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Regel- und Steuersystem für automatische Zündungen Die Erfindung bezieht
sich auf Vorrichtungen zur Regelung der Verbrennung in den Systemen, welche automatische
Zündung verwenden.
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Die Vorteile der automatischen Zündung sind an sich längst bekannt,
weshalb auch die verschiedensten Systeme zu ihrer Ausführung Verbreitung gefunden
haben. Von diesen unterscheidet sich das vorliegende in erster Linie dadurch, daß
es im Gegensatz zu den bisher bekannten nicht elektrisch, sondern hydraulisch gesteuert
wird, wodurch es einfach, kräftig und zuverlässig wird und einen hohen effektiven
Schutz gewährt.
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So ist z. B. eine Zündungsvorrichtung bekanntgeworden, die die Brennstoffzufuhr
im Falle einer Fehlzündung oder des Erlöschens der Flamme unterbricht. Mit dieser
kann jedoch eine Kontrolle der Höchsttemperatur und des Temperaturanstiegs in der
Brennkammer sowie die Einhaltung gleicher Temperaturen für den Fall, daß mehrere
Brennkammern verwendet werden, nicht gewährleistet werden.
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Demnach sieht die vorliegende Erfindung ein automatisches Zündsystem
vor, das hydraulisch gesteuert wird und das einen besonders weiten Schutz schafft
bei 1. Fehlzündung, 2. Erlöschen der Flamme, 3. ungleichmäßigen Abgastemperaturen,
falls mehrere Brennkammern parallel arbeiten, 4. zu hohen Abgastemperaturen, 5.
einem zu schnellen Temperaturanstieg.
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Die vorliegende Erfindung betrifft demnach ein Regel- und Steuersystem
für eine automatisch anwendbare Zündung, insbesondere für Gasturbinenanlagen, Industrieöfen
od. dgl., das Mittel für die Brennstoffversorgung einer oder mehrerer Brennkammern
umfaßt, bei dem die Steuerung mittels die Brennstoffzufuhr begrenzender Drosselventile
und Absperrventile vorgenommen ist, und das Schutz gegen Fehlzündung, gegen ein
Erlöschen der Zündflamme, gegen ungleichmäßige Abgastemperaturen in den Brennkammern,
gegen zu hohe Abgastemperaturen in den Brennkammern und gegen einen übermäßig schnellen
Temperaturanstieg gewährleistet. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß ein
in die Brennstoffzuführung geschaltetes Absperrventil in seiner offenen Stellung
durch hydraulischen Druck gehalten ist, den die eine oder die andere zweier hydraulischer
Steuereinrichtungen aufrechterhält, von denen die eine mit der Zündfackel verbunden
ist, während die andere mit im Brennkammerauslaß gelegenen, temperaturempfindlichen
Bimetalleinrichtungen verbunden ist, wobei die mit der Zündfackel verbundene Steuereinrichtung
auf deren Temperatur reagiert, während die mit der Bimetalleinrichtung verbundene
Einrichtung auf die Temperaturerhöhung in der Brennkammer derart anspricht, daß
bei einer Fehlzündung oder beim Erlöschen der Flamme ein das Schließen des Ventils
hervorrufender Abfall des hydraulischen Druckes eintritt, und daß eine im Brennstoff-,
Luft- und Stromkreis gelegene Absperreinrichtung vorgesehen ist, die die Zuführung
des Brennstoffes zu den Zündmitteln nach einer vorbestimmten Zeit absperrt, und
daß ferner mit der Bimetalleinrichtung ein weiterer, auf die Temperatur im Verbrennungskammerauslaß
reagierender Kontrollmechanismus vorgesehen ist, der den hydraulischen Druck für
das Drosselventil steuert und dieses zum teilweisen Schließen bringt, wenn eine
vorbestimmte Temperatur oder der Grad des Temperaturanstieges überschritten ist.
In den schematischen Darstellungen zeigt Fig. 1 eine vollständige Vorrichtung, wie
sie bei zwei oder mehreren Brennkammern verwendet wird, Fig. 2 eine Form der Einstellvorrichtung,
Fig.3 eine etwas andere Form der Einstellvorrichtung, Fig. 4 eine Form einer Zündfackel,
Fig. 5 einen Bimetalltemperaturanzeige- undServomechanismus, ausgebildet zur Verwendung
mit zwei oder mehreren Brennkammern.
In der Fig. 1 sind zwei Brennkammern
mit 1 und 2 bezeichnet, wobei die Richtung der Luftströmung durch die Pfeile angedeutet
ist.
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Der Brennstoff fließt den Hauptbrennstoffdüsen 3 und 4 zu, und zwar
von dem Brennstoffbehälter 5 über die Brennstoffpumpe 6, die Steuerung von Hand,
die Geschwindigkeitssteuerung und sonstige Brenn Stoffventile, wie sie bei 7 ganz
allgemein angedeutet sind, eine Temperaturbegrenzungs-Brennstoffdrossel 8, ein Brennstoffabsperrventil
bzw. Ventile 9 und schließlich eine Vorrichtung 10 zur Teilung des Brennstoffflusses.
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Der an den Hauptbrennstoffdüsen 3 und 4 austretende Brennstoff wird
durch die Zerstäuberzündfackeln 11 und 12 entzündet, welche parallel arbeiten und
ihren Brennstoff aus der Hauptleitung, jedoch nicht notwendigerweise von der Hochdruckseite
der Brennstoffpumpe, beziehen, und zwar über das Rohr 13, die Einstellvorrichtung
14, die in den Einzelheiten später beschrieben werden wird, und die Rohre 15, 16
und 17.
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Ebenso ist die Zufuhr von Hochdruckluft zu den Zündfackeln angegeben,
und zwar ausgehend von der Luftpumpe 18 durch das Rohr 19, die Einstellvorrichtung
14 und die Rohre 20, 21 und 22 zu den Zündfackeln.
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Eine Leitung für den elektrischen Strom zu den Zündkerzen 23 und 24
an den Zündfackeln ist bei 26 angegeben, wobei der Strom aus einer Stromquelle 25
kommt. Der Strom geht durch den Draht 26 über einen Schalter an der Einstellvorrichtung
14 zu einer Verstärkerzündspule bzw. Spulen 27 und von dort durch die Drähte
28 und 29 zu den Zündkerzen 23
und 24.
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Der Förderdruck einer Servoölpumpe 30 wird durch das Sicherheitsventil
31 konstant gehalten. Diese Pumpe fördert Öl zu den Zündfackeln
11 und 12, den bei 32 und 33 allgemein angedeuteten Bimetallgerätcn
und durch die vorher eingestellten Drosseln 34 und 35 zum Leckölbehälter 36.
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Die Bestandteile und ihre Wirkungsweise werden nachfolgend unter Bezugnahme
auf die anderen schematischen Darstellungen (Fig. 2 bis 5) beschrieben.
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Die wahlweisen Ausführungen der Einstellvorrichtung 14, wie sie in
den Fig. 2 und 3 dargestellt sind, führen den Zündfackeln Brennstoff, Druckluft
und elektrischen Strom zu.
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Ein mit 37 bezeichneter Handhebel besitzt seinen Drehpunkt bei 38
und ist so gekuppelt, daß eine Bewegung des unteren Hebelendes nach rechts den Tauchkolben
39 und den Kolben 40 gegen die Wirkung der Feder 41 nach links bewegt.
Dadurch werken die elektrischen Kontakte 42 geschlossen; gleichzeitig wird ein Kanal
43 am Tauchkolben 39 den Anschlüssen 44 und 45 für den Zutritt bzw. den Auslaß der
Luft so gegenüber gestellt, daß die Luft vom Luftkompressor 18 frei zu den
Zündfackeln 11 und 12
der Fig. 1 strömen kann. Gleichzeitig wird im
Falle der in Fig.2 dargestellten Einstellvorrichtung durch die Bewegung des Hebels
ein Kanal 46 den Anschlüssen 47 und 48 für den Zufluß bzw. den Abfluß des Brennstoffs
so gegenüber gestellt, daß der Brenn-Stoff vom Brennstoffbehälter 5 den Zündfackeln
11 und 12 der Fig. 1 frei zufließen kann. In Fig. 2 wird ein Zylinder 49 zu beiden
Seiten des Kolbens 40 mit Servoöl gefüllt. Die Bewegung des Kolbens nach links cfftiet
ein federbelastetes Rückschlagventil 50 und läßt Öl von der linken auf die rechte
Seite des Kolbens übertreten. Wird der Hebel 37 freigegeben, dann drückt
die Feder 41 die Kolben- und Tauchkolbenanordnung nach rechts, und
01 fließt nun durch eine Einschnürung 51 von der rechten auf die linke Seite
des Kolbens mit einer vorher eingestellten Geschwindigkeit. Sobald der Kolben am
Ende eines rechtsläufigen Hubes angelangt ist, werden die elektrischen Kontakte
unterbrochen, während die Anschlüsse für Brennstoff und Luft vom Tauchkolben
39 überdeckt werden. Während einer vorher eingestellten Zeitdauer kann also
den Zündfackeln Strom, Brennstoff und Luft zufließen. Diese Zeitdauer wird bestimmt
durch den Inhalt des Zylinders 49 der Einstellvorrichtung sowie durch die Abmessungen
und die Kennzeichen der Feder 41, des Kolbens 40 und der Einschnürung bzw. Drossel
51.
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In der Ausführungsform nach Fig. 3 wird Brennstoff als Flüssigkeit
für die Zeiteinstellung verwendet. Eine Bewegung des Kolbens 40 nach links läßt
Brennstoff aus dem Brennstoffbehälter durch ein federbelastetes Rückschlagventil52
in den Zylinder 49 eintreten. Wird der Hebel 37 freigegeben, werden Kolben und Tauchkolben
durch die Feder 41 nach rechts gedrückt. Hierdurch wird das Ventil 52 geschlossen,
und Brennstoff fließt aus dem Zylinder durch das federbelastete Rückschlagventil53
zu den Zündfackeln.
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Ein Luftanschluß 40a zum Brennkammereinlaß hält die Druckdifferenz
zwischen dem Brennstoffdruck im Zylinder 49 und in den Brennkammern 1 und 2, unabhängig
von den Schwankungen des Luftdrucks in den Brennkammern, konstant.
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Bei der in Fig. 4 dargestellten Zündfackel tritt Luft bei 54 ein;
ein Teil davon geht durch die Wirbelschlitze 55 hindurch, um zur Zerstäubung des
Brennstoffs beizutragen, während der Rest durch die Löcher 56 in den Ringkanal 57
eintritt. Die beiden Luftströme- mischen sich im konischen Teil 58, bevor sie in
die entsprechenden Brennkammern 1 und 2 eintreten, um den Hauptbrennstoffschleier
zu entzünden. Der Brennstoff tritt durch das Rohr 59 in die Brennstoffdüse 60 ein,
die entweder Druckwirbelbauart oder Lufteinblasbauart haben kann, je nach den verfügbaren
Luft- und Brennstoffdrücken, und wird anschließend im Zündraum 61 versprüht und
durch die Zündkerze 62 entzündet. Mit der Zündfackel ist eine einfache Servovorrichtung,
bestehend aus einem mit der Stange 65 verbundenen Kolben 64, der unter der Wirkung
der Stange 65 in dem Zylinder 63 frei gleiten kann, verbunden. Servoöl
tritt bei 66 in den Zylinder ein und verläßt ihn durch einen Ringschlitz 67, der
durch eine Ringnut im Zylinder und das Ende des Kolbens bestimmt wird. Sobald der
Einstellschalter betätigt wird, fließen Brennstoff, Luft und elektrischer Strom
der Zündfackel zu. Das Kegelstück 58 dehnt sich gegenüber der Stange 65 aus, welche
vorzugsweise aus dem gleichen Werkstoff mit dem gleichen Ausdehnungskoeffizienten
besteht. Dadurch gibt der Kolben 64 den Schlitz 67 frei, so daß Öl hindurchfließen
kann Die Servozvlinder der beiden Zündfackeln sind mit ihren Ölströmen hintereinandergeschaltet
mit einer einstellbaren Drossel, welche beispielsweise ein Nadelventil
35 sein kann, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, so daß, wenn beide Zündfackeln
in Betrieb sind, Öl durch -dieselben hindurchfließen kann und dadurch der Druck
an der Stelle vor der Drossel, welche an das Brennstoffabsperrventil9 angeschlossen
ist, erhöht wird. wodurch das Ventil geöffnet wird.
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Bei dem in Fig. 5 dargestellten Bimetalltemperaturanzeigegerät bestehen
die Bimetallstreifen 32 und 33 aus drei konzentrischen Rohren, die in den Abgasstrorn
der
Brennkammer eintauchen. Die äußeren Rohre 68 und die inneren Rohre 69 bestehen aus
einem hochtemperaturbeständigen Metall mit hohem linearen Ausdehnungskoeffizienten,
während das mittlere Rohr 70 entweder aus einem Metall mit einem niedrigen linearen
Ausdehnungskoeffizienten oder einem Nichtmetall besteht, wie z. B. Siliziumdioxyd
oder Quarz. Die drei Rohre sind an ihren inneren Enden 71 miteinander verbunden,
so daß jede relative Längenänderung infolge eines Temperaturwechsels von diesem
Ende ausgeht. Luft aus dem Einlaß zur Brennkammer geht durch das Rohr 72 und durch
das innere Rohr 69. Damit ist die relative Ausdehnung zwischen den Rohren 68 und
69 proportional dem Temperaturanstieg in den Brennkammern 1 und 2, während die relative
Ausdehnung zwischen den Rohren 68 und 70 proportional der Abgastemperaturerhöhung
in der Brennkammer erfolgt. Wird das Rohr 70 aus einem Metall von niedrigem, jedoch
immer noch merklichen Ausdehnungskoeffizienten gefertigt, aber so angeordnet, daß
es einen niedrigeren Wärmeübergang hat, dann erhält man zwischen den Rohren 68 und
70 ein von der Geschwindigkeit des Temperaturanstieges abhängiges, verzögertes Einsetzen
der relativen Verschiebung. Das äußere Rohr 68 ist starr mit dem Rahmen 73 verbunden,
an dem sich der Drehpunktlagerbock 74 und die Servozylinder 75 und 76 ?;efinden.
Der Kolben 77 wird durch die Feder 78 gegen die Spindel 79 gedrückt, die durch die
Einstellschraube 80 mit dem Kolben 81 und dadurch auch mit dem Hebel 82 gekuppelt
ist. Damit werden die Bewegungen der Kolben 77 und 81 proportional zu den Änderungen
der Abgastemperatur in der Brennkammer. Der Kolben 83 wird durch die Feder 84 in
Berührung mit dem auf den Temperaturanstieg in der Brennkammer ansprechenden Hebel
85 gebracht. Servoöl tritt am Anschluß 86 ein und kann bei einem bestimmten
Temperaturanstieg aus einer Ringdrossel 87 austreten. Die Zylinder 76 an den Bimetallaggregaten
32 und 33 sind mit den Drosseln 35 hintereinandergeschaltet und parallel zu den
Zündfackeln an das Absperrventil 9 der Fig. 1 angeschlossen. Damit :wird ein bestimmter
Temperaturanstieg einen genügend großen Öldruck herbeiführen, um '-s Absperrventil
9 offenzuhalten, während eine Temperaturverminderung, beispielsweise infolge Erlöschens
der Flamme, die Absperrventile zum Schließen bringt.
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Die Ölkanäle zu den Kolben 81 in den Bimetallaggregaten 32 und 33
sind zueinander parallel und mit der einstellbaren Drossel 34 der Fig. 1 hintereinandergeschaltet.
Sobald eine bestimmte Temperatur erreicht ist, fließt Öl durch einen Anschluß 88
und eine Ringdrossel 89. Der sich daraus ergebende Druckanstieg vor der einstellbaren
Drossel 34 bringt die Temperaturbegrenzungs-Brennstoffdrossel 8 der Fig. 1 zum teilweisen
Schließen, wodurch der Brennstoffzufluß zu den Hauptbrennern vermindert und infolgedessen
die Temperatur der Abgase aus der Brennkammer wieder auf die eingestellte Höhe herabgesetzt
wird.
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Die Ölanschlüsse zu den Kolben 77 sind vom L)lbehälter bis zum Leckölablauf
durch einen Anschluß 90 und eine Ringdrossel 91 hintereinander angeordnet. Bei gleicher
Einstellung der Einstellschrauben 80 sind die Durchflußquerschnitte, zu denen je
eine Drossel 91 gehört, gleich, und infolgedessen ist auch der Druckabfall
durch dieselben hindurch gleich. Damit ist der Druck in der Leitung 92 zwischen
den Kolben 77 an den Bimetallaggregaten 32 und 33 in Fig. 1 halb so groß wie der
Zuflußdruck bei gleichen Abgastemperaturen aus der Brennkammer. Eine Anzeigevorrichtung
93 ist mit einem Differentialkolben 94 verbunden, der ein Querschnittsverhältnis
von 2 :1 besitzt, wobei der kleinere Querschnitt an die Ölzuleitung, der größere
Querschnitt an das Rohr 92
angeschlossen ist. Solange der Druck im Rohr 92
halb so groß ist wie der Zuflußdruck, befindet sich der Differentialkolben im Gleichgewicht,
während eine Änderung in diesem Verhältnis den Kolben zur Betätigung der Anzeigevorrichtung
93 veranlaßt. Diese kann von beliebiger zweckmäßiger Form sein und geeicht werden,
um das Maß der Abweichung von der eingestellten Temperatur anzuzeigen. Der Kolben
94 kann mit dem Ventil 10 gekuppelt werden, um gleiche Temperaturen wiederherzustellen.
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DieWirkungsweise des ganzenSystems ist folgende: Zündung: Die Brennstoff-
und Servoölpumpen sowie der Luftkompressor werden in Betrieb gesetzt, und der Hebel
37 an der Zeiteinstellvorrichtung 14 wird betätigt. Dadurch fließen Brennstoff,
Luft und elektrischer Strom zu den Zündfackeln 11 und 12. Durch die Zündung der
Zündfackeln wird die Zündfackelservovorrichtung betätigt, welche das Brennstoffabsperrventil9
öffnet.
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Betrieb: Brennstoff wird von den Hauptbrennern 3 und 4 versprüht.
Bei der Zündung der Hauptbrennstoffschleier zeigen die Bimetallaggregate 32 und
33 den Temperaturanstieg in den Brennkammern an, und durch das Servosystem wird
nun ein Druck übertragen, welcher das Absperrventil für die Brenner offen hält.
Die Zündfackeln erlöschen bei Beendigung der durch die Zeiteinstellvorrichtung eingestellten
Zeit.
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Schutz: Falls die Zündung der Zündfackeln nicht zustande kommt, öffnen
sich die Absperrventile für die Brenner nicht, und die Zündeinstellvorrichtung wird
nach Ablauf der einmal eingestellten Zeit für ein neues Anlassen in die Ausgangslage
zurückgebracht.
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Bei der Zündung der Zündfackeln öffnen sich die Absperrventile für
die Brenner. Gibt es jedoch ein Versagen bei der Zündung der Hauptbrennstoffschleier,
dann wird das System abgesperrt und nach Ablauf der eingestellten Zeit für ein neues
Anlaßmanöver in die Ausgangslage zurückgebracht.
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Zu hohe Temperaturen der Abgase aus den Brennkammern entweder während
des Anlassens oder während des normalen Betriebes, bewirken eine Betätigung des
Bimetallaggregats, welches über das Servosystem die Temperaturbegrenzungs-Brennstoffdrossel8
teilweise schließt, um den Brennstoffzufluß zu vermindern und die Temperatur auf
ihren normalen eingestellten Wert herabzusetzen.
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Ungleiche Abgastemperaturen nach den Brennkammern bewirken die Betätigung
der Anzeigevorrichtung 93 durch die Bimetallaggregate über das Servosystem.
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Die Erfindung ist nicht auf die beiden dargestellten Ausführungsformen
für die Zeiteinstellvorrichtung beschränkt. Es könnte z. B. vorkommen, daß der für
die Zündfackeln erforderliche Brennstoffdruck so hoch ist, daß es unzweckmäßig wäre,
die Zeiteinstellvorrichtung von Hand zu betätigen; die Betätigung könnte dann durch
Servoöl mittels eines handbetätigten Steuerventils erfolgen.
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Die Erfindung kann bei jeder Art von ortsfesten und ortsbeweglichen
Gasturbinen sowie bei gewerblichen Öfen Anwendung finden.
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Sie ermöglicht es, einen Schütz vorzusehen gegen ein Versagen der
Zündung, gegen das Erlöschen der Flamme, ferner eine Anzeige oder einen Schutz oder
auch beides zusammen gegen ungleichmäßige Abgastemperaturen
nach
den Brennkammern, falls mehrere Brennkammern parallel arbeiten, einen Schutz gegen
iibermäßig hohe Abgastemperaturen sowie einen Schutz gegen einen übermäßig schnellen
Temperaturanstieg.