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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzuführungs-Steuervorrichtung
für Zündbrenner von Nachbrenn-Einrichtungen in Gasturbinen mit einem Zündbrenner-Steuerventil,
das einen Zylinder und einen darin verschiebbaren Kolben mit zwei gegenüberliegenden
Druckflächen sowie ein von diesem betätigbares Durchaanasventil aufweist, welches
in der Zündbrenner-Versorgungsleitung angeordnet ist, wobei die an die eine Druckfläche
des Kolbens angrenzende erste Kammer mit der Nachbrenner-Versorgungsleitung verbunden
ist.
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Bei mittels Turbinenstrahltriebwerken angetriebenen Flugzeugen werden
häufig für einen Betrieb mit erhöhtem Schub Nachbrenner- oder Aufheiz-Einrichtungen
verwendet, die eine Brennstoffzufuhreinrichtung besitzen, um Brennstoff in den Abgasstrom
des Triebwerks einzuspritzen, welcher Brennstoff beim Verbrennen den Abgasstrom
aufheizt und dadurch den Schub des Triebwerks erhöht. Diese Brennstoffzuflußregelung
für Nachbrenner muß eine sofortige Zündung des in den Abgasstrom eingespritzten
Brennstoffs sicherstellen, weshalb zu diesem Zweck ein Zündbrenner vorgesehen ist.
Aus Gründen der Brennstoffersparnis und der Instandhaltung ist es jedoch zweckmäßig,
wenn dieser Zündbrenner nur während des Betriebs des Nachbrenners in Betrieb gehalten
wird.
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Nach der britischen Patentschrift 928 018 ist ein Zuflußregelventil
für Nachbrenn-Einrichtungen von Gasturbinentriebwerken mit einem einen an eine druckbeaufschlagte
Flüssigkeitsquelle anschließbaren Einlaß und einem einen Auslaß aufweisenden Gehäuse
bekannt, wobei das Gehäuse durch einen Kolben in mindestens zwei mit dem Einlaß-
bzw. dem Auslaß in Verbindung stehende Kammern aufgeteilt ist. Der Kolben ist in
dem Gehäuse zwischen einer vorgespannten ersten Lage, in welcher der Auslaß des
Gehäuses geschlossen ist, und einer zweiten Lage, in welcher der Auslaß des Gehäuses
offen ist, verstellbar. Jedoch ist es mit dieser bekannten Vorrichtung nur möglich,
zu Beginn des Einspritzens von Brennstoff durch die Nachbrenn-Einspritzdüsen einen
vorbestimmten kurzen einzelnen Brennstoffstoß in den in der Hauptbrennkammer angeordneten
Zündbrenner für den Nachbrenner zu geben, welche Verfahrensweise als »hot shot«
bekannt ist. Dadurch ist aber ein sicheres Arbeiten der Nachbrenn-Einrichtun- nicht
immer gewährleistet; beispielsweise ist es möglich, daß der erste Brennstoffstoß
im Zündbrenner durch irgendwelche Störungen nicht gleich zur Zündun- des durch die
Nachbrenn-Einspritzdüsen ein ' gebrachten Brennstoffs führt, so daß dann
der Zündvorgang von neuem eingeleitet werden muß. Oder ein solcher kurzer Brennstoffstoß
in dem Zündbrejiner kann die Gefahr mit sich brin-en, daß der Brennstoffs'oß schon
vorbei ist wenn der erste Brennstoff durch die Nachbrenner-Einspritzdüsen austritt.
'Keiterhin ist es mö-lich, daß auch während des 11,11achbrenn-Vorganges Störungen
auftreten, die ein kurzzeiti-es Aussetzen des Nachbrenn-Vorgganges bewirken, so
daß der nach dem Aussetzen durch die Nachbrenner-Einspritzdüsen eingebrachte Brennstoff
nicht mehr gezündet und damit nutzlos verbraucht wird.
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Weiterhin ist durch die deutsche Auslegeschrift 10-15 7J3
ist ein-- Vorrichtuna bekaniit""-#-;#,ord-en, die ein Nachbrenner-Steuerventil aufweist,
das gleichzeitig den Nachbrenner-Einspritzdüsen und einem Zündbrenner-Steuerventil
Brennstoff zuführt. Auf die hierin vorgesehenen beiden gegeneinander wirkenden Kolben
wirkt ausschließlich der Druck in der Nachbrenner-Versorgungsleitung ein, wodurch
das Zünd-C C
brenner-Steuerventil sich nur eine vorbestimmte kurze Zeit für
den Zündvorgang öffnet, während der Dauer der Nachverbrennung aber geschlossen ist.
Auch hier ergeben sich also die obigen Nachteile.
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Schließlich ist durch die Schweizer Patentschrift 290 429 ist
eine Vorrichtunu bekanntaeworden, bei welcher der Zündbrenner sowohl während des
Nachbrennerbetriebs als auch bei Betrieb ohne Nachverbrennuna in Funktion ist; diese
Einrichtung ist zum einen jedoch mit mehreren zu schaltenden Ventilen sowie mit
mehreren Druckmembranen ausgerüstet, welcher komplizierte Aufbau im Hinblick auf
eine möglichst geringe Störanfälligkeit der Vorrichtung ungünstig ist, zum anderen
ist der Betrieb des Zündbrenners auch bei abaeschalteter Nachverbrennunals Nachteil
anzusehen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine konstruktiv möglichst einfache
Brennstoffzuführungs-Steuervorrichtung, für Zündbrenner von Nachbrenn-Einrichtungen
zu schaffen, mit der die Nachteile der bekannten Einrichtungen dieser Art überwunden
werden. Insbesondere soll mit der erfindungsgemäßen Vorrichtunc, eine sofortige
Füllung der Brennstoffzuführ-C leitung zum Zündbrenner bewirkt werden, damit dieser
mit Sicherheit in Betrieb gesetzt ist, bevor der Brennstoff aus den Nachbrennerdüsen
austritt.
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Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung der ein-P a nes erwähnten
Art -emäß der Erfindung dadurch C C
gelöst, daß die an die andere Druckfläche
des Kolbens angrenzende zweite Kammer mit der Hauptbrenner-Versorgungsleitung verbunden
ist und der Kolben bei einer vorbestimmten Mindestdifferenz zwischen dem Druck in
der Nachbrenner-Versorgungsleitung und dem Druck in der Hauptbreriner-Versorgungsleitung
das Durchgangsventil öffnet und offenhält.
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In den F i g. 1 bis 4 der Zeichnung ist der Gegenstand der
Erfindung, an Hand eines besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels dargestellt,
welches nachstehend erläutert ist. Es zeigt F i g. 1 ein Turbinenstrahltriebwerk
teilweise im Schnitt und ein Blockschaltbild des zugehörigen Brennstoffversorgungssysterus
in schematischer DarstelluncF, F i 2 einen Län-ssehnitt durch das Zündbrenner-Steuerventil
der erfindun-s-emäßen Brennstoffzuführunas-Steuervorrichtun- in seiner -eschlossenen
Stellung' F i 1-1. 3 einen Län-sschnitt durch das Zündbrenner-Steuerventil
gemäß F i g. 2 in geöffneter Stellung Z, C C,5 F i 4 eine -raphische Darstellun-
der Zeitabhänder dem Zündbrenner zu-eführten Brennstoff-In F i o,. 1 ist
ein Turbinenstrahltriebwe'11- 10 seheniaiisch daraestellt, das iin wesentlichen
aus dem Gehäuse 11 mit seinem Lufteinlaß 12, dem Verdichter 13, den
Brennkanlinern 14, aus der mittels der Welle 16 an den Rotor des Verdichters
angekuppelten Turbine 15 und der Schubdüse 17 besteht. In den Brennkaininern
14 befinden sich Brennstoffeinspritzdüsen 19, zu welchen von dem über eine
Brennstoffleitun- 22 an die Hauptbrennstoffsteuerung 23
angeschlossenen Druckventil
21 aus die Hauptbrenner-Versorgungsleitung 20 führt. Der Brennstoff für
im
die Brennstoffeinspritzdüsen 19 der Brennkammern
14 gelangt aus dem Brennstofftank 27 über die Brennstoffleitung
26 zu der Förderpumpe 25, welch-. den Brennstoff über die Leitun-
24 der Hauptbrennstoffsteuerung, 23 zuführt.
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Der Nachbrenner im Abaasrohr des Turbinenstrahltriebwerk-s enthält
Brennstoffeinspritzdüsen 30,
zu welchen die Brennstoffleitun-
31 von der Nachbrenner-Brennstoffsteuerung 32 führt, die über die
Brennstoffleitung 33 und das Steuerventil 34 von der Förderpumpe
35 mit Brennstoff versorgt wird. Die Förderpumpe 35 erhält über die
Nachbrenner-Versorgungsleitung 36 und das Ventil 37 Brennstoff ebenfalls
aus dem Brennstofftank 27 zugeführt. Außerdem führt eine Brennstoffdruckleituna
38 von dem Ventil 34 zu dem Zündbrenner-Steuerventil 39
des Nachbrenners,
während eine Brennstoff-Versorgungsleitung 40 von der Hauptbrenner-Versorgungsleitung
20 ebenfalls zu dem Zündbrenner-Steuerventil 39 führt. Von dem Zündbrenner-Steuerventil
39
führt die Brennstoffleitung 41 zu dem im Abgasrohr des Triebwerks angeordneten
Zündbrenner 42. Wie durch die gestrichelte Linie 45 angedeutet, stehen die Einrichtungen
zur Betätigung von Ventil 37 und Steuerventil 34 miteinander in Wechselbeziehung,
derart, daß das Steuerventil 34 in seiner einen Stellung einen Brennstofffluß von
der Pumpe 35 aus durch die Leitungen 33 und 38 zuläßt, während
es in seiner anderen Stellung die Pumpe 35 und die Leitung 38 mit
der Außenluft in Verbindung bringt und das Ventil 37 die Brennstoffzufuhr
zur Pumpe 35
unterbindet. Der innere Aufbau dieser Ventile ist nicht veranschaulicht,
jedoch sind zahlreiche zur Erfüllung der beschriebenen Aufgabe geeignete Bauarten
solcher Ventile bekannt.
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Bei der vorstehend beschriebenen Brennstoff-Versorgungseinrichtung
wird bei Betrieb ohne Nachverbrennuno, Brennstoff aus dem Brennstofftank
27 über die Hauptbrennstoffsteuerung 23 den Brennstoffeinspritzdüsen
19 in den Brennkammern 14 zugeführt. Sobald ein Nachbrennbetrieb erforderlich
ist, werden Ventil 37 und Steuerventil 34 aus ihrer die Leitun-38 und die
Pumpe 35 mit der Außenluft in VerbinduDa setzenden Stellung, in die Stellung
gebracht, in der den Leitungen 33 und 38 Brennstoff aus dem Brennstofftank
27 über die Pumpz 35 zugeführt wird. Wie nachstehend noch näher erläutert
wird, bewirkt der Brennstoff in der Leitung 38 die Betätigung des Zündbrenner-Steuerventils
39 in der Weise, daß Brenns'Off aus der Brennstoffleitun- 40 über die Ereans
ioff.leitung 41 zu dem Zündbrenner 42 fließen !rann, wo er mit Hilfe (yee.;lyneter,
nicht dar-estellter M«.#t'i-,-1,wi--beispi,2lswei-s#-,eitierF#unl,-eiiziiiidvorrieli+,uiia
r#cz;;lldet wird. Der über die Leiltun- 33 zugeführte Brennsioff fließt durch
die Nagelibrenner-Brennstoff-32 und Über die Brennstoffleitung 31 zu
30 des Nachbrenners, wo er durch die des Zündbrenners 42 entzimdet w.--d.
1-1-*,2rai-is ergibt sieh, daß dorn Zündbrenner 42 nur da-,in Brennstoff- zugeführt
wird, wenn der Nachbrenner selbst tatsächlich in Betrieb ist. Es ist von Bedeutung,
daß bei Einschalten der Nachverbiemiung die Brennstoffzufuhr zu dem Zündbrenner
sowie die Zündung des Zündbrennstoffs sofort erfolgt, so daß, wenn der Brennstoff
an den Nachbrenner-Brennstoffdüsen 30 auszutreten beginnt, dieser von der
Zündflamme gezündet wird.
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Aus den F i g. 2 und 3 ist der Aufbau des an die Brennstoffleitungen
39, 40 und 41 angeschlossenen Zündbrenner-Steuerventils 39 ersichtlich.
Dieses Ventil besteht aus dem Gehäuse 46 mit dem Einlaß 47, an den die vom Hauptbrennstoffsystem
kommende Brennstoffleitung 40 angeschlossen ist ' dem Einlaß 48, an den die
Brennstoffleitung38 angeschlossen ist, und dem Auslaß 49, an den die zu den Zündbrennern
42 führende Brennstoffleitunc, 41 anceschlossen ist. Das Gehäuse 46 bildet einen
zylindrischen Hohlraum 50, in welchem der Kolben 51 in axialer Richtung
verschiebbar ist. Durch die Kolbendichtuna 52 werden die Kammern
50 a und 50 c zu beiden Seiten des Kolbens
51 im Hohlraum 50 gegeneinander abgedichtet. Die Kammer 50a steht
über die Drosselstrecke 56 mit einem Vorraum 54, in welchem ein Filter
55 anaeordnet ist, in Verbindung in welchem Vorraum der Einlaß 47 einmündet.
Der Filter soll eine Verunreinigung des Ventils durch mitgeführte Fremdkörper in
dem aus der Brennstoffleitung 40 zufließenden Brennstoff verhindern. Zweck der Drosselstrecke
56 ist es, die Energie des der Kammer 50 a zugeführten
Brennstoffs zu verringern, da zum einwandfreien Arbeiten des Zündbrenners ein langsamerer
Brennstoffstrom als der der Hauptbrennkammer zugeführte Strom erforderlich ist.
Die Feder 57 dient dazu, den Kolben 51 nach links zu drücken; in dieser
in F i g. 2 dargestellten geschlossenen Stellung des Steuerventils
39 kann Brennstoff aus der Brennstoff leitung 40 in die Kammer
50 a einströmen und diese füllen.
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Ein Ansatz 58 am Kolben 51 erstreckt sich in Richtung
auf das Durchgangsventil 59 und weist einen zentralen Durchlaß
61 auf, durch den Brennstoff aus der Kammer 50 a hindurchströmen
kann. In diesem Ansatz 58 am Kolben 51 befinden sich in die Kammer
50 b führende öffnungen 62. Dieser Ansatz 58 des Kolbens
51 ist so ausgebildet, daß er den Auslaß 49 verschließt, wenn sich der Kolben
in seiner in F i g. 2 dargestellten Stellung befindet, und so verhindert,
daß Brennstoff aus der Kammer 50 b
in die Brennstoffleitung 41 einströmen
kann. Mit dem Einlaß 48 steht die in dem Hohlraum 50 des Ventils vorhandene
Kammer 50c in Verbindung, die zwischen Dichtungen 52 und 60, mit letzterer
Richtung ist der Ansatz 58 versehen, liegt. Der unter Druck stehende, der
Kammer 50 c bei Einschalten der Nachverbrennung über die Brennstoffleitung
38 zugeführte Brennstoff wirkt auf den Kolben 51 in der Weise ein,
daß dieser nach rechts in seine in F i g. 3 dargestellte Stellung gedrückt
wird, da der Druck in der Kamr.ner 50 c höher ist als der Druck in der Kam.mer
50a.
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Im Nachbrennerbetrieb reicht der Druck des über die Leitun-
38 zu dem Zündbrenner-Steuerventil 39
fließenden Brennstoffs aus, mit
seiner auf der linken S,z-;te des Kolbens 51 einwirkenden Kraft die auf die
andere Kolbenseite, närnlich in der Kammer50a wirkenden Kräfte -, die durch die
Feder 57 und den B,-eniistoffdritck in der Kammer 50a aufgebracht w--rden,
zu überwinden.
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In der in F i -. 3 dargestellten Lage des Kolbens
51 hat sich der Ansatz 58 am Kolben 51 vom Durchaaii,cs"e.n4til
59 fort nach rechts bewegt, so daß ein Austritt von Brennstoff aus der Kammer
50 a durch den Durchlaß 61, die öffnungen
62 und den Auslaß 49 bewirkt wird, welcher Brennstoff dann durch die Leitung
41 zum Zündbrenner fließt. Der Brennstoff tritt in dieser Richtung aus, da dieser
Weg dem Flüssigkeitsstrom
einen viel geringeren Widerstand entgegenstellt
als der Weg zurück durch die Drosselstrecke 56. Durch das Ausströmen von
Brennstoff aus der Kammer 50a wird der Druck in dieser Kammer verringert, so daß
der Kolben um so leichter in seine in F i g. 3 dargestellte Lage bewegt werden
kann. Die Verstellung des Kolbens 51 nach rechts läßt darauf einen Brennstofffluß
durch das Zündbrenner-Steuerventil zu, der aus der Brennstoffzufuhrleitung 40 durch
die Drosselstrecke 56, die Kammer 50 a, den Durchlaß
61, die öffnungen 62, die Kammer 50 b und den Auslaß
49 in die Brennstoffleitung 41 hineMießt. Der Druck dieses Brennstoffs wird durch
das Durchströmen der Drosselstrecke 56
zu dem bereits vorstehend erläuterten
Zweck verringert. Solange das Steuerventil in Betrieb ist, bleibt der Brennstoff
aus der Druckleitung 38 in der Kammer 50 c stehen, da
die Kammer 50 c abgedichtet ist. Der Brennstoffstrom aus der Brennstoffleitung
40 durch das Durchgangsventil 59 und durch die Brennstoffleitung 41 hält
an, solange der Druck in der Leitung 38 zur Kammer 50 c
aufrechterhalten wird.
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Bei der Brennstoffzuflußregelung des Nachbrenners mit Hilfe des erfindungsgemäßen
Zündbrenner-Steuerventils 39 wird bei Einschalten des Nachbrenners durch
die dabei erfolgende entsprechende Betätigung der Ventile 37 und 34 Brennstoff
über die Leitung38 der Kammer50c zugeführt. Die unter Wirkung des Brennstoffdrucks
in der Leitung 38 einsetzende Verstellung des Kolbens 51 erfüllt zwei
Aufgaben, und zwar läßt sie, wie gesagt, das Strömen des Brennstoffs durch das Durchgangsventil
59
zu, wobei im Verlauf der weiteren Verstellung des Kolbens 51 in
die in F i g. 3 dargestellte Endlage ein sofortiges Ausstoßen des Brennstoffs
aus der Kammer 50 a durch den Durchlaß 61, die öffnungen
62,
die Kammer 50 b und den Auslaß 49 in die Brennstoffleitung
41 hinein bewirkt wird. Infolge dieser Wirkung des Zündbrenner-Steuerventils wird
die Brennstoffleitung 41 sofort mit Brennstoff gefüllt, die normalerweise entleert
ist, und zwar auf Grund der Abfuhr des Brennstoffs aus der Brennstoffleitung 41
sowohl infolge ihrer Ausgestaltung als auch der Brennstoffverdampfung, letzteres,
da die Leitung 41 dem heißen Abgasstrom des Turbinenstrahltriebwerks ausgesetzt
ist. Da sich das Zündbrenner-Steuerventil 39 jedoch beim Abschalten des Nachbrenners
und dem damit verbundenen Schließen des Ventils 34 schließt, bleibt die Kammer 50a
mit Brennstoff für das beim nächsten Zündvorgano, sofortige Wiederladen der Leitung
41 gefüllt.
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F i g. 4 ist eine graphische Darstellung des dem Zündbrenner
42 über die Brennstoffleitung 41 zugeführten Brennstoffstroms, bei der die Zeit
längs der Abszisse und die Brennstoffmenge längs der Ordinate aufgetragen sind.
Bei Betrieb ohne Nachverbrennung fließt von Null bis zum Punkt A auf der
Abszisse kein Brennstoff durch den Auslaß 49 des Zündbrenner-Steuerventils
39, da das Ventil 37 und das Steuerventil 34 so eingestellt sind,
daß sie einen Brennstoffstrom durch die Brennstoffleitungen 33 und
38 unterbinden. Erfolgt jedoch an dem Punkt A die Betätigung der Nachbrenner-Einrichtung,
so werden das Ventil 37 und das Steuerventil 34 in der Weise geöffnet, daß
sie einen Brennstoffstrom durch die Leitungen 33 und 38 zulassen,
wobei der Strom aus der Leitung 38 in die Kammer 50
c des Ventils 39
einströmt und eine rasche Verstellung des Kolbens
51 in seine in F i g. 3 dargestellte Lage bewirkt. Zu diesem Zeitpunkt
wird die in der Kammer 50 a vorhandene Brennstoffmenge über
den Durchlaß 61, den Ansatz 58 am Kolben 51, die öffnungen
62 und den Auslaß 49 in die Brennstoffleitung 41, wie vom PunktA bis PunktB
der graphischen Darstellung veranschaulicht, so ausgepreßt, daß die Leitung41 sofort
in vollem Umfang mit Brennstoff gefüllt ist.
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Nach diesem schnellen Füllen der Leitung 41 kann Brenstoff aus der
Brennstoffleitung 40, wie vorstehend beschrieben und in der graphischen Darstellung
von Punkt B bis Punkt C dargestellt, durch das Zündbrenner-Steuerventil
39 und über die Brennstoffleitung 41 ausströmen. Von diesem Zeitpunkt B an
ist es für den normalen Betrieb des Zündbrenners, d. h. während der Dauer
der Nachverbrennung, lediglich erforderlich, daß diese geringere Brennstoffmenge
dem Zündbrenner 42 zugeführt wird. In der Zwischenzeit ist über die Brennstoffleitung
33 Brennstoff durch die Brennstoffzuflußsteuerung 32 des Nachbrenners
und über die Brennstoffleitung 31 in die Hauptbrennstoffeinspritzdüse des
Nachbrenners geströmt. Infolge der sofortigen Beschickung der Brennstoffleitung
41 mit Brennstoff hat jedoch der Brennstoffzufluß in den Zündbrenner 42 bereits
stattgefunden, so daß eine Zündung des Zündbrenners zur sofortigen Zündung des dem
Nachbrenner über die Brennstoffleitung 31 zugeführten Hauptbrennstoffstroms
möglich ist, sobald er aus den Brennstoffdüsen 30 des Nachbrenners austritt.
Zum Zeitpunkt C wird der Nachbrenner abgeschaltet, so daß durch Betätigung
des Ventils 34 die Leitung 38 mit der Außenluft verbunden und die Verstellung
des Kolbens durch den Flüssigkeitsdruck in der Kammer 50 a
und durch die Feder 57 in die in F i g. 2 dargestellte Lage bewirkt
wird, in welcher der Flüssigkeitsstrom durch den Auslaß 49 infolge Verschließens
des Durchgangsventils 59 mit Hilfe des Ansatzes 58 am Kolben
51 unterbrochen wird.