Nachheiz-Breumtoffzufuhreinrichtung in Gasturbinenanlagen. Cxegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Nachheiz-Brennstoffzufuhreinrich- tung in Gasturbinenanlagen.
Es sind Gasturbinenanlagen bekannt, bei welchen im Arbeitsfluidum Brennstoff ver brannt wird, nachdem das Arbeitsfluidum eine oder mehrere Turbinenstufen durch strömt hat, um so eine Leistungserhöhung der Anlage zu erreichen; zu diesem Zweck ist eine zusätzliche Verbrennungseinrichtung vor gesehen, die durch ein im folgenden mit Nach- heiz=Brennstoffzufuhreinrichtung bezeichne tes System gespeist wird.
Eine solche Zufuhr einrichtung kann zum Beispiel in einem Flug- zeugstralÜtriebwerk vorgesehen sein, wobei das aus der Turbinenanlage kommende Ar beitsfluidum im Strahlrohr wieder erhitzt wird, bevor es durch eine Schubdüse aus gestossen wird. Meist steht die Zufuhreinrich- tung für die Nachverbrennungseinrichtung nicht ständig in Betrieb, sondern nur dann,
wenn eine aussergewöhnlich grosse Leistungs abgabe verlangt wird. Es wurde schon vor geschlagen, eine solche Nachheiz-Brennstoff- zufuhreinrichtung mit einem Hilfsbrenner zu versehen, durch welchen eine relativ kleine Menge des genannten Nachverbrennungs- brennstoffes geleitet wird. An diesem Bren ner wird eine Flamme aufrechterhalten, welche zur Stabilisierung der Verbrennung des durch Hauptbrenner der Einrichtung zu geführten Brennstoffes dient.
Ein geeignetes Ausführungsbeispiel einer solchen Einrich- tung ist in der schweizerischen Patentschrift Nr. 270070 näher beschrieben.
Die Hilfsflamme wird zweckmässig ent zündet, bevor Breimstoff durch die Haupt brenner strömt, um zu gewährleisten, dass, wenn der Hauptbrennstoff eingespritzt wird, dieser sofort zur Entzündung und zum Ver brennen gebracht wird.
Es ist zu bemerken, dass die Flamme des Hilfsbrenners stabil gehalten werden muss, unabhängig von iin Strahlrohr auftretenden Änderungen der Verhältnisse. Bei einem Flug zeugstrahltriebwerk können die Verhältnisse.
im Strahlrohr zum@Beispiel dadurch ändern, dass die Flughöhe und die Fluggeschwindig- keit geändert werden.
Ein Hauptzweck der Erfindung besteht nun darin, eine solch einen Hilfsbrenner speisende Nachheiz-Brennstoff- zufuhreinrichttuzg zu schaffen, bei welcher eine stabile Hilfsflamme unabhängig von sol chen Änderungen der Verhältnisse im Strahl-- rohr der Anlage aufrechterhalten werden kann.
Zu diesem Zweck besitzt die erfindungs gemässe Nachheiz-Brennstoffzufuhreinrich- tung in einer Gasturbinenanlage, welche einen Hilfsbrenner und mehrere Hauptbrenner auf weist, Mittel, um das Brennstoff-Luft-Ver- hältnis im Hilfsbrenner wenigstens annähernd konstant zu halten. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Einrichtung Mittel aufweisen, um den Brenn stoffstrom zum Hilfsbrenner proportional zum absoluten Förderdruck des Kompressors der Anlage zu halten.
Es ist bekannt, dass, wenn in den Turbi nendüsen einer Gasturbinenanlage Schall geschwindigkeit auftritt, die durch die An lage strömende Luftmasse dem absoluten Förderdruck des Kompressors der Anlage proportional ist, wenn die Turbineneinlass- temperatur konstant ist.
Bei den heute üb lichen Abmessungen der Gasturbinenanlagen wird an dieser Stelle bei allen normalen Be lastungszuständen Schallgeschwindigkeit er reicht und da die Nachheiz-Brennstoffzufuhr- einrichtung nur bei ausserordentlichem Lei stungsbedarf in Betrieb gesetzt wird, und da die Turbineneinlasstemperatur annähernd konstant ist, befindet sich die genannte Zu fuhreinrichtung nur dann in Betrieb,
wenn die durchströmende Luftmasse wenigstens annähernd proportional dem absoluten För- derdruck des Kompressors ist.
Da die Brennstofförderung zum Hilfs brenner beispielsweise proportional dem ab soluten Förderdruck des Kompressors sein kann, ist sie in diesem Fall auch der durch die Anlage strömenden Luftmasse proportional. Dadurch kann die Flamme am Hilfsbrenner stabil gehalten werden.
Eine Nachheiz-Brennstoffzufuhreinrich- tung gemäss der Erfindung, die zum Einbau in ein Gasturbinenstrahltriebwerk bestimmt ist, soll an Hand der beiliegenden Zeichnung beispielsweise näher erläutert werden.
Die Zeichnung zeigt schematisch ein Gas turbinenstrahltriebwerk 10 mit einer Nach- heiz-Brennstoffzufuhreinrichtung. Die An lage 10 besitzt einen Kompressor 11, eine Hauptverbrennungseinrichtung 12, welche an den Kompressorauslass angeschlossen ist, eine Turbine 13, die an den Auslass der Verbren nungseinrichtung 12 angeschlossen ist und eine Abgasleitung mit einem Strahlrohr 14 und einer Schubdüse 15, durch welche die Abgase aus der Turbine 13 in die Atmosphäre ausgestossen werden.
Die Turbine 13 dient dem Antrieb des Kompressors 11.
Wenn. ein abnormaler Leistungsbedarf vorhanden ist, wird im Strahlrohr 14 Brenn- Stoff verbrannt Lind der Nachheizbrennstoff wird üblicherweise durch eine Hilfseinspritz- vorrichtung 16 zugeführt, welche ein Düsen paar 16a besitzt, Lind ferner durch eine Haupt- einspritzvorrichtung 17, welche mehrere Dü sen 17a aufweist.
Die an der Hilfseinspritz- vorrichtung 16 erzeugte Flamme dient zum Einleiten und Sicherstellen der Verbrennung des aus der Haupteinspritzv orrichtung 17 ausgespritzten Brennstoffes.
Damit der Hilfsinjektor 16 seinen Zweck erfüllen kann, muss er eine stabile Zündflamme erzeugen können.
' Die in diesem Fall verwendete Nachheiz- Brennstoffzufuhreinrichtung zur Speisung der Hilfs- und Hauptinjektoren 1ö und 17 ist so ausgebildet, dass eine stabile Zündflamme auf rechterhalten wird, sowohl wenn die Haupt injektorvorrichtung 17 ausser Betrieb ist als auch wenn sie in Betrieb ist. Die Nachheiz- Brennstoffzufuhreinrichtung besitzt zwei Brennstoffpumpen 20 und 21, die in Serie zu einander angeordnet sind.
Die Niederdruck pumpe 20 ist elektrisch antreibbar und in einem Brennstofftank 22 angeordnet, und die Hochdruckpumpe 21 ist eine Zentrifugal pumpe. Die Förderleitung 23 der Hochdruck pumpe 21 enthält eine Absperrvorrichtung 24 und teilt sich stromabwärts dieser Vorrich tung in zwei Zweigleitungen 25 und 26. Die Zweigleitung 25 führt zur Hilfseinspritzvor- richtung 16 und die Zweigleitung 26 führt zu einer Absperrvorrichtung 27 für den Haupt brennstoff, deren Speiseleitung<B>28</B> über eine Drossel 29 zur Haupteinspritzvorrichtung 17 führt.
Die Absperrvorrichtungen 24 und 27 können von irgendeiner Bauart sein und sind im Beispiel elektrisch gesteuerte, servo- betätigte Ventile. Jedes Ventil besitzt eine Scheibe 30, die durch eine biegsameMembran 31 getragen wird, welche die Einlasskammer 32 des Ventils von einer Kammer 33 trennt. Letztere ist durch eine Drosselöffnung 34 mit der Kammer 32 verbunden. Die Scheibe 30 wirkt mit einem Sitz 30a rund um den Auslass zusammen und ist durch die Feder 37 im Sinne des Schliessens des Auslasses belastet.
Der Ausfluss aus der Kammer 33 ist durch ein Ventil 38 gesteuert, das durch ein Solenoid betätigt werden kann. Wenn das Solenoid 39 nicht erregt ist, wird ein Ausfluss aus der Kammer 33 verhindert und die Scheibe 30 gegen ihren Sitz 30a gedrückt. Wenn dagegen das Solenoid erregt ist, und Fluidum aus der Kammer 33 und über die Leitung 35 zur Aus lassseite abfliesst, sinkt der Fluiddruck auf der federbelasteten Seite der Membran 31 und die Wirkung der Feder 37 wird durch den Druck in der Kammer 32 überwunden,
so dass die Scheibe 30 vom Sitz 30a abgehoben wird. Die Pumpe 21 wird durch eine Luftturbine 40 angetrieben, der durch eine Leitung 41 aus dem Kompressor 11 der Anlage komprimierte Luft zugeführt wird. Die Luftförderleitung 41 ist an den Auslass des Kompressors 11 an geschlossen und enthält ein Drosselventil 43, das von einer Steuervorrichtung 42 gesteuert wird, deren Wirkungsweise im folgenden näher beschrieben wird.
Die Brennstoffzufuhreinrichtung ist so ausgebildet, dass die der Hilfseinspritzvor- richtung 16 zugeführte Brennstoffmenge pro portional zum absoluten Förderdruck des Kompressors 11 der Gasturbinenanlage 10 ist. Das Drosselventil 43 in der Luftförderleitung 41 ist mit einem Kolben 44 der Vorrichtung 42 in Wirkungsverbindung, der durch eine Fe der 45 im Sinne des Offnens des Drosselven tils 43 belastet ist.
Eine Leitung 46 führt von der Förderseite der Hauptpumpe der nicht gezeichneten Brennstoffzufuhreinrichtung zLir Speisung der Hauptverbrennungseiririehtung 12, direkt zu einem Zylinder 44a, und zwar auf die eine Seite des in diesem Zylinder an geordneten Kolbens 44 und durch eine Dros selöffnung 47 zu dem auf der andern Kolben seite liegenden Zylinderraum. Die Vorrich tung 42 besitzt ferner ein Absperrventil 48, das die Strömung durch die Drosselöffnung 47 beherrscht,
wobei das Ventil 48 durch ein Solenoid 49 gesteuert wird. Wenn das Sole noid 49 nicht erregt ist, schliesst das Absperr ventil 48 die Drosselöffnung 47, so dass Druck fluidum aus der Leitung 46 nicht auf die federbelastete Seite des Kolbens 44 gelangen kann;
der Kolben 44 bewegt sich dann in der Zeichnung nach rechts im Sinne des Schlie- ssens des Drosselventils 43. Wenn das Sole noid 49 erregt ist, kann Druckfluidum auf die federbelastete Seite des Kolbens 44 durch die Drosselöffnung 47 hindurch gelangen, so dass der Kolben 44 im Sinne der Öffnung des Drosselventils 43 bewegt wird.
In Offenstellung des Absperrventils 48 wird der Druckabfall in der Drosselöffnung 47 und demzufolge der Fliüddruckunterschied am Kolben 44 durch eine Abflusssteuervor- richtung 50 gesteuert, welche den Abfluss von der federbelasteten Seite des Kolbens 44 durch die. Leitung 51 steuert. Das Ventilele ment 52 der Vorrichtung 50 ist am Ende eines Hebels 53 angebracht, der in einer Kammer 54 angeordnet ist, die eine biegsame Membran 55 als Teil ihrer Wandung aufweist.
Auf der andern Seite der Membran 55 befindet sich eine Kammer 56, welche an die Luftförder- leitung 41 mittels einer Zweigleitung 41a an geschlossen ist, so dass die Membran<I>55</I> dem Förderdruck des Kompressors 11 ausgesetzt ist. Die Kammer 54, welche den Hebel 53 enthält, weist ferner eine evakuierte Dose 57 auf, deren wirksame Fläche gleich der Fläche der Membran 55 ist. Die Dose 57 ist durch eine Stange 58, welche ihrerseits mit dem Hebel 53 verbinden ist, finit der biegsamen Membran 55 verbunden, so dass der Hebel 53.
mittels der Stange 58 durch eine Kraft belastet ist, welche dem absoluten Förder- druck des Kompressors 11 proportional ist. Der Hebel 53 wird an seinem Drehpunkt von einer perforierten biegsamen Membran 53a getragen, und die Kammer 54 ist durch eine Leitung 54a mit dem Brennstofftank oder der Saugseite der nicht gezeichneten Hauptbrenn- stoffpumpe der Anlage verbunden.
Die Speiseleitung 25 für die Hfseinspritz- vorrichtung 16 enthält ein Lineardurehström- ventil 60, das heisst ein Ventil, bei welchem der in ihm auftretende Druckabfall proportio nal ziun Fluidstrom durch das Ventil ist. Das Ventil 60 besitzt ein Gehäuse 61, in welchem ein Sitz 62 rund um eine Öffnung angeordnet ist, wobei der Durchlassquerschnitt. durch einen Ventilkopf 64 eines Ventilkörpers 65 gesteuert wird.
Der Ventilkörper 65 ist durch eine Feder 66 im Sinne der Verkleinerung des Durchlassquerschnittes belastet, -und die Spannung der Feder ist so gewählt und der Ventilkopf 64 so geformt, dass in jeder Lage des Ventilkörpers der Druckabfall dem durch die Öffnung tretenden Strom proportional ist.
Der im Ventil 60 auftretende Druckabfall wird auf eine biegsame Membran 59 übertra gen, welche einen Teil der Abflusssteuervor- richtung 50 bildet. Die Membran 59 trennt zwei Kammern 59a -und 59b voneinander. Die Kammer 59rz ist durch eine Leitung 67 mit der Leitung 23, und die Kammer 59b ist durch eine Leitung 68 mit dem Ventilgehäuse 61 stromabwärts der Durchlassöffnung in letz terem verbunden.
Die Membran 59 ist ihrer seits durch eine Stange 69 mit dem Hebel 53 verbunden, um letzteren im entgegengesetz ten Sinne zur Belastung durch die biegsame Membran 55 zu belasten.
Die Anordnung ist derart, dass bei einer Zunahme des Förder druckes des Kompressors 11 das Ventil 52 am Auslass der Leitung 51 sich zu schliessen sucht, was eine Herabsetzung des Druckunterschie- des am Kolben 44 bewirkt, welcher das Dros selventil 43 steuert.
Das_ letztere wird demzu- folge geöffnet, und zwar durch seine Feder 45, zwecks Vergrösserung der Luftzufuhr zur die Hochdruckpumpe 21 antreibenden Turbine 40, und demzufolge wird die Förderung dieser Pumpe so erhöht, dass der Brennstoffstrom zur Hilfseinspritzvorrichtung 16 zunimmt.
Eine Zunahme dieses Brennstoffstromes be wirkt einen grösseren Druckabfall im Linear durchströmventil 60, und dies bewirkt seiner seits, dass die zweite biegsame Membran 59 das Ventil 52 zu öffnen sucht. Dadurch wird die Luftförderung zur Turbine 40 und damit die Drehzahl der Hochdriuckpumpe 21 herab gesetzt.- Gleichgewicht am Hebel 53 tritt nur ein, wenn der Hebel annähernd seine ursprüng- liche Lage wieder einnimmt. Dies ist dadurch bedingt,
dass einerseits in der Gleichgewichts lage das durch die Feder 50a am Hebel 53 aus geübte Drehmoment gleich dem durch die Federwirkung der Dose 57 am Hebel wirken- den Drehmoment ist, und dass anderseits die Flächen der Membranen 55, 59 und die Ab stände der Anschlussstellen dieser Membra nen am Hebel 53 von der den Drehpunkt bil denden Membran 53a derart gewählt sind,
dass das vom Luftdruck pL am Kompressor unter der Membran 55 auf den Hebel aus geübte Drehmoment im Beharrungszustand gleich dem vom Druckabfall d p$ an der Membran 59 herrührenden Drehmoment ist. Im Beharrungszustand ist also der absolute Förderdruck des Kompressors proportional zum Druckabfall am Ventil 60 (pL =<I>k -</I> d p$).
Da infolge des Lineardurchströmventils 60 der Brennstoffstrom proportional zum Druck abfall ist, ist wegen der obigen Beziehung im Beharrungszustand der Brennstoffstrom auch proportional zum absoluten Förderdruck des Kompressors.
Auch der Luftstrom durch die Gasturbinenanlage ist unter den Verhältnis sen, bei- welchen die Nachverbrennung statt findet, -proportional dem absoluten Kompres- sorförderdruck, und demzufolge ist das Brenn- stoff-Luft-Verhältnis im Hilfsbrenner kon stant und ergibt eine stabile Hilfsflamme.
DieNachheiz-Brennstoffzufuhreinrichtung besitzt ferner eine Zweigleitung 70, welche von der Speiseleitung 28 der Haupteinspritz- vorrichtung 17 stromabwärts der Absperrvor richtung 27 für den Hauptbrennstoff ausgeht. Diese Zweigleitung 70 führt zur Hilfsspeise- leitung 25 auf der stromabwärtsliegenden Seite des Lineardurchströmventils 60. Diese Zweigleitung 70 enthält ein zweites Linear- durchströmventil 71.
Wenn die Absperrvor richtung 27 für den Hauptbrennstoff durch Erregen des Solenoids 39 geöffnet wird, ge langt ein zweiter Brennstoffstrom durch das zweite Lineardurchströmventil 71 zur Hilfs- einspritzvorrichtung.
Da die .beiden Membranen 55, 59 in der Abflusssteuervorrichtung die Strömung durch das Ventil 60 und demzufolge den Druck abfall in diesem Ventil weiterhin proportio nal zum absoluten Förderdruck des Kom- pressors halten, und da dieser Druckabfall der gleiche ist wie der im zweiten Linear- durchströmventil 71 auftretende Druckabfall, ist auch die Strömung durch das zweite Li- neardurchströmventil 71 proportional zum absoluten Förderdruck des Kompressors.
Demzufolge wird die Brennstoffzufuhr zur Hilfseinspritzvorrichtimg 16 weiterhin in einem festen Verhältnis zum absoluten Förderdruck des Kompressors stehen, ob schon dieses Verhältnis grösser ist als das bei ausser Betrieb gesetzter Haupteinspritzvor- richtung, das heisst, wenn. die Hauptbrenner absperrvorrichtung 27 geschlossen ist.
Die Brennstoffzufuhreinrichtung besitzt ferner einen druckbetätigbaren elektrischen Schalter 72, welcher durch eine biegsame Membran 73 betätigt werden kann, welche dem zwischen der Niederdruckpumpe 20 und der Hochdruckpumpe 21 herrschenden Druck ausgesetzt ist.
Dieser Schalter ist dazu be stimmt, in irgendeiner Weise die Erregung des Solenoids der Steuervorrichtung 42 für das Drosselventil 43 in der Luftförderleitung 41 zur Luftturbine 40 und der Solenoide 39 für die Absperrvorrichtungen 27, 29 in der Förderleitung der Hochdruckpumpe 21 zu steuern, so dass bei einem Aussetzen der Brennstoffzufuhr das Drosselventil 43 und die Absperrvorrichtungen geschlossen werden und die Brennstoffzufuhreinrichtimg ausser Betrieb gesetzt wird.
Die. Brennstoffzufuhreinrichtung besitzt ferner eine unveränderliche Strömungsdros sel 74 in der Hilfsbrennstoffspeiseleitung 25 stromabwärts des Lineardurchströmventils 60 und der Anschlussstellen der Leitungen<B>70,68.</B> Die Drossel 74 ist ausschliesslich dazu be stimmt, die Einstellung der Charakteristik des Hilfsbrenners 16, das heisst des Zusam menhanges zwischen Druck und Menge, zu erleichtern.
Anstatt nur die Hochdruckpumpe 21 mittels einer Luftturbine anzutreiben, können beide, die Hochdruck- und die Nie derdruckpumpe 20 bzw. 21 durch Luftturbi nen angetrieben werden. Bei einer solchen Anordnung enthält die Luftförderleitung vom Kompressor einen Abstellhahn, der zweck mässig elektrisch betätigbar ist.
Stromab wärts dieses Abstellhahns verzweigt sich in diesem Fall die. Förderleitung, wobei eine Zweigleitung zu der die Niederdruckpumpe antreibenden Turbine und die andere Zweig leitung zu der die Hochdruckpumpe antrei benden Turbine führt. Die zu der die Nieder druckpumpe treibenden Turbine führende Zweigleitung kann eine elektrisch gesteuerte Drossel aufweisen, und die zu der die Hoch druckpumpe antreibenden Turbine führende Zweigleitung kann eine Drossel enthalten,
die in der oben beschriebenen Weise gesteuert wird.