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Vorrichtung zur hydraulischen Regelung der Brennstoffzufuhr in Brennkammern insbesondere für Gasturbinen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur hydraulischen Regelung der Brennstoffzufuhr in Brennkammern insbesondere für Gasturbinen, wobei die Zufuhr der einzelnen Brennstoffe durch Regelorgane gesteuert wird, die über einen Schaltdruckumformer von einem primären Druckölkreis ihrerseits gesteuert werden.
DieGasturbine ist eine Kraftmaschine, der eine Brennkammer zugeordnet ist, in der verschiedene, u. zw. sowohl flüssige als auch gasförmige Brennstoffe verbrannt werden können. Die Betriebsverhâlt- nisse erfordern manchmal die Verbrennung von zwei oder mehreren verschiedenen Brennstoffen in einer Brennkammer, u. zw. entweder gleichzeitig oder mit kontinuierlichem Übergang während des Betriebes, von einem Brennstoff auf einen andern. Die Brennstoffe können verschiedener Art sein und oft ist es unmöglich, sie mit einem Brennstoff- und Regelsystem in die Brennkammer zu bringen. Man muss in solchen Fällen zwei oder mehrere Brennstoffsysteme und dazugehörige Regelorgane zur Steuerung der Brennstoffzuführung vorsehen.
Bei Anwendung von zwei Brennstoffarten wird der Übergang von einem Brennstoff auf den andern bisher bei abgestellten Aggregat durch Umschaltung der Brennstoffleitungen durchgeführt.
Ein weiteres bekanntes Verfahren besteht darin, zwei flüssige Brennstoffe, z. B. Masut und leichtes Heizöl, in die Brennkammer über dasselbe Regelorgan zuzuführen und das Umschalten geschieht durch Ingangsetzung einer und Abstellen einer andern Brennstoffpumpe. Es ist daher unmöglich, dieses Verfahren für zwei Brennstoffe anzuwenden, von welchen der eine flüssig und der andere fest ist.
Ferner ist ein Verfahren zur gleichzeitigen Verbrennung eines flüssigen und eines gasförmigen Brennstoffes bekannt, bei welchem mit dem flüssigen Brennstoff die Schwankungen in der Zulieferung desgasförmigen Brennstoffes ausgeglichen werden. Die Regelung wird zwar vom Öldruck abgeleitet, aber die Vorrichtung erfüllt die Regelbedingungen nur für den Betrieb mit einem Verdichter, d. h. für das Windblasen in einen Hochofen. Die Vorrichtung ist dazu bestimmt, eine zu geringe Menge zugeführten Gases durch Zufuhr flüssigen Brennstoffes auszugleichen. Sie ist jedoch nicht zur Umschaltung zwischen zwei Brennstoffarten bestimmt.
Es ist auch ein Doppelbrennstoffsystem für zwei flüssige Brennstoffe, nämlich schweres Heizöl und leichte flüssige Brennstoffe, bekannt, bei dem beide Brennersysteme voneinander unabhängig sind und die Brennstoffe vor dem Eintritt in die Hauptbrennstoffpumpe durch ein Umschaltorgan fliessen, so dass bei dieserAnlage nur immer mit einem Brennstoff gefahren werden kann. Selbst eine Verbrennung beider Stoffe gleichzeitig mit einem bestimmten Mischungsverhältnis ist unmöglich.
Schliesslich wurde bereits eine Gasturbinenanlage vorgeschlagen, bei der mittels eines Schaltdruckumformers von einem primären Druckölkreis soviel Druckölschaltkreise mit Drucköl versorgt werden, als Brennstoffe vorhanden sind, und die Regelorgane, welche die Zufuhr der einzelnen Brennstoffe re-
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geln, je mit einem dieser Druckölschaltkreise gesteuert werden. Diese Anlage hat jedoch den Nachteil, dass die Drücke der Impulsöle, die die einzelnen Organe in der Brennstoffzuführung steuern, vom Wert des primären Druckes abhängig sind, der sich aus der Summe der Einzeldrücke zusammensetzt.
Die Erfindung geht von einer bekannten Regeleinrichtung für den Brenner einer Gasturbinenbrennkammer zur gleichzeitigen Verbrennung eines gasförmigenund eines flüssigen Brennstoffes aus, beiwel- cher die Mengen beider Brennstoffe durch je ein Öldrucksystem geregelt werden, wobei die Öldrücke in beiden Systemen durch ein gemeinsames Steuergerät geregelt werden, welches an ein primäres Druck- ölsystem angeschlossen ist.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist nun dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltdruckumformer 'fur jedenDruckolschaltkreis eineEinheit aufweist, die aus einer in einem Gehäuse verschiebbaren Hülse und aus einem in dieser entgegen der Kraft einer Feder bewegbaren Impulskolben sowie aus einem Kol- ben besteht, der einen mit einem Druckschaltkreis verbundenen Raum von einem mit der Abflussleitung in Verbindung stehenden Raum trennt, an der dem letztgenannten Raum zugekehrten Seite von einer
Feder belastet und mit dem einen von zwei gegeneinander bewegbaren Bestandteilen eines Schiebers zur
Steuerung einer Öffnung verbunden ist, die einen Durchflussquerschnitt zwischen den Räumen zu beiden
Seiten des Kolbens begrenzt, wogegen der andere Schieberbestandteil mit dem Impulskolben auf Be- wegung gekuppelt ist.
Durch diese besonders einfache und kompakte Bauweise wird es möglich, dass durch die Veränderung der Lage der Hülsen die Regelung bei beliebigem Verhältnis der zur Verwendung gelangenden Brennstoffe konstant bleibt.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand einer beispielsweisen Ausführungsform für zwei Brennstoffe, einen flüssigen und einen gasförmigen, näher erläutert. Diese Ausführungsform ist in den Zeichnungen veranschaulicht, in welcher Fig. l ein Schaltschema einer erfindungsgemäss arbeitenden Anlage, Fig. 2 einen Schaltdruckumformer im Schnitt, Fig. 3 dessen elektrisches Schaltschema, Fig. 4 das Diagramm des Schaltvorganges, und Fig. 5 das Diagramm des Druckverlaufes des sekundären Impulsöles wieder- gibt.
Wie in Fig. 1 veranschaulicht, besteht die Gasturbinenanlage aus einem Verdichter --1-- einer Tur- bine --2--, einem Generator --3--, einem Anfahrelektromotor --4-- und einer Brennkammer-5-.
In der Brennkammer --5 -- werden entweder nur flüssige Brennstoffe bzw. gasförmige Brennstoffe oder beide Brennstoffe gemeinsam im verschiedenen Verhältnis verbrannt. Der gasförmige Brennstoff wird von einem Regelorgan --6-- und der flüssige Brennstoff wird von einem Regelorgan-7-geregelt. Das Re- gelsystem der Gasturbine ist hydraulisch und arbeitet auf dem Prinzip des Impulsöles.
Eine Zahnradpumpe --8-- saugt das Öl aus einem Behälter --9-- an und liefert unter Druck ste- hendes Öl in das ganze System. Das Regelöl ist durch eine Blende --10-- vom Schmieröl, durch eine
Blende --11-- vom primären Impulsöl im Zweig --1--, durch eine Blende --12-- vom sekundären Im- pulsöl im Zweig --II-- und durch eine Blende --13-- vom sekundären Impulsöl im Zweig --III--ab - getrennt. Der Druck des primären Impulsöles im Zweig --1-- wird von einem Fliehkraftregler-14- einem Anfahrventil --15--, einem Temperaturregler --16-- der Verbrennungsprodukte vor der Turbine oder von irgendeinem andern Regler gesteuert.
Im Zweig --1-- des primären Impulsöles ist ein Schaltdruckumformer --17-- eingeschaltet, der gleichzeitig das sekundäre Impulsöl für die Zweige --li und III-- liefert, mit dem die Regelorgane - -6, 7-- gesteuert werden. Die Kennlinien der Regelorgane sind linear.
Im Zweig --II-- des sekundären Impulsöles ist ein Druckschalter --18-- und im Zweig --III-- ein Druckschalter --19-- angeordnet. Der Druckschalter --18-- steuert einen Elektromotor des
Schaltdruckumformers --17-- und der Druckschalter --19-- steuert einen Elektromotor --21-- des Schaltdruckumformers-17-.
Gemäss Fig. 2 besteht der Schaltdruckumformer aus zwei selbständigen Einheiten. Jede von diesen Einheiten setzt sich aus einer Hülse --22-- zusammen, die mit Hilfe einer Schraubenspindel --23-verschiebbar ist, die in der mit Muttergewinde versehenen Nabe eines Schneckenrades --24-- sitzt und von dem Elektromotor --21 bzw. 20--antreibbar ist. Beide Motoren sind auf das Gehäuse --25- des Umformers aufgesetzt. In jeder Hülse --22-- ist eine Feder --26-- und ein Impulskolben-27-- angeordnet, der mechanisch mit einem Schieber --28-- gekuppelt ist. Die beiden Schieber --28-- steuern die Grösse je einer Öffnung --29-- und somit den Druck des sekundären Öles in denZweigen-II oder III-unter je einem Kolben --30--, der von der andern Seite durch die Kraft der Feder --31-- belastet ist.
Der Impulskolben --27-- wird durch den Druck des primären Impulsöles im Zweig --I--gesteuert.
Das elektrische Schaltschema zeigt Fig. 3. Der Druckschalter --18-- steuert den Elektromotor-20- (einenKommutatormotor) in beidenDrehsinnen, u. zw. nur im Sinne der Druckverminderung des sekundä-
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ren Impulsöles im Zweig --III--. Der Druckschalter --19-- steuert den Elektromotor --21-- nur im
Sinne der Druckverminderung des sekundären Impulsöles im Zweig --II--. Mit einem Schalter --32-- wird der Gang der Elektromotoren --20, 21-- gesteuert. Endschalter --33-- schalten die Elektromo- toren --20, 21-- beim Erreichen der eingestellten Endlage ab.
Der Schaltvorgang verläuft folgendermassen :
Wird die Gasturbine mit flüssigem Brennstoff betrieben, so befindet sich der Schalter --32-- in der Lage --"1" --. Soll auf den Betrieb mit gasförmigem Brennstoff übergegangen werden, so wird der Schal- ter --32-- über die Lage --"0"-- in die Lage --"2"-- verstellt. Somit wird der Stron. zur Wicklung des Elektromotors --20-- geleitet, der mit Hilfe der Gewindenabe des Schneckenrades --24-- und der Schraube-23-- die Hülse-22-- in der Richtung nach oben so lange zu verstellen beginnt, bis der
Druck des sekundären Impulsöles im Zweig --III-- den Wert erreicht, bei welchem der Druckschalter - eingeschaltet und der Strom in die Windung des Elektromotors --21-- geleitet wird.
Dieser
Elektromotor --21-- beginnt mit Hilfe der Gewindenabe des Schneckenrades --24- und der Schraube --23-- die Hülse --22-- in der Richtung nach unten zu verstellen. Der Druck des sekundären Impuls- öles im Zweig --II-- sinkt, während der Druck des sekundären Impulsöles im Zweig III-steigt.
Die Druckvenmînderung des sekundären Impulsöles im Zweig entspricht der Mengenvermin- derung des flüssigen Brennstoffes in die Brennkammer, die Druckerhöhung des sekundären Impulsöles im Zweig --III-- entspricht der Mengenvergrösserung des gasförmigen Brennstoffes in die Brennkammer. Der
Vorgang verläuft so lange, bis der Druck des sekundären Impulsöles im Zweig --II-- gleich Null ist,- (d. h. das Regelorgan des flüssigen Brennstoffes ist geschlossen, der Elektromotor --21-- ist durch den
Endschalter --33-- abgeschaltet) - und sobald der Druck des sekundären Impulsöles im Zweig --III-- den ursprünglichen Wert des sekundären Impulsöles im Zweig --II-- erreicht und der Elektromotor - durch den Endschalter --33-- abgeschalter ist.
Auf diese Weise ist die Brennstoffänderung in die
Brennkammer durchgeführt.
Wenn die Gasturbine auf beide Brennstoffe gleichzeitig betrieben sein soll, wird der Schaltvorgang durch Rückstellen des Schalters --32-- in die Lage --"0"-- im Augenblick des gewünschten gegenseiti- gen Verhältnisses der beiden Brennstoffe unterbrochen.
Der Schaltvorgang ist in Fig. 4 veranschaulicht, wo die Druckveränderung des sekundären Impulsöles in den Zweigen--II, III--in Abhängigkeit von Hub --H-- der Hülse --22-- des Schaltdruckumformers - -17 -- aufgezeichnet ist. --Hc-- ist der Gesamthub der Hülse --22--.
Fig. 5 lässt den Druckverlauf des sekundären Impulsöles in den Zweigen--11, 111--in Abhängigkeit von der Zeit, in der die Schaltung verläuft, erkennen.
In Fig. 4, 5 sind die Abhängigkeiten für zwei verschiedene Anfangsdrücke des Impulsöles in den
Zweigen --II, III-- wiedergegeben. Der Druck-pi--ist der Druck, bei dem die Druckschalter -- 16,
19-- die StromzuleitUng zu den Elektromotoren --20, 21-- einschalten.
PATENT ANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur hydraulischen Regelung der Brennstoffzufuhr in Brennkammern insbesondere für
Gasturbinen, wobei die Zufuhr der einzelnen Brennstoffe durch Regelorgane gesteuert wird, die über einen Schaltdruckumformer von einem primären Druckölkreis ihrerseits gesteuert wird, dadurch
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e k e n n z e i c h n e t, dass der Schaltdruckumformeraufweist, die aus einer in einem Gehäuse (27) verschiebbaren Hülse (22) und aus einem in dieserentgegen der Kraft einer Feder (26) bewegbaren Impulskolben (27) sowie aus einem Kolben (30) besteht, der einen mit einem Druckschaltkreis verbundenen Raum von einem mit der Abflussleitung in Verbindung stehendem Raum trennt, an der dem letztgenannten Raum zugekehrten Seite von einer Feder (31) belastet und mit dem einen (29) von zwei gegeneinander bewegbaren Bestandteilen (28,29)
eines Schiebers zur Steuerung einer Öffnung verbunden ist, die einen Durchflussquerschnitt zwischen den Räull1en zu beiden Seiten des Kolbens (30) begrenzt, wogegen der andere Schieberbestandteil (28) mit dem Impulskolben (27) auf Bewegung gekuppelt ist.