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Drehzahlbegrenzender Regler für Verbrennungsturbinen Die Erfindung
betrifft drehzahlbegrenzende Regler für Verbrennungsturbinen mit stetiger Verbrennung,
bei denen die Brennstoffzufuhr aus einer von der Maschine angetriebenen Pumpe durch
Steuerung eines Auslasses an einem mit der Pumpe verbundenen Servomechanismus begrenzt
werden kann; dieser Auslaß, im folgenden Drehzahlbegrenzerauslaß genannt, hat ein
Abschlußorgan, das zwei entgegengesetzten Belastungen unterliegt, von denen die
eine durch eine Feder und die andere durch einen drehzahlabhängigen Druckunterschied
hervorgebracht wird, der von einer mit Turbinendrehzahl betriebenen Hilfspumpe an
einer Membran oder ähnlichen Anordnung erzeugt wird und der Drehzahl verhältnisgleich
ist. Wenn die Hilfspumpe eine Drehzahl erreicht hat, auf welche die Drehzahl der
Turbine begrenzt werden soll, öffnet der auf die Membran od. dgl. wirkende Ausgangsdruck
der Hilfspumpe den Drehzahlbegrenzerauslaß und begrenzt dadurch die Brennstoffzufuhr
zur Turbine.
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Es ist erwünscht, daß der bezeichnete Drehzahlbegrenzer genau arbeitet
und keine merklichen Fehler in seiner Funktion zuläßt; er ist gewöhnlich dazu bestimmt,
mit einer Flüssigkeit von bekannter Dichte zu arbeiten. Aus praktischen Gründen
ist es bequem und gebräuchlich, im Hilfspumpenkreislauf des Reglers den gleichen
Brennstoff zu verwenden, der als Hauptbrennstoff für die Turbine benutzt wird und
durch den Drehzahlbegrenzerauslaß
fließt, wenn dieser zur Begrenzung
der Turbinendrehzahl geöffnet wird; daher ist der Regler auf das Arbeiten mit diesem
Brennstoff berechnet.
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Da einer der Faktoren, die den Druck an der Hilfspumpe bestimmen,
die Dichte des Brennstoffs im Hilfspumpenkreislauf ist, kann ein auf die Verwendung
eines bestimmten Brennstoffs berechneter Drehzahlbegrenzer ungeeignet sein, mit
einem anderen Brennstoff von abweichender Dichte betrieben zu werden. Die Erfindung
sucht einen verbesserten Drehzahlbegrenzer der erwähnten Art zu schaffen, der so
gebaut werden kann, daß er ohne weitere Einstellung zum Betrieb mit einer Anzahl
von Brennstoffen verschiedener Dichte zufriedenstellend benutzt werden kann.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß eine eindeutige Beziehung
zwischen der Dichte und der Viskosität für eine Anzahl von Brennstoffen besteht,
die sich für Turbinen mit stetiger Verbrennung eignen; dazu gehören Dieselöl, Petroleum
und Benzin.
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Die Erfindung setzt einen drehzahlbegrenzenden Regler für Verbrennungsturbinen
mit stetiger Verbrennung als bekannt voraus, bei dem eine von der Maschine angetriebene
Brennstoffpumpe mit einem servogesteuerten, ihre Förderung begrenzenden Glied verbunden
ist; das durch Öffnen- des Verschlußorgans eines Auslasses im Servogerät betätigt
wird, wobei das Verschlußorgan im Schließungssinn durch eine Feder und im Öffnungssinn
durch eine drehzahlabhängige Druckdifferenz betätigt wird, die von einer mit Turbinendrehzahl
angetriebenen Hilfspumpe an einer Membran oder gleichartigen Anordnung erzeugt-
wird und der Turbinendrehzahl verhältnisgleich ist.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, einen geschwindigkeitsbegrenzenden
Regler zu schaffen, der für Verbrennungsturbinen verwendbar ist, die mit Brennstoffen
verschiedener Dichte betrieben werden können, wird auf folgende Weise gelöst: Eine
druckkompensierende fest eingestellte Drossel ist auf ihrer einen Seite mit dem
Auslaß der Hilfspumpe und auf ihrer anderen Seite sowohl über eine Leitung mit der
Hochdruckseite der Membran als auch über eine Leitung mit einer Brennstoffdruckquelle
verbunden, die einen um einen festgesetzten konstanten Betrag -größeren Druck als
den Druck auf die Niederdruckseite der Membran liefert. In der Leitung zwischen
der Brennstoffquelle und der Druckkompensationsdrossel sind eine Drossel, deren
Druckabfall der Brennstoffdichte verhältnisgleich ist, sowie eine Drossel, deren
Druckabfall der Brennstoffviskosität verhältnisgleich ist, angeordnet.
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Wird beispielsweise der Brennstoff im Brennstoffkreislauf der Turbine
und im-Hilfspumpenkreislauf des Reglers gegen einen Brennstoff geringerer Dichte
ausgetauscht, so tritt eine entsprechend geringere Druckdifferenz an Hilfspumpe
bzw. Membran und auch eine entsprechend erhöhte Strömung durch die druckkompensierende
fest eingestellte Drosselstelle auf, die einen entsprechend erhöhten Druckabfall
an dieser hervorbringt, mit dem Ergebnis, daß die Gesamtdruckdifferenz an der Hilfspumpe
und der druckkompensierenden Drosselstelle für die höchstzulässige Turbinendrehzahl
unverändert bleibt. Auf diese- Weise schafft die Erfindung eine in bezug auf die
Brennstoffdichte kompensierte Signalgröße für den Grenzdrehzahlregler der Verbrennungsturbine.
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Zum leichteren Verständnis der Erfindung und zu ihrer besseren Verwirklichung
wird im folgenden eine bevorzugte Ausführungsform an Hand der schematischen Zeichnungen
beschrieben. Darin stellt Fig. i einen typischen drehzahlbegrenzenden Regler der
erwähnten Art dar; Fig.2 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen
Dichte und Viskosität einer Anzahl von Brennstoffen, die sich zur Verwendung in
der Turbine und ihrem Regler eignen; Fig. 3 zeigt, wie die Erfindung auf einen Regler
nach Fig. i angewendet wird, und Fig:4 ist eine Schnittansicht, die Bestandteile
davon ausführlicher darstellt.
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Wie in - Fig. i gezeigt, bezieht eine von der Turbine angetriebene
Pumpe i i Brennstoff aus einem nicht dargestellten Behälter durch eine Eingangsleitung
12 und fördert den Brennstoff durch eine Förderleitung 13 zur Turbine. Die
Brennstoffmenge, die durch diese Speiseleitung 13 fließt, wird durch ein Umgehungsventil
14 in einem Rückflußweg 15 zwischen der Auslaß- und der Eintrittsseite der Pumpe
ii- geregelt. Das Umgehungsventil 14 ist hydraulisch gesteuert und kann sich auf
einen Beharrungszustand einstellen. Die Lage des Ventilkörpers wird durch die Geschwindigkeit
bestimmt, mit der der Brennstoff aus dem Raum 16 unter dem Ventilkolben 17
ausströmen kann. Bis zur Turbinenhöchstdrehzahl wird das Umgehungsventil durch Mittel
gesteuert, zu denen ein nicht dargestellter Auslaß am Ende einer aus dem Druckraum
16 führenden Leitung i8 gehört. Dieser Auslaß hat ein Steuerglied, das von mehreren
Faktoren beeinflußt wird, um die Geschwindigkeit zu bestimmen, mit der der Brennstoff
aus dem Raum 16 ausströmt. Für. jede gegebene Ausströmgeschwindigkeit nimmt das
Umgehungsventil eine entsprechende Gleichgewichtsstellung ein, die ihrerseits bestimmt,
wieviel Brennstoff durch den Rückflußweg 15 zurückfließen kann und wieviel durch
die Speiseleitung 13 zur Turbine gelangt. Wenn die Turbine ihre höchstzülässige
Drehzahl erreicht hat, wird die Brennstoffzufuhr durch Öffnen des Drehzahlbegrenzerauslasses
i9 begrenzt, der ebenfalls mit dem Druckraum 16 des Rückflußventils 14 verbunden
ist. Der Drehzahlbegrenzerauslaß hat ein Abschlußorgan 2o an einem Hebel 2i, der
mit einer Membran 22 verbunden ist. Die Membran ist durch eine Zugfeder 23 belastet,
die die Membran nach rechts zu ziehen sucht, um das Abschlußorgan auf dem Sitz des
Drehzahlbegrenzerauslasses i9 zu halten. Eine von der Turbine angetriebene Hilfspumpe
24 ist an ihrem Einlaß mit der Einlaßleitung 12 durch eine Abzweigleitung 25 verbunden.
Der Druckanstieg an der Hilfspumpe 24 ist eine Funktion der
"1 urbinendrehzahl.
Die Membran 22 steht an ihrer linken Seite über eine Rohrleitung 26 unter dem Eintrittsdruck
der Hilfspumpe 2.4, an ihrer anderen Seite über die Rohrleitung 27 unter dem Ausgangsdruck
der Hilfspumpe. Die Membran 22 arbeitet in einem Raum, der teilweise durch eine
Stauwand 28 begrenzt ist, und der Raum 29, in den sich, der Auslaß i9 öffnet, hat
eine Abzugsverbindung 30 zur Einlaßleitung 12. Die Membran 22 wird so belastet,
daß sie unter der Kraft der Zugfeder 23 den Auslaß i9 schließt, dagegen unter dem
Druckunterschied der Hilfspumpe 24 ihn zu öffnen sucht. Hat dieser Druckunterschied
einen festgesetzten Betrag erreicht, der der Einstellung der Federbelastung 23 entspricht,
so überwindet er die Wirkung der Federbelastung und veranlaßt den Hebel 21, sich
entgegen dem Uhrzeigersinn zu bewegen und den Drehzahlbegrenzerauslaß freizugeben.
Das Rückflußventil 14 spricht darauf an, indem es den Rückflußweg 15 erweitert,
um die Brennstoffmenge zu begrenzen, die zur Turbine fließen kann.
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Der Drehzahlbegrenzerauslaß könnte ebensogut eine sich auf einen Gleichgewichtszustand
einspielende Einrichtung steuern, die, anstatt einen Rückflußweg an einer Pumpe
mit festem Hub zu beeinflussen, in an sich bekannter Weise die Einstellung des Hubreglers
einer Pumpe mit veränderlichem Hub regelt.
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Da der Druckanstieg an der Hilfspumpe 2q. von der Dichte oder dem
spezifischen Gewicht des geförderten Brennstoffs abhängt, wird der festgesetzte
Druckunterschied an der Hilfspumpe 2-., der zum Öffnen des Auslasses i9 erforderlich
ist, für verschiedene Brennstoffdichten bei verschiedenen Turbinendrehzahlen erreicht
werden, und der beschriebene Regler wird daher die Turbinendrehzahl bei diesen verschiedenen
Werten begrenzen. Eine Änderung der Brennstoffdichte kann durch eine Temperaturänderung
zustande kommen, wenngleich dies keine zu große Unregelmäßigkeit in der Arbeitsweise
des Reglers herbeiführen mag. Sie kann sich aber auch aus der Verwendung verschiedener
Brennstoffe in der Hauptpumpe i i und der Hilfspumpe 2.1. ergeben, was unzulässig
große Abweichungen von der höchstzulässigen Turbinendrehzahl verursachen würde.
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Die Erfindung sieht Mittel vor, um Änderungen der Brennstoffdichte
zu kompensieren. und beruht auf der Erkenntnis, daß zwischen der Viskosität und
Dichte einer Anzahl von Brennstoffen, die sich zum Betrieb der Verbrennungsturbine
eignen, eine eindeutige Beziehung besteht, wie schon eingangs angedeutet wurde.
Diese Beziehung ist in Fig.2 graphisch dargestellt. Aus Fig.2 ist zu ersehen, claß
die drei Kurven, die den Zusammenhang zwischen Viskosität und Dichte für Benzin,
Petroleum und Dieselöl in einem gewissen Temperaturbereich zeigen, im wesentlichen
auf einer gemeinsamen Kurve liegen. Bei dem Entwurf der Vorrichtung, die eine Kompensation
bei Änderungen der Brennstoffdichte bewirken soll, kann man daher von den Viskositätsänderungen
des Brennstoffs Gebrauch machen, die mit der Dichteänderung eintreten; eine solche
Kompensationsvorrichtung wird nunmehr an Hand der Fig. 3 und .1 beschrieben, in
denen gleiche Bezugsziffern verwendet sind, um in allen Figuren gleiche Teile zu
bezeichnen.
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Nach Fig.3 ist eine druckkompensierende fest eingestellte Drosselstelle
in der Leitung 27 vorgesehen, die zwischen dem Ausgang der Hilfspumpe 24. und der
Membran 22 des Reglers verläuft. Ferner ist zwischen dieser Drosselstelle 31 und
der Membran 22 eine Abzweigleitung 32 vorgesehen, die mit einer Hochdruckbrennstoffquelle
verbunden ist. Der Brennstoff ist in diesem Fall der gleiche wie in der von der
Hauptpumpe i i kommenden Speiseleitung 13. Die Abzweigleitung 32 enthält strömungsregelnde
Mittel, um durch die druckkompensierende Drosselstelle 3 i eine geeignete kompensierende
Strömung zu senden. Die genannten strömungsregelnden Mittel umfassen ein Druckminderv
entil 33 und eine schematisch bei 34. angedeutete Drosseleinrichtung. Das Druckminderv
entil 33, das später ausführlicher beschrieben wird, hält in der Abzweigleitung
32 an seiner Austrittsseite einen Druck aufrecht, der um einen festgesetzten konstanten
Betrag größer ist als der Druck am Eingang der Hilfspumpe 2.4. Hierzu ist eine Verbindung
35 mit der Leitung 26 vorhanden, damit der Eingangsdruck der Hilfspumpe als Bezugsdruck
für das Ventil 33 benutzt werden kann. Die Drosseleinrichtung 3.4 ist in bestimmtem
Maße für die Viskosität des in der Hilfspumpe 2.4 und der Brennstoffliauptpumpe
i i gemeinsam vorhandenen Brennstoffs empfindlich. Zu diesem Zweck enthält die Drosseleinrichtung
3.4 eine Drosselstelle 36 der üblichen, turbulenzabhängigen und im allgemeinen gegen
die Viskosität des Brennstoffs unempfindlichen Art und eine Drosselstellle 37 mit
angenäherter Laminarstörung, d. h., von der für die Viskosität des Brennstoffs empfindlichen
Art. Die Drosselstellen 36 und 37 geben zusammen eine zufriedenstellende Beziehung
zwischen Durchfluß und Viskosität, und daher zwischen Durchfluß und Dichte, so daß
sie an der druckkompensierenden Drosselstelle 3 i die erforderliche Kompensationsströmung
hervorbringen, die eine von den Unterschieden der Brennstoffdichte unabhängige konstante
Gesamtdruckdifferenz an der Hilfspumpe 24 und der druckkompensierenden Drosselstelle
31 ergibt, wenn die Turbine mit ihrer höchstzulässigen Drehzahl läuft. Diese Druckdifferenz,
die auf die Membran 22 entgegen der Kraft der Feder 23 wirkt, überwindet die letztere
und schwenkt den Hebel 21, so daß er den Drehzahlbegrenzerauslaß 19, 20 öffnet.
Dies führt eine Bewegung des Rückflußventils 1.4 herbei, um jede weitere Zunahme
des Brennstoffzuflusses zur Turbine zu verhindern. Es ist zu bemerken, daß die Kompensationsströmung
einen Rückfluß durch die Hilfspumpe 24 gegen deren Druckhöhe ergibt und die Bildung
eines Luftpolsters in der Hilfspumpe verhindert, welches in den Regler einen Fehler
bringen könnte.
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Betrachtet man den Regler, wenn die Turbine und daher auch die Hilfspumpe
mit der höchstzulässigen
Turbinendrehzahl läuft, so ist für Brennstoff
geringerer Dichte ein entsprechend niedrigerer Druckanstieg an der Hilfspumpe 24
mit einem entsprechend stärkeren Durchfluß und Druckabfall durch die druckkompensierende
Drosselstelle 31 vorhanden, während sich für Brennstoff höherer Dichte ein entsprechend
größerer Druckanstieg an der Hilfspumpe 24 mit einem entsprechend verringerten Durchfluß
und Druckabfall durch die Drosselstelle 31 einstellt. Dies ergibt in allen Fällen
eine konstante Gesamtdruckdifferenz an der Hilfspumpe 24 und der Drosselstelle 31.
Es wird so jede Abweichung, die von einer Änderung der Bremistoffdichte herbeigeführt
werden könnte, durch die Druckhöhe ausgeglichen, die von der zu regelnden Strömung
erzeugt wird.
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Die Strömung in der Abzweigleitung 32 bei oder nahe bei der höchstzulässigen
Turbinendrehzahl vermindert die Fördermenge der Pumpe i i und daher die Höchstmenge
an Brennstoff, die die Turbine erhalten kann. Die verschiedenen Drosselstellen und
dieWirkung des Druckminderventils 33 werden daher auf Grund eines genügenden Mindestdurchsatzes
in der Abzweigleitung 32 unter dieser Bedingung berechnet.
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Gemäß Fig. 4, worin die Hilfspumpe 24 und die Brennstoffspeisepumpe
i i weggelassen sind, bedeutet 38 eine fest eingestellte Drosselstelle in einer
Verbindung zwischen entgegengesetzten Seiten des Kolbens 17 des Rückflußventils
14. Diese Drosselstelle ist in den Fig. i und 3 im Kolben selbst bei 711 angedeutet.
Das Abschlußorgan 2o des Drehzahlbegrenzerauslasses i9 ist am freien Ende des Schwinghebels
21 angebracht, der auf der gegenüberliegenden Seite von einer Schraubenfeder 23
getragen wird, welche die gelenkige Lagerung des Hebels bildet. Die Membran 22 der
Fig. i und 3 ist durch eine äquivalente Wellrohrkapsel22a ersetzt. Eine Seite dieser
Kapsel 22a steht mit dem Brennstoff der Leitung 27 in Berührung, welche die druckkompensierende
Drosselstelle 31 enthält und vom Austritt der nicht dargestellten Hilfspumpe kommt,
während die andere Seite der Wellrohrkapsel22a dem Druck der vom Eintritt der Hilfspumpe
kommenden Leitung 26 ausgesetzt ist.
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Die Drosselstelle 36 der Strömungsdrossel 34 ist der Drosselstelle
31 darin ähnlich, daß ihr eingeschnürter Durchgang eine kleine zentrale Öffnung
in einem zylindrischen Teil bildet. Die Laminarströmungsdrossel 37 weicht dagegen
darin ab, daß ihr eingeschnürter Durchgang ringförmige Gestalt hat und von einer
zylindrischen Bohrung 37a und einem zylindrischen Kern 37b von etwas kleinerem Durchmesser
als dem der Bohrung begrenzt ist. Der Brennstoff gelangt zu der ringförmigen Einschnürung
durch eine zentrale Bohrung 37e, radiale Bohrungen 37d und eine Ringnut 37e. Die
Drosselstellen 36 und 37 werden durch den Druck einer in der Höhlung einer Endkappe
38a untergebrachten Feder an ihrem Ort gehalten. Es sei gesagt, daß man in dem gegebenen
Beispiel die für die Drosselstellen 36 und 37 zusammen gewünschte Druck-Strömungs-Charakteristik
erhält, wenn die Druckdifferenzen an den einzelnen Drosselstellen 36 und 37 für
mittlere Brennstoffdichte, d. h. für das Mittel der höchsten und niedrigsten Dichte
der wahrscheinlich anzuwendenden Brennstoffe, im Verhältnis 1 :3 stehen.
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Das Druckminderventil 33 hat eine Einlaßkammer 39, die ein Filter
4o enthält und in einer Ventilöffnung 41 endet. Diese wird von einem Verschlußglied
42 an einem Hebel 43 gesteuert, der an einem Ende mittels einer federnden Scheibe
4. gelenkig gelagert ist. Brennstoff vom Druck in der Speiseleitung 13 gelangt zur
Ventilöffnung 41 und trifft auf das Verschlußglied 42, das er von seinem die Ventilöffnung
41 umgebenden Sitz abzuheben sucht. Ein stiftförmiger Kolben 45 ist in der Verlängerung
der Achse der Ventilöffnung 41 angeordnet. Er berührt den Hebel 43 und steht an
seinem abgewandten Ende unter dem Einfluß von Brennstoff, der von der Abzweigleitung
32 durch eine weitere Abzweigleitung 46 abgezapft wird. Der Durchmesser des Kolbens
45 ist im wesentlichen gleich dem Querschnitt der Ventilöffnung 41, so daß das Verschlußglied
42 hinsichtlich des Brennstoffeintrittsdruckes im Gleichgewicht ist. An den Hebel
43 stößt ein Stift 47, der von einem doppeltwirkenden, in einem Zylinder 49 gleitenden
Kolben 48 ausgeht. Eine einstellbare Druckfeder 5o stützt sich auf den Kolben 48
und drückt hierbei den Stift 47 gegen den Hebel 43. Der Raum 51 an der rechten Seite
oder Rückseite des Kolbens 48 hat einen Auslaß durch die Leitung 35 zum Eintritt
der Hilfspumpe 24. Eine schwache Feder 52 hält den Hebel 43 in Berührung mit dem
Stift 47. Ist die ganze Vorrichtung außer Tätigkeit, so hält die Feder 5o das Verschlußglied
42 vom Sitz der Ventilöffnung 41 ab. Wenn die Brennstoffspeisepumpe i i Brennstoff
durch die Speiseleitung 13 pumpt, so strömt etwas Brennstoff durch die Ventilöffnung
41 und durch die Drosselstellen 36 und 37, und es wird durch diese Drosselstellen
ein Staudruck entstehen, der auf die Vorderseite des Kolbens 48 wirkt. Dieser Staudruck
setzt seinen Anstieg fort, bis er die dem Staudruck entgegenwirkende Belastung des
Kolbens 48 ausgleicht. Das Verschlußglied 42 nimmt nun zu dem die Ventilöffnung
41 umgebenden Sitz eine solche Lage ein, daß die Brennstoffströmung durch die Ventilöffnung
gerade genügt, um diesen lastausgleichenden Staudruck aufrechtzuerhalten und so
den erforderlichen Druckabfall am Ventil hervorzubringen. Auf diese Weise wird der
Druck in der Abzweigleitung 32 am Ausgang des Druckminderventils 33 auf dem erforderlichen
festgesetzten Wert gehalten, der um einen konstanten Betrag über dem am Eintritt
der Hilfspumpe herrschenden Druck liegt.
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Die gemäß der Erfindung in bezug auf Änderungen der Brennstoffdichte
kompensierte Signalgröße für die Drehzahl der Turbine kann in einem Regler verwendet
werden, der Mittel zur Veränderung einer Belastung enthält, welche mit der Drehzahlsignalgröße
ein Kräftegleichgewicht herstellt. Beispielsweise können Vorkehrungen getroffen
sein, um die Wirkung einer Federbelastung
23 zu beeinflussen und
dadurch bei einem Wechsel der Höhenlage die geregelte Turbinendrehzahl etwas zu
verändern.
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Die Hilfspumpe 24 und die druckkompensierende fest eingestellte Drosselstelle
3 i können vertauscht werden, so daß die Drosselstelle an der Eingangsseite der
Schleuder liegt. In diesem Fall bleibt vorzugsweise die Lage der Abzweigverbindung
3 2 an der Leitung 27 unverändert, aber sie kann Selb:3tverständlich auch an einer
Verbindung zwischen der Hilfspumpe 2.a. und der Drosselstelle 3 i angebracht werden.
Bei der dargestellten bevorzugten Anordnung kann indessen die Hilfspumpe 2.4 durch
den Läufer der Brennstoffpumpe gebildet werden, während bei der eben erwähnten Abänderung
eine gesonderte Hilfspumpe verwendet werden muß.