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Brennstoffregeleinrichtung für Gasturbinentriebwerke Die Erfindung
bezieht sich auf eine Brennstoffregeleinrichtung für Gasturbinentriebwerke mit einer
in festem Drehzahlverhältnis von der Turbine angetriebenen Brennstoff-Verdrängerpumpe,
mit einem von- Druck und Temperatur am Verdichtereintritt beeinflußten Brennstoffregelventil
und mit einem an dessen Zulaufleitung angeordneten und dessen Druckabfall am Steuerquerschnitt
steuernden Brennstoffabflußventil.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffregeleinrichtung
für Gasturbinen zu schaffen, die sich durch einfachen und betriebssicheren Aufbau
auszeichnet und hierfür insbesondere nur eine einzige Brennstoffpumpe und ein einziges
selbsttätiges Hauptregelorgan enthält.
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Weiter ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Vorwahl des zuzumessenden
Brennstoffs in Abhängigkeit von bestimmten Umgebungszuständen des Triebwerks, beispielsweise
in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und der Flughöhe eines mit einer Vorrichtung
nach der Erfindung ausgerüsteten Flugzeugs, zu treffen; d. h., es soll mit einer
Vorrichtung nach der Erfindung von vornherein in Abhängigkeit von Umgebungszuständen
des Triebwerks, welche Druck und Temperatur beeinflussen, eine Maximal- und eine
Minimumbrennstoffmenge vorgesteuert werden, um einerseits zu verhindern, daß die
Brennkammer zu viel Brennstoff erhält und damit die Turbineneintrittstemperatur
nicht zu hoch wird, und andererseits soll durch die Vorsteuerung des Brennstoffs
mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung verhindert werden, daß eine Minimalbrennstoffmenge
unterschritten wird, um ein Verlöschen der Brennkammer auszuschalten.
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Schließlich soll bei einer Vorrichtung nach der Erfindung das Hauptregelorgan
in seiner Drehzahlabhängigkeit so gesteuert werden, daß einem Verschleiß ausgesetzte
Ubertragungselemente, die die Regelwerte nach längerer Betriebszeit verändern können,
vermieden werden.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß das
Brennstoffregelventil als Steuerkolbenschieber ausgebildet ist, der mit einer einseitig
vom Pumpendruck beaufschlagten Ringfläche und mit einer in Abhängigkeit vom Umgebungszustand
gespannten Gegenfeder versehen ist und der zwei parallelgeschaltete Offnungen, nämlich
eine Minimumöffnung zur Verhinderung des Auslöschens der Brennkammer und eine Maximumöffnung
zur Begrenzung der höchstzulässigen Beschleunigung und Leistung der Turbine, sowie
eine diesen gemeinsam vorgeschaltete Öffnung gleichsinnig steuert. Durch die deutsche
Patentschrift 849 626 ist eine Brennstoffregelvorrichtung mit einem von Druck und
Temperatur am Verdichtereintritt beeinflußten Brennstoffregelventil und mit einem
an dessen Zulaufleitung angeordneten und dessen Druckabfall am Steuerquerschnitt
steuernden Brennstoffabflußventil bekanntgeworden. Gegenüber dieser bekannten Regelvorrichtung
zeichnet sich die Vorrichtung nach der Erfindung im wesentlichen dadurch aus, daß
an Stelle eines herkömmlichen Abflußregelventils zwei Durchflußregelventile in Form
einer Maximalöffnung und einer Minimumöffnung zur Anwendung gelangen und daß diesen
ein sich selbst und jene Durchflußregelventile steuerndes, mit dem gesamten Pumpenstrom
beaufschlagtes Durchflußregelventil in Form einer veränderlichen Drossel vorgeschaltet
ist, wodurch sich die in der Erfindungsaufgabe erläuterte, gegenüber der bekannten
Vorrichtung fortschrittliche Brennstoffvorsteuerung herbeiführen läßt.
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Durch die deutsche Patentschrift 853 989 ist weiter eine Brennstoffregelvorrichtung
für Gasturbinenanlagen mit einer verstellbaren Drossel zum verändern des Brennstoffdurchflusses
bekanntgeworden. Bei dieser bekannten Vorrichtung fließt jedoch nicht die gesamte
Brennstoffördermenge der vom Triebwerk angetriebenen Verdrängerpumpe stets durch
eine veränderliche, durch den Brennstoffdruck verstellbare Drosselstelle, wie dies
bei der Vorrichtung nach der Erfindung der Fall ist, sondern es handelt sich bei
der Vorrichtung nach der deutschen Patentschrift 853 989 um eine willkürliche mechanisch
betätigbare Drosselstelle sowie eine zusätzlich dazu parallelgeschaltete selbsttätige
Drosselstelle, welche ausschließlich für die Steuerung der Leerlaufmenge Anwendung
findet. Gegenüber der Vorrichtung nach der deutschen Patentschrift 853 989
zeichnet
sich die Vorrichtung nach der Erfindung hauptsächlich durch die einfache, drehzahlabhängige
Steuerung der Durchflußregelquerschnitte mittels eines einzigen Steuerkolbenschiebers
aus, die ohne jegliche Übertragungsglieder zwischen dem ersten Durchflußventil und
den Steuerventilschiebern auskommt, da diese einstöckig ausgebildet werden können.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgedankens soll in an
sich bekannter Weise die vorgeschaltete Uffnung am Steuerkolbenschieber aus einer
seitlichen und sich in der Durchströmrichtung des Brennstoffs keilförmig verjüngenden
Ausnehmung an einem zylindrischen Kolben bestehen, der mit einer zylindrischen Bohrung
im Reglergehäuse zusammenwirkt.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Ablaufleitungen
der Steueröffnungen durch eine Verbindungsleitung zusammengeführt, in der ein Rückschlagventil
angeordnet ist, das nur eine Strömung in Richtung zur Ablaufleitung der Minimumöffnung
ermöglicht, und daß von der Ablaufleitung der MaximumöffnungAbzweigungen abgehen,
die zur Absteuereinrichtung führen. Das Rückschlagventil vermeidet, daß auch ein
Teil oder die gesamte Minimumbrennstoffmenge durch die Absteuereinrichtungen entweichen
kann; dadurch wird das Verlöschen der Brennkammer mit Sicherheit verhindert. Andererseits
verhindern die Absteuereinrichtungen die Überschreitung von Grenzwerten der Drehzahl,
der Temperatur, des Druckes od. dgl.
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Um innerhalb der Regelleitungen und -räume einen bestimmten Mindestdruck
für die einwandfreie Wirksamkeit der Regeleinrichtung zu gewährleisten, ist in an
sich bekannter Weise in der Ablaufleitung zu den Brennern oder zu Servoventileinrichtungen
ein Druckhalteventil angeordnet.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung
und der Zeichnungsbeschreibung, in welchen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt und erläutert ist.
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Die Brennstoffregeleinrichtung für Gasturbinen nach F i g. 1 enthält
eine von der Turbine angetriebene Verdrä nger-Brennstoffpunipe 1. die eine der Turbinendrehzahl
proportionale Brennstoffmenge in ein Regelleitungssystem fördert. Die Verdrängerpumpe
1 entnimmt den Brennstoff dem Inneren des Reglergehäuses 2, das mit einem
nicht dargestellten Brennstoffbehälter über eine Zuflußleitung 2' in Verbindung
steht. Der geförderte Brennstoff fließt zunächst durch eine vorgeschaltete Steueröffnung
3. Eine seitliche, sich in Durchströmrichtung des Brenn-stoffs keilförmig
verjüngende Ausnehmung 4 an einem verschiebbaren zylindrischen Kolben 5 verändert
in Zusammenwirkung mit einer zylindrischen Bohrung den Querschnitt der Uffnung 3
bei sich ändernder Fördermenge. Dabei wird gegen die Kraft einer Rückstellfeder
6 ein mit dem Kolben 5 einteiliger Steuerkolbenschieber 7 verschoben. Die Rückstellfeder
6 stützt sich über mehrere Hebel 10. 11. 12, 13 ab. wobei eine Temperaturmeßeinrichtung
8 und ein Leitungskompensator 9 eine der Verdichtereintrittstemperatur T'
zugehörige Vorspannung der Feder 6 bewirken. Die weiteren Federn 14. 1;5
ermöslichen einen spielfreien Betrieb des Hebels%steins.
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Der Stetierkolbenschieber 7 steuert zwei *Offnungen 16. 17.
denen der an der Stetieröffnun@-, 3 durch-@tyetreteiie Brennstoff über die Leitun_=
18 zuceführt wird. Je nach Drehzahl der Turbine und entsprechender Fördermenge der
Verdrängerpumpe 1 ergibt die aus der Bewegung des Kolbens 5 und damit des
Steuerkolbenschiebers 7 gegen die Rückstellfeder 6 herrührende Offnung der Steueröffnungen
16, 17 einen dem Betriebszustand der Gasturbine entsprechenden Durchtritt an Brennstoff.
Die darüber hinaus von der Verdrängerpumpe 1 geförderte Brennstoffmenge kann aus
der Leitung 18 durch die von einem Rücklaufventil 19 gesteuerte Offnung
19' in das Innere des' Reglergehäuses 2 zurückfließen.
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Den Steueröffnungen 16, 17 des Steuerkolbenschiebers 7 ist je eine
Vordrossel 16', 17' zugeordnet, die bei der Ersteinstellung festgelegt wird.
Nach den Steueröffnungen 16, 17 folgen je eine Ablaufleitung 20, 21 für die
Weiterführung des Brennstoffs. Die Steueröffnung 16 für die Ablaufleitung
20 ist so abgestimmt, daß bei jedem Betriebszustand jeweils die Mindestmenge
B ",i" an Brennstoff durchtritt, die ausreicht, das Verlöschen der Brennkammer mit
Sicherheit zu verhindern. Durch die Steueröffnung 17 für die Leitung 21 kann
hingegen die Brennstoffmenge B"",X-B",;" fließen, wobei B""," diejenige Brennstoffmenge
ist, bei der für die jeweilige Drehzahl und Verdichtereintrittszustände P,+ und
T+ die höchstzulässige Beschleunigung und Leistung erreicht werden. Ferner
steht die Ablaufleitung 20 über die Leitung 24 mit dem Rücklaufventil
19 in Verbindung, so daß dieses als Differenzdruckregler mit dem Druckabfall
an den Steueröffnungen 16, 17 des Steuerkolbenschiebers 7 arbeitet. Demgemäß wird
das Rücklaufvcntil 19 im Öffnungssinn auf der Stirnöffnung 22
durch
den Druck in der Leitung 18 beaufschlagt. Im Schließsinn wirken auf eine
Ringfläche 23 des Ventilkolbens der Druck aus der Ablaufleitung 20 hinter der Steueröffnung
16 über die Verbindungsleitung 24
sowie auf eine Abstützfläche 23'
des Ventilkolbens zwei Druckfedern 25, 26. Die Feder 25 wird in ihrer Vorspannung
durch den Verdichtereintrittsdruck Pi über die Druckdosen 27. 28 und über den Hebel
29 becinflußt. Die Vorspannung der Feder 26 wird durch das Übertragungssystem 8,
9. 10, 11. 12, 13 für die Verdichtereintrittstempcratur T' über den Schlepphebel
30 und die Druckstange 31 eingestellt.
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Die Leitungen 20. 21 der Steueröffnungen 16. 17
sind
miteinander durch eine Leitung 32 verbunden. Weiter zweigt von letzterer eine Nebenleitung
33 zu zusätzlichen Absteuereinrichtungen für Betriebsgreiiz«ertc ab. Gezeigt ist
ein Drehzahlabströmregler 34 mit einem Wählhebel 34' für die gewünschte Betriebsdrelizalil.
In ähnlicher Weise könnte z. B. fluch ein Grenztemperaturregler. gegebenenfalls
zusätzlich. vorgesehen werden.
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Um zu verhindern. daß bei geöffneter Absteuereinrichtung die gesamte
Brennstoffmenge in das Innere des Reglergehäuses 2 zurückfließt. was das Verlöschen
der Brennkammer zur Folge hätte. ist in die Leitung 32 ein Rückschlagventil 39 eingebaut.
Dieses stellt die Zufuhr der Mindestbrennstoffmetiae in jedem Fall sicher, da es
nur eine Durchströnirichtun @t, von der Leitung 21 zur Leitung 20. aber nicht umgekehrt
zuläßt. Die Weiterführung des Brennstoffs von der Leitung 20 erfolgt über die Leitung
35 zu den Brennern.
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In dieser Leitung 35 ist citi @%eiteres Rückschlaffcentil35" eingebaut.
das einen Mindestdruck ini Re-elleittni,,ssNsteni aufrechterhält Lind .olnit die
Funktion der Ret?eIc'.II1rItIittlli@@ auch bei @@erln_Telil
Gegendruck
in der Leitung 35 zu den Brennern sicherstellt. Dies trifft beispielsweise bei druckloser
Rotationszerstäubung zu. In der Leitung 35 ist schließlich noch ein Stoppventil
36 vorgesehen. das bei Beginn des Betriebs der Gasturbine geöffnet und bei Beendigung
des Betriebs geschlossen wird.
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Wenn es sich als zweckmäßig erweist, kann nach F i g. ? die Regeleinrichtung
37 auch für eine Servoflüssigkeit Verwendung finden, die vom Brennstoff getrennt
ist. Aufbau und Wirkungsweise der Regeleinrichtung werden dabei beibehalten. Die
Servoflüssigkeit fließt durch ein übliches Steuerventil 38,
in welchem der
Durchfluß einer proportionalen Menge Brennstoff gesteuert wird. Das Brennstoffleitungssystem
weist hierbei eine gesonderte Brennstoffpumpe 39 und ein Rücklaufventil
40 sowie einen Brennstoffbehälter 41 auf. Die ständig im Umlauf befindliche
Regelflüssigkeit kann ferner zusätzlich durch einen Kühler 37' auf einer bestimmten
Betriebstemperatur gehalten werden.
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Die Regeleinrichtung ist derart abgestimmt, daß die von der Verdrängerpumpe
1 auf Grund der Drehzahl der Turbine geförderte Brennstoffmenge und die Rückstellfeder
6 durch die Einwirkung der Tcmperaturmeßeinrichtung einen bestimmten Hub
des Steuerkolbenschiebers 7 ergeben. Dieser Hub dient zur Vorsteuerung der Minimal-
und Maximalmengen durch die Steuerquerschnitte 16, 17, wodurch einerseits
das Erlöschen der Brennkammer verhindert und andererseits Ubertemperaturen der Turbine
vermiedet werden.
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Durch die Funktion
sind diese Mengen auf Grund gasdynamischer Ähnlichkeit darstellbar. Logarithmiert
ergibt sich:
Andererseits beträgt die durch einen Steuerquerschnitt (16 bzw.
17) fließende Menge 13 = konst - F JP. (4) Die Fläche der Steuerquerschnitte
bei beispielsweiser Ausführung in Ringform beträgt: F = D-.,-h.
(5)
Mit der oben angeführten Abhängigkeit des Hubs an n und T,' (Gleichung
1) ist diese Fläche
Mithin wird nach Gleichung (4)
oder logarithmiert
Durch Gleichsetzen mit Gleichung (3) und Kürzen folgt
Dieses Ergebnis besagt, daß die an den Steuerquerschnitten 16, 17 bestehende
Druckdifferenz abhängig vom Verdichtereintrittsdruck P; und der Verdichtereintrittstemperatur
T' zu steuern ist. Daraus ergibt sich sodann im Zusammenhang mit der schon erwähnten
Vorsteuerung die exakte Steuerung der Brennstoffmenge in Abhängigkeit von der Drehzahl
der Gasturbine, der Verdichtereintrittstemperatur und des Verdichtereintrittsdrucks.
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Die im Ausführungsbeispiel schematisch dargestellten Verstellmechanismen
dienen der Erfüllung dieser Zusammenhänge.