gasbränslen vid liten motoreffekt. Ändamålet med uppfinningen är således att åstadkomma ett svstem för att förhindra skador på komponenterna i en gasturbinmotor förorsakade av tryckvariationer inuti förbränningsrummet.

Ett annat ändamål med uppfinningen är att isolera olika komponenter i gasbränsletillförselsystemet från effekterna av tryckvariationer inuti förbränningsrummet.

Dessa och andra ändamål, vilka kommer att framgå av följande detaljerade beskrivning och åtföljande ritningar, uppnås enligt uppfinningen därigenom att ett gasbränsletillförselsystem av beskrivet slag förses med medel för att hindra tryckstörningar, som uppträder inuti ett förbränningsrum i en gasturbinmotor från att sammanpressa gasbränslet i åtminstone en del av bränsletill- förselsystemet som ärtillordnat motorn,vi1kët uppnås med ett System efllïšt PätentKIaVet 1. Nämnda medel kan utgöras av ett strypelement, som är_beläget inuti en gasbränslematnings- kanal uppströms om en munstycksöppning, som är utförd att spruta bränsle in i förbränningsrummet. Strypelementet upprätthåller åtminstone ett förutbestämt värde på gasbränsletrycket uppströms om strypelementet. Nämnda medel som hindrar tryckvariationer i -förbränningsrummet från att sammanpressa gasbränslet i inmatnings- systemet kan också innefattar shuntorgan för att selektivt leda gasbränslet förbi nämnda stypelement vid uppträdande av ett i förväg valt tillstånd.

Medan uppfinningen,som sökes skydd för,definieras i efterföljande krav, kommer uppfinningen att förstås bättre av följande beskriv- ning med hänvisning till ritningarna, där fig. l är ett block- schema över ett bränsleinsprutningssystem som innefattar en anord- ning enligt uppfinningen, fig. 2 en bild av en del av bränslein- sprutningssystemet enligt fig. l, och fig. 3 visar två kurvor, som anger flödeskarakteristiken som funktion av tryckförhållandet i ett tidigare känt system samt i systemet enligt uppfinningen.

Fig. l visar ett schematiskt diagram över ett bränsleinsprutnings- system med dubbel funktion enligt föreliggande uppfinning, vilket är allmänt betecknat med 20. Bränsleinsprutningssystemet 20 består 'av en vätskebränslekrets 22, som är utförd att leverera bränsle POOR QÜÃLETÉ? 78-03266-1 parallellt med en gasbränslekrets 24, till en gasturbinmotors förbränningsrum 26, av vilket en del är schematiskt visad i fig. l. Systemet 20 är utfört att mata bränsle till förbränningsrummet 26 enligt en av tre arbetsmoder: enbart vätskebränsle, enbart_ gasbränsle eller en kombination av gas- och vätskebränsle. Denna tre-modsfunktion gör det möjligt för gasturbinmotorn att arbeta med användning av ett bränsle, som är mest ekonomiskt vid det ställe där motorn finns.

' I vätskebränslekretsen är anordnat en vätskebränslereservoir 28, en vätskebränslepump 30, som är driven av en drivaxel 32, vilken genom lämpliga, ej visade kugghjul är förbunden med en effekntgång på gasturbinmotorn, en vätskebränslestyrventil 34, en vätskebränslegrenledning 36 samt ett flertal bränsleinjektorer 38, av vilka två ärvisade. Vätskebränsle från reservoiren 28 sättes under tryck av pumpen 30 och levereras till bränslestyr- ventilen 34, vilken bestämmer avgivandet av bränsle till gren- ledningen 36, som svar på önskade krav på motorn avseende speciell utgångseffekt eller utgångshastighet. Grenledningen 36 avger bränsle under tryck till alla vätskebränsleinjektorerna 38, vilka i ett typiskt fall kan vara trettio till antalet i en modern gasturbinmotor och vilka är utförda att spruta bränsle in i förbränningsrummet 26k Injektorerna 38 är utförda att avge vätskebränsle till förbrän- ningsrummet 26 genom en primär kanal 40 och en sekundär kanal 42, vilka är belägna inuti injektorerna 38. En inom tekniken väl känd strömningsdelarventil 44 delar upp det bränsle, som mottages från vätskebränslestyrventilen 34 till ett primärt flödet genom kanalen 40 och ett sekundärt flöde genom kanalen 42 i ändamål att åstadkomma önskade insprutningsmönster vid höga och låga vätskeströmningshastigheter. Strömningsdelarventilerna 44 är nödvändiga i vätskebränslesystem där det är önskvärt att åstad- komma speciella insprutningsmönster av vätskebränsle över ett brett område av vätskeströmningshastigheter. Under sådana omstän- digheter är enkla bränsleinjektorer inte tillräckliga för att åstadkomma de önskade mönstren till följd av de vätskeformiga ~bränslenas inkompressibilitet.

I gasbränslekretsen 24 ingår en gasbränslereservoir 46, en gas- bränslestyrventil 52, en gasbränslegrenledning 54, och ett fler- 78043266-1 tal gasbränsleinjektorer 38. Motorn kan också innefatta en gas- bränslepump 48, som kan vara driven av motorn eller av ett hjälp- system genom axeln 50..Gasbränsle från reservoiren 46 avges till bränslestyrventilen 52, vilken levererar bränsle till injektor- erna 38 med givna hastigheter som är bestämda av kraven på motor- effekt eller hastighet. Gasbränslegrenledningen 54 har i ett typiskt fall en avsevärd strömningslängd för att distribuera bränsle till alla injektorerna 38, vilka är jämnt fördelade omkring förbränningsrummet som kan ha en diameter på upp till och över 0,9 m. Denna storlek på grenledningen 54 motsvarar en inre_kammare med stor volym, vilken är kapabel att lagra en stor volym av sammanpressat gasbränsle.

Injektorerna 38 är utförda att avge gasbränsle till förbrännings- rummet 26 genom en gasbränslekanal 56, i vilken en isolerande anordning eller ventilanordning 68 är anordnat i ändamål att för- hindra dynamisk instabilitet i tillförselsystemets 20 gasflöde.

Närmare bestämt tjänar ventilelementet 68 att hindra tryckvaria- tioner som inträffar inuti förbränningsrummet 26 från att pressa samman gasbränsle i den del av gasbränslekretsen 24, som ligger uppströms om ventilanordningen 68.

I fig. 2 visas en schematisk vy för att åskådliggöra uppfinningen med en del 58 av en typisk injektor 38. Den yttre delen 58 av injektorn 38 har ett primärt vätskebränslemunstycke 60 som står i förbindelse med den primära kanalen 40. Ett sekundärt munstycke 62 är anordnat periferiellt omkring munstycket 60 och står i förbindelse med den sekundära kanalen 42. Ett tredje munstycke 64, som är utfört att spruta gasbränsle in i förbränningsrummet 26, är anbringat periferiellt omkring munstycket 62 och har ett fmertal hål 66, genom vilka gasbränsle sprutas in i förbrännings~ rummet 26. Munstycket 64 står i förbindelse med gasbränslekanalen 56. En anordning 68 är införd i kanalen 56 så att allt gasbränsle som sprutas in i gasturbinens förbränningsrum, först måste passera genom nämnda anordning 68.

Ventilanordningen 68 består av en cylindrisk höljedel 70, som bildar en cylindrisk kammare 72, vilken står i förbindelse med gasbränslekanalen 56. Höljet 70 kan vara skilt från injektorn 38 eller vara en del av densama och har ett strömningsutlopp 71. Ett cylindriskt ventilorgan 74 med ett strömningsinlopp 75 7803266-1 och bestående av ett ventilhuvud 78 och en fjäder 80 skjuter in i kammaren 72. Ventilhuvudet 78 är utfört att röra sig in i ett cylindriskt hålrum 84, som är bildat av organets 74 cylindriska vägg 86. Ventilhuvudet 78 hålles selektivt i tätande kontakt med ventilsätet 82 av fjädern 80. Under förhållanden med liten strömning kommer hela gasbränslet, som flyter i kanalen 56, att strömma i följd genom inloppet 75, den strypta kanalen 88 i ven- tilhuvudet 78 och in i hålrummet 84, genom hål 90 i organet 74, in i kammaren 72, genom utloppet 7l och tillbaka in i gasbränsle- kanalen 56. Under förhållanden med liten strömningshastighet är trycket hos gasbränslet inte tillräckligt för att övervinna fjäderns 80 förspänning och följaktligen förblir ventilhuvudet 78 i tätande kontakt med ventilsätet 82. Det ovan beskrivna för- hållandet med låg strömningshastighet råder i princip då gastur- - binmotorn arbetar samtidigt på både vätske- och gasbränsle.

"Närmare'bestämt är en typisk bränsleströmningsfördelning, som .gäller för samtidig drift, lO% gasbränsle och 90% vätskebränsle.

Under sådana förhållanden strömmar gasbränslet med en relativt låg hastighet och följaktligen är det tryck, vid vilket gasbräns- let levereras till förbränningskammaren, litet. Följaktligen kan tryckvariationer eller tryckstörningar, som inträffar inuti förbränningsrummet, resultera i förbränningstryck, som överstiger trycket hos det gasbränsle, som levereras till förbränningsrumet.

Om man bortser från ventilanordningen 68 kan tryckstörningen passera genom delen 58, genom kanalen 56 och in i grenledningen 54, varvid den förorsakar att gasbränslet pressas samman i dessa delar. Då grenledningen 54 kan ha en väsentlig volym kan en stor mängd gasbränsle pressas samman inuti denna. Då tryckstörningen upphör befinner sigyden sammanpressade gasen vid ett tryck, som är högre än gasbränslets normala insprutningstryck, och följakt- ligen expanderar gasbränslet så att bränslet avges in i förbrän- ningskammaren med en onormal strömningshastighet, vilket i sin tur kan leda till ännu en tryckstörning.

Anordningen 68 tjänar att isolera åtminstone en del av bränslein- sprutningssystemet från effekten av de ovan beskrivna tryckstör- ningarna och håller sammanpressningen av gasbränslet vid ett mini- mum. Med ventilanordningen 68 belägen i gasbränslematningskanalen 56 hindras tryckstörningen från att gå uppströms om ventilanord- ningen 68 och följaktligen hindras tryckstörningar, som inträffar inuti förbränningsrummet, från att pressa samman gasbränslet i ,v_li" *“ i¥ë'Hß!? g FÄÉW 7803266-1 grenledningen 54 som ligger uppströms om anordningen 68. Närmare bestämt upprätthåller styrkanalen 88 ett tryckfall över anordningen 68 så att trycket på gasbränslet uppströms om anordningen 68 all- tid är högre än trycket i förbränningsrummet även då detta tryck ökas genom tryckstörningen. Följaktligen påverkar tryckstörningen inte gasbränslekretsen eller systemet uppströms om anordningen 68.

Under förhållanden med hög strömningshastighet, såsom då gas- turbinmotorn arbetar på enbart gasbränsle, kräver motorn en bränsleströmningshastighet, som överstiger kapaciteten hos den strypta kanalen-88. Enligt uppfinningen är ett flertal shunt- kanaler 92 inrättade i organet 74 i ändamål att leda gasströmmen förbi den strypta kanalen 88 under förhållanden med hög strömning.

Vid ett förutvalt tryckförhållande alstrar gasbränslets tryck en kraft på ventilhuvudet 78 vilken övervinner den förspänningskraft, som utövas av fjädern 80 på ventilhuvudet 78, varigenom således ventilhuvudet 78 lyftes från ventilsätet 82 och gasbränslet till- låtes att strömma in i kammaren 72 genom shuntkanalerna 92, vilka är större än den strypta kanalen 88. Således kan gasbränslet levereras till förbränningsrummet med en högre strömningshastighet då motorn drives på enbart gasbränsle.

Fördelarna med föreliggande uppfinning jämfört med konventionella anordningar framgår av fig. Q. Den streckade kurvan anger flödes- karakteristiken för en konventionell injektor som funktion av förhållandet mellan gasbränslets tryck i grenledningen och trycket i förbränningskammaren. Närmare bestämt är gasbränslets korrigerade strömningshastighet flgjcïšïšš avsatt som funktion av P .. P iår-i dar 3 - P3 Wg = gasbränsleströmningshastigheten Tg = gasbränsletemperaturen Rg = en gaskonstant P3 = förbränningstrycket Pgren = gasbränslegrenledningstrycket; Det har visat sig att tryckförhållandet Pgren/P3 lämpligen skall vara lika med eller större än 1,09 för att bränsledistributions- systemet skall förbli okänsligt för tryckstörningar inuti förbrän- ningsrummet. I ett typiskt fall levereras bränsle under tomgångs- förhållanden med en hastighet av ll kg/h och den strypta kanalen 88 är således dimensionerad för att hålla ett minimitryckförhållande i* Poor Qvinwi " i' 78Ûï3266-"1 8 på 1,09 vid ll kg/h strämningshastighet under tomgångsförhållanden.

Tomgångsdrift är representerat genom punkten A i fig. 3. Utan den strypta kanalen 08 kan man lätt observera att en konventio- nell injektor uppvisar ett tryckförhållande som är väsentligt mindre än 1,09, eller ungefär l,02, vid samma tomgångsströmnings- hastighet (betecknat med "BV i fig. 3). Det observeras också att en konventionell injektor avger gasbränsle med hastigheter på upp till 110 kg/h vid ett tryckförhållande Pgren ligger under det minimala tryckförhållande som är nödvändigt för att_undvika effekterna av förbränningstryckstörningar.

Punkten C i kurvan för den kända tekniken anger att minimitryck- förhållandet 1,09 ej kommer att nås vid en konventionell injek- /P3, som tor förrän bränsleströmningshastigheten är ungefär 110 kg/h.

Denna strömningshastighet ligger nära hastigheten vid full effekt. Följaktligen inses lätt att föreliggande uppfinning ger det önskade tryckförhållandet Pgren/P3 på 1,09 vid en lägre strömningshastighet hos gasbränslet än det som erhålles med en konventionell injektor.

P0 ,

Claims (11)

780326641 Patentkrav

1. System för att tillföra gasbränsle till förbränningsrummet i en gastur- binmotor, vilket system innefattar en bränsleinjektor (38) med en munstycksöpp- ning (64,66) och en kanal (56) för gasbränslematning, som förbinder nämnda mun- stycksöppning med en källa (54) för gasbränsle under tryck, k ä n n e t e c k - n a t av att en ventilanordning (68) är inrättad inuti nämnda matningskanal (56), uppströms munstycksöppningen (64,66), för att upprätthålla gastrycket, uppströms nämnda ventilanordning över ett förutbestämt värde för att hindra tryckstörningar, som uppträder inuti nämnda förbränningsrum (26), från att pres- sa samman gasbränslet i bränsletillförselsystemet uppströms ventilanordningen (68) under perioder, då gasbränsle strömmar genom munstycksöppningen (64,66). _

2. System enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda ventilan- ordning (68) är inrättad att upprätthålla nämnda gastryck vid låg strömnings- hastighet hos gasbränslet genom injektorn (38).

3. System enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda ventilan- ordning (68) är belägen inuti injektorn (38).

4. System enligt krav 1, k ä n n e't e c k n a t av att nämnda ventilan- ordning (68) innefattar ett ett strypelement (88), beläget inuti nämnda mat- ningskanal (Sö), för att upprätthålla gastrycket över ett förutbestämt värde uppströms nämnda munstycksöppning (64,66), samt shuntorgan (92) för att selek- tivt leda gasbränslet förbi strypelementet, som svar på ett i förväg valt till- stånd. _ '

5. S. System enligt krav 4, k ä n n e_t e c k'n a t av'att nämnda shuntorgan innefattar en shuntkanal (9), som bildar en strömningsbana för gasbränslet förbi strypelementet (88), samt att ventilorgan (78,82) är anordnade att selektivt blockera gasbränslets strömning genom shuntkanalen.'

6. System enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda ventilorgan (78,82) är anordnade att blockera gasbränslets strömning genom shuntkanalen (92) vid låg strömningshastighet hos gasbränslet genom injektorn (38).

7. System enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda strypele- ment (88) är beläget inuti injektorn (38).

8. System enligt krav 6, k ä n n ert e c k n a t av att nämnda shuntorgan (92) är belägna inuti injektorn (se). _

9. System enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda strypele- ment (88) är beläget inuti injektorn (38).

10. System enligt krav 1, varvid ett flertal bränsleinjektorer (38) är an- ordnade att spruta gasbränslet under tryck in i förbränningsrummet (26), k ä n- n e t e c k n a t avßattfen¿fördelningsgrenledning (54) är anordnad att ta emot e“*_“"f""'*t lpcrsxøflfiflfifiï o vsøzzse-1 É A? 10 nämnda bräfisle under tryck från källafl oeh fördela det till ihjektorerna, varvid ventilanordningen (68) är inrättad nedströms nämnda fördelníngsgrenledning för att hindra tryckstörningar, som uppträder inuti nämnda förbränningsrum (26), från att pressa samman gasbränslet i fördelningsgrenledningen under fierioder, då gasbränsle strämmar genom bränsleinjektorerna (38).

11. ll. System enligt krav 10, k ä n n e t e c k-n a t av att nämnda ventilan- ordning (68) innefattar ett stryaelement (88) för att upprätthålla gasbränsle- trycket över ett förutbestämt värde 1 nämnda fördelningsgrenledning (54), samt att shuntorgan (92) är inrättade att selektivt shunta nämnda strypelement som I svar på ett i förväg valt tillstånd. amg Qwfmfâ