DE2453764C2 - Vorrichtung zum Regeln der Brennstoffzufuhr einer Gasturbinenanlage - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln der Brennstoffzufuhr einer Gasturbinenanlage.

Es ist bekannt, bei einer solchen Vorrichtung ein Hauptbrennstoffzumeßventil vorzusehen sowie ein diesem nachgeschaltetes Begrenzungsventil, dessen Ventilkörper durch einen von einer Vorsteuerventileinrichtung beeinflußten Servodruck gesteuert ist, wobei die Vorsteuerventileinrichtung eine erste Feder aufweist, deren Kraft jene auf Betriebskenngrößen der Gasturbinenanlage ansprechenden elektrischen Bctäti- 6" gungseinrichtung entgegengesetzt ist (US-PS 57 552). Bei einer solchen Vorrichtung kann dann, wenn das Hauptbrennstoffzumeßventil sich infolge einer fehlerhaften Funktion schließt, die Turbinendrehzahl unter einen unteren Grenzwert fallen.

Aufgabe der Erfindung ist, eine Vorrichtung zu schaffen, die diesen Nachteil nicht aufweist.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei der vorgenannten Anordnung eine Stellungsrückführung zwischen dem Ventilkörper und der Vorsteuerventileinrichtung vorgesehen ist, daß die Vorsteuerventileinrichtung einen den Servodruck bestimmenden beweglichen Teil aufweist, der entgegen einer Federkraft durch einen von der Drehzahl eines Rotors der Gasturbinenanlage gesteuerten Stellantrieb verstellbar ist, wobei die Federkraft aus der evtl. durch die elektrische Betätigungseinrichtung verminderten Kraft der ersten Feder und der Kraft einer zweiten Feder zusammengesetzt ist, und daß die Vorsteuerventileinrichtung derart mit dem Begrenzungsventil abgestimmt ist, daß dieses nur oberhalb eines bestimmten Wertes der Drehzahl im Sinne einer Begrenzung der Brennstoffzufuhr wirksam ist.

Die Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert In den Zeichnungen ist

F i g. 1 eine Vorrichtung zum Regeln der Brennstoffzufuhr einer Gasturbinenanlage gemäß der Erfindung,

F i g. 2 + 3 abgewandelte Ausführungsformen des Begrenzungsventils einer solchen Vorrichtung.

F i g. 1 zeigt ein Zweiläufer-Turbinen-Triebwerk 10, d. h. ein Triebwerk mit zwei Turbinen- und Kompressoranordnungen, die aufgetrennten konzentrischen Wellen sitzen. Eine Verdrängungspumpe 11 veränderlichen Hubs wird von der Hochtouren-Triebwerkswelle angetrieben und führt Brennstoff zu einer veränderlichen Dcsieranordnung, zu der ein Hauptbrennstoffzumeßventil 13 und eine Einrichtung 12 gehört, die auf die Position θ eines Bedienungshebels für die Triebwerksdrehzahl anspricht, ferner auf die Abgabedrücke P₂, Pz des Niedertourenkompressors bzw. des Hochtourenkompressors, und auf die Drehzahl Nh der Hochtourenwelle des Triebwerks. Das Hauptbrennstoffzumeßventil 13 fördert Brennstoff über eine Leitung 14 zu einem Begrenzungsventil 15.

Die Verdrängung der Pumpe 11 ist durch einen Kolben 16 veränderlich, der durch eine Feder 17 in eine Vollhubpcsition vorgespannt ist. Der Kolben 16 wird durch den Ausgangsdruck der Pumpe 11 gegen die Feder 17 beaufschlagt. Die Feder 17 wird von dem Druck in einer Leitung 18 unterstützt, der in einer noch zu beschreibenden Weise abgeleitet wird.

Eine auf die Drehzahl der Turbine ansprechende Ventileinrichtung 19 wird von der Hochtourenwelle des Triebwerks angetrieben und liefert ein erstes Servodrucksignal an einer Leitung 20 zum Begrenzungsventil 15. Das Begrenzungsventil 15 hat einen Einlaß 21, der mit der Leitung 14 in Verbindung steht, einen Auslaß 22, der mit den Hauptbrennern des Triebwerks über ein Absperrventil 23 und eine Leitung 24 in Verbindung steht, und einen bewegbaren Ventilkörper 25. Der Druck im Auslaß 22 wird dem Kolben 16 der Pumpenhubregelung über eine Leitung 18 zugeleitet. Der Ventilkörper 25 ist bewegbar zwecks Erhöhung des Durchflusses durch den Auslaß 22 entsprechend einer Erhöhung eines zweiten Servodrucksignals, das vom Auslaß der Pumpe 11 über eine Leitung 26 und eine Drosselstelle 27 abgeleitet ist. Der Ventilkörper 25 wird gegen eine Erhöhung in diesem zweiten Servodrucksignal durch eine Feder 28 gespannt.

Das zweite Servodrucksignal wird von einer Vorsteuerventileinrichtung geregelt, die eine Kapillaröffnung 29 und ein Schließelement 30 hat. Das Schließelement 30 ist gegen eine Feder 31 bewegbar, um dice Einrichtung zu öffnen und das zweite Servodrucksignal zu verringern, und zwar durch einen Membranantrieb

32, der auf das erste Servodrucksignal anspricht Eine weitere Feder 33 sitzt zwischen dem Ventilkörper 25 und dem Schließglied 3C, so daß eine Bewegung des Ventilkörpers 25 infolge einer Zunahme nes zweiten Servodrucksignals das Schließglied 30 in eine Richtung zum Verringern des zweiten Servodrucksignals beaufschlagt

An dem Schließglied 30 kann sich ferner ein Arm 34 anlegen, der von einem Drehmomentenmotor im Uhrzeigersinn (Fi g. 1) bewegbar ist Der Arm 34 wird von einer Feder 36 im Uhrzeigergegensinn gegen das Schließelement 30 gedrückt Der Drehmomentmotor 35 spricht auf ein elektrisches Regelsignal eines Schaltkreises 37 an, der auf die Drehzahl Nl der Niedertourenwel-Ie des Triebwerks und auf die Temperatur Tc der Abgase der Hochtourenkabine anspricht

Brennstoff, der die Düse der Vorsteuerventileinrichtung verläßt, wird zum Niederdruck hin über ein Rückschlagventil 38 und eine Leitung 39 abgelassen.

Im Betrieb wird dafür gesorgt, daß die Drehzahl Nh, bei der das Begrenzungsventil 15 arbeitet, um den Brennstoffdurchfluß zu drosseln, höher als die maximale Drehzahl ist, die normalerweise durch das Hauptbrennstoffzumeßventil 13 zugelassen wird. Das Begrenzungsventil 15 wirkt damit als eine Hilfsregelung, um einen Notfall-Topspeed-Regler für den Fall des Ausfallens des Hauptbrennstoffzumeßventils 13 zu bilden.

Das Begrenzungsventil 15 spricht auf die Wellendrehzahl Nl und auf die Temperatur Tc ebenso derart an, daß für den Fall eines Ansteigens des einen oder des ^ir) anderen dieser Betriebsgrößen über zulässige Grenzwerte hinaus die Feder 36 überwunden wird und dadurch der Arm 34 außer Kontakt mit dem Schließelement 30 bewegt wird. Das Schließelement 30 ist durch die Feder 31 nur gegen die von der Membraneinheit 32 ausgeübten Kraft bewegbar. Es ist dafür gesorgt, daß in diesen Umständen die Effekte der Änderung im ersten Servodruckventil, d. h. Änderungen in der Drehzahl Nh, auf das Begrenzungsventil 15 nur 90% der Effekte sind, die sich bei Kontakt des Arms 34 mit dem Schließelement 30 ergeben. Ähnlich haben Änderungen in der Drehzahl Nh nur 90% ihrer normalen Wirkung, wenn der Schaltkreis 37 oder der Drehmomentmotor 35 einen Defekt haben, derart, daß der Arm 34 ganz nach rechts bewegt wird.

Das Absperrventil 23 hat einen kolbenartigen beweglichen Teil 45, der von Hand durch einen Hebel 40 bewegbar ist, zwischen einer geöffneten Position A (die dargestellt ist), einer Kaltstartposition B und einer Absperrposition C In der Position A ermöglicht das Absperrventil 23 ein Fließen von Brennstoff vom Auslaß 22 durch die Leitung 24 zu den Hauptbrennern des Triebwerks. Es ermöglicht auch ein Fließen von Brennstoff durch eine Leitung 41 von der Seite des veränderlichen Zumeßteils stromabwärts zu einer Leitung 42, die mit den Pilotbrennern des Triebwerks verbunden ist.

In der Kaltstartposition B ist die Seite der Pumpe 11 stromabwärts mit dem beweglichen Teil 45 des Absperrventils 23 durch die Leitung 26, die Drosselstellen 27,43 und eine Bohrung 44 mit der Hauptbrennerleitung 24 verbunden. Die Leitung 41 bleibt mit der Leitung 42 verbunden.

In der geschlossenen Position C wird der Auslaß 22 des Begrenzungsventils 15 geschlossen, und eine Abflußverbindung 46 wird geöffnet, um ein Entweichen von Brennstoff in den Leitungen 24 und 42 zu einem Abfluß zu ermöglichen.

F i g. 2 zeigt ein Begrenzungsventil als eine Abwandlung des vorstehend beschriebenen Ventils 15, wobei die Verbindungsleitungen zum Rest des Brennstoff-Versorgungssystems mit den gleichen Bezugszahlen wie die entsprechenden Verbindungsleitüngen in F i g. 1 bezeichnet sind.

Das Begrenzungsventil 50 weist eine abgewandelte Ausführung einer Absperrventilanordnung 51 auf, die aus drei Regelelementen 52,53,54 besteht, welche von Hand gemeinsam zwischen einer offenen Position A, einer Kaltstartposition B (die dargestellt ist) und einer Schließposition Cbewegbar ist Die Ventilanordnung 51 hat eine Gruppe von drei miteinander verbundenen öffnungen 55, 56, 57, eine weitere Gruppe von drei miteinander verbundenen öffnungen 58,59,60 und zwei miteinander verbundene öffnungen 61,62. Die Elemente 52, 53, 54 sind so bewegbar, daß selektiv diese öffnungen freigelegt werden und daß andere Verbindungsleitungen abgesperrt oder miteinander verbunden werden, und zwar in einer Art und Weise, die noch zu beschreiben sein wird.

In der offenen Position A der Ventilanordnung 51 sind die Öffnungen 55, 57 freigelegt, und sie verbinden den Ventilauslaß 22 mit der Servoleitung 18 zum Kolben 17, wie zuvor. Die öffnungen 61,62 werden freigelegt und verbinden die Leitung 41 mit der Versorgungsleitung 42 für die Pilotbrenner. Die Vorrichtung als Ganzes arbeitet somit in der /.uvor beschriebenen Weise.

In der Kaltstartposition ß(die dargestellt ist) bleiben der Auslaß 22 und die Leitung 18 durch die öffnungen 55, 57 miteinander verbunden. Die Pumpenauslaßleitung 26 steht über eine Drosselstelle 63 und die öffnungen 60, 58 mit der Hauptbrenner-Versorgungsleitung 24 in Verbindung. Die Leitungen 41, 42 sind durch Öffnungen 61, 62 wie in der offenen Position A miteinander verbunden.

In der geschlossenen Position C wird der zweite Servodruck, der so wirkt, daß das Begrenzungsventil 50 geöffnet gehalten wird, über einen Kanal 64 und drei weitere miteinander verbundene öffnungen 65, 66, 67 im Absperrventil 51 mit der Niederdruckseite des Ventils 38 verbunden. Das Begrenzungsventil 50 schließt sich damit. Eine Erhöhung 69 am Regelelement 54 wirkt damit wie eine Durchflußdrosselstelle, um einen heftigen Abfall im zweiten Servodruck zu verhindern. Der Auslaß 22 wird von der Leitung 18 isoliert. Die Leitungen 24 und 42 sind mit der Abflußverbindung 68 verbunden, und die Leitungen 41 und 14 sind ebenfalls mit der Niederdruckseite des Ventils 38 verbunden. Die Leitung 18 ist ferner durch die Öffnungen 65, 66 mit der Niederdruckseite des Ventils 38 verbunden.

Fig.3 zeigt eine weitere Abwandlung des in Fig. 1 gezeigten Begrenzungsventils 15, wobei gleiche Teile die gleichen Bezugszahlen haben. Die Verbindungsleitungen zu dem Rest eines zugehörigen Brennstoff-Regelsystems sind ebenfalls mit den gleichen Bezugszahlen wie in F i g. 1 bezeichnet.

Die Ventilanordnung nach Fig. 3 unterscheidet sich von der nach F i g. 1 durch das Vorsehen eines kolbenartigen Vorsteuerventils 70, das auf den Hauptventil-Servodruck einwirkt, um damit als ein Absperrventil zu wirken.

Dps Vorsteuerventil 70 hat einen beweglichen Ventilkörper 71, der eine durchgehende Axialbohrung 72 hat, durch einen Hebel 73 zwischen einer geöffneten Position A (die dargestellt ist), einer Kaltstartposition B und einer geschlossenen Position Cbewegbar ist. In der

Position A schließt das Ventil 70 einen Kanal 74 ab, durch den der zweite Servodruck anderenfalls entweichen könnte, und zwar zu einer Abflußverbindung 68. Das Ventil 70 verbindet außerdem den Ventilauslaß 22 über einen Kanal 75 mit der Servoleitung 18 zum Kolben 17. Die Leitung 41 ist mit der Pilolbrenner-Versorgungsleitung 42 verbunden. Das Ventil 25 wirkt damit so, daß der Brennstoffdurchfluß zu den Hauptbrennern des Triebwerks geregelt wird, und zwar in Erwiderung auf das zweite Servodrucksignal, das von der Vorsteuerventileinrichtung 29,30 geliefert wird. Die Triebwerks-Pilotbrenner werden direkt von der Seite der Zumeßeinrichtung 12 stromabwärts aus versorgt, und die Vsrdrängung der Pumpe 11 spricht auf den Brennstoffdruck der Triebwerkshauptbrenner an.
in der Kaltstartposition B ist die Seite der Pumpe ii stromabwärts über eine Leitung 26, eine Drosselstelle 76 und einen Kanal 75 mit dem Auslaß 22 des Hauptbrennstoffzumeßventils 15 verbunden. Die Triebwerks Pilotbrenner werden weiter von der Seite der Zumeßeinrichtung 12 stromabwärts versorgt und die Verdrängung der Pumpe 11 spricht auf den Hauptbrenner-Brennstoffdruck wie in der Position A an.

In der Absperrposition Cwird der zweite Servodruck, der zum Offenhalten der Ventilanordnung 15 wirksam

ίο ist, über den Kanal 72 mit dem Ventilkörper 71 und über das Rückschlagventil 38 mit dem Niederdruck stromaufwärts von der Pumpe 11 verbunden. Das Ventil 15 schließt sich damit. Der Ventilauslaß 22 wird durch den Kanal 75 mit der Abflußverbindung 68 verbunden. Der Pilotbrenner-Versorgungskanal 42 wird ebenfalls mit der Abflußverbindung 88 verbunden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Regeln der Brennstoffzufuhr einer Gasturbinenanlage mit einem Hauptbrennstoffzumeßventil und einem diesem nachgeschalteten Begrenzungsventil, dessen Ventilkörper durch einen von einer Vorsteuerventileinrichtung beeinflußten Servodruck gesteuert ist, wobei die Vorsteuerventileinrichtung eine erste Feder aufweist, deren Kraft jener einer auf Betriebskenngrößen der Gasturbinenanlage ansprechenden elektrischen Betätigungseinrichtung entgegengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stellungsrückführung zwischen dem Ventilkörper (25) und der Vorsteuerventileinrichtung (29 bis 36) vorgesehen ist, daß die Vorsteuerventileinrichtung (29 bis 36) einen den Servodruck bestimmenden beweglichen Teil (30) aufweist, der entgegen einer Federkraft durch einen von der Drehzahl (N_H) eines Rotors der Gasturbinenanlage (10) gesteuerten Stellantrieb (32) verstellbar ist, wobei die Federkraft aus der evtl. durch die elektrische Betätigungseinrichtung (35) verminderten Kraft der ersten Feder (36) und der Kraft einer zweiten Feder (31) zusammengesetzt ist, und daß die Vorsteuerveniileinrichtung (29 bis 36) derart mit dem Begrenzungsventil (15) abgestimmt ist, daß dieses nur oberhalb eines bestimmten Wertes der Drehzahl (Nh) im Sinne einer Begrenzung der Brennstoffzufuhr wirksam ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Drehzahl (Nh) gesteuerte Stellantrieb (32) eine Membran umfaßt, auf die ein der Drehzahl (Nh) entsprechender Druck wirkt, und die Betätigungseinrichtung (35) durch eine andere Betriebsbedingung (Niederdruckwellendrehzahl oder Abgastemperatur) beeinflußbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Absperrventil (23) vorgesehen ist, das in seiner ersten und zweiten Stellung den Auslaß (22) des Begrenzungsventils (15) mit einer *o Pumpenregelvorrichtung (16) derart verbindet, daß ein Druckanstieg an diesem Auslaß (22) den Hub der Pumpe (11) verringert und in einer dritten Stellung die Pumpenregelvorrichtung (16) von diesem Auslaß (22) abschaltet und an einen niedrigen Druck anschaltet.