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Brennstoffregelvorrichtung für Gasturbinen Die Erfindung betrifft
einen Regler für die Brennstoffzufuhr bei Gasturbinen, die mit Brennern. der Überströmbauart
ausgerüstet sind, bei welchen der zugeführte Brennstoff seitlich in den Brenner
eintritt und tangential' in eine Kammer geführt wird, in welcher er mit verhältnismäßig
hoher Winkelgeschwindigkeit umläuft, bevor er durch zwei zur Wahl stehende Öffnungen
austritt, von denen eine die eigentliche Brennerdüse ist, und die andere über ein
Regelventil zur Eintrittsöffnung der Brennstoffpumpe zurückführt.
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Beispielsweise soll die Erfindung bei Gasturbinen dieser Bauart angewendet
werden, bei denen die Brennstoffpumpe nach der Verdrängerbauart ausgebildet ist
und mechanisch von der Welle des Gasturbinenkompressors angetrieben wird. Eine mechanisch
angetriebene Pumpe dieser Bauart ist in vieler Hinsicht zweckdienlich, aber sie
leidet unter dem Nachteil, daß, wenn die Welle des Gasturbinenkompressors mit veränderlicher
Drehzahl arbeiten muß, die Leistung der Pumpe ,in einer Weise schwankt, die nicht
den Erford@ernissen der Turbine entspricht.
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In einer einfachen Überströmregelvorrichtung kann die Auslaßöffnung
einer solchen mechanisch angetriebenen Pumpe mit der Eintrittsöffnung des Brenners
verbunden und so eingerichtet sein, daß die Fördermenge der Pumpe bei Leerlauf zur
Lieferung des von der Turbine benötigten Brennstoffes und der für gute Zerstäubung
benötigten
Überströmmenge ausreicht, dann würde aber bei allen höheren
Drehzahlen die Pumpenförderung den. Bedarf der Turbine um eine schwankende Menge
übersteigen, und der Überlauf müßte auf Durchlassen dieser Mengen eingestellt sein.
Die kleinste Pumpengröße wäre dann diejenige Pumpe, welche die Anforderungen der
Anlage bei Vollast erfüllen würde, aber eine solche Anordnung würde z.u. Unistabilität
in einem Zwischenzustandi führen, bei welchem die Menge, um welche dlie Pumpenförderung
den Bedarf der Turbine übersteigt, einen Höchstwert erreicht, da bei einem solchen
Betriebszustand eine Verringerung der Überströmmenge entweder @ einem Ansteigen
oder einem Abfallen der Turbinendrehzahl entsprechen kann. Diese Unstabilität kann
durch Wahl einer Pumpe solcher Größe vermieden werden, daß der Zustand, bei welchem
der überlauf den Höchstwert erreicht, bei Vollast liegt, aber dies macht eine große
Pumpe erforderlich, welche eine große Leistung bei Vollast zur Deckung der überströmmenge
verbrauchen würde. Weiterhin müßte die Pumpe bei hohem Druck arbeiten, um diese
große überströmmenge zu erzielen.
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In anderer Weise wäre es möglich, ein Entlastungsventil in der überströmleitung
anzuordnen, um so den Druck in der überströmle.itung auf einem vorherbestimmten
Wert zu halten. Dieser Wert würde dann die Drehzahl der Turbine regeln, und es müßte,
um diese Drehzahl zu erhöhen, der Druck in der überströmleitung erhöht werden. Dabei
würde jedoch der Förderdruck in der Pumpenleitung, der von der Drehzahl der Turbine
abhängig ist, langsamer ansteigen, was zu einem Abfallen der Überströmmnenge und
Ansteigen der Brennerförderung führen würde, die leicht diejenige Förderung überschreiten
könnte, welche für die beabsichtigte Beschleunigung erforderlich ist, so daß eine
gefährliche Überhitzung eintreten könnte.
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Eine weitere Möglichkeit würde -darin bestehen, daß der Brennstoff
dem Brenner unter konstantem Druck zugeführt wird, jedoch würde diese eine sehr
große Pumpe erforderlich machen, da die Überströmmenge bei Leerlauf den Zustrom
zur Turbine bei Vollast übersteigen würde.
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Zweck der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und die Verwendung
einer mechanisch gekuppelten Pumpe zu ermöglichen, deren Förderung den Bedarf der
Turbine nur wenig übersteigt.
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Gemäß der Erfindung wird eine Gasturbinenanlage, die bei wechselnden
Drehzahlen arbeitet und Brenner der überströmbauart sowie eine mechanisch gekuppelte,
von der Maschine angetriebene Brennstoffpumpe aufweist, mit einer Bzennstoffzufuhrvorrichtung
ausgerüstet, inwelcher der überströmdruck selbsttätig so geregelt wird, daß die
Menge des Brennstoffes in der Überströmleitung praktisch. konstant gehalten wird,
während der Druck des dem Brenner zugeführten Brennstoffes entweder unmittelbar
durch ein Ventil in der B@rerinstoffzuleitung oder durch irgendeine Fern- oder Servosteuerung
geregelt wird. Zur weiteren Erläuterung wird nachstehend an Hand der Zeichnung eine
Ausführungsform der Erfindung besprochen.
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Fig: i stellt ein vereinfachtes Schema der erfindungsgemäßen Brennstoffzufuhrvorrichtung
mit Regler einer Gasturbinenanlage dar; Fig. 2 zeigt die Einzelheiten dieser Zufuhr-
und Regelvorrichtung.
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Gemäß Fig. i wird der Brennstoff durch. ein Zuleitungsrohr i einer
von der Turbine angetriebenen Pumpe 2 zugeführt, deren Auslaßrohrleitung 3 über
ein Entlastungsventil 4 wieder zurück mit der Zuleitungsseite der Pumpe verbunden
ist. Das Auslaßrohr 3 ist weiterhin durch ein von Hand zu betätigendes Steuerventil
6 mit der Eintrittsseite des Überströmbrenners 7 verbunden, dessen Überströmleitung
$ mittels eines selbsttätigen Reduzierventils 9, einer Einschnürung io und der Leitung
5 mit der Zuleitung i verbunden ist.
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Beispielsweise kann eine Gasturbinenanlage, deren maximale Drehzahl
dreimal größer ist als die Drehzahl bei Leerlauf, mit einer mechanisch mit der Turbine
gekuppelten Brennstoffpumpe ausgerüstet sein, die eine maximale Förderleistung von
22,75 1/min bei Höchstdrehzahl .hat. Dann beträgt die Fördermenge dieser Pumpe bei
Leerlauf etwa 7,61/min. Wenn diese Anlage einen Brennstoffbedarf von 14,11 1/min
bei Vollast und von 1,37 1/min bei Leerlauf hat, so kann weiterhin die überströmregelung
auf eine konstante überströmmenge von 5,o1 1/min eingestellt werden. Dies führt
zu einem Zufluß zum Brenner von 19,11 1/min bei Vollast und 6,37 1/min bei Leerlauf,
was beides innerhalb ,der maximalen Fördermenge der mechanisch gekuppelten Pumpe
liegt. Das Entlastungsventil 4 kann so eingestellt werden, daß es sich-bei einem
Druck von etwa 42 at öffnet.
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In Fig. 2 ist ein Brennstoffbehälter i i unterhalb der Höhenlage der
Brenner 7 angeordnet und durch ein Filter 12 mit der Einlaßseite der mechanisch
mit der Turbine gekuppelten Pumpe 2 verbunden. Ein federbelastetes Entlastungsventil
4 ist zwischen der Druckleitung 3 der Pumpe und der Zuleitung i angeordnet und kann
zum Öffnen bei z. B. etwa 42 at eingestellt werden.
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Das Rohr 3 führt -zu dem von Hand zu betätigenden Steuerventil 6,
das ein Drosselwentil 16 und ein Absperrventil 26 aufweist. Das Drosselventil 16
hat einen stetigen Bereich von Drosselstellungen, der von der in gestrichelten Linien
angedeuteten Leerlaufstellung A bis zu der voll ausgezeichneten Vollaststellu.ng
B reicht. Das Absperrventil 26 befindet sich normalerweise in Schließstellung C,
wie dies mit ausgezogenen Linien angedeutet ist. Es stellt aber, wenn es in die
mit gestrichelten Linien angedeutete Stellung D gebracht wird, eine Umleitung zur
Einlaßseite der Pumpe her, und zwar durch die Rohrleitungen 15 und 5 sowie das Gehäuse
von Ventil 4.
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Zwischen dem Drosselventil 16 und dem Absperrventil 26 ist das von
Hand zu betätigende Steuerventil 6 mit -einer bei Störungen der Öl-
Schmierung
wirkenden Auslösevorrichtung 17 verbunden und weiterhin mit den Brennern 7 über
ein belastetes Ventil i8 und die Filter ig.
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Das Innere der Bälge 37 der Auslösevorrichtung 17 steht unter dem
Druck des Schmieröles, um so das Ventil 27 so lange geschlossen zu halten, wie der
vom Schmieröl ausgeübte hydraulische Druck größer ist als der vom Brennstöff an
der Vorderseite von Ventil 27 ausgeübte hydraulische Druck. Wenn etwa der Schmieröldruck
nachläßt, öffnet sich das Ventil 27, und der Brennstoff wird durch die Rohrleitungen
47, 25 und 5 zur Pumpenzuleitung zurückgeleitet.
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Das belastete Ventil 18 enthält eine Kapsel 28, die zum Teil
mit Flüssigkeit gefüllt ist, wobei diese Flüssigkeit die Kapsel 28 vor Beschädigung
schützt, wenn der Druck des Brennstöfföles hoch ist, beispielsweise in der Größenordnung
von 42 at. Dieses belastete Ventil 18 ist so angeordnet, daß ein Druck von etwa
4,2 at gegen die Vorderseite des Ventils zum Heben des Ventils erforderlich ist.
Ist es aber einmal geöffnet, so wirkt der Druck des Brennstoffes auf die Kapsel
28 und hält das Ventil so lange offen, bis der Druck des Brennstoffes auf einen
niedrigeren Wert, beispielsweise 2,1 at absinkt. Bei Unterschreiten dieses Mindestwertes
sperrt das Ventil 18 zwangsläufig die Brennstoffzufuhr zu den Brennern 7 ab.
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Die überströmleitungen 8 der Brenner 7 sind mit einem selbsttätigen
'Reduzierventil g verbunden, das den Druck vor dem Druckminderer io auf einem konstanten
Wert hält und so eine konstanteÜberströmmenge durch denDruckminderer io so lange
sicherstellt, wie der Druck in den überströmleitungen 8 oberhalb des erwähnten konstanten
Wertes liegt. Das Reduzierventil g ist einstellbar, so daß der Wert, bei welchem
die überströmmenge konstant gehalten wird, gewählt werden kann.
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Der Druckminderer io ist vorzugsweise als Regelventil ausgebildet,
welches durch die Temperatur des Verbrennungsraumes der Anlage durch die Leitungen
i io und i i i gesteuert wird. Dieses durch hie Temperatur gesteuerte Regelventil
öffnet die Überströmleitung hinter dem Reduzierventil 9 ganz, wenn die Temperatur
im Verbrennungsraum einen vorherbestimmten Wert übersteigt. Wenn die Überströmleitung
in dieser Weise geöffnet wird, ist die Überströmmenge verstärkt und die Zufuhr vom
Birenner zum Verbrennungsraum entsprechend verringert, wodurch ein Sinken der Temperatur
bis zum Erreichen eines vorherbestimmten Wertes bewirkt wird, worauf das Ventil
io wieder den Durchgang verkleinert. In einer Gasturbinenanlage mit mehr als einem
Verbrennungsraum ist je ein Regelventil io für jeden Raum parallel angeordnet, so
daß, welcher Raum auch immer den vorherbestimmten Wert überschreitet, die Überströmleitungen
geöffnet werden. So würde in Fig. 2 die Leitung i io mit dem einen Verbrennungsraum,
die Leitung i i i mit dem zweiten Raum einer zwei Verbrennungsräume aufweisenden
Anlage verbunden sein.
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Anstatt die überströmleitungen 8 der beiden Brenner zu verbinden und
nur ein einziges selbsttätiges Reduzierventil g sowie zwei parallel arbeitende Regelventile
io zu verwenden, wie dies in Fig.2 gezeigt ist, können auch für jede Verbrennungskammer
besondere überströmleitungen, Reduzierventile und Regelventile vorgesehen werden.
Die Umleitung 25 kann jedoch für beide Regelventile gemeinsam sein.
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Es sei bemerkt, daß die erfindungsgemäße Regelvorrichtung die üblichen
Kippausschalter der überströmbrenner entbehrlich macht. Diese Ausschalter. sind
notwendigerweise hoher Temperatur ausgesetzt und daher Schwierigkeiten bei der Wartung
unterworfen. Mit konstanter überströmmenge ändert sich außerdem die Gesamtmenge
des in dien Brenner eintretenden Brennstoffes mit der in den Verbrennungsraum gelangenden
Menge, was den Aufbau eines Brenners, der gute Zerstäubung innerhalb eines großen
Bereiches von Eingangsdrücken und Brennstoffzufuhren ergibt,. erleichert.