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Vom Verdichtungsluftdruck abhängige Brennstoffregeleinrichtung für
Gasturbinen Die Erfindung bezieht sich auf Brennstoffregeleinrichtungen für Gasturbinen,
im besonderen auf Einrichtungen zur Begrenzung der während Beschleunigungsperioden
in die Verbrennungskammer eingespritzten Brennstoffmengen. Bei diesen Einrichtungen
wird die Steuerung der Brennstoffzufuhr während des gleichförmigen Laufs oder der
Beschleunigung der Turbine mittels einer flüssigkeitsbetätigten überström- oder
Nebenschlußeinrichtung bewirkt, deren Stellung durch ein oder mehrere Auslaßventile
geregelt wird. Ein solches Auslaßventil, das unmittelbar vom handbetätigten Drehzahlvorwähler
gesteuert wird, ist bekannt. Diese besondere Form der Steuerung kann bestimmte Turbinendrehzahlen
auswählen und aufrechterhalten, ist aber nicht geeignet, übermäßige Brennstoffzufuhr
und daraus folgende Überhitzung von Brennkammer und Turbine während rascher Beschleunigung
zu verhüten. In der Regeleinrichtung ist daher ein weiteres Nebenschlußventil vorgesehen,
welches selbsttätig von sowohl auf die Brennstoffzufuhr als auch auf den Verdichtungsdruck
und damit auf den Luftdurchsatz der Turbine ansprechenden Mitteln gesteuert wird,
so daß es das Brennstoff-Luft-Verhältnis während der Perioden begrenzt, in denen
sich die Turbine rasch auf höhere Drehzahl beschleunigt, die durch das Handsteuerorgan
vorgewählt wurde. Die Erfindung betrifft die Steuerung des in Reihe mit der Brennstoffpumpe
geschalteten Brennstoffdrosselorgans
und im besonderen die Steuerung
der das Drosselorgan steuernden Servoeinrichtung, mittels des Druckabfalles am Drosselorgan.
-Die Erfindung setzt eine Brennstoffregeleinrichtung für Gasturbinen als bekannt
voraus, bei welcher die Brennstoffmenge durch ein zur Brennstoffpumpe parallel geschaltetes
Nebenschlußventil in Abhängigkeit vom Verdichterluftdruck und vom Druckabfall an
einem im Brennstoffstrom hinter der Pumpe liegenden, mit einem federbelasteten Kolben
versehenen Drosselorgan geregelt wird.
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Die Erfindung besteht darin, daß die durch den Steuerkolben des Drosselorgans
voneinander getrennten Räume des Steuerzylinders über ein Abschlußorgan miteinander
in Verbindung stehen, dessen Arbeitsstellung durch eine Feder und ein Regelorgan
beeinflußt wird, welches mit vergrößertem Druckabfall am Drosselorgan das Abschlußorgan
schließt, und umgekehrt, wobei der Steuerkolben des Drosselorgans im Öffnungssinn
vom Druck hinter dem Drosselorgan und im Schließsinn vom Druck auf der über eine
Drossel mit dem Brennstoffpumpeneinlaß verbundenen -Abflußseite des Abschlußorgans
beaufschlagt ist.
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Die Erfindung knüpft im wesentlichen an solche Brennstoffregeleinrichtungen
für Gasturbinen an, bei denen das zur Brennstoffpumpe parallel geschaltete Nebenschlußventil
einer im Schließungssinn wirkenden, vom Verdichtungsdruck abhängigen Belastung und
einer zweiten, im Öffnungssinn wirkenden, von der Brennstoffzufuhr abhängigen Belastung
unterworfen ist. Diese zweite Belastung entsteht durch eine im Brennstoffweg zur
Turbine angeordnete Durchlaßstelle, ein mit dieser zusammenwirkendes Drosselorgan,
eine federnde Verbindung zwischen diesem Drosselorgan und dem erwähnten Nebenschlußventil,
einen am Drosselorgan befestigten Kolben, eine Steuerventileinrichtung mit einem
federbelasteten Ventil und einem das Ventil betätigenden, von dem Druckunterschied
an der genannten Durchlaßstelle abhängigen Organ, und eine Hilfsflüssigkeitsquelle,
die auf den Kolben und das Drosselorgan unter dem Einfluß der Steuerventileinrichtung
einwirkt. Dabei ist dieses Drosselorgan so beweglich, daß es den Druckabfall an
der Durchlaßstelle trotz Änderung der hindurchfließenden Brennstoffmenge konstant
erhält. Diese Bewegung des Drosselorgans dient dazu, die erwähnte federnde Verbindung
zu spannen oder zu entlasten, die auf das Nebenschlußventil entsprechend der Brennstoffzufuhr
zur Turbine einwirkt.
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Die Servoeinrichtung zum Verstellen des Drosselorgans im Brennstoffstrom
sowie die Steuerung der Servoeinrichtung wird nunmehr in ihrer bevorzugten Ausführungsform
an Hand der beiliegenden schematischen Zeichnung beschrieben. Die Einrichtung ist
in vollen Linien dargestellt, während eine vereinfachte Leitugsanordnung, an die
sie angeschlossen ist, in' gestrichelten Linien wiedergegeben ist.
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In der Brennstoffzufuhr- und Regeleinrichtung ist an einen Brennstoffbehälter
i eine Pumpe 2 angeschlossen, von der eine Brennstoffspeiseleitung 13
ausgeht.
Eine Abzweigung 3 der Speiseleitung führt über das Rohr 4 zu einem Umgehungsventil
5, von dem-ein Rohr 6 zum Behälter i zurückführt. Ein mit dem Ventilkörper 5 vereinigter
Kolben 7 unterliegt auf seiner kleineren Druckfläche dem Druck in der Speiseleitung
13, während seine andere Druckfläche unter einem Druck steht, der durch eine Einschnürung
&, in der Leitung 3 und die Auslaßleitung i i zu ihr Zutritthat. Die Stellung
des Umgehungsventils 5 wird von dem Kolben 7 gesteuert; dieser bewegt sich entsprechend
den Änderungen des Druckabfalls an der Einschnürung, der durch Auslassen von Brennstoff
aus dem Rohr i i hervorgerufen wird. Ein oder mehrere Auslaßventile können etwa
bei 9 und io mit dem Rohr i i verbunden sein, sofern solche Ventile unter den Mitteln
zur Steuerung der Turbinendrehzahl vorgesehen sind. .
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Ein zur Pumpe 2 und zum Umgehungsventil 5 parallel geschaltetes Nebenschlußventil
12 öffnet sich in eine Kammer 14, die mit dem Abfluß oder der Niederdruckseite der
Pumpe durch das Rohr 15
verbunden ist. Das Nebenschlußventil 12 wird von einem
Abschlußorgan in Form eines Balkens 16
gesteuert, der in der Kammer 14 um
einen Drehpunkt 17 beweglich angebracht ist. .Der Balken ist entgegen dem Uhrzeigersinn
der vom Verdichtungsluftdruck herrührenden Belastung und im Sinn des Uhrzeigers
der von der Brennstoffmenge herrührenden Belastung unterworfen, wie im folgenden
erläutert wird. Überwindet die Belastung durch die Brennstoffmenge die Belastung
durch den Luftdruck, so schwingt der Balken um seinen Drehpunkt 17 und öffnet das
Nebenschlußventil 12; das Ventil 12 entlastet eine Seite des im Druckgleichgewicht
stehenden Umgehungsventils 5 und begrenzt so den von der Brennstoffspeisepumpe 2
zur Turbine gelieferten Brennstoffbetrag.
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Den Balken 16 berührt eine Spitze 18 an einer Membran i9, die einen
Wandungsteil der Kammer 2o bildet, worin mittels des Rohres 21 der Ausgangsdruck
des Verdichters der Turbine herrscht. An der Unterseite des Balkens 16 gerade gegenüber
der Spitze 18 befindet sich eine Kapsel 23 von gleichem Durchmesser wie dem der
Membran i9, und deren Eigenfederung durch eine über der Membran i9 liegende Feder
24 ausgewogen wird. Alle Änderungen des niedrigen Druckes in der Kammer 14 wirken
gleichermaßen auf die Membran i9 und auf die Druckkapsel 23, so daß die reine Wirkung
der Kapsel 23, der Feder 24 und des Luftdruckes in der Kammer 2o ein getreues Maß
des Verdichtungsdruckes des Luftverdichters der Turbine darstellt, das seinerseits
ein -Maß der von der Turbine verbrauchten Luftmenge ist. Diese vom Luftdurchsatz
herrührende Belastung wirkt auf dem Balken entgegen dem Uhrzeigersinn und veranlaßt
ihn, das Nebenschlußventil 12 geschlossen zu halten.
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Nunmehr werden die Mittel erläutert, mit denen der Balken 16 im Uhrzeigersinn
durch die vom Brennstoffdurchsatz herrührende Belastung beeinflußt wird. Auf den
Balken 16 wirkt im Uhrzeigersinn
eine Feder 25, die zwischen den
Balken und einen einstellbaren Anschlag in der Kammer 14 eingespannt ist. Da das
Ausmaß der Schwingbewegung des Balkens 16 außerordentlich gering ist, übt die Feder
25 auf das entsprechende Ende des Balkens 16 eine im wesentlichen konstante Kraft
nach unten aus. Dieser im wesentlichen konstanten Kraft wirkt in wechselndem Maß
die Druckspannung einer Feder 22 entgegen, die gegenüber der Feder 25 zwischen der
Unterseite des Balkens und dem oberen Ende 26 eines beweglichen Drosselorgans 27
eingespannt ist. Das Drosselorgan 27 ragt durch eine Trennwand 28 hindurch und bildet
mit dieser einen veränderlichen Durchlaß 29. Die Brennstoffspeiseleitung, die von
der Brennstoffspeisepumpe zu den Brennern der Turbinenbrennkammer verläuft, ist
bei 13 dargestellt, und der durch diese Leitung 13 fließende Brennstoff muß, wie
ersichtlich, durch den veränderlichen Durchlaß 29 treten. Unterhalb der Trennwand
28 endet das Drosselorgan 27 in einem Steuerkolben 3o. Der Raum oberhalb des Steuerkolbens
30 steht in Verbindung mit dem unterhalb liegenden Raum durch ein Rohr 31
mit einem Filter 31a und durch ein Rohr 32. Das Eintrittsende des Rohres 32 bildet
den durch eine Membran 3.. regulierten Auslaß eines Drosselraumes. Das Rohr 32 hat
eine Abzweigung 35, die durch eine fest eingestellte Drossel 35a in die Niederdruckkammer
i-. führt. Die Membran 34. wird so durch den Brennstoffdruck an der Abflußseite
des veränderlichen Durchlasses 29 veranlaßt, sich von dem Drosselraumauslaß 33 abzuheben.
Sie wird außerdem durch eine einstellbare Zugfeder 36 in die gleiche Richtung gedrängt.
Die Membran wird andererseits veranlaßt, sich gegen den Drosselraumauslaß 33 hin
zu bewegen, indem sie an ihrer Außenseite dem Brennstoffdruck an der Zuflußseite
des veränderlichen Durchlasses 29 ausgesetzt ist. Wenn der Druckabfall an dem veränderlichen
Durchlaß 29 den vorherbestimmten, durch die Einstellung der Feder 25 festgelegten
Wert annimmt, befindet sich das Drosselorgan 27 im Gleichgewichtszustand, und die
Stellung des Drosselorgans entspricht dem Brennstoffdurchsatz durch die Rohrleitung
13- Jede Änderung des Brennstoffdurchsatzes durch das Rohr 13 sucht den Druckabfall
an dem veränderlichen Durchlaß 29 zu ändern, und dieses Bestreben wirkt, wie im
folgenden erläutert wird, durch die Membran 3.4 und den Drosselraumauslaß 33 weiter
und veranlaßt das Drosselorgan 27, eine neue Gleichg Wichtsstellung einzunehmen,
bei der der Drucke abfall am Durchlaß 29 auf dem vorherbestimmten konstanten Wert
bleibt.
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Unter der Annahme, die Turbine arbeite in einem stationären Zustand,
bei dem das Brennstoff-Luft-Verhältnis unter dem höchst zulässigen Wert ist, befindet
sich das Drosselorgan 27 in einem Gleichgewichtszustand, bei dem der Druckabfall
am veränderlichen Durchlaß 29 auf dem vorherbestimmten konstanten Wert liegt. Die
Stellung des Drosselorgans 27 entspricht der durch den Durchlaß 29 strömenden Brennstoffmenge,
und die Feder 25 übt eine entsprechende Wirkung auf den Balken 16 aus. In diesem
Zustand wird der Auslaß 12 durch den Balken 16 geschlossen, und der Drosselraumauslaß
33 wird hinreichend geöffnet, daß der Druck in den Leitungen 32 und 35 zwischen
dem Auslaß 33 und der fest eingestellten Drossel 35a, und daher auch im Raum unter
dem Steuerkolben 30, einen solchen Wert unterhalb des Druckes auf der Abflußseite
des Durchlasses 29 annimmt, daß er entsprechend der Differentialkolbenfläche einen
Aufwärtsschub auf das Drosselorgan 27 ausübt und der Feder 22 die erforderliche
Druckspannung gemäß dem Brennstoffdurchsatz erteilt. Wird nun angenommen, daß Durchsatz
bzw. Menge des Brennstoffes willkürlich erhöht wird, so ist die unmittelbare Wirkung
davon, daß der Druckabfall am Durchlaß 29 zu steigen sucht. Die auf die Membran
34 wirkenden Drücke suchen daher den Ouerschnitt des Drosselraumauslasses 33 zu
verkleinern, und dies hat zwischen der Zufluß- und Abflußseite des genannten Auslasses
33 einen erhöhten Druckabfall zur Folge, der den unterhalb des Drosselorgans 27
wirkenden Druck verringert; das letztere wird sich abwärts bewegen und den Durchlaß
29 erweitern, bis wieder ein Gleichgewichtszustand hergestellt ist, bei dem der
Druckabfall am Durchlaß 29 auf dem vorherbestimmten konstanten Wert gehalten wird.
Die Druckspannung der Feder 22 wird entsprechend verringert, so daß die Wirkung
der Feder 25 entsprechend stärker wird. Wenn umgekehrt die Brennstoffmenge willkürlich
verringert wird, so bewegen die auf die Membran 3.4 wirkenden Drücke die Membran
und vergrößern die Weite des Drosselraumauslasses 33 derart, daß an diesem Auslaß
33 ein niedrigerer Druckabfall auftritt; das Drosselorgan 27 bewegt sich aufwärts,
bis ein Gleichgewichtszustand für den neuen Brennstoffdurchsatz hergestellt ist,
bei welchem der Druckabfall an dem Durchlaß 29 wieder auf dem vorherbestimmten konstanten
Wert gehalten wird.
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Die Stellung des Drosselorgans 27 gegenüber seinem Gehäuse und daher
die Größe des veränderlichen Durchlasses 29 hängen auf diese Weise von zwei Drücken
ab, wovon der eine der Druck an der Abflußseite des Durchlasses 29 und der andere
ein darunterliegender Druck ist, der auf eine größere Druckfläche des Drosselorgans
27 als der erstere wirkt, wobei beide Drücke dahin wirken, daß der Druckabfall am
Durchlaß 29 auf dem konstanten Wert gehalten wird.
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Wird für eine gegebene Luftmenge die Brennstoffmenge in solchem Maß
erhöht, daß das Brennstoff-Luft-Verhältnis den kritischen Höchstwert erreicht, so
hat die Stellung des Drosselorgans 27 die Zusammenpressung der Feder 22 genügend
verringert, daß sie die Feder 25 die auf den Balken 16 wirkende Luftdruckbelastung
überwinden läßt. Der Balken 16 schwingt dann im Uhrzeigersinn und öffnet
das Nebenschlußventil 12. Dieses entlastet die eine Seite des zur Brennstoffpumpe
:2 parallelen, normalerweise im Gleichgewichtszustand befindlichen Ventils 5 und
verhindert, daß die Brennstoffmenge zur Turbine über jenen Wert steigt. Jede
Änderung
des Verdichtungsdruckes bzw. der Luftmenge für die Turbine ändert, wie ersichtlich,
die vom Verdichtungsdruck herrührende Belastung an dem Balken 16, die durch die
Federbelastungen 25, 22 überwunden werden muß, ehe die Einrichtung dahin arbeiten
kann, den Brennstoffzufluß zur Turbine zu begrenzen.
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Der Balken wird so in bezug auf seine Stellung zum Auslaß 12 entsprechend
den Änderungen der Luftmenge und der Brennstoffmenge gesteuert, und das Nebenschlußventil
12 steuert entsprechend das Nebenschlußventil 5 der Brennstoffpumpe, um das jeder
Betriebsdrehzahl der Turbine zugeordnete Brennstoff-Luft-Verhältnis zu begrenzen.