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Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung für Gasturbinenanlagen
mit getrennter Nutzleistungsturbine, die mit dem Gaserzeugerteil über eine verstellbare
hydraulische Kraftübertragungseinrichtung verbunden ist, die zwei miteinander verbundene,
wahlweise als Pumpe oder Motor betreibbare Teile aufweist, mit einem Brennstoffregler,
der von einem Bedienhebel und Betriebskenngrößen der Anlage gesteuert wird und Einrichtungen
zur Einstellung eines Brennstoffdrucks enthält, der von der Drehzahl des Gaserzeugerteils
und der Stellung des Bedienhebels abhängt und zu einer Stellvorrichtung für die
Kraftübertragungseinrichtung geleitet wird, mit einer in der Brennstoffhauptleitung
liegenden, vom Gaserzeugerteil angetriebenen Brennstoffpumpe, der hintereinander
ein von einem Fliehkraftregler des Gastrzeugerteils gesteuertes Brennstoffhauptventil
und ein auf eine Betriebskenngröße der Gasttirbinenanlage ansprechendes Drosselventil
nachgeschaltet ist, und mit einem die Brennstoffpumpe überbrückenden Bypassventil,
das vom Druckabfall an einer in der Brennstoffhauptleitung liegenden Regeleinrichtung
steuerbar ist.
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Bei einer bekannten Regelvorrichtung der eingangs angegebenen Art
(deutsche Patentschrift 1044 526)
wird das die Brennstoffpumpe überbrückende
Bypassventil vom Druckabfall am Brennstoffhauptventil gesteuert, um diesen Druckabfall
konstant zu halten. Durch dieses auch bei anderen Brennstoffregelanlagen angewandte
Prinzip ergibt sich eine eindeutige, im ganzen Regelbereich leicht übersehbare und
vorherbestimmte Regelfunktion des Brennstoffhauptventils; bei einer Drehzahlabweichung
ergibt sich eine Änderung des Brennstoffdurchflusses durch das Brennstoffhauptventil
allein aus der von der Drehzahlabweichung (und eventuell weiteren Betriebskenngrößen)
abhängigen Änderung des Ventilquerschnitts. Diesem Vorteil der einfachen Regelfunktion
stehen jedoch zwei Nachteile gegenüber: Erstens muß der konstante Druckabfall am
Brennstoffhauptventil mindestens einen Wert haben, der auch für die maximal erforderliche
Brennstoffmenge ausreicht; die Brennstoffpumpe muß diese naturgemäß ziemlich hohe
Druckdifferenz auch bei Betriebszuständen aufbringen, bei denen auf Grund eines
geringeren Brennstoffbedarfs ein niedrigerer Druckabfall am Brennstoffhauptventil
ausreichend wäre. Zweitens muß man besondere Maßnahmen treffen, um zu verhindern,
daß sich Änderungen in den übrigen Teilen der Brennstoffanlage, wie sie insbesondere
bei Wartungs- oder Reparaturarbeiten auftreten, auf die Funktion des dem Brennstoffhauptventil
nachgeschalteten Drosselventils auswirken; wenn beispielsweise eine Brennerdüse
gegen eine neue Düse mit höherem Störungswiderstand ausgetauscht wird, ergäbe sich
ohne besondere Gegenmaßnahmen eine entsprechend geringere Einflußnahme des Drosselventils
auf den sich insgesamt ergebenden Brennstoffdurchfluß. Bei der bekannten Regelvorrichtung
wird dieser letztgenannte Nachteil dadurch vermieden, daß auch der Druckabf all
an dem dem Brennstoffhauptventil nachgeschalteten Drosselventil konstant gehalten
wird. Dies bedingt einen entsprechenden konstruktiven Mehraufwand; außerdem bleibt
:auch dann noch der erstgenannte Nachteil der unnötig hohen Belastung der Brennstoffpumpe
bestehen.
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Bei einer anderen bekannten Regelvorrichtung der eingangs angegebenen
Art (deutsche Patentschrift 1 , 13 120) dient das die Brennstoffpumpe überbrückende
Bypassventil ebenfalls in der üblichen Weise zur Konstanthaltung des Druckabfalls
am Brennstoffhauptventil, so daß auch hier der schon erwähnte Nachteil vorhanden
ist, daß die Brennstoffpumpe ständig gegen Maximaldruck fördern muß. Das dem Brennstoffhauptventil
nachgeschaltete Drosselventil wird bei diesem bekannten Brennstoffregler von der
Drehzahl gesteuert und tritt nur im Bereich minimaler Brennstoffinengen in Funktion;
das Drosselventil ist nämlich von einem normalerweise offenen Rückschlagventil (mit
nachgeschalteter fester Drosselstelle) überbrückt das erst beini Unterschreiten
einer vorgegebenen Brennstoffminimalmenge schließt. Im übrigen wird auch bei diesem
bekannten Brennstoffregler der Druckabfall am Drosselventil konstant gehalten, so
daß der gleiche Mehraufwand wie bei der zuerst besprochenen bekannten Anlage in
Kauf ge-nommen werden muß.
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Die bekannten Brennstoffregler, bei denen dem Brennstoffhauptventil
ein von einer Betriebskenngröße der Gasturbinenanlage gesteuertes Drosselventil
nachgeschaltet ist, gestatten zwar im Vergleich zu Regelvorrichtungen ohne zusätzliches
gesteuertes Drosselventil die Ausführung komplexer Regelfunktionen und ermöglichen
dadurch eine besonders für Anwendungen mit rasch wechselnden Betriebszuständen vorteilhafte
stärkere Annäherung an die im wesentlichen durch das Pumpverhalten des Verdichters
bestimmte maximale Leistungsfähigkeit des Triebwerks, sind jedoch andererseits besonders
durch die zusätzlichen Vorrichtungen zur Konstanthaltung des Druckabfalls am Drosselventil
beträchtlich aufwendiger, störanfälliger und teuerer.
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Die vorliegende Erfindung geht deshalb von der Aufgabe aus, eine Regelvorrichtung
für Gasturbinenanlag ,en zu schaffen, die sich ebenfalls die beschriebenen Vorteile
eines von einer Betriebskenngröße gesteuerten zusätzlichen Drosselventils zunutze
macht, jedoch mit einem erheblich geringeren Aufwand auskommt als die beschriebenen
bekannten Anlagen und überdies ein verbessertes Betriebsverhalten aufweist.
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Nach der Erfindung erfolgt die Lösung dieser Aufgabe mit einer Regelvorrichtung
der eingangs angegebenen Art dadurch, daß das Bypassventil von einem zunehmenden
gesamten Brennstoffdruckventil am Brennstoffhauptventil und am Drosselventil in
öffnungsrichtung und von einem zunehmenden Druckanstieg im Verdichter in Schließrichtung
bewegbar ist und umgekehrt.
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Bei der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung wird somit von dem Bypassventil
der Druckabfall über der Gesaintanordnung vom Brennstoffhauptventil und nachgeschaltetem
Drosselventil in der gleichen Weise geregelt wie bei den bekannten Anlagen der Druckabfall
am Brennstoffhauptventil allein; dadurch werden grundsätzlich beim Austausch von
Bestandteilen, beispielsweise Brennerdüsen, störende Rückwirkungen auf die Wirkungsweise
des gesteuerten Drosselventils ausgeschlossen, ohne daß es einer besonderen Druckregelung
für dieses Drosselventil bedürfte. Durch die gegensinnig zum Brennstoffdruckabfall
auf das Bypassventil einwirkende Verdichterdruckdifferenz wird nicht nur wie bei
den bekannten Anlagen der besonders bei Beschleunigungen maßgebende Betriebszustand
des Verdichters in die Regelung eingeführt, sondern es ergibt sich auch bei normalen
und niedrigen Brennstoffinengen eine entsprechende Entlastung der Brennstoffpumpe
infolge der dabei vorliegenden
Herunterregelung des gesamten Druckabfalls
an Brennstoffhauptventil und Drosselventil. Ferner erhält man bei der erfindungsgemäßen
Regelvorrichtung die insbesondere für Beschleunigung wichtige Möglichkeit, durch
entsprechende Steuerung des in Reihe mit dem Brennstoffhauptventil liegenden Drosselventils
den auf das Brennstoffhauptventil entfallenden Anteil des Gesamtdruckabfalls beider
Ventile dem jeweiligen Betriebszustand entsprechend zu verändern. Wenn beispielsweise
dieDrehzahlabweichung als steuerndeBetriebskenngröße für das Drosselventil in dem
Sinn verwendet wird, daß das Drosselventil um so weniger drosselt, je mehr
die Ist-Drehzahl unterhalb der Soll-Drehzahl liegt, ist der auf das Brennstoffhauptventil
entfallende Anteil des Gesamtdruckabfalls um so größer, je höher diese Drehzahlabweichung
ist. Dies bedeutet, daß der Brennstoffzufluß stärker zunimmt, als es bei konstantem
Druckabfall am Brennstoffhauptventil der Fall wäre; es ergibt sich also eine höhere
Beschleunigung. Dabei werden die Eigenschaften des Verdichters, insbesondere die
Annäherung an dessen Pumpgrenze, durch die Einwirkung des Verdichterdruckanstiegs
auf das Bypassventil berücksichtigt.
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Die erfindungsgemäße Regelvorrichtung ist vorzugsweise so ausgebildet,
daß zur Steuerung des Bypassventil ein Schwenkhebel vorgesehen ist, dessen beide
Enden mit je einer auf den gesamten Brennstoffdruckabfall bzw. den Druckanstieg
im Verdichter ansprechenden Vorrichtung verbunden sind.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Bypassventil
von einer schwachen Feder in Schließrichtung beaufschlagt.
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Das Bypassventil kann ferner vorteilhaft von einer Vorrichtung so
steuerbar sein, daß es bei niedriger Brennkammereingangstemperatur in Schließrichtung
bewegt wird.
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Eine erfindungsgemäße Regelvorrichtung, bei der das Drosselventil
gegen die Kraft einer Feder vom Brennstoffsteuerdruck, der sich gegensinnig zur
Drehzahlabweichung ändert, in Schließrichtung beaufschlagt wird und bei der die
Einrichtungen zur Einstellung des Brennstoffsteuerdrucks eine vom Brennstoffhauptventil
gesteuerte Steueröffnung aufweisen, ist mit Vorteil so ausgeführt, daß die Steueröffnung
in einer von der Brennstoffhauptleitung stromaufwärts der Steueröffnungen des Brennstoffhauptventils
abzweigenden Leitung liegt und über eine feste Abflußdrossel an die Eingangsleitung
der Brennstoffpumpe angeschlossen ist.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die in der Figur dargestellte Regelvorrichtung
30 enthält ein Gehäuse 124 mit einem an eine Einlaßleitung 28 angeschlossenen
Brennstoffeinlaß 126 und einem an eine Auslaßleitung 32 angeschlossenen
Brennstoffauslaß 128. Zwischen Brennstoffeinlaß 126 und Brennstoffauslaß
128 erstreckt sich die Brennstoffhauptleitung. Ihr erster Abschnitt
130 führt zur Brennstoff-pumpe 132 der Verdrängerbauart. Von dort
aus wird der Brennstoff mit dem Pumpenausgangsdruck P, in eine Kammer 134 abgegeben.
Aus dieser gelangt der Brennstoff über das Brennstoffhauptventil in den Durchgang
154, der einen weiteren Bestandteil der Brennstoffhauptleitung darstellt. Das Brennstoffhauptventil
wird durch eine Öffnung 138 in einer ortsfesten Buchse 142 und die freie
Kante 136 einer auf der ortsfesten Buchse 142 axial verschiebbaren Hülse
140 gebildet. Die öffnung 138 führt zu einer Ringkammer 144, die zwischen
einem rohrförmigen Glied 146 und der ortsfesten Buchse 142 gebildet ist. Das rohrförmige
Glied 146 hat ein verdicktes Ende 148, das mittels einer Dichtung 150 gegen
die innere Oberfläche der ortsfesten Buchse 142 abgedichtet ist. Aus der Ringkammer
144 strömt der Brennstoff durch eine Öff-
nung 152 in der ortsfesten
Buchse 142 zum Durchgang 154 und von dort durch eine von einem Drosselventil
288 bestimmte Einschnürung 156 in den Teil 160 der Brennstoffhauptleitung.
Von dort gelangt der Brennstoff über ein Rückschlagventil 162
und eine mit
einem Absperrventil 166 versehene Leitung 164 zum Auslaß 128.
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Die ortsfeste Buchse 142 ist mit einem Gewinde 168 in das Gehäuse
124 eingeschraubt. Die Stellung der axial verschiebbaren Hülse 140 wird von der
Drehzahlabweichung der Ist-Drehzahl des (nicht dargestellten) Gaserzeugerteils der
Gasturbinenanlage von der von einem (nicht dargestellten) Bedienhebel vorgegebenen
Soll-Drehzahl gesteuert. Die Drehzahl des Gaserzeugerteils wird mit Hilfe eines
Fliehkraftgebers erfaßt, der eine proportional zur Drehzahl angetriebene Welle 174
und darauf mit Hilfe eines Trägers 172 gelagerte Fliehgewichte
170 aufweist. Ansätze 176 der Fliehgewichte wirken auf einen Flansch
178 der verschiebbaren Hülse 140; gegen die andere Seite dieses Flansches
drückt eine Feder 180,
deren anderes Ende sich auf einem gleitend auf der
ortsfesten Buchse 142 gelagerten Widerlager 182 abstützt. Die Stellung des
Widerlagers wird von einem mit dem (nicht dargestellten) Bedienhebel gekoppelten
Hebel 184 bestimmt. Ein einstellbarer Anschlag 186 dient zur Begrenzung der
Bewegung des Widerlagers 182.
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Der gesamte Brennstoffdrückabfall, d. h. die Differenz zwischen
dem Brennstoffdruck P, in der Kammer 134 und dem Brennstoffdruck P" im Leitungsabschnitt
160 stromabwärts vom Drosselventil 288,
wird von einem die Pumpe
132 überbrückenden Bypassventil gesteuert. Dieses enthält ein an beiden Enden
geschlossenes, mit Hilfe eines Gewindes 190
in das Gehäuse 124 eingeschraubtes
Roh - 188, das einen zur Kammer 134 führenden ersten Durchgang
192 und einen mit dem Pumpeneinlaß 130 (Druck PJ verbundenen zweiten
Durchgang 194 aufweist. Der freie Querschnitt des zweiten Durchgangs 192
wird durch das Zusammenwirken mit der freien Kante 198
einer auf dem Rohr
188 gleitenden Schiebehülse 196
bestimmt. Zur Steuerung des Bypassventils
dient ein Schwenkhebel 208, dessen beide Enden mit je einer auf Druck
ansprechenden Vorrichtung verbunden sind. Die eine dieser auf Druck ansprechenden
Vorrichtungen hat eine Membran 202, die an einer mit der Schiebehülse
196 verbundenen und am Schwenkhebel 208 angelenkten Stange 200 befestigt
ist. Die eine Seite der Membran 202 ist dem in der Kammer 134 herrschenden Brennstoffdruck
Pl stromaufwärts des Brennstoffhauptventils ausgesetzt, während die andere Seite
der Membran 202 vom stromabwärts des Drosselventils 288 herrschenden Druck
P, in einer Kammer 204 beaufschlagt wird; diese Kammer ist über eine Leitung
206 mit dem Leitungsabschnitt 160 verbunden. Die zweite auf den Schwenkhebel
208 einwirkende druckempfindliche Vorrichtung spricht auf den Druckanstieg
P,--P" im Verdichter
an. Zu diesem Zweck erstreckt sich der Schwenkhebe1208
durch eine öffnung210 im Gehäusel24 in eine Kammer 212, die über einen mit einer
Drossel 216 versehenen Durchgang 214 mit dem Verdichterausgangsdruck P, aus
der Leitung 46 beaufschlagt wird. Die Kammer 212 ist über einen normalerweise durch
ein überdruckventil 220 verschlossenen Durchgang 218 mit einer Kammer 222
verbunden, die über eine Öffnung 224 mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Die
Durchtrittsstelle des Schwenkhebels 208 ist durch eine in einer Ausnehmung
228 angeordnete O-Ringdichtung 226 gegen den Austritt von Brennstoff
abgedichtet.
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Das in der Figur obere Ende des Schwenkhebels 208 ist an einer
Stange 230 angelenkt, die an ihrem einen Ende mit einer Membran
232 verbunden und an ihrem anderen Ende mit einer Platte 234 versehen ist.
Die mit ihrem äußeren Rand im Gehäuse 124 eingespannte Membran 232 ist auf
der einen Seite dem Verdichterausgangsdruck P, in der Kammer 212 und auf der anderen
Seite dem über eine Öffnung 238
in eine Kammer 236 eingeführten Atmosphärendruck
P, ausgesetzt. An der Membran 232 greift mittels einer Halterung
233 eine Zugfeder 240 an, deren anderes Ende an einem Hebel 242 befestigt
ist. Dieser ist um einen am Gehäuse 124 fest vorgesehenen Punkt 244 schwenkbar und
an seinem anderen Ende mit einem auf die Brennkammereingangstemperatur T ansprechenden
Mechanismus 246 verbunden. Die Platte 234 der Stange 230 kann mit einem beweglichen
Anschlagstift 248 in Eingriff treten, der in irgendeiner Weise, etwa mittels der
Scheibe 252 und des Federtellers 254, an einer Meinbran 250 befestigt
ist. Diese ist auf der einen Seite dem Druck P, in der Kammer 212 und auf der anderen
Seite über eine Öffnung 258 dem Atmosphärendruck ausgesetzt. Zwischen dem
Federteller 254 und einem in das Gehäuse 124 eingeschraubten einstellbaren Widerlager
262 ist eine Feder 260 eingefügt.
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Zur Einstellung des Brennstoffsteuerdrucks PN für die Stellvorrichtung
der Kraftübertragungseinrichtung enthalten die Hülse 140 und die Buchse 142 des
Brennstoffhauptventils weitere Durchgänge 264 bzw. 266, die zusammen eine
vom Brennstoffhauptventil gesteuerte Steueröffnung bilden. Diese Steueröffnung 264,
266 bildet den Anfang einer stromaufwärts des gesteuerten Durchlaßquerschnitts
136, 138 des Brennstoffhauptventils von der Brennstoffhauptleitung abzweigenden
Leitung, die aus dem inneren Durchgang 270 des Rohrs 146, der Öffnung
272 und der Verbindungsleitung 276 besteht und über eine feste Abflußdrossel
280 an die unter dem Pumpeneingangsdruck P,) stehende Leitung 282,
300 angeschlossen ist. Unter Mitwirkung der festen Abflußdrossel
280
entsteht somit in der Abzweigleitung ein vom Querschnitt der Steueröffnung
264, 266 abhängiger Brennstoffsteuerdruck PN.
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Zwischen den Durchgängen 154 und 206 ist ein Durchgang 284
mit einer Leerlaufdrosselschraube 286
vorgesehen, die je nach ihrer
Einstellung einen vorgegebenen Mindestbrennstoffzufluß sicherstellt.
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Die Ventilstange 158 des Drosselventils 288 erstreckt
sich gleitend durch das Gehäuse 124 und ist in irgendeiner Weise, beispielsweise
mit Hilfe der Scheiben 292 und 294, mit einer Membran 290 verbunden,
deren äußerer Rand fest eingespannt ist. Durch die Membran 290 werden Kammem
296 und 298 gebildet. Die Kammer 296 empfängt über die Leitungen
300 und 282 den Pumpeneingangsdruck P,; die Kammer 298 empfängt
über eine Leitung 302 den Brennstoffsteuerdruck PN aus der Leitung
276 bzw. der mit der Öffnung 272 verbundenen Ring,kammer 274. Zwischen
dem Gehäuse und der Membran 290 ist eine Feder 296 vorgesehen, die
das Drosselventil 288 in öffnungsrichtung vorspannt. Das Ventilglied des
Drosselventils 288 ist mit der Ventilstange 158 über temperaturempfindliche
Ausdehnungskapseln 306 verbunden, deren axiale Länge von der Temperatur des
sie umströmenden Brennstoffs abhängt, so daß die Einstellung des Drosselventils
288 entsprechend dieser Brennstofftemperatur korrigiert wird.
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Eine Leitung 74 dient zur Leitung des Brennstoffsteuerdrucks PN zu
der (nicht dargestellten) SteRvorrichtung der Kraftübertragungseinrichtung.
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Die Funktion der erfindungsgemäßen Regelvorrichtun- ergibt sich aus
dem beschriebenen Aufbau. Man erkennt, daß der gesamte Brennstoffdruckabfall Pi--P.
zwischen der Kammer 134 und der Leitung 160 vom Bypassventil kontinuierlich
in Abhängigkeit von den auf die Stange 200 einwirkenden Kräften geregelt wird. Durch
die auf den Schwenkhebel 208
einwirkenden Drücke P, und P, wird für jeden
Druckanstieg P,--P, ein bestimmter Wert des Brennstoffdruckabfalls P,7-P" konstant
gehalten. Dieser Brennstoffdruckabfall P,7-P. wird über die Zugfeder 240 in Abhängigkeit
von der Brennkammereingangstemperatur T geändert. Die maximale Spannung der Feder
240 und dementsprechend eine maximale Unterstützuno, der aus dem Druckanstieg P,--P"
abgeleiteten Kraft ergibt sich bei kalter Maschine, wenn die Brennkammereingangstemperatur
T sich auf einem Minimalwert befindet. Die von der Feder 240 (Yelieferte Zusatzkraft
bewirkt eine Vergrößerung der Brennstoffzufuhr zur Brennkammer.
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Der bewegliche Anschlagstift 248 ist beim Starten wirksam, so lang
der Druckanstieg P#--P" etwa den Wert Null hat. Wenn die Drücke P, und P" etwa gleich
sind, drückt allein die Feder 260 den Schwenkhebel 208 in der das
Bypassventil schließenden Richtung, so daß beim Starten der Bypass-Brennstoffstrom
auf ein Minimum herab-esetzt ist. Mit steigendem Druck P, und damit steigendem,
an der Membran 250 wirkenden Druckanstieg wird der Kraft der Feder
260 mehr und mehr entgegengewirkt, bis von einem bestimmten Druckanstieg
PC---P" an, die einer bestimmten Verdichterdrehzahl entspricht, der Eingriff zwischen
der Platte234 und dem Anschlagstift 248 gelöst wird. Von da an ist die auf den Schwenkhebel
208 ausgeübte Kraft allein eine Funktion des Druckanstieas P,--P" und der
Brennkammereingangstemperatur T.