DE2141855A1

DE2141855A1 - System zur Versorgung einer Gas turbine mit flussigem Brennstoff

Info

Publication number: DE2141855A1
Application number: DE19712141855
Authority: DE
Inventors: Horace George Chandlers Ford Wood Robert Spurgeon Gosport Hampshire Turner (Großbritannien)
Original assignee: Plessey Handel und Investments AG
Current assignee: Plessey Overseas Ltd
Priority date: 1970-08-25
Filing date: 1971-08-20
Publication date: 1972-03-02
Also published as: US3736072A; FR2103490A1; JPS5440689B1; SE378440B; GB1353010A; FR2103490B1; DE2141855C2

Description

System zur Versorgung einer Gasturbine mit flüssigem

Brennstoff

Die Erfindung bezieht sich auf die Versorgung von Gasturbinen mit flüssigem Brennstoff und sie ist besonders₃ jedoch nicht ausschließlich aur Verwendung in Flugzeugen, bestimmt.

Bei Flugseuggasturbinen ist es die übliche Praxis der Gasturbine, den flüssigen Brennstoff durch eine von dei Gasturbine angetriebene, als Verdrängerpumpe ausgoführte Haupbbrennstoffpumpe zuzuführen, die eine der Turbinendrehzahl proportionale Brennstoffmenge mit ausreichend hohes: Druck an eine Brennstoffrcgeleinhe.lt liefert, welche den Brennstoffüberschuß über den augenblicklichen Brennstoffbedarf der Turbine ζην Einlaßseite der Pumpe zurücklöitet.

Dieser Haupt brennstoff pumpe ist eine ale Hilispuinpe bekannte und lsi allgemeinen in gleicher Vueise von der Gasturbine angetriebene dynaniiscne Pumpe vorgeschaltet, di«,· auf der Einlaßdeite der Hauptbrennstoffpumpe einen aus-

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reichenden Druck aufrechterhält* der la der Haaptbrennstoffpumpe eine Kavitation verhindert und der eine genaue Bemessung der Strömungsmenge lurcli die He.uptbrennstoffpumpe sicherstellte Um eine kontinuierliche Brennstoffversorgung der Hilfspun»pe au·-? dsr. häufig in den Tragflächen der Flugzeuge nntergebrtaoliies Tasks sicherzustellen, insbesondere in groSat» Höba'u, wemi der Umgebungsdruck sehr- gelling is'; >md. yell die dynamischen Pumpen ^ient zuverlässig selbst ?na8'.i2es₅ i^t es ebenfalls üblich₅ innerhalb Jedes Tanks oder dicht an jedem Tank weiterhin eine als Zosr-itapyrnpa bekannte dj-iiamische Niederdruckpumpe in einer Strtliutig ai?7.uordn5ij_} in der sie von dem Brennstoff u«t'5^ "lern Bcbw^rkrsftEinfluß selbst dann erreicht wird, wenn als !Tei^ks ::,sii2z-u leer- sind_e Jede dieser Zl^isatspuapen jvird rinaohsi^i^ ύοίι dei? Gasturbine, und swar im allgemeineji~di2ri:-:i einen Sloktronotor, angetrieben«. Hierdurch ergibt sieh, cli» Gefafe^r" daß im Falle eines Feuers, das bei einer Bruchla^duag ?.u3bricht ·, bei der sich ein Bruib. in dem BrennstoffIhitu.^:igs3/.?.vem ergibt, die Zi-satapuaipeäi, selbst wenn cie Ggyturbine stillsteht, v/eiterhin aus den Tanks Brennstoff zuführen und somit das Feuer nähren.

Andererseits ist es nicht ratsam in einem Brennstoffsystem, wie es bisher ausgeführt wird . -3ie -Susatzpumpen abzuschalten, sobald die Hilfspiwipen beim Anlassen der Turbine angesaugt haben, da₅ insbesondere um das Gewicht dei· Anlage niedrig zu halten, die verwendete Hilfspumpe nicht in allen Fällen ohne die Unterstütz ^i« durch eine Zvsatspumpe zur Eijz-euguEg d^s rniciipalen Orvdkes am Einlaß zur Hauptbrennstoffpumpe ausreicht. Pie se Gefahr ist insbesondere in großen Höhen uni üement3prt?h.snd geringei... ÜF'gebungsluftdrücken erheblich, und si-3 izenn daher dazu

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führen, daß zur Verhinderung einer Kavitation eine Grenzhöhe vorgeschrieben werden muß.

Daher ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffsystem zu schaffen, das es durch die Verringerung dieser Gefahr ermöglicht, die Zusatzpumpen abzuschalten, wenn die Turbine angelassen worden ist, wodurch die Feuergefahr bei einer Bruchlandung vermindert ist.

Gemäß der Erfindung ist die Vorrichtung zur Rückführung des sogenannten überlaufstromes von überschüßigem Brennstoff zu der Einlaßseite der Hauptbrennst off pumpe so angeordnet, daß die Energie dieses überlaufstromes, und zwar vorzugsweise die kinetische Energie, zur Vergrößerung des Brennstoffdruckes auf der Einlaßseite der Hauptbrennstoffpumpe verwendet wird. Somit ist ein Grundgedanke der Erfindung ein System zur Zuführung eines flüssigen Brennstoffes von einem Vorratsbehälter zu'einer Gasturbine, insbesondere zur Brennstoffzuführung zu einer Flugzeugverbrennungsgasturbine, die eine Hauptbrennstoffpumpe mit einem Einlaß hat und die die erforderliche Brennstoffmenge auf wenigstens den erforderlichen Druck anhebt, welche eine Hilfspumpe Lat, die den Brennstoff von einem niedrigen Drucknivesu zu dem Einlaß führt und welche eine Überlaufstromvorrichtung hat, die den von der Hauptbrennstoffpumpe über den augenblicklichen Brennstoffbedarf der Turbine zuviel gelieferten Brennstoff in eine Leitung zurückführt, die von dem Vorratsbehälter zu dem Einlaß führt, wobei die Oberlaufvorrichtung so mit dem Einlaß verbunden ist, daß sie den zurückgeführten überschüßigen Brennstoff in den Brennstoff einführt, Jer von dem Vorratsbehälter zum Pump er. einlaß in dieser Strömungsrichtuiig strö<at, so daß dio kinetische Energie des Überlaufstromss zur Erhöhung des

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gesamten Brennstoffdruckes an diesem Einlaß zur Verwendung komirt.

Die Wirksamkeit der Erfindung wird durch die Tatsache unterstützt, daß das Verhältnis des Brennstoffbedarfs der Turbine zu ihrer Drehzahl im allgemeinen, kleiner wird, wenn der Umgebungsluftdruck mit steigender Flughöhe abnimmt, während die "Förderung der Hauptbrennstoffpumpe im wesentlichen, der Turbinendrehzahl proportional ist, so daß bei diesen vorliegenden Bedingungen, unter denen der durch die nicht unterstützte Hilfs· pumpe gelieferte Druck nicht mehr ausreicht, an dem Einlaß der Hauptbrennstoffpumpe eine Kavitation ;zu verhindern, eine relativ große Menge eines Überlaufstromes zur Verfügung steht.

Andererseits ist die Erfindung nicht streng darauf beschränkt, bei einer als feste Verdrängerpumpe arbeitenden Hauptbrennstoffpumpe verwendet zu werden, da bei Pumpen, die nicht mit einem Überlauf eines Brennctoffüberßcjausses zur Veränderung der zu der Turbine gelieferten Brennstoffmenge arbeiten, es möglich ist, zur Steigerung des Druckes in dem Pumpeneinlaß einen überlaufstrom einzuleiten.

Die Zeichnung zeigt Ausführungsbeispiele der Erfindung, und zwar sind:

Fig.1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffsystems,

Fig.2 ein scheiaatisctier Ausschnitt eim-r Anordnung der Strshleinöpritzung des "OberlaufStromes,

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Fig.2a eine Abwandlung, in der der Cöand;i-Effekt, d.h. die Umlenkung einer tangentialen Strömung, an Stelle der 7/irkung eines Strahles verwendet wird,

Fig« 5 und 4- zwei abgewandelte Anordnungen einer Strahleinspritzuiig mit einem Überlauf strom,

Fig» 5 eine Schar von Kurven, die die Förderung einer von der Turbine angetriebenen Hauptbrennstoffpumpe, die als konstante Verdrängerpumpe arbeitet, bzw. den Brennstoffbedarf einer Gasturbine für ^

verschiedene Flughöhen zeigen, die als Funktionen der Turbinendrehzahl aufgezeichnet sind und

Fig. 6 eine Schar von Kurven, dio für verschiedene Flughöhen den Druckanstieg zeigen, der durch eine von der Turbine angetriebene dynamische Hilfspumpe erzeugt wird und der als· Funktion des von der Turbine geforderten Förderstromes aufgezeichnet ist.

Zunächst erfolgt eine Betrachtung der bekannten Merkmale der Fig.1. Aus einem in einer Flugzeugtragfläche 1a untergebrachten Tank 1 wird Brennstoff durch eine Zusatzpumpe * 2, die in dem Tank angeordnet ist und durch einen eigenen Elektromotor 2a angetrieben wird, zum Einlaß einer Brennstoffhilfspumpe 3 geliefert, die den Brennstoff zum Einlaß 4a einer als Zahnradpumpe ausgeführten Hauptbrennstoffpumpe 4 weiterleitet und die den Brennstoffdruck von dem Lieferdruck der Zusatzpumpe 2 auf einen Wert erhöht, der zur Verhinderung der Gefahr einer Kavitation in der Hauptbrennetoffpumpe ausreicht.

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Sowohl die Hilfspumpe 3 als auch die Flauptbrennstoff-piunpe 4 werden von einer Welle 6 einer Turbine 5, und die mit dem Brennstoff versorgt wird,mit einem konstanten Verhältnis angetrieben, so daß der Brennstoff an dem Auslaß 4b der Haupbbrennstoffpumpe einem Brennstoff regelsystem 7 uater hohem !Druck mit einer im wesentlichen der Turbinendrehzahl proportionalen Menge zugeführt wird. Das Brennstoffregelsystem 7 sorgt dafür, daß eine zu den Brennern 10 der Turbine 5 gelieferte Brennstoffmenge pro Umdrehung gemäß einer Vielzahl von Daten verändert wird und sie erreicht diese Veränderung durch eine Ableitung des Brennstoffüberschußes an eine Überlaufleitung 8, die zurück in den Einlaß 4a der Hauptbrennstoffpumpe führt. Während jedoch bei den bisher bekannten Systemen diese überlaufleitung mit dem Einlaß in einer geraden T-Verbindung oder in einer kleinen Mischkammer verbunden ist, ist die Verbindung gemäß der Erfindung so ausgeführt, daß die Energie des Überlaufstromes für eine Druckerhöhung an dem Einlaß 4a der Hauptbrennstoffpumpe verwendet wird. In der in Fig.1 dargestellten Ausführung wird dies durch die Schaffung einer Strahlpumpe 9 nach der Art eines Injektors erreicht, die die kinetische Energie des überlaufstromes verwendet.

Die Hauptbrennstoffpumpe 6 und die Strahlpumpe 9 der Fig.1 sind in Fig.2 im einzelnen im größeren Maßstab dargestellt.

Eine Einspritzleitung Tl, die den Überlaufbrennstoff führt, der über eine Überlaufleitung 8 zurückgeführt wird, öffnet sich unter einem spitzen Winkel und geht in die Leitung 12, die den Brennstoff liefert, der durch die Hilfspumpe 3 zu dem Einlaß 4a der Hauptbrennsboff-

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pumpe ¹V gefördert wird, so daß die Geschwindigkeit des Überlaufbrennstoffstromes den Druck an dem Einlaß ^a der Hauytbrennstoffpumpe erhöht. Vorzugsweise ist der Innendurchmesser der Einspritzleitung 11 zur Bildung einer Einspritzdüse an ihrem Auslaßende verringert, wie dies bei 15 dargestellt ist. Die Einspritzdüse ist in der Lage, einen Teil des durch die Hauptbrennstoffpumpe an ihrem Auslaß 4-a erzeugten Druckes in kinetische Energie umzuwandeln, wenn der Überlaufstrom in die Flüssigkeit in der Leitung 12 eintritt, in der der Druck viel geringer ist.

Fig.2a zeigt eine abgewandelte Anordnung, die an Stelle der bei 9 in Fig,2 dargestellten Anordnung der Strahleinspritzung verwendet werden kann und die äußerst v/irksam ist. In dieser abgewandelten Anordnung ist die Verwendung eines Strahles eines tlberlaufbrennstoffstromes, der durch die Leitung 11 und die Düse 13 erzeugt wird, durch die Längseiriführung des überlaufstroines in die Einlaßleitung 12 an der Peripherie dieser Leitung aus einer ringförmigen Kammer 15 über Zuführungsdurchgänge 16 in einen konvergierenden Y/andabschnitt 17 ersetzt, dessen Übergang zu der Umfangsflache der Einlaßleitung 12 so ausgeführt ist, daß der Strom aus den Durchgängen 16 durch den Coanda-Effekt an der Wandfläche zurückgehalten wire!. Auf diese Weise wird die kinetische Energie des Überlaufströmes wirksam für eine Erhöhung des Gesasrt-druckec en dem Einlaß 4a der Haupttxemist off pumpe ^l\ verwendet«

Die Fig* J ur/i 4 stellen abgewandelte Anordnungen eines Sbrahlinje^iOrs dar, die auch an Stelle der einfachen V-Yerbiiüdung des Stralilinjektc?'·;; 9 äer Fig„2 werden Lör-iien.

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In der ,Anordnung der .Fig.3 ist die Brennstoffleitung 12 mit einem Venturiabschnitt 14 ausgebildet und die Einspritzleitung 11a tritt in radialer Richtung durch die Wand des Vent.urihalses. Der Düsenteil 13a der Einspritzleitung 11a ist um 90° umgebogen, um längs der Achse der Leitung 12 einen Hochgeschwindigkeitsstrahl des Brennstoffes zu bilden, der durch die überlaufleitung 8 zurückgeführt wird, wobei jeder Strahl auf den Einlaß 4-a der Hauptbrennstoff pumpe gerichtet ist.

In der alternativen Anordnung der Fig.4- ist die Leitung, die den von der Brennstoffhilfspumpe 3 gelieferten Brennstoff führt, mit einem L-förmigen 90°-Bogen 12a ausgebildet, durch den der Brennstoff von der Hilfspumpe 3 in einen geradlinigen Abschnitt 12b eintritt, der au dem Einlaß der Hauptbrennstoffpumpe 4 führt., Dies erlaubt nicht nur die Einspritzdüse, sondern auch die Einspritzleitung 11b axial fluchtend mit dem Eintrittsabschnitt 12b der Brennstoffzuführungsleitung 12 anzuordnen. Auf diese Weise wird eine Ablenkung des Überlaufstromes kurz vor seiner Beschleunigung in dem Düsenabschnitt 13b vermieden und auf diese Weise die Wirksamkeit der Düse verbessert.

Aus dem Vorgenannten ergibt sich, vorausgesetzt, daß ein auereichender Überlaufstrom verfügbar ist^.daß die Erfindung es ermöglicht, die Zusatzpumpen der einzelnen Brennstoffpumpen unmittelbar nach dem Startender Turbine abzuschalten und außer Betrieb zu lassen, es sei denn, daß beim Fliegen in großer Höhe mit Brennstoff aus einem nahezu leeren Tank die Gefahr einer Dampfblasenbildung in der Leitung von dem Tank 1 zu dem Einlaß der Brennstoffhilf spumpe 3 besteht. Selbst dann können die Zusatz-

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pumpen 2 wieder abgeschaltet werden, wenn beim Annähern an den Boden der Umgebungsdruck; ansteigt, d.h. ehe ein abschätzbares Risiko einer Bruchlandung auftritt.

Eine Betrachtung der U¹Ig.5 und 6 zeigt, daß in der Praxis eine ausreichende Menge eines Überlaufstromes zu dem erfindungsgemäßen Zweck sichergestellt ist, ohne daß eine Vergrößerung der Abmessung der Hauptbremistöffpumpa erforderlich ist.

In Fig.5 ist die gesamte Brennstoffmenge, die durch die von der Turbane angetriebene als feste Verdrängerpumpe ausgeführte Hauptbrennstoffpumpe 4- als eine f Funktion der Turbinendrehzahl gefördert wird, als eine gerade Linie A durch den Nullpunkt des Koordinatensystems dargestellt, während der Brennstoffbedarf der Turbine in Seehöhe, in ca. 30C0 m über Seehöhe und in ca. 6000 m über Seehöhe durch die Kurven B, C bzw. D gezeigt ist. Durch einen Vergleich der Kurven B, C und D mit der Linie A ist leicht zu erkennen, daß mit der Ausnahme, wenn die Turbine mit nahezu maximaler Drehzahl in. Seehöhe laufen muß, ein wesentlicher Überschuß des durch die Eauptbrennstoffpumpe über den Brennstoffbedarf der Turbine geförderten Strom vorhanden ist und daß demgemäß in der Überlaufleitung 8 ein beträchtlicher Über- λ laufstrom verfügbar ist.

In Fig.6 ist der durch die Brennstoffhilfspumpe 3 erzeugte Druckanstieg als eine Funktion des Brennstoffstromes dargestellt. Die oberste Kurve E zeigt diese Werte in Seehöhe, während die Kurven F bzw. G diese Werte bei ca. 3000 m und bei ca. 6000 m über Seehöhe angeben.

Hieraus ergibt sich, daß in Seehöhe die Brennstoffhilfs-

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pumpe in der lage ist, im vvesentliehen ihren maximalen Druckanstieg über ihren Geschwindigkeitsbereich zu liefern und daß selbst in Höhen von ca. 3C00 bis 6000 m ein nahezu maximaler Druckanstieg aufrechterhalten wird, bis ungefähr die Hälfte des maximalen Brennstoffstromes erreicht ist, r/ährend über diesem V/ert des Brennstoffstromes hinaus eine progressive Abnahme in der verfügbaren Drucksteigerung auftritt, wobei die Abnahme bei einer größeren Plughöhe deutlicher ausgeprägt ist.

EjneBetrachtung der Fig.5 zeigt Jedoch, daß unter dien tatsächlichen Zuständen, bei denen die Drucksteigerung der Hilfspumpe unzureichend wird, ein sehr wesentlicher Überlaufstrom für den erfindungsgemäßen Zweck von der Förderung der Hauptbrennstoffpumpe verfügbar ist, selbst wenn die Hauptbrennstoff pumpe so bemessen ist, um lediglich ausreichend den maximalen Brennstoffbedarf der Turbine zu decken, wenn die Turbine mit maximaler Drehzahl bei einem Umgebungsdruck arbeitet, der der Seehöhe entspricht.

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Claims

Patentansprüche

System zur Versorgung einer Gasturbine mit flüssigem Brennstoff aus einem Vorratsbehälter, insbesondere für die Brennstoffversorgung einer Flugzeugverbrennungsgasturbine, _die eine Hauptbrennstoffpumpe mit einem Einlaß hat und die die erforderliche !Brennstoffmenge auf wenigstens den erforderlichen Druck anhebt, welche eine Ililfspumpe hat» die den Brennstoff von einem niedrigen Druckniveau zu dem Einlaß führt und welche eine überlaufstromvorrichtung hat, die den von der Kaupi-brennstoffpumpe über den augenblicklichen Brennstoffbedarf der Turbine zuviel gelieferten Brennstoff in eine Leitung zurückführt, die von dein Vorratsbehälter zu dem Einlaß führt, dadurch gekennzeichnet, daß die überlaufvorrichtung so mit dem Einlaß verbunden ist, daß sie den zurückgeführten überschüßigen Brennstoff in den Brennstoff einführt, der von dem Vorratsbehälter zu dem Pumpeneinlaß in dieser Strömungsx'ichtung strömt, so daß die kinetische Energie des Überlaufstromes zu Erhöhung des gesamten Brennstoff druckes an diesem Einlaß zur Verwendung kommt«

2. System nach Anspruch 1 _f dadurch gekennzeichnet, daß die Überlaufvorrichtung eine Einspritzleitung hat, die den zurückgeführten überschüßig«n.Brennstoff in der Form eines Strahlesin eine Leitung einspritzt, in der der Brennstoff von dem Vorratsbehälter zu d<»m Einlaß der Eauptbrennstoffpumpe strömt und deesen Richtung im wesentlichen mit der Strömungsriohtung des Brennstoffes in der Leitung übereinstimmt«

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5. System nach Anspruch 1, dadurch göksnrzeichnet, daß die Überlaufvorrichtung eine Vox-richtuu/i sur Einführung; des zurückgeführten Brennstof'.".'Vorschusses in eine Leitung hat, die den Brennsto ·.' von dem Vorratsbehälter zu dem Einlaß der Hair,;, brennstoffpumpe leitet, wobei diese Vorrichtung zur Einführung des Brennstoffüberschußes sich des Coanda-Wandeffektes in der Weise bedient, um den zurückgeführten Brennstoff längs der Wand dieser Leitung in die Richtung des Stromes von dem Vorratsbehälter zu leiten.

4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Überlaufvorrichtung mit der Leitung an einer Stelle zwischen der Hilfspumpe und dem Einlaß verbunden ist.

5. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsbehälter ein Brennstofftank ist, der mit einer Zusatzpumpe versehen ist, die unabhängig von der Turbine betätigbar ist, um eine Brennstofförderung von dem Tank zu der Hilfspumpe sicherzustellen, wobei der zurückgeführte Brennstoffüberschuß in den Strom von dem Vorratsbehälter

zu dem Einlaß der Hauptbrennstoffpumpe in der Weise eingeführt wird, daß über den selbststützenden Betrieb der Turbine der Druck an dem Einlaß über dem . minimal erforderlichen Druck zur Verhinderung einer Kavitation aufrechterhalten wird.

6« System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptbrennstoffpumpe eine als feste Verdrängerpumpe gebaute, von der Turbine angetriebene Fumpe ist und daß die Turbine mit einem Brennstoffregler versehen ist, der den PÖrderüberschuß

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der Pumpe durch die überlaufStromvorrichtung in den Einlaß der Hauptbrennstoffpumpe ableitet.

7. Einspritzvorrichtung für ein fließfähiges Medium, gekennzeichnet du^ch eine Leitung für den Strom eines zu einer Verbraucherstelle einzuspritzenden fließfähigen Mediums, wobei die Leitung eine Wand hat, die einen Durchgang für die Einführung eines Stromes eines mit hoher Geschwindigkeit strömenden, fließfähigen Mediums unter einem spitzen Winkel zur Richtung dieses Stromes in diese Leitung hat, wobei die Verbindung des Durchganges mit der Leitung so ausgebildet ist, daß der Coanda-Effekt des mit hoher Geschwindigkeit strömenden fließfähigen Mediums an der Wand der Leitung gefördert wird.

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