DE2641241A1

DE2641241A1 - Brennstoffregelsystem fuer gasturbinen-triebwerk

Info

Publication number: DE2641241A1
Application number: DE19762641241
Authority: DE
Inventors: Trevor Stanley Smith
Original assignee: Lucas Industries Ltd
Current assignee: ZF International UK Ltd
Priority date: 1975-09-16
Filing date: 1976-09-14
Publication date: 1977-03-24
Also published as: FR2324875B1; GB1551048A; FR2324875A1; JPS5239009A; US4074521A

Description

COHAUSZ & FLORACK 26A 1 24 1

PATENTANWALTS BÜRO 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 Industries Limited

Great King Street ~ A *

"B-Birmingham 13· September I976

Brennstoffregelsystem für_Gasturbinen-Triebwerk

Die iirfindung betrifft e»in Brennstoffregelsystem für ein Gasturbinen-Triebwerk.

.Srfindungsgemäß ist ein Brennstoffregelsystem für ein Gasturbinen-Triebwerk gekennzeichnet durch eine veränderliche Dosiervorrichtung, durch die im Betrieb Brennstoff zum Triebwerk fließt, und eine Drosselventil in Eeihe mit der Dosiervorrichtung, das auf eine Erhöhung des Drucks an einem Auslaß des Triebwerkkompressors so anspricht, daß der Brennstoffstrom zum Triebwerk verringert wird.

Die Erfindung ist nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen sind:

Pig. 1 ein Blockschaltbild des Systems als Ganzes und Pig. 2 bis 5 schematische Darstellungen von Bauteilen des in Pig. 1 gezeigten Systems.

Die Zeichnungen sind im Zusammenhang zu betrachten, und gleiche Teile haben entsprechende Zahlen erhalten.

Sin Gasturbinen-Triebwerk 10 ist in einer Ausführung mit einer Gasgenera tor turbine 11 und'einer getrennten Arbeitsturbine 12 vorgesehen, und im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist es zum Antreiben der

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Rotorblätter eines Hubschraubers vorgesehen.

Line Pumpe I3 wird von der Uelle der Gasgeneratorturbine 11 angetrieben und liefert Brennstoff über ein Filter I4 zum Zinlaß eines Drosselventils 15· Das Drosselventil 15 ist im einzelnen in Fig. 2 gezeigt und hat ein Schließgliüd 16, das durch «ine Faltenbalgeinheit 17 bewegbar ist, die auf den Druck P2 am Auslaß des Triebwerkkompressors anspricht, derart, daß der Brennstoffdruck P2a unmittelbar stromabwärts vom Drosselventil 15 eine Funktion des Drucks P2 ist.

Das Drosselventil 15 ist in Reihe zwischen die Pumpe I3 und eine veränderliche Dosiervorrichtung 18 geschaltet. Die Vorrichtung 18 hat
ein Regelelement 19> das in Erwiderung auf eine Erhöhung in einem ersten Servodruck in einer Kammer 20 bewegbar ist, um den Brennstoffstrom durch die Vorrichtung 18 zu ierhöhen. Das Regelelement Λ9 wird gegen den Druck in der Kammer 20 durch eine Feder 21 und durch den Druck am Auslaß des Drosselventils 15 beaufschlagt. Die Kammer 20 ist gegen den Auslaß des Drosselventils 15 durch eine Rollmembranenelement 22 isoliert.

Der erste Servodruck in der Kammer 20 wird durch eine Servodruckregelanordnung 8 geregelt, die im einzelnen in Fig. 3 gezeigt ist. Die Anordnung 8 weist ein Regelventil 24 in Reihe mit einesr unverefcänderlicehen Durchflußdrossel'stelle (Fig. 2) zwischend&n Einlaß und dem Auslaß des Yentils I5 auf. 3in Sinwegeventil 25 und eine weitere unveränderliche Durchflußdrosselstelle 26 sind in Reihe zwischen den Auslaß des Drosselventils 15 und die Seite der Pumpe I3 stromaufwärts geschaltet. Die Kammer 20 steht mit der Verbindung zwischen der Drosselstelle 23 und dem Ventil 24 in Verbindung, so daß der Servodruck in der Kammer 20 vom Ventil 24 geregelt werden kann.

Das Ventil 24 ist durch eine Regleranordnung 27 bewegbar, die mit der Drehzahl ITG der Gasgenerator turbine angetrieben wird, so daß eine Zunahme in der Drehzahl HG das Ventil 24 öffnet, um den Servodruck in der Kammer 20 zu verringern.

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Das Ventil 24 wird durch einen zweiten Servodruck zugedrückt, der in einer weiteren Kammer 28 vorhanden ist; dieser beaufschlagt eine Membrananordnung 29, die auch von einer Jeder 31 beaufschlagt wird. Die von der Feder 31 ausgeübte Vorspannung ist durch eine Kurvenführung 32 veränderlich, die auf die Feder 31 über einen Hebel 33 einwirkt. Die Kurvenführung 32 ist durch einen Eebel 34 in Erwiderung auf die Erfordernisse zur Änderung des Leistungsausgangs des Triebwerks 310 beweglich, wobei ein Erfordernis zur Erhaltung einer erhöhten Leistung die Jeder 3I zusammendrückt, um das Ventil 24 zuzudrükken und um folglich das Hegelelement 19 in eine Richtung zur Erhöhung des Brennstoffstroms zu bewegen.

Ein Drehpunkt 35 des Hebels 33 ist durch ein finde des Hebels 36 gebildet, der in einer noch zu beschreibenden Weise bewegt wird.

Ein Anschlag 40 ist so verstellbar, daß dann, wenn sich der Hebel in einer Position befindet, die dem geringsten Leistungsbedarf entspricht, die Kurvenführung 32 nicht mehr mit dem Hebel 33 zusammenwirkt, der sich um einen Punkt verschweltet, der durch den Anschlag 40 bestimmt wird. In diesem Zustand wird die von der Feder 3I ausgeübte Vorspannung durch die Position des Drehpunkts 35 bestimmt, der seinerseits durch den Hebel 36 bestimmt ist. Der Hebel 36 ist damit so in Funktion gesetzt, daß er eine bestimmte Vorspannung auf die Feder 31 einstellt und damit für einen vorbestimmbaren Brennstoffstromzustand sorgt. Der Hebel 36 ist mit einem Wahlventil 4I gekoppelt, das noch zu beschreiben sein wird, und er ist in Funktion setzbar, um den genannten Brennstoffstromzustand in Erwiderung auf das Erfordernisse eines Triebwerkleerlaufs in großer Höhe zu wählen. Ein weiterer Anschlag 42 ist im Gewindeingriff mit einem relativ ortsfesten Teil der Regelanordnung 8 verbunden und ist so verstellbar, daß eine größte Öffnung des Ventil 24 und damit einem kleinsten Brennstoffstrom durch die Dosiervorrichtung 18 einzustellen.

Die Zone 44 zwischen dem Regelventil 24 und dem Sinwegeventil 25 steht mit dem Auslaß des Drosselventils 15 über eine Leitung 37 in Verbindung und enthält damit Brennstoff unter dem Druck P2a. Die Zone 44 steht ferner über eine gedrosselte Öffnung 45 in der Membrananordnung

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29 mit der Kammer 28 in Verbindung.

Der zweite Servodruck in der Kammer 28 ist durch eine Ventilanordnung 38 geregelt, die mit der Kammer 28 über eine Leitnng 39 i*¹ Verbindung steht. Die Ventilanordnung 38 ist im einzelnen in Pig. 5 S^e~ zeigt und weist ein Ventil 46 auf, das auf eine Itegleranordnung 47 anspricht, die von der Leistungsturbine 12 angetrieben wird, so daß eine Erhöhung in der Leistungsturbinendrehzahl das Ventil 46 öffnet, um den zweiten Servodruck in der Kammer 28 zu verringern, das Ventil 24 zu öffnen und ein Verringerung des Brennstoffstroms zum Triebwerk durch die Dosiervorrichtung 18 zu bewirken. Das Ventil 46 wird durch e eine Feder 48, deren Vorspannung durch eine Kurvenführung 49 veränderlich ist, in eine offene Position gedruckt. Die Kurvenführung 49 ist durch einen Kollektivanstellhebel 50 für die Rotorblätter (nicht dargestellt) eines Hubschraubers betätigbar, der vom Triebwerk 10 angetrieben wird. Die Anordnung ist eine solche, daß eine Erhöhung in der kollektiven Anstellung ein Schließen des Ventils 46 bewirkt, um eine Zunahme im Brennstoffstrom durch die Dosiervorrichtung 18 zu bewirken.

Die Servodruckregelanordnung 8 weist einen Ventilschaft 5I auf, der von einem Stellglied 52 axial beweglich ist, und zwar in Erwiderung auf Änderungen in der Temperatur T1 am Einlaß des Triebwerkkompressors. Das Ventil 5I kann eine Verbindung zu eineer Ventilöffnung 53 parallel zum Ventil 24 herastellen, wobei diese Verbindung in Erwiderung auf eine Zunahme in der Temperatur T1 vergrößert wird.

Ein Hebel 54 ist zur Schwenkbewegung in bezug auf das Ventil 24 gelagert, wobei ein Zünde des Hebels 54 mit der Begieranordnung 27 zusammwenwirkt. Das andere 3nde des Hebels 54 wirkt als Segelelement für die Ventilöffnung 53» und- es ist auch ezum Angreifen an einem Gelenkelement 55 vorgesehen. Das Gelenkelement 55 ist begrenzt bewegbar, und dessen Bewegung ist durch Anschläge 56 bzw. 57 bestimmt. Der Hebel 54 ist von einer Feder 56 von der Ventilöffnnng 53 weggespannt, so daß bei niedrigeren Drehzahlen NG der Gasgeneratorturbine das Ventil 5I auf eine Erhöhung in der Kompressoreinlaßtemperatur T1

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anspricht, um einen erhöhten Strom zu liefern, der das Ventil 24 im Nebenstrom passiert. Unter diesen Umständen verringert eine „".rhöhung der Temperatur T1 den Druck in der Kammer 20 und verringert damit den dosierten Brennstoffstrom. Bei höheren Drehzahlen HG der Gas%generatorturbine 11 wird die Ventilöffnung 53 progressiv geschlossen, so daß der Druck in der Kammer 20 zu steigen neigt, was den dosierten Brennstoffstrom erhöht. Zur gleichen Zeit bewirkt das progressive Schließen der Ventilöffnung 53» äaß die Temperatur T1 progressiv weniger Sinlluß auf den dosierten Brennstoffstrom hat.

ISine Überlaufventilanordnung 60, die ebenfalls im einzelnen in Fig. gezeigt ist, weist zwei TellerventilaHelemente 61, 62 auf, die sich gemeinsam bewegen und den Brennstoffstrom durch jeweilige Öffnungen 63, 64 zwischen der Gegenstromseite der Doservorrichtung 18 und dem Einlaß der Pumpe Ij regeln. Die Tellerventilelemente 61, 62 sind durch eine Rollmembranabdichtung 65 bewegbar, die auf die Drücke stromaufwärts und stromabwärts von der Dosiervorrichtung 18 anspricht, wobei eine Zunahme des Druckabfalls an der Dosiervorrichtung 18 so wirkt, daß der Überlaufstrom durch die Ventilanordnung 60 erhöht wird. Die Tellerventilelemente 61, 62 werden durch eine Feder 66 geschlossen gehalten, deren Vorspannung entsprechend der Dichte des benutzten Brennstoffs einstellbar ist.

Das Überlaufventil 60 hält den Druckabfall an der Dosiervorrichtung 18 im wesentlichen konstant. Der Brennstoffstrom zum Triebwerk ist damit eine Funktion des Drucks P2a und folglich des Kompressorabgabedrucks P2. 'Während der Triebwerksverzögerung ist ein einstellbarer Anschlag 42 durch die Membrananordnung 289 kontakt*ierbar, um den Druckabfall in der Kammer 20 zu begrenzen und folglich auch das Maß zu begrenzen, um das das Schließglied I9 den Brennstoffstrom verringern kann. Diese Begrenzung stellt sicher, daß der geringste Brennstoffstrom durch die Dosiervorrichtung 18 nichtsdestoweniger eine gewünschte Funktion des Kompressorabgabedrucks bleibt.

Der Ausgang der Dosiervorrichtung 18 steht über ein wieiteres Filter

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70 mit einem 'üinlaß 76 des Wahlventils 4I in Verbindung¹, auf das vorstehend bezug· genommen worden ist. Das Ventil 4I weist eine Lochhülse

71 auf, in der ein axial fixiertes Regelelement 72 drehbar ist. Das Regelelement J2 ist mit dem Hebel 36 gekoppelt, der vorstehend beschrieben worden ist. Das Regelelement 72 hat eine axiale Bohrung 75 und mehrere Querkanäle, die in jeweiligen Winkelpositionen des Regelelements

72 die Bohrung 73 mit bestimmten der Öffnungen in der Hülse 7I verbinden können. In der Bohrung 75 ist ein Kolbenregelelement 74 axial verschiebbar, das durch eine Jeder 75 gegen den Druck in der Bohrung 75 vorgespannt ist.

Das Kolbenregelelement 74 spricht auf eine Erhöhung des Drucks in der Bohrung 73 an» "um in einer Folge die Öffnungen 77» 78 in dem Regelelement 72 freizulegen. Die öffnungen 77» 78 stehen über ein Ablaßventil 79 mit dem Haupt- und Kebenbrennern des Triebwerks 10 in Verbindung.

In einer ersten Position des Regelelements 72» die einem stillgesetzten Zustand des Triebwerks 10 entspricht, ist die Bohrung 73 gegen den Einlaß 76 isoliert und mit einem Auslaß 80 verbunden, der über das AÜberlaufventil 60 mit der Gegenstromseite der Pumpe 13 in Verbindung steht. In der genannten ersten Positi»on ist der Druck in der Bohrung 73 deshalb niedrig, und das Kolbenregelelement 74 wird durch eine Feder 75 bewegt, um den Brennstoffstrom zum Triebwerk zu unterbrechen.

In einer zweiten Position des Regelelements 72, die dem Erfordernis des Startens des Triebwerks entspricht, ist die Bohrung 73 gegen den Auslaß 80 isoliert und steht mit dem Einlaß 76 in Verbindung. Das Kolbenregelelement 74 wirkt dann als ein Druckerhöhungsventil, um ein Fließen von Brennstoff zu den Öffnungen 77, 78 zu gestatten.

In einer dritten Position des Regelelements 72, die dem Erfordernis eines Triebwerkleerlaufs bei großer Höhe entspricht, wirkt das Ventil 41 in der gleichen Weise wie in der zweiten, und in dieser Position wirkt das Regelelement 72 jedoch so, daß die Kurvenführung 39 in eine Position gebracht wird, die für die erforderliche Vorspannung an der

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Peder 31 sorgt, und damit wird das Regelelement 19 der Dosiervorrichtung in seine Leerlaufposition für große Höhe eingestellt.

Das Ablaßventil 79 hat eine Bohrung 97» in deren gegenüberliegenden Snden Kolbenregelelemente 81, 82 verschiebbar sind. Die Bohrung 97 steht mit der Öffnung 77 im Ventil 4I in Verbindung, und das Regelelement 81 wird durch eine leder 83 gegen den Druck in der Bohrung vorgespannt. Die Öffnung 78 im Ventil 4I ist ständig mit den Nebenbrennern des Triebwerks durch einen Auslaß 84 des Ventils 79 verbunden. Das Regelelement 31 spricht auf eine Druckerhöhung in der Bohrung 79 an» um die Öffnung 77 im Ventil 4I mit den Hauptbrennern des Triebwerks über einen Auslaß 85 des Ventils 79 zu verbinden. In diesem letzteren Zustand des Regelelements 81 isoliert ein Plansch 86 daran den Auslaß 84 gegen eine Uiederdruck-Ablaßverbindung 87· Auslässe 84» 85 sind durch eine Durchflußdrosselstelle 88 miteinander verbunden. Die Auslässe 84» 85 sind auch durch eine Ausnehmung 89 im Regelelement 81 zu verbinden, wenn das letztere sich in eine Position bewegt hat, in der es den Auslaß 85 gegen die Öffnung 77? schließt.

Das Regelelement 82 kann gegen den Druck in der Bohrung 97 durch eine Rollmembrananordnung 90 gedrückt werden, die auf gegenüberliegenden Seiten durch den Kompressorabgabedruck P2 und durch atmosphärischen Druck PA beaufschlagt wird. Die Membransanordnung 90 ist ferner durch eine Feder 91 in eine Richtung beaufschlagt, um das Regelelement 82 gegen den Druck in der Bohrung 97 zu drücken. Die effektive Querschnittsfläche der Membrananordnung 90, die vom Kompressor abgab edruck P2 beaufschlagt wird, beträgt das Achtfache der Fläche des Regelelements 82, die durch den Druck in der Bohrung 97 beaufschlagt wird. Die Membrane 90 spricht auf eniedrige Werte des Kompressorabgabedrucks P2 an, um dem Regelelement 82 die Möglichkeit zu geben, Brennstoff aus der Bohrung 97 durch gedrosselte Kanäle 92 zur Gegenstromseite der Pumpe 13 überlaufen zu lassen. Während des Anlassens des Triebwerks bei niedrigem Druck P2 wird als der Druck in der Bohrung 97 und folglich im Auslaß 85 und in den Hauptbrennern des Triebwerks proportional zum Kompressorabgabedruck gehalten.

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AO

Vie in Fig. 3 gezeigt ist, weist die Sevrvodruckregelanordnung 8 einen Schaft 93 rait einer Membrane 94 auf, die auf ein Drucksignal an einer Leitung 95 anspricht. Eine Erhöhung dieses Drucks wirkt so, daß der Schaft 93 iⁿ Angriff an den Hebel 33 gedrückt wird. Die Beaufschlagung der Membreane 94 mi^ einem Drucksignal verringert also den Druck in der Leitung 37 und bewirkt, daß der Hebel 33 die Vorspannung der Feder 31 erhöht, um damit die Dosiervorrichtung 18 zu veranlassen, den Brennstoffstrom zum Triebwerk zu erhöhen. Das Drucksignal an der Leitung 95 wird in Erwiderung auf das Erfordernis eines Schubs in der Triebwerkleistung angelegt, und im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird es durch die Einspritzung von Wasser/Methanol in das Triebwerk 10 eingeleitet.

Ansprüche

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Claims

Ansprüche

1. Brennstoffregelsystem für ein Gasturbinen-Triebwerk, gekennzeichnet durch eine veränderliche Dosiervorrichtung, durch die im Betrieb Brennstoff zum Triebwerk fließt, und ein D&rossel ventil in Reihe mit der Dosiervorrichtung, das auf eine Erhöhung des Drucks an einem Auslaß des Triebwerkkompressors so anspricht, daß der Brennstoffstrom zum Triebwerk verringert wird.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die veränderliche Dosiervorrichtung ein Regelelement aufweist, das auf ein serstes Servodrucksignal anspricht, und daß das System auf Betriebsgrößen des Triebwerks ansprechende Mittel zur Srzeugung des Servodrucksignals aufweist.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung des ersten Servodrucks eine Durchflußdrosselstelle und ein erstes Regelventil in einer Reihenverbindung zwischen einer Hochadruckzuleitung und einer Uiederdruckableitung, auf eine Erhöhung der Drehzahl eines zweiten Teils des Triebwerks ansprechende Mittel zum Modifizieren des ersten Servodrucks durch das erste Regelventil in einem Sinne zum Bewirken einer Verringerung des Brennstoffstroms durch die Dosiervorrichtung und auf eine Erhöhung des Triebwerksleistungsbedarfs ansprechende Mittel zum Modifizieren des ersten Servodrucks durch das erste Regelventil in einem Sinne zum Bewirken einer Verringerung des Brennstoffstroms durch die Dosiervorrichtung sowie/Mittel zum Modifizieren des ersten Servodrucks durch das erste Regelventil in einem Sinne zur Erhöhung des Brennstoff stroms aufweisen.

4· System nach Anspruch J, gekennzeichnet durch ein zweites und ein drittes Regelventil, die in Reihe angeordnet sind, wobei die Reihenanordnung parallel zum ersten Regelventil angeordnet ist, auf Änderungen in eainer Triebwerkstemperatur ansprechende Mittel zur Betätigung des zweiten Regelventils und auf eine Erhöhung der er-

/ auf eine Erhöhung des Triebwerksleistungsbedarfs ansprechende 30 289

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sten Triebwerksdrehzahl ansprechende Mittel zum Verringern des Durchflusses durch die Reihenanordnung mittels des dritten Regelventils, derart, daß das Ansprechen der Mittel zur Urzeugung des Servodruckssignals auf die Triebwerkstemperatur sich mit einer Hrhöhung der Drehzahl des ersten Triebwerksteils verringert.

5· System nach Anspruch 4> gekennzeichnet durch das erste und das dritte und die auf die Drehzahl des ersten Triebwerksteiles ansprechenden Kittel funktionell verbindende Mittel.

6. System nach einem der Ansprüche 3 bis 5» gekennzeichnet durch auf die Drehzahl eines zweiten Teils des Triebwerks ansprechende Mittel zur Erzeugung eines zweiten Servodrucks und auf den zweiten Servodruck ansprechende Mittel zum Modifizieren des ersten Servodrucks durch das erste Regelventil in einem Sinne zum Bewirken einer Änderung im Brennstoffstrom durch die Dosiervorrichtung, der Änderungen in der Drehzahl des zweiten Triebwerksteils entgegenwirkt.

7· System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ägekennzeichne t ,durch Reguliermittel zum Konstanthalten der Druckdifferenz an der Dosiervorrichtung.

8. System nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Reguliermittel ein Überlaufventil mit einem Einlaß, der mit dem Auslaß der Dosiervirrochtung in Verbindung steht, einem Auslaß, der mit einer Uiederdruckzone in Verbindung steht,und einem Regelelement aufweisen, das auf eine Zunahme in der Druckdifferenz zur Erhöhung des Überlaufstroms anspricht.

9. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch auf eine Abnahme im Koinpressorausgangsdruck oder auf eine Zunahme im Brennstoffdruck stromabvärts von der Dosiervorrichtung ansprechende Mittel zum Überlaufenlassen von Brennstoff, der von der Vorrichtung geliefert wird.

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