DE19727296A1 - Einrichtung zur Notabschaltung einer Gasturbine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Notabschal­ tung einer Gasturbine gemäß der im Oberbegriff des An­ spruches 1 angegebenen Art.

Gasturbinen sind Wärmekraftmaschinen zur Abgabe von me­ chanischer Leistung bzw. Schubkraft. In ihrem Gehäuse sind eine über eine Brennstoffleitung versorgte Brenn­ kammer, zumindest eine einen Rotor aufweisende Turbine und zumindest eine über eine Welle mit der Turbine ver­ bundene und von dieser angetriebene Komponente, wie z. B. ein Niederdruckverdichter, ein Fan, ein Propel­ ler, ein Generator, eine Arbeitsmaschine oder ähnliches vorgesehen.

Bei einem Bruch der Welle zwischen der Turbine und der angetriebenen Komponente besteht die Gefahr, daß es zu kritischen Überdrehzahlen der Turbine mit der Gefahr von weiteren Beschädigungen der Gasturbine und zu die­ ser benachbarter Bereiche kommt. Beispielsweise können bei Triebwerken von Fahrzeugen, Flugzeugen oder auch bei stationärem Betrieb bei Überdrehzahlen der Turbine in Folge von einem Bruch der Welle Drehzahlen entste­ hen, die benachbarte Scheiben zum Bersten bringen und dadurch betroffene Personen gefährden.

Es ist bekannt, bei einer Gasturbine eine Einrichtung zur Notabschaltung der Brennstoffzufuhr zur Brennkammer vorzusehen.

Bei einer bekannten Einrichtung zur Notabschaltung ei­ ner Gasturbine wird über einen Drehzahlsensor die Dreh­ zahl der Turbine überwacht. Kommt es zu einem anormalen Anstieg der Turbinendrehzahl erfolgt die Abschaltung der Brennstoffzufuhr über eine entsprechende Schaltung im Triebwerksregler. Nachteilig ist hierbei die lange Ansprechzeit aufgrund des Reglerverzuges. Desweiteren sind die Drehzahlsensoren im Heißbereich, beispiels­ weise im Turbinenaustrittsbereich, nicht einsetzbar bzw. diese arbeiten dort nur unzuverlässig.

Gemäß einer anderen bekannten Einrichtung zur Notab­ schaltung einer Gasturbine wird bei einem Bruch der Welle zwischen dem Axiallager der Welle und dem Rotor der Turbine aufgrund der wirkenden Strömungskräfte in Axialrichtung der Rotor relativ zum Gehäuse stromab verschoben, wodurch die Laufschaufeln und die Leit­ schaufeln der Turbine aufeinandertreffen und dadurch den Rotor abbremsen. Über einen Drehzahlsensor eines Regelkreises wird die plötzliche Drehzahlveränderung der Turbine erfaßt und die Brennstoffzufuhr und somit die Gasturbine abgestellt. Eine solche Notabschaltung wird zur Zeit nur bei verhältnismäßig langsam drehenden Turbo-Fans eingesetzt. Problematisch ist auch hier die verhältnismäßig lange Ansprechzeit durch den Regler­ verzug des Regelkreises. Bei kleineren, schnell laufen­ den Turbinen ist eine sichere Funktion und genaue Ver­ haltensweise einer derartigen Notabschaltung schwer be­ stimmbar.

Eine weitere bekannte Einrichtung zur Notabschaltung einer Gasturbine übersetzt die Axialbewegung des Rotors der Turbine stromabwärts bei einem Bruch der Welle über eine Gestänge- und/oder Seilmechanik auf ein Ventil in der Brennstoffleitung, das die Brennstoffzufuhr unter­ bricht. Problematisch bei dieser Lösung ist das Fest­ setzen der Mechanik durch Verkoken als Folge des Vor­ handenseins von Öl und heißer Umgebung sowie als Folge von Korrosion. Desweiteren ist eine ständige Überprü­ fung der Funktionsfähigkeit und eine genaue Ausrichtung/Justage notwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrich­ tung zur Notabschaltung einer Gasturbine gemäß der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art derart auszubilden, daß eine einfache, schnelle und sichere Abschaltung der Brennstoffzufuhr zur Brennkammer bei einem Bruch der Welle gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 in Verbindung mit seinen Oberbegriffs­ merkmalen gelöst.

Nach der Erfindung ist eine die bei Bruch der Welle er­ folgende axiale Verschiebung des Rotors gegenüber dem Gehäuse der Gasturbine feststellende Schaltvorrichtung vorgesehen, die über eine Signalleitung das Stellglied zum Schließen der Brennstoffzufuhr aktiviert.

Hierbei besteht die Schaltvorrichtung vorzugsweise aus zumindest einem mit dem Rotor verbundenen Betätigungs­ element und zumindest einem Sensor zur Erzeugung des Signals für das Stellglied.

Die durch die während des Betriebs der Gasturbine wir­ kenden Strömungskräfte in Axialrichtung stromabwärts verursachte Axialverschiebung des Rotors der Turbine in Strömungsrichtung bei einem Bruch der Welle führt in Verbindung mit der Drehbewegung des Rotors dazu, daß ein oder mehrere stromab des Rotors angeordnete Sen­ soren von den Betätigungselementen aktiviert werden und folglich das Stellglied geschlossen wird. Hierbei kommt es zu keinem Reglerverzug, da die Axialbewegung des Rotors unmittelbar zum Schließen des Stellgliedes führt. Zudem kann das Stellglied auf Schnellabschaltung optimiert werden, indem es lediglich mit einer Auf-/Zu-Charakteristik versehen ist. Mit geringster Verzöge­ rungszeit erfolgt eine direkte Einwirkung auf das die Brennstoffzufuhr abschaltende Stellglied.

Der Schalter unterbricht vorzugsweise die Signallei­ tung, woraufhin sich das Stellglied schließt.

Um eine ungewollte Abschaltung des Stellgliedes zu ver­ meiden, beispielsweise durch einen Wackelkontakt im Sensor oder dem Ausfall eines Sensors, sind mehrere pa­ rallel geschaltete Sensoren und mehrere Betätigungs­ elemente vorgesehen.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das Stellglied elektrisch zum Schließen aktiviert und ins­ besondere bildet hierbei eine elektrische Leitung die Signalleitung.

Zum einen wird das Stellglied bei Anliegen einer Null-Spannung, beispielsweise über eine vorgespannte Feder, geschlossen - stromlos geschlossen -, also wenn die Schaltvorrichtung die stromdurchflossene Leitung unter­ bricht.

Zum anderen kann dem Stellglied auch ein elektrisches Negationsglied, wie ein Relais oder ähnliches, vorge­ schaltet sein, so daß bei Unterbrechung der elektri­ schen Leitung das Relais schaltet, am Stellglied daraufhin Spannung anliegt und das Stellglied schließt - stromlos offen -.

Eine einfache Konstruktion des Betätigungselementes und des Sensors wird gewährleistet, wenn mehrere Betä­ tigungselemente vorgesehen sind, die jeweils als Trenn­ zahn ausgebildet sind. Der Sensor weist einen für die Trennzähne zugänglichen Bereich der elektrischen Lei­ tung auf, so daß bei axialer Verschiebung der Trenn­ zähne zusammen mit dem Rotor relativ zum Gehäuse der Gasturbine die elektrische Leitung von den Trennzähnen durchtrennt wird.

Vorzugsweise sind mehrere Trennzähne um die Längsachse der Welle herum sowie konzentrisch zu dieser angeord­ net. Die Sensoren weisen hierbei Ausnehmungen auf, in die die mit der Welle und/oder dem Rotor mitdrehenden Trennzähne bei Bruch der Welle eingreifen.

Um zu verhindern, daß ein nachträgliches Schließen der Signalleitung über den Trennzahn oder andere metalli­ sche Rotorelemente erfolgt, ist der Trennzahn mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung versehen oder be­ steht aus einem elektrisch isolierenden Material, wie Keramik.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bildet eine optische Leitung die Signalleitung. Beispielsweise un­ terbricht dann das Betätigungselement die Lichtschranke der optischen Leitung, woraufhin das Stellglied die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer unterbricht.

Insbesondere bildet ein Magnetventil das Stellglied.

Die Funktionssicherheit der Einrichtung zur Notabschal­ tung der Brennstoffzufuhr zur Brennkammer bei einem Bruch der Welle kann noch dadurch erhöht werden, daß eine Notführung für den Rotor vorgesehen ist, die bei Bruch der Welle und der sich dabei ergebenden axialen Verschiebung des Rotors relativ zum Gehäuse die Akti­ vierung des Sensors durch das Betätigungselement ge­ währleistet. Diese Notführung kann beispielsweise ein Führungsring um den Rotor sein.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit der Zeichnung.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer Gasturbine mit einem Verdichter und einer Turbine bei einem Bruch der sie miteinan­ der verbindenden Welle;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Erfin­ dungsprinzips gemäß einer ersten Ausfüh­ rungsform der Erfindung;

Fig. 3a und Fig. 3b eine weitere prinzipielle Darstellung der Ausführungsform der Erfindung in Sei­ tenansicht und Schnittansicht durch die Schaltvorrichtung von Fig. 2; und

Fig. 4a und Fig. 4b eine weitere schematische Darstellung des Erfindungsprinzips gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in Seitenan­ sicht und Ansicht auf einen Sensor.

In Fig. 1 ist eine Gasturbine 10 mit einer Turbine 12 und einer von dieser angetriebenen Komponente, einem Verdichter 14, dargestellt. Die Turbine 12 und der Ver­ dichter 14 sind über eine Welle 16 miteinander verbun­ den.

Üblicherweise ist die Welle 16 beim Verdichter 14 über ein Axiallager 18 im Gehäuse 20 und bei der Turbine 12 über ein Loslager 22 gelagert. Die Welle 16 ist bei A zwischen Axiallager 18 und Loslager 22 gebrochen.

Die Welle 16 ist mit dem mehrere Laufschaufeln 24 auf­ weisenden Rotor 26 verbunden. Zwischen den Laufschau­ feln 24 sind Leitschaufeln 28 in der Turbine 12 ange­ ordnet, die ortsfest im Gehäuse 20 gelagert sind.

Zwischen der Turbine 12 und dem Verdichter 14 ist in bekannter Weise eine Brennkammer vorgesehen, die von einer Brennstoffleitung 30 versorgt wird, siehe Fig. 2.

In die Brennstoffleitung 30 ist ein Magnetventil 32 eingebracht, das die Zufuhr des Brennstoffes zur Brenn­ stoffkammer bei Bedarf unterbricht. Das Magnetventil 32 ist über elektrische Leitungen 34 mit mehreren Sensoren 36a bis 36c verbunden, wobei die Sensoren 36 zueinander jeweils parallel geschaltet sind.

Die Sensoren 36 sind um die Längsachse 38 der Gasturbi­ ne 10 und der Welle 16 herum sowie konzentrisch zu die­ ser angeordnet und Betätigungselementen 40 zugeordnet.

Die Betätigungselemente sind als Trennzähne 40 ausge­ bildet und ebenfalls um die Längsachse 38 herum sowie konzentrisch zu dieser angeordnet. Die Trennzähne 40 sind integraler Bestandteil des freien Endes der Welle 16, der fest mit dem Rotor 26 der Turbine 12 verbunden ist.

Am Magnetventil 32 liegt Spannung an. Im erregten Zu­ stand des Magnetventils 32 ist dieses geöffnet und wird entgegen der Federkraft einer Feder 42 im erregten Zu­ stand in der Öffnungsstellung gehalten. Fällt die Span­ nung am Magnetventil 32 ab, liegt somit eine Null-Span­ nung an, bewegt sich der Ventilschieber 44 des Magnet­ ventils 32 in seine Schließposition und sperrt die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer in der Brennstofflei­ tung 30. Dieses Arbeitsprinzip des Magnetventils 32 nennt man "stromlos geschlossen".

Die Sensoren 36 sind auf ihrer den Trennzähnen 40 zugewandten Seite mit jeweils einer Ausnehmung 46 versehen, in die bei axialer Verschiebung der Welle 16 zusammen mit dem Rotor 26 die mit der Welle 16 und dem Rotor 26 mit rotierenden Trennzähne 40 eingreifen und die elektrischen Leitungen 34 in den Ausnehmungen 46 durchtrennen.

Hierfür sind die Trennzähne 40 mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung aus Keramik versehen, wodurch ein nachträglicher Kurzschluß vermieden wird.

Wie sich insbesondere aus Fig. 3b ergibt, sind viele Trennzähne 40 konzentrisch zur Längsachse 38 um diese herum angeordnet.

Bei Bruch der den Verdichter 14 und die Turbine 12 miteinander verbindenden Welle 16, beispielsweise bei A, wie in Fig. 1 dargestellt, wird der Rotor 26 mit dem noch mit dem Rotor 26 verbundenen Teil der Welle 16 in Strömungsrichtung axial gemäß dem Pfeil 48 stromab be­ wegt. Dabei dreht der Rotor 26 mit den Laufschaufeln 24 und dem noch mit ihm verbundenen Teil der Welle 16 wei­ ter, die Trennzähne 40 greifen in die Ausnehmung 46 der Sensoren 36 ein und scheren durch ihre um die Längsach­ se 36 rotierende sowie sich stromab gemäß dem Pfeil 48 ergebende Bewegung durch die elektrischen Leitungen 34 in den Ausnehmungen 46 der Sensoren 36. Dadurch wird gleichzeitig in den drei Sensoren 36a bis 36c die elek­ trische Leitung 34 unterbrochen, woraufhin am Magnet­ ventil 32 keine Spannung mehr anliegt. Durch die Feder 42 wird der Ventilschieber 44 nunmehr in die Schließ­ position bewegt und die Brennstoffzufuhr zur Brennkam­ mer ist unterbrochen.

Der Rotor 26 mit seinen Laufschaufeln 24 sowie die Wel­ le 16 im Bereich des Rotors 26 sind mit einer Führung 50 versehen, die die kreisförmig angeordneten Trenn­ zähne 40 auch bei Bruch der Welle 16 koaxial zur Längs­ achse 38 hält, so daß diese in die Ausnhemungen 46 der Sensoren 36 eingreifen und die elektrischen Leiter 34 durchtrennen können. Die Führung 50 ist erst bei Bruch der Welle 16 wirksam.

Die maximale axiale Bewegung stromab der Welle 16 und des Rotors 26 ist durch einen Anschlag 54 begrenzt. Die für die Erzeugung des Signals erforderliche axiale Bewegung der Welle 16 ist, beispielsweise durch Vorsetzen von Distanzscheiben, einstellbar.

Alternativ hierzu kann statt einem elektrischen Leiter 34 auch ein Lichtleiter 34a verwendet werden, der bei Durchtrennen ein Schließen des Magnetventils 32 gewähr­ leistet.

Hierbei ist der Lichtleiter 34a in den Sensoren mit Ausnahme der Ausnehmung 46. mit einer Isolierung 52 umgeben, siehe Fig. 4.

Mit der Erfindung wird eine Einrichtung zur Notabschal­ tung geschaffen, die eine schnelle unmittelbare sowie zu­ verlässig und wartungsarm Abschaltung der Brennstoffzufuhr zur Brennstoffkammer bei eine Bruch der Welle 16 gewährleistet.

Claims (14)

1. Einrichtung zur Notabschaltung einer Gasturbine (10) mit einer über eine ein Stellglied (32) zum Unterbrechen der Brennstoffzufuhr zur Brennkammer aufweisende Brennstoffleitung (30) versorgten Brennkammer und mindestens einer einen Rotor (26) sowie eine daran angeschlos­ sene Welle (16) aufweisenden Turbine (12), da­ durch gekennzeichnet, daß eine die bei Bruch der Welle (16) erfolgende axiale Verschiebung des Rotors (26) gegenüber dem Gehäuse (20) der Gasturbine (10) feststellende Schaltvorrichtung (36, 40) vorgesehen ist, die über eine Signal­ leitung (34) das Stellglied (32) zum Schließen der Brennstoffleitung aktiviert.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schaltvorrichtung (36, 40) aus zumindest einem mit dem Rotor (26) verbun­ denen Betätigungselement (40) und zumindest einem Sensor (36) zur Erzeugung des Signals für das Schließen des Stellglieds (32) besteht.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekenn­ zeichnet durch eine Schaltvorrichtung (36, 40), die die Signalleitung (34) unterbricht.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, gekenn­ zeichnet durch mehrere parallel geschaltete Sensoren (36) und mehrere Betätigungselemente (40).

5. Einrichtung gekennzeichnet durch ein elektrisch aktivierbares Stellglied (32).

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine elektrische Leitung (34) die Signalleitung bildet.

7. Einrichtung nach Anspruch 5 und 6, gekenn­ zeichnet durch ein Stellglied (32), das bei Anlegen einer Null-Spannung geschlossen ist (stromlos geschlossen).

8. Einrichtung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Stellglied (32) ein elektrisches Negationsglied, wie ein Relais o. ä., vorgeschaltet ist, so daß bei Unterbrechung der elektrischen Leitung (34) das Relais schaltet, am Stellglied (32) daraufhin Spannung anliegt und das Stellglied (32) schließt (stromlos offen).

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, gekennzeichnet durch mehrere Betätigungs­ elemente, die jeweils als Trennzahn (40) ausgebildet sind, und mindestens einen Sensor (36), der mit einem für die Trennzähne (40) zugänglichen Bereich der elektrischen Leitung (34) versehen ist, so daß bei axialer Verschiebung des Rotors (26) die Trennzähne (40) die elektrische Leitung (34) durchtrennen.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere Trennzähne (40) um die Längsachse (38) der Welle (16) herum und konzentrisch zu dieser angeordnet sind, die Sensoren (36) Ausnehmungen (46) aufweisen, in die die mit der Welle (16) und/oder dem Rotor (26) mitdrehenden Trennzähne (40) bei einem Bruch der Welle (16) eingreifen.

11. Einrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennzahn (40) jeweils eine elektrisch isolierende Beschichtung auf­ weist oder aus einem elektrisch isolierenden Material, wie Keramik, besteht.

12. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine optische Leitung die Signalleitung (34) bildet.

13. Einrichtung nach einem der vorangehenden An­ sprüche, gekennzeichnet durch ein Magnetventil (34) als Stellglied.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Notführung für den Rotor (26) vorgesehen ist, die bei Bruch der Welle (16) und der sich dabei ergebenden axialen Verschiebung des Rotors (26) relativ zum Gehäuse (20) die Aktivierung des Sensors (36) durch das Betätigungselement (40) gewährleistet.