DE1401269A1

DE1401269A1 - Gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE1401269A1
Application number: DE19581401269
Authority: DE
Inventors: Mock Frank Carleton
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1957-01-10
Filing date: 1958-01-09
Publication date: 1968-10-03
Also published as: US3021673A; DE1401269B2

Description

Unterlagen für die Offenlegungssehrift¹

B.INO. H. NEGENDANK ■ dipl.-ing. H. HAITCK · DIPL.-PHYS.W. SCHMITZ

HAMBUHG-MÜNCHEN ZtISTELLUNGSANSCHRIFT; HAMBURG 36 · NETTER WAL·!, 11

TEI,. 367428 UND »6411S T₃ _ . _ «/-/-ι r\ TBLEÖB. NEGEDAPATENT HAMBURG

MÜNCHEN 15 · MOZARTSTR. 23

TEt.5380586

THE BENDIX CORPORATION tei,egr. negedapatent München

Hamburg, den 20. Juni I968

Gasturbinenanlage

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage und geht aus von einer bekannten Anlage dieser Art, bestehend aus einer Verdiehterantriebsturbine und einer mechanisch davon getrennten Nutzleistungsturbine, die beide eine gemeinsame Brennkammeranordnung aufweisen, einem Brennstoffregler, dessen Brennstoffregelventil durch einen mit einer der Turbine in Triebverbindung stehenden Fliehgewichtsregler gesteuert wird und einem Wasserbzw. Wasserdampf regler, der zur schnellen Drehzahl- und Leistungssteigerung der Nutzleistungsturbine in Abhängigkeit von der Drehzahldifferenz zwischen der Verdichterturbine und der Nutzleistungsturbine nur während des Regelvorganges auf die erhöhte Nutzleistungsabgabe Wasser bzw. Wasserdampf der Brennkammeranordnung zuführt.

Bei Gasturbinenanlagen mit einmaligem Durchfluss des Arbeitsmittels zum Antrieb von Fahrzeugen ist es zur Erreichung von Leistungen über der Normallast bekannt, dem Arbeitsmittel Wasser zuzuführen, das durch eine vermehrte Zuführung von Brennstoff verdampft wird. Hierfür ist eine Vorrichtung zur Zufuhr von Wasser] zur Brennkammer vorgesehen, und die Beschaufelung ist so bemessen,

— 2 — UnterloQön (Art. 7 _s i Abs. 2 Mr. i Gw.:- 3 d33 Änderungsges. v,4,9.l· ^ t

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dass sie ohne Zufuhr von Wasser "bei Normallast den höchsten Wirkungsgrad erreicht. Bei dieser Anlage ist nur eine Turbine vorgesehen, die sowohl die Nutzleistung als auch die Leistung für den Verdichter erzeugt, während die Erfindung auf eine Gasturbinenanlage gerichtet ist, die mechanisch getrennte Turbinen zur Erzeugung der Nutzleistung und zum Antrieb des Verdichters aufweist. Wie noch ersichtlich werden wird, weicht die Erfindung nicht nur gattungsmässig von dieser bekannten Gasturbinenanlage ab, sondern auch der Regelvorgang zur beschleunigten Erreichung einer erhöhten Drehzahl und Leistungsabgabe ist, abgesehen von der vermehrten Brennstoffzufuhr, zur Verdampfung des Wassers völlig verschieden.

Bei dem bekannten Gasturbinentriebwerk, von dem die Erfindung ausgeht, sind die Verdichterantriebsturbine und die Nutzleistungsturbine mit Bezug auf die Brennkammeranordnung parallel geschaltet, und die Verdichterantriebsturbine läuft mit veränderlicher Drehzahl, während die Nutzleistungsturbine auch bei sich ändernder Belastung auf konstanter Drehzahl gehalten werden soll, was dadurch erreicht wird, dass bei einem durch erhöhte Belastung hervorgerufenen Drehzahl abfall der Nutzleistungsturbine das Brennstoffregelventil durch einen Pliehgewichteregler zur Abgabe einer grösseren Brennstoffmenge betätigt wird, wobei den Treibgasen nur während der Zeit dieses Regelvorganges auf die konstant zu haltende Solldrehzahl zur Beschleunigung dee Regelvorganges Wasser oder Wasserdampf beigemischt wird.

eine Gasturbinenanlage, dessen Nutzleistungsturbine nicht mit konstanter Drehzahl bei veränderlicher Nutzleistungsabgabe

gefahren werden kann, wie es zum,Antrieb eines Kraftfahrzeuges, bei dem das Triebwerk möglichst schnell von einem Leerlaufzustand mit minimaler Nutzleistungsabgabe auf einen Zustand maximaler Leistung und Drehzahl gebracht werden muss, wie es beim Erfindungsgegenstand der Pail ist, ist dieses bekannte Gasturbinentriebwerk in der offenbarten Ausbildung ungeeignet.

Beim Regelvorgang wird der vqn der Mutzleistungsturbine angetriebene lliehgewichtsregler, der ein mit einem Servomotor verbundenes Steuergestänge betätigt, von dem vom Verdichter angetriebenen Fliehgewichtsregler übersteuert, wobei der Servomotor in den Treibgaszufuhrleitungen zu beiden Turbinen angeordnete Drosselklappen derart betätigt, dass zunächst die den Einlass zur Verdichterantriebsturbine steuernde Drosselklappe voll geöffnet und die den Einlass zur Nutzleistungsturbine steuernde Drosselklappe in Schliessrichtung bewegt wird. Bei zunehmender Drehzahl der Yerdichterantriebsturbine wird dann das Steuergestänge vom Fliehgewichtsregler der Yerdichterantriebsturbine betätigt, um die Drosselklappen umgekehrt zu steuern. Zur Lieferung von vermehrter Brennluft beim Regelvorgang auf die konstante Solldrehzahl bei plötzlicher Belastungszunähme ist die Yerdichterantriebsturbine als Doppelturbine ausgebildet, wobei die Brennluftzufuhr zu der einen Turbine in Abhängigkeit von der Wasser- oder Wasserdampfzufuhr zur Verbrennungskammer geöffnet wird, um auf diese Weise den Regelvorgang beschleunigen zu helfen und gleichzeitig die Turbinenbeschaufelung zu kühlen. Dadurch, dass zunächst die Zufuhr der "Wrbrennungsgase zur Nutzleistungsturbine gedrosselt wird, wird natürlich auch der Regelvorgang verzögert,

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was natürlich äusserst unerwünscht ist. Um diese Verzögerung wettzumachen und doch noch eine Beschleunigung des Regelvorganges gegenüber einer normalen Drehzahlregelung durch einen Drehzahlregler zu erzielen, wird der Brennkammer Wasser oder Wasserdampf zugeführt und die Zufuhr von Verbrennungsgasen zur zweiten Turbine der Verdichterantriebsturbine geöffnet, wobei der für diesen beschleunigten Regelvorgang benötigte Aufwand in keinem Verhältnis zum erzielten Nutzen steht.

Die Zufuhr von Wasser oder Wasserdampf zur Verbrennungskammer wird von einem auf die Temperatur der Verbrennungsgase ansprechenden Thermostaten gesteuert, an dessen Stelle angeblich auch andere Impulsgeber verwendet werden können, z.B. Gemischregler, die unmittelbar das Verhältnis Brennstoffmenge zur Brennluftmenge vergleichen. Derart vage Andeutungen sind jedoch nicht geeignet, einem Fachmann eine eindeutige Lehre zum technischen Handeln zu geben. Im übrigen geht, wie noch ersichtlich werden wird, der Regelvorgang gemäss der Erfindung in anderer Weise vor sich.

Mit der Erfindung soll, wie schon erwähnt, eine Antriebsanlage für Kraftfahrzeuge oder dergleichen Antriebe geschaffen werden, die in kürzester Zeit von einem Leerlaufzustand mit minimaler Drehzahl und Leistungsabgabe auf eten Zustand einer wahlweise einzustellenden höheren Drehzahl und Leistungsabgabe gebracht werden kann* Diese Aufgabenstellung soll mit einem minimalen Aufwand bei einer maximal möglichen Beschleunigung des Regelvorganges auf die erhöhte Drehzahl und Leistungsabgabe gelöst werden, was gemäss der Erfindung dadurch erreicht wird, dass die Turbinen der Anlage mit Bezug

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auf die Verbrennungskammeranordnung Mntereinandergeschaltet sind und die Anlage zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges dient und ein an sich bekannter Brennstoffregler vorgesehen ist, dessen im wesentlichen mit konstantem Brennstoffdruck beaufschlagtes Brennstoffregelventil von Hand auf eine zwischen einer Leerlauf- und einer Maximaldrehzahl liegende Drehzahl einstellbar und von dem mit der Verdichterturbine in Triebverbindung stehenden Fliehgewichtregler einregelbar ist und dass der Wasser- bzw. Wasserdampfregler in Abhängigkeit von der Drehzahlbeschleunigung der Nutzleistungsturbine durch einen mit dieser in Triebverbindung stehenden Fliehgewichtsregler gesteuert wird und eine Einrichtung aufweist, mit der Brennstoff zusätzlich zur Handeinstellung des Brennstoffregelventils und Wasser bzw. Wasserdampf in zueinander dosierten Mengen der Brennkammeranordnung zuführbar ist.

Vergleicht man den Erfindungsgegenstand mit der bekannten Gasturbinenanlage, von der die Erfindung ausgeht und nimmt dabei an, dass die Uutzleistungsturbine nicht mit konstanter, sondern wahlweise disteilbarer Drehzahl arbeiten kann, wird sofort klar, dass mit der bekannten Anlage nicht die Beschleunigung des Regelvorganges auf erhöhte Drehzahl und leistung erzielbar ist, denn wenn das Brennstoff regelventil entsprechend der gewünschten Drehzahl und Leistung weiter geöffnet wird, erfolgt lediglich eine Beimischung von Wasser oder Wasserdampf, wobei die Ifutzleistungsturbine erst dann anspricht, wenn die Drehzahl der Verdichterantriebsturbine zunimmt und ihr Fliehgewichtsregler die Drosselklappen im Sinne einer vermehrten Verbrennungsgaszufuhr zur Ifutzleistungsturbine verstellt.

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Demgegenüber wird beim Erfindungsgegenstand über die eingestellte Menge der das Brennst off regelventil durchströmenden Brennstoffmenge hinaus zusätzlich Brennstoff in einem bestimmten Verhältnis zur zugeführten ¥assermenge der Verbrennungskammeranordnung zugeführt, so dass die Beschleunigung des Regelvorganges auf die erhöhte Drehzahl und Leistungsabgabe der Nutzleistungsturbine sich automatisch auf ein Maximum einstellt, ohne die Beschaufelung der Turbinen durch zu hohe Temperaturen zu gefährden. Offensichtlich ist diese vorteilhafte, in überraschender Weise erzielte Wirkung mit der bekannten Anlage, selbst wenn man die Anlage so ausführt, dass die Drehzahl der Nutzleistungsturbine auf eine gewünschte Drehzahl einstellbar ist, nicht zu erreichen.

Die maxial schnelle Ansprache und Einregelung auf eine erhöhte Drehzahl und Nutzleistungsabgabe der Anlage, wie es bei Kraftfahrzeugen beispeilsweise beim Anfahren aus dem Stand oder beim Überholen eines anderen Kraftfahrzeuges der Pail ist, kann, ohne die Beschaufelung der Anlage unzulässig hohen Temperaturen der Verbrennungsgase auszusetzen,gemäss der Erfindung auf unterschiedliche Weise erreicht werden. Eine hierfür geeignete Ausführungsform sieht vor, dass der Wasserregler über ein vom Pliehgewiehtsregler gesteuerte Wasserventil mit einer Druckwasserquelle und tier eine gesonderte Brennstoffleitung mit dem vor dem Brennstoffregelventil liegenden Raum des Brennstoffreglers verbunden ist und dass eine auf den Wasserdruck ansprechende Vorrichtung ein Ventil öffnet, das die gesonderte Brennstoffleitung über eine

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-Messblende mit einer zur Brennkammeranordnung führenden Brennstoffleitung verbindet, während eine auf den Brennstoffdruck ansprechende Vorrichtung ein Ventil öffnet, das den Auslass des Wasserventils über eine Messblende mit einer zur Brennkammeranordnung führenden Wasserleitung verbindet.

Wie ersichtlich wird hierbe'i in Abhängigkeit von der Drehzahlbeschleunigung der Mutzleistungsturbine die Druckwasserzufuhr und in Abhängigkeit die Zusatzbrennstoffzufuhr geöffnet, wobei der Wasserdruck und der Brennstoffdruck wechselseitig aufeinander einwirken, um Wasser und Zusatzbrennstoff in genau dosierten Mengen der Brennkammer zuzuführen.

Eine sehr einfache geeignete Ausbildung des vorstehend beschriebenen Reglers, bei dem keine übermässig genauen Herstellungsanforderungen gestellt werden und der zuverlässig und störungsfrei arbeitet, zeichnet sich dadurch aus, dass die auf den Wasserdruck und den Brennstoffdruck ansprechenden Vorrichtungen zwei entgegengesetzt auf das die Druckwasserquelle mit der zur Brennkammeranordnung führenden Wasserleitung verbindende Ventil einwirkende Membranen aufweist, von denen die eine der Druckdifferenz des Wassers vor und hinter der Messblende und die andere der Druckdifferenz des Brennstoffes vor und hinter der Messblende ausgesetzt ist, und dass das den Zusatzbrennstoff zur Brennkammeranordnung freigebende Ventil von einer Membran gesteuert wird, die der Druckdifferenz des Wassers vor und hinter der Wassermessblende ausgesetzt ist.

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Eine weitere sehr präzise arbeitende Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes, bei der der Zusatzbrennstoff nur einen sehr geringen Überdruck aufzuweisen und nicht vom Brennstoffregler entnommen zu werden braucht, sondern von einer beliebigen Brennstoffquelle zugeführt werden kann, zeichnet sich dadurch aus, dass der Wasserregler einen in Abhängigkeit von der Drehzahlerhöhung der Nutzleistungsturbine verstellbares Drosselventil eines Servo motors aufweist, das den Druck auf dessen Kolben steuert, der in einem mit einer Ho chdruckflüssigke its quelle verbundenen Zylinder bewegbar ist und zwei in verschieden grossen Zylindern bewegliche Kolben betätigt, von denen der eine Zylinderraum über Rückschlagventile eine Wasserleitung mit der Brennkammeranordnung und der andere Zylinderraum über Rückschlagventile eine Brennstoff niedrigeren Druckes führende Leitung mit der zur Brennkammeranordnung führenden Zusatzbrennstoffleitung verbindet· Zweckmässig ist hierbei der Waseerdoeierkolben entgegen dem Druck einer Feder durch den Servomotor bewegbar. Um hierbei zu erreichen, dass die Wasserzufuhr zur Brennkammer etwas früher als die Zusatzbrennstoffssufuhr eingeleitet wird, sieht die Erfindung vor, das β der Dosierkolben für Zusatzbrennstoff zwischen ewel Anschlägen axial auf einer gemeinsamen, den Kolben des Servomotors und den Waeserdosierkolben tragenden Kolbenstange beweglich ist und durch eine Feder in Förderriohlung beaufschlagt ist.

Eine konstruktiv äueserst einfaohe Regelvorrichtung gemäss der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Wasser-

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regler einen Zylinderraum aufweist, in dem ein vom Fliehkraftregler über einen Hebel gegen die Kraft einer Feder betätigter Kolben gleitend angeordnet ist, und dass der Zylinderraum drei Anschlüsse aufweist, von denen der erste über ein Saugventil mit einer Wasserquelle niederen Druckes, der zweite über eine Messblende und ein Druckventil mit der zur Brennkammeranordnung führenden Wasserleitung und der dritte über eine Leitung mit einem Servomotor des Brennstoffreglers verbunden ist, wobei der Servomotor das Brennstoffregelventil zur Zuführung zusätzlichen Brennstoffes zur Brennkammeranordnung übersteuert.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile werden aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen ersichtlich.

Ss zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines bei Kraftfahrzeugen verwendeten Zweiwellen-Gasturbinentriebwerkes samt der Versorgungsanlage für Brennstoff,

Fig. 2 einen Schnitt durch den Brennstoffregler,

Fig. 3 einen Schnitt durch den Regler für die Hilfsflüssigkeit,

Fig. 4 einen Querschnitt längs der Linie 4-4 der Fig. 3, •809801/0020

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Fig. 5 einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform des Reglers für die Hilfsflüssigkeit,

Pig. 6 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform des Reglers für die Hilfsflüssigkeit und

Pig. 7 einen Schnitt durch eine teilweise abgeänderte Porm des Brennstoff regiere gem. Pig. 2.

Das Gasturbinentriebwerk Io in Pig. I hat einen lufteinlass 12 sowie einen Zentrifugalverdichter 14, welcher Brennkammern 16 mit verdichteter luft versorgt. Das Gemisch aus verbranntem Gas und Überschussluft beaufschlagt Turbinen 18 und 2o, von denen die !Turbine 18 mit einer ¥elle 22 verbunden ist und den Verdichter 14 antreibt, während die zweite lurbine 2o, die Hutzleistungsturbine, an einer Welle 2# befestigt ist, welche über ein Getriebe 26 und eine Welle 28 die Ireibräder des Kraftfahrzeuges antreibt. Von einem Brennstofftank 3o fliesst der Brennstoff durch eine Brennstoffleitung 32 über einen Brennstoffregler 34 in einen Ringverteiler 36, welcher die einzelnen Brennstoffdüsen 38 jeder Brennkammer beliefert. Der Regler 34, an dem ein Gashebel 42 angreift, ist durch eine Zwischenwelle 4o mit der Verdichterwelle 22 verbunden. Von dem Getriebe aus wird eine Einspritzvorrichtung für eine Hilfsflüssigkeit, z.B. Wasser, angetrieben. Wasser wird aus einem Hilfsflüssigkeitsbehälter 46 durch eine Leitung 48 in einen Wasβerregier 44 und dann durch eine Leitung 5o über eine

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Ringleitung 52 in Wassereinspritzdüsen 54 der Brennkammern eingeführt. Vorzugsweise wird das Wasser so in die Brennkammern eingespritzt, dass es die "beginnende Verbrennung nicht beeinflusst, sondern sich erst dann mit den Verbrennungsgasen vermischt, nachdem der Verbrennungsvorgang im wesentlichen beendet ist und hohe Gastemperaturen erreicht sind. Der Wasserregler 44 ist mit dem'Brennstoffregler 34 durch eine Brennstoffleitung 56 verbunden, durch welche das gleichzeitige Einspritzen von Zusatzbrennstoff und Wasser in die Brennkammern 16 ermöglicht wird. Der Zusatzbrennstoff fliesst vom Wasserregler 44 durch eine Leitung 58 zum Ringverteiler 36. Der Wasserregler 44 ist mit dem Brennstoffregler 34 durch ein Gestänge 6o verbunden, welches durch den Gashebel 42 betätigt wird.

In Pig. 2 ist der Brennstoffregler 34 im Schnitt gezeigt. Der Brennstoff fliesst vom Brennstofftank 3o durch, die Brennstoffleitung 32 über eine Hochdruckpumpe 62 in eine Kammer 64· Mn übliches Differenzdruckventil 66 spricht auf den Druckunterschied zwischen Druck- und Saugseite der Hochdruckpumpe 62 an. Auf diese Weise wird der Druckabfall im Brennstoffregler 34 annähernd konstant gehalten. Der Überschuss an Brennstoff wird durch das Differenzdruckventil 66 über eine Leitung 68 zur Saugeeite der Pumpe 62 zurückgeleitet. Zwei Kammern To und 72 sind durch eine Membran 74 getrennt, mit welcher ein Regelventil 76 verbunden let· Dae Regelventil ist als Hohlzylinder ausgebildet, dessen Mantel

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mit einer Anzahl von Bohrungen 78 versehen ist und in einer Büchse 8o gleitet. Die Bohrungen 78 sind in Pig. 2 im rechten T_eil des Mantels gezeigt. Auf diese Weise steigt die Zahl dieser Bohrungen 78, die bei Öffnungsbewegung des Regelventils 76, d.h. bei Bewegung des Hohlzylinders nach rechts, mit in der Büchse 8o befindlichen Bohrungen in Verbindung kommen, an. Die Bohrungen in der Büchse führen zur Kammer 64 und ermöglichen den Brennstofffluss aus dieser Kammer. Ein Regelventil 88 gleitet in einer Büchse 9o, welche ein Verlängerungsstück 92 aufweist. Bohrungen 94 im Ventil 88 wirken mit entsprechenden Bohrungen 96 in der Büchse 9o zusammen. Der Brennstoff fliesst aus der Kammer 7o in das Innere des Verlängerungsstückes und danach durch die Bohrungen 94 und 96 in eine ringförmige Kammer loo und aus dieser durch ein Absperrventil Io2 und eine leitung Io4 in den Ringverteiler 36.

Das eine Ende des Regelventils 88 stützt sich auf einer Druckfeder Io6 ab, welche über ein Gestänge alt einem Hebel Io8 Ton Hand vorgespannt werden kann. Mn einstellbarer Anschlag Ho begrenzt die Bewegung des Regelventile 88 in Schliessrichtung auf eine Stellung geringster Brennstoffzufuhr. Auf das andere Ende des Regelventils 88 wirkt ein Paar von Fliehgewichten 112 (es ist nur ein Gewicht dargestellt), welche mit der von der Turbine 18 angetriebenen Zwisehenwelle 4o rotieren. Wenn die durch den Gashebel 42 eingestellte Solldrehzahl dieser Turbine erreicht ist, gleichen die Hiehgewichte die Wirkung der Druckfeder Io6 aus.

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Das Regelventil 76 hält in Abhängigkeit von der Drehzahl der Turbine 18 selbsttätig den Kraftstofffluss durch das Regelventil 88 innerhalb der vorgegebenen oberen und unteren Grenze, indem es für einen bestimmten Druck an der Zuflussseite des Ventils sorgt. Dies wird durch die Wirkung eines Paares von Fliehgewichten 113 (es ist nur ein Gewicht dargestellt) erreicht, welche eine auf der Büchse 9o gelagerte Hülse 114 verschieben, die eine formschlüssige Verbindung mit dem einen Ende eines um einen Bolzen 116 schwenkbaren Hebels 115 aufweist. Dessen anderes gabelartiges Ende drückt auf einen Bund 117 der Spindel des Regelventils 76. Bei Drehzahlerhöhung der Turbine 18 suchen die Fliehgewichte 113 das Regelventil 76 zu öffnen. Dem wirkt der Brennstoffdruck auf die Membrane 74 entgegen. Der resultierende Differenzdruck ist proportional dem Quadrat der Turbinendrehzahl. Ausserdem ist dieser Differenzdruck demjenigen peportional, der auf das Regelventil 88 wirkt, und für jede gegebene lage dieses Ventils ist die Durchflussgeschwindigkeit und damit die durch die Bohrungen 94» 96 fliessende Brennstoffmenge der Quadratwurzel dieses Differenzdruckes oder der Turbinendrehzahl direkt proportional.

Ein einstellbarer Anschlag 118 bestimmt die grösste Öffnung des Regelventils 76, während eine auf die Membrane 74 wirkende Feder 119 bei ganz niedrigen Turbinendretozahlen, die eine Instabilität des Reglersystems verursachen würden, die erforderliche Stellkraft ausübt. Eine Leitung 12o verbindet die Kammern 72 und loo. Der Druckabfall am Regelventil 88 muss dem Quadrat der Turbinendrehsahl proportional sein. Der Brennstoffregler 34 ist, soweit er bisher beschrieben und dargestellt ist, an sich bekannt, ~ 14 -

Am Wasserregler 44 gemäss Pig. 3 treibt eine vom Getriebe angetriebene Welle 124 eine Pumpe 126 an, welche das Wasser aus dem Wasserbehälter 46 fördert. Mit der Welle 124 ist auch ein Fliehgewichtsregler 128 verbunden, der eine Hülse 13o in Abhängigkeit von der Drehzahl der Nutzleistungs-Turbine 2o axial verschiebt. Der Bewegung der Fliehgewichte wirkt eine feder 132 entgegen. Während eines Beschleunigungsvorganges bewegen sich die Fliehgewichte 128 nach auswärts, verschieben die Hülse 13o in der Zeichnung nach links und drücken mittels des Plüssigkeitsdruckes in einer Kammer 134 gegen einen Schieber 138, der gegen eine schwache leder 148 nach links verschoben wird; dadurch werden Steueröffnungen 14o, 142 miteinander verbunden, so dass das Wasser von einer mit der Druckseite der Pumpe 126 verbundenen Leitung 144 in eine Leitung 146 fliessen kann. Während eines Betriebszustands mit konstanter Drehzahl üben die Fliehgewichte 128 auf den Schieber 138 keine Kraft aus, so dass dieser unter dem Einfluss der Feder 148 in Schliesstellung bleibt. Das Ausmass des Druckanstiegs in der Kammer 134 während des Beschleunigungsvorganges wird durch eine Öffnung 15o in der Wand einer Steuerbüchse 136 bestimmt.

Das durch die Leitung 146 zufliessende Wasser erhöht in einer Kammer 152 den Druck, so dass eine Membrane 154 in der Zeichnun nach rechts gewölbt wird und ein Absperrventil 156 öffnet.

Damit die Zusatzbrennstoffmenge proportional der Hauptbrennstoff menge wird, ist der Wasserregler 44 mit der Kammer 7o des Brennstoffreglers 34 durch die Leitung 56 verbunden,

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-so dass der Zusatzbrennstoff aus der Kammer 7o des Brennstoffreglers 34 über die Leitung 56 und eine Brennstoffmessblende 158 in die Leitung 58 und den Ringverteiler 36 gelangt. Eine Membrane I6o in einer Kammer 162 ist auf der einen Seite über eine Leitung 164 mit dem Druck vor der Messblende 158 und auf der anderen Seite mit dem Druck hinter der Messblende beaufschlagt» Der Druckabfall an der Messblende 148 öffnet mittels der Membrane I6o das Wasserregelventil 166, so dass das Wasser von der Leitung 146 in eine Kammer 168 und dann über eine Wassermessblende 17o in die Leitung 5o gelangt, welche die Ringleitung 52 mit Wasser versorgt.

In der Pig. 4 ist ein Schnitt durch den Wasserregler der Pig. 3 längs der Linie 4-4 dargestellt. Vom Wasserbehälter führt die Leitung 48 zur Pumpe 126, die das Wasser in die Leitung 144 fördert, welche zum Schieber 138 der Pig, 3 führt. Der Rückfluss in eine Leitung 171 wird durch einen Drehschieber 172 gesteuert, welcher durch einen Hebel 174 des Gr stänges 6o betätigt wird. In Fig. 1 ist der Gashebel 42 in Leerlaufstellung gezeigt. Bei seiner Drehung im Uhrzeigersinn wird der Zufluss von der Brennstoffleitung immer mehr erhöht, bis der Hebel an einem Schenkel 176 dee Gestänges 6o anliegt; von hier ab wird auch der Drehschieber 172 im Uhrzeigersinne mitgedreht. In der in Jig. 4 dargestellten Mittelstellung flieset das Wasser teilweise durch die Leitung 144 zur Turbine und teils über die Leitung 171 um die Pumpe herum zurück. Bei weiterer Drehung des Schie bers 172 im Uhrzeigersinne von der gezeigten Stellung aus wird der Rückfluss über den Drehschieber 172 in die Leitung

171 unterbrochen, und die Leitung 144 erhält die gesamte Wassennenge und den höchsten Wasserdruck, welcher durch ein Umleitungsventil 178 und eine Feder 18o bestimmt ist. Umgekehrt wird durch Drehung des Schiebers 172 gegen den Uhrzeigersinn die Leitung 144 von der Pumpe 126 getrennt. Die Menge des Zusatzbrennstoffes ist bereits durch den Brennstoffregler 34 bemessen, der auch den Druckunterschied an der Brennstoffmessblende 158 (Pig. 3) regelt. Die beschriebene Einrichtung, bei der der Brennstoffdruck auf die Membrane 16o durch den Wasserdruck auf eine Membrane ausgeglichen wird, ergibt eine Wassermenge, welche stets der Zusatzbrennstoff menge proportional ist. Das jeweilige Mengenverhältnis wird durch die relativen Abmessungen der Membranen 16o und 182 und durch die relativen Abmessungen der Messblenden 158 und 17o bestimmt, so dass die Mengen des Zusatzbrennstoffes und des Wassers während eines Beschleunigungsvorganges in einem festen Verhältnis zueinander stehen, das durch den Gashebel 42 eingestellt wird. Bei Unterbrechung in der Wasserzufuhr wird auch sofort die Zufuhr des zusätzlichen Brennstoffes unterbrochen, weil dann die Membrane 154 in ihre äueserste linke Lage auegewölbt wird, so daßß die da» Absperrventil 156 für den Zusatzbrennstoff belastende Feder dae Ventil 156 schließet.

Fig. 5 zeigt eine abweichende Aueführungsform eines Wasserreglers 44*. Dabei dreht die mit dem Getriebe 26 verbundene Welle 124 einen Satz von Fliehgewichten 192. Die Fliehgewichte 192 wirken axial entgegen der Kraft einer Feder auf ein Axiallager 194» welches in einer Huffe 196 angeordnet ist. Das Wasser wird vom-Behälter 46 über die Lei-

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tung 48 in ein Gehäuse 19o geführt, wo es ein Kugelrüekschlagventil 2oo durchfliesst, in eine Kammer 2o2 gelangt, und durch eine Öffnung 2o4 und über ein Kugelrückschlagtrentil 2o6 in die Leitung 5o fliesst. Die Vorrichtung nach Pig. erfordert eine Brennstoffquelle mit verhältnismässig niedrigem Druck und entweder eine Brennstoffquelle mit hohem Druck oder aber auch eine Hilfsflüssigkeitsquelle mit hohem Druck« Palis die Vorrichtung der Pig. 5 mit einem Brennstoffregler nach Pig. 2 verwendet wird, steht durch Anschluss der Brennstoffleitung 56 an die Kammern 7o eine Brennstoffquelle mit ausreichend hohem Druck zur Verfügung. Der Brennstoff kann ausserdem über die Brennstoffleitung 56 ' unter Niederdruck zugeführt werden. Da sowieso Wasser und Brennstoff durch Ansaugen gefördert werden, ist ein hoher Zuführdruck für den Zusatzbrennstoff nicht erforderlich. Ein Pörderkolben 2o8 für das Wasser stellt gleichzeitig eine Querwand der Kammer 2o2 dar und ist mit einer Stange 21o verbunden, welche mit einem Druckkolben 212 und mit einem Kolben 214 für den Zusatzbrennstoff eine Baueinheit darstellt. Der ITiederdruck-Zusatzbrennstoff fliesst durch die leitung 56 · über ein Kugelrückschlagventil 218 in eine Kammer 216 und von dort aus über ein Kugelrückschlagventil 22o und ein Absperrventil 222 in die leitung 58. An der Stange 21o ist ο ein Hebel 224 befestigt, welcher gelenkig an die Muffe 196

° angeschlossen ist. An dem anderen Ende des Hebels 224

Tl' befindet sich ein Drosselventil 226, welches den Durchfluss

co des Hochdruckbrennstoffes oder der Hilfsflüssigkeit durch

° eine Drosselöffnung 228 steuert. Der unter Hochdruck stehende Brennstoff strömt aus der Brennstoffleitung 56 durch eine Öffnung 23o in eine Kammer 232 und beaufschlagt den KoI-

ben 214. Die Kammer 232 ist über eine Leitung 234 mit der Drosselöffnung 228, welche durch das Drosselventil 226 gesteuert wird, verbunden.

Bei irgendeiner bestimmten Turbinendrehzahl nimmt die Muffe 196 eine Stellung ein, in welcher das Moment der Fliehgewichte 192 gerade noch die bestehende Druckkraft der Feder 198 ausgleicht, wobei der Hebel 224 das Drosselventil 226 so weit von seiner Öffnung 228 abhebt, dass der Druck auf die Kolben 2o8 und 212 gerade den Druck auf den Kolben 214 ausgleicht. Bei einer Beschleunigung des Motors bewegen sich die Fliehgewichte 192 nach aussen und die Muffe 196 wird zusammen mit der Gelenkverbindung in der Zeichnung nach links verschoben. Dann ist die Drosselöffnung 228 geschlossen, der Druck in der Kammer 232 steigt an und die Stange 21o mit ihren Kolben 2o8, 212 und 214 bewegt sich nach links, wobei Wasser und Brennstoff durch die Rückschlagventile 2o6 und 22o sowie durch die leitungen 5o und 58 strmen. Die Verschiebung der Stange 21o nach links hebt aber das Drosselventil 226 von

ei

seiner Öffnung ab, wonach die Stange 21o mit ihren Kolben eine neue Stellung einnimmt, in welcher das Ventil 226 wie früher etwas von seiner Öffnung abgehoben ist. Durch Betätigung des Gashebels 42 wird die Turbinendrehzahl verringert und die KLiehgewichte 192 bewegen sich nach innen, das Ventil 226 hebt sich von seiner Öffnung ab und die Stange 21o mit den Kolben 2o8,212 und 214 bewegt sich mit Unterstützung einer Jeder 236 nach rechts, wodurch die Kammern für Wasser und Zusatzbrennstoff gefüllt werden.

Das Ventil 222 dient dazu, bei Ausfall der fasserzufuhr ..auch

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die Zufuhr von Zusatzbrennstoff zu unterbinden. Das Ventil 222 ist zwischen dem Kugelrückschlagventil 22o und der Leitung 58 eingebaut und wird durch eine schwache Feder 238 entgegen dem in der Leitung 5o auf eine Membrane 24o wirkenden Wasserdruck geschlossen gehalten. Der Kolben 212 ist auf der Stange 21o mit etwas axialem Spiel angeordnet, welches von einer Feder 242 aufgenommen wird. Durch die Verschiebung des Kolbens 214 nach links bewegt sich auch der Förderkolben 2o8 in dieser Richtung. Dadurch wird Wasser aus der Kammer 2o2 verdrängt, welches die Membran 24o beaufschlagt, die ihrerseits das Absperrventil 222 öffnet. Wenn die Verschiebung der Stange 21o nach links aufhört, bringt die Feder 242 den Kolben 212 in seine äusserste linke Stellung zurück. Auf diese Weise wirkt der Wasserstrom als Sperre für die Brennstoffzufuhr.

B_ei der Wassereinspritzvorrichtung nach Fig. j? wird die Wasserförderung durch eine Pumpenbewegung und der Zufluss des Zusatzbrennstoffes durch einen zusätzlichen Steuerdruck zu dem des mit dem Wasserregler zusammenarbeitenden Brennstoffreglers 34 gesteuert, der im wesentlichen wie in Fig. 2 ausgebildet ist. Allerdings sind hier keine Leitungen 56 und 58 wie in Fig. 2, 3 und 5 erforderlich. Bei der Vorrichtung nach Fig. 6 strömt das Wasser aus dem Behäl ter 46 durch die Leitung 48 in das Gehäuie 44 ''» sodann in eine Kammer 252, durch eine Drosselblende 254 und über ein K^gelrücksehlagventil 256 in die Leitung 5o. Auf der Seile 124 sind besonders schwere Fliehgewichte 258 angeordnet, die über einen Hebel 26o auf einen Kolben 262 v/irkeii, der auf seiner anderen Seite mit einer verhältnis- ^: ' ^!.i ο υ ι :· u ü i. u

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massig starken Feder 264 "belastet ist. Bei einer Erhöhung der Turbinendrehzahl bewegen sich die Fliehgewichte 258 nach aussen, wirken mit einer erheblichen Kraft auf den Kolben und bewirken dadurch eine beträchtliche Erhöhung des Wasserdruckes in der Kammer 252. Dieser hohe Druck öffnet das Kugelrückschlagventil 256 und das Wasser strömt in die leitung 5o.

Der Brennstoffregler 54» bei dem nach Fig. 2 die Bewegung des Regelventils 76 in Abhängigkeit von der Drehzahländerung eine Verschiebung der Membrane 74 und eine Änderung' des Regeldruckes vor und hinter dem Regelventil 88 bewirkt, kann im Zusammenhang mit der Vorrichtung nach Fig. 6 abgewandelt werden. Wie Fig. 7 zeigt, ist zusätzlich noch an die Membrane 74 eine Kolbenstange 266 mit einem Kolben 268 in einem Zylinder 27o angeschlossen. Der Zylinder 27o ist mit der Kammer 252 der Fig. 6 über eine Leitung 272 verbunden. Während eines Beschleunigungsvorganges wird, wenn der Wasserdruck in der Kammer 252 ansteigt, dieser Druckanstieg über die Leitung 272 auf den Kolben 268 übertragen, der sich in der Zeichnung nach rechts bewegt und die Membrane ebenfalls nach rechts verschiebt. Damit wird der Öffnungsquerschnitt des Regelventils 76 vergrössert, wodurch der Regeldruck vor und hinter dem Regelventil 88 ebenfalls vergrössert wird. Auf diese Weise überlagern sich der Druck in der Wasserzufuhrleitung, der Druck in der Kammer und der Druck vor und hinter dem Regelventil 88, womit eine erhöhte Brennstoffzufuhr während der Wassereinspritzung in die Turbine erzielt wird.

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Palls sich in der Kammer 252 kein Wasser befindet, wird auch die Brennstoffzufuhr nicht erhöht. Die Vorrichtung nach Fig. spritzt auch dann Wasser in die Turbine ein, wenn die Vorrichtung der Eig. 7 nicht vorhanden sein sollte. Doch wird dann kein Zusatzbrennstoff zugeführt.

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Claims

HAMBURG-MÜNCHEN ZUSTELLUNGSANSCHRIFT: HAMBURG 36 · NEUER WALL 11 TKL. 36 7128 UND »6 4119 TElEOR. NEGKDAPATBNT HAKBURG —————————— TKL. T 38 O5 86 THE BENDIX CORPORAiDIOU mMH· negedapatent München Hamburg, den 20 ο Juni I968 Patentansprüche

1. Gasturbinenanlage, "bestehend aus einer ■Verdichterantriebsturbine und einer mechanisch davon getrennten Nutzleistungsturbine, die beide eine gemeinsame Brennkammeranordnung aufweisen, einem Brennstoffregler, dessen Brennstoffregelventil durch einen mit einer der Turbinen in Triebverbindung stehenden Fliehgewichtsregler gesteuert wird und einem Wasser- bzw. Wasserdampfregler, der zur schnellen Drehzahl- und Leistungssteigerung der Nutzleistungsturbine in Abhängigkeit von der Drehzahldifferenz zwischen der Verdichterturbine und der Nutzleistungsturbine nur während des Regelvorganges auf die erhöhte Nutzleistungsabgabe Wasser bzw. Wasserdampf der Brennkammeranordnung zuführt, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinen der Anlage mit Bezug auf die Yerbrennungskameranordnung hintereinander geschaltet sind und die Anlage zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges dient; und ein an sich bekannter Brennstoffregler (34) vorgesehen ist, dessen im wesentlichen mit konstantem Brennstoffdruck beaufschlagtes Brennstoffregelventil (88) von Hand auf eine zwischen einer Leerlauf- und einer Maximaldrehzahl liegende Drehzahl einstellbar und von dem mit der Yerdichterturbine

Jüeue Unterlagen m7 8 0 9 8 0 1/0020 ^mW *"*'^§'' - 2 - -

(.18) in üriebverbindung stehenden Fliehgewichtsregler (112) einregerbar ist und dass der Wasser- bzw. Wasserdampfregler (44, 44', 44'') in Abhängigkeit von der Drehzahlbesehleunigung der ITutzleistungsturbine durch einen mit dieser in Triebverbindung stehenden Fliehgewichtsregler (128, 192, 258) gesteuert wird und eine Einrichtung (138, 154, 156, 158, I6o, 166, 17o, 182; 2o8, 212, 214, 224, 226, 228; 26o, 262 268, 2702 aufweist, mit der Brennstoff zusätzlich zur Handeinstellung des Brennstoffregelventils (88) und Wasser bzw. Wasserdampf in zueinander dosierten Mengen der Brennkammeranordnung (l6) zuführbar ist.

2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserregler (44) über ein vom Pliehgewichtsregler (128) gesteuertes Wasserventil (138) mit einer Druckwasserquelle (126) und über eine gesonderte Brennstoffleitung (56) mit dem vor dem Brennstoffregelventil (88) liegenden Raum (7o) des Brennstoffreglers (34) verbunden ist und dass eine auf den Wasserdruck ansprechende Vorrichtung (154) ein Ventil (156) öffnet, das die gesonderte brennstoffleitung (56) über eine Messblende (158) mit einer zur Brennkammeranordnung (16) führenden Brennstofflei-tung (58) verbindet, während eine auf den Brennstoffdruck ansprechende Vorrichtung (I6o) ein Ventil (166) öffnet, das den Ausläse (142) des Wasserventils (138) über eine Messblende (I7o) mit einer zur Brennkammeranordnung (16) führenden Wasserleitung (5o) verbindet.

3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den Wasserdruck und den Brennstoffdruck ansprechen-

den Torrichtungen zwei entgegengesetzt auf das die Druckwasserquelle (126) mit der zur Brennkammeranordnung führenden Wasserleitung (5o) verbindende Ventil (166) einwirkende Membranen (182 und I6o) aufweist, von denen die eine (182) der Druckdifferenz des V/assers vor und hinter der Messblende (I7o) und die andere (l6o) der Druckdifferanz des Brennstoffes vor und unter der Messblende (158) ausgesetzt ist, und dass das den Zusatzbrennstoff zur Brennkammeranordnung freigebende Ventil (156) von einer Membrane (154) gesteuert wird, die der Druckdifferenz des Wassers vor und hinter der Wassermessblende (I7o) ausgesetzt ist.

4. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Viasserregler (44¹) ein in Abhängigkeit von der Drehzahlerhöhung der Hutzleistungsturbine (2o) verstellbares Drosselventil (226) eines Servomotors (214, 232) aufweist, das den Druck auf dessen Kolben (214) steuert, der in einem mit einer Hoehdruckflüssigkeitsquelle verbundenen Zylinder (232) bewegbar ist und zwei in verschieden grossen Zylindern (2o2 und 216) bewegliche Kolben (2o8 und 212) betätigt, von denen der eine Zylinderraum (2o2) über Rückschlagventile (2oo, 2o6) eine Wasserleitung (48, 5o) mit der Brennkammeranordnung (16) und der andere Zylinderraum (216) über Rückschlagventile (218, 22o) eine Brennstoff niedrigeren Druckes führende leitung (56 ') mit der zur Brennkammeranordnung (16) führenden Zusatzbrennstoffleitung (58) verbindet.

5. Gasturbinenanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserdosierkolben (2o8) entgegen dem Druck einer

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Feder (256) durch, den Servomotor (214, 232) bewegbar ist.

6. Gasturbinenanlage nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Dosierkolben (212) für Zusatzbrennstoff zwischen zwei Anschlägen axial auf einer gemeinsamen den Kolben (214) des Servomotors und dem Wasserdosierkolben (2o$) tragenden Kolbenstange (21o) beweglich ist und durch eine Feder (242) in Förderrichtung beaufschlagt ist.

7. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserregler (44¹) einen Zylinderraum (252) aufweist, in dem ein vom Fliehkraftregler (258) über einen Hebel (26o) gegen die Krait einer Feder (264) betätigter Kolben (262) gleitend angeordnet ist, und dass der Zylinderraum (252) drei Anschlüsse aufweist, von denen der erste über ein Säugventil mit einer Wasserquelle (48) niederen Druckes, der zweite über eine Messblende (254) und ein Druckventil (256) mit der zur Brennkammeranordnung (16) führenden Wasserleitung (5o) und der dritte über eine Leitung(272) mit einem Servomotor (268, 27o) des Brennstoffreglers (34) verbunden ist, wobei der Servomotor das Brennstoffregelventil (88) zur Zuführung zusätzlichen Brennstoffes zur Brennkammeranordnung (16) übersteuert.

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