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Brennstoffregeleinrichtung für Gasturbinen Die Erfindung betrifft
eine Brennstoffregeleinrichtung für eine Gasturbinenanlage mit einer von der Turbine
angetriebenen Brennstoffpumpe und mit einem zur Verbindungsleitung zwischen Pumpe
und Brenner nebengeschalteten überströmventil, das durch eine vom Pumpendruck in
Öffnungsrichtung beaufschlagte erste Membran gesteuert wird.
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Bei der Beschleunigung einer Gasturbine unmittelbar nach dem Anlassen
kann deren Brennstoffpumpe den Brennstoffdruck so vergrößern, daß das Anwachsen
des Verdichterdrucks und der Beschleunigungsgrad der Turbine nicht mehr damit im
Einklang steht. Unter solchen Bedingungen läßt eine Brennstoffdüse mit unveränderlicher
öffnung, die mit der Brennstoffpumpe in Verbindung steht, zuviel Brennstoff zum
Brenner der Gasturbine strömen. Da der Verdichterenddruck in geringerem Umfang anwächst
als der Ausgangsdruck der Brennstoffpumpe, war es bisher schwierig, ein ordnungsgemäßes
Brennstoff-Luft-Gemisch zu erreichen, weshalb die Temperatur der Turbine dazu neigte,
in einem unerwünschten Ausmaß anzusteigen.
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Eine Brennstoffregeleinrichtung, bei der ein überströmventil in Abhängigkeit
vom Verdichtungsdruck und vom Druck in der Brennstoffhauptleitung gesteuert wird,
ist bereits bekannt. Bei dieser bekannten Regeleinrichtung ist ein verhältnismäßig
komplizierter Nachfolgemechanismus vorgesehen, um die entsprechende Vedichterdruckkraft
gegen die Brennstoffdruckmembran des einer Brennstoffpumpe parallelgeschalteten
überströmventils zu erzeugen. Erfindungsgemäß wird eine wesentlich einfachere Ausgestaltung
einer derartigen Regeleinrichtung durch Anordnung einer einfachen einstellbaren
Drossel in der Verbindungsleitung zwischen Pumpe und Brenner erreicht.
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Bisher wurde zum Ermitteln der Turbinenauslaßtemperatur in Brennstoffregeleinrichtungen
ein Thermostat verwendet, der ein Brennstoff-überströmventil steuerte, um den Druck
des einer Brennstoffdüse beim Anlassen der Turbine zugeführten Brennstoffs zu regeln.
Bei den bisher bekannten Ausführungsformen war der Thermostat unerwünschten thermischen
Beanspruchungen ausgesetzt, die seine Lebensdauer herabsetzen. Es hat sich gezeigt,
daß eine Regelanlage zuverlässiger arbeitet, wenn der erforderliche Thermostat nicht
als primäre Regelvorrichtung verwendet wird. Erfindungsgemäß ist der in der Regelanlage
vorgesehene Thermostat so angeordnet, daß er mit einem Brennstoff-überströmventil
zusammenarbeitet und dabei die überhitzung der Gasturbine verhindert, ohne selbst
raschen oder übermäßigen Schwankungen der Turbinenauslaßtemperatur unterworfen zu
sein.
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Nach der Erfindung ist eine Brennstoffregeleinrichtung vorgesehen,
die die Gasturbine während des Anlaufens, des darauffolgenden Beschleunigens auf
die normale Betriebsdrehzahl und im Dauerbetrieb bei normaler Drehzahl und bei überlastung
steuert. Die einzelnen Bauelemente der Anlage arbeiten in neuartiger und vorteilhafter
Weise zusammen und enthalten gegenüber dem Bekannten wesentlich vereinfachte überströmventile,
wobei das Anlassen und das Beschleunigen einer Gasturbine auf deren volle Betriebsdrehzahl
innerhalb einer kurzen Mindestzeitdauer geschieht. Auf diese Weise wird durch die
Erfindung die Herstellung einer Brennstoffregeleinrichtung ermöglicht, die einfach
arbeitet und wirtschaftlichen Betrieb sicherstellt.
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Die Brennstoffregeleinrichtung nach der Erfindung ist gekennzeichnet
durch ein Verschlußstück des überströmventils, das einerseits unmittelbar mit einer
vom Verdichterenddruck in Schließrichtung beaufschlagten zweiten Membran und andererseits
mit der Pumpendruckmembran verbunden ist, deren zweite, in Ventilschließrichtung
wirkende Seite mit der mit einer einstellbaren Drossel versehenen Verbindungsleitung
zwischen Pumpe und Brenner in Verbindung steht.
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Die Erfindung wird nunmehr an Hand der Zeichnung beschrieben; in dieser
zeigt F i g. 9. eine schematische Darstellung einer Gasturbine mit der erfindungsgemäßen
Brennstoffregeleinrichtung und
F i g. 2 einen vergrößerten axialen
Schnitt durch ein Überströmventil nach der Erfindung.
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Nach der F i g. 1 ist eine Gasturbine 10 mit einem Verdichterrad 11
und einer Turbine 12 versehen, die beide auf einer gemeinsamen Welle 13 angebracht
sind. Eine Kammer 14 nimmt die Fördermenge des Gebläserads 11 auf und leitet diese
zu einem Brenner 15, der in eine Kammer 16 reicht, die mit dem Einlaß der Turbine
12 in Verbindung steht. Im Brenner 15 befindet sich eine Brennstoffdüse 17, während
im Auslaß der Turbine 12 die Meßsonde 18 eines thermostatisch betätigten Abblasventils
18 a angeordnet ist.
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Ein Brennstoff-Überströmventi119 erhält Brennstoff durch ein Rohr
20 und führt diesen der Düse 17 durch ein Rohr 21 zu. Dieses Überströmventil 19
erhält ferner durch ein Rohr 22 den Ausgangsdruck des Verdichters 11 zugeführt.
Ein mit einem Rückschlagventil 23 a versehenes Rohr 23 steht mit dem Überströmventi119
in Verbindung und kann unter Druck stehenden Brennstoff zum Einlaß 24 einer Brennstoffpumpe
25 leiten. Die Pumpe 25 wird von der Turbine angetrieben. Das Rückschlagventil 23
a ist so ausgebildet, daß es die Rückströmung von Brennstoff durch das Rohr 23 in
das Ventil 19 verhindert.
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Die Pumpe 25 erhält Brennstoff durch ein Rohr 26 und führt diesen
durch ein Rohr 27 einem auf die Drehzahl ansprechenden Brennstoff-Überströmventil
28 zu, das als Regler dient, nachdem die Turbine ihre normale Betriebsdrehzahl erreicht
hat. An das Rohr 27 ist ein Druckregelventil 27 a angeschlossen, das den
Pumpenauslaßdruck begrenzt. Der durch das Ventil 27 a abgelassene Brennstoff
wird über ein Rohr 27 b zum Einlaß der Pumpe 25 geleitet.
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Die Welle 29 des zweiten Überströmventils 28 ist mit der Turbinenwelle
13 in geeigneter Weise gekuppelt. Dieses Ventil leitet beim Auftreten einer Überdrehzahl
der Turbinenwelle 13 Brennstoff vom Eimaß 30 zum Auslaß 32 und zurück zum Einlaß
24 der Brennstoffpumpe 25 und dient daher als Drehzahlregler.
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Das überströmventil 19 ist nach F i g. 2 mit einem Ventilelement 39
versehen, das die Verbindung zwischen den Rohren 20 und 23 regelt. Dieses Ventilelement
39 ist mit einem Ventilteller 40 versehen, dessen Sitz in einer Buchse 41 ausgebildet
ist, die fest im Gehäuse des i)berströmventils 19 gelagert ist. Gegen das eine Ende
42 des Ventilelements 39 liegt eine Stange 43 an, die an einer Membran 44 befestigt
ist. Die Bezugsziffern 40 und 42 bezeichnen das Verschlußstück des
Überströmventils 19. Eine Feder 45
drückt die Membran 44 gegen das
Ventilelement 39 und hält die -Stange 43 mit diesem in Berührung. 46 und 47 sind
die beiden Seiten der Membran 44, die mit dem Gehäuse zwei Kammern bildet. An die
Kammer 46 ist das-Rohr 21 angeschlossen, das zur Brennstoffdüse 17 fährt. Ferner
ist an die Kammer 46 ein Brennstoff-Einlaßrohr 48 angeschlossen, das über eine einstellbare
Drossel 49 mit dem Rohr 20 in Verbindung steht. An die Kammer 47 ist ein Brennstoffleitungsrohr
50- angeschlossen, das mit dem Rohr 20 in Verbindung steht. Die Membran ist einem
der Brennstoffmenge verhältigen Druckunterschied ausgesetzt, der zwischen dem Brennstoffzuführungsdruck
im Rohr 20 und dem Brennstoffdruck in der Kammer 46 an der stromabwärtigen Seite
der Drossel 49 erzeugt wird. Zusammen mit dem Ventilelement 39 und entgegen der
Membran 44 wirkt eine Verdichterdruckmembran 54. Diese Membran 54 ist im Gehäuse
des Überströmventils 19 zwischen den Kammern 53 und 60 angeordnet. Die Kammer 53
wird auf der anderen Seite von einer dritten Membran 51 gebildet, die eine wesentlich
größere Fläche als die Membran 54 hat. Diese Flächendifferenz dient einem noch zu
beschreibenden Zweck. Die Kammer 53 steht direkt mit dem Rohr 22 in Verbindung,
dem der Enddruck des Verdichters 11 zugeführt wird. Die Membranen 51 und 54 und
eine kleine Dichtungsmembran 55 sind mit einer Schraube 56 zusammengespannt, die
gegen das Ende des Ventilelements 39 anliegt, das entgegengesetzt dem von der Stange
43 berührten Ende liegt. Da die vom Ventilelement 39 entfernt liegende Seite der
Membran 54 direkt mit dem Verdichterenddruck über das Rohr 22 in Verbindung steht,
während die entgegengesetzte Seite der Membran 54 dem atmosphärischen Druck über
den Durchlaß 60 a ausgesetzt ist, wird die Schraube 56 und die mit dieser
verbundenen Teile durch den Verdichterenddruck in der Kammer 53 gegen das Ventilelement
39 gedrückt. Die Drücke an der entgegengesetzten Seite der Membran 51 werden ausgeglichen
durch den Zutritt des Verdichterenddrucks zur Kammer 52 durch den gedrosselten Durchlaß
57, wobei die Membran 51 verhältnismäßig untätig bleibt, ausgenommen bei gewissen
ungewöhnlichen Betriebsbedingungen.
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Wie bereits erwähnt, ist ein thermostatisch betätigtes Abblasventil
18 a als Sicherheitsvorrichtung vorgesehen, um ein Arbeiten der Turbine bei übermäßig
hohen Temperaturen zu verhindern. Dieses Abblasventil 18 a spricht auf die Gastemperaturen
im Turbinenauslaß an. Das Ventil 18 a steht über ein Rohr 52 a mit der Kammer 52
in Verbindung. Steigt die Abgastemperatur übermäßig an, so öffnet sich das Ventil
18 a und läßt den Druck aus der Kammer 52 rascher entweichen, als er durch den gedrosselten
Durchlaß 57 ersetzt werden kann. Der Druck in der Kammer 52 fällt deshalb ab, während
der Druck in der Kammer 53 gegen die Membran 51 die Schraube 56 und die mit dieser
verbundenen Teile vom Ventilelement 39 wegbewegt. In diesem Zeitpunkt bewirkt der
Unterschied der Brennstoffdrücke an der Membran 44, daß das Ventilelement 39 sich
in eine Offen-Stellung bewegt und Brennstoff aus der Leitung 20 über den Durchlaß
23 zurück zur Brennstoffpumpe leitet. Da das Ventil 39 während des Anlassens
der Turbine geschlossen sein muß, ist in der Kammer 52 eine Druckfeder 58 angeordnet,
die die Membranen 51 und 54 sowie die Schraube 56 gegen das Ventilelement 39, und
zwar in Schließrichtung drückt. Die Feder 58 kann mit Hilfe einer Schraube 59 vorgespannt
werden und dient zur Wahl des Brennstoffgemisches im Brenner 15 während des Anlaufs
der Gasturbine, wie später noch eingehend beschrieben wird.
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Die erfindungsgemäße Brennstoffregeleinrichtung arbeitet wie folgt:
Wird die Gasturbine angelassen, so steigt die Drehzahl der Welle 13 und damit des
Verdichters 11 und der Brennstoffpumpe 25 allmählich an. Die Brennstoffpumpe 25
ist eine Kreiselpumpe, deren zeitweiliger Ausgangsdruck während der Beschleunigung
der Turbine 12 in größerem Ausmaß ansteigt als der entsprechende Enddruck des Verdichters
11,
der ein Zentrifugalverdichter ist. Der Höchstbrennstoffdruck
am Auslaß der Pumpe 25 vom Druckregelventil 27 a wird vorherbestimmt. Unter Höchstdruck
stehender Brennstoff wird schon von der Pumpe geliefert, wenn diese mit einer Drehzahl
arbeitet, die noch wesentlich geringer ist als eine Drehzahl, die der normalen Dauerdrehzahl
des Verdichters 11 entspricht.
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Da die Brennstoffdüse 17 eine unveränderliche Austrittsöffnung hat
und Brennstoff im Verhältnis zum Brennstoffdruck einläßt und da die ordnungsgemäße
Verbrennung auf einem Brennstoffgemisch beruht, das gewisse Anteile an Brennstoff
und Luft enthält, so muß der mit der Düse 17 zusammenhängende Brennstoffdruck im
Verhältnis zum Verdichterenddruck geregelt werden.
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Das Brennstoff-Überströmventil 19 dient zum Vorbeileiten von Brennstoff
zum Einlaß der Pumpe 25 entsprechend dem Verdichterenddruck und entsprechend der
Brennstoffmenge, um im Brenner 15 das geeignete Brennstoffgemisch über den Beschleunigungsbereich
der Gasturbine hinweg vom Anlassen bis zur normalen Betriebsdrehzahl aufrechtzuerhalten.
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Wenn sich die Gasturbine nach dem Anlassen beschleunigt, steigt der
Ausgangsdruck der Pumpe 25 rascher an mit der Tendenz, eine übermäßig große Brennstoffströmung
durch die Düse 17 zu bewirken. Zu diesem Zeitpunkt steht jedoch der Brennstoff an
der Auslaßseite der Drosse149 und in der Kammer 46 unter einem niedrigeren Druck
als in der Kammer 47, die mit dem Rohr 20 an der stromaufwärtigen Seite der Drossel49
in Verbindung steht. Daher stellt die Membran 44 ein Anwachsen der Brennstoffmenge
fest und spricht auf einen von der Drossel 49 erzeugten Druckunterschied an mit
der Tendenz, sich zur Kammer 46 und zum Ventilelement 39 hin zu bewegen. Bewegt
sich die Membran 44 in dieser Richtung, so drückt sie die Stange 43 gegen das Ende
42 des Ventilelements 39 mit der Wirkung, daß der Ventilteller 40 aus dem Sitz gehoben
wird und Brennstoff aus dem Rohr 20 zum Rohr 23 strömen läßt, welches mit dem Einlaß
24 der Pumpe 25 in Verbindung steht. Daher bewirkt ein übermäßiges Anwachsen der
Brennstoffströmung zur Düse 17 während des Beschleunigens der Gasturbine, daß die
Membran 44 das überströmventilelement 39 in die Offen-Stellung bewegt und dabei
den Brennstoffdruck herabsetzt. Es versteht sich, daß vom auf die Membran 54 über
das Rohr 22 einwirkende Verdichterenddruck dem von der Brennstoffströmung erzeugten,
auf die Membran 44 einwirkenden Druckunterschied entgegengewirkt wird. Während des
Beschleunigens der Gasturbine wächst der Enddruck des Verdichters 11 an und bewirkt
den Aufbau eines Drucks in der Kammer 53. Dieser Druck ist bestrebt, der Kraft des
auf die Membran 44 einwirkenden Brennstoffdruckunterschieds entgegenzuwirken. Die
Oberfläche der Membran 54 ist so berechnet, daß beim Einwirken des normalen Enddrucks
des Verdichters 11 die auf die Schraube 56 übertragene Kraft zusammen mit der von
der Feder 58 ausgeübten Traft größer ist als die auf die Stange 43 engegengesetzt
einwirkenden Kräfte, weshalb das Ventilelement 39 in der Geschlossen-Stellung gehalten
wird, wenn die Gasturbine ihre normale Betriebszahl erreicht.
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Es versteht sich, daß das auf die Drehzahl ansprechende Brennstoff-Überströmventil28
in Tätigkeit tritt und die Höchstdrehzahl durch Vorbeileiten von Brennstoff begrenzt,
nachdem der auf die Membran 54 einwirkende Verdichterenddruck den Ventilteller 40
des Brennstoff-Überströmventils 19 schließt. Die Vorbeileitungsvorgänge der beiden
Brennstoff-Überströmventile können während vorübergehender, z. B. Überlastungs-Betriebszustände
der Gasturbine gleichzeitig stattfinden.
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Es sei bemerkt, daß die Einstellung der Feder 58 mit Hilfe der Schraube
59 eine Möglichkeit zum Verändern des Brennstoff-Luft-Gemisches im Brenner 15 während
des Anlassens der Gasturbine bietet. Wird die Schraube 59 so eingestellt, daß die
Feder 58 entlastet wird, so wird das Gemisch verhältnismäßig mager. Wird die Feder
58 auf diese Weise entlastet, so kann eine von der Membran 44 ermittelte verhältnismäßig
niedrigere Brennstoffmenge die Membran veranlassen, das Ventilelement 39 zu öffnen.
Eine Entspannung der Feder 58 führt zur Aufrechterhaltung eines entsprechend niedrigeren
Brennstoffdrucks im Rohr 21 während des Anlassens der Gasturbine. Wird umgekehrt
durch entsprechendes Einstellen der Schraube 59 der Federdruck 58 vergrößert, so
führt dies zu einem fetteren Brennstoffgemisch im Brenner 15 während des Anlassens
der Gasturbine.
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Hat die Gasturbine eine gewünschte Betriebsdrehzahl erreicht, so herrscht
in der Kammer 53 der normale Verdichterenddruck. Dieser auf die Membran 54 einwirkende
normale Verdichterenddruck überwindet den auf die Membran 44 einwirkenden Brennstoffdruckunterschied
und hält das Ventilelement 39 geschlossen.
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Die Drossel 49 wird so eingestellt, daß ein maximaler Brennstoffgehalt
des Brennstoffgemisches während der Annäherung an den Dauerbetriebszustand der Gasturbine
erhalten wird. Nachdem dieser erreicht ist, wird das Ventil 39 geschlossen,
und die Einstellung der Feder 58 hat auf das Brennstoffgemisch keinen Einfluß mehr.
Es versteht sich, daß die Kraft der Feder 58 während des Anlassens der Gasturbine
so eingestellt ist, daß sie eine etwas fette Mischung bewirkt und diese infolge
ihres etwas konstanten Hub-Kraft-Verhältnisses aufrechterhält, bis der Dauerbetriebszustand
erreicht ist. Obwohl der Druck des Verdichters anwächst, wird das Gemisch allmählich
magerer. Dies ist eine Folge des Umstands, daß das Hub-Kraft-Verhältnis der Feder
58 konstant ist und den gleichen zusätzlichen Betrag der Brennstoffmenge aufrechterhält,
während der Enddruck des Verdichters fortlaufend anwächst, bis die Maschine eine
bestimmte Betriebsdrehzahl erreicht hat.
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Das Ableiten von Brennstoff durch das überströmventil 28 verringert
den Brennstoffdruck an der Düse 17 und verhindert so, daß die Gasturbine bei Entlastung
Überdrehzahlen annimmt.
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Wird die Gasturbine überlastet, so daß sich ihre Drehzahl verringert,
so bewirkt das Brennstoff-Überströmventil28 eine Herabsetzung der abgeleiteten Brennstoffmenge
und vergrößert dabei den Brennstoffdruck an der Düse 17 in Anpassung an die der
Gasturbine auferlegten Belastung, wobei die Betriebsdrehzahl des Verdichters 11
aufrechterhalten wird.
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Besonders Turbinen mit Abtriebswelle können durch Überlastung derart
verlangsamt werden, daß das auf die Drehzahl ansprechende Brennstoff-Überströmventil
28
sich schließt. Dann steigt die Brennstoffmenge an, selbst wenn die Turbine mit oder
fast mit der Normaldrehzahl läuft, und der der Membran 44 zugeführte Brennstoffdruckunterschied
wächst rasch an und überwindet die vom Luftdruck auf die Membran 54 ausgeübte Kraft,
wodurch das Ventilelement 39 sich öffnet und die Erzeugung eines übermäßig
fetten Brennstoffgemisches verhindert. Das auf die Brennstoffmenge ansprechende
überströmventil19 dient daher als Sicherheitseinrichtung, um eine überhitzung der
Turbine zu verhindern.
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Wenn die der Turbine auferlegte Überlastung übermäßig groß ist oder
die Bestandteile der Brennstoffregeleinrichtung nicht ordnungsgemäß arbeiten und
der Brennkammer 15 durch die Düse 17 übermäßig viel Brennstoff zugeführt wird, so
kann die Temperatur der Turbine rasch ansteigen. Ein solcher Temperaturanstieg wird
vom thermostatischenVentil 18 a ermittelt, das sich dementsprechend öffnet und aus
der Kammer 52 Druck abläßt, wonach der von der auf die Membran 44 einwirkenden Brennstoffmenge
erzeugte Druckunterschied die verringerten entgegenwirkenden Kräfte überwindet und
bewirkt, daß das Ventilelement 39 sich öffnet und die Ableitung von Brennstoff über
das Rohr 23 zum Einlaß 24 der Brennstoffpumpe 25 zuläßt. Auf diese Weise wird der
der Düse 17 zugeführte Brennstoffdruck auf Grund einer Überhitzung der Gasturbine
herabgesetzt.