DE1501812C3 - Einrichtung zur Brennstoff-Durchsatz-Steuerung bzw. -Regelung einer Dampfkern-Zentrifugalpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Brennstoff-Durchsatz-Steuerung bzw. -Regelung einer Dampfkern-Zentrifugalpumpe mit einer in der Brennstoffzufuhrleitung angeordneten Niederdruck-Fördereinrichtung und einer der Fördereinrichtung nachgeschalteten, die Brennstoffzufuhr zur Zentrifugalpumpe beeinflussenden Steuereinrichtung.

Bei der sogenannten Dampfkern-Zentrifugalpumpe handelt es sich um eine Zentrifugalpumpe, bei der die Einlaßströmung so gedrosselt wird, daß die Flüssigkeit innerhalb der Pumpe einen Flüssigkeitsring bildet, dessen radiale Tiefe sich von allein einstellt und den gewünschten Druck liefert. Bei einer solchen Dampfkernpumpe ist es erforderlich, daß am Einlaß der Pumpe mittels einer Einrichtung ein Druckabfall erzeugt wird, da anderenfalls die Zufuhrleitung leer gepumpt wird und eine Betriebsstörung die Folge ist. Um den Druckabfall an den Durchsatz der Zentrifugalpumpe anpassen zu können, ist bei einer vorbekannten Einrichtung der eingangs angegebenen Art (DT-PS 10 56 877) in der Brennstoffzuführleitung eine Steuereinrichtung mit mechanisch verstellbaren Drosselelementen vorgesehen. Eine solche Steuereinrichtung hat jedoch den Nachteil, daß die Funktionsgenauigkeit der mechanisch bewegbaren Drosselelemente durch die Schwingungen der Zentrifugalpumpe beeinträchtigt wird. Wenn die Zentrifugalpumpe als Brennstoffpumpe für ein Gasturbinentriebwerk benutzt wird, ist ein relativ großer Bereich von Betriebstemperaturen anzutreffen, was ebenfalls die Funktionsweise der mechanischen Steuereinrichtung beeinträchtigen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Brennstoff-Durchsatz-Steuerung bzw. -Regelung einer Dampfkern-Zentrifugalpumpe der eingangs angegebenen Art zu schaffen, bei der die am Einlaß der Zentrifugalpumpe angeordnete Steuereinrichtung ohne bewegte Teile auskommt und eine Anpassung der Drosselwirkung an den Durchsatz der Zentrifugalpumpe möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung mit den eingangs angegebenen Merkmalen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Steuereinrichtung eine unmittelbare vor dem zentralen Pumpeneinlaß angeordnete Ringkammer aufweist, deren Ringkanal mit dem Pumpeneinlaß verbunden ist, wobei der innere· Durchmesser des Ringkanals vor dem Pumpeneinlaß größer ist als der Durchmesser des Pumpeneinlasses, und daß in den Ringkanal mindestens eine mit Steuerdruck beaufschlagbare Steuerleitung tangential einmündet.

Es ist bereits eine Durchsatz-Steuereinrichtung für einen Zentrifugalverdichter (US-PS 30 41 848) bekannt, bei der einer axialen Einlaufströmung durch tangential einmündende öffnungen eine Wirbelströmung überlagert wird. In diesem Fall hat jedoch die »Wirbelkammer« denselben Durchmesser wie der Verdichtereinlaß, so daß der Einlaufströmung lediglich ein Vordrall aufgeprägt wird, so daß die Strömung mit veränderlichem Eintrittswinkel in das Laufrad des Zentrifugalverdichters eintritt, ähnlich wie dies bei Verwendung von verstellbaren Eintrittsleitschaufeln der Fall ist (vergleiche z. B. US- PS 23 06 742).

Im Gegensatz hierzu hat bei der erfindungsgemäßen Einrichtung der Ringkanal einen wesentlich größeren Durchmesser als der zentrale Pumpeneinlaß, so daß die Strömung nicht nur einen Vordrall erhält, sondern auch von radial außen nach radial innen strömt. Hierdurch entsteht ein erheblicher Druckabfall zwischen dem Eintrittsbereich der Steuerleitung und dem Pumpeneinlaß, da die Strömungsgeschwindigkeit im Kern der Wirbelströmung wesentlich größer als radial außen ist. Diese Druckdifferenz ist in Abhängigkeit von der Stärke des durch die Steuerleitung austretenden Steuerstrahls veränderbar. Bei Verwendung eines sehr starken Steuerstrahls kann der Pumpendurchsatz praktisch bis auf Null verringert werden, so daß durch das erfindungsgemäße Prinzip eine Durchsatzsteuerung innerhalb sehr weiter Grenzen möglich ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

An Hand der Zeichnungen werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung, die zur Brennstoffregelung von Gasturbinen geeignet sind, näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform,

Fig.2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform,

Fig.3 einen Querschnitt entlang der Linie UI-IlI in Fig.l,

Fig.4 einen Querschnitt entlang der Linie IV-IV in Fig.l.

Fig.l zeigt eine Dampfkern-Zentrifugalpumpe 11 mit einem Pumpengehäuse 12, in welcher sich eine Antriebswelle 13 mit Pumpenschaufeln 14 befindet. Die

Pumpenschaufeln weisen an ihren radialen inneren Enden ein hohles Zentrum 15 auf, in dessen Nähe sich auf der Drehachse der Pumpenschaufeln ein runder Pumpeneinlaß 16 befindet. Der Pumpeneinlaß 16 ist gleichzeitig die Auslaßöffnung einer Hauptsteuervorrichtung 17, welche gemeinsam mit einer Hilfssteuervorrichtung 23 die Steuervorrichtung bildet und am Pumpengehäuse 12 befestigt ist. Das Gehäuse der Hauptsteuervorrichtung 17 besteht aus zwei ein zylindrisches Außengehäuse bildenden Gehäuseteilen 18,19, welche eine gemeinsame zylindrische Bohrung 21 aufweisen, die als Hauptdurchlaß für den Brennstoff dient. Am Gehäuseteil 18 und auf der Achse der zylindrischen Bohrung 21 befindet sich eine Speiseleitung 22, welche über die HilfsSteuervorrichtung 23 mit einer Niederdruck-Fördereinrichtung 24 verbunden ist. Der Flansch 26 eines zylindrischen Einsatzes 25 ist durch mehrere Bolzen 27 zwischen den Gehäuseteilen 18, 19 befestigt. Die zylindrische Oberfläche des Einsatzes 25 besitzt einen gleichen Abstand von der Bohrung 21, so daß dadurch ein Ringkanal 28 gebildet wird, in welchen der von der Speiseleitung 22 kommende Brennstoff durch Öffnungssegmente 29 im Flansch 26 eintreten kann.

In einem Abstand von dem stromabwärts gelegenen Ende des Einsatzes 25 befindet sich eine Gehäusewand 31 mit dem Pumpeneinlaß 16. Der Raum zwischen der Gehäusewand 31 und dem stromabwärts gelegenen Ende des Einsatzes 25 bildet eine Wirbelstromkammer 32. Der Pumpeneinlaß 16 ist auf der Abströmseite trichterartig ausgebildet, um eine glatte Strömung in das Zentrum 15 der Pumpenschaufeln 14 zu ermöglichen. Im Gehäuseteil 19 befindet sich eine Steueröffnung 33 (Fig. 4), welche tangential in den Ringkanal 28 mündet. Von der Durchleitung 34 der Zentrifugalpumpe führt eine Steuerleitung 35 zur Steueröffnung 33. In dieser Steuerleitung 35 befindet sich eine Drnsseleinrichtung 36. Eine Ablaufleitung 37 führt zu einem Steuerventil in der Hilfssteuereinrichtung 23. Das Steuerventil besteht aus einer Ablauföffnung 38 und einer beweglichen Klappe 39, welche durch einen bei 41 angelenkten Hebelarm gebildet wird. Die Bewegung des Hebelarmes wird teilweise durch die von den beiden Federbälgen 42 und 43 ausgeübten Kräfte gesteuert, weiche in einander entgegengesetzten Richtungen an der Klappe 39 angreifen. Der Druck im Federbalg 42 wird vom Verdichter der Gasturbine über eine Leitung 44 mit einer Düse 40 geliefert. Dieser Druck ist durch einen Einstellhebel 45 veränderlich, welcher ein mit der Leitung 44 verbundenes Entlüftungsventil 46 betätigt. Auf den Federbalg 43 wirkt der Staudruck in der Düse der Gasturbine ein. Ein Kegelventil 47 dient als Meßvorrichtung für die Durchflußmenge. Dieses Kegelventil 47 kann seine Lage in bezug auf eine Durchlaßöffnung 48 einer Speiseleitung 49 verändern. Das Kegelventil 47 wird durch eine Feder 51, welche an der Klappe 39 gegenüber der Ablauföffnung 38 befestigt ist, gegen die Durchlaßöffnung 48 gedrückt. Die Lage des Kegelventils 47 ist eine Funktion der durch die Speiseleitung 49 strömenden Durchflußmenge, wodurch die Feder 51 ein der Durchflußmenge im negativen Rückkopplungssinne entsprechende Kraft auf die Klappe 39 ausübt.

Die Druckleitung 34 ist mit einer Reihe von Brennern in der Gasturbine verbunden, welche symbolisch durch eine Brennerdüse 53 angedeutet sind. Diese Brenner bewirken einen Rückstau in der Druckleitung der Zentrifugalpumpe 11.

Die Hauptsteuervorrichtung 17 arbeitet wie folgt: Wenn kein Brennstoff durch die Steueröffnung 33 fließt, geht der von der Niederdruck-Fördereinrichtung 24 in die Hauptsteuervorrichtung 17 eintretende Brennstoff durch den Ringkanal 28, ohne um die Mittelachse gedreht zu werden, verläuft in der Wirbelstromkammer 32 radial nach innen und gelangt durch den Pumpeneinlaß 16 in das Zentrum 15 der Pumpenschaufeln 14. Der Strömungswiderstand der Hauptsteuervorrichtung 17 hat in diesem Falle einen Minimalwert. Wenn dagegen Brennstoff durch die Steueröffnung 33 in den Ringkanal gelangt, wird der darin fließende Brennstoff abgelenkt, so daß die Anfangsgeschwindigkeit des Brennstoffes an der Peripherie der Wirbelstromkammer 32 von der Brennstoffströmung in der Steueröffnung abhängt. Die Umfangsgeschwindigkeit des sich in der Wirbelstromkammer 32 drehenden Brennstoffstromes nimmt zum Mittelpunkt hin zu und bewirkt einen Druckunterschied zwischen dem Hauptdurchlaß 21 und dem Pumpeneinlaß 16, wodurch der Strömungswiderstand gegenüber der Speiseleitung zunimmt. Die in die Zentrifugalpumpe eintretende Flüssigkeitsmenge ist daher umgekehrt proportional dieser Umfangsgeschwindigkeit.

Beim Betrieb der Zentrifugalpumpe steht das Zentrum unter dem Verdampfungsdruck des Brennstoffes. Der in die Pumpe eintretende und von den Pumpenschaufeln verdrängte Brennstoff nimmt an der Peripherie des Pumpengehäuses 12 eine im allgemeinen ringförmige Gestalt an. Die Hauptsteuervorrichtung 17 bestimmt die Menge des in die Pumpe eintretenden Brennstoffes, während die radiale Größe des flüssigen Brennstoffringes im Pumpengehäuse von der Drehgeschwindigkeit der Pumpenschaufeln abhängt und einen bestimmten Druck aufweist, unter welchem die mit der Pumpe verbundenen Abnehmer den Brennstoff erhalten.

Die Betriebsweise der Zentrifugalpumpe soll im folgenden beschrieben werden. In jedem Augenblick befindet sich die Klappe 39 der HilfsSteuervorrichtung 23 im Gleichgewicht zwischen den einander entgegengesetzt gerichteten Kräften der Federbälge 42, 43 an einem Ende des Hebelarmes und unter den entgegengesetzt gerichteten Kräften der Feder 51 und des Druckes in der Ablauföffnung 38 am anderen Ende des Hebelarmes. Die Menge des durch die Steueröffnung 33 einströmenden Brennstoffes hängt vom Druck an der Ablauföffnung 38 ab. Die Überlagerung des aus dem Ringkanal 28 zugeführten Brennstoffes mit dem aus der Steueröffnung 33 austretenden Brennstoff bewirkt eine Drehung in der Wirbelstromkammer 32, wodurch ein Widerstand in der Hauptsteuervorrichtung 17 entsteht, wie bereits beschrieben wurde.

Die von der Niederdruck-Fördereinrichtung 24 gelieferte Brennstoffmenge wird von der Durchfluß-Meßvorrichtung 47, 48 geregelt. Wenn die Brennstoffmenge zunimmt, übt das Kegelventil 47 eine größere Federkraft auf die Klappe 39 aus, wodurch die Klappe 39 geschlossen wird, die durch die Steueröffnung 33 eintretende Menge des zur Steuerung dienenden Brennstoffes erhöht wird und sich der wirksame Widerstand der Hauptsteuervorrichtung 17 erhöht. Bei einer Abnahme der Durchflußmenge erfolgt eine entsprechende Verminderung des Wirbelstromwiderstandes. Wenn die von der Zentrifugalpumpe gelieferte Fördermenge zunimmt, erhöht sich ebenfalls der wirksame Widerstand der Hauptsteuervorrichtung 17.

Der Einstellhebel 45 dient dazu, die zur Zentrifugalpumpe 11 gelangende Brennstoffmenge zu verändern.

15 Ol

Wenn der Hebel 45 im Uhrzeigersinn gedreht wird, nimmt der Widerstand des Entlüftungsventils 46 zu, der höhere Druck im Federbalg 42 wirkt auf die Klappe 39 und vermindert den Druck an der Ablauföffnung 38.

Die durch die Steueröffnung 33 ausfließende Brennstoffmenge nimmt ab, so daß die Zentrifugalpumpe eine größere Brennstoffmenge fördern kann. Eine Abnahme des Widerstandes im Entlüftungsventil 46 bewirkt folglich eine geringere Brennstoff-Fördermenge.

Die Zentrifugalpumpe ist vorzugsweise so ausgelegt, daß auch bei größter Brennstoff-Fördermenge noch ein Brennstoff-Zufluß aus der Steueröffnung 33 stattfindet und eine Drehung der Brennstoffströmung in der Wirbelstromkammer 32 mit einer kleinen Umfangsgeschwindigkeit bewirkt, wird die jedoch nur einen sehr geringen Strömungswiderstand hervorruft. Im gesamten Förderbereich der Zentrifugalpumpe, in welchem sowohl die Geschwindigkeit der Zentrifugalpumpe und die Durchflußmenge verändert werden kann, strömt der Brennstoff in einer kreisförmigen Wirbelbewegung durch den Pumpeneinlaß 16 in das hohle Zentrum 15, wodurch eine gleichmäßige Brennstoffverteilung um die Drehachse der Pumpenschaufeln 16 gewährleistet wird. Die Richtung dieser kreisförmigen Wirbelbewegung kann entweder in oder gegen die Drehrichtung der Pumpenschaufeln erfolgen. Abgesehen von hohen Durchflußmengen ist das Zentrum 15 bis zum Ende des Einsatzes 25 innerhalb des kegelförmig austretenden Brennstoffes mit Brennstoffdampf gefüllt.

Der durch die Steueröffnung 33 und durch die Ablauföffnung 38 gehende Brennstoffstrom wird von der Druckleitung 34 der Pumpe abgezweigt und wird unterhalb der Durchfluß-Meßvorrichtung 47, 48 wieder dem von der Niederdruck-Fördereinrichtung 24 kommenden Brennstoffstrom zugeführt. Die zu den Brennerdüsen 53 gelangende Brennstoffmenge ist daher im wesentlichen gleich der von der Niederdruck-Fördereinrichtung 24 gelieferten Brennstoffmenge. Wenn die den Brennerdüsen 53 zugeführte Brennstoffmenge gering ist, fließt ein starker Brennstoffstrom durch die Steueröffnung 33. Dieser Brennstoffstrom durch die Steueröffnung ist von der Fördermenge der Pumpe unabhängig und gestattet, diese über einen weiten Bereich zu verändern.

In der vorstehend beschriebenen Ausführung übt das Kegelventil 47 über die Feder 51 eine Kraft auf die Klappe 39 aus. F i g. 2 zeigt eine andere Ausführung, in welcher die Feder 51 auf der Innenwand der Hilfssteuervorrichtung 23 anliegt und das Kegelventil 47 auf eine Durchlaßöffnung 48 wirkt, welche in der Wand 53/4 einer Einströmkammer 54 angeordnet ist. Der Druck in der Einströmkammer 54 gelangt durch eine weitere öffnung 55 in der Wand 53/4 zur Unterseite einer Membran 56, während der Druck auf der stromabwärts gelegenen Seite der Durchlaßöffnung 48 auf die obere Seite der Membran drückt.

Die Membran 56 besitzt einen zentral befestigten Stößel 57, welcher auf die Klappe 39 einwirkt. Das von der Membran 56 übertragene Drucksignal ist größer als der Druck auf der Feder 51. Die Membran spricht daher leichter auf geringe Durchflußmengen an, wodurch die Durchfluß-Meßvorrichtung 47, 48 für kleinere Druckunterschiede als in der Ausführung von Fig. 1 bemessen werden kann.

Vor der Steueröffnung 33 können sich im Ringkanal 28 unter geeigneten Winkeln angeordnete Leitschaufeln befinden, welche dem durch den Ringkanal 28 fließenden Brennstoff eine gewisse Drehung mitteilen. Solche Leitschaufeln können im Flansch 26 an Stelle der Stege angebracht werden, welche an den Enden der Öffnungssegmente 29 nach innnen verlaufen.

Zur Steuerung der Fördermenge der Zentrifugalpumpe 11 kann auch zusätzlich in der Ablaufleitung 37 ein Absperrhahn angebracht werden. Außerdem könnten zusätzliche Steueröffnungen tangential in den Ringkanal 28 münden und mit unter Druck stehendem Steuerbrennstoff verbunden werden.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, in der Druckleitung 34 stromabwärts der Anschlußstelle von Steuerleitung 35 eine Hilfssteuervorrichtung mit einer Durchfluß-Meßvorrichtung anzuordnen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

15 Ol 812 Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Brennstoff-Durchsatz-Steuerung bzw. -Regelung einer Dampfkern-Zentrifugalpumpe mit einer in der Brennstoffzufuhrleitung angeordneten Niederdruck-Fördereinrichtung und einer der Fördereinrichtung nachgeschalteten, die Brennstoffzufuhr zur Zentrifugalpumpe beeinflussenden Steuereinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (17,23) eine unmittelbare vor dem zentralen Pumpeneinlaß (16) angeordnete Ringkammer (17) aufweist, deren Ringkanal (28) mit dem Pumpeneinlaß (16) verbunden ist, wobei der innere Durchmesser des Ringkanals (28) vor dem Pumpeneinlaß (16) größer ist als der Durchmesser des Pumpeneinlasses, und daß in den Ringkanal (28) mindestens eine mit Steuerdruck beaufschlagbare Steuerleitung (35) tangential einmündet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerleitung (35) über eine Drosseleinrichtung (36) an die Druckleitung (34) der Zentrifugalpumpe (11) angeschlossen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an die Steuerleitung (35) nach der Drosseleinrichtung (36) eine Ablaufleitung (37) angeschlossen ist, deren Ablauföffnung (38) in Abhängigkeit von dem Durchsatz der Niederdruck-Fördereinrichtung (24) und/oder einem von Hand einstellbaren Brennstoffsteuersignal veränderbar ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkanal (28) ein mit dem Pumpeneinlaß (16) verbundenes zylindrisches Außengehäuse (18,19) und einen zylindrischen Einsatz (25) aufweist, der mit Abstand von einer den Pumpeneinlaß enthaltenden, am Stirnende des Außengehäuses angeordneten Gehäusewand (31) angeordnet ist.