DE1952728A1 - Bypass-Ventileinrichtung bei einer Zweiwellen-Gasturbinenanlage - Google Patents

Description

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Der Pat?N₁T¹AJiIWALT Dip.u-lN-G. Vv. Beyer ' ^u ^ ^A ' ^

FRANKFURT/MAIN . FREIHERR-VOM-STEIN-STRASSE18 In Sachen: Az.:

BENNES MAJRREL S.A. Eue Pierre Copel 1 SAINT ETIENNE (Loire)

Priorität der französischen Patentanmeldung PV Rhone No. 50 607 vom 8. November 1968

Bypass-Ventileinrichtung bei einer Zweiwellen-Gasturbinenanlage

Die Erfindung betrifft eine Bypass-Ventileinrichtung zur Umgehung der Nutzleistungsturbine bei einer Zweiwellen-Gasturbinenanlage mit von der Nutzleistungsturbine mechanisch getrennter Verdichterantriebsturbine.

Bei den bekannten Bypass-Ventileinrichtungen dieser Art läßt sich mit der Umgehung der Verdichterantriebsturbine bekanntlich im Bedarfs-fall eine wesentliche Leistungssteigerung über den Bestpunkt der Turbine hinaus erzielen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß über die

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vorgenannte Wirkung hinaus das Anlaufen der Turbine erleichtert wird, die Anpassung an Drehzahl und Belastungsänderungen verbessert wird und die Brandgefahr im Vergleich zu den bis- heute bekannten Systemen verringert, wird. Diese Forderungen habe:-: insbesondere Bedeutung für Gasturbinenanlagen zur Verwendung in Lastkraftwagen und sonstigen Fahrzeugen.

Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch ge- W- löst, daß die Ventileinrichtung aus einem oder mehreren -in Öffnungsrichtung federbelasteten Ventilen mit einem der Federbelastung entgegenwirkenden Antriebsglied besteht, das vom Verdichterausgangsdruck beeinflußbar ist. Durch die Federbelastung ist das Ventil somit bestrebt zu öffnen und hierdurch einen Teil der heissen Gase unmittelbar zu einem Auslaßatutzen abzuleiten, wohingegen der Druck der komprimierten Luft im Verdichter vor deren Einleitung in die Verbrennungskammern die Ventile schließt, sobald der Verdichterausgangsdruck einen bestimmten Wert erreicht, oberhalb dessen die Gesamtheit des in den Brennkammern *erzeugten Gasstromes der liutzleistungsturbine zugeführt wird. ■ . ·

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung v;eist jedes Ventil einen an eine Ventilquelle ansetzenden Ventilschaft und einen mit diesem fest verbundenen Kolben auf, der einen ihn aufnehmendes Zylinder in zwei Arbeitskammern unterteilt, von denen die eine Arbeitskammer eine zwischen einem'"festen Zylinderboden und dem Kolben sich abstutzende Druckfeder aufnimmt, währen.d die andere Arbeitskammer ständig über Durchbrechungen in der Zytinderwandung mit; -der

'Verbindung steht.

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Nach eines anderen Merkmal zur vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der Teller und der Schaft eines jeden Ventils r.it einer sich über deren ganze Länge erstreckenden Axialbohrung versehen. Durch diese Bohrung wird es möglich, die Verluste an Druckluft nutzbar zu machen, die auf die der Druckfeder entgegengesetzte Seite des Kolbens wirken, wobei diese Leckluft eine innere Abkühlung des Ventils sicherstellt, bevor sie in den heissen Gasen aufgeht.

V/ie ersichtlich, erbringt die erfindungsgesässe · pneumatische Steuerung der Bypasc-Ventileinrichtung die Ausschaltung „"cdv/eder Brandgefahr ic Vergleich zu bekannten Einrichtungen, die zur Ventilsteuerung unter Druck stehendes Cl verwenden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen :

Fig. 1 in scher:atischc-r Darstellung einen Axialscnnz-tu durcn exne vxas'uuroinen.an.*.age lur einen Lastkraftwagen r:it einer Bypass-Ventiieinrichtur.g ge~£ss der ■ Erfindung, wobei ^edes Bypass-Ventil in einer Huhe- oder Drosselsteliung geöffnet ist,

Fig. 2 einen Axialschnitt ähnlich Fig. 2 miö geschlossenen Bypass-Ventilen während des normalen Betriebs der Kutzleistungs-

Fig. $ einen Schnitt nach Linie III - III in

?ir. 2 zur Verdeutlichung der Verteilun von vier Bypass-Tentiien rings un die

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Fig. 4

und 5 in vergrößertem Maßstab Einzelheiten

aus Fig* 1 bzw* Fig* 2 *

Die in der Zeichnung dargestellte Gasturbinenanlage besteht im wesentlichen aus einer Verdichterstufe 1 und einer Nutzleistungsstufe 2* Die Verdichterstufe umfasst ein Zentrifügalverdichterräd 3 und ein Hoch« druckturbinenrad 4-, die auf ein und derselben Primärwelle 5 angeordnet und hierdurch drehfest miteinandeii? verbunden sind* Das Verdiehterrad 3 bläst die angesaugte Luft in eine Ringkammer 6, wie durch den Pfeil 7 angedeutet * von wo aus die Luft in zwei Brennkammern 8 in Richtung des Pfeils 9 strömt. Die in den Brennkammern 8 erzeugten heissen Verbrennüngsgäse vereinigen sich in einem Ringraüm IO_f von wo sie durch die festen Schaufeln eines ersten Leitrades 11 und hierauf durch die drehbaren Schaufeln des Hochdruckturbinenrades 4 hindurchtreten. Um den Gasstrom zu stabilisieren und diö Wiederzündung der Brennkammer 8 sicherzustellen, sind die Brennkammern 8 durch eine Bypass-Leitung 12 miteinander^ verbunden* '■;;

Nach ihrem Austritt aus dem Sochdruckturbinenrad 4 gelangen die heissen Gase in einen Ringraiim 131 den sie durch einen Diffusor 14 verlassen, um änschliessend zwischen den festen Schaufeln eines Niederdruck* leitrades 15 hindurchzütreten_s bevor sie die drehbaren Schaufeln eines Niederdruckturbinenrades 16 beaufschlagen* Mf der AüsgangSSeite dieses Türbinenrades sammeln sich die Gase in einem Äuslaßraüm 17 und gelangen von hier durch eine Auslaßöffnung 16 ins Freie.

Das -die. Kutzleistungsturbine der Gästurbinenaiilage bildende Niederdrück-iHirbinenrad 16 sitzt auf einer

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Welle 19, von welcher die von der Turbine gelieferte mechanische Nutzleistung abgenommen wird. Wie ersichtlich besteht keine unmittelbare mechanische Verbindung zwischen der Priraärwelle 5 der Verdichterstufe 1 und der Abtriebswelle 19 der Nutzleistungsturbine.

Gemäss der Erfindung sind zwischen dem Ringraum 13 und dem Auslaßraum 17 mehrere Bypass-Ventile 20 angeordnet, deren Lage innerhalb des Gesamtaufbaues der Gasturbinenanlage aus den Fig. 1 bis 3 hervorgeht, während sie im einzelnen in den Figuren 4 und 5 dargestellt sind. In Fig. 3 sind vier Bypass Ventile 20 vorgesehen, die in ein und derselben Radialebene IXI - III liegen und gleichmässig um die geometrische Achse 21 der Nutzleistungsstufe 2 verteilt sind. Jedes Byp^ass-Ventil 20 weist einen Ventilteller 22 und einen Ventilschaft 23 auf. Der Ventilschaft 23 gleitet in einer festen Führungsbuchse 24, hinter welcher eine Mutter 25 den Schaft fest mit· einem Kolben 26 verbindet. Der Kolben 26 ist in einem festen Zylinder 27 verschieblich, dessen Boden 28 von der Führungsbuchse 24 durchsetzt wird. Am entgegengesetzten Ende ist der Zylinder 27 durch einen Deckel 29 verschlossen. Eine Schraubendruckfeder 30 ist zwischen dem Deckel 29 und dem Kolben 26 eingespannt und hat das Bestreben, den Kolben 26 gegen eine Anschlagfläche 31 an der Führungsbuchse 24 zu drücken (Fig. 4). Beim Einsetzen des Deckels 29 werden eine oder mehrere kallibrierte Beilagscheiben 32 zwischen die Druckfeder und den Deckel eingefügt, mit deren Hilfe die Vorspannung der Druckfeder 30 beliebig eingestellt werden kann.

Der Kolben 26 teilt das Innere des Zylinders 27 in zwei getrennte Kammern 33 und. 34, Die Kammer 33 steht

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mit dem Ringraum 13 in ständiger Verbindung über eine Axialbohrung 35» die sich durch die gesamte länge des Ventiltellers 22 und des Ventilschaftes 23 erstreckt. Darüberhinaus sind i η der Wandung des Zylinders 27 in unmittelbarer Nähe des Bodens 28 Durchbrechungen 36 vorgesehen, über welche die Kammer 34- in ständiger Verbindung mit dem Ringraum 6 steht, der die vom Verdichterrad 3 verdichtete Verbrennungsluft -staut. Der im Ringraum 6 herrschende Luftdruck stieg deshalb auch innerhalb der Kammer 34- an und wirkt dort auf den Kolben 26 entgegengesetzt zur Druckfeder 30. Wenn dieser Druck eine ausreichende Höhe erreicht, um die Druckfeder 30 zusammenzudrücken, schließt das Ventil .22,23» indem der Ventilteller 22 in Anlage gegen einen metallischen festen Ventilsitz 37 gelangt (Fig. 5)·

Zwischen dem Ventilsitz 37 und dem Boden 28 ist rings um die Führungsbuchse 24 eine Ventilkammer 38 gebildet, die über eine verhältnismässig grosse öffnung 39 unmittelbar in den Auslaßraum 17 mündet. Eine metallische Rohrleitung 40 mit einer Dehnverbindung 41 stellt die Verbindung zwischen der öffnung 39 und dem.Auslaßraum 17 herv

Die Wirkungsweise der vorbeschriebenen Anordnung ist folgende :

Solange die Gasturbinenanlage still steht, sind die vier Bypass-Ventile 20 vollständig geöffnet (Fig. 1 und 4). Der Ringraum 13 zwischen der Ausgangsseite des Hochdruckturbinenrades 4 und der Eingangsseite des Niederdruckturbinenrades 16 ist folglich über die geöffneten Bypass-Ventile 20 unmittelbar mit dem Auslaßraum 17 verbunden. Wenn nun die Gasturbinenanlage angelassen wird, indem die Verdichterstufe 1 angekurbelt wird, strömt nur ein Teil des in den Brenn-

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kammern."S erzeugten Verbrennungsgäses durch den Söhäufeikränz des Niederdrückturbinenrädes 16 (StrömUhgspfeil 42) _f während ein weiterei? Teil untäittelbar zum Auslaßräum 1? gelängt (Strömungspfeil 43)* Als Folge hiervon ist für äas Ankurbeln der Verdient erstuf e 1, das das Hochdruckturbinenrad 4 duröhstieomende Verbrennungsgas wesentlich stärker entspännt* wodurch sich folgende Vorteile einstellen :

Verriügerung der !temperatur beim Inlässefi,

Möglichkeit der Verwendung eines weniger sperrigen und in der Leistung günstigeren AnlasseJjS,

Verringerung der Anlaßzeit»

Wenn nach dem Anlassen die Nutzleistungstürbine. (Turbinenrad 16) mit gedrosselter Drehzahl rotiert, bleiben die Bypass-Ventile 20 vollständig geöffnet (Fig. Λ und 4). Hierdurch bleiben der Nutzen der viel grÖsseren Gasentspannung hinter dem Hochdrück>turbinenrad 4 ebenso wie die viel niedrigere Temperatur aufrechterhalten, was eine Verringerung des Brennstoffverbrauchs zur Folge hat*

Jenseits cLieses Drosselbereichs beginnt die Schließbewegung der Bypass-Ventile 20* Der vom Verdichter in dem Hingraum 6 erzeugte Luftdruck steigt mit der von der Anlage über die Äbtriebswelie 19 abgegebenen Leistung, wobei die Druckfedern 30 unter der Wirkung des Kolbens 26 einer Zusammendruckuhg ausgesetzt sind. Jeder Kolben 26 setzt diese Zusämmendrückbewegung im Sinne des Pfeiles 44 (Fig. 5) Unter der Wirkung des sich in der Kammer 34 aufbauenden Druckes bis zum vollständigen Schließen der Ventile 22, 23 am Ventilsitz 37 fort» Hierzu WiM man grund-

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sätzlichdie Vorspannung der Druckfeder 30 so bemessen, daß das Ventil 22,23 dann vollständig geschlossen ist, wenn der Drosselbereich der Nutzlastturbine etwa um 20 % überschritten ist. Hiernach ent weicht im gesamten weiteren Betriebsbereich der Anlage die zwischen dem Kolben 26 und dem Zylinder 27 (Pfeile 4-5 in Fig. 5) hindurchtretende unvermeidbare Leckluft durch die Axialbohrung 35 im Schaft 23» wodurch das Ventil innerlich abgekühlt wird. Die Leckluft wird endlich, auf die rechte Seite der Niederdruckstufe in den Ringraum 13 zurückgeleitet.

Bei Drehzahl- und Belastungsänderungen, nämlich sobald die Drehzahl der Nutzlastturbine in den Drosselbereich zurückfällt, nimmt der vom Verdichter zum Ringraum 6 gelieferte Luftdruck ab, und die Bypass-Ventile 20 öffnen aufs Neue. Es ist bemerkenswert, daß die Ausbildung dieser Ventile und die Bemessung der Durchmesser des Ventiltellers 20 und des Kolbens 26 im Verhältnis zueinander einen differentiellen Druckausgleich gestatten. Insbesondere schließt jedes Ventil 22, 23 bei einer Drehzahl der Nutzlastturbine, die niedriger liegt als diejenige« bei welcher sich das Ventil öffnet. Dies erlaubt ein viel schnelleres Wiederhochlaufen des Verdichters, was insbesondere von Interesse bei einer Gasturbinenanlage für Lastkraftwagen oder sonstige Fahrzeuge ist. Es ist schließlich festzustellen, daß die Steuerung der Bypass-Ventile 20 ausschließlich auf pneumatischem Wege erfolgt, ohne hierbei von einem ölkreislauf Gebrauch zu machen. Auf diese Weise wird jede Brandgefahr vermieden, was gegenüber den bisher bekannten Systemen einen erheblichen Vorteil darstellt. .

Patentansprüche /

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Claims (6)

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   Patentansprüche

   M. JBypass-Ventileinrichtung zur Umgehung der Nutz- ^^leistungsturbine bei einer Zweiwellen-Gasturbinenanlage mit von der Nutzleistungsturbine mechanisch getrennter Verdichterantriebsturbine, d a d u r ch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß die Ventileinrichtung aus einem oder mehreren in Öffnungsrichtung federbelasteten Ventilen (22,2$) mit einem der Federbelastung entgegenwirkenden Antriebsglied (Kolben 26) besteht, das vom Verdichterausgangsdruck beeinflußbar ist.
2. 2. Bypass-Ventileinrichtung nach Anspruch 1, d a durch gekennzeichnet, daß jedes Ventil einen an einem Ventilteller (22) ansetzenden Ventilschaft (23) und einen mit diesem fest verbundenen Kolben (26) aufweist, der einen ihn aufnehmenden Zylinder (2?) in zwei Arbeitskammern (33»34) unterteilt, von denen die eine Arbeitskammer (33) eine zwischen einem festen Zylinderboden (Deckel 29) und dem Kolben (26) sich abstützende Druckfeder (30) aufnimmt, während die andere Arbeitskammer (34) ständig über Durchbrechungen (36) in der Zylinderwandung mit der Hochdruckseite (Ringraum 6) des Verdichters in Verbindung steht.
3. 3. Bypass-Ventileinrichtung nach Anspruch 2, d a durch gekennzeichnet, daß der Aussendurchmesser des Kolbens (26) kleiner ist als der Durchmesser der Äniagefläche des Ventiltellers (22) gegen den zugehörigen festen Ventilsitz (37).
4. 4. Bypass-Ventileinrichtung nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichne tj daß _xder Teller (22)

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   und der Schaft (23) eines jeden Ventils mit einer sich über deren ganze Lange erstreckenden Jbcialböhining (35) versehen sind*
5. 5. Bypass-Ventileinrichtuhg nach einem der Ansprüche 2 - 4-, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Druckfeder (30) und dem festen Zylinderboden (Decke 29) eine oder mehrere kallibrierte Beilagscheiben (32) angeordnet sind.
6. 6. Bypass-Ventileinrichtuns nach einem der Ansprüche 1 - 5> dadurch g e k e η η ze i c h η e t_f dass sie aus vier identischen Ventilen "(22,23.) besteht, die im Winkelabstand von 90° um die Drehachse der Nutzleistungsturbine (16)" in einer gemeinsamen Radialebene ajigeordnet sind. ".."".. ."'.■■"■

   M 3222/ 17,10,1969

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