DE2434047A1

DE2434047A1 - Brennstoffregelsystem fuer gasturbine

Info

Publication number: DE2434047A1
Application number: DE2434047A
Authority: DE
Inventors: Trevor Stanley Smith
Original assignee: Lucas Aerospace Ltd
Current assignee: Northrop Grumman Properties Ltd
Priority date: 1973-07-18
Filing date: 1974-07-16
Publication date: 1975-02-06
Also published as: FR2238047A1; US3956889A; GB1465476A; FR2238047B1; IT1016434B; JPS5042204A

Description

COHAUSZ & FLORAGK

PATENTANWALTS BÜRO D-4 DÜSSELDORF . SCHUMANNSTR. 97

243A047

PATENTANWÄLTE:
Dipl.-Ing. W. COHAUSZ · Dipl.-Ing. W. FLORACK · Dipl.-Ing. R. KNAUF · Dr.-Ing., Dipl.-Wirtsch.-Ing. A. GERBER ■ Dipl.-Ing. H. B. COHAUSZ

Lucas Aerospace Limited

Well Street

GE-Birmingham , I5. Juli 1974

Brennstoffregelsystem für Gasturbine

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffregelsystem für eine Gasturbine.

Erfindungsgemäß ist ein Brennstoff regelsystem für eine Gasturbine gekennzeichnet durch eine Pumpe, eine regelbare Dosiervorrichtung stromabwärts von der Pumpe, durch die im Betrieb Brennstoff zur Turbine fließt, ein zum Überlaufenlassen von Brennstoff von der Seite der Dosiervorrichtung stromaufwärts betätigbares Überströmventil und beim Anlaufen der Turbine in Punktion setzbare Mittel azurn Zudrücken des Überströmventils, derart, daß der Brennstoffdurchfluß durch die Dosiervorrichtung erhöht wird.

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen sind Fig. t bis 3 schematische Darstellungen der verschiedenen Teile eines Brennstoffregelsystems. Die Zeichnungen müssen im Zusaanenhang betrachtet \erden.

In der Zeichnung sind die Teile einer Brennstoffregelanordnung für eine Dreiläufer-Gasturbine 10 gezeigt, das heißt, für eine Turbine mit drei Kompressoren und drei zugehörigen Turbinen, die auf konzentrischen Wellen sitzen.

Eine Kreiselpumpe 11 liefert Brennstoff zu einer Verdrängungspumpe 12, die von der Turbine 10 angetrieben wird. Ein federbelastetes

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Druckminderventil I3 ist an die beiden Seiten der Pumpe 12 angeschlossen.

Stromabwärts von der Pumpe 12 befindet sieh eine regelbare Dosiervorrichtung· 14t ^zu der eine Hülse 15a gehört, die in einem Körper 16 einer feststehenden Hülse 15b gegenüber verschiebbar ist. In den Hülsen 15a, 15b ist eine weitere Hülse I7 verschiebbar. Die Hülse I7 hat dreieckige Öffnungen 18, die sich einem Spalt 19 gegenüber bewegen können, der zwischen den Hülsen 15a» 15b gebildet ist, um eine regelbare Dosierblende zu schaffen.

Die Hülse 15a ist in eine Richtung der Hülse I7 gegenüber bewegbar, um den Brennstoffstrom zu reduzieren, und zwar durch eine Fliehgewi chtsanordnung 20, die von der Hochtourenwelle der Turbine 10 angetrieben wird. An der Hülse 15a greift ein Hebel 21 an, der gemäß der Darstellung in Fig. 1 zur Bewegung um eine feststehende Achse 22 gelagert ist und einen Arm 23 hat, deran einem Hand mit einer Auflauffläche 24 versehen ist. Ein !trockenelement 25 hat zwei Nockenflächen 26, 27, die längs gegenüberliegender Seiten des Elements 25 angebildet sind. Zwei Lagerrollen 28, 29 greifen an der Nockenfläche 27 an, und die Positionen der Rollen 28, 29 sind durch Gewindeschäfte einstellbar.

Eine übertragungsvorrichtung 30 besteht aus einem Träger 3I» an dem zwei Arme 32, 33 schwenkbar gelagert sind. Lagerrollen 34» 35 an d.en Enden des betreffenden Arms 432, 33 greifen an den Auflaufflächen 24 und 26 an. Die Rollen 34» 35 sind gegen die betreffenden Nockenflächen durch eine Feder 36 nach au3en gespannt, wobei die Anordnung eine solche ist, daß die Feder 36 durch den Hebel 21 für ein Spannen der Hülse in Richtung gegen eine Bewegung durch die Fliehgewichtsanordnung 20 sorgt.

Der Träger 31 ist zur Sdvenkbewegung um eine feststehende Achse zwischen den Auflaufflächen 24, 26 gelagert, so daß die Bewegung auf Grund der Kraft der Feder 36 um den Drehpunkt 22 und damit die auf

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die Hülse 15a ausgeübte Spannung veränderlich ist. Der Träger 51 ist durch eine Kurvenfiirung 57 bewegbar, die ihrerseits auf einen Hebel 58 anspricht, der aus einer mittleren Leerlaufposition, die in Fig. 1 gezeigt ist, in die eine oder in die andere Richtung bewegbar ist, um einen Schub nach vorn oder nach hinten von der Turbine 10 zu fordern. Die Kurvenführung 57 hat eine solche Form, daß die angeforderte Leistung für eine entsprechende Turbinenbewegung aus der Leerlaufposition die gleiche für Schub nach vorn wie nach hinten ist. Es versteht sich, daß ein Schub nach hinten von der Turbine 10 durch Deflektoren (nicht dargestellt) erreicht wird, die in Erwiderung auf die Bewegung des Hebels 58 betätigt werden.

Das Nockenwellement 25 ist an einer Koppel 39 frei verschwenkbar gelagert, die ihrerseits an einem Hebel 40 frei schwenkbar gelagert ist, der um eine feststehende Achse 41 bewegbar ist. Der Hebel 410 ist durch eine Feder 42 in Richtung auf eine Kantenkurvenführung 43 gespannt, die von einem Schrittmotor 44 angetrieben wird; der Motor 44 wird von Ausgangsimpulsen von einer Steuerschaltung 45 gesteuert. Die Schaltung 45 ist eine Digital schaltung, die auf die Drehzahl 1T„

der Hochtourenwelle der Turbine 10 anspricht, ferner auf die Temperatur T₁ an der Saugseite des Turbinenkompressors, auf die Machzahl HN und auf die Höhe eines Flugzeugs, das mit der Turbine 10 ausgerüstet ist, weiter auf die Abgastemperatur T_ der Turbinenbrennkammer, auf die Position θ des Hebels 58 und auch auf die Stellung eines Wahlechalters 46, um den Hotor 44 anzutreiben und damit die Kurvenführung 45 zu drehen, damit das ttockenelement 25 nach oben gemäß der Darstellung in Fig. 1 bewegt wird. Eine Bewegung des iiockenelenents Γ:5 nach oben führt zu einer Drehung desselten nach linke um deesen Schwenkverbindung mit der Koppel 59 und damit zu einer Erhöhung der Spannung der Feder 55 aufa die Hülse I5 bei einer bestimmten Position des Trägers 51. Der Wahlschalter 46 ist von Hand bedienbar, um den bentötigen Betriebsarten eines Flugzeugs zu entsprechen, das mit der Turbine 10 ausgerüstet ist, beispielsweise Starten, maximale Steigung und maximaler Gleitflug.

Bei Ausfall der Schaltung 44 kann die Kurvenführung 45 durch eine

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weitere Kurvenführung 47 außer Funktion gesetzt werden. Die Kurrenführung 47 ist drehbar, um den Hebel 40 von der Kurvenführung wegzuheben, und zwar durch einen Wahlhebel 48, wenn dieser in eine Position bewegt wird, die mit A in Fig. 3 bezeichnet ist.

Gemäß Fig. 2 ist die Hülse 17 der regelbaren Dosiervorrichtung 14 durch einen Hebel 50 bewegbar, der mit einer Balganordnung gekoppelt ist, die zwei Balgeinheiten 51» 52 im Tandem hat. Die Einheit 51 ist leergepumpt, und die Einheit 52 wird innen durch einenZwischendruck P vom Turbinenkompressor beaufschlagt. Beide Einheiten 51» 52 werden außen durch einen Druck P._p beaufschlagt, der durch ein Mediumpotentiometer abgeleitet wird, bestehend aus einer Drosselstelle 53 und einem ^enturi 54» die in Reihe zwischen den Druck P, und einen Druck P. geschaltet sind, der vom Ausgang der letzten Kompressorstufe der Turbine abgeleitet wird.

Im Betrieb ist deshalb die regelbare Dosiervorrichtung 14 auf eine Erhöhung im Druck P._p oder auf eine Abnahme im Druck P, so wirksam, daß der Brennstoffstrom verstärkt wird. Die Vorrichtung I4 spricht außerdem auf eine Erhöhung der Drehzahl E_n. der Hochtourenwelle der Turbine an, um den Brennstoffstrom zu verringern, und die Hülse 15 wird gegen eine Bewegung durch die Schwunggeeehwichtsanordnung 20 gepspannt, und zwar durch die Feder 36, die durch den Hebel 21 wirkt. Die durch die Feder 36 ausgeübte Spannung wird durch die Bewgegung des Hebels 38 in die eine oder in die andere Eichtung aus seiner mittleren Leerlaufposition erhöht. Die Bewegung der Hülse I5 wird durch einstellbare Anschläge 55» 56 begrenzt, die effektiv zu einer Begrenzung der Beschleunigung und Verzögerung dienen.

Die Bewegung der Hülse I7 in ieine Richtung zur Verringerung dee Breruistoffstrome wird durch eintn Anschlag 57 begrenzt. Der Anschlag 57 ist durch eine Kurvenführung 58 bewegbar, die durch einen Wahlhebel 48 drehbar ist. Der Anschlag 57 ist zwischen einer in Fig. 2 gezeigten ersten Position, die durch die Position B des Hebels 48 gewählt wird, und einer «weiten Position bewegbar, die durch die Positionen C oder D des Hebels 48 gewählt wird. Die Position B des Hebels 48 entspricht einem

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normalen Lauf der Turbine 10, und die Positionen G und D entsprechen Turbinenanlaufbedingungen mit "Brennstoffanreicherung" bzw. mit "Brennstoffminderung". Der Anschlag sorgt bei einer bestimmten Turbinendrehzahl, die durch die Position der Hülse 15 wiedergegeben wird, für einen geringsten Brennstoffstrom durch die Dosiervorrichtung Η.

Durch die ¹¹UlSe I7 erstreckt sich axial ein Schaft 60, der in einem Kolbenelement 61 endet, das in einer mit Öffnungen versehenen HüSse verschiebbar ist. Die Enden der Hülse 62 stehen mit der Seite stromaufwärts bzw. stromabwärts der regelbaren Dosiervorrichtung 14 in Verbindung·. Die Hülse 62 hat Öffnungen 63, die über einen Kanal 64 mit der Seite der Pumpe 12 stromaufwärts in Verbindung stehen. Das Element 61 bildet damit ein Überströmventil für die Dosiervorrichtung 14·

Auf dem Schaft 60 an dem Kolbenelement 61 ist ein weiteres Kolbenelement 65 verschiebbar. Die Gleitbewegung des Elements 65 wird in beide Richtungen durch einen Vorsprung 66 am Schaft 60 begrenzt. Das Element 65 wirkt mit wieiteren Öffnungen 67 in der Hülse 62 zusammen, um ein Dosseiventil in Reihe mit der Dosiervorrichtung. H zu bilden. Die öffnungen 67 stehen über einen Kanal 68 mit einer weiteren Ventilanordnung 69 in Verbindung, die noch zu beschreiben sein wird. Das Element 65 wird in eine Richtung zum Freilegen der Öffnungen 67 durch den Druck stromabwärts von der Dosiervorrichtung I4 und in entgegengesetzte dichtung durch eine Feder 70 beaufschlagt, die auch am Kolbeneleinent 61 angreift. Das Kolbenelement 65 ist so ausgebildet, daß der Raum zwischen den Elementen 61, 65 immer dem Druck im Kanal 68 ausgesetzt wird.

Am Schaft 60 greift ein weiterer Satz Reglerschwunggewichte 7I an, die auch mit der Drehzahl N^ der Hochtourenwelle der Turbine angetrieben werden. Die Schwunggewichte TI werden durch eine Feder 72 gegen eine Bewegung in Erwiderung auf eine Erhöhung der Drehzahl II gespannt. Die Feder 72 gibt damit eine Mindestkraft am Schaft 60 vor, und durch Drücken desselben in Richtung auf eine geschlossene Position

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auch einen geringsten Druckabfall an der regelbaren Dosiervorrichtung 14· Ein adäquater Durchflußwert beim Anlaufen wird damit geschaffen. Dieser Anlauf-Durchflußwert spricht auf die Höhe als Folge der Bewegung der Hülse 17 durch die Balgeinheiten 51t 52 an.

Die Seite der Dosiervonichtung 14 stromabwärts steht über einen Kanal 73 und einen Absperrhahn 74 mit Pilotbrennern der Turbine 10 in Verbindung. Der Hahn 74 wird durch den Wahlhebel 48 betätigt, damit er in allen Positionen des Hebels 48 außer in der Stellung E offen ist, die dem Stillstand der Turbine entspricht.

Das Kolbenelement 61 wird gegen den Abgabedruck der Pumpe V. und in eine Richtung zum Verringern des Übeilaufs und zur Ermöglichung eines Öffnens des Drosselventils durch das Element 65 durch eine Feder 75 gespannt. Die von der Feder 75 ausgeübte Kraft ist durch eine Kurvenführung 76 veränderlich, die durch den Wahlhebel 48 so drehbar ist, daß in der Position C des Hebels 48 (die dem Anlaufen mit Brennstoffanreichernng entspricht) die Federkraft verstärkt und der Überlauf verringert wird.

Während des Anlaufens ist der Druck stromabwärts von der Dosiervorrichtung niedrig, und die Feeder 70 überwindet diesen Druck, um das Kolbenelement 65 so zu beaufschlagen, daß das Drosselventil geschlossen wird. Im wesentlichen der gesamte Brennstoff, der von der Pumpe 12 geliefert wird, wird damit über den Kanal 73 öLen Turbinenpilotbrennern zugeleitet. Bei niedrigen Werten des Brennstoffströme durch die Dosiervorrichtung I4 wirkt das Drosselventil damit wie ein Druckbeaufschlagungsventil, um den Druck im Kanal 73 über dem in dem Kanal 60 um einen Wert zu halten, der nicht unter einem Kindestwert abfällt, der durch die Feder 70 vorgegeben ist.

Wenn die Turbinendrehzahl auf den Wert ansteigt, bei dem die Schwunggewichte 71 die Feder 72 überwinden, erhöht sich der Brennstoffdurchfluß durch die Vorrichtung 14t und die Brennstoffzufuhr der Pumpe 12

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erhöht sich ebenfalls. Die Drücke stromaufwärts und stromabwärts von der Dosiervorrichtung 14 erhöhen sich folglich. Der Druck stromabwärts überwindet die Kraft, die von der Feder 70 ausgeübt wird, und das Element 61 greift am Element 65 an. Diese Elemente bewegen sich im wesentlichen als eine Einheit und sprechen auf die Differenz in den Drücken an der Dosiervorrichtung 14 an. Die Elemente 61, 65 sprechen über die üchwunggewichte 7I ebenfalls auf die Drehzahl N„ der Turbine an, Unter diesem Umständen wirken damit die Elemente 61, 65 so, daß der Druckunterschied an der Dosiervorrichtung I4 im wesentlichen für irgendeine Drehzahl N konstant gehalten wird.

Das Ventil 69 (Fig. 3) zwischen den Kanälen 68 und den Turbinenhauptbrennern hat zwei Auslasse 77i 78t d-ie jeweils mit dem Kanal 68 bzw. mit den Hauptbrennern in Verbindung stehen. Ein Steuerikolbenelement 79 ist so bewegbar, daß der Strom vom Kanal 68 zwischen die Auslässe 77, 78 aufgeteilt wird. Das Element 79 spricht auf den Druck im Kanfcal 68 an und ist mit Erhebungen unterschiedlicher Durchmesser versehen, um durch den Druck im Kanal 68 in eine Richtung zur Erhöhung des Durchflusses durch den Auslaß 77 und zur Verringerung des Durchflusses durch den Auslaß 78 beaufschlagt zu werden. Das Element 79 wird ferner durch eine Feder 80 und durch ein Hochdrucksignal in die gleiche Richtung beaufschlagt, das über eine Leitung 81 vom Auslaß der Pumpe 12 abgeleitet wird. Das Element 79 wird in die entgegengesetzte Richtung durch ein Servodrucksignal in einer Kammer 82 in die entgegengesetzte Richtung beaufschlagt, das vom Druck in der Leitung 81 über eine Drosselstelle 83 abgeleitet wird. Die Kammer 82 steht über eine Öffnung 84» einem Kanal 85 und einer Pilotventilanordnung 86 mit dem Kanal 68 in Verbindung. Eine Öffnung 84 ist so angeordnet, daß sie im Zusammenwirken mit dem größeren 5?eEnde des Steuerkolbenelements 79 ein Ventil bildet. Es kann damit ein Zustand eintreten, bei dem die öffnung 84 teilweise geschlossen ist und die Kräfte auf das Element 79 in Gleichgewicht sind. In diesem Gleichgewichtszustand bleibt die öffnung 72 zumindest teilweise offen, so daß die Hauptbrenner nicht ausgehen.

Das Pilotventil 36 wird durch einen Drehmomentmotor 87 angetrieben,

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der auf eine elektronische Steuerschaltung 88 anspricht. Die Schaltung 88 empfängt Signale, die von den Drehzahlen Ή^, K₁ der liiedertouren- und Zwischentouren-Turbinenwellen und auch von der Temperatur T abhängen, so daß eine Erhöhung über bestimmte Werte dieser Größen hinaus zu einem Öffnen des Pilotventils 86 führt, so daß der Servodruck in der Kammer 82 reduziert wird und damit der Brennstoffstrom zu den Ilauptbrennern der Turbine reduziert wird.

Ein Hebel 86 hat einen einstellbar angeordneten Drehzapfen yO und ist zum Anlegen sowohl an dem Steuerelement des Pilotventils 86 als auch am Hebel 50 der regelbaren Dosiervorrichtung 14 vorgesehen, wenn der Hebel 50 um mehr als ein bestimmtes Maß in Erwiderung auf die Drücke P^ und P bewegt worden ist. Der Hebel 89 wirkt damit so, daß der Brennstoffstrom zur Turbine verringert wird, um die Differenz zwischen den Drücken P_ und P, zu begrenzen und damit einen maximalen Kompressorförderdruck zu bestimmen.

Die Kammer 82 des Ventils 6$ steht ferner über einen Kanal.91 und einen Absperrhahn 92 mit dem Kanal 68 in Verbindung. Der Absperrhahn 92 wird durch den Wahlhebel 48 so betätigt, daß er nur dann geöffnet wird, wenn dieser sich in der Position E befindet, d.h. in der Position, bei der die Turbine abgeschaltet ist. Venn der Hahn 92 offen ist, fällt der Servodruck in der Kammer 82, um ein vollständiges Schließen des Auslasses 78 zu bewirken und allen zum Ventil 69 fließenden Brennstoff zur Seite der Pumpe 12 stromaufwärts zurückzuleiten.

Ansprüche

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Claims

Ansprüche

1. Brennstoffregelsystem für eine Gasturbine, gekennzeichnet durch eine Pumpe, eine regelbare Dosiervorrichtung stromabwärts von der Pumpe, durch die im Betrieb Brennstoff zur Turbine fließt, ein zum Überlaufenlassen von Brennstoff von der Seite der Dosiervorrichtung stromaufwärts betätigbares Überströmventil und beim Anläufen der Turbine in Funktiin ssetzbare Mittel zum Zudrücken des Überströmventils, derart, daß der Brennstoffdurchfluß durch die Dosiervorrichtung erhöht wird.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Überströmventeil ein Schließglied aufweist, das auf eine Erhöhung im Brennstoffdruck an der Seite der Dosiervorrichtung stromaufwärts zur Verstärkung des Überlaufstroms anspricht.

5. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die während des Anlaufens der Turbine in Funktion setzbaren Mittel eine mit dem Überströmventil zusammenwirkende Kurvenführung aufweisen, die während des Anlaufens der Turbine zum Drücken des Schließglieds des Überströmventils gegen den Druck stromaufwärts bewegbar ist.

4. System nach Anspruch 2 oder Ji, gekennzeichnet dur'ch auf eine Erhöhung in der Turbinendrehzahl ansprechende Mittel zum Drükken des Schließglieds des Überströmventils gegen den Druck stromaufwärts.

5· System nach einem der Ansprüche 2 bis 4» gekennzeichnet durch ein Drosselventil stromabwärts von der Dosiervorrichtung, das in Erwiderung auf eine Erhöhung im Druck stromabwärts von der Dosiervorrichtung aufgedrückt wird, und das Drosselventil und das Überströmventil miteinander verbindende Mittel, derart, daß die Bewegung des Schließglieds des Überströmventile in eine Richtung zur Erhöhung des Überlaufstroms das Drosselventil zudrückt.

6. System nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Verbindung des Drosselventils und des Überströmventils miteinander eine Druckfeder zwischen dem Schließglied und dem Drosselventil aufweisen.

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