DE1952728B2

DE1952728B2 - Bypass-ventileinrichtung fuer die nutzleistungsturbine einer gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE1952728B2
Application number: DE19691952728
Authority: DE
Inventors: Jack Blanc Mesnil Seine Saint Denis Guillot (Frankreich)
Original assignee: Bennes Marrel, Saint Etienne, Loire (Frankreich)
Priority date: 1968-11-08
Filing date: 1969-10-20
Publication date: 1972-11-30
Also published as: DE1952728A1; ES373280A1; CA924911A; AT303460B; CH534300A; NL6916554A; US3601983A; GB1277075A; FR1592652A

Description

Die Erfindung betrifft eine Bypass-Ventileinrichtung für die vom Gaserzeugerteil mechanisch getrennte Nutzleistungsturbinc einer Gasturbinenanlage, bei der mindestens ein Bypass-Ventil bei kleiner Drehzahl und Leistung durch FcderdrucV geöffnet ist und bei zunehmende!· Drehzahl und Leistung allmählich geschlossen wird. Mit der hierdurch cr/ielbarcn Umgehung der Nutzleistungsturbine läßt sieh bekanntlich eine wesentlichere Leistungssteigerung über den Bestpunkt der Turbine hinaus erzielen.

nine bekannte solche Ventilcinrichtung verwendet zur Steuerung eines einzigen Bypass-Ventils einen mit der Verdichterwelle gekuppelten Fliehkraftregler, dessen Auslenkbewegung über ein Gestänge mechanisch auf das Bypass-Ventil übertragen wird. Dieses schließt demzufolge schon während des Hochlaufs des Verdichters und öffnet erst wieder, wenn dessen Drehzahl erheblich abgesunken ist, was sich nachteilig auf das Anlassen der Turbinenanlage und das Wiederhochlaufen des Verdichters bei BeIastungsänderungen auswirkt, wie sie insbesondere bei Fahzeugantrieben ständig vorkommen. Darüber hinaus führt der Fliehkraftregler mit dem übertragungsgestänge zu einem erheblichen konstruktiven Aufwand und gestattet die Anwendung mehrerer um die Achse der Turbine verteilter Bypass-Ventile zur Vermeidung störender Strömungskomponenten der Gase in Umfangsrichtung nur unter Verwendung einer Öl-Hydraulik, die wegen der Brandgefahr des Öls unerwünscht ist.

Daneben sind auch Bypass-Ventilemrichtungen für die vom Gaserzeugerteil mechanisch getrennten Nutzleistungsturbinen von Gasturbinenanlagen bekannt, bei denen das Öffnen und Schließen der Bypass-Ventile dui :h die Bedienungsperson der Anlage in Übereinstimmung mit den Leistungserfordernissen bestimmt wird. Es leuchtet ein, daß hierdurch eine optimale Steuerung der Ventile nicht möglich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, die vorstehend erwähnten Nachteile der bekannten Bypass-Ventileinrichtungen zu beseitigen und eine Bypass-Ventileinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die unter Vermeidung eines Fliehkraftreglers und des damit verbundenen konstruktiven Aufwands und der Brandgefahr einer Öl-Hydraulik eine selbsttätige Beeinflussung einer beliebigen Anzahl von Bypass-Ventilen in Abhängigkeit von der Drehzahl und Leistung der Nutzleistungsturbine gestattet. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß jeder Ventilkörper mit einem Stellglied starr verbunden ist, das durch eine Feder und den Druck hinter der Verdichterantriebsturbine in Öffnungsrichtung und durch den Verdichterausgangsdruck in Schließrichtung des Ventils beeinflußt wird.
Durch die erfindungsgemäße Beeinflussung der Öffnungs- und Schließbewegung jedes Ventilkörpers auf pneumatischem Weg durch den Druck hinter der Verdichterantriebsturbine einerseits und dem Verdichterausgangsdruck andererseits findet von selbst eine optimale Anpassung der Ventilstellung an die

5" jeweiligen Betriebserfordernisse statt, während gleichzeitig der konstruktive Aufwand gering bleibt. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltungsform der Erfindung ergibt sich dadurch, daß der Ventilkörper als Teller ausgebildet wird, der mitxls eines daran ansetzenden Ventilschafts mit einem das Ste'lglied bildenden Kolben fest verbunden i^ct, welcher einen ihn aufnehmenden Zylinder in zwei Arbeitskammern unterteilt, von denen die eine Arbeitskammer eine sich zwischen einem festen Zylinderboden und dem Kolben abstützende Druckfeder aufnimmt, während die andere Arbeitskammer über Durchbrechungen in der Zylinderwandung mit der Hochdruckscitc des Verdichters in Verbindung steht. Dabei ist der Durchmesser des kolbens zweckmäßig kleiner als der Durchmesser der Anlagcflächc des Vcntiltellers am zugehörigen Ventilsitz, was zur Folge hat. daß das Ventil b;i einer geringeren Drehzahl der Nutzlcistuimsturbinc als der Drehzahl, bei der es öffnet,

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;chließt. Dies erlaubt ein viel schnelleres Wieder- lieferte mechanische Nutzleistung abgenommen wird,

iochlaufen des Verdichters, was insbesondere bei Wie ersichtlich, besteht keine unmittelbare mechani-

:iner Gasturbinenanlage für Lastkraftwagen oder sehe Verbindung zwischen der Primärwelle 5 der

sonstige Fahrzeuge von Interesse ist. Gaserzeugungsstufe 1 und der Abtriebswelle 19 der

Nach einem anderen Merkmal der vorteilhaften 5 Nutzleistungsturbine.

Ausgestaltung der Erfindung sind Teller und Schaft Gemäß der Erfindung sind zwischen dem Ringjcdes Ventils mit einer sich über deren ganze Länge raum 13 und dem Auslaßraum 17 mehrere Bypasserstreckenden Axialbohrung versehen. Durch diese Ventile 20 angeordnet, deren Lage innerhalb des GeMaßnahme wird es möglich, die Verluste an Druck- samtaufbaus der Gasturbinenanlage aus den Fig I luft nutzbar zu machen, die auf die der Druckfeder io bis 3 hervorgeht, während sie im einzelnen in den entgegengesetzte Seite des Kolbens wirken, wobei F i g. 4 und 5 dargestellt sind. In F i g. 3 sind vier Bydiese Leckluft eine innere Abkühlung des Ventils pass-Ventile 20 vorgesehen, die in derselben Radialsicherstellt, bevor sie in den heißen Gasen aufgeht. ebene III-III (F i g. 2) liegen und gleichmäßig um die

Die erfindungsgemäße pneumatische Steuerung geometrische Achse 21 der Nutzleistungsstufe 2 verder Bypass-VenHleinrichtung gestattet nach einem 15 teilt sind. Jedes Bypass-Ventil 20 weist einen Ventilweiteren Ausgestaltungsmerkmal die Anordnung von teller 22 und einen Ventilschaft 23 auf. Der Ventilvier gleichen Ventilen im Winkelabstand von 90° um schaft 23 gleitet in einer festen Führungsbuchse 24, die Drehachse der Nutzleistungsturbine innerhalb hinter welcher eine Mutter 25 den Schaft fest mit einer gemeinsamen Radialebene. Da sich jedes Ventil einem Kolben 26 verbincü-i. Der Kolben 26 ist in selbst steuert, entfällt eine öl-hydraalische übertra- 20 einem festen Zylinder 27 verscniebbar, dessen Boden gung, und jede Brandgefahr wird vermieden. 28 von der Führungsbuchse 24 durchsetzt wird. Am

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in entgegengesetzten Ende ist der Zylinder 27 durch der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels -inen Deckel 29 verschlossen. Eine Schraubendrucknäher erläutert. Es zeigt feder 30 ist zwischen dem Deckel 29 und dem KoI-

F i g. 1 in schematischer Darstellung einen Axial- 25 ben 26 eingespannt und hat das Bestreben, den Kolschnitt durch eine Gasturbinenanlage für tinen Last- ben 26 gegen eine Anschlagfläche 31 an der Fühkraftwagen mit einer Bypass-Ventileinrichtung gemäß rungsbuchse 24 zu drücken (F i g. 4). Beim Einsetzen der Erfindung, wobei jedes Bypass-Ventil geöffnet ist, des Deckels 29 werden eine oder mehrere kalibriere

Fig. 2 einen Axialschnitt ähnlich Fig. 2 rrit ge- Beilagscheiben 32 zwischen Druckfeder und Deckel

schlossenen Bypass-Ventilen während des normalen 30 eingefügt, mit deren Hilfe die Vorspannung der

Betriebs der Nutzleistungsturbine, Druckfeder 30 beliebig eingestellt werden kann.

Fig. 3 einen Schnitt nach Linie III-III in F i g. 2 Der Kolben 26 teilt das Innere des Zylinders 27

zur Darstellur.5 der vier Bypass-Ventile rings um die in zwei getrennte Kammern 33 und 34. Die Kammer

Nutzleistungstürbine. ' 33 steht mit dem Ringraum 12 in ständiger Verbin-

F ig. 4 und 5 vergrößert Einzelheiten aus Fig. 1 35 dung, und zwar über eine Axialboh.ung 35, die sich

bzw. F i g. 2. du: J.i die gesamte Länge des Ventilteilers 22 und des

Die in der Zeichnung dargestellte Gaslurbinenan- Vcntilschafts 23 erstreckt. Darüber hinaus sind in

lage besteht im wesentlichen aus einer Gaserzeu- der Wandung des Zylinders 27 in unmittelbarer

gungsstufe 1 und einer Nutzleistungsstufe 2. Die Nähe des Bodens 28 Durchbrechungen 36 vorgese-

Gaserzeugungsstufe umfaßt ein Zentrifugalverdich- 40 hen, über welche die Kammer 34 in ständiger Ver-

terrad 3 und ein Hochdruckturbinenrad 4, die auf bindung mit der Ringkammer 6 sieht, in den die vom

derselben Primärwelle 5 angeordnet und drehfest Verdichterrad 3 verdichtete Verbrennungsluft ge-

miteinander verbunden sind. Das Verdichterrad 3 staut wird.

bläst die angesaugte Luft in eine Ringkammer 6, wie Der in der Ringkammer 6 herrschende Luftdruck durch den Pfeil 7 angedeutet, von wo aas die Luft in 45 besteht deshalb auch innerhalb der Kammer 34 und zwei Brennkammern 8 in Richtung des Pfeils 9 wirkt dort auf den Kolben 26 entgegengesetzt zur strömt. Die in den Brennkammern 8 erzeugten hei- Druckfeder 30. Wenn dieser Druck eine ausreißen Verbrennungsgase vereinigen sich in einem chende Höhe erreicht, um die Druckfeder 30 zusam-Rins/raum 10, von wo sie durch die festen Schaufeln menzudrücken, schließt das Ventil 22, 23, indem der eines ersten Leitrads 11 und hierauf durch die Lauf- -,ü Ventilteller 22 in Anlage gegen einen metallischen schaufeln aes Hochdruckturbinenrads4 hindurchtre- festen Ventilsitz 37 gelangt (Fig.5).
ten. Um den Gasstrom zu stabilisieren und die Zwischen dem Ventilsitz 37 und dem Boden 28 Wiederzündung der Brennkammern 8 sicherzustellen, ist rings um die Führungsbuchse 24 eine Ventilkamsind die Brennkammern 8 durch eine Bypass-Leitung mer 38 gebildet, die über eine verhältnismäßig große 12 miteinander verbunden. 55 öffnung 39 unmittelbar in den Auslaßraum 17 mün-

Nach ihrem Austritt aus dem Hochdruckturbinen- det. Eine metallische Rohrleitung 40 mit einen rad 4 gelangen die heißen Gase in einen Ringraum Delinverbinclungsstück 41 stellt die Verbindung zwi-13, den sie clinch einen Diffusor 14 verlassen, um an- sehen der öffnung 39 und dem Ai'slaßraum 17 heisch licßend zwischen den festen Schaufeln eines Die Wirkungsweise der vorbesehriebenen Anord Nicderdruckleitrads 15 hindurclizutretcn, bevor sie 60 innig ist folgende:

die Laufschaufeln eines Niederdruckturbinenrads 16 Solange die Gasturbinenanlage stillsteht, sind du

beaufschlagen. Auf der Ausgangsseite dieses Turbi- vier Bypass-Ventile 20 vollständig geöü'net (Fig. I

nenrads sammeln sich die Gase in einem Auslaßraum und 4). Der Ringraum 13 zwischen der Ausgangssciti

17 und gelangen von hier durch eine Auslaßüllnuug des 1-Iochdriickturbiiienrads4 und der Eingangssciti

18 ins Freie. 65 d^s Nioderdruekuirbinenrads 16 ist folglich über dii Das die NutzioisUmgsturbine der Gasturbinenan- gcölTnelen Bypass-Ventile 20 unmittelbar mit den

lage bildende Niederdruck-Turbinenrad 16 sitzt auf AuslalVaum 17 verbunden. Wenn nun die Gasturbi

finer Welle 19. von welcher die von der Turbine ge- nenanlage angelassen wird, indem die Gaserzeu

gungsstufe 1 angedreht wird, strömt nur ein Teil des in den Brennkammern 8 erzeugten Vcrbrcnnungsgases durch den Schaufelkranz des Niederdruckturbinenrads 16 (Strömungspfeile 42), während der andere Teil unmittelbar zum Auslaßraum 17 gelangt (Strömungspfeile 43). Als Folge hiervon ist für das Andrehen der Gaserzeugungsstufe I das das Hochdruckturbinenrad 4 durchströmende Verbrennungsgas wesentlich stärker entspannt, wodurch sich folgende Vorteile einstellen:

Verringerung der zum Anlassen nötigen Gastemperatur,

Möglichkeit der Verwendung eines schwächeren und damit weniger sperrigen Anlassers,
Verringerung der Anlaßzeit.

Wenn nach dem Anlassen die Nutzleistungsturbine (Turbinenrad 16) mit kleiner Drehzahl (Leerlaufdrehzahl) umläuft, bleiben die Bypass-Ventile 20 noch vollständig geöffnet (Fig. 1 und4). Hierdurch bleibt der Vorteil der viel größeren Gasentspannung am Hochdruckturbinenrad 4 und der viel niedrigeren Gastemperatur aufrechterhalten, was eine Verringerung des Brennstoffverbrauchs zur Folge hat.

Von einer gewissen Drehzahl ab beginnt die Schließbewegung der Bypass-Ventile 20. Der vom Verdichter in der Ringkammer 6 erzeugte Luftdruck steigt mit der von der Anlage über die Abtriebswelle 19 abgegebenen Leistung, wobei die Druckfedern 30 unter der Wirkung des Kolbens 26 eine Zusammendrückung erleiden. Jeder Kolben 26 setzt diese Zusammendrückbewegung im Sinn des Pfeils 44 (Fig. 5) unter der Wirkung des sich in der Kammer 34 aufbauenden Drucks bis zum vollständigen Schließen der Ventile 22, 23 am Ventilsitz 37 fort.

Die Vorspannung der Druckfeder 30 wird dabei so bemessen, daß das Ventil 22, 23 dann vollständig

ίο geschlossen ist, wenn die Lecrlaufdrehzahl der Nutzlastturbine etwa um 20% überschritten ist. Hiernach entweicht im gesamten weiteren Betriebsbereich der Anlage die zwischen dem Kolben 26 und dem Zylinder 27 (Pfeile 45 in F i g. 5) hindurchtretende unvermeidbare Leckluft durch die Axialbohrung 35 im Schaft 23, wodurch das Ventil innerlich abgckühli wird. Die Leckluft wird so auf die Vorderseite der Niederdruckstufe in den Ringraum 13 geleitet.

Sobald die Drehzahl der Nutzlastturbine wesentlieh abfällt, nimmt der vom Verdichter zur Ringkammer 6 gelieferte Luftdruck so stark ab, daß die Bypass-Ventile 20 aufs neue öffnen. Es ist bemerkenswert, daß die Ausbildung dieser Ventile und die Bemessung der Durchmesser des Ventiltellers 20 unc des Kolbens 26 im Verhältnis zueinander einen dif ferentiellen Druckausgleich gestatten. So schließt je des Ventil 22, 23 bei einer Drehzahl der Nutzlasttur bine, die niedriger liegt als diejenige, bei welcher siel das Ventil öffnet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

■ I ,,I Patentansprüche:

1. Bypass-Ventileinrichtung für die vom Gaserzeugerteil mechanisch getrennte Nutzleistungsturbine einer Gasturbinenanlage, uei der mindestens ein Bypass-Ventil bei kleiner Drehzahl und Leistung durch Federdruck geöffnet ist und bei zunehmender Drehzahl und Leistung alimählich geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ventilkörper (22, 23) mit einem Stellglied (Kolben 26) starr verbunden ist, das durch eine Feder (30) und den Druck hinter der Verdichterantriebsturbine (4) in Öffnungsrichtung und durch den Verdichterausgangsdruck in Schließrichtung des Ventils beeinflußt -wird.

2. Byρ v.s-Ventileinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper als Teller (22) ausgebildet ist, der mittels eines daran ansetzenden Ventilschafts (23) mit einem das Stellglied bildenden Kolben (26) fest verbunden ist, welcher einen ihn aufnehmenden Zylinder (27) in zwei Arbeitskammern (33, 34) unterteilt, von denen die eine Arbeitskammer (33) eine sich zwischen einem festen Zylinderboden (Dekkel 29) und dem Kolben (26) abstützende Druckfeder (30) aufnimmt, während die andere Arbeitskammer (34) über Durchbrechungen (36) in der Zylinderwandung mi* der Hochdruckseite (Ringkammer 6) des Verdichters in Verbindung steht.

3. Bypass-Ventileinrichtung na^.n Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Kolbens (26) kleiner als der Durchmesser der Anlagefläche des Ventiltellers (22) am zugehörigen Ventilsitz (37) :3t.

4. Bypass-Ventileinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Teller (22) und Schaft (23) jedes Ventils mit einer sich über deren ganze Länge erstreckenden Axialbohrung (35) versehen sind.

5. Bypass-Ventileinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Druckfeder (30) und dem festen Zylinderboden (Deckel 29) wenigstens eine kalibrierte Beilagscheibe (32) angeordnet ist.

6. Bypass-Ventileinrichtung nach einem dei Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus vier gleichen Ventilen (22, 23) besteht, die im Winkelabstand von 90° um die Drehachse der Nutzte'stungsturbine (16) in einer gemeinsamen Radialebene angeordnet sind.