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Brennstoffanlage für Gasturbinen Die Erfindung bezieht sich auf eine
Brennstoffanlage für Gasturbinen mit einer Brennstoffpumpe und einem Ventil, das
bei einer vorbestimmten Triebwerksdrehzahl gegen eine Vorspannung öffnet, so daß
Brennstoff im Nebenschluß zum Pumpeneinlaß zurückströmen kann.
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Derartige Brennstoffanlagen sind bereits bekannt. Bei einer bekannten
Anlage besteht das Ventil aus einem Betätigungsmechanismus und dem eigentlichen
Ventil, wobei der Betätigungsmechanismus an einem vom Triebwerk angetriebenen Teil
angebracht ist und mit diesem umläuft, während das eigentliche Ventil vom Betätigungsmechanismus
nur in Längsrichtung verschoben wird und undrehbar im Gehäuse liegt. Der Nachteil
der beschriebenen Anordnung liegt darin, daß die bei einem derartigen Ventil aufeinandergleitenden
Flächen der Abnutzung unterworfen sind. Da diese Ventile jedoch feinfühlig arbeiten
und sehr genau eingestellt werden müssen, wird auch die kleinste Abnutzung schon
Änderungen des Öffnungs- oder Schließzeitpunktes zur Folge haben, so daß sie häufig
nachgestellt oder auch ersetzt werden müssen.
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Weiterhin ist eine Einrichtung bekannt, bei der ein von einem Druckmedium
beaufschlagtes Überströmventil verwendet wird, das als Flachsitzventil ausgebildet
ist, so daß hier keine aufeinandergleitenden Flächen vorhanden sind. Das Druckmedium,
dessen Druck der Drehzahl der Förderpumpe entspricht, wird dem Ventil durch enge
Kanäle im Reglergehäuse zugeführt. Das Ventil selbst ist der Fliehkraft nicht ausgesetzt,
so daß die Drehzahlabhängigkeit nur durch den Druck des Druckmediums bewirkt wird.
Bei dieser Anordnung können im Laufe der Zeit durch Verschmutzung der Kanäle im
Gehäuse leicht Druckverluste auftreten, die die Drehzahlabhängigkeit der Ventileinstellung
beeinflussen. Es ist also nicht nur erforderlich, von Zeit zu Zeit das Reglergehäuse
zu säubern, sondern es ändert sich fortlaufend auch mit zunehmendem Druckverlust
die Ventileinstellung. Weiterhin ist aber das Druckmedium selbst mehr oder weniger
stark von der Temperatur abhängig, so daß sich infolge Dichteänderungen weitere
unkontrollierbare Druckverluste einstellen, die die genaue Ventileinstellung verfälschen.
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Ziel der Erfindung ist es, eine Brennstoffanlage für Gasturbinen zu
schaffen, bei der die obenerwähnten Nachteile vermieden werden.
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Gemäß der Erfindung wird dieses Ziel dadurch erreicht, daß das Ventil
vollständig von einem vom Triebwerk angetriebenen, rotierenden Teil getragen wird,
mit diesem umläuft und durch die Fliehkraft geöffnet wird.
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Bei dieser Ausbildung wird jegliches Aufeinandergleiten zweier Flächen
und damit jegliche Abnutzung vermieden. Weiterhin wird das Ventil ausschließlich
durch die Fliehkraft betätigt, der eine Feder entgegenwirkt, die sich in ihren Eigenschaften
nicht ändert. Die einmal getroffene Einstellung des Ventils bleibt also stets erhalten.
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Nach einem weiteren Merkmal kann bei einer Brennstoffanlage mit einem
auf den Brennstoffdruck ansprechenden Überströmventil, welches den Pumpeneinlaß
mit dem Pumpenauslaß verbindet, das Mittel zum Vorspannen des Überströmventils so
eingestellt werden, daß das Überströmventil die dem Brenner zugeführte Brennstoffmenge
in einem vorbestimmten Drehzahlbereich der Pumpe regelt, der unterhalb der Drehzahl
liegt, bei der das durch Fliehkraft betätigte Ventil öffnet.
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Bei einer anderen Ausführungsform kann nach einem weiteren Merkmal
parallel zu dem durch Fliehkraft betätigten, umlaufenden Ventil ein zweites durch
Fliehkraft betätigtes Ventil angeordnet werden, das ebenfalls vollständig von einem
vom Triebwerk angetriebenen, rotierenden Teil getragen wird und mit diesem umläuft
und auf das eine von Hand zu betätigende hydraulische Drehzahlsollwert-Einstellvorrichtung
wirkt. Diese Ausführungsform wird vorteilhaft dann verwendet, wenn die Drehzahleinstellung
bei laufender Pumpe zwischen einem Mindest- und einem Höchstwert verändert werden
soll.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise dargestellt und
wird im folgenden im einzelnen erläutert.
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Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch eine Brennstoffpumpe und ein durch
Fliehkraft betätigtes Ventil gemäß
der Erfindung, wobei außerdem
ein auf den Brennstoffdruck ansprechendes Ventil dargestellt ist; Fig.2 ist ein
entsprechender Schnitt durch die Pumpe und das durch Fliehkraft betätigte Ventil,
wobei der Pumpenrotor jedoch um 180° gedreht ist; Fig.3 zeigt vergrößert-- einen
Längsschnitt durch das -in Fig.1 dargestellte, auf den Brennstoffdruck ansprechende
Ventil; Fig. 4 ist ein Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform eines auf
den Brennstoffdruck ansprechenden Ventils, welches mit Einstellmitteln versehen
ist, die über einen vorbestimmten Bereich den Kraftstoffzufluß zum Brenner regeln;
Fig. 5 ist die Stirnansicht einer Endfläche des Pumpenrotors und zeigt die BreEnnstöffeintritts-
und -austrittskanäle; Fig.6 ist eine der Fig.1 entsprechende Ansicht, zeigt jedoch
ein zweites durch Fliehkraft betätigtes Ventil, auf das eine von Hand zu betätigende
hydraulische Drehzahlsollwert-Einstellvorrichtung wirkt. Der zugehörige Hydraulikzylinder
ist zur besseren Übersicht verkehrt herum- dargestellt.
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Die in den Fig. 1 bis 3 und 5 dargestellte Ausführungsform bezieht
sich auf die Verwendung der erfindungsgemäßen Brennstoffanlage bei kleinen, mit
konstanter Drehzahl laufenden Gasturbinen, wie sie zum Antrieb von Feuerlöschpumpen
oder elektrischen Generatoren verwendet werden.
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Nach den Fig.1 und 2 besteht die Pumpe aus einem rohrartigen Teil
11, der durch eine Anzahl von Schrauben 14 zwischen zwei Endplatten 12 und
13 befestigt ist. Die nach innen gerichtete Nabe 16 der Endplatte 12 bildet mit
ihrer Bohrung eine lange Lagerung für die Pumpenrotozwelle 17, wobei zwischen Wellendichtungen
20 und 21 durchtretende Leckverluste durch Kanäle 18 und 19 in der Platte 12 abgeleitet
werden. Das äußere Ende der Welle ist bei 22 zur Verbindung mit einer nicht dargestellten
Welle der Gasturbine eingerichtet.
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Am inneren Ende ist die Welle 17 zu einem Rotorkörper 23 vergrößert,
der mit einer Anzahl auf einem Kreis liegender Bohrungen versehen ist, in denen
jeweils ein fingerhutartiger Kolben 24 liegt, von denen in den Figuren jeweils nur
einer dargestellt ist. Im oberen Teil eines jeden Kolbens ist eine ballige Ausnehmung
vorgesehen, in der eine Kugel 25 liegt, die in eine gleiche Ausnebmung in einem
Schuh26 einfaßt, der durch eine Feder 28 auf eine Nockenfläche 27 gedrückt wird,
die mit der Endplatte 13 aus einem Stück besteht. Es ist zu erkennen, daß die Kolben
bei einer Drehung des Rotors durch die Wirkung der Nockenfläche hin- und herbewegt
werden.
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Aus einem nicht dargestellten Vorratsbehälter wird flüssiger Brennstoff
über eine Zufuhrleitung 29 durch ein Filter 30 und durch Kanäle 31 und 32 in das
Innere der Pumpe gefördert. In Fig. 2 ist der Kolben 24 am Ende seines nach außen
gerichteten Hubes dargestellt; er hat dabei durch einen radialen Kanal
33 in der Nabe 16, eine bogenförmige Ausnehmung 34 in der Endfläche
35 der Nabe und durch Verbindungskanäle 36 und 37 im Pumpenrotor eine gewisse Brennstoffmenge
aus dem Inneren des Pumpenkörpers angesaugt. Die Bogenlänge der Ausnehmung 34 ist
so groß, daß während des Ansaughubes des Kolbens die Verbindung mit dem Kanal
36 erhalten bleibt, wie aus Fig. 5 zu erkennen ist.
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In Fig. 1 ist der Kolben in seiner innersten Lage dargestellt, und
zwar 180° nach der in Fig.2 dargestellten Lage. In dieser Stellung hat er die Brennstoffmenge
durch Verbindungskanäle 38 und 39 im Rotor in eine zweite bogenförmige Ausnehmung
40 in der Endfläche der Nabe ausgeschoben. Die Bogenlänge dieser Ausnehmung ist
genügend groß, um während des gesamten nach innen gerichteten Hubes des Kolbens
die Verbindung mit dem Kanal 39 aufrechtzuerhalten. Die Ausnehmung steht über einen
radialen Kanal 41 in der Nabe mit einer kreisringförmigen Nut 42 der Welle 17 in
Verbindung. Die Welle weist ebenfalls einen radialen Kanal 43 auf, der mit einer
axialen Bohrung 44 in Verbindung steht, die zu dem durch Fliehkraft betätigten Ventil
führt. Die kreisringförmige Nut 42 steht über eine nicht dargestellte Öffnung in
der Nabe sowie Kanäle 45 und 46 in der Nabe und in der Endplatte 12 mit Kanälen
47 und 48 in dem rohrförmigen Teil 11 in Verbindung, von wo aus der Brennstoff
durch eine Leitung 50 zum Brenner gefördert wird. Das durch Fliehkraft betätigte
Ventil besteht aus einem Körper 51, der einen Kanal 52 auf-@veist und so mit Gewinde
in den Rotor eingeschraubt ist, daß der Kanal 52 in radialer Richtung liegt.
Das äußere Ende des Kanals wirkt mit einem halbkugeligen Ventilkörper 53 zusammen,
welches im hohlen Ende eines Schaftes 54 sitzt, der durch Muttern mit dem freien
Ende einer Blattfeder 55 fest verbunden ist. Das andere Ende der Blattfeder ist
durch eine Schraube 56 mit einem Bügel 57 verbunden, der mit einer Schraube 58 am
Rotor befestigt ist.
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Es ist zu erkennen, daß der Kanal 52 für Brennstoff, der durch die
Leitung fließen soll, eine Nebenschlußleitung darstellt, wenn die Drehzahl des Rotors
so groß ist, daß das halbkugelige Ventil 53 durch die der Kraft der Feder 55 entgegenwirkende
Fliehkraft von seinem Sitz abgehoben wird. Auf diese Weise kann die von der Turbine
entwickelte maximale Drehzahl dadurch geregelt werden, daß der Brennstoff im Nebenschluß
am Brenner vorbeigeführt wird.
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Gemäß Fig.6 wird ein Brenner mit einem durch einen Handhebel 121 zu
betätigenden Absperrventil 120 in der Brennstoffzufuhrleitung verwendet. Um den
Brenner abschalten zu können, während das Gerät nach Fig. 1 und 2 läuft, wird ein
Nebenschlußventil 122 verwendet, das in Fig.3 im Längsschnitt dargestellt ist.
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Das Einlaßende des Ventilgehäuses 59 enthält einen Kanal64, der einen
Sitz für die konische Nase eines hohlen Ventilkörpers 65 bildet, welcher neben dem
Sitz einer Anzahl von Öffnungen 66 aufweist und durch eine Feder 67 in Schließstellung
gedrückt wird. Das Ende 68 des Teiles 62 bildet einen Hubbegrenzungsanschlag für
den Ventilkörper 65. Das Nebenschlußventil bleibt so lange geschlossen, bis der
Druck in der Leitung 61 und damit im Kanal 64 (z. B. infolge des Schließens des.
Brenners) so weit ansteigt, daß die Vorspannung der Feder 67 überwunden wird.
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Die in Fig. 4 dargestellte abgeänderte Ausführungsform des Nebenschlußventils
gestattet, die Brennstoffzufuhr zum Brenner unterhalb der Grenze, die durch das
durch Fliehkraft betätigte Ventil gegeben ist, von Hand zu regeln. Gemäß Fig. 4
weist das Ventilgehäuse 59a einen seitlichen Auslaßstutzen 62a sowie einen Flansch
69 auf, an dem durch Schrauben 70 ein zylindrisches Tei171 gehalten wird. Innerhalb
dieses Teiles und einer Bohrung des Gehäuses 59a wird ein mit einem Dichtring 75
versehener Kolben 72 axial beweglich geführt, welcher an seinem inneren Ende mit
dem Federteller 74 verbunden ist. Mit dem Kolben 72 ist eine radialgerichtete Stange
78 eines Handgriffs fest verbunden, die durch einen schraubenför-
| migen Schlitz 79 im zylindrischen Teil 71 hin d |
| faßt; durch Drehung des Handgriffs um die Achse |
des Kolbens 72 wird die Vorspannung der Feder 67 a verändert, so
daß das Ventil bei einem anderen Brennstoffdruck in der Leitung 61 öffnet und einen
gewissen Teil der Brennstoffmenge im Nebenschluß zurückströmen läßt.
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Wie in Fig. 4 dargestellt, ist die an ihrem äußeren Ende einen Betätigungsknopf
80 tragende Stange 78 von einer Hülse 81 umgeben, die mit Fingern 82 versehen ist;
durch diese kann sie zurückgezogen werden, so daß eine Kupplung 83, die den Kolben
72 in einer eingestellten Lage hält, außer Eingriff kommt. 83 a und 83 b sind einstellbare
Anschläge.
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Die niedrigste Einstellung des auf den Brennstoffdruck ansprechenden
Ventils soll verhindern, daß die Drehzahl des Triebwerks unter eine vorbestimmte
Leerlaufdrehzahl abfällt.
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Wenn das auf den Brennstoffdruck ansprechende Ventil in seiner maximalen
Einstellung festgestellt ist, bleibt es geschlossen, so daß das durch Fliehkraft
betätigte Ventil die maximale Drehzahl begrenzt.
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Jede dazwischenliegende Drehzahl kann dadurch erreicht werden, daß
die Federvorspannung an dem auf Druck ansprechenden Ventil geändert wird.
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Das auf Druck ansprechende Ventil hat gegenüber den normalen Nadel-
oder Drosselventilen den Vorteil, daß eine Druck-Durchflußcharakteristik geschaffen
wird, die unter allen Betriebsbedingungen einen stabilen Lauf des Triebwerks ermöglicht.
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Fig. 6 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform, bei der ein zweites
durch Fliehkraft betätigtes Ventil vorgesehen ist, auf das eine von Hand zu betätigende
hydraulische Drehzahlsollwert-Einstellvorrichtung wirkt.
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Bei dieser Ausführungsform ist der Pumpenrotor 23a fest mit einem
Teil 96 verbunden, der einen hohlen Ansatz 97 trägt, welcher in einer Richtung
mit einem hohlen Teil 98 liegt, der mit der Endplatte 13a der Pumpe fest verbunden
ist. Zwischen der Bohrung des Ansatzes und des hohlen Gliedes 98 liegt ein Rohr
99, das in der Nähe seiner Enden auf seinem Umfang Dichtungen 100 aufweist und ein
in der Mitte liegendes Zwischenstück 101 trägt, das die Bewegung begrenzt. Auf diese
Weise kann Druckflüssigkeit aus einem hydraulischen Zylinder 106 bis
119, der im folgenden beschrieben wird, durch ein Rohr 102, durch das Rohr
99 und einen Kanal 103 in dem Teil 96 bis unterhalb eines fingerhutartigen Kolbens
104 geführt werden. Dieser Kolben arbeitet in einem Zylinder 105, der mit dem Teil
96 fest verbunden ist, und kann durch die Druckflüssigkeit so eingestellt werden,
daß die Wirkung des zweiten durch Fliehkraft betätigten Ventils geändert wird.
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Der hydraulische Zylinder, der, wie bereits erwähnt, zur besseren
Übersicht verkehrt herum dargestellt ist, enthält einen Vorratsbehälter
106 mit einem Einfülldecke1107 für die Druckflüssigkeit und ein Ventilglied,
das durch eine Stange 108 betätigt wird, die z. B. mit dem Gaspedal des Fahrzeugs
verbunden ist. Die Stange 108 trägt ein kugelförmiges Ende 109, das in einen Kolben
110 eingesetzt ist, der einen Dichtring 111 aufweist und eine Halterung 112 für
das eine Ende einer Druckfeder 113 trägt, deren anderes Ende auf ein Ventilglied
114 wirkt, das einen Kanal 115 zum Vorratsbehälter abdichtet. Das Ventilglied 114
ist fest mit einer Stange 116 verbunden, deren oberer Teil 117 in einer Bohrung
118 des Kolbens 110 geführt wird. Die Anordnung ist so getroffen, daß, wenn der
Kolben von der Stange 108 hineingedrückt wird, der Kanal 115 abgedichtet
wird und Druckflüssigkeit aus dem Zylinder 119 durch das Rohr 102 herausgedrückt
wird und den auf den Kolben 104 wirkenden Druck einstellt. Wenn die Stange 108 zurückgezogen
wird, wird der obere Teil 117 der Stange 116 mitgenommen und der Kanal 115 geöffnet,
so daß Druckflüssigkeit aus dem Vorratsbehälter in den Zylinder 119 eintreten und
jeden Verlust ergänzen kann.
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Die Feder55a ist so ausgebildet, daß sie eine geringere Federkraft
als die Feder 55 aufweist, so daß das zweite durch Fliehkraft betätigte Ventil beim
Öffnen infolge der Fliehkraft die Mindestdrehzahl regelt. Die Druckflüssigkeit unterstützt
die Wirkung der Feder 55 a, um zu ermöglichen, daß das Triebwerk bei einer zwischen
der eingestellten maximalen und minimalen Drehzahl läuft.