DE2434048A1

DE2434048A1 - Brennstoffregelsystem fuer gasturbine

Info

Publication number: DE2434048A1
Application number: DE19742434048
Authority: DE
Inventors: Trevor Stanley Smith
Original assignee: Lucas Aerospace Ltd
Current assignee: Northrop Grumman Properties Ltd
Priority date: 1973-07-18
Filing date: 1974-07-16
Publication date: 1975-02-06
Also published as: FR2238045A1; JPS5042206A; GB1465479A; FR2238045B1; IT1016437B

Description

COHAUSZ & FLORACK

PATHNTANWALTS B ÜR O D-4 DÜSSELDORF · SCHUMANN8TR. 97

PATENTANWÄLTE:
Dipl.-Ing. W. COHAUSZ ■ Dipl.-Ing. W. FLORACK - Dipl.-Ing. R. KNAUF · Dr.-Ing., Dipl.-Wirtsch.-Ing. A. GERBER · Dipl.-Ing. H. B. COHAUSZ

Lucas Aerospace Limited

Well Street

GB-Birmingham . I5. Juli 1974

Brennstoffregelsystem für Gasturbine

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffregelsystem für eine Gasturbine.

Erfindungsgemäß ist ein Brennstoffregelsystem für eine Gasturbine gekennzeichnet durch eine regelbare Dosiervorrichtung, die auf Betriebsbedingungen der Turbine zur Bestimmung des BrennstoffStroms zur Turbine anspricht, einen durch einen Teil der Dosiervorrichtung angreifbaren Anschlag zur Begrenzung der Bewegung desselben in eine Richtung zur Verringerung des Brennstoffstroms und auf eine Wahlvorrichtung in Zuordnung zur Turbine ansprechende Mittel zum Stellen des Anschlags in eine erste Position für ein normales Laufen der Turbine und in eine zweite Position für das Anlaufen der Turbine, wobei die zweite Position einem geringeren Mindestdurchfluß duarch die Dosiervorrichtung entspricht.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die auf die Wählvorrichtung ansprechenden Mittel durch sin© Kurvenführung gebildet, die mit dem Anschlag zusammenwirkt und zum Drücken desselben in die erste bzw. zweite Position bewegbar ist.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die regelbare Dosiervorrichtung eine in Erwiderung auf sine Erhöhung im Abgabedruck eines Kompressors der Turbine bewegbare Hülse zur Erhöhung des Brennstoffstroms auf, und der genannte Anschlag wirkt mit

Wa/Ti - 2 -

409886/0450

der Hülse zur Begrenzung der Bewegung derselben zusammen.

In einem weiteren bevorzugten AusfüJirungsbeispiel weist das System ein Absperrventil stromabwärts von der Dosiervorrichtung auf, wobei die Wählvorrichtung in einer ihrer Positionen so betätigbar ist, daß das Absperrventil geschlossen wird, während sie in zwei anderen ihrer Positionen zur Bewegung des Anschlags in seine erste bzw. zweite Position betätigbar ist.

Me Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen sind Fig. 1 bis J schematische Darstellungen der verschiedenen Teile eines Brennstoffregelsystems. Die Zeichnungen müssen im Zusammenhang gesehen werden.

In der Zeichnung sind die Teile einer Brennstoffregelanordnung für eine Dreiläufer-Gasturbine 10 gezeigt, das heißt, für eine Turbine mit drei Kompressoren und drei zugehörigen Turbinen, die auf konzentrischen Wellen sitzen.

Eine Kreiselpumpe 11 liefert Brennstoff zu eiiner Verdrängungspumpe 12, die von der Turbine 10 angetrieben wird. Ein federbelastetes Druckminderventil 15 ist an die beiden Seiten der Pumpe 12 angeschlossen.

Stromabwärts von der Pumpe 12 befindet sich eine regelbare Dosiervorrichtung 14f zu der eine Hülse 15a gehört, die in einem Körper 16 einer feststehenden Hülse 15b gegenüber verschiebbar ist. In den Hülsen 15a_f 15fr ist eine weitere Hülse 17 verschiebbar. Die Hülse ^^ hat dreieckige Öffnungen 18, die sich einem Spalt 19 gegenüber bewegen können, der zwischen den Hülsen 15a, 15b gebildet ist, um eine regelbare Dosierblende zu schaffen.

Die Hülse 15a ist in eine Richtung der Hülse 17 gegenüber bewekgbar, um den Brennstoffstrom zu reduzieren, und zwar durch eine Fliehgewichtsanordnung 20, die von der Hochtourenwelle der Turbine 10 angetrieben wird. An der Hülse 15a greift ein Hebel 21 an, der gemäß der

409886/0450

Darstellung in Pig. 1 zur Bewegung um eine feststehende Achse 22 gelagert ist und einen Ann 23 hat, der an einem Rand mit einer Auflauffläche 24 versehen ist. Ein llockenelement 25 hat zwei Nockenflächen 26, 27, die längs gegenüberliegender Seiten des Elements 25 ausgebildet sind. Zwei Lagerrollen 28, 29 greifen an der Nockenfläche 27 an, und die Positionen der Rollen 28, 29 sind durch Gewindeschafte einstellbar.

Eine übertragungsvorrichtung 30 besteht aus einem Träger J1, an dem zwei Arme 32, 33 schwenkbar gelagert sind. Lagerrollen 34» 35 an den Enden des betreffenden Arms 32, 33 greifen an den Auflaufflächen 24 und 26 an. Die Rollen 34· 35 sind gegen die betreffenden Nockenflächen durch eine Feder 36 nach außen gespannt, wobei die Anordnung eine solche ist, daß die Feder J>6 durch den Hebel 21 für ein Spannen der Hülse I5 in Richtung gegen eine Bewegung durch die Fliehgewichtsanordnung 20 sorgt.

Der Träger 3I ist zur Schwenkbewegung um eine feststehende Achse zwischen den Auflaufflächen 24, 26 gelagert, so daß die Bewegung auf Grund der Kraft der Feder 36 um den Drehpunkt 22 und damit die auf die Hülse 15a ausgeübte Spannung veränderlich ist. Der Träger 3I ist durch eine Kurvenführung 37 bewegbar, die ihrerseits auf einen Hebel 38 anspricht, der aus einer mittleren Leerlaufposition, die in Fig. 1 gezeigt ist, in die eine oder in die andere Richtung bewegbar ist, um einen Schub nach vorn oder nach hinten von der Turbine 10 zu fordern. Die Kurvenführung 37 hat eine solche Form, daß die angeforderte Leistung für eine entsprechende Turbinenbewegung aus der Leerlaufposition die gleiche für Schub nach vorn wie nach hinten ist. Es versteht sich, da.C ein Schub nach hinten von der Turbine 10 durch BEDeflektoren (nicht dargestellt) erreicht v/ird, die in Erwiderung auf die Bewegung des Hebels 38 betätigt werden.

Das Nockenelement 25 ist an einer Koppel 39 frei verschewenkbar gelagert, die ihrerseits an einem Hebel 40 frei schwenkbar gelagert ist, der um eine feststehende Achse 4I bewegbar ist. Der Hebel 40 ist

- 4 409886/0450

durch eine Feder 42 in Richtung auf eine Kantenkurvenführung· 45 gespannt, die von einem Schrittmotor 44 angetrieben wird. Der Motor 44 wird von Ausgangsimpulsen von einer Steuerschaltung 45 gesteuert. Die Schaltung 45 ist eine Digitalschaltung, die auf die Drehzahl IL. der Hochtourenwelle der Turbine 10 anspricht, ferner auf die Temperatur T₁ an der Saugseite des Turbinekompressors, auf die Machzahl MF und auf die Höhe des Flugzeugs, das mit der Turbine 10 ausgerüstet ist, weiter auf die Abgastemperatur T„ der Turbinenbrennkammer, auf die Position θ des Hebels 58 und auch auf die Stellung eines Wahlschalters 46, um den Motor 44 anzutreiben und damit' die Kuvrvenüführung 45 zu drehen, damit das ETockenelement 25 nach oben gemäß der Darstellung in Fig. 1 bewegt wird. Eine Bewegung des Nockenelements 25 nach oben führt zu einer Drehung desselben nach links um dessen Schwenkverbindung mit der Koppel 59 und damit zu einer Erhöhung der Spannung der Feder 55 auf die Hülse 15 »bei einer bestimmten Position des Trägers 3I · Der Wahlschalter 46 ist von Hand bedienbar, um den benötigten Betriebsarten eines Flugzeugs zu entsprechen, das mit der Turbine 10 ausgerüstet ist, beispielsweise Starten, maximale Steigung und maximaler Gleitflug.

Bei Ausfall der Schaltung 44 kann die Kurvenführung 43 durch eine weitere Kurvenführung 47 außer Funktion gesetzt werden. Die Kurvenführung 47 ist drehba, um den Hebel 40 von der Kurvenführung wegzuheben, und zwar durch einen Wahlhebel 4ö, wenn dieser in eine Position bewegt wird, die mit A in Fig. 3 bezeichnet ist.

Gemäß Fig. 2 ist die Hülse I7 der regelbaren Dosiervorrichtung Η durch einen Hebel 50 bewegbar, der mit einer Balganordnung gekoppeltist, die zwei Balgeinheiten 51, 52 im Tandem hat. Die Einheit 51 ißt leergepumpt, und die Einheit 52 wird innen durch einen Zwiechendruck P vom Turbinenkompressor beaufschlagt. Beide Einheiten 5I, 52 werden außen durcheinen Druck P._p beaufschlagt, der durch ein Mediumpotentiometer abgeleitet wird, bestehend aus einer Drosselstelle 53 und einem Venturi 54, die in Reihe zwischen den Druck P, und einen Druck P. geschaltet sind, der vom Ausgang der letzten Kompressorstufe der Turbine abgeleitet wird.

- 5 -409886/04S0

Im Betrieb ist deshalb die regelbare Dosiervorrichtung 14 auf eine Erhöhung im Druck P._p oder auf eine Abnahme im Druck P so wirksam, daß
der Brennstoffstrom verstärkt wird. Die Vorrichtung 14 spricht außerdem auf eine Erhöhung der Druckzahl E der Hochtourenwelle der Turbine

π.

an, um den Brennstoffstrom zu verringern, und die Hülse 15 wird gegen eine Bewegung durch die Schwunggewichtsanordnung 20 gespannt, und
zwar durch deie Feder J6, die durch den Hebel 21 wirkt. Deie durch die Feder J6 ausgeübte Spannung wird ctarch die Bewegung des Hebels 58 iⁿ
die eine oder in die andere Richtung aus seiner mittleren Leerlaufposition erhöht. Die Bewegung der Hülse 15 wird durch einstellbare
Anschläge 55> 56 begrenzt, die effektiv zu einer Begrenzung der Beschleunigung und Verzögerung dienen.

Die Bewegung der Hülse 17 in eine Richtung zur Verringerung des Brennstoff Stroms wird durch einen Anschlag 57 begrenzt. Der Anschlag 57 ist durch eine Kurvenführung 58 bewegbar, die durch einen V/ahlhebel 48 drehbar ist. Der Anschlag 57 ist zwischen einer in Fig. 2 gezeigten ersten Position, die durch die Position B des Hebels 48 gewählt wird, und
einer zweiten Position bewegbar, die durch die Positionen C oder D des Hebels 48 gewählt wird. Die Position B dee Hebels 48 entspricht einem
normalen Lauf der Turbine 10, und die Positionen C und D entsprechen
Turbinenlanlaufbedingungen mit "Brennstoffanreicherung" bzw. mit "Brennstoffminderung". Der Anschlag sorgt bei einer bestimmten Turbinendrehzahl, die durch die Position der Hülse I5 wiedergegeben wird, für einen geringsten Brennstoffstrom durch die Dosiervorrichtung 14·

Durch die Hülse I7 erstreckt sich axial ein Schaft 60, der in einem
Kolbenelement 61 endet, da§ in einer mit Öffnungen versehenen Hülse 62 verschiebbar ist. Die Enden der Hülse 62 stehen mit der Seite stromaufwärts bzw. stromabwärts der regelbaren Dosiervorrichtung I4 in Verbindung. Die Hülse 62 hat öffnungen 63, die über einen Kanal 64 mit der
Seite der Pumpe 12 stromaufwärts in Verbindung stehen. Das Element 61
bildet damit ein Überströmventil für die Dosiervorrichtung 14·

Auf dem Schafet 60 an dem Kolbenelement 61 ist ein weiteres Kolbenele-

409886/0450

ment 65 verschiebbar. Die Gleitbewegung des Elements 65 wird in beide Richtungen durch einen Vorsprung 66 am Schaft 60 begrenzt. Das Element 65 wirkt mit weiteren Öffnungen 67 in der Hülse 62 zuDammen, um ein Drosselventil in Reihe mit der Dosiervorrichtung I4 zu bilden. Die Öffnungen 67 stehen über einen Kanal 68 mit einer weiteren Ventilanordnung 69 in Verbindung, die noch zu beschreiben sein wird. Das Element 65 wird in eine Richtung zum Freilegen der öffnungen 67 durch den Druck stromabwärts von der Dosiervorrichtung I4 und in entgegengesetzte Richtung durch eine Feder 70 beaufschlagt, die auch am Kolbenelement 61 angreift. Das Kolbenelement 65 ist so ausgebildet, daß der liaum zwischen den Elementen 61, 65 immer dem Druck im Kanal 63 ausgesetzt wird.

Am Schaft 60 greift ein weiterer Satz Reglerschwunggewichte ΊΪ an, die auch mit der Drehzahl N„ der Hochtourenwelle der Turbine angetrieben werden. Die Schwunggewichte 7I werden durch eine Feder 72 ge-

gegn eine Bewegung in Erwiderung auf eine Erhöhung der Drehzahl It_Tr geil

spannt. Die Feder 72 gibt damit eine Mindestkraft am Schaft 60 vor, und durch Drücken desaelben in Richtung auf eine geschlossene Position auch einen geringsten Druckabfall an der regelbaren Dosiervorrichtung 14· Ein adäquater Durchflußwert beim Anlaufen wird damit geschaffen. Dieser Anlauf-Durchflußwert spricht auf die Höhe als Folge der Bewegung der Hülse 17 durch die Balgeinheiten 51? 52 an.

Die Seite der Dosiervorrichtung I4 stromabwärts steht über einen Kanal 73 und einen Absperrhahn 74 mit Pilotbrennern der Turbine 10 in Verbindung. Der Hahn 74 wird durch den Wahlhebel 48 betätigt, damit er in allen Positionen des Hebels 48 außer in der Stellung E offen ist, die dem Stillstand der Turbine entspricht.

Das Kolbenelement 61 wird gegen den Abgabedruck der Pumpe 12 und in eine Richtung zum Verringern des tfberlaufs und zur Ermöglichung eines Öffnens des Drosselventils durch das Element 65 durch eine Feder 75 gespannt. Die von der Feder 75 ausgeübte Kraft ist durch eine Kurven-

409886/0450

führung 76 veränderlich, die durch den Wahlhebel 48 so drehbar ist, dab in der Position C des Hebels 48 (die dem Anlaufen mit Brennstoffanreicherung entspricht) die Federkraft verstärkt und der i/berlauf verringert wird.

Während des Anlaufens ist der Druck stromabwärts von der Dosiervorrichtung niedrig, und die Feder 70 überwindet diesen Druck, um das Kolbenelement 65 «so zu beaufsdlagen, daß das Drosselventil geschlossen wird. Im wesentlichen der gesamte Brennstoff, der von der Pumpe 12 geliefert wird, wird damit über den Kanal 73 den Turbinenpilotbrennern zugeleitet. Bei niedrigen Werten des Brennstoffstroms durch die Dosiervorrichtung I4 wirkt das Drosselventil damit wie ein Druckbeaufsch lagungsventil, um den Druck im Kanal 73 über dem in dem Kanal 68 um einen Wert zu halten, der nicht unter einem Mindestwert abfällt, der durch die Feder 70 vorgegeben ist.

Wenn die Turbinendrehzahl auf den Wert ansteigt, 4bei dem die Schwunggewichte 71 die Feder 72 überwinden, erhöht sich der Brennstoffdurchflu3 durch die Vorrichtung I4, und die Brennstoffzufuhr der Pumpe erhöht sich ebenfalls. Die Drücke stromaufwärts und stromabwärts von der Dosiervorrichtung 14 erhöhen sich folglich. Der Druck stromabwärts überwindet die Kraft, die von der Feder 70 ausgeübt wird, und das Element 61 greift am Element 65 an. Diese Elemente bewegen sich im wesentlichen als eine Einheit und sprechen auf die Differenz in den Drücken dan der Dosiervorrichtung 14 an. Die Elemente 6.1, 65 sprechen über die Schwunggewichte T\ ebenfalls auf die Drehzahl N₁₁ der Turbine an. Unter diesen Umständen wirken damit die Elemente 61, 65 so, daß der Druckunterschied an der Dosiervorrichtung 14 im wesentlichen für irgendeine Drehzahl N konstant gehalten wird.

Das Ventil 69 (Tig. 3) zwischen den Kanälen 68 und den Turbinenhauptbrennern hat zwei Auslässe 77, 78, die jeweils mit dem Kanal 68 bzw. mit den Hauptbrennern in Verbindung stehen. Ein Steuerkolbenelement 79 ist so bewegbar, daß der Strom vom Kanal 68 zwischen die Auslässe 77, 78 aufgeteilt wird. Das Element 79 spricht auf den Druck im Ka-

409886/0450

243A0A8

nal 68 an und ist mit Erhebungen unterschiedlicher Durehmesser versehen, um durch den Druck im Kanal 68 in eine Sichtung zur Erhöhung . des Durchflusses durch den Auslas 77 und zur Verringerung; des Durchflusses durch den Auslaß 78 beaufschlagt zu werden. Das Element 79 wird ferner durch eine Feder 80 und durch ein Hochdrucksignal in die gleiche Richtung beaufschlagt, das über eine Leitung 81 von Auslaß der Pumpe 12 abgeleitet wird. Das Element 79 wird in die entgegengesetzte .Richtung durch ein Servodrucksignal in einer Kammer 82 in die entegegengesetzte Richtung beaufschlagt, das vom Druck in der Leitung 81 über eine Drosselstelle 85 abgeleitet wird. Die Kammer 82 steht über eine Öffnung 84, einem Kanal 85 und einer Pilotventilanordnung 86 mit dem Kanal 68 in Verbindung. Eine Öffnung 84 ist so angeordnet, daß sie in Zusammenwirken mit dem größeren Ende des Steuerkolbenelements 79 ein Ventil bildet. Es kann damit ein Zustand eintreten, bei dem die Öffnung 84 teilweise geschlossen ist und edie Kräfte auf das Element 79 im Gleichgewicht sind. In diesem Gleichgewichtszustand bleibt die Öffnung 78 zumindest teilweise offen, so daß die Hauptbrenner nicht ausgehen.

Das Pilotventil 86 wird durch einen Drehmomentenmotor 87 angetrieben, der auf eine elektronische Steuerschaltung 88 anspricht. Die Schaltung 88 empfängt Signale, die von den Drehzahlen 1T_T, N_ der Niedertouren- und Zwischentouren-Turbinenwellen und auch von der Temperatur T„ abhängig sind, so daß eine Erhöhung über bestimmte Werte dieser G-rößen hinaus zu einem Öffnen des Pilotventils führt, so daß der Servodruck in der Kammer 82 reduziert wird und damit der Brennstoffstrom zu den Hauptbrennern der Turbine reduziert wird.

Ein Hebel 86 hat einen einstellbar angeordneten Drehzapfen 90 und ist zum Anlegen sowohl an dem Steuerelement des Pilotventils 66 als auch am Hebel 50 der regelbaren Dosiervorrichtung 14 vorgesehen, wenn der Hebel 50 um mehr als ein bestimmtes Maß in Erwiderung auf die Drücke P- und P.ρ bewegt worden ist. Der Hebel 89 wirkt damit so, daß der Brennstoffstrom zur Turbine verringert wird, um die Differenz wzwi-

- 9 409886/0450

sehen den Drücken P₂ und P._ zu begrenzen und damit einean maximalen

5 4P

Kompressorförderdruck zu bestimmen.

Die Kammer 82 des Ventils &9 steht ferner über einen Kanal $Λ und
einen Absperrhahn 92 mit dem Kanal 68 in Verbindung. Der Absperrhahn <j2 wird durch den Wahlhebel 48 so betätigt, daß er nur dann geöffnet wird, wenn dieser sich in der Position E befindet, d.h. in der Position, bei der die Turbine abgeschaltet ist. Wenn der Hahn ^2 offen
ist, fällt der Servodruck in der Kammer 82, um ein vollständiges
Schließen des Auslasses 7Θ zu bewirken und allen zum Ventil 69 fließen Brennstoff zur Seite der Pumpe 12 stromaufwärts zurückzuleiten.

Ansprüche

409886/0450

Claims

Ansprüche

Brennstoff regelsystem für eine Gasturbine, gekennzeichnet durch eine regelbar· Dosiervorichtung, die auf Betriebsbedingungen der Turbine zur Bestimmung des Brennstoff Stroms zur !Turbine anspricht, einen durch einen Teil der Dosiervorrichtung angreifbaren Anschlag zur Begrenzung der Bewegung desselben in eine Richtung zur Verringerung des Brennstoffstroms und auf eine Wahlvorrichtung in Zuordnung zur Turbine ansprechende Mittel zum Stellen des Anschlags in eine erste Position für ein normales Laufen der Turbine und in eine zweite Position für dag Anlaufen der Turbine, wobei die zweite Position einem geringeren Mindestdurchfluß durch die Dosiervorrichtung entspricht.
2. Brennstoffregelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Wahlvorrichtung ansprechenden Mittel eine Kurvenführung aufweisen, die mit dem Anschlag zusammenwirkt und zum Drücken desselben in die erste bzw. zweite Position bewegbar ist.
3. Brennstoffregelsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurehgekennzeichnet , daß die regelbare Dosiervorrichtung eine in Erwiderung auf eine Erhöhung im Abgabedruck eines Kompressors der Turbine bewegbare Hülse zur Erhöhung des BrennstoffStroms aufweist und daß der Anschlag mit der Hülse zur Begrenzung der Bewegung derselben zusammenwirkt.

4· Brennstoffregelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnetdurch ein Absperrventil stromabwärts von der Dosiervorrichtung, wobei die Wahlvorrichtung in einer ihrer Positionen so betätigbarist, daß das Absperrventil geschlossen wird, während sie in zwei anderen ihrer Positionen zur Bewegung des Anschlags in seine erste bzw. zweite Position betätigbar ist.

28 264
Wa/T9

A09886/0450