Brennstoffzufuhreinrichtung einer Gasturbinenanlage Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist. eine Brennstoffzufuhreinrichtung einer Gasturbinenanlage.
Normalerweise besitzt. eine Gasturbinen anlage einen Kompressor, eine vom letzteren mit komprimierter Luft. belieferte Verbren nungseinrichtung und eine Turbine, welche an den Verbrennungsprodukten aus der Ver- brcnnnug;seinriehtung angetrieben wird und -elche ihrerseits den Kompressor der Anlage antreibt. Die Brennstoffzufuhreinrichtung einer fTaslurbiiienanlage umfasst üblicher weise Brennstoffeinspritzvorrichtungen, mit tels welchen der Verbrennungseinrichtung der Anlage Brennstoff zugeführt wird und eine die Einspritzvorrichtungen mit. Brenn stoff speisende Brennstoffpumpe.
Erfindungsgemäss besitzt die Brennstoff zufu.hreinriehtung einer Gasturbinena.nlage Brennstoffeinspritzvorrichtungen zur Zufuhr von Brennstoff in eine zwischen einem Kom pressor und einer Turbine der Anlage ange ordnete Verbrennungseinrichtung, eine Zen- trifugalpunipe zur Förderung von Brennstoff zu den Brennstoffeinspritzvorrichtungen, welche Zentrifugalpumpe durch einen Luft motor antreibbar ist, der seinerseits mittels vom Kompressor der Anlage komprimierter Luft antreibbar ist,
sowie eine von der Anlage antreibbare Pumpe der Verdrängerbauart, welche parallel zur Zentrifilga.lpumpe ge schaltet ist und zur Förderung von Brenn- Stoff in den gleichen Verbrennungsraum wie die genannte Zentrifuga.lpumpe bestimmt ist. Die Pumpe der Verdrä.ngerbauart kann eine Pumpe mit bei konstanter Drehzahl konstan ter Fördermenge, z. B. eine Zahnradpumpe, sein.
Der Luftmotor zum Antrieb der Zentri- fuga.lpumpe ist zweckmässig eine Luftturbine. Zufolge der genannten Ausbildung ist kein mechanischer Antrieb hoher Drehzahl zwischen der Anlage und der Zentrifugal pumpe erforderlich.
Das Problem der Küh lung des durch die Zentrifugalpumpe bei ge ringer Fördermenge und grosser Maschinen drehzahl geförderten Brennstoffes kann da durch gelöst. -erden, dass die Zufuhr von An triebsluft zum Luftmotor in geeigzleter \eise reguliert wird, wodurch auch die Drehzahl der Zentrifugalpumpe reguliert wird; diese Regulierung erfolgt zweckmässig in Abhän gigkeit von der gewünschten Brennstoff förderung.
Einige Ausführungsbeispiele der Brenn- stoffzufuhreinrichtung nach der Erfindung sind in der beiliegenden Zeichnung darge stellt; es zeigt: Fig. 1 eine Gasturbinenanlage mit zu gehöriger Brennstoffzufuhreinrichtung, Fig. 2 eine Einzelheit eines zweiten Bei spiels einer Brennstoffzufuhreinrichtung,
Fig. 3 eine Variante des Beispiels nach Fig. 2 und Fig. 4 ein drittes Beispiel einer Brenn- stoffzufuhreinrichtung.
Die Gasturbinenanlage nach Fig. 1 besitzt einen mehrstufigen Axialströmungskampres- sor 10, der an eine von ihm mit komprimier ter Luft gespeiste Verbrennungseinrichtung 11 angeschlossen ist. Der Verbrennungsein richtung 11 wird mittels Brennstoffeinspritz- vorrichtungen 12 Brennstoff zugeführt.
Die Brennstoffeinspritzv orrichtungen können so angeordnet sein, dass Brennstoff entweder in Richtung stromaufwärts oder in Richtung stromabwärts oder in Richtung quer zur Ga.s- strömungsrichtung in der Verbrennungsein richtung in die letztere eingespritzt wird.
Die Brennstoffeinspritzvorriehtungen sind als Zerstäuber ausgebildet und besitzen eine Wirbelkammer, die eine als einzigen Brenn stoffauslass der Einspritzvorrichtung die nende Auslassöffnung besitzt. Die Ausla.3- öffnung ist so geformt, dass der aus ihr aus tretende Brennstoffstrahl die Form eines hohlen Kegels besitzt. Aus der Verbren nungseinriehtung werden die Verbrennungs produkte der Turbine 13 zugeführt, welelie durch diese Verbrennungsprodukte angetrie ben wird. Die Abgase der Turbine 13 werden. in die Atmosphäre ausgestossen.
Wenn es sich bei der Gasturbinenanlage um ein Strahl triebwerk handelt, werden die Turbinen abgase durch eine Abgasleitung 16 und ein Strahlrohr 14 geführt, an deren Ausla.ssende eine Schubdüse 15 angeordnet ist. Der Turbi nenrotor 13 ist durch eine Welle 17 mit dem Kompressorrotor 10a antriebsverbunden. Die Turbine kann ein- oder mehrstufig ausgebil det sein.
Zur Speisung der Brennstoffeinspritz- vorrichtungen 12 sind diese an ein Verteil- rohr 23 angeschlossen, das durch eine Leitung 19 mit dem Auslass einer Zentrifugalpiunpe 18 in Verbindung steht. Der Einlass der Pumpe 18 ist durch eine Leitung 20 mit einem Brennstofftank 21 verbunden.
Zum Ausgleich des in der Leitung 20 zwischen dem Tank 21 und dem Einlass der Zentrifu- galpumpe 18 auftretenden Druckverlustes und zur Erzielung eines kleinen Überdruckes im Einlass der Zentrifugalpumpe 18 ist. beim gezeichneten Beispiel eine Zuführpampe 22 vorgesehen. In der Leitung 19 ist eine Drossel 24 angeordnet zur Regulierung des Brenn stoffstromes von der Pumpe 19 zu den Ein- spritzvorriehtungen 12. Die Drossel 24 wird mittels einer Brennstoffsteuervorriehtung 2-1a gesteuert.
Parallel zur Zentrifugalpunipe 18 ist eine Zahnradpumpe 25 angeordnet, deren Einlass an die gleiche Brennstoffquelle angeschlossen ist. wie die Zentrifugalpu.mpe 18. Die Zahn radpumpe 25 fördert Brennstoff zur gleichen Verbrennungseinriehtung 11 wie die Zentri- fugalpumpe 18. Die Zahnradpumpe 25 wird über eine Leitung 26 durch die Zuführpunipe 22 mit. Brennstoff gespeist.
Beine Ausfüh rungsbeispiel nach. Fig. 1 fördert. die Zahn radpumpe 25 Brennstoff durch eine Auslass- leitung 27 in die Förderleitung 19 der Zentri- fugalpumpe 18.
Am Auslass der Zentrifugal pumpe 18 ist ein Riicksehlagvent.il 28 vor gesehen, uni zu verhindern, dass von der Zahnradpumpe 25 geförderter Brennstoff bei niedrigen Drehzahlen der Zentrifugalpumpe durch die 7,enti-ifiigalptunpe 18 rückwärts strömt.
Auch in der Auslassleitung 27 ist ein Rücksehlagv ent.il 36 angeordnet, wobei die Leitung 2 7 durch eine Rückströmleitung 37, in welcher ein tTberdrnekventil 38 angeordnet ist, mit -der Leitung '30 verbunden ist. Das Ventil 38 bewirkt ein Konstanthalten des Brennstoffdruekes in der Auslassleitung 27 stromaufwärts des Uberdruekventils 36.
In den Leitungen 19 und 27 sind mitein ander gekoppelte Abstellhahnen 39 angeord net. Beim Betrieb der Anlage sind die beiden Abstellhahnen 39 vollständig offen, während sie bei abgestellter Anlage vollständig- ge schlossen sind.
Das Laufrad 18u der Zentrifugalpumpe 18 ist auf der gleichen Welle 30 a.rigeordnet wie der Rotor 31a der Luftturbine 31. Die Luftturbine 31 ist. durch eine Leitung 34 mit der Förderleitung 32 des Kompressors ver bunden; sie könnte aber auch über die Lei tung 234 (Feg.<B>1)</B> mit dein Luftgehäuse der Verbrennungseinrichtung 11 oder über die Leitung 134 (Fug. 1) mit einer Zwischenstufe des Kompressors verbunden sein. Die Zentri- fugalpumpe kann von irgendeiner geeigneten Bauart sein; sie kann z.
B. ein nur einseitig beaufsehlagtes Schaufelrad besitzen, wie dies z. B. im Schweizer Patent Nr. 294842 näher beschrieben ist.
Die Zahnradpumpe 25 kann von irgend einer bekannten geeigneten Bauart sein. Die Zahnradpumpe 26 wird durch die Maschinen welle 17 über eine Treibverbindung 33 ange trieben. Die Zahnradpumpe 25 ist dazu be stimmt, bei niederen Betriebsdrehzahlen der Anlage der Verbrennungseinrichtung Brenn stoff unter Druck zuzuführen, wenn zufolge der eigenartigen Fördercharakteristik der Zentrifugalpumpe 18 die Förderung der letz teren zu gering ist.
Die zwischen dem Ausla.ss der Zentrifrrgal- pumpe 18 und den Brennstoffeinspritzvor- richtungen 12 vorgesehene Steuervorrichtung 24a steuert. die zu den Einspritzvorrichtungen 12 zuströmende Brennstoffmenge. Die Steuer vorrichtung kann von irgendeiner geeigneten Bauart sein; sie kann z. B. so ausgebildet sein, wie dies im Schweizer Patent Nr. 290700 näher beschrieben ist.
Bekanntlich sinkt die einer Verbrennu.ngs- einriehtung einer Gasturbinenanlage zur Auf rechterhaltung einer bestimmten illaschi- nendrelizahl zuzuführende Brennstoffmenge, wenn der Luftdi-uek im Einlass des Kom pressors bei zunehmender Höhe über Meer abnimmt.
Wenn somit. die Zentrifugalpumpe <B>18,</B> wie dies schon vorgeschlagen wurde, durch eine Welle der Anlage angetrieben wird und die Pumpe so bemessen ist, dass sie bei hohen Einlassdrüeken im Kompressor die ge- @iInsehte grosse Brennstoffmenge fördert (z. B. bei Druck in Meereshöhe), erfolgt eine erhebliche Rückströmung von Brennstoff bei gleicher Maschinendrehzahl, aber grösserer Höhe über Meer, wo eine geringere Brenn stoffmenge erforderlich ist. Die Rückführung des Brennstoffes kann zum Sieden und zur Luftblasenbildung in der Brennstoffzufuhr einrichtung führen.
Bei Hochgeschwindig- keitsflugzeugen bzw. ihren Triebwerken tritt das vorangehend erläuterte Problem noch in vermehrtem Masse auf, da in Meereshöhe durch .Stauwirkung ein bedeutend höherer <B>EI</B> inla.ssdruck auftritt und die Pumpe somit für bedeutend grösseren Massendurchfluss ge baut sein muss.
Indem die Zentrifugalpumpe 18 durch eine Luftturbine 31 angetrieben wird, welche ihrerseits durch komprimierte Luft vom Kom pressor 10 angetrieben wird, :fällt die Dreh zahl. der Pumpe 1.8 automatisch, wenn der Kompressoreinlassdruck geringer wird, da der Druck der vom Kompressor 10 oder vom Luftgehäuse der Verbrennungseinrichtung angezapften, dem Antrieb der Luftturbine dienenden Luft vom Kompressoreinlassdruck bei einer gegebenen Maschinendrehzahl ab hängt. Somit wird die Brennstofförderung automatisch herabgesetzt, und zwar an nähernd im Verhältnis des iBrennstoffbe- darfes der Anlage, wodurch Sieden oder Luft blasenbildung vermieden w erden kann.
Ausser dem muss die Steuervorrichtung 24a nur die relativ kleine Differenz zwischen der Brenn stofförderung der Zentrifugalpumpe und dem tatsächlichen jeweiligen Brennstoffbedarf der Anlage ausgleichen und kann somit weniger empfindlich ausgebildet sein als eine Steuer vorrichtung, welche bei Betrieb der Anlage in grosser Höhe den Brennstoffstrom von der grossen Fördermenge der Pumpe, die vor gesehen sein muss, um dem grossen Brenn stoffbedarf in Meereshöhe gerecht werden zu können, auf die kleine Brennstofförderung,
welche dem in grosser Höhe relativ geringen Brennstoffbedarf der Anlage entspricht, herabsetzen muss.
Das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbei spiel ist bis auf einige Ausnahmen gleich aus gebildet wie die Einrichtung nach Fig. 1. Hier fördert die Zahnradpumpe 25 durch eine Leitung 127 Brennstoff in ein separates Ver- teilrohr 123. Jede Brennstoffeinspritzvorrich- tung 112 besitzt eine Zentralkammer und eine die letztere umschliessende Ringkammer. Jede dieser Kammern besitzt eine in den Ver brennungsraum mündende Ausla.ssöffnung, ,wie dies z.
B. in den. Schweizer Patenten Nrn. 265947 und 276515 näher beschrieben ist. Der von der Zentrifugalpumpe 18 geför derte Brennstoff gelangt aus dem Verteilrohr 23 durch Zweigleitungen 29 zur einen der beiden Kammern jeder Brennstoffeinspritz- vorrichtung 112, während der von der Zahn radpumpe 25 geförderte Brennstoff durch Zweigleitungen 129 der andern der beiden Kammern jeder Einspritzvorrichtung 112 zu geführt wird.
Bei einer Variante der in Fig. 2 gezeigten Brennstoffzufuhreinrichtung sind, wie Fig. 3 zeigt, zwei Paare von Brennstoffeinspritz- vorr ichtungen 212 und- 212a vorgesehen.
Aus dem Verteilrohr 23 gelangt Brennstoff durch Zweigleitungen 29 zu den Einspritzvorrieh- tungen 212, während aus dem Verteilrohr <B>123</B> Brennstoff durch Zweigleitungen 129 zu den Einspritzvorrichtungen 212a gelangt.
Bei beiden Ausführungsformen nach den Fig. 2 und 3 gelangt von den beiden Pumpen 18, 25 geförderter Brennstoff durch separate Leitungen zur Verbrennungseinrichtung der Anlage.
Eine andere Ausführungsform der Steuer vor riehtung 24, die auch bei den Brennstof f- zufuhreinrichtungen nach den Fig. 1-3 ver wendet werden könnte, ist in Fig. 4 darge stellt, und zwar in Anwendung auf eine Ein richtung nach Fig. 2.
Hier wird der von der Pumpe 18 kommende Brennstoffstrom, derden Brennstoffeinspritzvorrichtungen zugeführt wird, durch eine Luftdrossel 35 in der Luft- zufuhrleitung 34 mittels einer Steuervorrich tung 35a gesteuert.
An Stelle der bei den vorangehend beschriebenen Beispielen ver wendeten Brennstoffdrossel 24 ist hier somit eine Luftdrossel 35 vorgesehen, während die Steuervorrichtung 24c durch eine Steuer vorriehtung 35a ersetzt ist; letztere kann ähn lich ausgebildet sein wie die Vorrichtung 24a. Die Steuervorrichtung 35a steuert die Dreh zahl der Zentrifugalpumpe 18 im Sinne der Erziehung des gewünschten Brennstoff stromes.
Im vorliegenden Fall muss die Luftdrossel 35 nur eine geringe Steuerwirkung ausüben, da der Druck der abgezapften Luft sich auto- matiseh mit. dem Einlassdruck des Kompres- sors 10 ändert.
Fuel supply device of a gas turbine system is the subject of the present invention. a fuel supply device of a gas turbine plant.
Usually owns. a gas turbine system has a compressor, one of the latter with compressed air. supplied combustion device and a turbine, which is driven by the combustion products from the combustion device and which in turn drives the compressor of the plant. The fuel supply device of a gas turbine system usually comprises fuel injection devices by means of which fuel is supplied to the combustion device of the system, and one with the injection devices. Fuel-feeding fuel pump.
According to the invention, the fuel supply system of a gas turbine system has fuel injection devices for supplying fuel to a combustion device arranged between a compressor and a turbine of the system, a centrifugal pipe for conveying fuel to the fuel injection devices, which centrifugal pump can be driven by an air motor which in turn can be driven by means of air compressed by the compressor of the system,
as well as a pump of the displacement type that can be driven by the system, which is switched in parallel to the centrifugal oil pump and is intended to convey fuel into the same combustion chamber as the centrifugal oil pump mentioned. The Verdrä.ngerbauart pump can be a pump with a constant flow rate at constant speed, e.g. B. a gear pump.
The air motor for driving the centrifugal oil pump is usefully an air turbine. As a result of the training mentioned, no high-speed mechanical drive between the system and the centrifugal pump is required.
The problem of cooling the fuel delivered by the centrifugal pump with low delivery rates and high machine speeds can be solved. -earth that the supply of drive air to the air motor is regulated appropriately, which also regulates the speed of the centrifugal pump; this regulation is expediently dependent on the desired fuel delivery.
Some embodiments of the fuel supply device according to the invention are shown in the accompanying drawings. It shows: FIG. 1 a gas turbine system with an associated fuel supply device, FIG. 2 a detail of a second example of a fuel supply device,
3 shows a variant of the example according to FIG. 2 and FIG. 4 shows a third example of a fuel supply device.
The gas turbine system according to FIG. 1 has a multistage axial flow chamber 10 which is connected to a combustion device 11 which is fed by it with compressed air. The combustion device 11 is supplied with fuel by means of fuel injection devices 12.
The fuel injection devices can be arranged such that fuel is injected into the combustion device either in the upstream direction or in the downstream direction or in the direction transverse to the gas flow direction in the combustion device.
The fuel injection devices are designed as atomizers and have a swirl chamber, which has an outlet opening as the only fuel outlet of the injection device. The Ausla.3- opening is shaped so that the jet of fuel emerging from it has the shape of a hollow cone. From the combustion device, the combustion products are fed to the turbine 13, which is driven by these combustion products. The exhaust gases from the turbine 13 are. expelled into the atmosphere.
If the gas turbine system is a jet engine, the turbine exhaust gases are guided through an exhaust pipe 16 and a jet pipe 14, at the outlet end of which a thrust nozzle 15 is arranged. The turbine rotor 13 is drivingly connected by a shaft 17 to the compressor rotor 10a. The turbine can be designed in one or more stages.
In order to feed the fuel injection devices 12, they are connected to a distributor pipe 23 which is connected to the outlet of a centrifugal pump 18 through a line 19. The inlet of the pump 18 is connected to a fuel tank 21 by a line 20.
To compensate for the pressure loss occurring in the line 20 between the tank 21 and the inlet of the centrifugal pump 18 and to achieve a small excess pressure in the inlet of the centrifugal pump 18. In the example shown, a feed pad 22 is provided. A throttle 24 is arranged in the line 19 for regulating the flow of fuel from the pump 19 to the injection devices 12. The throttle 24 is controlled by means of a fuel control device 2-1a.
A gear pump 25 is arranged parallel to the centrifugal tunnel 18, the inlet of which is connected to the same fuel source. like the Zentrifugalpu.mpe 18. The gear pump 25 conveys fuel to the same combustion unit 11 as the centrifugal pump 18. The gear pump 25 is conveyed via a line 26 through the feed pipe 22. Fuel fed.
Legs exemplary embodiment according to. Fig. 1 promotes. the gear pump 25 fuel through an outlet line 27 into the delivery line 19 of the centrifugal pump 18.
At the outlet of the centrifugal pump 18, a back-up valve 28 is provided to prevent fuel delivered by the gear pump 25 from flowing backwards through the 7, enti-ifiigalptunpe 18 at low speeds of the centrifugal pump.
A return valve 36 is also arranged in the outlet line 27, the line 27 being connected to the line 30 by a return line 37 in which a pressure relief valve 38 is arranged. The valve 38 has the effect of keeping the fuel pressure constant in the outlet line 27 upstream of the pressure relief valve 36.
In the lines 19 and 27 mitein other coupled shut-off taps 39 are net angeord. When the system is in operation, the two shut-off taps 39 are completely open, while when the system is shut down they are completely closed.
The impeller 18u of the centrifugal pump 18 is arranged on the same shaft 30 as the rotor 31a of the air turbine 31. The air turbine 31 is. ver by a line 34 with the delivery line 32 of the compressor connected; However, it could also be connected to the air housing of the combustion device 11 via the line 234 (Fig. 1) </B> or to an intermediate stage of the compressor via the line 134 (Fig. 1). The centrifugal pump can be of any suitable type; she can z.
B. have a paddle wheel acted only on one side, as z. B. is described in more detail in Swiss Patent No. 294842.
The gear pump 25 may be of any suitable known type. The gear pump 26 is driven by the machine shaft 17 via a drive connection 33 is. The gear pump 25 is to be true to supply fuel under pressure at low operating speeds of the system of the combustion device if, according to the peculiar delivery characteristics of the centrifugal pump 18, the delivery of the latter is too low.
The control device 24a provided between the outlet of the centrifugal pump 18 and the fuel injection devices 12 controls. the amount of fuel flowing to the injectors 12. The control device can be of any suitable type; she can z. B. be designed as described in more detail in Swiss Patent No. 290700.
As is well known, the amount of fuel to be supplied to a combustion device of a gas turbine system to maintain a certain number of machines is reduced when the air pressure in the inlet of the compressor decreases with increasing altitude above sea level.
If so. the centrifugal pump <B> 18 </B>, as has already been proposed, is driven by a shaft of the system and the pump is dimensioned so that it delivers the required large amount of fuel at high inlet pressures in the compressor (e .g . At pressure at sea level), there is a considerable backflow of fuel at the same engine speed, but at a higher altitude above sea level, where a smaller amount of fuel is required. The return of the fuel can lead to boiling and the formation of air bubbles in the fuel supply device.
In the case of high-speed aircraft or their engines, the problem explained above occurs to a greater extent, since a significantly higher inlet pressure occurs at sea level due to the congestion effect and the pump is therefore designed for a significantly higher mass flow rate have to be.
By the centrifugal pump 18 is driven by an air turbine 31, which in turn is driven by compressed air from the compressor 10: the speed falls. of the pump 1.8 automatically when the compressor inlet pressure decreases, since the pressure of the air drawn from the compressor 10 or from the air housing of the combustion device and used to drive the air turbine depends on the compressor inlet pressure at a given engine speed. In this way, the fuel delivery is automatically reduced, more or less in proportion to the fuel requirement of the system, so that boiling or air bubble formation can be avoided.
In addition, the control device 24a only has to compensate for the relatively small difference between the fuel delivery of the centrifugal pump and the actual respective fuel requirement of the system and can therefore be designed to be less sensitive than a control device which, when the system is operating at a great height, the fuel flow from the large Delivery rate of the pump, which must be seen in order to meet the large fuel requirement at sea level, to the small fuel delivery,
which corresponds to the relatively low fuel requirement of the plant at a great height, must reduce.
The exemplary embodiment shown in FIG. 2 is, with a few exceptions, constructed in the same way as the device according to FIG. 1. Here, the gear pump 25 conveys fuel through a line 127 into a separate distribution pipe 123. Each fuel injection device 112 has a central chamber and an annular chamber surrounding the latter. Each of these chambers has an outlet opening opening into the combustion chamber, as is the case, for.
Tie. Swiss Patent Nos. 265947 and 276515 is described in more detail. The fuel delivered by the centrifugal pump 18 passes from the distributor pipe 23 through branch lines 29 to one of the two chambers of each fuel injector 112, while the fuel delivered by the gear pump 25 is fed through branch lines 129 to the other of the two chambers of each injector 112 .
In a variant of the fuel supply device shown in FIG. 2, as FIG. 3 shows, two pairs of fuel injection devices 212 and 212a are provided.
From the distribution pipe 23, fuel passes through branch lines 29 to the injection devices 212, while fuel passes from the distribution pipe 123 through branch lines 129 to the injection devices 212a.
In both embodiments according to FIGS. 2 and 3, fuel conveyed by the two pumps 18, 25 passes through separate lines to the combustion device of the system.
Another embodiment of the control device 24, which could also be used with the fuel supply devices according to FIGS. 1-3, is shown in FIG. 4, specifically in application to a device according to FIG.
Here, the fuel flow coming from the pump 18, which is supplied to the fuel injection devices, is controlled by an air throttle 35 in the air supply line 34 by means of a control device 35a.
Instead of the fuel throttle 24 used in the examples described above, an air throttle 35 is thus provided here, while the control device 24c is replaced by a control device 35a; the latter can be designed similarly to the device 24a. The control device 35a controls the speed of the centrifugal pump 18 in terms of the education of the desired fuel flow.
In the present case, the air throttle 35 only has to exert a slight control effect, since the pressure of the tapped air automatically increases with it. the inlet pressure of the compressor 10 changes.