DE2423557C3

DE2423557C3 - Fuel control device for a gas turbine plant

Info

Publication number: DE2423557C3
Application number: DE19742423557
Authority: DE
Inventors: Trevor Stanley Sutton Coldfield Warwickshire Smith (Grossbritannien)
Original assignee: Lucas Industries Ltd
Current assignee: ZF International UK Ltd
Priority date: 1973-05-16
Filing date: 1974-05-15
Publication date: 1978-11-23
Also published as: FR2229862A1; JPS5018812A; FR2229862B1; DE2423557A1; GB1459404A; IT1013162B; DE2423557B2; JPS5345847B2

Description

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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffregeleinrichtung für eine Gasturbinenanlage, bestehend aus einer von einer steuerbaren Luftturbine angetriebenen Brennstoffpumpe, einem Brennstoffsteuerventil und *° einem diesem nachgeschalteten Abflußventil, das den Druckverlust im Brennstoffsteuerventil nahezu konstant hält, wobei ein die Luftzufuhr zu der Luftturbine steuerndes Ventil vorgesehen ist, das von einer mit einer vom geregelten Brennstoffdruck abgeleiteten hydrauli- *5 sehen Druckquelle in Verbindung stehenden Stellvorrichtung betätigbar ist.The invention relates to a fuel control system for a gas turbine plant, consisting of a shaft driven by a controllable air turbine fuel pump, a fuel control valve and * ° a connected downstream discharge valve which maintains the pressure loss in the fuel control valve substantially constant, wherein an air supply is provided to the air turbine-controlling valve, which can be actuated by an actuating device connected to a hydraulic pressure source derived from the regulated fuel pressure.

Eine derartige Brennstoffregeleinrichtung ist aus der DE-OS 16 01600 bekannt. Bei dieser bekannten Brennstoffregeleinrichtung wird ein Ventil zur Steuerung der Luftzufuhr zu einer Antriebsturbine von einer Stellvorrichtung verstellt, die auf die Gesamtdruckdifferenz über ein Brennstoffsteuerventil und ein Brennstoffdrosselventil anspricht, die hintereinander angeordnet sind. Bei einer Abnahme dieses Druckabfalls wird das Luftsteuerventil geöffnet und durch die nun schneller laufende Turbine und die durch die Turbine angetriebene Pumpe die Brennstoffzufuhr erhöht. Die Drehzahl einer Luftturbine nimmt aber nur allmählich zu, so daß ein höherer Brennstoffdurchfluß durch das Brennstoffsteuerventil nur allmählich eine höhere Brennstoffzufuhr durch die Pumpe erzeugt.Such a fuel control device is known from DE-OS 16 01600. In this known fuel control device, a valve for controlling the air supply to a drive turbine is adjusted by an adjusting device which responds to the total pressure difference via a fuel control valve and a fuel throttle valve which are arranged one behind the other. When this pressure drop decreases, the air control valve is opened and the fuel supply is increased by the turbine, which is now running faster, and the pump driven by the turbine. However, the speed of an air turbine increases only gradually, so that a higher fuel flow through the fuel control valve only gradually produces a higher fuel supply by the pump.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennstoffregeleinrichtung der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß ein höherer Brennstoffdurchfluß durch ^h*> das Brennstoffsteuerventil sofort eine höhere Brennstoffzufuhr der Pumpe erzeugt.The object of the invention is to improve a fuel control device of the type mentioned in such a way that a higher fuel flow generated by ^h *> the fuel control valve immediately a higher fuel supply of the pump.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Stellvorrichtung über eine Drossel mit der Druckquelle verbunden ist, daß das Abfluß ventil einen Zylinder aufweist, dessen Druckraum mit der Stellvorrichtung in Verbindung steht, und daß in dem Zylinder ein Kolben bewegbar ist, der bei einer Öffnung des Abflußventils Druckflüssigkeit aus dem Zylinder verdrängt, durch die die Stellvorrichtung das Luftsteuerventil öffnet.This object is achieved in that the adjusting device via a throttle with the Pressure source is connected that the drain valve has a cylinder whose pressure chamber with the adjusting device is in communication, and that a piston is movable in the cylinder, which at an opening of the Drain valve displaced pressure fluid from the cylinder, through which the actuating device the air control valve opens.

Eine Bewegung des erfindungsgemäßen Kolbens in Richtung auf einen höheren Brennstoffdurchsatz bewirkt eine weitere Öffnung des Luftsteuerventils als dies sonst der Fall wäre und erhöht dadurch die Beschleunigung der Turbine. Damit wird ein sehr schneller Anstieg der Förderung der Brennstoffpumpe erzeugt- Die Drossel, über die die Stellvorrichtung mit der Druckquelle verbunden ist, sorgt dafür, daß das Luftsteuerventil nur auf den Druckabfall anspricht, wenn sich der Kolben nicht bewegt.A movement of the piston according to the invention in the direction of a higher fuel throughput causes opening the air control valve wider than would otherwise be the case, thereby increasing acceleration the turbine. This produces a very rapid increase in the delivery of the fuel pump Throttle, via which the adjusting device is connected to the pressure source, ensures that the air control valve only responds to the pressure drop when the piston is not moving.

Vorzugsweise wird vorgeschlagen, daß der Kolben mit einem Ende eines Steuerkolbens des Abflußventils verbunden ist und der von einem von dem Druckverlust im Brennstoffsteuerventil abhängigen Steuerdruck beaufschlagten anderen Stirnfläche des Steuerkolbens entgegenwirkt, wobei die Wirkfläche des Kolbens kleiner ist als die vom Steuerdruck beaufschlagte Stirnfläche.It is preferably proposed that the piston be connected to one end of a control piston of the drain valve is connected and of a dependent on the pressure loss in the fuel control valve control pressure acted upon other end face of the control piston counteracts, the effective area of the piston is smaller than the front surface acted upon by the control pressure.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is shown in the drawing and will be described in more detail below described.

Das dargestellte Ausführungsbeispiel weist eine Zweistufen-Brennstoffpumpe auf. Die Niederdruckpumpe 10 ist eine Kreiselpumpe, die Brennstoff aus dem Tank 11 saugt. Sie wird vom Hochdruckrotor einer zwei Rotoren aufweisenden Gasturbinenanlage angetrieben, die mit Brennstoff versorgt werden soll. Die Drehzahl der Pumpe 10 hängt von der Drehzahl des Hochdruckrotors ab, wodurch der Förderdruck drehzahlabhängig ist. Die Hochdruckpumpe 12 ist ebenfalls eine Kreiselpumpe. Diese wird von einer Luftturbine 13 angetrieben, die mit Luft unter einem Druck P2 versorgt wird, welcher von der ersten Kompressorstufe der Gasturbinenanlage abgezapft wird und dabei vom Luftsteuerventil 14 beeinflußt wird.The illustrated embodiment has a two-stage fuel pump. The low pressure pump 10 is a centrifugal pump that draws fuel from the tank 11. It becomes one of two from the high pressure rotor Rotors having gas turbine system driven, which is to be supplied with fuel. The speed the pump 10 depends on the speed of the high-pressure rotor, whereby the delivery pressure is speed-dependent is. The high pressure pump 12 is also a centrifugal pump. This is generated by an air turbine 13 driven, which is supplied with air under a pressure P2 which is tapped from the first compressor stage of the gas turbine system and thereby from Air control valve 14 is influenced.

Der Brennstofffluß zur Brennkammer der Gasturbinenanlage wird durch ein Brennstoffsteuerventil 15 und ein Abflußventil 16, die in Reihe geschaltet sind, reguliert. Das Brennstoffsteuerventil 15 liat einen Steuerkolben 17, der im Inneren eines mit Öffnungen versehenen Körpers 18 durch ein Stellglied 19 bewegbar ist. Der Steuerkolben 17 reguliert auch den Öffnungs- bzw. Schließzustand zweier weiterer öffnungen 20,21, und zwar aus Gründen, die nachstehend noch erläutert werden.The fuel flow to the combustor of the gas turbine system is through a fuel control valve 15 and a drain valve 16, which are connected in series, regulated. The fuel control valve 15 is one Control piston 17, which is actuated inside a body 18 provided with openings by an actuator 19 is movable. The control piston 17 also regulates the opening or closing state of two further openings 20, 21 for reasons that will be explained below.

Das Abflußventil 16 hat einen Steuerkolben 22, der durch Drücke bewegbar ist, die dessen gegenüberliegende Enden in einem mit Öffnungen versehenen Körper 23 beaufschlagen. Ein Ende des Steuerkolbens 22 hat eine abgestufte Form mit einem Kolben 25 reduzierten Durchmessers, der in einem Zylinder 26 verschiebbar ist. Die Kammer des Körpers 23, in der die Abstufung des Steuerkolbens 22 sitzt, ist über eine Niederdruck-Rücklauf leitung 48 und ein Rückschlagventil 27 mit der Saugseite der Pumpe 10 verbunden. Der Zweck des Abflußventils 16 besteht darin, den Brennstofffluß durch das Brennstoffsteuerventil 15 auf einen solchen Wert zu drosseln, daß ein bestimmter Druckabfall durch das Ventil 15 vorhanden ist.The drain valve 16 has a control piston 22 which can be moved by pressures opposite thereto Pressurize ends in a body 23 provided with openings. One end of the control piston 22 has a stepped shape with a piston 25 of reduced diameter seated in a cylinder 26 is movable. The chamber of the body 23, in which the gradation of the control piston 22 sits, is via a Low pressure return line 48 and a check valve 27 is connected to the suction side of the pump 10. The purpose of the drain valve 16 is to To throttle fuel flow through the fuel control valve 15 to such a value that a certain Pressure drop through valve 15 is present.

Zu diesem Zweck ist ein Druckabfall-Fühlerventil 28A pressure drop sensing valve 28 is provided for this purpose

vorgesehen. Dieses Ventil 28 besteht aus einem Steuerkolben 29, der in einem Körper 30 verschiebbar ;,st, welcher mit zwei innenliegenden Nuten 31, 32 versehen ist, deren Verbindung miteinander durch den Steuerkolben 29 reguliert wird. Der Steue'-kolben 29 und die Nuten 31, 32 können als eine Meßöffnung angesehen werden. Eine Feder 33 wirkt auf diesen Steuerkolben 29 und drückt ihn nach links gemäß der Darstellung in der Zeichnung, um damit diese Meßöffnung zu schließen.intended. This valve 28 consists of a Control piston 29, which is displaceable in a body 30;, st, which has two internal grooves 31, 32 is provided, the connection of which is regulated by the control piston 29. The control piston 29 and the grooves 31, 32 can be regarded as a measuring port. A spring 33 acts on this Control piston 29 and pushes it to the left as shown in the drawing in order to this To close the measuring opening.

Ein Druck^ignal, das vom Druck stromabwärts vom Ventil 15 abgeleitet ist, beaufschlagt das links liegende Ende des Steuerkolbens 29 und drückt ihn in Öffnungsrichtung. Dieses Drucksignal wird über ein Mediumpotentiometer abgeleitet, das aus einer festen Drosselstelle 34 und den Öffnungen 20 des Ventils 15 gebildet ist, die in Reihe zwischen die Seiten des Ventils 15 stromaufwärts und stromabwärts geschaltet sind. Das Drucksignal, das das links liegende Ende des Steuerkolbens 29 beaufschlagt, ist das, welche., zwischen der Drosselsstelle 34 und den öffnungen 20 besteht.A pressure signal, which is derived from the pressure downstream of the valve 15, acts on the one on the left End of the control piston 29 and pushes it in the opening direction. This pressure signal is via a Medium potentiometer derived from a fixed Throttle 34 and the openings 20 of the valve 15 is formed in series between the sides of the valve 15 are connected upstream and downstream. The pressure signal that the left end of the Control piston 29 is applied, which., Between the throttle point 34 and the openings 20.

Das rechts liegende Ende des Steuerkolbens wird durch den Druck stromabwärts vom Ventil 15 beaufschlagt. Die Differenz zwischen den Drücken an den beiden Enden bewirkt also eine Kraft auf den Steuerkolben, die von links nach rechts wirkt und der sich die Feder 33 entgegenstellt. Der Steuerkolben 29 nimmt damit eine Position ein, die von dieser Druckdifferenz bestimmt wird.The end of the control piston on the right is activated by the pressure downstream of the valve 15 applied. So the difference between the pressures at the two ends creates a force on the Control piston which acts from left to right and which the spring 33 opposes. The control piston 29 thus assumes a position that is determined by this pressure difference.

Die öffnung, die durch die Nuten 31, 32 und den Steuerkolben 29 des Ventils 28 gebildet ist, ist in Reihe mit einer festen Durchflußdrosselstelle 35 zwischen der Seite des Ventils 16 stromabwärts und der Niederdruck-Rücklaufleitung 48 verbunden. Die Nut 31 ist ferner mit dem unteren Ende des Ventils 16 verbunden, um den Steuerkolben 22 nach oben zu drücken, d.h. in eine Richtung, die das Ventil 16 öffnet. Der Kolben 25 des Ventils 16 wird von einem Drucksignal beaufschlagt, das vom Druck stromabwärts vom Ventil 16 abgeleitet wird, wobei eine Verbindung über zwei Drosselstellen 36,37 in Reihe erfolgt. Eine weitere Verbindung wird von einer Stelle zwischen diesen Drosselstellen 36, 37 über eine weitere Drosselstelle 38 und ein Rückschlagventil 39 zur Seite stromabwärts zu einem Absperrhahn 40 hergestellt, der stromabwärts vom Ventil 16 mit diesem in Reihe angeordnet ist. Im normalen Betrieb tritt nur ein geringer Druckabfall durch den Absperrhahn 40 auf, so daß kein nennenswerter Druckabfall durch die Drosselstelle 36 auftritt. Das zum Kolben 25 geleitete Drucksignal ist im wesentlichen gleich dem Druck stromabwärts vom Ventil 16. Brennstoff kann durch die Niederdruckrücklaufleitung 48 in einen Raum 49 und aus diesem fließen, der sich im Abflußventil 16 befindet.The opening, which is formed by the grooves 31, 32 and the control piston 29 of the valve 28, is in series with a fixed flow restriction 35 between the downstream side of valve 16 and the low pressure return line 48 connected. The groove 31 is also connected to the lower end of the valve 16 to the To push control piston 22 upwards, i.e. in a direction which opens valve 16. The piston 25 of the Valve 16 is acted upon by a pressure signal derived from the pressure downstream of valve 16, a connection being made via two throttle points 36, 37 in series. Another connection is made by a point between these throttle points 36, 37 via a further throttle point 38 and a check valve 39 to the side downstream to a shut-off valve 40, the downstream of the valve 16 with this is arranged in series. During normal operation, there is only a slight pressure drop through the shut-off valve 40, so that no significant pressure drop occurs through the throttle point 36. That directed to piston 25 The pressure signal is essentially equal to the pressure downstream of valve 16. Fuel can pass through the The low-pressure return line 48 flows into and out of a space 49 which is located in the drain valve 16.

Das Ventil 16 befindet sich im Gleichgewicht, wenn das Verhältnis der Drücke, die auf das untere Ende des Steuerkolbens und auf den Kolben 25 ausgeübt werden, gleich dem Verhältnis der Querschnittsflächen des Kolbens 25und des Steuerkolbens 22 istThe valve 16 is in equilibrium when the ratio of the pressures applied to the lower end of the Control piston and applied to the piston 25, equal to the ratio of the cross-sectional areas of the Piston 25 and the control piston 22 is

Das geschieht nur in einer bestimmten Position des Steuerkolbens 29 und damit nur während eines bestimmten Druckabfalls im Ventil 15. Das beschriebene System zum Positionieren des Steuerkplbens 22, um einen genauen Druckabfall im Ventil i5 zu erhalten, ist sehr exakt da es keine hohe Kreisverstärkung enthält, die zu einer Unstabilität führen würde.This only happens in a certain position of the control piston 29 and thus only during one certain pressure drop in valve 15. The described system for positioning the control piston 22 to Obtaining an exact pressure drop in valve i5 is very precise as it does not contain a high loop gain, which would lead to instability.

Das Luftsteuerventil 14 wird durch eine Stellvorrichtung gesteuert, die einen Differenzflächenkolben 41 aufweist, welcher in einem Zylinder 42 verschiebbar ist Die Seite des Kolbens 41 mit der größeren Fläche wird dem gleichen Drucksignal wie der Kolben 25 des Ventils 16 ausgesetzt, wodurch der Kolben 41 in einer Richtung bewegt wird, die das Luftsteuervenlil 14 öffnet. Eine Feder 47 und ein Drucksignal von der Druckseite der Pumpe 12 beaufschlagen die Seite des Kolbens 41 mit der kleineren Fläche. Das genannte Drucksignal wird zwischen einem Ventil 43, das einen festen Druckabfall liefert, und einer Drossel 44 in Reihe zwischen der Druckseite der Pumpe 12 und der Rücklaufleitung 48 erhalten. Somit bewirkt ein fallender Druck stromabwärts vom Ventil 16 oder ein steigender Druck an der Druckseite der Pumpe 12 ein Schließen des Luftsteuerventils 14. Die Stellvorrichtung arbeitet derart, daß ein bestimmter Pumpenförderdruck für einen bestimmten Druck stromabwärts vom Ventil 16 geliefert wird, der in Beziehung zum Durchfluß zum Turbinenbrenner stehtThe air control valve 14 is controlled by an actuating device which has a differential area piston 41 which is displaceable in a cylinder 42 is the side of the piston 41 with the larger area exposed to the same pressure signal as the piston 25 of the valve 16, causing the piston 41 in one direction which opens the air control valve 14. A spring 47 and a pressure signal from the pressure side of the Pump 12 act on the side of piston 41 with the smaller area. The said pressure signal is between a valve 43, which provides a fixed pressure drop, and a throttle 44 in series between the The pressure side of the pump 12 and the return line 48 are obtained. Thus, a falling pressure causes downstream from the valve 16 or a rising pressure on the pressure side of the pump 12, a closing of the air control valve 14. The adjusting device works in such a way that a certain pump delivery pressure for a certain Pressure is provided downstream of valve 16 which is related to the flow to the turbine burner

Wenn eine plötzliche Stellungsänderung des Steuerkolbens 17 auftritt, d. h. wenn mehr Brennstoff verlangt wird, verringert sich der Druckverlust durch das Ventil 15 plötzlich, und der Druck, mit dem das untere Ende des Steuerkolbens 22 beaufschlagt wird, erhöht sich plötzlich. Als Folge davon wird Brennstoff aus dem Zylinder 26 mit hohem Druck verdrängt Dieser Brennstoff kann direkt in den Zylinder 42 fließen, um damit das Ventil 14 schneller zu öffnen, als das der Fall wäre, wenn das öffnen des Ventils 14 nur von der Erhöhung im Druck stromabwärts vom Ventil 16 abhängig wäre. Als eine Folge davon wird eine Unstabilität beseitigt, die eine Verzögerung in der Luftdrosselregelung erzeugt.If there is a sudden change in position of the control piston 17, i. H. when more fuel is required becomes, the pressure loss through the valve 15 suddenly decreases, and so does the pressure with which the lower end of the control piston 22 is applied, increases suddenly. As a result, fuel will run out of the Cylinder 26 displaced at high pressure. This fuel can flow directly into cylinder 42 in order to so that the valve 14 to open faster than would be the case if the opening of the valve 14 only from the Increase in pressure downstream of valve 16 would be dependent. As a result, a Eliminated instability that created a delay in air throttle control.

Die öffnungen 21 des Ventils 15, auf die vorstehend Bezug genommen worden ist, regulieren den Durchfluß von Brennstoff während des Leerlaufs und liegen in Reihe mit einer Drosselstelle 45. Eine elektrisch angetriebene Pumpe 46 liefert den Brennstoff und einen Servodruck zum Anlassen.The orifices 21 of the valve 15 referred to above regulate the flow of fuel during idling and are in series with a throttle 45. One electrical powered pump 46 provides the fuel and servo pressure for cranking.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Fuel control device for a gas turbine system, consisting of one of a controllable Air turbine driven fuel pump, a fuel control valve and this downstream drain valve, which keeps the pressure loss in the fuel control valve almost constant, wherein a valve controlling the air supply to the air turbine is provided which is connected by a a hydraulic pressure source derived from the regulated fuel pressure The actuating device is characterized in that the actuating device (41, 42) is connected via a throttle (37) to the pressure source that the drain valve (16) a Has cylinder (26), the pressure chamber of which is in communication with the actuating device (41, 42), and that in the cylinder (26) a piston (25) is movable, which when the drain valve (16) opens Pressurized fluid is displaced from the cylinder (26), through which the adjusting device (41, 42) the air control valve (14) opens.

2. Fuel control device according to claim 1, characterized in that the piston (23) with one end of a control piston (22) of the drain valve (16) is connected and that of one of the Pressure loss in the fuel control valve (15) depending on the control pressure applied to the other end face of the control piston (22) counteracts, the effective area of the piston (25) being smaller than that of the Control pressure applied end face.