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Dokumentenidentifikation DE102005048017A1 12.04.2007
Titel Brennstoff-und Ölsystem einer Gasturbine
Anmelder Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG, 15827 Dahlewitz, DE
Erfinder Gleeson, Alan, 12101 Berlin, DE;
Pisseloup, Arnaud, 10115 Berlin, DE
Vertreter Hoefer & Partner, 81545 München
DE-Anmeldedatum 06.10.2005
DE-Aktenzeichen 102005048017
Offenlegungstag 12.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.04.2007
IPC-Hauptklasse F01M 5/00(2006.01)A, F, I, 20051006, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F02C 7/224(2006.01)A, L, I, 20051006, B, H, DE   F02C 7/06(2006.01)A, L, I, 20051006, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoff- und Ölsystem einer Gasturbine mit einem Brennstoffsystem (1), welches eine Niederdruck-Brennstoffpumpe (3), einen dieser nachgeordneten ersten Wärmetauscher (4) sowie eine Hochdruck-Brennstoffpumpe (5) umfasst, mit einem Ölsystem (2), welches eine Ölpumpe (6) umfasst, deren Auslassleitung (7) mit dem ersten Wärmetauscher (4) verbunden ist und dessen Auslassleitung (8) mit Lagerkammern (9) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Wärmetauscher (10) in einer Brennstoffrückführleitung (11), welche vom Auslass der Hochdruck-Brennstoffpumpe (5) zum Einlass der Hochdruck-Brennstoffpumpe (5) führt, angeordnet ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoff- und Ölsystem einer Gasturbine nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, ein Ölsystem mit einem Brennstoffsystem mittels eines Wärmetauschers zu koppeln, um die Wärme aus dem Ölsystem in das Brennstoffsystem abzuleiten. Das Grundprinzip besteht darin, einen Wärmeausgleich der durch die Gasturbine erzeugten Wärme mit einem Kühlmedium durchzuführen. Dabei ist der Brennstoff das Haupt-Kühlmedium für die Wärmeregulierung des Ölsystems. Die Wärmeübertragung erfolgt mittels eines Wärmetauschers, eines so genannten brennstoffgekühlten Wärmetauschers.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, den Wärmetauscher entweder in der Hauptbrennstoffleitung zwischen einer Niederdruck-Brennstoffpumpe und Hochdruck-Brennstoffpumpe anzuordnen oder in einer Rücklaufleitung um die Hochdruck-Brennstoffpumpe. In dem Ölsystem kann der Wärmetauscher entweder in einer Zuführleitung vor den Verbrauchern (beispielsweise Lagerkammern) angeordnet sein oder in einer kombinierten Rücklaufleitung, bevor das Öl in den Öltank rückgeführt wird. Bei diesen Ausgestaltungen ist nur ein Wärmetauscher vorgesehen.

Als nachteilig erweist es sich dabei, dass eine relativ große Ölmenge erforderlich ist, um die nötige Sicherheit zu schaffen und um auf alle Betriebsparameter reagieren zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoff- und Ölsystem einer Gasturbine der eingangs genannten Art zu schaffen, welches bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit ein hohes Maß an Betriebssicherheit gewährleistet und sich durch geringes Gewicht auszeichnet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß ist es somit vorgesehen, zwei Wärmetauscher vorzusehen. Dabei können die zwei Wärmetauscher entweder als zwei körperlich getrennte Einheiten ausgebildet sein oder als zwei unabhängige, in einem Wärmetauscher realisierte Einheiten.

Die beiden Wärmetauscher sind in dem Brennstoffsystem so vorgesehen, dass die Druckverluste in dem Brennstoffsystem durch die Wärmetauscher minimiert werden, während die Wärmeübertragung von dem Ölsystem auf den Brennstoff optimiert wird.

Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, einen bevorzugterweise kleineren Wärmetauscher in der Hauptbrennstoffleitung zwischen der Niederdruck-Brennstoffpumpe und Hochdruck-Brennstoffpumpe vorzusehen, während ein zweiter (größerer) Wärmetauscher in der Brennstoffrückführleitung angeordnet ist. Die Brennstoffrückführung erfolgt dabei bevorzugterweise um die Hochdruck-Brennstoffpumpe.

Eine derartige Ausgestaltung erlaubt es, den Brennstoffluss durch den ersten Wärmetauscher zwischen der Niederdruck-Brennstoffpumpe und der Hochdruck-Brennstoffpumpe zu reduzieren. Somit ergibt sich ein geringerer Druckverlust über den ersten Wärmetauscher. Dies bedeutet, dass die Dimensionierung der Niederdruck-Brennstoffpumpe verringert werden kann, da deren erforderlicher Auslassdruck reduziert wird. Weiterhin ist der Brennstoffluss durch den ersten Wärmetauscher der gleiche, wie der aktuelle Brennstoffbedarf zu den Brennern der Gasturbine, da die Brennstoffrückführung um die Hochdruck-Brennstoffpumpe erfolgt. Dieser Brennstoffluss ist wesentlich geringer als der Brennstoffluss in der Rückführleitung, welche durch den zweiten Wärmetauscher geht. Dies bedeutet, dass für eine vorgegebene Wärmeabführungskapazität des ersten Wärmetauschers, bei einer niedrigeren Brennstoff-Flussrate, der Temperaturanstieg in dem Brennstoff größer ist und höhere Brennstofftemperaturen (innerhalb der Betriebsgrenzen) möglich sind. Dies wiederum führt zu einer geringeren Viskosität, welche wiederum zu einem geringeren Druckverlust führt.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung weist somit den Vorteil auf, dass der Brennstoffluss durch den Brennstoffilter geringer ist. Hierdurch ist es möglich, diesen kleiner zu dimensionierenden.

In dem Ölsystem fließt das Öl zuerst durch den ersten Wärmetauscher, wo die meiste Wärme an den Brennstoff abgegeben wird. Anschließend fließt das Öl durch den zweiten Wärmetauscher, wo eine zusätzliche Wärmeübertragung stattfinden kann.

In dem Ölsystem kann in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ein Bypass-Ventil (Rückführ-Absperrelement) zwischen dem ersten Wärmetauscher-Auslass und dem Einlass des zweiten Wärmetauschers vorgesehen sein, sodass ein Teil des gesamten Ölflusses um den zweiten Wärmetauscher herumgeleitet werden kann. Dies ermöglicht die Steuerung der Brennstofftemperatur in dem Falle, dass die zulässigen Maximalwerte erreicht sind. Das Bypass-Ventil kann gegen jeden vorgegebenen Parameter geregelt/gesteuert werden, beispielsweise hinsichtlich der Brennstofftemperatur am Auslass der FMU (fuel metering unit).

Für den Kaltstart ist das Ölsystem bevorzugterweise mit zumindest einer Bypass-Leitung versehen, sodass der Druckverlust des Öls durch das Ölsystem minimiert wird. Es ist möglich, nur einen Bypass vorzusehen, welcher sowohl den ersten Wärmetauscher als auch den zweiten Wärmetauscher umgeht. Andere Ausgestaltungsformen der Erfindung können nur einen Bypass um den ersten Wärmetauscher vorsehen. Alternativ hierzu ist es auch möglich, einen Bypass um den ersten Wärmetauscher auszubilden und einen zweiten Bypass um den zweiten Wärmetauscher vorzusehen, die jeweils über ein steuerbares/regelbares Bypass-Ventil (Absperrelement) regelbar bzw. steuerbar sind.

Sofern nur ein Bypass um den ersten Wärmetauscher vorgesehen ist, kann die Wärme des Brennstoffs von der Hochdruck-Brennstoffpumpe verwendet werden, um das Öl zu erwärmen, welches durch den zweiten Wärmetauscher fließt. Dies bringt den Vorteil, dass die Öltemperatur in der Zuführungsleitung angehoben werden kann, sodass sich ein geringerer Druckabfall über die Zuführleitung ergibt, welcher einen direkten positiven Einfluss auf die Belastung der Ölpumpe hat.

Wenn nur ein Bypass um den ersten Wärmetauscher vorgesehen ist und ein steuerbarer/regelbarer Bypass um den zweiten Wärmetauscher, ergeben sich die gleichen Vorteile, wie oben erwähnt, jedoch mit der Möglichkeit, die Wärmeaufnahme des Öls von dem Brennstoff durch den zweiten Wärmetauscher zu steuern/regeln. Das steuerbare/regelbare Absperrelement/Ventil kann gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel gegen jeden spezifizierten Parameter gesteuert/geregelt werden, beispielsweise gegen die Brennstofftemperatur am Auslass der FMU oder die EEC-Brennstoff-Temperaturmessung.

Durch die erfindungsgemäße Lösung ergibt sich somit ein geringerer thermischer Stress an der Niederdruck-Brennstoffpumpe, da die Abkühlung/Wärmeübertragung des Öls in zwei Teilbereiche unterteilt wird. Hierdurch ergibt sich eine Optimierung der Kühlung durch einen kleineren Wärmetauscher mit einem geringeren Druckverlust, welcher stromab der Niederdruck-Brennstoffpumpe angeordnet ist, in Kombination mit einem weiteren (zweiten) Wärmetauscher, welcher in der Brennstoffrückführleitung um die Hochdruck-Brennstoffpumpe angeordnet ist, wodurch sich ein höherer Druckverlust um den zweiten Wärmetauscher einstellen kann, welcher sich auf einem längeren und/oder dichteren Wärmetauscher ergeben kann.

Durch die Regulierung des Ölflusses, welcher in der Brennstoffrückführleitung durch den ersten Wärmetauscher fließt, ist es möglich, die Brennstofftemperatur in optimaler Weise zu regeln, insbesondere hinsichtlich einer verbesserten SFC und die Brennstofftemperatur in einem engerem Bereich zu steuern/regeln. Weiterhin kann die Einstellung einer exakteren Brennstofftemperatur zu einer Verbesserung der Genauigkeit der Brennstoffzumesseinheit (FMU) führen.

Da in den Bypass-Leitungen Bypass-Ventile in dem Ölsystem um die Wärmetauscher vorgesehen sind, kann die Belastung der Ölpumpe während eines Kaltstarts und während des Betriebes bei kalten Außentemperaturen durch die Wärmeaufnahme des Öls von dem Brennstoff in dem Wärmetauscher, der in der Brennstoffrückführleitung angeordnet ist, reduziert werden.

Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, zwei Wärmetauscher in dem Brennstoffsystem vorzusehen, einen in der Haupt-Brennstoffleitung zwischen der Niederdruck-Brennstoffpumpe und der Hochdruck-Brennstoffpumpe, den anderen in der Rückführleitung um die Hochdruck-Brennstoffpumpe.

Der Ölfluss erfolgt erfindungsgemäß durch beide Wärmetauscher, beginnend mit dem Wärmetauscher in der Haupt-Brennstoffleitung und nachfolgend mit dem Wärmetauscher in der Brennstoffrückführleitung. Durch die zunächst erfolgende Durchführung durch den Wärmetauscher in der Haupt-Brennstoffleitung wird die höchste Wärmeübertragungseffektivität erreicht, da sich hierbei die größte Temperaturdifferenz zwischen dem Öl und dem Brennstoff am Einlass des ersten Wärmetauschers ergibt (maximale Öltemperatur und minimale Brennstofftemperatur). Hierdurch ist es möglich, diesen Wärmetauscher kleiner zu dimensionieren.

Erfindungsgemäß ist es auch möglich, ein steuerbares/regelbares Bypass-Ventil vorzusehen, welches den gesamten Ölfluss oder einen Teil des Ölflusses um den zweiten Wärmetauscher in der Brennstoffrückführleitung steuert/regelt, um eine optimale Brennstofftemperatur an den Brennern sicherzustellen und engere Toleranzen der Brennstofftemperatur an der FMU zu erzielen, wodurch sich die Steuerung/Regelung des Brennstofflusses ergibt, was sich wiederum auch auf die SFC auswirkt. Durch den weiteren Bypass in der Ölseite um den ersten Wärmetauscher in der Haupt-Brennstoffleitung ergibt sich eine geringere Belastung der Ölpumpe bei Betrieb der Gasturbine bei kälteren Umgebungstemperaturen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Brennstoff- und Ölsystems gemäß dem Stand der Technik,

2 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,

3 ein zweites Ausführungsbeispiel Erfindung, und

4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die 1 zeigt zunächst ein Brennstoffsystem 1 mit einem Brennstofftank 16, aus welchem Brennstoff einer Niederdruck-Brennstoffpumpe 3 zugeführt wird. Dieser nachgeordnet ist ein erster Wärmetauscher 4 vorgesehen. Der aus diesem austretende Brennstoff wird durch einen Brennstoffilter 17 geleitet und gelangt in eine Hochdruck-Brennstoffpumpe 5. Von dieser gelangt der Brennstoff zu einer Brennstoffzumesseinheit (FMU) 18, welche den Brennstoff einem oder mehreren Brennern 19 zuführt. Von der Hochdruck-Brennstoffpumpe 5 zweigt eine Rückführleitung 20 ab, durch welche Brennstoff zum Auslass der Niederdruck-Brennstoffpumpe 3 rückgeführt werden kann.

Das in 1 gezeigte Ölsystem 2 umfasst eine Ölpumpe 6 mit einem nachgeordneten Ölfilter 21. Von diesem aus strömt das Öl durch eine Auslassleitung 7 zu dem ersten Wärmetauscher 4 und durch eine zweite Auslassleitung 8 zu Lagerkammern 9 oder anderen Verbrauchern. Weiterhin ist eine Bypass-Leitung 22 für Kaltstartbedingungen vorgesehen, welche mit einem Bypass-Ventil 23 versehen ist.

Die 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem zusätzlich zu dem ersten Wärmetauscher 4 ein zweiter Wärmetauscher 10 vorgesehen ist, der in einer Brennstoffrückführleitung 11, die vom Auslass der Hochdruck-Brennstoffpumpe 5 zum Einlass der Hochdruck-Brennstoffpumpe 5 führt, angeordnet ist. Das aus dem ersten Wärmetauscher 4 austretende Öl wird über eine Leitung 24 dem zweiten Wärmetauscher 10 zugeführt und gelangt von diesem in die Lagerkammern/Verbraucher.

Die 2 zeigt weiterhin ein regelbares/steuerbares Absperrelement 12, welches in einer Bypass-Leitung 13 vorgesehen ist, die sowohl den ersten Wärmetauscher 4 als auch den zweiten Wärmetauscher 10 umgeht und insbesondere für Kaltstartbedingungen oder kalte Außentemperaturen vorgesehen sein kann.

Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Bypass-Leitung 13 mit dem Absperrelement 12 so angeordnet, dass lediglich der erste Wärmetauscher 4 umströmt werden kann, während auch bei Kaltstartbedingungen das Öl dem zweiten Wärmetauscher 10 zugeführt wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel der 4 ist, zusätzlich zu der Ausgestaltung, welche in 3 gezeigt ist, eine zusätzliche Bypass-Leitung 15 mit einem Absperrelement 14 vorgesehen, um selektiv entweder den ersten Wärmetauscher 4 oder den zweiten Wärmetauscher 10 zu umgehen.

1
Brennstoffsystem
2
Ölsystem
3
Niederdruck-Brennstoffpumpe
4
erster Wärmetauscher
5
Hochdruck-Brennstoffpumpe
6
Ölpumpe
7
Auslassleitung
8
Auslassleitung
9
Lagerkammer
10
zweiter Wärmetauscher
11
Brennstoffrückführleitung
12
Absperrelement
13
Bypass-Leitung
14
Absperrelement
15
Bypass-Leitung
16
Brennstofftank
17
Brennstoffilter
18
FMU
19
Brenner
20
Rückführleitung
21
Ölfilter
22
Bypass-Leitung
23
Bypass-Ventil
24
Leitung


Anspruch[de]
Brennstoff- und Ölystem einer Gasturbine mit einem Brennstoffystem (1), welches eine Niederdruck-Brennstoffpumpe (3), einen dieser nachgeordneten ersten Wärmetauscher (4) sowie eine Hochdruck-Brennstoffpumpe (5) umfasst, mit einem Ölsystem (2), welches eine Ölpumpe (6) umfasst, deren Auslassleitung (7) mit dem ersten Wärmetauscher (4) verbunden ist und dessen Auslassleitung (8) mit Lagerkammern (9) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Wärmetauscher (10) in einer Brennstoffrückführleitung (11), welche vom Auslass der Hochdruck-Brennstoffpumpe (5) zum Einlass der Hochdruck-Brennstoffpumpe (5) führt, angeordnet ist. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher (4) kleiner ist als der zweite Wärmetauscher. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit einem regelbaren/steuerbaren Absperrelement (12) versehene Bypass-Leitung (13) Öl um den ersten Wärmetauscher (4) leitet. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit einem regelbaren/steuerbaren Absperrelement (12) versehene Bypass-Leitung (13) Öl um den ersten Wärmetauscher (4) und den zweiten Wärmetauscher (10) leitet. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine separate Bypass-Leitung (13, 15) vorgesehen ist, welche jeweils mit einem regelbaren/steuerbaren Absperrelement (12, 14) versehen ist, um selektiv Öl entweder um den ersten Wärmetauscher (4) oder den zweiten Wärmetauscher (10) zu leiten.






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