DE1072014B

DE1072014B -

Info

Publication number: DE1072014B
Application number: DE1957R0022091
Authority: DE
Priority date: 1956-11-08
Filing date: 1957-10-30
Publication date: 1959-12-24
Also published as: FR1185633A; US2930188A; GB837309A

Description

BUND

DEUTSCH

PATENTAMT

KL.46f 15' ^q"

INTERNAT. KL. F 02 c

R22091Ia/46f

ANMELDETAG:

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UND AUSGABE DER AUS LEG E S CHRI FT:

30. OKTOBER 1957

Uj ic ,: / i '

24. DEZEMBER 1959

Die Erfindung betrifft eine Sicherheitseinrichtung für Gasturbinen, welche aus einem Turbinenläufer und einem koaxialen, von diesem Turbinenläufer angetriebenen Teil, etwa einem Verdichterläufer oder dem UntersetzungsgetriebeeinesPropellers,zusammengesetzt sind, wobei die einzelnen rotierenden Teile durch eine Antriebswelle miteinander verbunden sind. Diese Sicherheitseinrichtung besteht aus einem druckempfindlichen Organ, welches bei Nachlassen des einwirkenden Drucks die Brennstoffzufuhr zur Gasturbine drosselt.

Bekanntlich wird im Falle eines Bruches der Antriebswelle der Turbinenläufer infolge des Fehlens der Last sehr rasch beschleunigt. Wird diese Beschleunigung nicht unterbunden, so treten sehr schwerwiegende Schäden auf, insbesondere kann der Turbinenläufer zu Bruch gehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sicherheitseinrichtung zu schaffen, welche bei einem Bruch der Antriebswelle sehr rasch anspricht und so eine zu große Beschleunigung des Turbinenläufers verhindert.

Die Erfindung geht aus von einer bekannten, druckempfindlichen Sicherheitseinrichtung, welche bei Nachlassen des auf ein druckempfindliches Organ einwirkenden Druckes die Brennstoffzufuhr des Aggregates drosselt, und besteht darin, daß innerhalb einer Antriebswelle, welche den Turbinenläufer mit einem angetriebenen Maschinenteil verbindet, ein mit der Welle umlaufendes Rohr od. dgl. untergebracht und an voneinander entfernt gelegenen Stellen mit der Welle verbunden ist, etwa im Bereich des angetriebenen Maschinenteiles und an einer zweiten Stelle imBereich des Turbinenläufers, und daß dieses Rohr an eine Druckmittelversorgung angeschlossen ist und in Verbindung mit dem druckempfindlichen Organ steht, so daß imFall eines Bruches der Antriebswelle das Rohr ebenfalls zu Bruch geht, der auf das druckempfindliche Organ einwirkende Druck sinkt und die Brennstoffzufuhr herabgesetzt wird.

Die erfindungsgemäüe Einrichtung erfüllt ein seit langem bestehendes Bedürfnis, denn die bisher bekannten Sicherheitseinrichtungen brachten im Fall eines Bruchs der Antriebswelle keine genügend rasche Unterbrechung der Brennstoffzufuhr, so daß die Gefahr der Drehzahlüberhöhung und schließlich des Bruches des Turbinenläufers bestand. Dagegen fällt bei der erfindungsgemäßen Sicherheitseinrichtung der Druck innerhalb des Rohres augenblicklich ab, wenn die Antriebswelle zu Bruch geht, so daß das druckempfindliche Organ augenblicklich anspricht und mit geringster Verzögerung eine Unterbrechung der Brennstoffzufuhr erfolgt. Die erfindungsgemäße Sicherheitseinrichtung ist äußerst robust und im Betrieb daher sehr zuverlässig.

Sicherheitseinrichtung für Gasturbinen

Anmelder: Rolls-Royce Limited, Derby (Großbritannien)

Vertreter:

Dipl.-Ing. F. Weickmann und Dr.-Ing. A. Weickmann₁ Patentanwälte, München 2, Brunnstr. 8/9

Beanspruchte Priorität: Großbritannien vom 8. November 1956 und 28. Oktober 1957

Lionel Haworth, Woodhouse Eaves, Loughborough, und Donald McLean, Derby (Großbritannien), sind als Erfinder genannt worden

Die Wand des Rohres ist zwischen den Verbindungsstellen, an denen das Rohr mit der Antriebswelle verbunden ist, geschwächt, so daß im Fall einer Zerstörung der Antriebswelle der Bruch des Rohres an dieser geschwächten Stelle eintritt. Innerhalb des Rohres ist eine Kammer mit einer eingeengten Zutrittsöffnung ausgebildet, wobei die geschwächte Stelle in den Bereich dieser Kammer fällt. Durch die eingeengte Zutrittsöffnung ist dieKammer an eine Druckversorgung angeschlossen. Es sind Organe vorgesehen, welche auf den Druck innerhalb der Kammer ansprechen und bei einem Druckabfall innerhalb der Kammer die Brennstoffzufuhr nach der Maschine unterbrechen. Im Fall eines Bruches des Rohres wird in der Kammer ein sehr rascher Druckabfall eintreten, und dieser Druckabfall ist der Steuerimpuls für eine rasche Herabsetzung der Brennstoffzufuhr. Um ein sehr rasches Ansprechen der Regeleinrichtung auf den Druckabfall innerhalb der Kammer zu gewährleisten, wird dem Rohr eine Druckflüssigkeit zugeleitet.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind Maßnahmen getroffen, um die in der Kammer vorhandene Luft oder andere Gase von der Druckflüssigkeit zu trennen und aus der Kammer herauszuleiten. Luft in der Kammer würde die Ansprechgeschvvindigkeit der Kontrolleinrichtung herabsetzen, und deshalb ist

909 690/177

es erforderlich, die Kammer' von Luft und anderen Gasen frei zu halten.

Einer Ausführungsform der Erfindung zufolge wird dem Rohr Schmieröl unter Druck zugeleitet. Dabei wird das Rohr in diesem Fall gleichzeitig als ölzuleitung nach den einzelnen Lagern des Läufers verwendet.

Die Figuren zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Es stellt .dar

Fig. 1 das Schema einer einfachen Gasturbine mit der Schmier- und Brennstoffanlage sowie der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung,

Fig. 2 einzelne Teile der Fig. 1 in vergrößertem Maßstab.

Die Gasturbine nach Fig. 1 umfaßt einen in axialer Richtung durchströmten Verdichter, bestehend aus einem stationären Gehäuse 10 a, einem Läufer 10 b, einer Brennkammer 11, welche die in dem Verdichter komprimierte Luft aufnimmt und durch Einspritzdüsen 12 Brennstoff zugeführt bekommt, ferner eine ao Turbine, bestehend aus einem Gehäuse 13 α und einem Läufer 13 b. Der Turbine werden die Verbrennungsgase der Brennkammer 11 zugeführt. Der Turbinenläufer 13 b ist mit dem Verdichterläufer 10 b durch eine hohle Antriebswelle 14 verbunden.

Die Brennstoffanlage ist in bekannter Weise ausgebildet und in Form einer Taumelscheibeneinspritzpumpe 15 mit mehreren Kolben dargestellt; diese Einspritzpumpe wird von der Turbine angetrieben. Die Brennstoffmenge wird mit einem Regler 16 geregelt. Die Pumpe saugt den Brennstoff durch eine Saugleitung 17 an und fördert ihn durch ein Rohr 18 über ein Ventil 19 in eine Sammelleitung 20, an welche die einzelnen Zweigleitungen zu den Einspritzdüsen 12 angeschlossen sind.

Der die Pumpe 15 verstellende Regler besteht aus einem Kolben 21, welcher zwei Druckräume 22 und 23 voneinander trennt. Der Druckraum 22 ist über eine Leitung 24 mit der Druckleitung 18 verbunden. Der Druckraum 23 ist mit der Druckleitung der Pumpe über eine Drosseldüse 25 verbunden.

Innerhalb des Druckraumes 23 befindet sich eine Feder 26, welche den Kolben 21 in die Stellung der maximalen Fördermenge der Pumpe zu drücken versucht. Der Druckraum 23 ist mit einer Überströmleitung 27 verbunden, deren anderes Ende durch ein Halbkugelventil 28 abgeschlossen ist. Dieses Ventil 28 ist ein Teil des Reglers 16. .Wenn das Ventil 28 geöffnet ist, fließt mehr Brennstoff durch die Überströmleitung 27 ab, und der Druck innerhalb des Raumes 23 fällt, so daß der Kraftkolben 21 sich in der Zeichnung nach rechts bewegt und die Fördermenge der Pumpe verringert wird. Wenn andererseits das Ventil 28 das Ende der Überströmleitung 27 schließt, so wird durch die Drosselung der Überströmmenge der Druck in dem Raum 23 erhöht, und der Kraftkolben 21 bewegt sich in die Stellung der maximalen Fördermenge.

Der Regler ist an sich bekannt und besteht aus einer Membran 29, welche das .Reglergehäuse 16 in zwei Kammern teilt. Die Membran 29 trägt einen Hebel 30, dessen eines Ende in die eine Kammer und dessen anderes Ende in die andere, Kammer hineinragt. Am einen Ende des Hebels 30 ist das Ventil 28 befestigt; außerdem ist dieses Ende des Hebels mit einer Schraubenfeder 31 und einem Stößel 32 belastet, welcher mittels eines Kolbens 33 hydraulisch verstellbar ist. Der Druckraum dieses Kolbens 33 ist an die Brennstoffförderleitung über eine Leitung 34 angeschlossen. Die Schraubenfeder 31 sucht das Ventil 28 am Ende der Überströmleitung 27 zu schließen, während der For-

derdruck über den Stößel 32 das Ventil zu öffnen sucht. Eine Zunahme des Brennstofförderdrucks bedeutet daher eine Abnahme der Brennstoffmenge der Pumpe, während ein Abfall des Brennstofförderdrucks eine Zunahme der Brennstoffmenge bewirkt.

Das andere Ende des Hebels 30 ist in der Richtung belastet, daß es das Ventil 28 zu öffnen sucht, und zwar steht es unter der Einwirkung einer evakuierten Kapsel 35. Die Kammer, in der die Kapsel angeordnet ist, steht durch eine öffnung 36 mit der Atmosphäre in Verbindung. Steigt der Atmosphärendruck an, so wird die Kapsel 35 zusammengedrückt, und die von der Kapsel auf den Hebel ausgeübte Kraft wird kleiner, mit der Folge, daß die Brennstoffmenge zunimmt. Fällt andererseits der Atmosphärendruck etwa infolge zunehmender Meereshöhe, so steigt die von der Kapsel 35 auf den Hebel 30 ausgeübte Kraft. Dies bedeutet ein öffnen des Ventils 28 und eine Verringerung der Fördermenge der Pumpe 15.

Die Schmiervorrichtung der Gasturbine umfaßt eine Schmierölpumpe 37, welche durch eine Leitung 38 öl an eine Muffe 39 abgibt. Aus dieser Muffe fließt das öl in ein Rohr 40, welches gleichzeitig mit dem Läufer der Turbine rotiert. Von dem Rohr 40 kann das öl nach den Lagern des Läufers in bekannter Weise geleitet werden.

Wenn die Welle 14, welche den Turbinenläufer 13 b mit dem Verdichterläufer 10 b verbindet, bricht, so besteht die Gefahr, daß der Turbinenläufer zu stark beschleunigt wird, wenn die Brennstoffzufuhr zur Turbine nicht sofort unterbrochen wird. Es muß also eine Sicherheitseinrichtung vorhanden sein, durch welche die Gefahr einer zü starken Beschleunigung unter solchen Umständen vermieden wird.

Aus diesem Grunde ist das Rohr 40 mit dem Läufer durch zwei Gruppen von Klauen verbunden. Die eine Gruppe von Klauen 41 verbindet das eine Ende des Rohres mit dem Verdichterläufer 10 b, während die andere Gruppe von Klauen 42 das andere Ende des Rohres mit dem Turbinenläufer 13 & verbindet. Vorzugsweise befinden sich die Klauen 42 im Bereich eines Wellenstummels43, welcher hinter der Turbinenscheibe in den Auspuffkegel 44 hineinreicht.

Innerhalb des Rohres 40 ist eine Drosselstelle 45 an einer von der ölzufuhrmuffe 39 entfernten Stelle angeordnet. Diese Drosselstelle bildet zusammen mit der Rohrwand eine Kammer 46 von begrenztem Fassungsvermögen mit einem eingeengten ölzufluß. Derjenige Teil des Rohres, welcher die Kammer 46 bildet, weist eine Abscherstelle in Form einer schraubenlinienförmigen Nut 47 auf. Im Fall eines Bruches der Antriebswelle 14 wird das Rohr 40 daher an dieser Abscherstelle 47 rasch zu Bruch gehen.

Die Kammer 46 steht über eine Leitung 48 mit der druckempfindlichen Regeleinrichtung in Verbindung. Außerdem ist ein Entlüfter 49 vorgesehen, der die innerhalb der Kammer aus dem Schmieröl sich abscheidende Luft ableitet.

Die druckempfindliche Regeleinrichtung besteht aus einem in drei Kammern 53, 54, 58 geteilten Gehäuse 50. Die Kammer 53 und die Kammer 54 sind durch eine elastische Membran 51 voneinander getrennt, die Kammer 54 und die Kammer 58 durch eine starre Wand 52. Die Leitung 48 ist an die Kammer 53 angeschlossen, so daß die elastische Membran 51 auf einer Seite mit dem Druck in der Kammer 46 belastet ist. Die Kammer 54 auf der anderen Seite der elastischen Membran 51 steht durch öffnungen 55 mit der Atmosphäre in Verbindung. Innerhalb der Kammer 54 ist eine Schraubenfeder 56 untergebracht, welche die

Claims

elastische Membran in dem Flüssigkeitsdruck der Kammer 53 entgegengesetzter Richtung belastet. In der Mitte der elastischen Membran ist eine Stange 57 befestigt, welche durch die Wand 52 hindurch in eine dritte Kammer 58 reicht. Die Stange 57 trägt an ihrem unteren Ende ein Halbkugelventil 59, welches die von der Überströmleitung 27 abzweigende Zweigleitung 60 verschließt. Von der Kammer 58 geht eine Entleerungsleitung61 aus und führt z.B. nach dem Ansaugraum der Pumpe 15 zurück. Läuft die Turbine normal, so beaufschlagt der Druck des Schmieröls in der Kammer 46 die elastische Alembran 51 und schließt das Ventil 59 am Ausgang der Zweigleitung 60. Im Fall eines Bruchs des Rohres 40 an der Abscherstelle 47 fällt der Druck innerhalb der Kammer 46 und damit auch der auf die Membran 51 einwirkende Druck sehr rasch ab, und die Feder 56 drückt die elastische Membran 51 nunmehr nach oben, so daß das Ventil 59 den Ausgang der Zweigleitung 60 öffnet. Nunmehr kann Flüssigkeit aus dem Druckraum 23 abströmen, so daß der Kraftkolben die Pumpe auf kleinere Fördermenge verstellt. In Fig. 2 erkennt man im einzelnen, wie das Ende des Rohres 40 über den Wellenstummel 43 hinaus in Richtung auf das feststehende Bauteil 62 hin vorsteht. Dieses Bauteil enthält einen abgeschlossenen Raum 64, welcher durch einen Topf 63 begrenzt ist. Der Topf 63 trägt einen Flanschpfropfen 65, dessen Hauptkörper in die Bohrung des Rohres 40 hineinreicht und mit dem dieser dicht abschließt. Der Pfropfen 65 besitzt ebenfalls eine zentrale Bohrung 66, welche die Verbindung von der Kammer 46 nach dem abgeschlossenen Raum 64 herstellt. Der Raum 64 ist mit der Leitung 48 verbunden. An die Oberseite des Raumes 64 ist die Entlüftungsleitung 67 angeschlossen, die in einen Hohlraum 68 im feststehenden Bauteil 64 mündet. Innerhalb dieses Hohlraumes befindet sich eine Buchse 69, in die ein Labyrinthkolben 70 eingesetzt ist. Dieser Kolben bildet einen gedrosselten Durchgang für die sich von dem Schmiermittel abscheidende Luft. Der Pfropfen 65 ist mittels eines Flansches 65 a axial gegen den Topf 63 festgelegt. Der Flansch 65 a liegt zwischen dem inneren Flansch 63 α des Topfes und einer Platte 71, welche durch eine in eine Ringnut eingesetzte Ringfeder an Ort und Stelle festgelegt ist. Der Schmieröldruck innerhalb des Raumes 64 preßt den Flansch 65 α gegen den Flansch 63 a. Der Pfropfen 65 kann jedoch relativ zu dem feststehenden Bauteil 62 und dem Rohr 40 frei rotieren. Der Erfindungsgegenstand wurde hier in seiner Anwendung auf eine einfache Gasturbine beschrieben. Die Erfindung kann aber auch bei Gasturbinen mit mehreren Maschinensätzen und mehreren Wellen, z. B. bei Zweiwellen-Propellerturbinen angewendet werden. Eine solche Zweiwellen-Propellerturbine besteht aus einem Niederdruckverdichter und einem Hochdruckverdichter, einer Hochdruckturbine, welche mit dem Hochdruckverdichter verbunden ist, und einer Niederdruckturbine, welche mit dem Niederdruckverdichter und außerdem über ein Untersetzungsgetriebe mit dem Propeller verbunden ist. Bei Gasturbinenanlagen, wie sie gewöhnlich als Flugzeugantrieb Verwendung finden, ist bekanntlich die Antriebswelle des Niederdruckteiles konzentrisch innerhalb der Antriebswelle des Hochdruckteiles angeordnet. Überträgt man nun die Erfindung auf eine solche Anlage, so wird man das Rohr der Regeleinrichtung innerhalb der Antriebswelle des Niederdruckteiles anbringen und mit den Läufern der Niederdruckturbinen und des Nieder- druckverdichters verbinden. In diesem Fall kann das dem Rohr zugeführte Schmieröl den Zwischenlagern der beiden konzentrischen Wellen zugeführt werden. P A I" E N L A N SPRUCHE:

1. Sicherheitseinrichtung für Gasturbinen, welche aus einem Turbinenläufer und einem koaxialen, von diesem Turbinenläufer angetriebenen Teil, etwa einem Verdichtungsläufer oder dem Untersetzungsgetriebe eines Propellers, zusammengesetzt sind, wobei die einzelnen rotierenden Teile durch eine Antriebswelle miteinander verbunden sind, wobei die Sicherheitseinrichtung aus einem druckempfindlichen Organ besteht, welches bei "Nachlassen des einwirkenden Drucks die Brennstoffzufuhr zur Gasturbine unterbricht, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Antriebswelle (14), welche den Turbinenläufer (13 b) mit dem angetriebenen Maschinenteil (10 6) verbindet, ein mit der Welle umlaufendes Rohr (40) untergebracht und an voneinander entfernt gelegenen Stellen mit der Antriebswelle verbunden ist, etwa im Bereiche des angetriebenen Maschinenteils (10 b) und an einer zweiten Stelle im Bereiche des Turbinenläufers (13 b), und daß dieses Rohr an eine Druckmittelversorgung (37, 39) angeschlossen ist und in Verbindung mit dem druckempfindlichen Organ steht (51), so daß im Falle eines Bruches der Antriebswelle das Rohr (40) ebenfalls zu Bruch geht, der auf das druckempfindliche Organ einwirkende Druck sinkt und die Brennstoffzufuhr unterbrochen wird.

2. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (40) zwischen den Verbindungsstellen (41, 42) mit der Antriebswelle (14) so geschwächt ist, daß es an der Stelle dieser Schwächung (47) im Falle eines Bruchs der Antriebswelle zu Bruch geht, und daß das Innere des Rohres im Bereich der Schwächungsstelle (47) als Druckkammer ausgebildet ist, in deren Zuflußöffnung eine Drossel (45) angeordnet ist und über deren Abflußöffnung (66) das druckempfindliche Organ (51) mit dem Druck in der Kammer beaufschlagt wird.

3. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (40) in eine von der angetriebenen Maschine (10 6) abgelegene Verlängerung (43) des Turbinenläufers (13 6) eingesetzt ist, daß die eine Verbindungsstelle (42) zwischen dem Rohr und den umlaufenden Teilen der Maschine innerhalb dieser Verlängerung des Turbinenläufers liegt und daß die Drossel (45) im Zufluß zur Kammer sowie die Schwächungsstelle (47) des Rohres im Bereich der Turbine liegen.

4. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Rohres (40) bis über die Verlängerung (43) des Turbinenläufers hinausreicht und daß dieses Ende mit einem von einem feststehenden Bauteil (62) getragenen, gegenüber dem Rohr und diesem feststehenden Bauteil frei rotierenden Pfropfen (65) dicht verbunden ist, dessen zentrale Bohrung (66) von dem Rohr (40) zu einer Austrittskammer (64) des feststehenden Bauteils führt, welche über eine Leitung (48) mit dem druckempfindlichen Organ (51) verbunden ist.

5. Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmittel eine Druckflüssigkeit ist.