DE2052301C3 - Brennstoffregelanlage für Gasturbinentriebwerke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffregelanlage für Gasturbinentriebwerke mit Nachbrenner und verstellbarer Schubdüse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-PS 8 53 843 ist eine Regelanlage mit diesen Merkmalen bekannt, bei der die Brennstoffversorgung der Hauptbrenner des Nachverbrennungssystems in Abhängigkeit der Schubdüsentemperatur erfolgt, wobei die Versorgung erst einsetzt, wenn aufgrund der Höhe der gemessenen Temperatur feststeht, daß die betreffenden Zündbrenner bereits gezündet haben. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß andernfalls die Abgase größere Mengen an unverbranntem Brennstoff enthalten. Derartige Tempe-S raturfühler haben jedoch eine verhältnismäßig lange Ansprechdauer und erfordern gewöhnlich darüber hinaus noch elektrische Übertragungs- und Schaltanlagen,

Der Erfindung liegt dahar die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffregelanlage der genannten Art weiter zu verbessern, um kurze Steuerzeiten und eine möglichst direkte und störunanfällige Regelung der Brennstoffversorgung des Nachverbrennungssystems zu erzielen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gelöst Auf diese Weise können kritische Triebwerksdrücke einschließlich der in der Schubdüse vorherrschenden Druckverhältnisse unmittelbar an die Vergleichseinrichtungen angelegt werden, so daß auftretende Änderungen sofort auf den Regelbereich der Brennstoffversorgung übertragbar sind.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 die erfindungsgemäße Brennstoffregelanlage in schematischer Darstellung und

F i g. 2 und 3 Ausschnitte aus der Brennstoffregelanlage nach Anspruch I in vergrößerter Darstellung, wobei Fig.3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 der Fig.2 darstellt

In der nachfolgenden Beschreibung bedeutet: Po — Umgebungsdruck,

Pi — Druck nach der ersten Verdichterstufe, P3 = Druck nach der zweiten Verdichterstufe, P₆ = Druck vor der Schubdüse des Triebwerks.

Die Schubdüse des mit einem Nachbrenner ausgerü-

steten Triebwerks ist mit Hilfe einer Stellvorrichtung 10 mit einfach wirkendem Arbeitszylinder betätigbar, zu der ein doppeltwirkendes Hubmagnetventil 11 und eine Anzahl von in Reihe geschalteten Schaltern 12 gehören, mit denen das elektrische Kabel zum Magnetventil 11 bestückt ist Das Magnetventil 11 hat ein Schließglied 13, das von einem Hubmagnet 14 gegen eine Feder 15 betätigbar ist, um den einen oder anderen der beiden Kanäle 16, 17 mit einem Auslaß 18 zu verbinden, der unter dem Druck Pq steht Die Kanäle 16 bzw. 17 sind jeweils über Drosselstellen 19,20 mit Pi verbunden. Der Kanal 17 mündet in den Zylinder der Stellvorrichtung 10. Der Kanal 16 steht mit einer Verriegelungseinrichtung 21 in Verbindung, die in Eingriff mit der Kolbenstange 22 der Stellvorrichtung 10 gelangen kann, wenn sich die Kolbenstange 22 in einer Stellung befindet, die der »Schließstellung« der Schubdüse entspricht Die Verriegelungseinrichtung 21 kann nur entriegelt werden, wenn im Kanal 16 Hochdruck herrscht

Der Kanal 16 ist ferner mit dem Einlaß einer Fluidic-Fühleinrichtuni? 23 verbunden, die ein Blatt 24 aufweist, das von einem an der Kolbenstange 22 angreifenden Hebel 26 gegen eine Feder 25 bewegbar ist Die Stellung des Hebels 26 zeigt an, wann eine Schubdüse voll geöffnet ist. Das Blatt 24 ist mit einer Blende versehen, die in den Strömungsweg zwischen einem Ein- und Auslaß bewegbar ist Der Auslaß der Fühleinrichtung 23 ist mit einer ein Brennstoffabsperr-

ventil 27 betätigbaren Stelleinrichtung verbunden, die sich aus einem Servoventil 28 mit Faltenbalg 67 und eimer federbelasteten Kolben-Zylinder-Einheit 29 zusammensetzt. Das Brennstoffabsperrventil 27 ist in der Hauptbrennstoffleitung 30 angeordnet Die Einlaßseite 31 des Servoventil 28 ist mit dem Arbeitszylinder 29 über einen Kanal 32 und mit der Hauptbrennstoffleitung 30 Ober eine Drosselstelle 33 verbunden.

Dem Brennstoffabsperrventil 27 ist ein Druckventil 34 nachgeschaltet, dessen Gehäuse 35 mit einem Einlaß to 36 und Auslässen 37,38 sowie einem Druckverbindungskanal 39 versehen ist In dem Gehäuse 35 sitzt eine Hülse 40, die im Bereich der Auslässe 37, 38 mit öffnungen versehen ist Innerhalb der Hülse 40 ist ein mit öffnungen versehenes Schließglied verschiebbar angeordnet Der Einlaß 36 des Druckventils ist an den Auslaß des Brennstoffabsperrventils 27 angeschlossen. Der Auslaß 38 des Druckventils steht über eine Drosselstelle 9 mit einem Auslaß 42 des Servoventil 28 und über eine Brennstoffleitung 43 mit dem Dunstablauf (nicht dargestellt) des Nachverbrennungssystems in Verbindung. Der Auslaß 37 des Druckventils i'_ft an den Brennstoffablauf des Nachbrenners angeschlossen. Die Drucköffnung 39 stellt über eine Drosselstelle eine Verbindung zwischen der Leitung 43 und dem Innern des Gehäuses 35 her.

Dem Brennstoffabsperrventil 27 ist über die Hauptbrennstoffleitung 30 ein Brennstoffregelventil 44 vorgeschaltet das eine mit einer Drosselstelle versehene Bypassleitung 66 versehen ist Das Brennstoffregelventil 44 ist über eine Leitung 8 an eine nicht dargestellte Brennstoffpumpe angeschlossen. Das Brennstoffregelventil 44 ist über eine Welle 45 betätigbar, die mit Hilfe einer Kurbel 47 und einer Kolben-Zylinder-Einheit mit einem doppeltwirkenden Stellkolben 46 gedreht werden kann. Die Drehung der Welle 45 in Öffnungsrichtung des Brennstoffregelventils 44 erfolgt durch einen ersten Steuerdruck Pr, der von einer ersten Vergleichseinrichtung 48 stammt die in den Fig.2 und 3 vergrößert dargestellt ist

Die Vergleichseinrichtung 48 weist zwei in Flucht liegende Düsen 70, 71 auf, deren Innenräume 72, 73 kegelstumpfförmig ausgebildet sind. Der Raum 72 mündet in eine Kammer 74 innerhalb der Düse 70. Die Kammer ist so ausgebildet daß die Profile ihrer Wandungen in Längsrichtung der Diivenachse gesehen zwei Bögen 75, 76 bilden. Die Mitten der Bögen 75, 76 sind sowohl gegeneinander als auch gegenüber der Düsenachse versetzt.

Zwei mit gegenüberliegenden öffnungen 79, 80 versehene Kanäle 77,78 münden in die Kammer 74. Die öffnung 79 L"t gegenüber dem Bogenstück 75 tangential ausgerichtet während die öffnung 80 gegenüber der zum Bogenstück 76 ausgerichteten Tangentiallinie versetzt ist. Zwei weitere Kanäle 81 und 82 weisen jeweils Öffnungen 83, 84 auf, die ebenfalls in die Kammer 74 münden, wobei die öffnung 84 tangential zum Bogenstück 76 und die öffnung 73 gegenüber der Tangentiallage zum Bogenstück 75 versetzt angeordnet ist. In dem dargestellten Beispiel sind die Kanäle 78,81 und die Kanäle 77, 82 untereinander verbunden. Die Kammerwände weisen Abflachungen 81$ auf, auf die das aus den öffnungen 80, 83 in die Kammer 74 einströmende Medium auftrifft.

Wenn der Mediumdruck in den Kanälen 77, 82 denjenigen in den Kanälen 78, 81 um einen Sollwert überschreitet wird das MrvJium innerhalb der Kammer 74 in Drehung versetzt wie das durch die Pfeile 86 gezeigt ist Infolge der Drehung tritt das Medium kegelförmig aus der Döse 70 aus, so daß kein wesentlicher Mediumdruck von der Düse 71 empfangen wird. Bei allen anderen Druckverhältnissen in den Kanälen 77, 78,81,82 dreht sich das Medium dagegen nicht, so daß es in einer laminaren Strömung aus der Düse 70 austreten kann. In diesem Fall wird der größere Teil des Mediumdrucks von der Düse 71 aufgenommen.

Der Druck Pe stellt das eine und einen ersten Bezugsdruck Px das andere Eingangssignal für die erste Vergleichseinrichtung 48 dar, wobei der Bezugsdruck Px von einem ersten Regler 49 stammt Die Anordnung ist so vorgesehen, daß eine Erhöhung des Drucks Pe zu einer Abnahme des Steuerdrucks Pr führt, während eine Erhöhung des Bezugsdrucks Px zu einer Erhöhung des Steuerdrucks Pr führt Der Regler 49 besteht im wesentlichen aus einer Kammer, die mit den Drücken Pi und P₃ über Drosselstellen beaufschlagt wird. Eine mit dem Umgebungsdruck P₀ verbundene Blende 50 ist mit Hilfe eines Schließglieds 51 entsprechend der Stellung der Welle 45 betätigbar. Die Anordnuag ist derart, daß mit Absperrung des Brennstoffregelventns 44 gleichzeitig auch die Blende 50 schließt

Eine zweite Vergleichseinrichtung 52 ist vorgesehen, die identisch zur ersten Vergleichseinrichtung ausgebildet ist uhd an deren Eingänge der Druck Pe und der zweite Bezugsdruck Ρχ\ anliegen, der von einem zweiten Regler 53 stammt Die Anordnung ist derart daß in der Verbindungsleitung 54 zwischen der zweiten Vergleichseinrichtung 52 und einer Einrichtung 55 nur dann ein Zwischendruck Pc vorherrscht wenn der Druck Pe den Bezugsdruck P_x 1 überschreitet Im übrigen ist der zweite Regler 53 ähnlich wie der erste Regler 49 aufgebaut wobei die zum Umgebungsdruck Po führende Blende jedoch nicht verändeibar ist

Die nachgeschaltete Einrichtung 55 weist einen Flügel 56 auf, der durch einen auf den Druck P_c ansprechenden Faltenbalg betätigbar ist Die Einrichtung ist ferner mit gegenüberliegenden öffnungen versehen, an denen die Drücke Pi und Pe anliegen. Die Beaufschlagung durch den Druck Pe erfolgt über eine Drosselstelle 57, wobei gleichzeitig auch eine Verbindung mit der Seite des Stellkolbens 46 der Kolben-Zylinder-Einheit hergestellt ist, die der von dem Steuerdruck Pr beaufschlagten Seite gegenüberliegt Eine weitere öffnung der Einrichtung 55 ist mit dem Umgebungsdruck Po verbunden.

Das Schließglied 51 weist eine Verlängerung 58 auf, die mit einem Schalter 59 der Schaltungsanordnung 12 zusammenwirkt Der Schalter 59 ist ein Trennungsschalter mit einem ersten Kontaktpaar 60, das bei Betätigung des Schalters geöffnet wird. Ein weiteres IContaktpaar 61 erregen einen Hubmagneten 62, um das lContaktpaar 60 geöifnet zu halten. Die Schalteranordnung 12 weist ferner einen Schalter 63 auf, der dann geschlossen wird, wenn die Hauptdrossel der zugehörigen Turbine voll geöffnet ist Ein weiterer Schalter 64 ist geschlossen, wenn die Triebwerksdrehzahl ausreichend hoch ist Schließlich ist noch ein Schalter 65 vorgesehen, der zwecks Erregung des Hubmagnetventils dann betätigt wird, wenn die Schalter 59, S3, 64 bereits geschlossen sind.

Im Betrieb wird die Schubdüse bei ausgeschalteten Nachbrennern durch die Verriegelungseinrichtung 21 geschlossen gehalten, yobei der Druck in der Leitung 16 über den Auslaß 18 der Stellvorrichtung 11 in die Atmosphäre abgelassen wird. Wenn die Schalter 63,64 und die Kontakte 60 des Schalters 59 geschlossen sind,

wird anschließend der Schalter 65 geschlossen, so daß der Hubmagnet 14 der Stellvorrichtung 11 erregt wird. Der Kanal 16 wird durch das Schließglied 13 geschlossen, so daß der Druck, mit dem die Verriegelungseinrichtung 21 beaufschlagt wird, im wesentlichen gleich Pj wird, so daß sich die Verriegelungseinrichtung 2t von der Kolbenstange 22 trennt. Der Druck im Kanal 17 wird über den Auslaß 18 in die Atmosphäre abgeblasen, worauf sich die Schubdüse infolge der einwirkenden aerodynamischen Kräfte öffnet. Wenn die Schubdüse voll geöffnet ist, bewegt der Hebel 26 das Blatt 24 derart, daß die Blende mit dem Einlaß und dem Auslaß der Fühleinrichtung 23 ausgerichtet wird. Der Falgenbalg 67 wird dadurch durch den Druck P₃ beaufschlagt, um das Servoventil 28 zu öffnen. Brennstoff fließt also durch den Bypasskanal 66, die Leitung 30, die Drosselstellen 33 und 9, das Servoventil 28 und die Leitung 43 zum Dunstablauf des NachverkcanniiniTfieiielome Dnc anleteKan^e ΓΊηΐθ1/<τ*»Γällo in /Ίοι* darstellt. Der zweite Steuerdruck KPt ist wesentlich niedriger als der Druck P₂. Bei geschlossenem Brennstoffregelventil 44 ist auch die Blende 50 des ersten Reglers 49 zwecks Erzeugung eines Bezugsdrucks geschlossen. Der Bezugsdruck Px ist deshalb hoch, wohingegen der von der ersten Vergleichseinheit 48 stammende Steuerdruck Pr relativ hoch ist. Wenn der Druck P₆ unmittelbar nach der Zündung ansteigt, wird also der Stellkolben der Einheit 46 tätig, um das

ίο Brennstoffregelventil 44 zu öffnen.

Mit zunehmendem Brennstofffln" durch das Brennstoffregelvep··¹ *.*. Cfmei sich das Druckventil 34 weiter, um dem Nachverbrennungssystem weiteren Brennstoff zuzuführen. Das Brennstoffregelventil 44 öffnet sich so lange, bis eine damit verbundene Abnahme des Bezugsdrucks Px ein Abfallen des ersten Steuerdrucks Pr auf den Wert des zweiten Steuerdrucks KPt bewirkt. Ferner bewirkt die einsetzende Nachverbrennung einen

A nelioiv t\a Jfc'ß. C\\n.',r\\nt*w\r\*

Leitung 32 führt zu einem öffnen des Brennstoffabsperrventils 27, das damit den Weg zum Druckventil 34 freigibt. Der Druck des Brennstoffs, der das Brennstoffregelventil 44 im Nebenstrom passiert, reicht nur aus, um das Schließglied 41 zum öffnen des Auslasses 38 zu bewegen, um dadurch für eine weitere Brennstoffzufuhr zum Dunstablauf zu sorgen.

Wenn die Schubdüse geöffnet ist, fällt der Druck P₆ ab. Sobald der Brennstoff im Zündbrenner gezündet wird, steigt der Druck P₆ wieder an. Vor der Zündung ist der Druck P₆ kleiner als der von dem zweiten Regler 53 stammende Bezugsdruck Ρχ \. In der Leitung 54 herrscht also kein Druck, und der Flügel 56 in der Einrichtung 55 wird durch die Federwirkung des zugehörigen Faltenbalgs zurückgefahren, um eine Beaufschlagung des Stellkolbens 46 der Einheit mit dem Druck Pi zu ermöglichen. Dadurch bleibt das Brennstoffregelventil 44 geschlossen. Nach der Zündung erzeugt der Anstieg in P₆ den Zwischendruck Pc, der den Faltenbalg der Einrichtung 55 beaufschlagt. Durch die dadurch hervorgerufene Bewegung des Blattes 56 wird die Verbindung für den Druck P₂ zum Zylinder der Einheit 46 unterbrochen. Der Druck P₂ wird statt dessen durch die weitere öffnung in die Atmosphäre abgelassen. Gleichzeitig wird auch eine Verbindung zwischen dem Druck P₆ und dem Umgebungsdruck Po über die Drosselstelle 57 hergestellt, so daß der Stellkolben der Einheit 46 nur noch von einem zweiten Steuerdruck KPt beaufschlagt wird, der nur noch einen Bruchteil des Drucks Pe hinter der Drosselstelle 57 zustände entstehen dann, wenn der erste Steuerdruck Pr gleich dem zweiten Steuerdruck KPt wird. Wenn der Druck P₆ anschließend steigt, steigt der zweite Steuerdruck KP₆, und der erste Steuerdruck Pr fällt, wobei das Brennstoffregelventil 44 schließt, bis der erste Bezugsdruck Px auf einen Wert steigt, bei dem die Zunahme des ersten Steuerdrucks Pr erneut ein Gleichgewicht wieder herstellt. Wenn die Drücke P₂ oder Pi falk -a, führt der Abfall in den Drücken Ρχ und Pr zu einem Schließen des Brennstoffregelventils 44 und damit der Blende 50, bis der erste Bezugsdruck P* erneut einen Wert annimmt, bei dem der erste Steuerdruck Pr gleich dem zweiten Steuerdruck KPt ist Wenn der zweite Steuerdruck KPt fällt, öffnet sich das Brennstoffregelventil 44, bis ein Gleichgewichtszustand wieder hergestellt ist.

Wenn die Flamme im Nachbrenner erlischt, fällt der Druck P₆, und das Brennstoffregelventil 44 öffnet sich ir dem Bestreben, diesen Zustand zu korrigieren. Bei einet bestimmten Stellung des Schließglieds 51 bewirkt die

Verlängerung 58 ein öffnen der Kontakte 60 de« Schalters 59 und ein Entregen des Hubmagnetventils 14 der Stellvorrichtung 11. Die Schubdüse schließt sich deshalb und sperrt das Brennstoffabsperrventil 27 übei die Fülleinrichtung 23 und die Stelleinrichtung 28,29.

Wenn sich die Schubdüse unerwartet schließt, wird das Brennstoffabsperrventil durch die Stelleinrichtung anschließend geschlossen, wie vorstehend beschrieben worden ist.

Hierzu .2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprache;

1. Brer.nstoffregelanlage für Gasturbinentriebwerke mit Nachbrenner und verstellbarer Schubdüse, deren Stellvorrichtung in Offenstellung auf eine Fühleinrichtung einwirkt, mit einem in Abhängigkeit vom Druck vor der Schubdüse verstellbaren Brennstoffregelventil und einem diesen nachgeschalteten Brennstoffabsperrventil, das mittels einer auf die Fühleinrichtung ansprechenden Stelleinrichtung bei Drosselstellungen der Schubdüse betätigbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellkolben (46) des Brennstoffregelventils (44) von einem ersten Steuerdruck (Pr) und einem zweiten Steuerdruck (KP₆) bewegbar ist, daß in einem ersten Regler (49) von mehreren Verdichterdrücken (P2, P3) in Abhängigkeit von der Stellung des Brennstoffregelventils (44) ein ersten Bezugsdruck (PxJ abgeleitet und in einer tasten Vergleichseinrichtung (48) der erste Steuerdruck (Pr) erzeugt wird, wenn letzterer den Druck (Ps) vor der Schubdüse übersteigt, und daß in einem zweiten Regler (53) von mehreren Verdichterdrücken (Pi, Pi, Po) ein zweiter Bezugsdruck (P_x 1) abgeleitet und in einer zweiten Vergleichseinrichtung (52) ein Zwischendruck (Pc) erzeugt wird, wenn letzterer den Druck (Ρβ) vor der Schubdüse übersteigt, und daß in einer nachgeschalteten Einrichtung (55) der zweite Steuerdruck (KPe) erzeugt wird.

2. Brennstoffregelanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellvorrichtung (10, 11) der Schubdüse durch tine mit Verdienterdrücken arbeitende pneumatische Steuereinrichtung über ein Magnetventil (13, 14, 15) und .ine Reihe von Schaltern (59, 60) so steuerbar ist, daß beim jeweiligen Überschreiten bestimmter Stellungen des Brennstoffregelventils (44) die Schubdüse in Schließrichtung bewegt wird.

3. Brennstoffregelanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellvorrichtung (10) mit einer pneumatisch betätigbaren Verriege Iungseinrichtung (21) in Eingriff steht, die durch einen mit Hilfe des Magnetventils (13, 14, 15) steuerbaren Druck in Sperrstellung gehalten wird.

4. Brennstoffregelanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Regler (49) mit einer Kammer versehen ist, die einen an die erste Vergleichseinrichtung (48) angeschlossenen Ausgang und drei gedrosselte Zugänge aufweist, an denen die Verdichterdrücke (Po, Pi, P3) anliegen, wobei der Durchflußquerschnitt des einen Zugangs (50) über ein durch das Brennstoffregelventil (44) betätigbares Schließglied (51) steuerbar ist