DE1958813B2 - Brennstoffregel vorrichtung für Gasturbinentriebwerke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Breinnstoffregclvorrichtung für Gasturbinentriebwerke mit vom Ciaserzeugerteil, getrennter Nutzlastturbine und einer Brennstoffpumpe, in deren zu den Einspritzdüsen führenden Druckleitung ein Brennstoff-Abflußventil mit einer von der Drehzahl der Nutzlastturbine beeinflußten hydraulischen Stelleinrichtung angeordnet ist.

Eine bekannte derartige Brennstoffregelvorrichtung arbeitet pneumatisch, und j:war mit Membrankolben (deutsche Patentschrift 1 268 436). Sie eignet sich nicht zur Verwendung in Kraftfahrzeugen, da wegen der Kompressibilität des die Steuerimpulse übertragenden Gases und wegen der verhältnismäßig groben Umsetzung der gemessenen Drehzahl der Nutzlastturbine in Druck-Steuerimpulse eine schnelle und feinfühlige Reaktion auf Änderungen der Betriebsbedingungen nicht möglich ist.

Aus demselben Grund scheiden auch sonstige, zum Teil für andere Regelaufgaben bestimmte, bekannte Brennstoffregelvorrieh.twngen aus., die zu ungenau und vor allem schwerfällig arbeiten würden, weil sie auf ein Durchfluß-Steuerventil in der Brennstoffleitung wirken (deutsche Patentschrift 1104 764, /Februar 1960, Seite 45), die Einstellung der Brennstoffpumpe ändern (deutsche Patentschrift 1 050 125) BBC-Mitteilungen, Januar/Februar I960, Seite 45), die Einstellung der Brennstoffpumpe ändern (deutsche Patentschrift 1 050 125) oder nur ein Abfluß', sntü entweder ganz öffnen oder ganz schließen (schweizerische Patentschrift 281 552).

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoifregelvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche auch unter oft und schnell wechselnden Fahrverbindungen eine bestimmte Geschwindigkeit der Nutzlastturbine sehr genau konstant hält und deshalb für Kraftfahrzeuge geeignet ist.

Vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Stelleinrichtung einen Betätigungskolben aufweist, der in Schließrichtung des Brennstoff-Abflußventils gegen eine Feder mit dem Druck in einer Leitung beaufschlagt ist, der über eine Blende von einer Hydraulikpumpe konstanter Öldruck zugeführt wird und die an ein Abflußsteuerventü angeschlossen ist, das in bekannter Weise vom Förderdruck einer von der Nutzlastturbine angetriebenen Schleuderpumpe gegen eine von Hand vorspannbare Feder steuerbar ist, wobei die Druckleitung dieser Schleuderpumpe über eine Drossel mit der Druckleitung der Hydraulikpumpe in Verbindung steht. Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im einzelnen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltschema einer erfindungsgemäßen Brennstoffregelvorrichtung,

F i g. 2 einen axialen Längsschnitt durch ein zentrales Regelventil der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Einstellung auf niedrige Drehzahl,

Fig. 3 dasselbe Flegelventil in der Einstellung auf hohe Drehzahl.

Die in F i g. 1 schematisch dargestellte erfindungsgemäße Regelvorrichtung ist bestimmt für eine Gasturbine mit einem Gaserzeugerteil 2 auf einer ersten Welle 1 und einer Nutzlastturbine 4 auf einer zweiten Welle 3. Im einzelnen trägt die erste Welle 1 den Rotor 5 eines Zentrifugalkompressors (Gaserzeugerteil) und den Rotor 6 einer den Kompressor antreibenden Hochdruckturbine. Die zweite Welle 3 trägt den Rotor? einer Niederdruckturbine. Die erste Welle 1 ist zu einem Getriebe 8 geführt, über welches ein Gebläse 9 und drei Pumpen der erfindungsgemäßen Vorrichtung angetrieben werden.

Der Schmiermittelkreislauf

Durch den Schmiermittelkrcislauf werden die Lager der Turbinenwellen, beispielsweise Lager 10, IJ, 12 und 13, über eine Schmiermittelhauptleitung 14 versorgt. Hinter den Lagern 10 bis 13 wird das Schmieröl in einem Vorratsbehälter 16 wiedeir gesammelt. Durch einen Einlaß 17 wird das öl aus dem Vorratsbehälter 16 durch drei Pumpen 18, 19 und 20 angesaugt. Die Pumpen 18 und 19 werden über das Getriebe 8 mechanisch angetrieben, während die Pumpe 20 ihren Antrieb von einem unabhängigen Elektromotor 21 erhält. Die letztere ist dazu bestimmt, für eine ausreichende Schmierung der Tür-

bine auch während des Anlaufs zu sorgen, bevor die andere Schmiermittelpumpe 19 voll wirksam geworden ist.

Die Schmiermittelpumpe 19 liefert öl Über ein Rückschlagventil 22 und ein Filuer 24 an eine Schmiermitttelleitung 23, Auch die unabhängige Schmiermittelpumpe 20 fördert öl über ein Rückschlagventil 25 zum Filter 24.

An dei- Druckleitung der Schmiermittelpumpe 19 ist vor dem Rückschlagventil 22 ein Druckschalter 26 angeordnet, welcher automatisch den Elektromotor 21 der Schmiermittelpumpe 20 abstellt, wenn der Förderdruck der Schmiermittelpumpe 19 auf einen bestimmten Wert angestiegen ist.

Hinter dem Filter 24 ist ein Druckbegrenzungsventil 27 vorgesehen, welches als Bypass zur Schmiermittelleitung 23 arbeitet. Das Druckbegrenzungsventil 27 spricht an, wenn der Druck in der Schmiermittelleitung 23 einen vorbestimmten Wert übersteigt. Überschüssiges öl wird dann durch eine Rückführ- ao leitung 28 zum Vorratsbehälter 16 zurückgeleitet.

Die Schmiermittelleitung 23 füfort durch einen Kühler 29, wo das öl mittels des Gebläses 9 durch Luft gekühlt wird. Das gekühlte öl gelangt dann durch einen Filter 15 in die Schmiermittelhauptleitung 14. An der letzteren sind auch parallel zu den Lagern 10 bis 13 mit Schaltern versehene Anzeigevorrichtungen 30 und 31 angeordnet, die ansprechen, wenn der Schmiermitteldruck gefährlich abgesunken ist.

Während des Anlaufs der Turbine wird die Schmiermittelhauptleitung 14 durch die elektrisch betriebene Schmiermittelpumpe 20 mit Öl versorgt, welche selbsttätig abgeschaltet wird, wenn die mechanisch angetriebene Schmiermittelpumpe 19 einen ausreichend hohen Öldruck erreicht hat. Die Schmiermittelpumpe 20 sichert auch dann die Funktionsfahigkeit des Schmiermittelkreislaufs, wenn die Pumpe 19 aus irgendeinem Grunde ausfallen sollte (worauf im übrigen die Turbine zum Stehen gebracht wird). Schließlich fördert die Pumpe 20 beim Auslaufen der Turbine auch dann noch Öl an die Lager 12 und 13 der Niederdruckstufe 4, wenn die kürzer auslaufende erste Welle 1, von welcher der Antrieb der Schmiermittelpumpe 19 abgeleitet wird, bereits steht.

Die Leitung 32 teilt sich in zwei mit je einer Drossel 36 bzw. 37 versehene Druckleitungen 34 und 35 auf. Die Druckleitung 35 verzweigt sich ncch einmal in zwei Druckleitungen 38 und 39. In der letzteren ist eine Schleuderpumpe 40 angeordnet, die auf der NutzlastUirbinenwelle 3 sitzt. Diese Schleuderpumpe erzeugt in den Druckleitungen 38 und 39 einen Druck, welcher etwa proportional zum Quadrat der Drehzahl der Turbine ist. Die Schleuderpumpe 40 ist über eine Rückleitung 41 an den Vorratsbehälter 16 der Hydraulikpumpe 18 angeschlossen.

Die Druckleitung 38 steht mit dem Stellkolben eines Steuerventils 42 in Verbindung. Gemäß F i g. 2 und 3 weist dieses ein an die Druckleitung 34 hinter der Blende 36 angeschlossenes Ventilglied 67 auf, daß den Auslaß eines Zylinders 44 über eine Rückleitung 43 zum Vorratsbehälter 16 hin steuert.

Der Brennstoff wird von einer Brennstoffpumpe

46 durch einen Einlaß 45 aus einem Tank angesaugt und durch ein Filter 47 gefördert. Hinter dem Filter

47 schließen sich in paralleler Anordnung an:

1. ein Druckbegrenzungsventil 48, welches auslaßseitig mit dem Einlaß 45 der Brennstoffpumpe 46 verbunden ist,

2, ein Zwiscbenventil 49, welches den Brennstoff zu parallelliegenden Düsen 50 und 51 der Brennkammern des Triebwerks leitet, und zwar jeweils über ein elektromagnetisches Zwei-Wege-Ventil 52 bzw, 53, welches überschüssigen Brennstoff durch eine gemeinsame Rückführleitung 54 zum Tank 44 zurückführt. Dadurch wird verhindert, daß sich Lufteinschlüsse in den Brennstoffzuleitungen bilden, die sich während des Anlaufs der Turbine ungünstig auswirken könnten,

3. ein Abflußventil 55, welches in Abhängigkeit vom Regelventil 42 eine den Betriebsbedingungen des Triebwerk« angepaßte Menge Brennstoff durch eine Rückführleitung 56 zum Einlaß 45 der Brennstoffpumpe 46 zurückführt und dadurch den Düsen 50, 51 entzieht.

Das Zwischenventil 49 ^vann von Hand oder automatisch gesteuert sein. Es dient zur sofortigen Unterbrechung der Brennstoffzufuhr und zum Anhalten der Turbine für den Fall, daß d^;e Ventile 52 und 53 nicht ordnungsgemäß arbeiten.

Schließlich ist an der Druckleitung 38 ein Sicherheitsventil 57 angeordnet, um eine überhöhte Drehzahl der Nutzlastturbine zu verhindern. Es spricht an, wenn deren Drehzahl einen bestimmten Wert übersteigt. Ebenfalls der Sicherheit dient ein temperaturfühler 59 bekannter Art am Auslaß 58 der Nutzlastturbine.

Diese beiden Ventile sind, wie in F i g. 2 und 3 gezeigt, in demselben Gehäuse 58 untergebracht. Letzteres trägt oben einen Deckel 59, in den ein zylindrisches Mittelteil 60 eines Steuerknopfes 61 zum Einstellen einer bestimmten Drehzahl einschraubbar ist. Indem der Steuerknopf 61 mehr oder minder weit eingeschraubt wird, wird eine Feder 62 im entsprechenden Maß vorgespannt, die über eine Kugel 63 und eine sie aufnehmenden Sitz 64 auf einen axial verschiebbaren zylindrischen VpitHVörper 65 wirkt. Dieser ist mit vier LängsschliUen 66 versehen, die entsprechend der axialen Stellung des Yentilkörpers 65 eine mehr oder minder weit geöffnete Durchflußöffnung durch einen ortsfesten Sitz 67 bilden. Der Verstellweg des Ventilkörpers 65 ist nur sehr klein. Zwei seitliche Anschlüsse verbinden die Druckleitungen 34 und 38 mit den zylindrischen Hohlräumen 44 bzw. 68 d>-'s Gehäuses 58.

Im unteren Teil des Zylinders 44 ist ein Kolben 69 geführt, der aurch eine Feder 70 entgegen dem gesteuerten Druck im Zylinder 44 vorbelastet ist. Die Feder 70 stützt sich auf einer festen Zwischenwand 71 ab. Der unter dem Kolben 69 befindliche Zylinderraum 72 steht über Bohrungen 73 und 74 sowohl mit ein r Abflußkammer 132, in die das durch die Längsschlitze 66 dringende Öl gelangt, und gleichzeitig über die Bohrung 74 auch mit der Rückleitung 43 in Verbindung. Der Kolben 69 wirkt über eine Kolbenstange 76 und eine Kugel 75 auf einen axial verschiebbaren Federteller 78 mit fest verbundener Kolbenstange 77. Diese gleitet in der Bohrung der Nabe 79 eines weiteren Federtellers 80. Zwischen den Fedcrtellern 78 und 80 sind konzentrisch zwei Druckfedern 81 und 82 unterschiedlicher Steifigkeit angeordnet. Beide Federn sind über eine mittige Tragbuchse 83 hintereinander geschaltet.

Der Federteller 80 wirkt über eine Kugel 84 auf

einen axial verschiebbaren Ventilkörper 85. Dieser weist einen zylindrischen Teil 86, mit kleinen Bohrungen 87 auf, so daß je nach seiner Stellung mit Bezu auf einen ortsfesten Sitz 88 die Durchlaßöffnung unterschiedlich groß ist.

Oberhalb vom Sitz 88 befindet sich eine Ventilkammer 89, die mit der Rückleitung 56 in Verbindung steht. Unterhalb des Sitzes 88 mündet im Gehäuse 58 eine Leitung 90, die von der Druckleitung der Brennstoffpumpe 46 vor dem Zwischenventil 49 abzweigt.

Beim Starten der Turbine beginnt die Brennstoffzufuhr zu den Düsen 50 und 51 durch die Brennstoffpumpe 46. Zur Bemessung der Brennstoffzufuhr braucht nur der Druck in der Brennstoffzuleitung geändert werden; dies geschieht durch die Ventile 42 und 55. Dieses Doppelventil wird so eingestellt, daß beim Start der Druck des Brennstoffs ungefähr 7 Bar beträgt. Das ist der unterste Grenzwert, um einen korrekten Brennvorgang in der Brennkammer sicherzustellen.

Die oben beschriebene Anordnung sorgt für die Aufrechterhaltung einer konstanten Drehzahl der zweien Welle 3 der Turbine in ganz bestimmten Grenzen, wie auch immer die Belastung sich ändern mag. Die Drehzahl kann dabei auf jeden gewünschten Wert eingestellt werden.

Das Fühlglied der Regeleinrichtung ist die auf die Drehzahl der Turbinenwelle ansprechende Schleuderpumpe 40, die in der Steuerleitung 38 einen dem Quadrat der Drehzahl der Turbine 3, 7 verhältigen Öldruck erzeugt. Die Steigerung der Drehzahl der Hochdruckturbine 1, ii und folglich auch der Niederdruckturbine 3, 7 wird über das Steuerventil 42 bewirkt. Dazu genügt es, durch Drehung des Steuerknopfs 61 die Feder 62 zunehmend zusammenzudrücken. Das hat zur Foge, daß der Abfluß von durch die Blende 36 zuströmendem öl aus dem Hohlraum 44 beschränkt wird. Der verminderte Abfluß durch die Längsschlitze 66 des Ventilkörpers 65 führt zu einer Druckerhöhung im Hohlraum 44, die sich durch ein Niederdrücken des Kolbens 69 in Richtung der Pfeile 91 äußert. Hierdurch wiederum werden nacheinander die Federn 70 und 81, dann 70 und 82 zusammengedrückt. Eier Federdruck auf den Ventilkörper 85 ist dem Öldruck in der Leitung 90 (Pfeil 92) entgegengerichtet. Bei stärkerem Federdruck wird also der Elrennstof'fabfluß aus der Hauptzufuhrleitung durch die Leitung 90, die Bohrungen 87 und die Rückleitung 56 eingeschränkt. Das Ergebnis ist eine Druckerhöhung an den Düsen 50 und 51 und dementsprechend eine Beschleunigung der Turbinenwellen 1 und 3. Während der Beschleunigung stehen gegeneinander die Kraft der Feder 62 und sowohl der Öldmck auf das unterste Ende des Ventilkörpers 65 als auch der Öldruck im Hohlraum 68 auf die Kolbenfläche 93 (F ig. 3). Sobald die zweite Welle 3 die vorbestimmte Drehzahl erreicht, tritt eine Stabilisierung der Ventilteile ein.

Beginnt dann die Belastung stärker zu werden, so fällt zunächst die Drehzahl der zweiten Welle3 geringfügig ab, welche Veränderung der normalen Arbeitsbedingungen zu einer Druckverringerung in der Steuerleitung 38 führt. Dadurch wiederum wird der Ventilkörper 65 verstellt, und auch der Druck im Hohlraum 44 paßt sich entsprechend an. so daß die Brennstoffzufuhr zu den Düsen 50 und 51 verstärkt wird.

Bei Lastverringerung wirkt das Steuerventil 42 in entgegengesetzter Richtung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Brennstoffregelvprrichtung für Gasturbinentriebwerke mit vom Gaserzeugeneil getrennter Nutzlastturbine und einer Brennstoffpumpe, in deren zu den Einspritzdüsen führenden Druckleitung ein Brennstoff-Abflußventil mit einer von der Drehzahl der Nutzlastturbine beeinflußten hydraulischen Steheinrichtung angeordnet ist, »o dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinrichtung einen Betätigungskolben (69) aufweist, der in Schließrichtung des Brennstoffabflußventils (85 bis 88) gegen eine Feder (70) mit dem Druck in einer Leitung (34) beaufschlagt ist, der über eine Blende (36) von einer Hydraulikpumpe konstanter Öldruck zugeführt wird und die an ein Abflußsteuerventil (42) angeschlossen ist, das in bekannter Weise vom Förderdruck einer von άύτ Nutzlastturbine angetriebenen Schleuderpumpe (40) gegen eine von Hand vorspannbare Feder (62) steuerbar ist, wobei die Druckleitung (39) dieser Schleuderpumpe über eine Drossel (37) mit der Druckleitung (32) der Hydraulikpumpe in Verbindung steht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Brenristoff-Abflußventil (85, 88) mit seiner Stelleinrichtung (44, 69, 68, 67, 65) in einem gemeinsamen Ventilgehäuse (58) untergebi acht sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ..1 den Beaufschlagungsraum (44) des Betätigun ',skolbens (69) ein Ventilsitz (67) mündet, mit dsm Längsschlitze (67) am Ventilkörper (65) des Abflußventils (42) zusammenwirken.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Betätigungskolben (69) und Veritilkörper (85) des Brennstoff-Abflußventils (85, 88) ein Federpaar (81, 82) unterschiedlicher Steifigkeit geschaltet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Brennstoffabflußventil und Einspritzdüsen (50, 51) elektromagnetisch schaltbare Zwei-Weg-Ventile (52, 53) angeordnet sind.