DE3605293A1

DE3605293A1 - Ventilsteuersystem fuer ein gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE3605293A1
Application number: DE19863605293
Authority: DE
Inventors: John Edward Stoke Hill Coventry Cureton; Michael Robert Aylestone Leicester Lyons
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1985-03-05
Filing date: 1986-02-19
Publication date: 1986-09-11
Also published as: FR2578582A1; GB2172053B; FR2578582B1; GB2172053A; US4702070A; DE3605293C2; JPH0447159B2; JPS61218794A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ventilsteuersystem. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Steuersystem für ein Anzapfventil eines Gasturbinentriebwerks-Kompressors.

Das Anzapfventil dient zur Steuerung der Kompressor-Luftströmung bei niedrigen Triebwerksdrehzahlen und das Ventil ermöglicht es, daß der Kompressor wirksam über einen weiten Drehzahlbereich arbeitet, wobei die Gefahr eines Kompressorpumpens und eines Abreißens der Strömung vermindert wird. Außerdem kann der Kompressor eine Reihe oder mehrere Reihen von Einlaßleitschaufeln mit variablem Einlaßwinkel aufweisen, deren Einlaßwinkel automatisch so eingestellt wird, daß die Pumpgefahr der Frontstufe oder der vorderen Stufe der Rotorschaufeln vermindert wird. Es ist gelegentlich sowohl bei Flugtriebwerken als auch bei stationären Gasturbinenanlagen erforderlich, die Leistung des Triebwerkes sehr schnell zu vermindern. Wenn z.B. bei einer Gasturbinenanlage, bei der ein elektrischer Generator über eine Nutzleistungsturbine angetrieben wird, diese Nutzleistungsturbine durchgeht, muß die Gasturbine so schnell als möglich abgeschaltet werden, um eine Beschädigung der Nutzleistungsturbine zu verhindern. Bei sehr hohen Verzögerungsraten, die eine solche Arbeitsweise mit sich bringen, muß wiederum das Anzapfventil des Gasturbinentriebwerks-Kompressors sehr schnell geöffnet werden, weil sonst der Kompressor in den Pumpzustand übergeht und das Triebwerk besen ä^v-_ digt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kompressor zu schaffen, der ein Anzapfventil und eine Anzapfventi1-Steuervorrichtung umfaßt, die eine öffnung des AnzapfventiIs bei niedrigen Drehzahlen bewirkt und eine sehr schnelle Abschaltrate besitzt.

Die Erfindung geht aus von einem Gasturbinentriebwerks-Kompressor mit einem Anzapfventil und einer Anzapfsteuervorrichtung. Die Anzapfsteuerventi!vorrichtung besitzt ein Steuerventil und ein Ablenkventil, und das Steuerventil besitzt einen Antrieb und empfängt eine Druckluftströmung vom Kompressor. Ein Auslaß für die Druckluft ist mit dem Anzapfventil über das Ablenkventil verbunden, und es ist ein Auslaß für die Druckluft vorgesehen, die in die Atmosphäre entlüftet werden kann. Das Ablenkventil besitzt eine Betätigungsvorrichtung, einen Einlaß für die Druckluftströmung vom Kompressor, einen Einlaß für die Druckluftströmung vom Steuerventil und einen Auslaß für die Druckluft,der mit dem Anzapfventil verbunden ist. Die Betätigungsvorrichtung des Steuerventils wird durch ein Signal betätigt, um den Lufteinlaß entweder mit dem Anzapfventi1-Luftauslaß oder mit der Entlüftung zu verbinden. Die Betätigungseinrichtung des Ablenkventils wird durch ein Signal betätigt, um den Einlaß zu schließen, der Druckluft vom Steuerventil empfängt und um den Ablenkventi leinlaß, der Druckluft vom Kompressor erhält, mit dem Auslaß zu verbinden, der mit dem Anzapfventil verbunden ist.

Das Ablenkventil kann ein Gehäuse und einen Ventilkörper aufweisen, der innerhalb des Gehäuses beweglich ist, um die Druckluft entweder direkt über das Ablenkventil nach dem Abzapfventil zu leiten oder über das Steuerventil und das Ablenkventil.

Das Ablenkventil kann ein Wechselventi1 mit einem Differentialkolben sein, der von der einen Seite durch den Brennstoffdruck und von der anderen Seite vom Luftdruck beaufschlagt wird.

Stattdessen kann das Ablenkventil auch ein Magnetventil sein.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine aufgebrochene Ansicht eines Gasturbinentriebwerks gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines

AnzapfventiIs und einer Anzapfventi1-steuervorrichtung, die einen Teil der Erfindung darstellt;

Fig. 3 eine abgewandelte Ausführungsform der Abzapfventi1-Steuervorrichtung nach Fig. 2.

Figur 1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk 10 mit einem Niederdruckkompressor 12 und einem Hochdruckkompressor 14, die von einer Niederdruckturbine 16 bzw. einer

Hochdruckturbine 18 über Wellen 20, 22 angetrieben werden. In einer Verbrennungseinrichtung 24 wird Brennstoff mit Luft aus dem Hochdruckkompressor verbrannt, und die Verbrennungsprodukte werden in die Turbinen 16, 18 abgeleitet. Die Schubgase verlassen das Triebwerk über eine Düse 26 und strömen im Falle eines Flugtriebwerkes in die Atmosphäre aus oder beaufschlagen eine freie Nutzleistungsturbine (nicht dargestellt), wenn es sich um eine industrielle Anlage handelt.

Der Hochdruckkompressor besitzt eine Ringleitung 28 mit einem zugeordneten Abzapfventil 30, was deutlicher aus Figur 2 ersichtlich ist. Die Arbeitsweise des Abzapfventils wird durch eine Abzapfventi!steuervorrichtung 32 gemäß Fig. 2 gesteuert, wobei eine Abwandlung der Steuerung aus Fig. 3 ersichtlich ist.

Gemäß Figur 2 umfaßt die Anzapfventi!steuervorrichtung 32 ein Steuerventil 34 und ein Ablenkventil 36. Das Steuerventil 34 besitzt einen Lufteinlaß 38, der eine Strömung von Hochdruckluft vom Hochdruckkompressor erhält, einen Luftauslaß 40, der mit dem Anzapfventil 30 über das Ablenkventil 36 verbunden ist, und eine Entlüftung 42 nach der Atmosphäre hin.

Das Steuerventil 34 weist ein Gehäuse 44 mit einem Einlaß 38, mit Auslässen 40, 42 und mit einem zweiteiligen Ventilkörper 45, 46 auf, der im Gehäuse beweglich ist. Die zwei Teile des Ventilkörpers werden durch eine Druckfeder 48 zusammengedrückt und sie werden durch eine weitere Druckfeder 50 voneinander weg vorge-

spannt. Der Teil 44 und der Ventilkörper besitzen einen Innenkanal 56. Das Steuerventil wird durch einen hydraulischen Kolbenantrieb 54 betätigt, dessen Versetzung von dem Förderdruck des Kompressors 14 und demgemäß von der Triebwerksdrehzahl abhängt.

Das Anzapfventil 30 umfaßt ein Gehäuse 56, das an die Ringleitung 28 über eine Öffnung 58 in der Ringleitung angeschlossen ist. Das Gehäuse besitzt einen Einlaß 60, der auf die Öffnung 58 ausgerichtet ist und einen Ringauslaß 62, der durch die Wand des Gehäuses 56 und eine zentrale Platte 64 definiert ist. Ein zylindrischer hülsenartiger Ventilkörper 65 ist im Gehäuse beweglich und in die Öffnungsstellung durch eine Kompressorfeder 66 vorgespannt, wie dies aus Figur 2 ersichtlich ist. Das Gehäuse besitzt eine Einlaßöffnung 68, die an die Auslaßöffnung 40 des Steuerventils 34 über das Ventil 36 angeschlossen ist.

Das Ablenkventil 36 ist ein durch den Brennstoffdruck aktiviertes Wechselventil.

Das Ventil 36 weist ein Ventilgehäuse 70 mit einem Innenkanal 72 auf. Die Enden des Ventilkörpers werden einer Brennstoff strömung ausgesetzt, die vom Triebwerks-Brennstoff system abgenommen wird, und die Zuführung erfolgt mit dem erforderlichen Druck und unter einem Luftdruck, der vom Hochdruckkompressor 14 abgeleitet wird. Der Ventilkörper ist ein Differentialkolben, der so angeordnet ist, daß die Fläche, die

dem Luftdruck ausgesetzt ist, größer ist als die Fläche, die dem Brennstoffdruck ausgesetzt ist.

Das Ventil 36 besitzt einen Einlaß 74, der die Hochdruckluft direkt vom Kompressor 16 erhält und einen Einlaß 76, der die Hochdruckluft über das Steuerventil 34 erhält. Ein Auslaß 78 verbindet das Ablenkventil 36 mit dem Anzapfventil 30. Die Bewegung des Ventilkörpers bewirkt, daß der eine oder der andere der Einlasse 74, 76 mit dem Auslaß 78 über den Kanal 72 verbunden wird.

Gemäß Fig. 2 wird durch die kombinierte Wirkung von Brennstoff- und Luftdruck auf den Ventilkörper 70 die Einlaßöffnung 76 mit der Auslaßöffnung 78 in Verbindung gebracht, so daß die Hochdruckluft vom Kompressor nach dem Anzapfventil über das Steuerventil 34 und das Ablenkventil 36 strömen kann.

In Figur 2 hat der Kolbenantrieb 54 den Ventilkörpern nach links gegen die belastung gedrückt, die durch die Federn 48 und 50 ausgeübt wird. Die Einlaßöffnung 38 steht damit in Verbindung mit der Ablaßöffnung 40, so daß die Hochdruckluft vom Kompressor nach dem Anzapfventil 30 über das Ventil 36 strömen kann, wie dies beschrieben wurde. Die Hochdruckluft wirkt auf den Rand des Ventilkörpers 65 und öffnet das Ventil mit einer kleinen Ansprechrate, so daß die Kompressorluft nach der Atmosphäre über einen Nebenstromkanal über die Öffnungen 58, 60 und 62 abfließen kann.

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Das Abzapfventil wird gewöhnlich beim Hochlaufen des Triebwerks geöffnet und bleibt voll offen, bis eine vorbestimmte Triebwerksdrehzahl erreicht ist, und dann wird das Ventil mit einer geringen Ansprechrate geschlossen. Das Schließen des Anzapfventils wird durch Bewegung des Kolbenantriebs erreicht, wobei der Ventilkörperteil 44 sich unter dem Einfluß der Feder 48 nach rechts bewegen kann, und die beiden Teile des Ventilkörpers durch die Feder 50 voneinander weg gespreizt werden. Durch diesen Vorgang wird der Einlaß 38 vom Auslaß 40 abgesperrt, und die beiden Auslässe 40 und 42 werden miteinander in Verbindung gebracht. Die Wirkung dieses Vorganges besteht darin, die Zuführung von Hochdruckluft nach dem Steuerventil zu isolieren und den Anzapfventileinlaß nach der Atmosphäre hin zu entlüften. Dann schließt das Anzapfventil unter dem Einfluß des Druckes im Kompressor gegen die Belastung, die durch die Federn ausgeübt wird.

Unter einer Notabschaltsituation fällt der Brennstoffdruck sehr schnell unter den Wert des Luftdruckes ab, der auf den Ventilkörper 70 einwirkt. Der auf eine größere Fläche des Kolbens einwirkende Luftdruck bewegt den Ventilkörper in der Weise, daß der Einlaß 76 geschlossen wird, und es wird die Einlaßöffnung 74 direkt mit dem Auslaß 78 in Verbindung gebracht. Die Hochdruckluft wird dann dem Anzapfventil 30 zugeführt, um das Ventil sehr schnell zu öffnen und ein Pumpen des Kompressors zu verhindern.

ORIGINAL INSPECTED

Das oben beschriebene Anzapfventi1-Steuersystem ist für Triebwerke geeignet, die mit flüssigem Brennstoffen arbeiten, aber industrielle Gasturbinenanlagen müssen häufig in der Lage sein, auch mit gasförmigen Brennstoffen zu arbeiten.

Figur 3 zeigt ein Abzapfventi1-Steuersystem 32, welches dem nach Figur 2 ähnlich ist, jedoch ein Ablenkventil 80 aufweist, welches unabhängig von dem Brennstoffdruck arbeitet. Die Konstruktion und die Arbeitsweise des Steuerventils 34 und des Anzapfventils 30 sind gleich dem Ausführungsbeispiel nach Figur 2. Es ist jedoch festzustellen, daß in Fig. 3 der Kolbenantrieb 54 in einer Lage befindlich ist, in der das Ventil den Einlaß der Hochdruckluft absperrt und die öffnungen 40 und 42 verbindet. Das Anzapfventil 65 befindet sich in der Schließstellung (strichliert) und zwar unter dem Einfluß des Druckes innerhalb des Kompressors 14.

Das Ablenkventil 80 ist ein Magnetventil mit zwei Einlaßöffnungen 82, 84 zur Zuführung von Hochdruckluft vom Kompressor 14. Die Einlaßöffnung 82 stellt einen direkten Abgriff vom Kompressor dar und die Einlaßöffnung 84 empfängt die Luft über das Steuerventil 34.

Eine Auslaßöffnung 86 verbindet das Ablenkventil mit dem Anzapfventi1. Eine Lochplatte 88 ist durch eine Feder 90 belastet und bewirkt, daß die Hochdruckluft, die vom Kompressor abgezapft wird, nach dem Anzapf ventil entweder über das Ablenkventil und das Steuerventil oder direkt durch das Ablenkventil zugeführt wird .

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Im Normalbetrieb des Triebwerks ist der Elektromagnet erregt und die Platte 88 schließt einen Innenkanal im Ventil und verhindert einen Durchfluß nach der Eirrlaßöff nung 82. Das Steuerventil steuert die Arbeitsweise des AnzapfventiIs.

Bei einer Notabschaltung wird der Elektromagnet abgeschaltet und die durch die Feder 90 beaufschlagte Platte 88 schließt die Einlaßöffnung 84 und die Hochdruckkompressorluft fließt über die Einlaßöffnung 82 und die Auslaßöffnung 86 direkt nach dem Anzapfventil 30. Das Anzapfventil öffnet sehr schnell und verhindert ein Pumpen des Triebwerks.

Es hat sich gezeigt, daß mit einem solchen Anzapf Steuerventilsystem das Anzapfventil innerhalb von etwa 0,5 Sekunden nach Einleitung der Abschaltung voll geöffnet ist.

Wie schematisch in den Figuren 2 und 3 dargestellt, ist der hydraulische Kolbenantrieb 54 über einen Hebelmechanismus 88 mit einer Reihe variabler Einlaßleitschaufeln 90 verbunden. Diese Anordnung schafft die Möglichkeit, die Arbeitsweise des AnzapfventiIs 30 und die Bewegung der Schaufeln 120 in zweckmäßiger Weise zu koordinieren.

Bei einigen Triebwerksanordnungen, bei denen die Vorteile der Erfindung nicht verwirklicht waren und kein Abzapfventil 30 vorhanden war, konnten .elektromagnetische Abblasventile (nicht dargestellt) am

ORIGINAL INSPECfED

Niederdruckkompressor 12 vorgesehen sein, um die Gefahr des Kompressorpumpens auszuschalten oder zu vermindern und zwar unabhängig davon, ob es ein Notfall oder ein normales Abschalten betraf. Es kann außerdem notwendig sein, das Anzapfventil so zu bemessen, daß es bei einer Triebwerksdrehzahl geöffnet wird, bei welcher der wirksame Triebwerksarbeitsbereich vermindert wird, was jedoch erforderlich ist, um ein Kompressorpumpen oder ein Abreißen der Luftströmung zu verhindern.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird eine Steuervorrichtung für das Abzapfventil geschaffen, die ein normales Hochlaufen und Abschalten des Triebwerks ermöglicht, oder auch ein Abschalten mit hoher Geschwindigkeit, wobei nur eine geringe Gefahr oder keine Gefahr besteht, daß der Kompressor in den Pumpbetrieb übergeht oder die Strömung abreißt, ohne daß hierdurch der wirksame Arbeitsbereich geschmälert würde. Es kann auch je nach Triebwerksausbildung und Arbeitserfordernissen möglich sein, die Abblasventile des Niederdruckkompressors wegzulassen.

Das Weglassen der Abblasventile ergibt eine beträchtliche Kostenersparnis und eine Verminderung des komplexen Aufbaus des Triebwerks-Steuersystems.

Ein weiterer Vorteil des Wegfalls der Abblasventile besteht darin, daß die Möglichkeit, daß korrosive Elemente von Feuerlöschmitteln, die in das Triebwerk eintreten, vermindert wird, ebenso wie andere

Triebwerksabzapfungen oder Entlüftungen, die nach außen geleitet werden eindringen können, da die Abblasventile nach einem Modul ausströmen lassen, der das Triebwerk umschließt.

Claims

Patentanwälte Dipl. -1 ng. Curt Wallach /i Europäische Patentvertreter Dipl.-Ing. Günther Koch I European Patent Attorneys Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 2 60 80 78 · Telex 5 29 513 wakai d Datura:■" I9· Februar 1986 Rolls-Royce Limited Unser Zeichen: 18 252 - K/Ap Buckingham Gate London SW1E 6AT England Ventilsteuersystem für ein Gasturbinentriebwerk Patentansprüche: .«*

1. Gasturbinentriebwerkskompressor mit einem Anzapfventil und einer Anzapfventi!steuervorrichtung ,

dadurch gekennzeichnet, daß die Anzapfventilsteuervorrichtung (32) ein Steuerventil (34) und ein Ablenkventil (36) aufweist, daß das Steuerventil (34) eine Betätigungsvorrichtung (54) aufweist und eine Druckluftströmung vom Kompressor erhält, daß ein Auslaß (40) für die Druckluft mit dem Anzapfventil (30) über das Ablenkventil (36) verbunden ist und ein Auslaß (42) für die nach der Atmosphäre zu entlüftende Druckluft, daß das Ablenkventil (36) eine Betätigungseinrichtung, einen Einlaß (76) für Druckluftströmung vom Steuerventil (34) und einen Auslaß (78) für Druckluft vom Anzapfventil (30) aufweist, daß die Betätigungsvorrichtung (54) des Steuerventils (34) durch ein Signal betätigt wird, um den Lufteinlaß (38) entweder mit dem Anzapfventil-Luftauslaß (40) oder der Entlüftung (42) zu

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verbinden, und daß die Betätigungsvorrichtung (34) für das Ablenkventil (36) durch ein Signal betätigt wird, um den Einlaß (76) zu schließen, der Druckluft vom Steuerventil (34)-e-nthält und den Ablenkventileinlaß (74) so zu schalten, daß er Druckluft vom Kompressor erhält, wobei der Auslaß (78) mit dem Anzapfventil (34) verbunden ist.

2. Kompressor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenkventil (36) ein Gehäuse und einen Ventilkörper (70) aufweist, der im Gehäuse beweglich ist, um die Druckluft direkt über das Ablenkventil (36) nach dem Abzapfventil (30) oder über das Steuerventil (34) und das Ablenkventil (36) zu leiten.

3. Kompressor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenkventil (36) ein Wechselventi1 ist, und daß der-Ventilkörper (70) als Kolben ausgebildet ist, der auf einer Seite vom Triebwerks-Brennstoffdruck und auf der anderen Seite von der Druckluft des Triebwerkskompressors beaufschlagt wird, wobei die Kolbenfläche des Kolbens (70),auf die die Druckluft einwirkt, größer ist als die Kolbenfläche des Kolbens (70), auf die der Brennstoffdruck einwirkt.

4. Kompressor nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenkventil (36) ein Magnetventil ist und der Ventilkörper eine gelochte Platte (88) aufweist, wobei die Platte (88) den Einlaß (84) der Druckluft vom Steuerventil absperrt wenn der Magnet des Ventils abgeschaltet wird, so daß Druckluft vom Steuerventil (34) einströmen kann und die Druckluft direkt nach dem Abzapfventil (30) fließt.

5. Kompressor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das Anzapfventil (30) ein Gehäuse (56) und einen Ventilkopf (65) aufweist, der durch eine Druckluftströmung vom Steuerventil (34) oder vom Ablenkventil (36) beweglich ist, um das Anzapfventil (30) zu öffnen und die Druckluft innerhalb des Kompressors zu entlüften.