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Brennraumventil, insbesondere für Gasturbinen
Die bisher für intermittierend arbeitende Brennräume verwendeten Brennraumventile sind meist mit eigenen Steuereinrichtungen versehen, die sie unabhängig vom Verbrennungszustand in der Brennkammer periodisch betätigen. Die Steuereinrichtungen sind verhältnismässig kompliziert und haben zufolge der periodischen Betätigung des Ventile & den wesentlichen Nachteil, dass eine mit einem Brennraumventil der bisherigen Bauart ausgestattete Anlage nur dann einigermassen wirtschaftlich arbeitet, wenn die Verbren- nungsverhältnisse bei jedem einzelnen Verbrennungsvorgang etwa gleich bleiben, d. h. wenn normal- sierte Brennstoffe Verwendung finden.
Bei einem Wechsel des Brennstoffes ist es notwendig, die Steuer- einrichtung an die durch den neuen Brennstoff gegebenen Verhältnisse anzupassen, was einer langwierigen und sorgfältigen Arbeit bedarf. Bei geringen Abweichungen der Brennstoffzusammensetzung und bei Fehl- zündungen kommt es bei den bisherigen Ventilen zu hohen Energieverlusten, da das Ventil unabhängig vom Stand der Verbrennung in der Verbrennungskammer öffnet und schliesst, so dass oft die Brennkammer schon über das Ventil geleert wird, wenn der Brennstoff noch nicht oder nur zum Teil verbrannt ist. So- wohl diese Nachteile als auch die komplizierte und störungsanfällige Konstruktion der bisherigen Steuer- einrichtungen für die Brennraumventile stellen die Hauptursache dafür dar, dass bisher bei Gasturbinen intermittierend arbeitende Brennräume nur ungern verwendet werden.
Um die genannten Nachteile wenigstens teilweise zu beseitigen, wurde es schon vorgeschlagen, eine Steuereinrichtung vorzusehen, die beim Überschreiten eines bestimmten Druckes in der Brennkammer ein Öffnen des Ventiles ermöglicht. Zu die- sem Zweck ist das den Brennraum abschliessende Brennraumventil über eine Stange mit einem in einem
Zylinder verschiebbaren Kolben verbunden. Der Kolben selbst ist zweiteilig ausgeführt. An der von der Stange abgewandten Seite des hohl ausgebildeten Kolbens sind Öffnungen vorgesehen, die im Normalzustand durch ein ringförmiges, von einer Feder belastetes Ventil geschlossen gehalten werden. Der Zylinder selbst ist an der der zum Ventil führenden Stange abgewandten Seite an eine Ölzuführung angeschlossen, während im stangenseitigen Ende des Zylinders eine Ölableitung vorgesehen ist.
Beim Betrieb wird der Zylinder und damit der Kolben über eine Pumpe mit Öl beaufschlagt. Sobald der Gasdruck im Brennraum einen bestimmten Wert erreicht hat, wird das Ventil von seinem Sitz abgehoben und gibt damit den Gasaustritt aus dem Brennraum frei. Dabei wird der mit dem Ventil verbundene Kolben im Zylinder entgegen der Ölbeaufschlagung bewegt, wodurch in weiterer Folge das in den Kolben eingebaute Ventil die Kolbenöffnungen frei gibt, so dass das Drucköl in den Kolben eindringen kann, von dem es über eine in der stangenseitigen Stirnfläche des Kolbens vorgesehene Öffnung austritt und schliesslich über den Ölablauf des Zylinders wieder in den Ölkreislauf zurückkehrt.
Um eine einwandfreie Funktion der Steuereinrichtung zu gewährleisten, ist es notwendig, den erwähnten Zylinder stehend anzuordnen, so dass von vornherein schon eine Grundbedingung für die Gesamtkonstruktion gestellt ist, die die Konstruktionsfreiheit einschränkt. Nach dem Öffnen des Ventiles wird, sobald der Druck im Brennraum wieder abgesunken ist, das ringförmige Kolbenventil, der Kolben selbst und damit auch das Brennraumventil durch die Feder in die Ausgangslage zurückgedrückt. Auch diese Steuereinrichtung ist äusserst kompliziert, störungsan- fällig und in der Praxis kaum verwendbar. Zur Steuerung des Ventiles ist ein eigener Ölkreislauf mit eigenem Antrieb notwendig.
Um eine Steuerung der Ölzufuhr zu Brennern zu ermöglichen, wurden schon Doppelsitzventile, die unter Federdruck stehen, vorgeschlagen. Ein solches Ventil weist einen abgesetzten Kolben auf, der in einem ebenfalls abgesetzten Zylinder geführt ist, so dass die im Durchmesser kleinere Kolbenpartie in dem im Durchmesser kleineren Zylinderteil sitzt. Die grössere Kolbenpartie trägt an ihrer Stirnseite ein Kegelventil, das normalerweise eine in der Stirnseite des Zylinders vorgesehene Öffnung abschliesst. Um das
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sichere Abschliessen zu gewährleisten, ist der Kolben durch eine Druckfeder belastet. Von der grösseren zur kleineren Stirnfläche des Kolbens führt ein Kanal, in dem eine Drosselstelle vorgesehen ist.
Die grö- ssere Stirnfläche des Kolbens ist über eine Leitung, die im Zylinder mündet, von einer zum Brenner führenden Öldmckleitung her mit Öl beaufschlagbar. während die abgesetzte Kolbenfläche von dem zur i Dmckölpumpe führenden Ölzulauf beaufschlagt ist. An die vom Kegelventil abgeschlossene Zylinderöffnung schliesst ein im Ölzulauf mündender Ablauf an. Beim Betrieb wird, wie erwähnt die grössere Kolbenstirnfläche direkt von der Öldruckleitung her beaufschlagt. Die kleinere Kolbenstirnfläche wird über den mit der Drosselstelle versehenen Kanal ebenfalls von der Öldruckleitung beaufschlagt.
Tritt ein den vorbestimmten Wert übersteigender Druck in der Öldruckleitung auf, dann wird der Kolben gegen die Wirkung der Feder und des auf die kleinere Kolbenstirnfläche wirkenden Öldruckes verstellt, so dass das Kegelventil öffnet und ein Teil des Drucköls von der Öldruckleitung in die Ölzulaufleitung zurückfliessen kann. Um eine weitere Steuerung zu ermöglichen, kann die kleinere Kolbenstirnseite auch zusätzlich über eine im Zylinder mündende Leitung von einem Regelventil her mit Öl beaufschlagt werden. Je nach dem auf die kleinere Kolbenstirnfläche wirkenden Öldruck wird der Druck, bei dem es zu einem Öffnen oder Schliessen des Ventiles kommt, verkleinert oder vergrössert.
Die Erfindung betrifft nun ein insbesondere für Gasturbinen bestimmtes Brennraumventil, bei dem ein unter Federdruck stehendes Doppelsitzventil Verwendung findet. Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, dass die Schliessfeder für das Doppelsitzventil in einer im Ventilgehäuse vorgesehenen Kammer angeordnet ist, die über Druckausgleichkanäle mit dem Brennraum in Verbindung steht, wobei der eine Ventilteller das Abschlussorgan für den Brennraum und der andere Ventilteller den Abschluss für die mit dem Brennraum durch die Ausgleichskanäle in Verbindung stehende Kammer bildet.
Durch die erfindungsgemässe Ausführung wird erreicht, dass die Druckbeaufschlagung des die Kammer abschliessenden Ventiltellers der Druckbeaufschlagung des das Abschlussorgan für den Brennraum bildenden Ventiltellers kompensiert, so lange der Druck etwa konstant bleibt bzw. der Druckanstieg einen bestimmten Wert pro Zeiteinheit nicht überschreitet. Kommt es dagegen zu einem explosionsartigen Druckanstieg im Brennraum, dann kann der Druck in der Kammer zufolge der Drosselwirkung der Kanäle nur langsamer ansteigen als der Druck im Brennraum und es wird daher das Ventil gegen die Federwirkung geöffnet werden.
Nach dem Austritt der Verbrennungsgase und dem Absinken des Druckes bis zu dem durch die Feder bestimmten Wert wird das Ventil wieder schliessen.
Um eine kompakte und einfache Konstruktion des gesamten Ventiles zu gewährleisten, ist erfindungsgemäss der die beiden Ventilkörper des Doppelsitzventiles tragende Schaft in einem inneren Fortsatz des Ventilgehäuses geführt. Die druckbeaufschlagten Flächen der beiden Ventilkörper können gleich oder auch verschieden gross gewählt werden, je nach dem wie es die jeweiligen Verhältnisse fordern. Es ist dabei zweckmässig, wenn die Beaufschlagungsfläche des Ventilkörpers für die Druckausgleichskammer dem Ladungsdruck im Brennraum angepasst ist. In allen Fällen soll die Ladegeschwindigkeit des Brenn-
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mer grösser als die Beaufschlagungsfläche des den Brennraum abschliessenden Ventilkörpers gehalten ist.
Das Ventil kann weiterhin an die durch die Ladegeschwindigkeit des Brennraumes und den Ladungsdruck gegebenen Verhältnisse durch eine entsprechende Wahl der Durchmesser und der Anzahl der Druckaus- gleichskanäle angepasst werden. Bei gleich grossen beaufschlagten Ventilkörperflächen wird man bei hohen Ladegeschwindigkeiten und hohem Ladungsdruck des Brennraumes eine grössere Anzahl von Druckausgleichskanälen bzw. Druckausgleichskanäle mit grösserem Durchmesser verwenden als bei kleinerer Ladegeschwindigkeit und kleinerem Ladungsdruck.
Da beim erfindungsgemässen Ventil der das Ventil in der Schliessstellung haltende Gegendruck vom Brennraum abgezweigt wird und nicht durch zusätzliche Einrichtungen erzeugt werden muss, ist es möglich, die Grösse des Ventiles in Abhängigkeit von der gewünschen Leerungsgeschwindigkeit des Brennraumes zu dimensionieren. Da das erfindungsgemässe Ventil ohne äussere Steuerung arbeitet, ist es möglich, eine praktisch vollständige Verbrennung des Brennstoffes zu bewirken, wobei im Brennraum mit hohen Drücken und hohen Temperaturen gearbeitet werden kann.
In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel ein erfindungsgemässes Ventil Im Längsschnitt und in Draufsicht dargestellt.
Das Ventil nach den Fig. 1 und 2 besitzt ein Ventilgehäuse a, das an der einen Stirnseite eine mit einem Ventilsitz b versehene Öffnung aufweist. In den Ventilsitz greift ein Ventilkörper h ein. In der andem Stirnfläche des Ventilgehäuses a ist eine Höhlung vorgesehen, die durch einen Deckel c zu einer Kammer d abgeschlossen ist. Die Kammer besitzt eine ebenfalls mit einem Ventilsitz f ausgestattete Öff-
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nung, die durch einen Ventilkörper g abschliessbar ist. In der Kammer d ist noch eine Druckfeder e untergebracht, die die beiden über einen Schaft des Ventilkörpers h miteinander verbundenen Ventilkörper h und g gegen die Ventilsitze b und f drückt. Von der Kammer d führen DruckÅausgleichskanäle i durch das Ventilgehäuse zu dessen mit dem Ventilsitz ausgestatteten Stirnfläche.
Der Schaft des Ventilkörpers h ist in einem inneren Fortsatz 1 des Ventilgehäuses verschiebbar geführt. Schliesslich ist das Ventilgehäuse noch mit Austrittsöffnungen k versehen. Wenn in dem durch das Ventil abgeschlossenen Brennraum der Druck gleichförmig ansteigt, dann wirkt dem auf die Aussenfläche des Ventilkörpers k wirkenden Druck der über die Ausgleichskanäle i und die Druckausgleichskammer d auf den Ventilkörper g wirkende Druck entgegen, so dass die Feder e beide Ventile in ihrer an den Ventilsitzen b bzw. f anliegenden Schliessstellung hält.
Bei schnellem, etwa durch die Zündung des Gasluftgemisches im Brennraum bewirktem Druckanstieg kann der Druck in der Druckausgleichskammer d zufolge der Drosselwirkung der Druckausgleichskanäle i nicht so schnell ansteigen wie im Brennraum, so dass die Ventilkörper h und g gegen die Wirkung der Feder e von den Ventilsitzen b und f abgehoben werden und die Verbrennungsgase über die Öffnungen k austreten können. Nach Absinken des Druckes im Brennraum werden die Ventilkörper g und h wieder in die Schliessstellung gedrückt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Brennraumventil, insbesondere für Gasturbinen unter Verwendung eines unter Federdruck stehenden Doppelsitzventiles, dadurch gekennzeichnet, dass die Schliessfeder (e) für das Doppelsitzventil in einer im Ventilgehäuse (a) vorgesehenen Kammer (d) angeordnet ist, die über Druckausgleichskanäle (i) mit dem Brennraum in Verbindung steht, wobei der eine Ventilteller (h) das Abschlussorgan für den Brennraum und der andere Ventilteller (g) den Abschluss für die mit dem Brennraum durch die Ausgleichskanäle in Verbindung stehende Kammer bildet.