DE1626494C - Brennstoffregelvornchtung fur Gas turbinen - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoff- In der schematischen Zeichnung ist ein Ausführegelvorrichtung für Gasturbinen mit einer Brenn- rungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung darstoffquelle niedrigen Drucks, einer Hochdruckpumpe gestellt. In der Zeichnung ist

zum Fördern des Brennstoffs zu den Brennern, einer Fig· 1 eine Darstellung einer Brennstoffregelvor-

BrennstofTrücklaufleitung für überschüssigen Brenn- 5 richtung für Gasturbinen eines Turbostrahltriebwerks

stoff von den Brennern zur Brennstoffquelle und mit und

einem in der Brennstoffrücklaufleitung angeordneten F i g. 2 ein Schaubild, in dem der Brennstoffstrom

Zumeßventil mit einer veränderlichen Zumeßöffnung über dem Verdichterdruckanstieg aufgetragen ist.

zur Regelung des Verhältnisses von Vorlauf- zu Ein Strahltriebwerk E hat einen Verdichter 10,

Rücklaufbrennstoffmenge. io eine Brennkammer 11, eine Verdichterturbine 12

Eine derartige Anlage ist durch die deutsche und eine Auslaßdüse 13. Der Verdichter 10 treibt Patentschrift 974 636 bekannt. Das Zumessen der eine Apparateteilwelle 14 an, die wiederum eine den Brennern zugeteilten Brennstoffmenge erfolgt Hochdruckbrennstoffpumpe 16 und einen den Brenndort im Hochdruckteil der Anlage, so daß eine ent- stoff regelnden Drehzahlregler 17 antreibt. Der sprechend kräftige Bemessung der Teile der Regel- 15 Brennstoff wird der Brennkammer 11 des Triebwerks einrichtung erforderlich ist und zudem die Abdich- von einem Sammelrohr 18 zugeführt und wird durch tung einer besonderen Aufmerksamkeit bedarf. Da den Drehzahlregler 17 und durch auf den Druckeine Regelung der Brennstoffmenge vor den Bren- anstieg im Verdichter 10 ansprechende Einrichtunnern nicht vorgesehen ist, muß in den Grenzen des gen geregelt. Letztere umfassen ein Abfühlrohr20 Regelbereichs mit sehr kleinen Zumeßöffnungen 20 am Verdichtereinlaß und ein Abfühlrohr 21 am gearbeitet werden, um nicht eine übermäßig große Verdichterauslaß.

Förderpumpe in Kauf nehmen zu müssen. Eine hohe Der Brennstoff wird von einer beliebigen Brenn-

Genauigkeit der Brennstoffzumessung bei kleinen stoffquelle aus einer Leitung 22 über eine Nieder-

Brennstoflmengen ist in dieser Weise nicht er- druckpumpe 23' der Anlage zugefördert. Diese

reichbar. 25 Pumpe kann eine Schleuderpumpe sein, und sie kann

Durch die deutsche Patentschrift 943 022 ist be- vom Triebwerk angetrieben sein. Sie kann auch mit

kannt, Regeleinrichtungen für die Brennstoffmenge der Hochdruckpumpe 16 zu einer Baueinheit zu-

im Vorlauf zu den Brennern anzuordnen. Ferner ist sammengefaßt werden. Die Niederdruckpumpe 23

dort auch in der Rücklaufleitung ein Regelventil fördert den Brennstoff über eine Leitung 26, ein

angeordnet, das jedoch als Reduzierventil lediglich 30 Regelventil 27, eine Leitung 28, ein Zumeßventil 30,

den Druck in der Rücklaufleitung konstant halten eine Leitung 31, die Hochdruckpumpe 16 und eine

soll und im wesentlichen als Sicherheitsventil gegen' Leitung 32 zum Sammelrohr 18. Die Fördermengen

übermäßig hohe Brennkammertemperaturen be- der Pumpen 23 und 16 sind größer als der maximale

stimmt ist. Die Regeleinrichtungen sprechen hierbei Brennstoffbedarf des Triebwerks. Die überschüssige

auf verschiedene Parameter an. 35 Brennstoffmenge wird durch eine Überströmleitung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine 33, ein Regelventil 35, eine Leitung 36, das Zumeß-

genaue Regelung der den Brennern zugeführten ventil 30 und eine Leitung 37 zur Förderseite der

Brennstoffmenge bis herab zu sehr kleinen Mengen Niederdruckpumpe 23 geleitet.

zu sichern, ohne diese Mengen unmittelbar über die Das Zumeßventil 30 hat zwei Sätze synchron ber

Zumeßöffnungen bestimmen zu müssen und die 40 weglicher Zumeßöffnungen, die den Zustrom zur

Zumeßöffnungen außerhalb des Bereichs der hohen und den Abstrom von der Hochdruckpumpe 16

Drücke anordnen zu können. regeln. Das Regelventil 27 hält einen konstanten

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch Druckabfall an den Zumeßöffnungen in der Zuleigelöst, daß das Zumeßventil eine zweite veränder- tung zur Hochdruckpumpe aufrecht, während das liehe Zumeßöffnung enthält, die die Niederdruck- 45 Regelventil 35 ein konstantes Verhältnis der Druckseite der Hochdruckpumpe mit der durch eine Nie- abfalle in den beiden Sätzen von Zumeßöffnungen derdruckpumpe gebildeten Brennstoffquelle verbin- aufrechterhält. Die beiden Regelventile 27 und 35 det und synchron mit der ersten Zumeßöffnung halten also den konstanten Druckabfall in den veränderlich ist. Hierdurch ergibt sich die den Bren- Zumeßöffnungen der Zu- als auch der Ableitungen nern zuge'führte Brennstoffmenge als Differenz der 50 aufrecht. Die dem Triebwerk über die Leitung 32 der Hochdruckpumpe über die ersten Zumeßöffnun- zugeführte Brennstoffmenge ist die Differenz zwigen zugeführten' Vorlauf brennstoffmenge und der sehen der der Hochdruckpumpe 16 zugeleiteten und durch die zweiten Zumeßöffnungen bestimmten der von ihr zurückgeleiteten Brennstoffmenge. Durch Rücklaufbrennstoffmenge. Auf diese Weise wird in Zumessen dieser beiden Brennstoffmengen wird also einem Brennstoffstrom sehr geringer Geschwindig- 55 die Brennstoffzufuhr zum Triebwerk bestimmt. Die keit eine Zumeßgenauigkeit erreicht, wie sie bisher dem Triebwerk zugeführte Brennstoffmenge kann nur in einem Brennstoffstrom hoher Geschwindigkeit kleiner als die zurückgeleitete Brennstoffmenge sein, erreichbar war. Die Vereinigung der beiden Zumeß- so daß es nicht notwendig wird, diese unter Umstänöffiningen in einem einzigen Ventil führt zu einem den sehr kleine Brennstoffmenge unmittelbar zu mechanisch übersichtlichen und verhältnismäßig ein- 60 messen.

lachen Aulbau und. erleichtert die sich aus den Das Zumeßventil 30 hat ein Gehäuse 40 mit einer jeweiligen Betricbsverhiiltnisscii ergebende Steue- zentralen zylindrischen Bohrung für einen hohlen, rung, indem Steuerimpulse in dun gemeinsamen Ven- beiderseits geschlossenen Ventilschieber 41. Der tilschicber eingebracht werden, um die synchrone Hohlraum des Ventilschiebers 41 ist durch eine Regelung tier Ziimcßölinungen zu bewirken. Da die 65 Trennwand 44 in zwei Kammern 42 und 43 iinterbcitlcn Ziimußöffiningen im niedrigen Druckbereich teilt. Die Leitung 28 ist über eine Öffnung im Venliegun, ergeben sich bei der eriindungsgeniäßen Bau- tilgehäuse 40 iiiul Zuineßöffnungen 47 im Ventilweise geringere Abdichtungsschwierigkeiten. schieber 41 mit der Kammer 42 verbunden, die über

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große, stets offene Öffnungen 48 im Ventilschieber erwünscht ist. Dies bedeutet aber keinen besonderen

41 und eine Öffnung 49 im Ventilkörper 40 mit der Vorteil.

zur Hochdruckpumpe 16 führenden Leitung 31 ver- Damit das Zumeßventil 30 den Brennstoff in be-

bunden ist. Die wirksamen Flächen der Zumeßöff- stimmter Menge unabhängig von dem Wirkungsgrad

nungen 47 sind eine Funktion der Lage des Ventil- 5 der Pumpe zumißt, ist das Regelventil 27 nötig, um

Schiebers 41. Die Rückleitung 36 ist über eine Öff- einen konstanten oder zumindest einen gesteuerten

nun« 51 im Ventilgehäuse 40 und Zumeßöffnungen Druckabfall in den Zumeßöffnungen einzuhalten.

52 im Ventilschieber 41 mit der Kammer 43 ver- Dieses Ventil hat eine zylindrische Bohrung 75 für bunden, die über große, stets offene Öffnungen 53 einen frei beweglichen Ventilschieber 76 mit zwei im Ventilschieber 41 und eine Öffnung 54 im Ven- io Steuerbunden, der durch eine Druckfeder 77 vortilgehäuse 40 mit der Leitung 37 verbunden ist. Die belastet ist. Die von der Feder belastete Seite des wirksamen Flächen der Zumeßöffnungen 52 ändern Ventilschiebers 76 wird zusätzlich von dem Druck sich mit der Lage des Ventilschiebers 41. Damit bei stromab der Zumeßöffnungen 47 belastet, der durch jeder Stellung des Ventilschiebers 41 die Geschwin- eine Leitung 78 zugeleitet wird. Auf die andere Seite digkeit des Brennstoffs durch diese beiden Sätze von 15 des Ventilschiebers wirkt der Druck stromaufwärts Zumeßöffnungen eine konstante Beziehung zuein- der Zumeßöffnungen 47, der über eine Leitung 79 ander hat, muß der Druckabfall in den beiden Sätzen zugeleitet wird. Die von der Niederdruckpumpe 23 von Zumeßöffnungen in einem konstanten Verhält- kommende Leitung 26 mündet zwischen den Steuernis zueinander gehalten werden. Die Druckabfälle bunden des Ventilschiebers 76 in die Bohrung 75, können einander gleich sein, jedoch ist dies keines- 20 während einer der Steuerbunde eine Öffnung 81 zur wegs notwendig. Leitung 28 steuert. Der Ventilschieber 76 bewegt

Das konstante Verhältnis der Druckabfälle wird sich, um die Öffnung 81 so weit zu drosseln, daß der in einfacher Weise durch das Regelventil 35 bewirkt. Druckabfall an den Zumeßöffnungen 47 konstant Dieses hat ein Gehäuse 56 mit einer zylindrischen gehalten wird. Der Druck der Niederdruckpumpe 23 Bohrung 57 für einen Ventilschieber 58 mit zwei 25 ist genügend groß bemessen, um die geringen Druck-Steuerbunden. Die Rücklaufleitung 36 mündet in die abfalle im Regelventil 27 und im Zumeßventil 30 Bohrung 57 zwischen beiden Steuerbunden, von zu überwinden und in der Leitung 31 zur Hochdenen der eine eine Öffnung 59 zur Leitung 36 dros- druckpumpe 16 einen genügend hohen Druck aufselt. In den erweiterten Stirnenden des Ventil- rechtzuerhalten.

gehäuses 56 sind an dem Ventilschieber 58 befestigte 30 Der Strom durch die beiden Sätze von Zumeß-Membranen 61 und 62 befestigt. Die Membran 61 öffnungen im Zumeßventil ist eine eindeutig be- und die linke Stirnfläche des Ventilschiebers 58 stimmte Funktion der Stellung des Ventilschiebers begrenzen eine Kammer 63, der der Druck an der 41. Zur Regelung der dem Triebwerk zugeführten Öffnung 46 über eine Leitung 64 zugeleitet wird. Auf Brennstoffmenge ist daher lediglich die Steuerung der rechten Seite der Membran 62 und des Ventil- 35 der Stellung des Ventilschiebers 41 erforderlich, Schiebers 58 ist eine Kammer 67 gebildet, die über wozu jede Einstelleinrichtung geeignet ist, z. B. sogar eine Leitung 66 den Druck aus der Leitung 31, also eine Handeinstellung. Für einen einwandfreien Lauf den Druck stromabwärts der Zumeßöffnungen 47 der Gasturbine ist jedoch eine selbsttätige Regelung zugeleitet erhält. Da die wirksamen Flächen beider zweckmäßig, wie sie als Beispiel nachstehend beKammern gleich groß sind, ist die den Ventilschieber 40 schrieben wird.

58 nach rechts drückende, resultierende Kraft dem Das Zumeßventil 30 wird durch den Druckanstieg

Druckabfall in den Zumeßöffnungen 47 und den im Verdichter 10 geregelt, um den Brennstoffstrom

öffnungen 48 proportional, wobei der Druckabfall beim Beschleunigen der Turbine zu begrenzen. Ein

in den Öffnungen 48 vernachlässigbar klein ist. Von Regler überwindet oder moduliert den Druck-

der Leitung 36 führt eine Leitung 68 zu einer Kam- 45 anstiegimpuls zum Zumeßventil, um die Brennstoff-

mer 69, die auf der rechten Seite der Membran 61 zufuhr als eine Funktion der Drehzahl bei stetigem

liegt, also den Druck stromaufwärts der Zumeßöff- Betrieb zu regeln. Der Ventilschieber 41 trägt an

nungen 52 erhält. Von der öffnung 54 führt eine seinen Enden Membranen 82 und 83, die zwischen

Leitung 71 zu einer Kammer 72 auf der linken Seite dem Ventilgehäuse 40 und Endkappen 84 bzw. 86

der Membran 62. Die Drücke in den Kammern 69 50 eingespannt sind. Die Membranen sprechen auf

und 72 ergeben eine den Ventilschieber 58 nach Druck an und dienen zugleich als Dichtungen, die

links belastende Kraft, die dem Druckabfall in den das Einmischen von Luft in den Brennstoff verhin-

Zumeßöffnungen 52 und den Öffnungen 53 propor- dem. Der Verdichtereinlaßdruck wird vom Abfühl-

tional ist, wobei der Druckabfall in den Öffnungen rohr 20 über eine Leitung 87 zugeleitet und wirkt

53 vernachlässigbar klein ist. Jede Gleichgewichts- 55 auf die Membran 82, die nach rechts zusätzlich durch störung dieser Kräfte bewegt den Ventilschieber 58, eine Druckfeder 88 belastet ist. Auf die rechte Seite um den Durchtrittsquerschnitt der Öffnung 59 zu der Membran 83 wirkt der Verdichterauslaßdruck, ändern und dadurch den Druckabfall zwischen den der von dem Abfühlrohr 21 über eine Leitung 89 Öffnungen 51 und 54 in ein festes Verhältnis zum zugeleitet wird. Die Bewegung des Ventilschiebers Druckabfall zwischen den Öffnungen 46 und 49. zu 60 41 nach rechts wild durch einen an ihm sitzenden halten. Dieses Verhältnis hängt von den Flächen der Ansatz 91 begrenzt.

Membranen und den Stirnflächen des Ventilschiebers Die innen liegenden Flächen der Membranen 82

58 ab. Sind die Stirnflächen des Ventilschiebers und 83 sind dem Förderdruck der Niederdruckpumpe

verhältnismäßig klein, so nähert sich das Ver- 23 ausgesetzt, wozu die Leitung 26 über eine Leitung

hältiiis dem Wert Eins. Durch eine Abänderung, 65 90 mit der Bohrung des Zumeßventils 30 verbunden

die eine Komplizierung des Aufbaus des Regel- ist und ein Kanal 85, der von der Öffnung 54 abgeht,

ventils 35 bedingt, können die beiden Druck- in der Wandung des Ventilgehäuses vorgesehen ist.

abfalle gleich groß gemacht werden, wenn dies Die axiale Stellung des Ventilschiebers 41 wird un-

mittelbar durch die Feder 88 und die Differenz JP zwischen Verdichtcrauslaß- und -einlaßdruck bestimmt. Der Brennstoffstrom wird also durch die Differenz . I/', die Feder 88 und die Umrißgestalt der ZunießölTnungen 47 und 52 bestimmt. Die Feder und die Umrißgestalt der Zumeßöffnungen werden in Übereinstimmung mit den schätzbaren Kennlinien des Triebwerks, für das die Anlage bestimmt ist, ausgelegt.

' Um aus Sicherheitsgründen die Drehzahl des Triebwerks zu begrenzen und die Drehzahl und damit die Leistung zu regeln, steuert der Regler 17 bei stetigem Betrieb. Hierzu ist in der Leitung 89 vom Verdichterauslaß eine Drosselstelle 92 und eine ins Freie führende Zweigleitung 93, die durch eine Ventilklappe 94 gesteuert wird, vorgesehen. Eine Feder 96 hält die Ventilklappe 94 normalerweise in der Schließlage. Sie kann aber durch einen Stößel 97 geöffnet werden, der durch Fliehgewichte 98 des vom Triebwerk angetriebenen Reglers 17 betätigt wird. ' Der Regler 17 hat eine durch einen Handhebel 100 einstellbare Reglerfeder 99. Wird der Handhebel im Sinne einer Erhöhung der Drehzahl verstellt, so schließt die Vcntilklappe 94 die Leitung 93, so daß der volle Verdichterauslaßdruck auf das Zumeßventil 30 wirkt, das den Brennstoffstrom erhöht. Ist die neue Solldrehzahl erreicht, so wird die Leitung 93 durch die Fliehgewichte 98 geöffnet, und die entweichende Luft bedingt einen Druckabfall in der Drosselstelle 92, so daß die Differenz J P verringert wird und damit der Brennstoffstrom so geregelt wird, daß er das Laufen des Triebwerks mit der Solldrehzahl bedingt. Zum Verzögern ergibt das Einstellen auf eine niedrigere Solldrehzahl ein Öffnen der Leitung 93, bis diese Drehzahl vom Triebwerk erreicht ist.

Die Beziehungen zwischen dem Brennstoffstrom und dem Druckanstieg im Verdichter werden bei verschiedenen Triebwerken verschieden sein und müssen ermittelt werden, um die Umfangsgestalt der Zumeßöffnungen festzulegen. Die grundsätzlichen Eigenschaften der .Regelung sind, in Fig. 2 dargestellt, in der der Brennstoffstrom F über dem Verdichterdruekanstieg .1/' aufgetragen ist.

Der Brennstoffstrom durch die Zumeßöffnungen 47 ist durch die Kurve A in Fig. 2 angedeutet, während der Rückstrom durch die unterste Kurve B dargestellt ist. Dieser erfolgt über die Zumeßöffnungen 52. Die Kurve C stellt den Brennstoffstrom zum Triebwerk dar. Sie ist die Differenz der beiden Kurven Λ und B und entspricht angenähert einer quadratischen Funktion. Der Brennstoffstrom nach der Kurve A ist eine Funktion der Fördermengen der Pumpe 16, und der Brennstoffstrom nach der Kurve B wird durch die Zumeßöffnungen 52 bestimmt. Die Zumeßöffnungen 47 bestimmen in erster Linie die

ίο Zumessung des Stroms zur Hochdruckpumpe 16, so daß der von diesem abzuziehende Strom bestimmt werden kann.

Die Hochdruckpumpe ist im Beispiel als Verdrängerpumpe dargestellt, es können jedoch auch Schleuderpumpen od. dgl. benutzt werden, da die Zumeßeinrichtung auch bei solchen Pumpen anwendbar ist.

Ebenso kann das Regelventil 27 stromabwärts der Zumeßöffnungen 47, also in der Leitung 31 anstatt zwischen den Leitungen 26 und 28 liegen. In diesem Fall wird an beiden Öffnungen 47 und 53 der Förderdruck der Niederdruckpumpe 23 herrschen, so daß beide Sätze von Zumeßöffnungen bei etwa gleichem Druck arbeiten.

Ebenso können die Sätze von Zumeßöffnungen 47 und 52 auch je eine einzige Öffnung sein.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Brennstoffregelvorrichtung für Gasturbinen mit einer Brennstoffquelle niedrigen Druckes, einer Hochdruckpumpe zum Fördern des Brennstoffes zu den Brennern, einer Brennstoffrücklaufleitung für überschüssigen Brennstoff von den Brennern zur Brennstoffquelle lind mit einem in der Brerihstoffrücklaufleitüng angeordneten Zumeßyentil mit einer veränderlichen Zumeßöffnung zur Regelung des Verhältnisses von Vorlauf- zu Rücklaufbrennstoffmenge, dadurch, gekennzeichnet, daß das Zumeßventil (30) eine zweite veränderliche Zümeßöffhuhg (47) enthält, die die Niederdruckseite (Leitung 31) der Hochdruckpumpe (16) mit der durch eine Niederdruckpumpe (23) gebildeten BrerinstoffqueÜe verbindet

   und synchron mit der ersteh Zumeßöffnung (52) veränderlich ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen