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Die vorliegende Erfindung betrifft
Gasturbinenmaschinen und insbesondere eine Maschine mit einem Verdichterzapfventil
zum Verbessern der Kontrolle des Pumpens in derartigen Maschinen.
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US-Patent 3 809 490, Harner, welches
am 7. Mai 1974 erteilt wurde, beschreibt das bestehende Problem
des Versuchs, das Pumpen in Gasturbinenmaschinen zu vermeiden. Die über die
Jahre hinweg vorgeschlagene Lösung
war das Vorsehen von Zapfventilen, um Verdichterluft an verschiedenen
Stufen des Verdichters abzuzapfen. Somit sind Kontrolleinrichtungen,
mechanischer oder pneumatischer Art, vorgesehen, um einen Pumpzustand
durch das Veranlassen des Öffnens
der Ventile zu antizipieren, um so Luft abzuzapfen, bevor es zu
einem Pumpzustand kommt. Somit sind bei Hochleistungsbedarfs-Zuständen die
Zapfventile geschlossen gehalten, die Zapfventile sind jedoch während niedriger
Leistung geöffnet.
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Ein pneumatisches Zapfventil mit
den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 ist in dem US-Patent
5 477 673 an Blais et al. beschrieben, welches am 26. Dezember 1995
erteilt wurde. Dieses Patent beschreibt ein Zapfventil in der Form
eines Kolbens, der sich radial durch einen Bypassströmungsweg
erstreckt und arbeitsfähig
ist, Verdichterluft in den Bypassströmungsweg abzuzapfen, wenn das
Ventil vom Kolbentyp geöfnnet
ist. Das Ventil kann geschlossen sein, wenn Luft aus einer Quelle strömungsabwärts des
Verdichterlaufrads dem Kolbenboden zugeführt wird und diese Luft sich
auf einem höheren
Druck befindet als Luft von einer strömungsabwärtigen Stufe des Verdichters.
Die pneumatische Kraft zum Schließen des Ventils wirkt gegen
eine Feder, die das Ventil normal in eine offene Position drängt.
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Beim Ändern der Maschinendrehzahl
von niedrig auf hoch bewegt sich das Zapfventil allmählich von
einer offenen in eine geschlossen Position. Wenn während dieses Übergangs
die Öffnung
zu klein wird, kann die Maschine in einem Pumpzustand sein.
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Es ist ein Ziel der Erfindung, danach
zu streben, eine Maschine mit einem verbesserten pneumatischen Ventil
des in US-Patent 5 477 673 beschriebenen Typs bereitzustellen, welches
ein Mittel zum Offenhalten des Zapfventils mit einer größeren Zapföftnung während des
allmählichen
Schließens des
Zapfventils während
einer pneumatischen Kontrolle des Ventils aufweist.
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Gemäß der Erfindung wird eine Gasturbinenmaschine
bereitgestellt, aufweisend einen Verdichter mit einem Axialfluid-Strömungsweg,
einem Bypassfluid-Strömungsweg
konzentrisch zu dem Verdichterfluid-Strömungsweg, einem Zapfventil
in Fluidverbindung mit dem Verdichterfluid-Strömungsweg und dem Bypassfluid-Strömungsweg,
wobei das Zapfventil einen Kolben aufweist, der sich radial erstreckt, mit
einem Kolbenboden radial fern von dem Verdichterfluid-Strömungsweg,
einer Pneumatikkammer, welche einen Teil des Kolbenbodens umgibt
und ein Mittel zum Einbringen von verdichtetem Fluid in die Kammer,
wobei der Kolben eine Ventileinrichtung und ein starres Element,
welches sich zwischen dem Kolbenboden und der Ventileinrichtung
erstreckt, aufweist, wobei der Kolben effizient ist, die Kommunikation
mit dem Verdichterfluid-Strömungsweg
zu öffnen oder
zu schließen,
dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Kolben zugeordnete vorkomprimierte
Feder vorgesehen ist, um den Kolben relativ zu der Verdichterfluid-Strömung normal
radial nach außen
zu drängen,
wobei die Anordnung derart ist, dass der pneumatische Druck in der
den Kolbenboden umgebenden Kammer die vorkomprimierte Feder überwinden
muss, um die Ventileinrichtung zu schließen, und die vorkomprimierte
Feder derart ist, dass der Schließablauf (oder "Schließfahrplan") des Zapfventils
Pumpzustände
der Maschine vermeidet.
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Somit ist es unter Verwendung der
Erfindung möglich,
eine vorkomprimierte Feder an dem den arbeitsfähigen Teil des Ventils bildenden
Kolben vorzusehen.
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Gemäß einer spezielleren Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist die Feder auf 40 lbs. (178 N) vorkomprimiert.
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Es hat sich herausgestellt, dass
durch das Vorkomprimieren der Feder in dem in dem US-Patent 5 477
673 beschriebenen Zapfventil eine signifikante Verbesserung beim
Vermeiden eines möglichen
Maschinenpumpens erzielt werden kann, indem das Zapfventil länger offen
gehalten wird und indem insbesondere eine größere Öffnung des Zapfventils beibehalten
wird, bis Pumpzustände
passiert sind und das Ventil definitiv schließen kann.
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Nachdem so generell die Art der Erfindung beschrieben
wurde, wird nun auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen,
welche illustrativ eine bevorzugte Ausführungsform davon zeigen, und für die gilt:
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1 ist
ein Axialschnitt eines Verdichterbereichs einer Gasturbinenmaschine,
die in unterbrochenen Linien gezeigt ist und zeigt im Schnitt ein Zapfventil
gemäß dem Stand
der Technik in einer offenen Position;
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2 ist
ein Schnitt, der in einer vertikalen Ebene des Zapfventils gemäß der vorliegenden
Erfindung in einer offenen Position genommen ist;
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3 ist
ein Schnitt ähnlich
zu 2, der das Zapfventil
der vorliegenden Erfindung in einer geschlossenen Position zeigt;
und
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4 ist
eine Darstellung, die den Arbeitsablauf des Zapfventils gemäß der vorliegenden
Erfindung, verglichen mit einem Zapfventil des Stands der Technik,
zeigt.
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Es wird nun auf die Zeichnungen und
insbesondere auf 1 Bezug
genommen. Ein Zapfventil 10 ist in einem Verdichterabschnitt 14 einer
Gasturbinenmaschine mit einem Bypassfluid-Strömungsweg 12 angebracht
gezeigt. Das in 1 gezeigte
Zapfventil 10 entspricht dem von US-Patent 5 477 673, Blais
et al., welches hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist. Wie in 1 gezeigt, weist der Verdichterabschnitt
einen Fluidströmungsweg 16 auf, der
im Wesentlichen konzentrisch zu dem Bypassfluid-Strömungsweg 12 ist.
Der Ver dichter weist eine strömungsabwärtige Verdichterstufen-Auslassöffnung 22 in
der dem Zentrifugallaufrad 24 benachbarten Verkleidung
auf.
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Das Zapfventil 10 ist ein
Zapfventil vom Kolbentyp mit einem geschlossenen Gehäuse mit
einem Kolben 26 und einer Führungsstange 28, die
an dem oberen Kammergehäuse 27 befestigt
ist, welches eine geschlossene Kammer 32 definiert. Ein
Kolbenboden 34 gleitet in der Kammer 32 in abgedichteter Relation.
Der Kolben 26 weist eine Manschette 30 und 30a auf,
die an der Stange 28 gleitet. Die Stange 28 ist
mit dem Kammergehäuse 27 mittels
einer Mutter 31 verbunden. Die Stange 28 ist an
ihrem anderen Ende mit dem Ventilkammergehäuse 52 mittels einer Mutter 29 verbunden.
Die Ventilkammer 52 ist in der Form eines offenen Korbs
mit Öffnungen 42.
Das Ventilelement 36 weist eine kegelstumpfförmige Oberfläche 37 und
eine teilzylindrische Schürze 38 auf,
welche eine Öffnung 39 definiert,
die mit der Öffnung 40 in
der Bypassfluid-Strömungs-Innenwand 20 korrespondiert.
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Wie in US-Patent 5 477 673 beschrieben,
erlaubt das Zapfventil, wenn es sich in einer offenen Position,
wie in 1 gezeigt, befindet,
ein Strömen von
Zapfluft von dem strömungsabwärtigen Bereich des
Verdichters durch die Öffnungen 42 und
durch die Öffnung 40 zu
dem Bypassfluid-Strömungsweg 12 strömungsabwärts des
Zapfventils 10. Die Feder 44 drückt normal
das Ventil in seine offene Position, wie in 1 gezeigt, und das Ventil wird pneumatisch
geschlossen, wie in dem vorangegangenen US-Patent beschrieben.
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Es hat sich herausgestellt, dass
das Ventil unter pneumatischem Druck von einer Quelle strömungsabwärts des
Verdichterlaufrads, wie in dem genannten Patent beschrieben, das
Ventil vorzeitig gegen die Feder 44 schließen wird,
während
die Maschine immer noch für
einen Pumpzustand anfällig ist.
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Es wird nun auf die 2 und 3 Bezug
genommen. Das Zapfventil gemäß der vorliegenden
Erfindung ist dort gezeigt und mit 110 bezeichnet. Alle Bezugzeichen,
die zu den Bezugzeichen der 1 korrespondieren,
sind um 100 erhöht.
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Das Zapfventil 110 der 2 und 3 ist im Schnitt in einer Radialebene
gezeigt, die mit einem Winkel von 90° zu dem Schnitt von 1 ist.
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Das Zapfventil 110 weist
ein oberes Gehäuse 127 auf,
welches eine Kolbenkammer 132 definiert, die mit einem
Einlass 150 kommuniziert. Das Zapfventil 110 ist
ein Zapfventil vom Kolbentyp und weist einen Kolben 126 auf,
der die Manschette 130 aufweist, die Büchsen 148 hat, die
an einer Stange 128 gleiten. Die Stange 128 ist
an dem Gehäuse 127 mittels
einer Mutter 131 befestigt. An dem anderen Ende ist die
Stange 128 an einem Ventilgehäuse 152 in der Form
eines offenen Korbs angebracht, der einen Ventilsitz 154 der
Innenwand 120 des Bypassfluid-Strömungswegs 112 benachbart
definiert.
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Die Manschette 130 bringt
einen Kolbenboden 134, der für ein Gleiten in abgedichtetem
Eingriff angepasst ist, in der Kammer 132 an. An dem anderen
Ende der Manschette 130 befindet sich eine aerodynamische
Abdeckung 146, mit der ein Ventilelement 136 verbunden
ist. Das Ventilelement 136 weist eine kegelstumpfförmige Oberfläche auf,
welche zum Teil von einer Schürze 138 umgeben
ist, die angepasst ist, in dem Korb 152 zu gleiten. Das
Ventilelement 136 definiert eine ringförmige Federausnehmung 143,
die eine Schraubenfeder 144 aufnimmt. Die Schürze 138 definiert
eine Öffnung 139 in
der strömungsabwärtigen Seite
des Ventilelements 136 (obwohl die Öffnung 139 zu einer
Seite nur in den 2 und 3 zu Zwecken der Darstellung
gezeigt ist).
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Es wird auf 4 Bezug genommen. Die Kurve N repräsentiert
das Zapfventil der Feder 44, wie in 1 gezeigt. Somit kann man erkennen, dass
die Kurve N durch den sog. Pumpkübel
S geht, wenn es schließt.
Während
des Schließens
des Ventils 36 ist es schwierig, die Ventilöffnung zu
kontrollieren.
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Es hat sich jedoch herausgestellt,
dass durch das Vorkomprimieren der Feder 144, wie in den 2 und 3 gezeigt, der in den Einlass 150 in 2 gelangende Luftdruck,
der erforderlich ist, um den Kolbenboden 134 und somit
den Kolben 126 zu einem Schließen gegen den Ventilsitz 154 zu
drücken, höher sein
muss, dass die vorkomprimierte Feder 144 mehr Widerstand
liefert. Da die zum Überwinden der
Feder 144 erforderliche Kraft größer ist, bleibt das Ventil
länger offen
und wird natürlich
größer sein, da
das Ventilelement nicht leicht die Öffnung schließt, wenn
nicht eine größere Kraft
aufgebracht wird.
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Die in 4 gezeigte
Kurve P repräsentiert den
Ablauf oder "Fahrplan" zum Schließen des
Ventils 136 unter Verwendung einer vorkomprimierten Feder 144.
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Es hat sich herausgestellt, dass
eine bevorzugte Federrate eine Vorkomprimierung von 40 lbs. (178
N) aufweisen wird, wenn das Ventil vollständig geöffnet ist, obwohl eine Vorkompression
von 20 lbs. (89 N) ausreichend sein sollte, um dem Pumpkübel 144 aus
dem Weg zu gehen. Das ist vergleichbar mit keiner Kompression bezogen
auf die Feder 44 in 1,
wenn das Ventil vollständig
geöffnet
ist. Man geht davon aus, dass die Feder auch auf 50 lbs. (222 N)
vorkomprimiert sein könnte.
Man sollte erkennen, dass die Feder 144, wenn das Ventil 36 geschlossen ist,
auf 60 lbs. (167 N) komprimiert ist, was ähnlich zu der Feder 144 in 1 ist.