DEF0014934MA - - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 10. Juni 1954 Bekanntgemacht am 5. April 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

Das Patent 929 286 bezieht sich auf einen Regler für die Brennstoffzufuhr bei Gasturbinen, bei dem der Druck der die Brennstoffpumpe mit der Düse unmittelbar verbindenden Förderleitung, die keine Regel- oder Drosselorgane enthält, mittels eines parallel zur Pumpe angeordneten Rückflußventils eingestellt wird, dessen eine Steuerkammer vom Förderdruck der Pumpe beaufschlagt wird, wobei der Regler dadurch gekennzeichnet ist, daß derselbe auißer dem Rückflußventil eine Abzweigleitung aufweist, welcher zwei in ihrer Längenausdehnung voneinander mit Abstand angeordneten Drosseln zugeordnet sind, und welche die Förderleitung mit der anderen Steuerkammer des Rückflußventils verbindet, sowie eine zweite, zwischen den Drosseln i; abzweigende, zur Brennstoffpumpe parallel geschaltete Nebenschlußleitung mit einem zweiten Rücknu'ßventil umfaßt, welches einerseits durch den zwischen den beiden Drosseln herrschenden Druck und andererseits durch ein mittels einer äußeren ai Kraft einstellbares Druckglied betätigt wird.

Gemäß einer Ausführungsform des obenerwähnten Reglers wurde das zweite Rückfluß ventil ferner durch einen besonderen hydraulischen Zentrifugal-

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regler beeinflußt, welcher die Türbinendrehzahl für jeden Betriebszustand regelt.

Bei der Ausführung einer derartigen Anordnung

hat- es sich nun ergeben,.,daß es im Hinblick auf die erforderliche hohe Regelempfindlichkeit schwierig ist, den beiden Erfordernissen sowohl einer leichten Verstellbarkeit der bewegten Teile als auch einer Flüssigkeitsabdichtung gleichzeitig zu entsprechen,

. so daß daher als Regelflüssigkeit der der Turbine

ίο zugeleitete Brennstoff verwendet werden mußte. Sonst wäre es unausbleiblich gewesen, daß sich ein Mischen der beiden Flüssigkeiten infolge Undichtigkeiten an den sich berührenden Gleitflächen ergab, wenn auch nur in geringem Ausmaß.

Der Zweck der Erfindung ist es nun, diesen Nachteil auszuschalten und für den ,hydraulischen Regler eine gegenüber dem der Turbine zugeführten Brennstoff unterschiedliche Flüssigkeit zu verwenden.

Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß die Brennstoffregulierung durch Verwendung eines Zentrifugalreglers weiterhin verbessert wird.

Das wesentliche Merkmal der Anordnung nach der Erfindung besteht darin, daß das auf den vom hydraulischen Regler erzeugten Druck ansprechende Teil hydraulisch. _von dem Flüssigkeitsstrom getrennt ist, der durch das vom Druckglied betätigte Ventil gesteuert wird, wobei die Verbindung mit letzterem lediglich auf mechanischem Wege erfolgt.

Nach einer abgeänderten Ausführungsform wird die Vorrichtung gleichzeitig durch eine Zirkulationspumpe sowie einen mit dem Rückflußventil verbundenen Zentrifugalregler gesteuert, wobei die Pumpe und dieser Regler beide von der Turbine angetrieben sind.

Weitere Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnungen. Die

Fig. ι und 2 zeigen schaubildlich zwei Ausführungsformen und

Fig. 3 eine geänderte Ausführungsform unter Verwendung eines Zentrifugalreglers.

In Fig. ι bezeichnet 1 eine Speisepumpe, welche über eine Leitung 2 mit der Einspritzdüse 3 der Turbine unmittelbar verbunden ist. Von der Leitung geht eine Abzweigung 4 aus, deren eines Ende durch ein Rückfluißventil 7 gesteuert wird und in

.5° einen Raum 5 mündet, wodurch ein Teil des durch die Pumpe 1 in die Leitung 2 geförderten Brennstoffs über die Leitung 4, den Raum 5 und eine Leitung 6 dem Brennstoffbehälter zurückgeführt werden kann. Der Druck in der Speiseleitung 2 ändert sich daher je nach der Stellung des Rückflußventils 7. Dieses Rückflußventil ist als Differentialkolben ausgebildet, welcher durch eine Feder 8 in die Schließstellung gedrückt wird. Die Feder sitzt in einem Raum 12, welcher in einen Zylinder

'60 19 ausläuft, in dem ein durch eine Feder 21 in Richtung des Ventils 7 gedrückter Kolben 20 beweglich angeordnet ist. Der Raman 12 ist über eine Abzweigleitung 9, die zwei in ihrer Längenausdehnung voneinander mit Abstand angeordnete ^ Drosseln 10, 11 aufweist, mit der Leitung 2 verbun-' den. Zwischen den Drosseln 10 und 11 zweigt von der Leitung 9 eine Nebenschlußleitung 13 ab, die über einen Raum 14 und eine Leitung 18 mit dem Brennstoffbehälter verbunden'^ist. Der Druck in der Leitung 13 wird durch ein zweites Rückflußventil 15 gesteuert.

Gemäß dem Patent 929286 wird das Rückfluß ventil 15 einerseits mittels eines über eine Feder auf das Rüokflußventil einwirkendes Druckglied bzw. eines Fußhebels od. dgl. durch den Fahrer, andererseits durch einen hydraulischen Regler gesteuert. Dieser Regler verändert bei Abweichung von einer vorbestimmten Betriebsdrehzahil eine Öffnung, über welche »ein Brennstoffteil aus der Leitung 2 abgelassen werden kann, wodurch die Turbinendrehzahl auf den Sollwert zurückgebracht wird. Zu diesem Zweck umfaßt der hydraulische Regler eine durch die Turbine betätigte Zahnradpumpe 28, welche in einem Raum 29 unterhalb des Ventils 30 einen gewissen Überdruck herstellt. Andererseits steht dieses Ventil unter der Wirkung einer in einem Raum 32 oberhalb des Ventils 30 sitzenden kalibrierten Feder 31. Die Räume 29 und 32 sind über eine Drossel 35 bzw. eine Leitung 34 mit einer Leitung 33 verbunden, deren Druck gemäß "dem Patent 929286 unmittelbar das Rückflußventil 15 beaufschlagt, wodurch dieses Ventil nicht nur durch den Druck in der Leitung 13 und das Druckglied 17 über eine Feder 16 gesteuert, sondern auch durch die Druckänderungen in der Leitung 33 beeinflußt wird, welche die Stellung des genannten Ventils in Schließ- bzw. Öffnungsrichtung entsprechend der Ab- bzw. Zunahme des Druckes in -. der Leitung 33 ändern.

Erfindungsgemäß ist der hydraulische Regler über die Leitung 33 mit einem Zylinder 50 verbunden, in welchem sich ein Kolben 51 bewegen kann (Fig. 1). Im Gegensatz zur Ausführungsform als Differentialkolben nach Patent 929 286 ist das Ventil 15 nunmehr als einfacher nicht abgestufter Kolben ausgeführt, welcher bei 55 gelenkig an dem einen Ende eines bei 53 drehbar gelagerten .Hebels 52 angebracht ist. Am gleichen. Hebel ist bei 54 der Kolben 51 angelenkt. Den auf die Kolben 15 und 51 wirkenden Drücken steht die Wirkung der Feder 16 und des von Hand oder Fuß zu betätigenden Druckgliedes 17 entgegen.

Die beschriebene Vorrichtung arbeitet wie folgt: Angenommen, das Druckglied 17 werde zwecks Einstellung einer gewissen Turbinendrehzahl nach unten gedrückt unter weiterem Zusammendrücken der Feder 16. Der Hebel 52 wird dann im Uhrzeigergegensinn um 53 geschwenkt und bewegt die Kolben 15 und 51 nach unten. Der Kolben 15 verringert die Rückflußöffnung aus der Leitung 13 unter Zunahme des Druckes in der Leitung 13 nach der Leitung 18 zu. Diese Druckzunahme erfolgt infolge der zwischen Pumpe 1 und Leitungen 9, 13 vorhandenen Drossel· 10 mit zeitlicher Verzögerung. Die Druckzunahme in der Leitung 13 erzeugt außerdem eine Druckzunahme im Raum 12 gleich

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falls unter Verzögerung wegen des Vorhandenseins der Drosseln. Die Druckzunahme im Raum 12 wirkt einerseits auf den Kolben 20 und andererseits auf das Rückflußventil 7 ein, wodurch das Ventil 7 im Sahließsinne verstellt wird. Hierdurch wird der Rückfluß aus der Speiseileitung 2 des Brenners 3 verringert und letzterem eine größere Brennstoffmenge zugeführt. Die Turbine wird also beschleunigt. Dabei ist zu bemerken, daß dieDruckzunähme in der Speiseleitung 2 stets allmählich unabhängig von der Geschwindigkeit vor sich geht, mit welcher das Druckglied 17 betätigt wurde. Dies führt zu einer allmählichen Vergrößerung der Flamme im Brenner 3 ohne Überhitzungsgefahr.

Die Beschleunigung der Turbine dauert bis zum Erreichen eines Ausgleichs der Flüssigkeitsdrücke und der Federkräfte bei der ganzen Einrichtung, worauf die Turbinendrehzahl theoretisch gleichbleiben dürfte. Eigentlich ist dies kaum der Fall, da sich die von außen auf die Turbine wirkende Belastung, z. B. bei einem Flugzeug, dauernd ändert, wodurch die Turbinendrehzahl ständig sucht, von der durch das Druckglied 17 eingestellten SoIl-. drehzahl abzuweichen. Es sei nun angenommen, daß die Turbinendrehzahl die eingestellte So¹Ildrelhzahl übersteigt. Die Flamme des Brenners 3 darf sich dann nicht plötzlich verkleinern, da die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit der Luft im Brennraum die Flamme unverzüglich löschen würde.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ist daher derart ausgestaltet und angeordnet, daß einer solchen Gefahr mit Sicherheit vorgebeugt wird. Denn bei Beschleunigung der Turbine über die eingestellte SoDldrehzahl !hinaus wird auch die Pumpe 28 beschleunigt, die eine Druckzunahme im Raum 29 iherbeiführt. Hierbei sei ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die Pumpe 1 den Brennstoff fördert, wogegen die Pumpe 28 auf eine andere Flüssigkeit als Brennstoff einwirkt. Diese Flüssigkeit ist vorzugsweise von verhältnismäßig hoher Viskosität und besteht im Betrieb aus dem Turbinenschmieröl, wodurch sich die Druckzunahme im Raum 29 nicht augenblicklich auf die Leitung 33 fortpflanzt, sondern zunächst das Ventil 30 beeinflußt und letzteres im Schließsinne verstellt. Gleichzeitig sickert das Öl durch die Drossel 35 in die Leitung 33 und drückt den Kolben 51 nach oben. Bei der hohen Ölviskosität braucht die Drossel nidht streng genau kalibriert zu sein, da Fertigungsabweichungen in der Größenordnung einiger hundertstel Millimeter ausreichen.

Dies ist als wichtigster Vorteil der vorliegenden Erfindung unter dem Standpunkt der mechanischen Fertigung der Teile sowie der Betriebssicherheit anzusehen. Es müßte nämlich bei Verwendung des Brennstoffs mit niedriger Viskosität als Steuerfiüssigkeit der Durchmesser der Drossel 35 zwecks Herbeiführen derselben Druckabnahme bzw. Verzögerung über die Drossel 35 äußerst gering gehalten werden, was leicht zu Verstopfungen durch irgendwelche Verunreinigung führen würde. Bei Verwendung von Schmieröl als Steuerflüssigkeit können entsprechend größere Durchmesser verwendet werden, wodurch die Gefahr der Ver- 65, stopfung, also der Beschädigung der ganzen Reglereinrichtung verringert wird.

Wie oben erwähnt, bewegt sich der Kolben 51 unter der Wirkung des in der Leitung 33 zunehmenden Druckes nach oben. Zu einem gewissen Punkt tritt ein Ausgleich der auf das Ventil 30 einwirkenden Kräfte aus, worauf sich letzteres öffnet und der Kolben 51 zum Stillstand kommt. Die Be^ wegung des Kolbens 51 wird durch den Hebel 52 vervielfacht, so daß eine geringe Bewegung des 75; Kolbens 51 eine vergrößerte Bewegung des Kolbens 15 zur Folge hat. Der Kolben 15 bewegt sich also nach oben und öffnet die Verbindung zwischen den Leitungen 13 und 18 weiter. Dann sinkt der Druck in der Leitung 13 und führt eine allmähliche So-Druckabnahme im Raum 12 herbei. Das Ventil 7 bewegt sich nach oben und öffnet die Verbindung zwischen der Leitung 4 und der Leitung 6 weiter, wodurch der Brennstoffrückfluß aus der Leitung 2 vergrößert und die Flamme des Brenners 3 allmäMich verkleinert wird. Zu bemerken ist, daß die beschriebenen Arbeitsgänge kontinuierlich vor sich gehen, so daß auch die Turbinendrehzahl allmählich erniedrigt und jede Gefahr eines Löschens der Flamme vermieden wird. ' go

In ähnlicher Weise und in im wesentlichen umgekehrter Richtung spielen sich die Vorgänge bei Verzögerung der Turbine ab, was aber keiner weiteren Erörterung bedarf.

Aus obigen Ausführungen geht hervor, daß der 95, eine Vorteil der vorliegenden Erfindung in einer R.egelungsgenauigkeit besteht, die von Fertigungspräzision mindestens einiger mechanischer Bestandteile, insbesondere der Teile des hydraulischen Reglers, unabhängig ist. . ioo-,

Eine noch vorteilhaftere Ausbildung ist in Fig. 2 dargestellt, bei welcher der Zylinder 50 und der Kolben 51 durch einen Balgen 5.7 ersetzt sind, durch den jegliche Möglichkeit für einen Flüssigkeitsaustritt infolge Undichtigkeit ausgeschaltet 105, wird und welcher darüber hinaus in vorteilhafter Weise Reibungswiderstände vermindert, so- daß die Genauigkeit der Arbeitsweise des Reglers noch erhöht wird.

Offensichtlich ist die dargestellte mechanische no· Hebelverbindung jedoch nicht die einzige Möglichkeit für die vorteilhafte Lösung dies erfindungsgemäßen Problems. Im Rahmen der Erfindung liegt es weiterhin, an Stelle eines einzigen auch eine Vielzahl von Hebeln od. dgl. zu verwenden. 115,

In der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform wirkt die Feder 16 auf das bewegbare Teil 60 eines hydraulischen Triebes mit Differentiälbälgen. Dieses Teil 60 besteht aus einem oberen Kolben 61 und einem unteren Kolben 62, welche fest miteinander über einen Schaft 63 in Verbindung stehen. Die weiterhin am Teil 60 angebrachten Bälge 64, 65 bilden zusammen mit diesem Teil eine Druckkammer 66, welche über eine Leitung 33 und, falls gewünscht, eine Drossel 35 mit der Pumpe 28 in Verbindung steht.

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Die Leitung 13 wird durch ein Tellerventil 67 od. dgl. gesteuert, welches mit dem Teil 60 über eine Strebe 68 in Verbindung steht, die sich lediglich mit ihren Enden gegen eine Ausnehmung im Kopf des Ventils,67 bzw. im Boden eines Sackloches 69 des Schaftes 63 abstützt.

Durch diese Verbindungsart entfällt für das Ventil 67 völlig die Notwendigkeit einer genauen Ausrichtung mit dem Teil 60. Die Strebe 68 wird gegen ihre Lagersitze durch die Wirkung des Flüssigkeitsdruckes angepreßt gehalten, welcher das Ventil 67 beaufschlagt, sowie andererseits durch die Feder 16. Die wirksame Fläche des Kolbens 61 ist größer als die des Kolbens 62, so daß der in der Kammer 66 herrschende Druck eine Aufwärtsbewegung des Teils 60 entgegen der Wirkung der Feder 16 bewirkt.

Ersichtlich ist in diesem Fall ebenfalls die Leitung 33 hydraulisch von den Leitungen 13, 18 ge-

trennt, welche den Brennstoff, führen, so¹ daß jede Mischung der Steuerflüssigkeit mit dem Brennstoff ausgeschlossen ist.

Bei dieser Anordnung wurde der hydraulische Regler ersetzt durch ein Rückfluß ventil 30', welches

über einen Hebel 70 und eine Stange 71 von einem Zentrifugalregler her gesteuert wird. Der umlaufende Träger 73 für die Zentrifugalmassen wird von der zu regelnden Turbine her in beliebig gewünschter Weise angetrieben, z. B. mittels eines Zahnrades 74, welches mit der Welle 75 der Pumpe 28 verkeilt ist. Die gegenseitige Anordnung der Teile ist derart gewählt, daß bei einer Erhöhung der Drehzahl des Reglers 72, 73 das Ventil 30' den Rückfluß der Steuerflüssigkeit weiter drosselt, so daß, sobald der Druck in der Kammer 66 ansteigt, das Teil 60 wie auch das Ventil 67 angehoben wird und eine größere Brennstoffmenge von der Hauptbrennstoffleitung 2 über die Leitung 13, 18 abgezweigt wird,, wodurch eine Verringerung der Tur-. 40 binendrehzahl eintritt.

Da in den Darstellungen die Anordnung der Teile lediglich diagrammartig vorgenommen wurde, liegen ersichtlich im Rahmen der Erfindung weitere Ausführungsmöglichkeiten.

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Regler für die Brennstoffzufuhr bei Gasturbinen, bei dem der Druck der die Brennstoffpumpe mit der Düse unmittelbar verbindenden Förderleitung, die keine Regel- und Drosselorgane enthält, mittels eines parallel zur Pumpe angeordneten Rückflußventils eingestellt wird, dessen eine Steuerkammer vom Förderdruck der Pumpe beaufschlagt ist, und bei dem der Regler außer dem Rückfluß ventil eine Abzweigleitung besitzt, welche zwei in ihrer Längenausdehnung voneinander mit Abstand angeordnete Drosseln aufweist und die Förderleitung mit der anderen Steuerkammer des RückfluJßventils verbindet, sowie eine zweite, 6a zwischen den Drosseln abzweigende, parallel zur Brennstoffpumpe geschaltete Nebenschlußleitung mit einem zweiten Rückflußventil umfaßt, welches erstens durch den zwischen den beiden Drosseln herrschenden Druck, zweitens durch ein mittels einer äußeren Kraft einstellbares Druckglied und drittens durch einen hydraulischen Turbinendrehzahlregler betätigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreislauf der Steuerflüssigkeit zum Betätigen des zweiten Rückflußventils (15, 67) vom Kreislauf des flüssigen Brennstoffes hydraulisch getrennt ist und die Vorrichtungen zur Übertragung der Verstell- und Steuerkräfte vom Steuer- auf den Brennstoffkreislauf mechanisch ausgebildet sind.
2. 2. Regler nach Anspruch 1, , gekennzeichnet durch eine mechanische Verbindung des auf den Druck der Steuerflüssigkeit ansprechenden Teiles (51,57) mit dem vomDruckglied (17,16) betätigten zweiten Rückflußventil (15).
3. 3. Regler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Steuerdruck beaufschlagte Teil (51, 57) sowie das zweite Rückflußventil (15) gelenkig an einem Hebel (52) befestigt sind, der vom Druckglied (17, 16) betätigt wird.
4. 4. Regler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Steuerdruck beaufschlagte Teil als Balg (57) ausgebildet ist, dessen beweglicher Balgboden mit dem Hebel _go (52) gelenkig verbunden ist.
5. 5. Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftübertragungsvorrichtung zwischen der Steuerdruckquelle (28,35,30) und dem zweiten Rückflußventil (67) hydraulisch ausgebildet ist und die Form eines Differentialbalges (64, 65) besitzt, dessen Inneres (66) von der Steuerflüssigkeit beaufschlagt ist.
6. 6. Regler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen dem zweiten Rückflußventil (67) und dem Differentialbalg (64, 65) als Strebe (68) ausgebildet ist, welche nur von Auflagern gehalten wird, die im Ventil und im Differentialbalg angeordnet sind.
7. 7. Regler nach Patent 929286 oder einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückflußventil (30) für die Steuerflüssigkeit durch einen Zentrifugalregler (72, 73) gesteuert wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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