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Regler für Gasturbinen Die Erfindung betrifft einen Regler für Gasturbinen.
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Es sind Brennstoffregelanlagen bekannt mit Vorrichtungen, die auf
mehrere vom Maschinenbetrieb abhängigeRegel- undStörgrößen ansprechen und einen
Stellwert erzeugen, der ein Schaltventil steuert, welclies seinerseits das Hauptbrennstoffventil
verstellt.
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Die Erfindung betrifft nun einen Regler für Gasturbinen, bei dem die
Drehzahl als Regelgröße, die Ansaugtemperatur als Führungsgröße und die Abgastemperatur
als eine Störgröße gemeinsam mittels einer elektrischen Vorrichtung auf das Schaltventil
eines (las Brennstoffventil betätigenden Stellmotors einwirken, wobei die Brennstoffmenge
die Stellgröße ist.
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Gegenüber den bekannten Ausführungen kennzeichliet sich der neue Regler
für Gasturbinen dadurch, daß der Verdichtungsdruck als zweite Störgröße ein in einer
stromab vom Brennstoffventil abzweigenden überströmleitung angeordnetes Überströmventil
und einen Anschlag verstellt, der eine Mindestöffnung des Brennstoffventils gewährleistet.
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Der neue Regler soll als einfache und doch genaue Regelung des Brennstoffes
zur Betätigung eines einzigen Drosselventils in Abhängigkeit von einem von einer
elektronischen Anlage gelieferten Stellwert dienen, wobei die elektronische Anlage
aus verschiedeneu von dem Kraftanlagenbetrieb abhängigen Regel-und Störgrößen einen
resultierenden Stellwert in Form eines elektrischen Stromes erzeugt, der eine Stromspule
durchfließt. Die Stromspule steuert über ein Schaltventil den Druck auf einer Seite
einer das Hauptdrosselventil betätigenden Membran, die einen einfachen Stellmotor
darstellt. Um den Anstieg des Verdichtungsdruckes ztibegrenzen, sind sowohl Miniinalanschläge
als auch ein Überströmventil in einer hinter dem Hauptdrosselventil abzweigenden
Überströnileitun- vorgesehen. Es handelt sich bei diesem Regler also um eine hydraulische
Anlage, die von den Regel- und Störgrößen elektronisch gesteuert wird.
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Bei dem Regler wird der Verdichtungsdruck des Kompressors dazu verwendet,
Brennstoff umzuleiten, uni zu verhindern, daß ein übermäßiger Verdichtungsdruck
beim Kompressor erzeugt wird. Außerdem wird der Verdichtungsdruck des Kompressors
dazu verwendet, einen Minimalanschlag zu verstellen, um ein Erlöschen der Flamme
bei verringertem Brennstoffzufluß zu vermeiden. Falls der Steuerhebel des Piloten
plötzlich in verzögernder Richtung verstellt werden sollte, wird eine Verringerung
des Brennstoffzuflusses auf einen übermäßig niedrigen Wert verhindert, bis der Verdichtungsdruck
des Kompressors etwas verringert worden ist. Wäre eine solche Vorrichtung nicht
vorgesehen, so würde der Brennstoffzufluß plötzlich verringert werden, während große
Luftmengen die Maschine weiterhin durchströmen würden. Es ergäbe sich damit ein
Erlöschen der Flamme, was mit dem Regler vermieden wird.
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Fig. 1 zeigt einen Querschnitt einer Gasturbinenanlage und
eine schematische Darstellung eines Teils der Brennstoff-Regelanlage; Fig. 2 ist
eine schematische Darstellung, die die Haupt-Betriebselemente der Brennstoffregelung
zeigt. Die in Fig. 1 dargestellte Gasturbinenanlage 10 ist init einem
Kompressor 12, einer Brennkammer 14, einer Turbine16 und einer Auspuffdüse18 ausgerüstet.
Von dem Brennstoffregler kommender Brennstoff wird mittels einer oder mehrerer Düsen
20 in die Brennkammer 14 eingespritzt und durch eine geeignete Vorrichtung, beispielsweise
die bei 22 gezeigte, gezündet.
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Verschiedene Betriebswerte der Gasturbinenanlage, die als Regel- und
Störgrößen dienen, werden gemessen und elektronisch zu einem resultierenden Stellwert
zusammengesetzt. So erzeugt, wie dargestellt, ein Gelierator24 ein Drehzahlsignal,
dessen Sollwert durch Verstellen der Drossel26 geändert wird, wobei diese elektrisch
abgewandelte gebildete Drehzahlregelabweichung dem elektronischen Stellwertgeber
zugeführt wird. Auch andere gemessene Regel- und Störgrößen werden diesem Stellwertgeber
zugeführt, beispielsweise die Kompressor-Einlaßtemperatur, die Auspufftemperattir
und die der Höhe entsprechende Luftdichte. Der Stellwertgeber erzeugt dann einen
Stellwert, der zu den Wicklungen 30 und 32 (Fig. 2) der Steuerspule34
geleitet wird, die den Brennstoffregler verstellt.
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Wie in Fig. 2 dargestellt, wird der Brennstoff von einer geeigneten
Quelle zum Hauptzuflußrohr50 geliefert,
wo er in die Brennstoff-Regelungsanlage
eintritt. Zunächst fließt der Brennstoff durch ein Filter 52, das eine durch
eine federbelastete Kugel gesperrte U-Imleitung54 für den Fall umfaßt, daß das Filter
übermäßig verstopft sein sollte. Nach Durchlaufen des Filters 52 wird der
Brennstoffdruck durch die Pumpe 56 auf einen höheren Zwischenwert erhöht.
DerBrennstoff läuft dann zu einem T-Stück 58, das zwei Hauptleitungen60 und
62 versorgt. Die Leitung60 umfaßt ein Entlastungsventil 64, das den Brennstoffdruck
bei dem vorerwähnten Zwischenwert hält. Der Brennstoff fließt dann normalerweise
zu der Leitung 66 und durch ein zweites Filter68, das dem Filter52 ähnlich ist.
Ein Rückschlagventil 70 verbindet die Einlaßleitung 50 mit der Leitung66
und wird normalerweise geschlossen gehalten, da der Druck in der Leitung66 höher
als in der Einlaßleitung 50 ist. Das Rückschlagventil 70 dient als
Sicherheitsvorrichtung für den Fall, daß die Brennstoffpumpe56 außer B etrieb kommen
sollte, in welchem Fall der in die Einlaßleitung50 eintretende Brennstoff durch
das Rückschlagventil70 und dann weiter durch das Filter 68 fließt.
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Eine zweite *Hochdruckpumpe76 ist in der Nähe des Filters
68 vorgesehen, um unter hohem Druck stehenden Brennstoff zur Hauptleitung78
zu liefern, die ebenfalls ein Entlasttingsventil 48 umfaßt, um diesen hohen Druck
auf einen bestimmten Höchstwert zu beschränken. In der Leitung 78 ist ein
Filter 87 angeordnet. Die Hauptleitung78 teilt sich in zwei Leitungen 84
und 86. Die Leitung 86 führt den Brennstoff zum Einlaß 88 eines
Drosselventils 90, das die Brennstoffmenge regelt und sie zu einer Auslaßleitung
92
weiterführt, von wo sie, wie weiter gezeigt wird, zu den Brennstoffdüsen
der Brennkammer strömt.
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Um die Mengenbemessung des Brennstoffes durch das Drosselventil
90 richtig zu regeln, wird ein fester Druckabfall im Drosselventil aufrechterhalten,
d. h. zwischen dem Einlaß 88 und dem Auslaß 92. Das wird wie
folgt erreicht: Wie vorher erwähnt, ist die Hauptbrennstoffleitung ZD
78 in zwei Leitungen 84 und 86 geteilt, von denen die Leitun-.
86 zum Einlaß 88 des Drosselventils 90 führt. Die Leitung 84
führt zu einem Druckregler 100, der in der Leitung 102 einen etwas niedrigeren
Druck erzeugt, den Druck in den Leitungen 84, 86 aber auf einen bestimmten
konstanten Betrag über dem Druck in der Leitung 92 regelt. Die Kammer 104
des Reglers ist dem Brennstoffdruck ausgesetzt, der demjenigen des Atislasses des
Drosselventils 90 -leichwertig ist. Das wird durch eine Leitung
106 erreicht, die zu den öffnungen 108, 110 eines Schaltventils 112
führt und dann zu der Leitung 114, die mit dem Auslaß 92 des Drosselventils
verbunden ist.
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Das Schaltventil 112 regelt die Bewegungen des Drosselventils
90. Eine Leitung 116 führt von der Einlaßleitung86 des Drosselventils
durch ein Filter zu der Öffnung118 des Schaltventils112. Das Schaltventil, das elektrornagnetisch
durch die Steuerspulen 30, 32 betätigt wird, läßt seinerseits Flüssigkeit
entweder von der Öffnung110 oder der Öffnung118 zuströmen und läßt sie durch die
Leitung 120 und in die Kammer 122 des Drosselventils strömen. Somit lassen die Bewegungen
des Schaltventils in der einen oder anderen Richtung Brennstoff unter einem der
beiden Drücke in die Kammer 122 -strömen, um die Bewegungen des Hauptventilkörpers
128 des Drosselventils 90
zu regeln. Somit wird Brennstoff entweder
in die Kammer 122 eingelassen oder aus ihr abgelassen, je
nachdem, mit welchem
Druck die Kammer 122 verbunden ist. Die Federkraft und die Fläche der Meinbran
123, auf deren beide Seiten die Brennstoff drücke einwirken, schaffen die
Kraft zur Einstellung des Ventilteiles 128. Die Kombination des Schaltventils
und des Drosselventils stellt eine einfach wirkende Stellvorrichtung mit Hilfsenergie
zum Verstellen des Ventilkörpers 128 und der Brennstoffmenge dar. Da die
Kammer 122 des Drosselventils auf diese Weise durch die Drücke vor und hinter dem
Drosselventil beaufschlagt wird, wird eine genaue Strömungsregelung erzielt. Die
Ausbildung des Drosselventils ist nicht Gegenstand der Erfindung.
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Die das Schaltventil umgebende Buchse 130 weist ein Zahnseginent
132 an seinem unteren Ende auf, das mit einem Zahnrad 134 kämmt. Dadurch,
daß die Buchse 130 auf diese Weise gedreht wird, tritt bei Bewegung des Schaltventils
112 mehr gleitende als ruhende Reibung auf, wodurch ein Steckenbleiben vermieden
wird.
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Das Drosselventil 90 umfaßt einen einstellbaren Anschlag 140,
der die größte Öffnung des Ventils begrenzt. Cr Durch die im allgemeinen mit 142
bezeichnete Vorrichtung ist ein Mindest-Öffnungsanschlag vorgesehen, der in Abhängigkelt
von den als Regel- oder Störgrößen dienenden Betriebsbedingungen veränderlich ist.
Dieser veränderliche Mindestrnengenanschlag umfaßt einen federbelasteten entleerten
Balg 144 mit einer am beweglichen Ende des Balges 144 befestigten Lagerplatte 146.
Ein zweiter Balg 148 umfaßt eine bewegliche Wandung oder Lagerplatte 150,
die dem Balg 144 und dessen Lagerplatte 146 entgegenarbeitet. Durch eine Leitung
156 wird Kompressorauslaßdruck in das Innere des Balges 148 geleitet. Durch
eine Leitung 150 wird Brennstoff aus der Leitung 102 in die beide Bälge 144
und 148 umgebende Fläche geleitet, um so die Bewegungen der Lagerplatten 146 und
150
ZD zu dämpfen.
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Durch die Bewegung der Platten 146 und 150 in der einen oder
anderen Richtung wird eine Kulisse 154 bewegt, in die ein von einem gleitenden Kolben
158
getragener Stift 156 eingreift. Seitliche Bewegungen ZD der Kulisse
154 veranlassen demnach den Kolben 158,
sich auf und ab zu bewegen und so
bei 160 ein einstellbares Widerlager für den oberen Teil des Drosselventilkörpers
128 zu schaffen. Eine Gewindebuchse 164 umgibt den oberen Teil des Kolbens
158, sichert die Kulisse154 gegen senkrechte Bewegung und gestattet, die
Kulisse von außen einzustellen. Eine durch den Kolben 158 verlaufende axiale
Bohrung sorgt für ausgeglichenen Druck an beiden Enden von 158, so daß veränderlicher
Düsendruck die Kurve gegen die Kräfte der Federn und Bälge nicht betätigt. Um übermäßigen
Druck zu vermeiden, wenn der Drosselventilkörper 128 das Widerlager
160 berührt, ist ein Stift 170 in der Mitte des Drosselventilkörpers
128 vorgesehen. Dieser Stift 170 berührt das Widerlager
160, bevor der Ventilkörper 128 das Widerlager 160 berührt
hat und dadurch ein Ablaßventil 172 öffnet, um den Druck aus der Kammer 174
oberhalb des Ventilkörpers 128
in die Kammer 122 unterhalb des Ventilkörpers
128
durchtreten zu lassen.
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Statt also den Ventilkörper 128 dem Kolben 158 mit übermäßiger
Kraft entgel-enarbeiten zu lassen, wenn der Ventilkörper 128 in die geschlossene
Stellung und der Kolben 158 abwärts bewegt wird, erzeugt das Ablaßventil
128 durch Druckentlastung der Kammer 122 eine Abdämpfung der Bewegung des
Ventilkörpers 128.
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Die Mindestöffnung des Drosselventils 90 wird in Abhängigkeit
von dem Kompressorauslaßdruck geregelt, und zwar entsprechend einer durch die Form
und
die Neigung der Kulissenkurve 154 festgelegten Gesetzmäßigkeit.
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Um übermädigen Druckanstieg am Kompressor zu vermeiden, ist ein allgemein
mit 200 bezeichneter Druckgrenzregler vorgesehen, mit dem ein Teil des durch die
Leitung 92 zu den Brennstoffdüsen geleiteten Brennstoffes abgezweigt wird. Übermäßigen
Druckanstieg zu vermeiden, ist vor allem vom Standpunkt der Konstruktion des Kompressors
aus wünschenswert, um ein Sprengen des Kompressorgehäuses zu verhindern. Die Betriebsweise
des Kompressor-Druckgrenzreglers ist folgende: Der Kompressor-Druckgrenzregler ist
ein Stellinotor mit einem von einem Paar Bälgen betätigten Schaltventil, wobei der
Stellmotor durch Brennstoffdruck betätigt und durch eine Feder zurückgeführt wird.
Dieser Grenzregler bildet aus dem Kompressorauslaßdruck und dem atmosphärischen
Druck die Regelabweichting, so daß die Brennstoffmenge zur Brennkammer vermindert
wird, wenn der Unterschied dieser Drücke einen bestimmten Betrag erreicht. Der Kompressorauslaßdruck
beaufschlagt die bewegliche, Wand 210 des Balges 212, während der atmosphärische
Druck die bewegliche Wand 214 des Balges 216 beaufschlagt. Wenn der Druckunterschied
übermäßig groß wird, bewegt sich die Wand 210 nach rechts, wodurch die Wand 214
ihrerseits infolge der Stiftverbindung '220 nach rechts bewegt wird. Die Bewegung
der Wände 210 und 214 nach rechts bewegt den Steuerschieber 222 nach rechts und
öffnet die Ablaßöffnung 224. Somit dienen der Stift220 und der Schaft222 .als Steuerschieber.
Hierdurch wird es möglich, daß Brennstoff durch den den Stift 220 umgebenden Durchlaß
226 in die Kammer 230 fließt. Der Druck in der Kammer 230 bewegt
seinerseits den Ventilkegel 234 nach rechts und läßt den Brennstoff nach außen und
durch die Leitungen 236, 102, 62 und 60 zur S augseite
der Pumpe 76 zurückfließen, wodurch die Menge des zu der Maschine fließenden Brennstoffes
verringert wird. Wenn der Druckanstieg am Kompressor verringert wird, bewegt sich
die bewegliche Wand 214 nach links und bewegt auch den Schieber240, der an der beweglichen
Wand 210 liegt, nach links, so daß die Öffnung 242 geöffnet wird. Dadurch wird die
Kammer 230 duch den Durchlaß 244 zur Leitung 236 hin entleert. Durch
die Entlastung der Kammer 230 wird der Ventilkegel 234 nach links bewegt,
so daß weiteres Ablaufen von Brennstoff aus der zur Brennkammer führenden Leitung
92 unmöglich gemacht wird.
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In Fig. 2 ist auch ein Drosselhebel 300 gezeigt, der mit einem
Potentiometer 302 verbunden ist, welches den Sollwert für den elektronischen
Stellwertgeber herstellt, der in Fig. 1 erläutert ist. Der Drosselhebel
300 ist auch mit einem Hebel 306 verbunden, der ein Zahnrad
308 und eine Zahnstange 310 eines Absperrventils 312 betätigt,
das in Fig. 2 in seiner geschlossenen Stellung gezeigt ist. Zweck des Ventils
312 ist es, einen zwangläufigen Abschluß des von der Brennstoff-Regelungsanlage
zu den Brennstoffdüsen fließenden Brennstoffes zu schaffen. Die Zahnstange
310
schließt einen nach unten vorstehenden Schaft 316 ein, der einen
Flansch 318 umfaßt, der seinerseits das Ventil 312 faßt, wenn die
Zahnstange 310 nach oben bewegt wird. Wegen des Spiels zwischen dem Flansch
318 und dem Schaft 316 bleibt das Ventil 316 in seiner geschlossenen
Stellung, bis sich die Zahnstange eine bestimmte Strecke nach oben bewegt hat. Das
Spiel ist vorgesehen, damit das Ventil 312 durch die Feder 317 zwangläufig
gegen seinen Sitz gepreßt wird, falls das Drossel-Regelgestänge in der »Aus«-Stellung
des Hebels 300 falsch eingestellt sein sollte.
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Beim Schließen des Ventils 312 wird der Durchfluß des Brennstoffes
zu den Brennstoffdüsen gesperrt, so daß nunmehr der geförderte Brennstoff durch
die Kammer 330 und den an sie anschließenden Kanal 332
zur Saugseite
der Pumpe zurückfließen kann. Dadurch werden alle Leitungen entleert. Außerdem wird
verhindert, daß weitere Brennstoffmengen in die Leitungen zu den Brennerdüsen gelangen.
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Der obere Teil der Zahnstange310 umfaßt einen mit Rillen verschenen
Teil, der mit den öffnungen 350 und 352 zusammenarbeitet. Die Öffnung
352 führt züi einer nicht dargestellten Ablaßventilanlage, um die Brennstoffverteiler
zu entleeren, wenn die Maschine angehalten wird. Wenn demnach der Drosselhebel
300
in seiner geschlossenen Stellung ist, sind die Öffnung 352 und
ihre Verbindungsleitung 354 mit einer Quelle niedrigen Druckes verbunden, so daß
das nicht gezeigte Ablaßventil offen ist, um den Brennstoff von dem Brennstoffverteiler
der Maschine abzulassen. Bei Bewegung des Drosselhebels 300 zur offenen Stellung
hin werden die Leitung 354 und die Öffnung 332 mit einer Ouelle hohen Brennstoffdruckes
über die Öff-
nung 950 verbunden, um so das Ablaßventil zu schließen.
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Obwohl nur eine Ausführungsform dieser Erfindung gezeigt und beschrieben
worden ist, ist es selbstverständlich, daß mannigfache Änderungen und
Ab-
wandlungen in der Konstruktion und Anordnung der einzelnen Teile vorgenommen
werden können, ohne vom Bereich dieser neuen Erfindung abzuweichen.