Brennstoff Zufuhr- und -Steuereinrichtung einer Gasturbinenanlage. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist. eine Brennstoff-Zufuhr- und -Steuereinrich tung einer Gasturbinenanlage. Die Erfindung bezieht sieh auf solche Einrichtungen, bei wel chen eine dem Luftdruck ausgesetzte Druck anspreclivorriehtung dazu bestimmt. ist, die Brennstoffdruckdifferenz in einer Brennstoff mengen-Einstellvorrichtung auf einem vorbe stimmten Wert zu halten, der annähernd pro portional dem Luftdruck ist, wobei der Quer schnitt einer Durchflussöffnung der Brenn sto.ffmengen-Einstellvorrichtung zur Verände rung des Brennstoffdurchflusses beliebig ein stellbar ist.
Der Ausdruck Luftdruck schliesst in diesem Fall sowohl den Atmosphä rendruck der Umgebung (das heisst statischen Druck) als auch einen durch den Flugzustand eines Flugzeuges und/oder den dureh die Strö mungsverhältnisse im Lufteinlass des Kom- pressors der Gasturbinenanlage veränderten Druck der Umgebung ein.
So kann zum Bei spiel die Druckanspreehv orrichtung mit. einer Stelle des Flugzeuges verbunden sein, an der statiseher Druck herrscht, oder mit einer Stelle im Lufteinlass des Kompressors, an welcher statiselier Druck oder der Gesamtdruek herrscht, oder mit einer Staupunktstelle des Flugzeuges.
Eine bekannte Ausführung einer Brenn- stoff-Zufiilir- und -Steuereinrichtung der ge nannten Art, besitzt eine Pumpe mit bei glei- eher Drehzahl variabler Fördermenge, wobei letztere dureh einen, Kolben und Zylinder aufweisenden Servomotor steuerbar ist, wobei dieser Servomotor einem Druck eines Hilfs fluidums ausgesetzt ist, das einer Fluidum- druekquelle entnommen ist, und welcher Servo motor seinerseits mittels eines Abflussv entils steuerbar ist.
Das Abflussventil ist mittels eines Betätigungshebels betät.igbar, der drei Belastungen ausgesetzt ist. Die erste Belastung wird mittels einer Vakuumdose auf den Hebel übertragen, deren Aussenseite dem Luftdruck ausgesetzt ist, so, dass die Belastung mit ab nehmendem Luftdruck annähernd propor tional diesem Druck zunimmt. Die zweite Be lastung wird im gleichen Sinne wirkend mit tels einer druckempfindlichen Vorrichtung auf den Hebel übertragen, welehe Vorrichtung auf die zu steuernde Brennstoffdrtickdiffe- renz anspricht.
Die dritte Belastung wird den zwei erstgenannten Belastungen entgegenge setzt wirkend mittels einer Feder auf den Hebel übertragen. Dabei bleibt die Summe der als Folge der Belastungen der Vakuumdose und der zu steuernden Brennstoffdi-Lickdiffe- renz am Hebel auftretenden Momente annä hernd gleich dein entgegengesetzt, wirkenden Moment als Folge der Federbelastung. Demzu folge nimmt der Wert der Brennstoffdruck differenz annähernd proportional mit. der Ab nahme des Luftdruckes, welchem die Vakuum dose ausgesetzt ist, ab.
Die vorliegende Erfindung sieht eine an dere Ausbildung der Brennstoffmengen-Ein- stellvorrichtung bei einer Brennstoff-Zufuhr- und -Steuereinrichtung der genannten Art vor, was die Erreichung gewisser wünschbarer Betriebscharakteristiken der Gasturbinenan- lage ermöglicht.
Gemäss vorliegender Erfindung besitzt die Brennstoffmengen-Einstellvorrichtung ein er stes Durchlassventil mit wahlweise einstell barem Querschnitt, das derart ausgebildet ist, dass bei jedem gewählten Querschnitt der Druckabfall in diesem Ventil annähernd pro portional dem Quadrat, der Brennstoffdtircli- flussmen-e ist.
Ferner besitzt sie ein zweites Durchlass- vent.il, das - hpdrauliseh in Serie zum ersten Ventil angeordnet ist und derart, ausgebildet ist, dass der Druckabfall. in diesem Ventil an nähernd proportional der durchfliessenden Brennstoffmenge ist. Durch diese Anordnung und. Ausbildung der Durchflussmengen-Ein- stellvorrichtung ist die durch die genannte Druckansprechvorrichtung gesteuerte Druck differenz gleich der Summe der Druckabfälle im ersten und zweiten Ventil.
Bei den bekannten Einrichtungen ist die gesteuerte Brennstoffdruckdifferenz nur gleich dem Druckabfall der wahlweise verstell baren Querschnittsöffnung; demzufolge wird in diesem Fall eine unerivänschte Strörnungs- charakteristik erreicht. Diese besteht im allge meinen darin, dass der Anlage in grossen Flug höhen ein Überschuss an Brennstoff zugeführt wird, bei einer gegebenen Einstellung des v er änderliehen Öffnungsquerschnittes.
Die erfindungsgemässe Ausbildung der Einrichtung dagegen ermöglielit eine solche Br ennstoffmerigen- Druckabfall-Clra rakteristik für die Mengen-Einstellv orrichtung, dass bei einer bestimmten Einstellung des ersten Ven tils die Brennstoffzufuhr zur Anlage den Be triebsbedingungen der letzteren eher ent spricht.
Das Durchlassventil, das eine solche Charak teristik besitzt, da.ss der Druehabfall annä hernd proportional der durchströmenden Brennstoffmenge ist, wird im folgenden als Linearströmungsventil bezeichnet. Zweck mässig besitzt dieses einen konischen Ventil körper von solchen Abmessungen, dass er zu- stimmen mit. einer Ventilöffnum, und mit einer den Ventilkörper belastenden Feder einen Öffnungsqtiersehnitt begrenzt, der die gewünsehte lineare Charakteristik ergibt.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungs gegenstandes ist in beiliegender Zeiehnung bei-, spielsweise näher dargestellt; es zeigt.: Fi-.1 schematisch eine Gasturbinenanlage mit ihrer Brennstoff-Zufuhr- und -Steuerein richtung,
Fig. 2 in -@rössererri -Massstab diese Zufuhr und Steuer einriehtun g und Fig. 3 und .1 graphische Darstellungen der irkun- der Einrielrtung.
In Fi-.1 ist eine Gasturbinenanla\;e ge zeigt, die als Flugzeug-Strahltriebwerk ausge bildet ist und einen Azialkonrpressor 10 sowie eine Verbrennungseinrieht.ung mit mehreren Brennikammern 11 besitzt, die mit dem Aus lass des Kompressors 10 verbunden sind, um komprimierte Luft in diese Brennkammern zu fördern.
Ferner ist eine Turbine 1? zum An trieb des Kompressors 10, die zur Aufnahme der Heissgase aus den Brennkanrniern 11 mit diesen verbunden ist., und eine -'-#b-asleitung 13 vorgesehen. Ein mit einer Schubdüse ver- sehenes Strahlrohr (nicht gezeichnet) ist an das Ende der Abgasleitung 13 angeschlossen.
Beim Betrieb der Anlage wird in den Brennkammern 11 Brennstoff verbrannt, inn die den letzteren zugeführte Luft zu erhitzen, wobei der Brennstoff den Brenrikarrrrriern mit tels Einspritzv orrielrtungen 1-1 zugeführt wird, die an ein gemeinsames V erteilrohr 15 der Brennstoff-Zufuhr- und -Steriei-eiiirielrtung der Anlage angeschlossen sind.
Die Brennstoff-Z-Lifuhr- und -Steuerein richtung der Anlage ist in den Fig. 1 und dargestellt und besitzt. eine von (ler Anlage selbst antreibbare Brerrnstoffpulrrl)e 16, die im vorliegenden Fall eine Pumpe mit bei glei- cher Drehzahl variabler Fördernrerrge ist, und die Brennstoff über eine @augleit.un@ 17 aus einem nichtgezeichneten Brennstofftank an saugt und unter Druck über eine Speiselei tung 18,
die all das Verteilrohr <B>15</B> arrgeschlos- senr ist, zu den Breriristoffeinspritzvorrichttin- gen 14 fördert. In der Brennstoffspeiseleitung IS sind eine Brennstoff-Durehflussmengen-Einstellv orrich- tung 19 und ein Abstellhahn 20 angeordnet. Der Abstellhahn 20 ist. vollständig offen, wenn die Anlage in Betrieb ist, und ganz ge schlossen, wenn die Anlage ausser Betrieb ist.
Die Zufuhr- und Steuereinrichtung besitzt auch eine Drtiekdifferenzsteuervorrichtung 21, welche dazu bestimmt ist, die Differenz zwi schen den Drücken in der Speiseleitung 18 unmittelbar stromaufwärts und unmittelbar stromabwärts der 11engen-Einstellvorriehtung 19 auf einem vorbestimmten Wert zu halten, der annähernd proportional dem Luftdruck ist.
Die Brennstoffpumpe 16, deren Förder menge, wie bereits erwähnt, bei gleichbleiben der Drehzahl variabel ist, besitzt einen Pum penrotor 23, der eine Anzahl schräg zur Achse verlaufender Bohrungen aufweist, fer ner mehrere Kolben 24 in den Bohrungen des Pumpenrotors 23, einen Schrägscheiben mechanismus 26, der mit den äussern Endtei- len der Kolben zusammenwirkt, so da.ss beim Drehen des Pumpenrotors 23 die Kolben 24 in den Rotorbohrungen durch den Schräg scheibenmeehanismus ?6 entgegen der Wir- kung von Federn 25 hin und her bewegt werden.
Der Hub der Pumpenkolben 24 und dem zufolge die Brennstofförderung der Pumpe 16 werden durch die Neigung des Schrägscheiben mechanismus zur Drehaelise des Pumpenrotors 23 gesteuert, wobei ein Servomotor zur Ein stellung des Neigungswinkels des Schrägschei- benmechanismus vorgesehen ist.
Der Servo motor besitzt. einen Kolben '?7, der in einem in zwei Kammern 28 und 29 unterteilten Zy linder arbeitet, und eine in der Kammer 29 angeordnete Feder 30 zwecks Belastung des Kolbens 27 im Sinne eines Vergrösserns der Neigung des Schrägseheibenmeehanismus und demzufolge einer Zunahme des Hubes der Pumpenkolben 24 und der Brennstofförderung der Pumpe 16. Die Kammer 28 ist durch eine Leitung 28a mit dem Brennstoffauslass 18a der Pumpe 16 verbunden, so dass der in der Kammer 28 herrschende Druck gleich dem Brennstofförderdruek ist.
Auch die Kammer 29 ist durch die Leitung 28a. mit dem Pumpen auslass 18a verbunden, wobei jedoch zusätzlich ein verengter Einlass 31 in den Raum 29 vor gesehen ist.
Ferner ist eine Anzapfleitung 44 und ein Anzapfkanal 32 an die Kammer 29 angeschlos sen. Es ist ersichtlich, dass, wenn kein Brenn stoff aus der Kammer 29 abgezapft wird, dann infolge der Gleichheit der Fluiddrüeke in den Kammern 28 und 29 der Kolben 27 nach links gemäss der Zeichnung gedrückt wird, um den Schrägscheibenmechanismus in die dem Maxi malhub der Pumpenkolben 24 entsprechende Lage zu bewegen. Der Anzapfkanal 32 steht mit einem Drehzahlbegrenzungsregler in Ver bindung,
der ein Halbkugel-Ventilelement 33 besitzt zur Steuerung des Fluidausflusses aus der Kammer 29 durch den Kanal 32. Das Halbkugel-Ventilelement 33 ist in einem dreh bar gelagerten Hebel 36 angeordnet., der durch eine Feder 37 in einer solchen Richtung be lastet ist, dass das Ventilelement 33 den Aus 1ass des Kanals 32 zu schliessen sucht. Der ab gezapfte Brennstoff strömt durch den Kanal 32 in eine Kammer 34 und anschliessend durch eine Leitung 35 zur Saugseite der Brennstoff pumpe 16 zurück.
Die Kammer 34 ist von einer weiteren Kammer 42 durch eine biegsame Membran 39 getrennt, die einen Stift 38 trägt, der in ge wissen Betriebszuständen der Pumpe 16 mit dem Hebel 36 in Eingriff kommt, um diesen im Sinne des Anhebens des Ventilelementes 33 zu v erschwenken. An der Membran ist eine Zugfeder 40 angebracht mit einem einstell baren Anschlag 41, wobei die Feder 40 ver sucht, den Arm 38 ausser Eingriff mit dem I3ebe1 36 zu halten.
Die Kammer 42 steht zu folge der Wirkung einer im Rotor 23 an geordneten Zentrifugalpumpe unter Druck, welche Pumpe eine zentrale Axialbohrung 43 besitzt, die einerends mit der Saugseite der Pumpe 16 und anderseits mit mehreren annä hernd radialen Bohrungen 43a verbunden ist, die in die Kammer 42 münden.
Wenn die Maschinendrehzahl und damit die Drehzahl des Pumpenrotors 23 zunimmt, erhöht sich der Druck in der Kammer 42, und die Anordnung ist derart, dass, wenn die Ma- schinendrehzahl ihren höchstzulässigen Wert erreicht, die Fluiddruckbelastung auf der Membran 39 genügt, uni die Wirkung der Feder 40 aufzuheben und dem Arm 38 zu ge statten, mit dem Hebel 36 in Eingriff zu kommen, um Hilfsfluidum ans der Kammer 29 abzuzapfen, was eine Herabsetzung des Druckes in der Kammer 29 und demzufolge eine Verkleinerung des Pumpenhubes zur Folge hat.
Der Ausfluss von Hilfsfluidum aus der Kammer 29 durch die Leitung 44 wird durch die Dnickdifferenzsteuervorrichtung 21 ge steuert, so dass die Differenz der Brennstoff drücke in der Speiseleitung 18 unmittelbar stromaufwärts und unmittelbar stromabwärts der Einstellvorrichtung 19 annähernd propor tional dem Luftdruck ist.
Die Druckdifferenzsteuervorrichtung 21 be sitzt ein Halbkugel-Ventilelement 45, das an einem Hebel 46 angeordnet ist, der von einer biegsamen Membran 47 getragen -wird, die zwei Kammern 48 und 49 der Steuervorrich- tung voneinander trennt. Das durch die Lei tung 44 strömende Hilfsfluidum gelangt unter der Steuerwirkung des Ventilelementes 45 in die Kammer 48 und von hier aus durch eine R.ücklaufleitung 50 zurück zur Saugleitung 17. Die Kammer 49 ist durch eine Leitung 5<B>2</B> mit: einer geeigneten Stelle am Flugzeug oder an der Anlage verbunden.
Der Hebel 46 ist derart angeordnet, dass er unter der Wirkung der drei folgenden Be lastungen verschw enkbar ist a) Eine Belastung, die sich entsprechend den Änderungen des Luftdruckes ändert. Diese Belastung wird mittels einer expansiblen Dose 51 auf den Hebel übertragen, die in der Kammer 49 angeordnet ist. Es ist ersichtlich, dass, wenn der Luftdruck abnimmt, die durch die Dose 51 auf den Hebel 46 wirkende Be lastung zunimmt und dass, wenn der Luft druck zunimmt, die durch die Dose 51 be wirkte Belastung abnimmt.
Die durch die Dose 51 auf den Hebel übertragene Belastung wirkt im Sinne des Verschwenkens des Hebels 46 zwecks Anhebens des Ilalbkugel-Ventilelenien- tes 45.
h) Eine Belastung, die von der Differenz der Brennstoffdrüeke in der Speiseleitung.:- 1# unmittelbar stromaufwärts und unmittelbar stromabwärts der Mengen-Einstellvorricbtung 19 abhängt.
Diese Belastung wird über don Stift 54 durch eine biegsame Membran 5:3 auf den Hebel 46 übertragen, welche Membran zwei Kammern 61 und 62 voneinander trennt, icobei die Kammer 61 durch eine Leiten- 55 mit der Brennstofförderleitung 18 unir_it.tel.- bar stromaufwärts der Einstellvorrichtung 19 und die Kammer 62 durch eine Leituni 56 ebenfalls mit der Leitung 18 unmittelbar stromabwärts der Einstellvorrichtung 19 ver
bunden ist. Die Membran 53 trägt. einen An sehlag 53a., iun deren Bewegung in vom Hebel 46 wegführender Richtung zu begrenzen. Die von der Differenz der Drücke in der Speise leitung 18 abhängige Belastung wirkt im sel ben Sinne auf den Hebel 46, wie die dureh die Dose 51 übertragene Belastung.
c ) Eine Federbelastung, die in zu den Belastungen der Dose 51 und der Menthran 5 3 entgegengesetzter Richtung auf den Hebel 46 übertragen wird. Die Federbelastung wird durch einen Stift 64 auf den Hebel 46 über tragen, welcher Stift an seinem freien äui3.ern Ende einen Anschlag 65 für eine Feder 57 trägt, die in einer von der Kammer 1b ge trennten Kammer 58 angeordnet ist. Dei an dere Anschlag 66 für die Feder 57 ist.
mittels einer Stellschraube 59 einstellbar. Die Kam mer 58 ist durch eine Leitung 60 mit der Leitung 56 verbunden, so dass die Drücke in den Kammern 58 und 6\? einander gleich sind. Diese Anordnung ermöglicht den Ausgleieli der Differenz der Quersehnittsfläelie:i auf bei- c len Seiten der Membran 53, die eire Fol(re des Vorhandenseins des Stiftes 54 ist.
Bei stationärem Betrieb sind die - m Hebel 46 angreifenden, dureh die Belastung,,en der Dose 57. und der Membran 53 bewi:'lzt-e:i Mo mente durch das zufolge der Belastung durch die Feder 57 bewirkte Moment ausegü.chen. Wenn der Luftdruck konstant bleibt., dann bewirkt die Steuervorrichtung 21 ein Auf- rechterhalten der Druckdifferenz auf einem gegebenen Wert;
und wenn eine unerwünschte Erhöhung der Druckdifferenz ein. ritt, #xird das Halbkugel-Ventilelement angerioben, so dass Brennstoff aus der Kammer 29 abgezapft und die Brennstofförderung hera:hgesetzt wird. Wenn eine unerwünschte Abnahme der Druck- differenz auftritt, wird das Ventilelement 45 mehr geschlossen, so dass der Pumpenhub zu nimmt und somit auch die BrennstOHörderun- in die Speiseleitung 18.
Bei zunehmendem Luftdruck zieht siele die Dose<B>51</B> zusammen, wodurch die dureli sie auf den Hel:el 46 über tragene Belastung abnimmt; demzufol;e in nss die infolge der Brennstoffdruckdiiferenz auf tretende Belastung steigen, die notwendig ist, um der Belastung durch die Feder<B>57</B> das Gleichgewicht halten zu können. Demzufolge steigt die Brennstofförderun#- bei zunehmen dem Luftdruck.
Umgekehrt nimmt die Be lastung durch die Dose 51 zu, wenn der 1,uft- druck abnimmt; somit wird in diesem. Fall die Brennstofförderung der Pumpe 16 abneh men, um die Differenz der auf beiden Sei ten der Einstellvorrielitung- 19 herrschenden Drücke herabzusetzen. Die Differenz fieser Brennstoffdrücke ist. annähernd proportional dem Luftdruck.
Die Mengen-Einstellvorrielitung 19 besitzt ein Drosselventil mit einer Öffnung 70, dessen wirksamer Querschnitt durch einen Ventilkör- per 71 bestimmt ist, der mit. der Öffnung 70 zusammenwirkt; die Stellun; des Ventilkör pers 71 in der Öffnung 70 ist mittels eines von Hand betätigbaren Hebels 73 durch ir gendeinen geeigneten 'Mechanismus 72 einstell bar, welcher Mechanismus, zum Beispiel wie gezeichnet, eine Zahnstange finit. Riizel auf weisen kann.
Es hat sich gezeigt., dass, wenn die Vorrich tung 19 nur die Öffnung 70 mit frei wäbl- bareni Querschnitt besitzt, in welcher der Druckabfall annähernd proportional (lein Quadrat der durchströmenden Brennstoff nienge bei irgendeiner bestimmten Stellung des Ventilkörpers 71 ist, bei gewissen Einstel lungen der Durehströmöffnung, zum. Beispiel bei einer einer hohen Leistung entsprechen- den Stellung des Handsteuerhebels 73,
die der Anjage zugeführte Brennstoffmenge in grossen I-1öhen zu hoch ist, so dass die Möglichkeit des Durehbrennens der Anlage besteht.
Um diese Schwierigkeit zu beheben, ist eine weitere Öffnung 74 vorgesehen, die hydrau- lisch in Serie zu der Öffnung 70 angeordnet ist, so dass der durch die Öffnung 70 strö mende Brennstoff auch diese weitere Öffnung 'i4 durchfliesst. Der Querschnitt der Öffnung 74 wird mit tels eines Ventilkörpers 75 eingestellt, der durch. eine Feder 76 im Sinne des Verkleinerns cles Querschnittes der Öffnung 74 belastet ist.
Der Teil 75a. des Ventilkörpers 75, das heisst der mit der Öffnung 74 zusammenwirkende Teil. des Ventilkörpers 75, ist so geformt, zaen Beispiel derart konisch ausgebildet, und die (xrösse der Feder 76 ist derart gewählt, dass der Druckabfall in der Öffnung 74 annähernd proportional der durch. sie hindurchströmen- den Brennstoffmenge ist.
Mit andern Worten, diese zweite Öffnung besitzt eine Dureliström- eharakteristik, bei welcher das Verhältnis zwi schen durchströmender Menge und dem in ihr auftretenden Druckabfall linear ist.
Die durch die Steuervorrichtung 21 derart gesteuerte Druckdifferenz, dass letztere annä- liernd proportional dem Luftdruck ist, ist: demzufolge gleieb der Summe der Druck abfälle in den Öffnungen 74 und 70. Die Wirkung der Ausbildung der beschriebenen Mengen-Einstellvorrichtung 19 auf die Brenn stofförderung zur Anlage soll im folgendes. unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 näher erläutert werden.
In Fig. 3, in welcher die Brennstoffmengen <I>FF</I> als Ordinaten und die Druckabfälle PD, die proportional dem Luftdruck P1 sind, als Abszissen aufgetragen sind, zeigt die Kurve .1 den wirklichen Brennstoffbedarf der Anlage, um eine konstante, maximale Drehzahl. eines Strahltriebwerkes, zum Beispiel wie in Fig.1 dargestellt, bei verschiedenen Werten des Luftdruckes P, aufrechtzuerhalten. Die Li nien Po und P.40 zeigen die Werte, auf wel ehen die Druckdifferenz an der Einstellvor- richtung 19 in Bodennähe bzw. in 13 kin Höhe gehalten werden soll.
Es ist zu bemerken, dass die Kurve il, wie dargestellt, theoretisch durch den Nullpunkt geht.
Die Linie B zeigt die mit einer bekannten Ausführungsform der Vorrichtung 19 erreich bare Brennstoffströmung. Diese Vorrichtung besitzt nur eine einzige Öffnung 70 mit va riablem Querschnitt, und zwar gilt die Kurve B für eine Stellung des Ventilkörpers 71, bei welcher die Öffnung 79 eine Brennstoffmenge durchlässt, die dem Bedarf der Anlage beim Druck PO entspricht.
Bei der gegebenen Ven- tilkörperstellung weicht somit die Kurve B von der Kurve 4 ab, die über den Betriebs bereich relativ flach verläuft, das heisst über den zwischen den Punkten Po und P40 liegen den Bereich der Werte von PD. Bei Betrach tung der Kurven A und B wird ersichtlich, da.ss mit.
zunehmender Höhe und demzufolge mit sinkendem Luftdruck die der Anlage von der Vorrichtung 19 bekannter Bauart gelie ferte Brennstoffmenge den Bedarf der Anlage bei einer gegebenen Drehzahl erheblich über steigt, so dass bei Verwendung dieser Vorrich tung und bei gleichbleibender Einstellung des Handsteuerhebels <B>7130</B> die Drehzahl der Anlage mit zunehmender Höhe zunimmt. Diese Dreh- zahlzunahme ist als vom Luftdruck abhän ge Beschleunigung der llasehine bekannt ffi <B>C</B> 01
und ist besonders bei Hoehleistungseinstellung des Handsteuerhebels 73 unerwünscht.
In Fig. 4 sind Kurven dargestellt, welebe das Verhältnis der durch die beschriebene Einstellvorrichtung strömenden Brennstoff menge zu dem in ihr auftretenden Druck abfall zeigen. Kurve D zeigt den an der Öff nung<B>7</B>0 erhaltenen Diaiekabfall bei v ersehie- denen Brennstoffmengen und einer bestimm ten Eizustellung des Ventilkörpers 71, und die gerade Linie E zeigt den bei einem Linear Durchflussventil,wie die Öffnung 7-1 mit Ven tilkörper 75, erhaltenen Druckabfall bei ver schiedenen Brennstoffmengen.
Die Kurve C zeigt die Summe dieser Druckabfälle bei ver schiedenen Brennstoffmengen. Die Kurve C illustriert demzufolge das Verhältnis zwischen der durch eine Einstellvorrichtung 19 (Fug. 2) strömenden Brennstoffmenge zum Druck abfall in dieser Vorrichtung.
Die Kurve C ist ähnlich der Kurve d eine flache Kurve. Die Kurve C ist auch in Fig. 3 dargestellt, wor aus ersichtlich ist, dass bei geeigneter Wall der Kenndaten der beiden Öffnungen der Vor richtung 19 solche Brennstoffmengen erhal ten werden, die es gestatten, bei einer ge gebenen Einstellung des Handsteuerhebels 73 die Drehzahl der Anlage bei Änderungen des Luftdruckes annähernd konstant zu halten.
Ähnliche Kurven werden bei jeder. Ein stellung der einstellbaren Öffnung 70 erhal ten. Die Vorrichtung 19 kann auch ein zwei tes Linear-Durchström.ventil 77 aufweisen, wie es in der schweizerischen Patentschrift Nr. 281898 beschrieben ist. Dieses zweite Durchströmventil 77 ist hydraulisch parallel zur Öffnung 70 angeordnet, so dass, wenn bei einer Einstellung des Hebels 73 für Leerlauf oder für kleine Leistung die Öffnung 70 ganz geschlossen ist, die gesamte Brennstoffmenge durch das Linear-Durehströmventil 77 strömt, oder derart,
dass bei Leerlaufstellung oder Stellung für kleine Leistung des Hebels 73 ein Teil des Brennstoffes durch die Öffnung 70 und ein Teil durch das parallel geschaltete Linear-Durchströmvent.il 77 strömt.
Fuel supply and control device for a gas turbine plant. The subject of the present invention is. a fuel supply and control device of a gas turbine plant. The invention relates to such devices in wel chen a pressure exposed to the air pressure anspreclivorriehtung intended. is to keep the fuel pressure difference in a fuel quantity setting device at a predetermined value, which is approximately proportional to the air pressure, the cross section of a flow opening of the fuel flow setting device for changing the fuel flow can be adjusted as required.
The term air pressure in this case includes both the atmospheric pressure of the environment (i.e. static pressure) and a pressure of the environment changed by the flight condition of an aircraft and / or the pressure of the environment changed by the flow conditions in the air inlet of the compressor of the gas turbine system.
For example, the pressure response device can be included. be connected to a point of the aircraft at which there is static pressure, or to a point in the air inlet of the compressor, at which static pressure or the total pressure prevails, or to a stagnation point of the aircraft.
A known embodiment of a fuel supply and control device of the type mentioned has a pump with a variable flow rate at the same speed, the latter being controllable by a servomotor having pistons and cylinders, this servomotor being pressurized by an auxiliary fluid is exposed, which is taken from a fluid pressure source, and which servo motor in turn can be controlled by means of a drain valve.
The drain valve can be actuated by means of an actuating lever which is exposed to three loads. The first load is transferred to the lever by means of a vacuum can, the outside of which is exposed to the air pressure, so that the load increases almost proportionally to this pressure as the air pressure decreases. The second load is transmitted in the same sense to the lever by means of a pressure-sensitive device, which device responds to the fuel pressure difference to be controlled.
The third load is transferred to the lever by means of a spring acting against the first two loads. The sum of the moments occurring as a result of the loads on the vacuum can and the fuel di-lick difference to be controlled on the lever remains approximately the same as the moment acting in the opposite direction as a result of the spring load. Accordingly, the value of the fuel pressure difference increases approximately proportionally. the decrease in air pressure to which the vacuum can is exposed, from.
The present invention provides a different embodiment of the fuel quantity adjusting device in a fuel supply and control device of the type mentioned, which enables certain desirable operating characteristics of the gas turbine system to be achieved.
According to the present invention, the fuel quantity adjusting device has a first passage valve with an optionally adjustable cross-section, which is designed such that for each selected cross-section the pressure drop in this valve is approximately proportional to the square of the fuel flow rate.
It also has a second passage valve, which - hpdrauliseh is arranged in series with the first valve and is designed in such a way that the pressure drop. in this valve is approximately proportional to the amount of fuel flowing through. Through this arrangement and. In the design of the flow rate adjusting device, the pressure difference controlled by said pressure response device is equal to the sum of the pressure drops in the first and second valve.
In the known devices, the controlled fuel pressure difference is only equal to the pressure drop of the optionally adjustable ble cross-sectional opening; consequently, in this case, an unshakable flow characteristic is achieved. This generally consists in the fact that the system is supplied with an excess of fuel at high flight altitudes, given a given setting of the variable opening cross-section.
The inventive design of the device on the other hand enables such a fuel-low pressure drop clear characteristic for the volume setting device that with a certain setting of the first valve, the fuel supply to the system corresponds to the operating conditions of the latter.
The passage valve, which has such a characteristic that the pressure drop is approximately proportional to the amount of fuel flowing through, is referred to below as a linear flow valve. Appropriately, this has a conical valve body of such dimensions that it agree with. a valve opening, and with a spring that loads the valve body, delimits an opening section which results in the desired linear characteristic.
An embodiment of the subject invention is shown in the accompanying drawing, for example, in more detail; it shows: Fi-.1 schematically a gas turbine system with its fuel supply and control device,
Fig. 2 in - @ rössererri scale this supply and control device and Fig. 3 and .1 graphical representations of the actual device.
In Fi-.1 a gas turbine system is shown, which is designed as an aircraft jet engine and has an Azialkonrpressor 10 and a combustion unit with several combustion chambers 11, which are connected to the outlet of the compressor 10 to compress To promote air into these combustion chambers.
Furthermore, a turbine 1? to drive the compressor 10, which is connected to this for receiving the hot gases from the Brennkanrniern 11., and a -'- # b -asleitung 13 is provided. A jet pipe (not shown) provided with a thrust nozzle is connected to the end of the exhaust pipe 13.
When the system is in operation, fuel is burned in the combustion chambers 11, to heat the air supplied to the latter, the fuel being supplied to the Brenrikarrrrriern by means of injection devices 1-1, which are connected to a common distribution pipe 15 of the fuel supply and - Steriei-eiiirielrtung the plant are connected.
The fuel-Z-Lifuhr- and -Steuerein direction of the system is shown in Figs. 1 and and has. a fuel powder 16 that can be driven by the system itself, which in the present case is a pump with a variable delivery rate at the same speed, and which sucks in fuel via a @ augleit.un @ 17 from a fuel tank (not shown) and under pressure via a Feed line 18,
which all the distributor pipe <B> 15 </B> is locked, conveys to the fuel injection devices 14. A fuel flow rate setting device 19 and a shut-off valve 20 are arranged in the fuel feed line IS. The stop cock 20 is. completely open when the system is in operation and fully closed when the system is out of operation.
The feed and control device also has a Drtiekdifferenzsteuereinrichtung 21, which is intended to keep the difference between the pressures in the feed line 18 immediately upstream and immediately downstream of the 11engenstellvorriehtung 19 at a predetermined value, which is approximately proportional to the air pressure.
The fuel pump 16, the delivery amount, as already mentioned, is variable while the speed remains the same, has a Pum penrotor 23 which has a number of oblique bores to the axis, fer ner several pistons 24 in the bores of the pump rotor 23, a swash plate mechanism 26, which interacts with the outer end parts of the pistons, so that when the pump rotor 23 rotates, the pistons 24 are moved back and forth in the rotor bores by the swash plate mechanism 6 against the action of springs 25.
The stroke of the pump piston 24 and consequently the fuel delivery of the pump 16 are controlled by the inclination of the swash plate mechanism for rotating the pump rotor 23, a servomotor being provided for setting the angle of inclination of the swash plate mechanism.
The servo motor has. a piston '? 7, which works in a cylinder divided into two chambers 28 and 29, and a spring 30 arranged in the chamber 29 for the purpose of loading the piston 27 in the sense of increasing the inclination of the swash plate mechanism and consequently an increase in the stroke of the pump piston 24 and the fuel delivery of the pump 16. The chamber 28 is connected by a line 28a to the fuel outlet 18a of the pump 16, so that the pressure prevailing in the chamber 28 is equal to the fuel delivery pressure.
Chamber 29 is also through line 28a. connected to the pump outlet 18a, but in addition a narrowed inlet 31 is seen in the space 29 before.
Furthermore, a tap line 44 and a tap channel 32 to the chamber 29 is ruled out. It can be seen that if no fuel is drawn off from the chamber 29, then due to the equality of the fluid pressures in the chambers 28 and 29, the piston 27 is pushed to the left according to the drawing, in order to move the swash plate mechanism into the maximum stroke of the pump piston 24 corresponding position to move. The tapping channel 32 is connected to a speed limiter controller,
which has a hemispherical valve element 33 for controlling the outflow of fluid from the chamber 29 through the channel 32. The hemispherical valve element 33 is arranged in a pivoted lever 36 which is loaded by a spring 37 in such a direction that the valve element 33 seeks to close the outlet of the channel 32. The fuel drawn off flows through the channel 32 into a chamber 34 and then through a line 35 to the suction side of the fuel pump 16 back.
The chamber 34 is separated from another chamber 42 by a flexible membrane 39 which carries a pin 38 which in ge know operating states of the pump 16 comes into engagement with the lever 36 in order to pivot it in the sense of lifting the valve element 33 . A tension spring 40 with an adjustable bleed stop 41 is attached to the membrane, the spring 40 ver looking to keep the arm 38 out of engagement with the I3ebe1 36.
The chamber 42 is under pressure to follow the action of a centrifugal pump arranged in the rotor 23, which pump has a central axial bore 43 which is connected at one end to the suction side of the pump 16 and on the other hand with several approximately radial bores 43a, which are in the chamber 42 flow.
When the engine speed and thus the speed of the pump rotor 23 increases, the pressure in the chamber 42 increases, and the arrangement is such that when the machine speed reaches its maximum permissible value, the fluid pressure load on the diaphragm 39 is sufficient for the effect to cancel the spring 40 and to equip the arm 38 to come into engagement with the lever 36 in order to tap auxiliary fluid from the chamber 29, which results in a reduction in the pressure in the chamber 29 and consequently a reduction in the pump stroke.
The outflow of auxiliary fluid from the chamber 29 through the line 44 is controlled by the pressure difference control device 21 so that the difference in fuel pressures in the feed line 18 immediately upstream and immediately downstream of the adjustment device 19 is approximately proportional to the air pressure.
The pressure differential control device 21 has a hemispherical valve element 45 which is arranged on a lever 46 which is carried by a flexible membrane 47 which separates the two chambers 48 and 49 of the control device from one another. The auxiliary fluid flowing through the line 44 reaches the chamber 48 under the control action of the valve element 45 and from here through a return line 50 back to the suction line 17. The chamber 49 is through a line 5 2 connected to: a suitable location on the aircraft or on the system.
The lever 46 is arranged in such a way that it can be pivoted under the effect of the three following loads a) A load that changes in accordance with the changes in air pressure. This load is transmitted to the lever by means of an expandable can 51 which is arranged in the chamber 49. It can be seen that as the air pressure decreases, the load acting on the lever 46 by the can 51 increases and that as the air pressure increases, the load applied by the can 51 decreases.
The load transmitted to the lever by the can 51 acts in the sense of pivoting the lever 46 for the purpose of lifting the Ilalb-ball valve element 45.
h) A load which depends on the difference in the fuel pressures in the feed line: - 1 # immediately upstream and immediately downstream of the quantity adjustment device 19.
This load is transmitted via the pin 54 through a flexible membrane 5: 3 to the lever 46, which membrane separates two chambers 61 and 62 from one another, with the chamber 61 being unir_it.tel.- bar upstream by a duct 55 with the fuel delivery line 18 the adjustment device 19 and the chamber 62 through a Leituni 56 also with the line 18 immediately downstream of the adjustment device 19 ver
is bound. The membrane 53 carries. a sehlag 53a., iun to limit their movement in the direction away from the lever 46. The dependent on the difference in the pressures in the feed line 18 load acts in the same sense on the lever 46, as the load transmitted by the can 51 load.
c) A spring load which is transmitted to the lever 46 in the opposite direction to the loads on the can 51 and the menthran 5 3. The spring load is carried by a pin 64 on the lever 46, which pin carries at its free outer end a stop 65 for a spring 57 which is arranged in a chamber 58 separated from the chamber 1b. The other stop 66 for the spring 57 is.
adjustable by means of an adjusting screw 59. The chamber 58 is connected by a line 60 to the line 56, so that the pressures in the chambers 58 and 6 \? are equal to each other. This arrangement makes it possible to compensate for the difference in the cross-sectional area: i on both sides of the membrane 53, which is a result of the presence of the pin 54.
During stationary operation, the levers 46 acting by the load on the can 57 and the membrane 53 are balanced by the moment caused by the load on the spring 57. If the air pressure remains constant, then the control device 21 causes the pressure difference to be maintained at a given value;
and if there is an undesirable increase in the pressure difference. ritt, the hemispherical valve element is pushed on, so that fuel is drawn from the chamber 29 and the fuel supply is stopped. If an undesired decrease in the pressure difference occurs, the valve element 45 is closed more so that the pump stroke increases and thus also the fuel delivery into the feed line 18.
As the air pressure rises, the socket <B> 51 </B> contracts, reducing the load it transfers to the Hel: el 46; accordingly, the load occurring as a result of the fuel pressure difference increases, which is necessary to be able to keep the load from the spring <B> 57 </B> in balance. As a result, the fuel delivery increases as the air pressure increases.
Conversely, the load through the can 51 increases when the air pressure decreases; thus becomes in this. If the fuel delivery from the pump 16 decreases in order to reduce the difference in the pressures prevailing on both sides of the setting supply line 19. The difference in nasty fuel pressures is. approximately proportional to the air pressure.
The quantity adjustment supply line 19 has a throttle valve with an opening 70, the effective cross section of which is determined by a valve body 71 with which. the opening 70 cooperates; the position; of the valve body 71 in the opening 70 is adjustable by means of a manually operable lever 73 by any suitable mechanism 72, which mechanism, for example as shown, is a finite toothed rack. Riizel can point to.
It has been shown that if the device 19 only has the opening 70 with a freely adjustable cross-section, in which the pressure drop is approximately proportional (l a square of the fuel flowing through, at any particular position of the valve body 71, at certain settings lungs of the throughflow opening, for example when the manual control lever 73 is in a position corresponding to high power,
the amount of fuel supplied to the chase is too high in large heights, so that there is a possibility of the system burning out.
In order to overcome this difficulty, a further opening 74 is provided, which is arranged hydraulically in series with the opening 70, so that the fuel flowing through the opening 70 also flows through this further opening 14. The cross section of the opening 74 is adjusted by means of a valve body 75, which by. a spring 76 is loaded in the sense of reducing the cross section of the opening 74.
The part 75a. of the valve body 75, that is to say the part cooperating with the opening 74. of the valve body 75 is shaped, for example, conical, and the size of the spring 76 is selected such that the pressure drop in the opening 74 is approximately proportional to the amount of fuel flowing through it.
In other words, this second opening has a Dureliström- eharakteristik, in which the relationship between the flow rate and the pressure drop occurring in it is linear.
The pressure difference controlled by the control device 21 in such a way that the latter is approximately proportional to the air pressure is: consequently equal to the sum of the pressure drops in the openings 74 and 70. The effect of the design of the described quantity adjustment device 19 on the fuel delivery Plant should in the following. with reference to FIGS. 3 and 4 will be explained in more detail.
In Fig. 3, in which the fuel quantities <I> FF </I> are plotted as ordinates and the pressure drops PD, which are proportional to the air pressure P1, as abscissa, the curve .1 shows the actual fuel requirement of the system around a constant , maximum speed. of a jet engine, for example as shown in Fig. 1, at different values of the air pressure P. Lines Po and P.40 show the values at which the pressure difference at the adjustment device 19 is to be kept close to the ground or at a height of 13 kins.
It should be noted that the curve il, as shown, theoretically passes through the zero point.
Line B shows the fuel flow achievable with a known embodiment of the device 19. This device has only a single opening 70 with a variable cross-section, namely the curve B applies to a position of the valve body 71 in which the opening 79 allows an amount of fuel to pass through which corresponds to the requirements of the system at pressure PO.
With the given valve body position, curve B thus deviates from curve 4, which runs relatively flat over the operating range, that is to say over the range of the values of PD between points Po and P40. When looking at curves A and B, it can be seen that with.
increasing altitude and consequently with decreasing air pressure, the amount of fuel delivered to the system by the device 19 of known design exceeds the requirements of the system at a given speed, so that when using this device and with the same setting of the manual control lever <B> 7130 </ B> the speed of the system increases with increasing altitude. This increase in speed is known as the air pressure-dependent acceleration of the laser line ffi <B> C </B> 01
and is particularly undesirable when setting the manual control lever 73 at high power.
In Fig. 4 curves are shown which show the ratio of the amount of fuel flowing through the adjustment device described to the pressure drop occurring in it. Curve D shows the slide drop obtained at the opening 7 with different fuel quantities and a certain delivery of the valve body 71, and the straight line E shows that in a linear flow valve, such as the opening 7 -1 with Ven tilkörper 75, obtained pressure drop with ver different amounts of fuel.
Curve C shows the sum of these pressure drops for different amounts of fuel. The curve C accordingly illustrates the relationship between the amount of fuel flowing through an adjusting device 19 (Fig. 2) and the pressure drop in this device.
Curve C is a flat curve similar to curve d. The curve C is also shown in Fig. 3, from which it can be seen that with a suitable wall of the characteristics of the two openings of the device 19 before such fuel quantities are obtained that allow the speed of the given setting of the manual control lever 73 To keep the system almost constant when the air pressure changes.
Similar curves are found for everyone. A position of the adjustable opening 70 is obtained. The device 19 can also have a second linear flow-through valve 77, as is described in Swiss Patent No. 281898. This second throughflow valve 77 is arranged hydraulically parallel to the opening 70, so that when the opening 70 is completely closed when the lever 73 is set for idling or for low power, the entire amount of fuel flows through the linear throughflow valve 77, or in such a way that
that in the idle position or position for low power of the lever 73 part of the fuel flows through the opening 70 and part through the linear flow valve 77 connected in parallel.