DE2423543C2

DE2423543C2 - Brennstoffregeleinrichtung für eine Gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE2423543C2
Application number: DE2423543A
Authority: DE
Inventors: Trevor Stanley Sutton Coldfield Warwickshire Smith
Original assignee: Lucas Industries Ltd
Current assignee: ZF International UK Ltd
Priority date: 1973-05-16
Filing date: 1974-05-15
Publication date: 1981-09-17
Also published as: IT1015992B; JPS5018811A; FR2229863B1; FR2229863A1; GB1459416A; JPS5339931B2; US3918253A; DE2423543A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffregeleini ichtung für eine Gasturbinenanlage, mit einer Brennstoffpumpe, einem Brennstoffzumeßventil und einer Regelvorrichtung zum Einhalten eines gleichbleibenden Druckabfalls über dem Brennstoffzumeßventil, wobei die Regelvorrichtung ein auf den Druckabfall über dem Brennstoffzumeß-'entil ansprechendes und einen Steuerdruck erzeugendes Regelventil und ein dem Brennstoffzumeßventil nacngeschaftetes Drosselventil mit einem Steuerschieber, der ajf den Steuerdruck und einen Gegendruck anspricht, aufweis..

Eine derartige Brennstoffregeleinrichtung ist beispielsweise aus der GB-PS 12 05 553 bekannt. Bei dieser Einrichtung fördert eine Brennstoffpumpe Brennstoff durch ein Zumeßventil und ein Drosselventil, die hintereinander angeordnet sind, zur Turbine. Das Drosselventil spricht auf ein Druck-Steuersignal an, das von dem Druckverlust in dem Zumeßventil abhängt. Die Anordnung ist derart getroffen, daß das Drosselventil den Durchfluß so reguliert, daß der Druckverlust in dem Zumeßventil im wesentlichen konstant bleibt.

Ein Nachteil dieses Systems besteht darin, daß die Spule des Drosselventils unter dem Druck einer Feder steht, die dem Steuerdruck entgegenwirkt. Dies hat zur Folge, daß zu jeder Stellung der Spule des Drosselventils ein anderer Steuerdruck gehört. Dieser unterschiedliche Steuerdruck wiederum führt zu einer anderen Stellung des Ventilgliedes des Regelventils. Das Ventilglied des Regelventils steht ebenfalls unter Federspannung und folgt daher nicht genau den Änderungen des Druckverlustes in dem Zumeßventil, sondern wird von den Schwankungen der Federkraft beeinflußt.

Man könnte nun meinen, daß man das Drosselventil auch ohne Feder betreiben und den erforderlichen Gegendruck von derselben Druckquelle wie für den .Steuerdruck ableiten könnte, etwa ähnlich der Brennstoffregeleinrichtung nach der Df-AS 16 01 597. Das ist jedoch nicht möglich. Die Brennstoffrcgeleinrichtimgen sind für die Regelung großer Durchflußmengen in der Größenordnung von 20 000 l/h und mehr vorgesehen, und da der gesamte Brennstoff durch das Drosselventil fließt, null] dieses einen grollen Dun hfluUquei schnitt haben und kann zufriedenstellend mehl allein dadurch eingestellt werden, daß die Druckdifferenz über dem Zumeßventil direkt auf das Drosselventil wirkt. Es mu'j daher ein Regelventil vorgesehen werden, das auf den Druckabfall an dem Zumeßventil anspricht und ein

"> Steuerdrucksignal liefert, der das Drosselventil einstellt. Damit das Regelventil und das Drosselventil Gleichgewichtsstellungen einnehmen, wenn über dem Zumeßventil die gewünschte Druckdifferenz herrscht, müssen beide Ventile unter einein Gegendruck stehen. Da die

Hi Druckdifferenz über dem Zumeßventil konstant gehalten werden soll, ist die Gleichgewichtssiellung des Regelventils stets dieselbe, und das Ventil kann mil einer Regelfeder ausgestattet sein, die in der Gleichgewichtsstellung stets den gleichen Gegendruck ausübt.

ι "> Anders liegen die Verhältnisse bei dem Drosselventil. Dieses soll eine Stellung einnehmen, die von dem Durchfluß abhängt, der von dem verstellbaren Zumeßventil bestimmt wird. Wenn daher in dem aus der GB-PS 12 05 553 bekannten Drosselventil die Feder

-'» fortgelassen und der Gegendruck wie bei dem Drosselventil nach der DE-AS !6Oi 597 von derselben Druckquelle wie der Steuerdruck abgeleitet wird, fehlt es bei einer Bewegung des Steuerschiebers an einer Änderung der Gegenkraft, wie dies bei einer Feder

-·' infolge der Federkonstanten der Fall ist. Darüber hinaus würden Änderungen des Förderdruckes der Pumpe gleichermaßen auf beide Seiten des Steuerschiebers übertragen. Ein Drosselventil, wie es aus der DE-AS 16 01 597 bekannt ist, kann daher bei einer Regeleinrich-

i" tung gemäß der GB-PS 12 05 553 nicht mit Erfolg eingesetzt werden.

Es stellte sich somit die Aufgabe, eine Brennstoffregeleinrichtung nach Art der aus der GB-PS 12 05 553 bekannten Einrichtung dadurch zu verbessern, daß die

'"· bei dem Drosselventil erforderliche Gegenkraft durch ein Steuerdrucksignal erzeugt wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Brennstoffregeleinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Gegendruck, zwischen zwei

*" Drosselstellen in einer Leitung, die den Auslaß der Brennstoffpumpe mit deren Einlaß verbindet, erzeugt ist.

Bei dieser Anordnung bilden das Regelventil sowie die Drosseln eine Fluid-Brückenschaltung, bei der der

'· die Pumpe an den gegenüberliegenden Enden der Brücke angeschlossen ist und der Schieber des Drosselventils von den Drücken an den beiden anderen Enden der Brücke beeinflußt wird. Nur in einer einzigen Stellung des Drosselventilschiebers befindet sich die

"'" Brückenschaltung im Gleichgewicht, und dann nimmt das Regelventil eine Stellung ein, die der erforderlichen und gewünschten Druckdifferenz über dem Zumeßventil entspricht. Weicht die Druckdifferenz über dem Zumeßvenlil von diesem Wert ab und ändert sich

'"' dadurch die Stellung des Regelventils, so tritt als Folge davon eine Bewegung des Drosselvcntilschiebers, wodurch die Druckdifferenz, über dem Zumeßventil geändert wird, bis das Gleichgewicht wiederhergestellt ist. Für den Drosselventilschiebcr gibt es in jeder

^wl Stellung ein Gleichgewicht; für das Regelventil gibt es jedoch nur eine einzige Stellung, in der Gleichgewicht herrscht. Das Kegelventil kann daher unter Federspannung stehen; die Federkonsiante hat keinen Einfluß auf die Genauigkeit des Kcgclsyslcms, denn die von der

·■' leder ausgeübte Kraft ist in jetler Stellung des Drossclveniilschiebers die gleiche. Da der axiale Bewegungsweg des Drossclventilschiebers lang gehalten werden kann und der Schieber nicht unter einer

Federvorspannung steht, werden die bei einer Federvorspannung unvermeidlichen Ungenauigkeiien vermieden.

An Hand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.

Die dargestellte Brennstofförder- und -regeleinrichtung umfaßt eine zweistufige Brennstofförderpumpe, deren erste Brennstoffpumpe 10 auf der Ansaugseite mit einem Tank 11 und auf der Druckseite über ein kombiniertes Filter- und ölkühlsystem 12 mit der zweiten Brennstoffpumpe 13 verbunden ist. Die Einrichtung ist zum Regeln des Brennstoffzuflusses zu einer Doppelrotor-Gasturbine vorgesehen, und die erste Brennstoffpumpe 10 wird von dem Hochdruckläufer der Turbine so angetrieben, daß ihr Förderdruck von der Drehzahl NH des Hochdruckläufers der Turbine abhängt. Die zweite Brennstoffpumpe 13 wird durch eine Luftturbine 14 angelrieben, die ihrerseits von einem Luftstrom angetrieben wird, der von der ersten Stufe des Turbinenkompressors geliefert wird, unter einem Druck Pi sieht und über ein Luftdrosselventi! 15 geregelt wird. Ein Nebenstromventil 16 ermöglicht eine Umgehung des Antriebs der zweiten Brennstoffpumpe, wenn diese nicht benötigt wird.

Die Druckseite der zweiten Brennstoffpumpe 13 ist mit einem Brcnnstoffzumeßventil 17 verbunden, das einen Steuerkolben 18 hat, der durch einen Antrieb 19 bewegbar ist und den Durchfluß durch öffnungen 20 reguliert. Der Steuerschieber 18 des Brennstoff/.umeßventils hat ebenfalls eine Hilfssteueröffnung 21, die offen ist, wenn die Öffnungen 20 geschlossen sind, und die den Brennsioffdurchfluß beim Leerlauf der Turbine regelt. Eine weitere HilfsSteuerung 22 liefert ein Druckverlustsignal, wie nachstehend noch erläutertiwird.

Der Auslaß des Brennstoffmeßveniils 17 ist mit dem Einlaß eines Drosselventils Z3 verbunden, das einen Steuerschieber 24 hat, der den Durchfluß von Treibstoff durch öffnungen 25 reguliert. Der Steuerschieber 24 hat keine Federspannung, und er befindet sich immer dann im Gleichgew'..-ht, wenn die Drücke auf beiden Seiten gleich sind. Diese Drücke werden jeweils durch einen Fluidkreis erzeugt, der zwei feste Drosselstellen 26, 27 und ein Regelventil 28 zusammen mit einer weiteren festen DurchfluBdrosselstelle 29 aufw eist.

Um Brennstoff zum Betätigen des Drosselventils 23 zu erhalten, ist an der DruckseJe der ersten Brennstoffpumpe 10 stromabwärts von dem Filter und ölkühler 12 eine Anzapfung 30 vorgesehen. Diese Anzapfung 30 ist über eine elektrisch angetriebene Anlaßpumpe 43 mit cinei Steuerdruckzuleitung 32a verbunden, die ihrerseits über die Drosselstellen 27, 26. eine Niedcr^ruck-Rücklaufleitung 51 und ein Rückschlagventil 3.3 in Reihe mit der Saugseite der ersten Brennstoffpumpe 10 verbunden ist. Ein F.nde des Steuerschiebers 24 wird mit dem Druck beaufschlagt, der /wischen den Drosselstellen 26, 27 herrscht. Die Leitung 32b ist über eine Drosselstelle 53 und eine Leitung 54 mit den Zündvorrichtungen der Turbine verbunden. Die Drosselstclle 53 kann durch ein federgespanntcs Ventil .31 umgangen werden, das sich öffnet, wenn der Druck in der Leitung 54 die Federvorspannung überwindet.

Das Regelventil 28 hai einen Steuerschieber 54. der clic Verbindung /wischen zwei Nuten 35, 36 im Inneren des Gehäuses 17 des Regelventils 28 reguliert. Fine Feder J8 drückt den Steuerschieber 54 nach links in vier Zeichnung, wodurch die Verbindung /wischen den Niiicii 15, lh unterbrochen wird. Das links liegende Ende des Steuerschiebers 14 wird von dem Druck beaufschlagt, der von den Drücken stromaufwärts des Brennsioffzumeßventils 17 abgeleitet wird. Zu diesem Zweck verbindet ein Rückschlagventil 39 die Druckseite der zweiten Brennstoffpumpe 13 über eine Drosselstelle 40 mit der öffnung 22 des Hauptdrosselveruils, das als eine regulierbare Durchflußdrosselstelle wirkt. Zwischen der Drosselstelle 40 und der öffnung 22 wird dadurch ein Drucksignal erzeugt, das sowohl von dem Druck stromabwärts iles BrennstoffzumeUventils 17 als auch von der Stellung des Steuerschiebers 18 abhangt, und dieses Drucksignal wird der linken Seite des Steuerschiebers 34 zugeleitet.

Der auf die rechte Seite des Steuerschiebers 34 wirkende Druck ist der stromabwärts des Brennstoff/.umeßventils 17 herrschende Druck. Die Stellung des Steuerschiebers 34 hängt also von dem Druckverlust über dem Brennstoffzumeßventil 17 ab. Der Folge eines solchen Druckabfalls wirkt die Feder 38 entgegen. Der Durchfluß durch die Verbindung /wichen den Nuten 35,36 wird also zunehmend weniger gedrosselt, je höher der Druckverlus! wird.

Die Nut 35 ist über die Drosselstelle 29 mit der Zuleitung 32b, und die Nut 36 ist über das Rückschlugventil 33 mit der Saugseite der ersten Brennstoffpumpe 10 verbunden. Der Druck zwischen der Drosselstelle 29 und der Nut 35 wird also durch den Druckverlust über dem BrennstoffzumeUventil 17 bestimmt, und dieser Druck wirkt auf das gegenüberliegende Ende des Steuerschiebers 24 ein.

Der Steuerschieber 24 wirkt also wie ein Integrator; seine Stellung ist zu jedem Zeitpunkt ein Integral über den Weg des Steuerschiebers 34, der aufgrund der Schwankungen der Drucksignale, die auf den Steuerschieber 34 einwirken, zurückgelegt wird. In stationärem, stabilem Zustand nimmt der Steuerschieber 24 eine solche Stellung ein, daß beim Durchfluß durch das Brennstoffzumeßveniil 17 ein Druckverlust entsteht, der den Steuerschieber 34 in eine Stellung bringt, in der die Drücke an gegenüberliegenden Enden des Steuerschiebers 24 gleich sind. Eine Änderung des Drucks stromaufwärts vom Brennstoffzumeßventil 17 bewirkt eine entsprechende Änderung der Stellung des Steuerschiebers 34. und das wiederum bewirkt eine entsprechende Änderung der Stellung des Steuerschiebers 24, wodurch der Durchfluß durch das Brennstoffzumeßventil 17 unverändert gehalten wird. In gleicher Weise folgen auf eine Änderung der Stellung des Steuerschiebers 18 entsprechende Änderungen der Stellung der Steuerschieber 34 und 24, die das Gleichgewicht mit einer anderen Diirchflußmenge wiederherstellen, die den gleichen Druckabfall über dem Brennstoffzumeßventil 17 erzeugt.

Die Öffnung 21 des Brennsloff/umeßventils 17 bildet einen Durchflußkanal für den Brennstoff beim Leerlauf der Turbine, wenn die Öffnungen 20 geschlossen sind. Eine veränderliche Drossel 49 ist mit den Öffnungen 21 in Reihe angeordnet, um die Brennstoffzufuhr für den Leerlaufbetrieb zu r~gulieren. Ein Nebenstromkanal 41 ermöglicht eine Umgehung des Brennstoffzumeßventils 17 durch den HrcnnstofT beim Anlassen der Turbine. In diesem Nebenstromkanal 41 ist eine regelbare Drosselstelle 42 vorgesehen. Eine getrennte, elektrisch angetriebene Anlaßpumpe 43 ist mit der Leitung 32a, b verbunden, und diese s,< ebenfalls über ein Rückschlagventil 44 mii der Drosselstclle 40 verbunden Die Anlaßpumpe 45 liefert den erforderlichen Brennstoff durchfliiß. um die .SleuenlriaksigtKile beim Anlassen /w

liefern Die Anlallpimipe 41 saugt llrennstoff durch die Anzapfung IO an.

Der Auslall des Drosselventils 23 ist über einen Absperrhahn 48 unil einen Verteiler (nicht dargestellt) mit den Iurbiiienbrcnnern verbunden. Der Durchfluß durch den Absperrhahn 48 ist in Abhängigkeit von dem Druck in einer Leitung 52 veränderlich, /ur Dichzalihc gelling sind zwei Reglet 45 und 46 vorgesehen, die auf die Drehzahlen des Niederdruck bzw iles Hochdruck ί urbincnläufers ansprechen. Der Nieilerilruckregler 45 wird durch ein elektrisches Signal belangt, das viii der Drehzahl Nl der Nicderdnieklurbine abhangt; der I lochdruc kregler 4fi wird durch die I Im lull iicktiii binc tiK'i. hanisch angetrieben Ilic beiden Kegler beeinflussen den llrcnnstoifdurchflul.l zur Turbine durch Änderung des Kegeldrucks in der zum Absperrhahn 48 führenden Leitung 52

Das mit der l.uflturbine verbundene Drosselventil 15 wird durch einen Kolben 47 gesteuert, der '.on einem Steuerdruck betätigt wird, welcher von rincin Regel ventil 50 abgeleitet wird, das auf ilen (iesaintdruckabfall über dein Hrcnnsloffziinicltvcnlil 17. dem Drosselventil 25 und dem Absperrhahn 48 anspricht.

Mit dem beschriebenen System erreicht man eine schnelle und genaue Regulierung des Drosselventils 2V ohne dall eine latente Instübililäl durch eine exzessiv hohe I ImlaiiluTstärkimg entsteht.

Hier/u 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Brennstoffregeleinrichtung für eine Gasturbinenanlage mit einer Brennstoffpumpe, einem Brennstoffzumeßvenlil und einer Regelvorrichtung zum Einhalten eines gleichbleibenden Druckabfalls über dem Brennstoffzumeßventil, wobei die Regelvorrichtung ein auf den Druckabfall über dem Brennstoffzumeßventil ansprechendes und einen Steuerdruck erzeugendes Regelventil und ein dem Brennstoffzumeßventil nachgeschaltetes Drosselventil mit einem Steuerschieber, der auf den Steuerdruck und einen Gegendruck anspricht, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegendruck zwischen zwei Drosselstellen (27, 26) einer Leitung (30, 32a, 51), die den Auslaß der Brennstoffpumpe (10) mit deren Einlaß verbindet, erzeugt ist.