DE2434051A1 - Brennstoffregelsystem fuer gasturbine - Google Patents
Brennstoffregelsystem fuer gasturbineInfo
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Description
PAT BNTAN WALTS BÜRO 4 DÜSSELDORF SCHUMANNSTR. Θ7
Lucas Aerospace Limited
Well Street
GB-Birmingham 15· Juli 1974
Brennstoffregelsystem für Gasturbine Die Erfindung betrifft ein Brennstoffregelsystem für eine Gasturbine.
Erfindungsgemäß ist eine Brennstoffregelsystem für eine Gasturbine
gekennzeichnet durch eine Pumpe, eine regelbare Dosiervorrichtung
stromabwärts von der Pumpe, einen ersten und einen zweiten Kanal, durch die die Seite der Vorrichtung stromabwärts jeweils mit Pilotbzw.
Hauptbrennern der Turbine in Verbindung setzbar ist, ein Drosseleventil
zwischen der Vorrichtung und dem zweiten Kanal, das durch den Druck stromabwärts von der Dosiervorrichtung aufgedrückt und
durch den Druck in dem zweiten Kanal zugedrückt wird, das Drosselventil gegen den Druck stromabwärts drückende Vorspannmittel und Mittel
zur Änderung der Vorspannung, die auf das Drosselventil ausgeübt wird.
Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
näher erläutert. In den Zeichnungen sind Pig. 1 bis 3 schematische
Darstellungen der verschiedenen Teile eines Brennstoffregelsystems. Die Zeichnungen müssen im Zusammenhang betrachtet werden.
In der Zeichnung sind die Teile einer Brennstoffregelanordnung für
eine Dreiläufer-Gasturbiue 10 gezeigt, das heii3t, für eine Turbine
mit drei Kompressoren und drei zugehörigen Turbinen, die auf konzentrischen v/ellen sitzen.
28 265
Wa/Ti - 2 -
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Eine Kreisipumpe 11 liefert Brennstoff zu einer Verdrängungspumpe
12, die von der Turbine 10 angetrieben wird. Ein federbelastetes Druckminderventil 13 ist an die beiden Seiten der Pumpe 12 angeschlossen.
Stromabwärts von der Pumpe 12 befindet sich eine regelbare Dosiervorrichtung
14» zu der eine Hülse 15ä 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 Fliehgewicht
sanordnung 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 Eewegung um eine feststehende Achse 22 gelagert ist und einen Arm 23 hat, der an einem Band mit einer Auflauffläche
24 versehen ist. Ein Nockenelement 25 hat zwei Nockenflächen 26, 27, die längs gegenüberliegender Seiten des Elements 25 ausgebildet
sind. Zwei Lagerrollen 28, 29 greifen an der Nockenfläche 27
an, und die Positionen der Bollen 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 den Enden
des betreffenden Arms 32, 33 greifen an den Auflaufflächen 24 und 26 an.
Die Rollen 34, 35 sind gegen die betreffenden Nockenflachen durch
eine Feder 36 nach außen 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 Schwenkbewegung um eine feststehende Achse zwi-
409886/0451 " 5 "
sehen den Auflaufflächen 24, 26 gelagert, so daß die Bewegung auf
Grund der Kraft der Feder 36 um den Drehpunkt 22 und damit die auf
die Hülse 15a ausgeübte Spannung veränderlich ist. Der Träger 3I ist
durch eine Kurvenführung 37 bewegbar, die ihrerseits auf einen Hebel 38 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 37 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 Defelektoren
(ficht dargestellt) -erreicht wird, die in Erwiderung auf die Bewegung des Hebele 38 betätigt werden.
DaB Nockenelement 25 ist an einer Koppel 39 frei verschwenkbargelagert,
die ihrerseits an einem Hebel 40 frei schwenkbar gelagert ist,
der um eine feststehende Achse 4I bewegbar ist. Der Hebel 40 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 Digitalschaltung, die auf die Drehzahl N
der Hochtourenwelle der Turbine 10 anspricht, ferner auf die Temperatur
T1 an der Saugeeite des Turbinenkompressors, auf die Kachzahl
MN und auf die Höhe einee Flugzeugs, das mit der Turbine 10 ausgerüstet
ist, weiter auf die Abgastemperatur T7 der Turbinenbrennkammer,
auf die Position θ dee Hebels 58 und auch auf die Stellung eines Wahlschalters
46, um den Motor 44 anzutreiben und damit die Kurvenführung 43 zu drehen, damit das Nockenwelleament 25 nach oben gemäß der
Darstellung in Fig. 1 bewegt wird. Eine Bewegung des Nockenelements 25 nach oben führt su einer Drehung desselben nach links um dessen
Schwenkverbindung mit der Koppel 39 und damit zu einer Erhöhung der Spannung der Feder 33 auf die Hülse I5 bei einer bestimmten Position
des Trägers 3I· Der Wahlschalter 46 ist von Hand bedienbar, um den
benötigten Betriebsarten einee Flugzeugs zu entsprechen, das mit der
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Turbine 10 ausgerüstet ist, beispielsweise Starten, maximale Steigung
und maximaler Gleitflug.
Bei Ausfall der Schaltung 44 kann die Kurvenführung 45 durch eine weitere Kurvenführung 47 außer Funktion gesetzt werden. Die Kurvenführung
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 einen Swischendruck P,
vom Turbinenkompressor beaufschlagt. Beide Einheiten 51» 52 werden
außen durch einen Druck P.p beaufschlagt, der durch ein Hediumpotentiometer
abgeleitet wird, bestehend aus einer Drosselstelle 5Τ· und
einem Ventuiri 5A» 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 a-uf eine Erhöhung
im Druck P. oder auf eine Abnahme im Durck P so wirksam, daß
4P 5
der Brennstoffstrom verstärkt wird. Die Vorrichtung 14 spricht außerdem
auf eine Erhöhung der Druckzahl N der Hochtourenwelle der Turbine
H,
an, um den Brennstoffstrom zu verringern, und die Hülse 15 wird gegen
eine Bewegung durch die Schwunggewichteanordnung 20 gespannt, und
zwar durch die Feder J6, die durch den Hebel 21 wirkt. Die durch die
Feder J6 ausgeübte Spannung wird durch die Bewegung des Hebels 38 in
die eine oder in die andere Richtung aus seiner mittleren Leerlaufposition
erhöht. Die Bewegung der Hülse 15 wird durch einstellbare
Anschläge 55» 56 begrenzt, die effektiv zu einer Begrenzung der Beschleunigung und Verzögerung dienen.
Die Bewegung der Hülse 17 in eine Richtung zur Verringerung des Brennstoffstroms
wird durch einen Anschlag 57 begrenzt. Der Anschlag 57 ist
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durch eine Kurvenführung 59 bewegbar, die durch einen Wahlhebel 48 drehbar
ist. Der Anschlag 57 ist zwischen einer in Pig. 2 gezeigten ersten Position, die durch die Position B des Hebels 48 gewählt wird, und
einer zweiten Position bewegbar, die durch die Postionen C oder D des Hebels 48 gewählt wird. Die Position B des Hebels 48 entspricht einem
normalen Lauf der Turbine 10, und die Postionen C und D entsprechen
Turbinenanlaufbedingungen wmit "Brennstoffanreicherung" bzw. mit "Brennstoff
minderung". Der Anschlag sorgt bei einer bestimmten Turbinendrehzahl,
die durch die Position der Hülse 15 wiedergegeben wird, für einen
geringsten Brennstoffstrom durch die Dosiervorrichtung 14·
Durch die Hülse 17 erstreckt sich axial ein Schaft 60, der in einem
Kolbenelement 61 endet, das in einer mit Öffnungen versehenen Hülse 62 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 6jJ, 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 weiteren Öffnungen 67 in der Hülse 62 zusammen, um ein
Drosselventil in Reihe mit der Dosiervorrichtung Η 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
Riothtung durch eine Feder 70 beaufschlagt, die auch am Kolbenelement
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 Reglerschwunggewicht· 71 au,
die auch mit der Drehzahl N„ der Hochtourenwelle der Turbine ange-
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trieben werden. Die Schwunggewichte 71 werden durch eine Feder 72 gegen
eine Bewegung in Erwiderung auf eine Erhöhung der Drehzahl Nn. geil
spannt. Die Feder 72 gibt damit eine Mindestkraft am Schaft 60 vor,
und durch Drücken desselben in Richtung auf eine geschlossene Position 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 Fofee der Bewegung
der Hülse 17 durch die ^algeinheiten 51» 52 an.
Die Seite der Dosiervorrichtung 14 stromabwärts steht über einen Kanal
75 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 12 und in
eine Richtung zum Verringern des Überlaufe und zur Ermöglichung eines
Öffnens des Drosselventils durch das Eelement 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 Brennstoffanreicherung
entspricht) die Federkraft verstärkt und der Überlauf verraingert wird.
Während des Anlaufens ist der Druck stromabwärts von der Dosiervorrichtung
niedrig, und die Feder 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 den Turbinenpilotbrennern
zugeleitet. Bei niedrigen Werten des Brennstoffströme durch
die Dosiervorrichtung 14 wirkt das Drosselventil damit wie ein DruckbeaufBchlagungsventil,
um den Druck im Kanal 73 über dem in dem Kanal
68 um einen Wert zu halten, der nicht unter einem Mindestwert abfällt, der durch die Feder 70 vorgegeben ist.
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Wenn die Turbinendrehzahl auf den Wert ansteigt, bei dem die Schwunggewichte
71 die Jeder 72 überwinden, erhöht sich der Brennstoffdurchfluß
durch die Vorrichtung H1 und die Brennstoffzufuhr der Pumpe 12
erhöht sich ebenfalls. Die Drücke stromaeufwärts 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 eineEinheit und sprechen auf die Differenz in
den Drücken an der Dosiervorrichtung Η an. Die Elemente 61, 65 sprechen
über die Schwunggewichte 71 ebenfalls auf die Drehzahl H„ der
Turbine an. Unter diesen Umständen wirken damit die Elemente 61, 65
so, daß der Druckunterschied an der Dosiervorrichtung Η im wesentlichen
für irgendeine Drehzahl N„ konstant gehalten wird.
rl
Das Ventil 69 (Fig. 3) zwischen den Kanälen 68 und den Turbinenhauptbrennern
hat zwei Auslässe 771 78, die jeweils mit dem Kanal 68 bzw.
mit den Hauptbrennern in Verbindung stehen. Ein Steuerkolbenelement 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 KaH-nal
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. BDas 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 in Zusammenwirken mit dem größeren Ende des Steuerekolbenelements 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 im Gleichgewicht sind. In diesem Gleichgewichtszustand
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bleibt die Öffnung 76 zumindest teilweise offen, eo daß die Hauptbrenner
nicht ausgehen.
Das Pilotventil 86 wird durch einen Brehmomentenmotor 87 angetrieben!
der auf eine elektronische Steuerschaltung 88 anspricht. Die Schaltung 88 empfängt Signale, die von den Drehzahlen Ii1., Ii_ der lüe-
Jj 1
dertouren- 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
Sevrvodruck in der Kammer 82 reduziert wird und damit der Brennstoffstrom
zu den Hauptbrennern der Turbine reduziert wird.
Ein Hebel 86 hat einen einstellbar angeordneten Drehzapfen 90 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 69 steht ferner über einen Kanal 91 und
einen Absperrhahn 92 mit dem Kanal 68 in Verbindung. Der Absperrhahn 92 wird durch den Wahlhebel 48 sobetätigt, daß er nur dann geöffnet
wird, wenn dieser eich in der Position E befindet, d.h. in der Position,
bei der die Turbine abgeschaltet ist. Wenn 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 (12)
1.!Brennstoffregelsystem für eine Gasturbine, gekennzeich-
t durch eine Pumpe, eine regelbare Dosiervorrichtung stromabwärts
von der Pumpe, einen ersten und einen zweiten Kanal, durch die die ;Jeite der Vorrichtung stromabwärts jeweils mit Pilot- bzw.
Hauptbrennern der Turbine in Verbindung setztbar ist, ein Drosselventil zwischen der Vorrichtung und dem zweiten Kanal, das durch den Druck
stromabwärts von der Dosiervorrichtung aufgedrückt und durch den Druck
in dein zweiten Kanal zugedrückt wird, das Drosselventil gegen den Druck
stromabwärts drückende Vorspannmittel und Mittel zur Änderung der Vorspannung, die auf das Drosselventil ausgeübt wird.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekenn ze ichnet,
daß die die Vorspannung ändernden Mittel auf eine Erhöhung in der Turbinendrehzahl
ansprechende Mittel zur Verringerung der Vorspannung aufweisen.
3· System nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet
durch ein auf eine Erhöhung im Druck stromaufwärts von der Vorrichtung oder auf eine Abnahme in der Turbinendrehzahl ansprechendes
Überströmventil zum Überlaufenlassen von Brennstoff stromaufwärts von
der Vorrichtung, wobei das Überströmventil auch in Erwiderung auf die Verspannmittel und auf den Druck im zweiten Kanal zum Überlaufenlassen
von entsprechend weniger Brennstoff bewegbar ist und wobei die Vorspannmittel eine Feder aufweisen, die zwischen dem Überströmventil und
dem Drosselventil angreift.
4· System nach .Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet,
daß die die Vorspannung ändernden Mittel während des Anlaufens der Turbine in Funktion setzbare Mittel zur Bewegung des Überströmventils in
eine Richtung zur Verringerung des Überlaufs aufweisen.
5· System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge-kennzeichnet,
daß die Dosiervorrichtung eine erste Hülse,
Wa/Ti , - 2 -
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die ein Loch bildet und in Erwiderung auf eine Erhöhung· in der Turbinendrehzahl
zur Verringerung der Größe des Lochs bewegbar ist, eine zweite Hülse, die der ersten Hülse gegenüber verschiebbar ist und eine
Öffnung hat, die mit dem Loch zur Bildung einer veränderlichen Dosierblende zusammenwirkt, und auf eine Erhöhung in einer Druckdjeffferenz
durch den Turbinenkompressor ansprechende Kittel zur Bewegung der
zweiten Hülse zur "Verringerung des Durchflusses durch die Blende aufweist.
,
6. System nach Anspruch 51 geekennzeieh.net durch
auf die Stellung eines Turbinenleistungsstellhebels ansprechende Mittel
zur Änderung einer auf die erste Hülse ausgeübten Vorspannung gegen deren Bewegung in Erwiderung auf eine Erhöhung in der Turbeinendreh-
7· System nach Anspruch 5 odec 6, gekennnzeichnet
durch Mittel zur Begrenzung der Bewegung der zweiten Hülse in
eine Richtung zur Verringerung des BrennstoffStroms durch die Blende.
8. System nach Anspruch 7» gekennzeichnet durch
Wahlmittel, die zur Änderung der Position der bewegungsbegrenzenden
Mittel betätigbar sind.
9· System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wahlmittel eine Kurvenführung aufweisen, die mit den bewegungsbegrenzenden
Mitteln zusammenwirkt und so betätigbar ist, daß die bewegungsbegrenzenden Mittel in eine erste Position für einen normalen
Lauf der Turbine und in eine zweite Position für das Anlaufen der Turbine bringbar sind, wobei die zweite Position einem geringeren
Kindestdurchfluß durch die Dosiervorrichtung entspricht.
10. System nach einem der Ansprüche 5 bis 8i gekennzeichnet
durch eine Segelventilanordnung stromabwärts von der Dosiervorrichtung mit einem mit der Dosiervorrichtung in Verbindung
stehenden Einlaß, mit einem ersten bzw. zweiten Einlaß, die jeweils
mit Brennern der Turbine bzw. mit einer Seite der Punpe stromaufwärts
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in Verbindung stehen, und mit einem Steuerelement, das in Erwiderung
auf eine Erhöhung in einem Servodrucksignal zum Öffnen des ersten Auslasses und zum Schließen des zweiten Auslasses bewegbar ist, und
einem auf eine Erhöhung der Turbinendrehzahl ansprechenden Pilotventil zur Verringerung des Servodrucksignals.
11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß das Pilotventil auch auf eine Bewegung über eine bestimmte Grenze hinaus der zweiten Hülse in eine Sichtung zur Erhöhung des
Brennstoffdurchflusses durch die Dosiervorrichtung anspricht.
12. System nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet
d u r ch eine elektrische Steuerschaltung, die auf die Turbinendrehzahl
zur Lieferung eines Steuersignals anspricht, und einen auf das Steuersignal ansprechenden Drehmoementenmotor zur Betätigung des Pilotventils.
1J. System nach einem der Ansprüche 10 bis 12, gekennzeichnet
durch ein weiteres Ventil, das bei Stillsetzung der Turbine zur Verringerung des Servodrucksingals in Funktion setzbar ist.
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