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Anlage zur
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Patent- und Gebrauchsmusterhilfsanmeldung Kraftstoffeinspritzanlage,
insbesondere für Gasturbinen Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzanlage,
insbesondere für Gasturbinen, mit einer mit der Turbinendrehzahl entsprechender
Drehzahl angetriebenen kontinuierlich und drehzahlabhängig fördernden Kraftstoffpumpe
und mit einem Regelventil, dessen willkürlich betätigbares bewegliches Ventilglied
und von den in den Ausgängen herrschenden Drücken beeinflußtes zwei Ventilausgänge
gegensinnig
steuert, von denen ein erster Ausgang über eine Druckleitung
zur Einspritzdüse und ein zweiter Ausgang über eine RUcklaufleitung zu einem Raum
niederen Drucks (Saugleitung) führt und ferner mit einem Drucksteuerventil in der
Rücklaufleitung, dessen bewegliches Ventilglied in Schließrichtung von dem in der
Druckleitung herrschenden Druck und in bffnungsrichtung von dem in der Rücklaufleitung
zwischen zweitem Ausgang und Drucksteuerventil herrschenden Druck beaufschlagt ist.
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Derartigm Brennstoffregeleinrichtungen von Turbinen ist gemein, daß
bei Ausfall der Automatik, die beispielsweise mit elektronischen Mitteln arbeitet,
ein Nothandbetrieb, insbesondere bei Überlandfahrzeugen möglich sein muß. Hierbei
sollte das Kraftstoff-Luft-Verhältnis nicht zu fett werden, da sonst infolge des
Brennstoffüberschusses gefährliche Übertemperaturen in Brennkammer und Turbine entstehen
können. Andererseits sollte das Kraftstoff-Luft Gemisch auch nicht zu mager sein,
da bei zu großem LuRtUbersehuß die Verbrennungsflamme zum Erlöschen kommt. Im Gegensatz
zu Kolbenbrennkraftmasehinen nimmt bei einer Gasturbine der Kraftstoffverbrauch
mit zunehmender Drehzahl progressiv zu, was entsprechend auch bei der Handregelung
berücksichtigt sein muß.
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Bei bekannten Brennstoffregeleinrichtungen der oben beschriebenen
Art wird der Druck auf beiden Ausgängen durch daß Drucksteuerventil abgeglichen.
Hierdurch entsteht bei Notbetrieb durch die lineare Charakteristik der sekundlichen
Einspritzmenge zur Drehzahl bei Drehzahlerhöhungen Luftüberschuß, d.h.
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die Flamme kann erlöschen und bei Drehzahlabfall Brennstoff-Überschuß,
d.h. Brennkammer und Turbine können Uberhitzt werden, bzw. zerstört werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffregeleinrichtung
zu entwickeln, mit der diese Nachteile vermieden werden, d.h. bei der bei Betätigung
des Gaspedals durch den Fahrer im Notbetrieb die Brennstoffmenge etwa mit dem Quadrat
der Drehzahl ansteigt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Druckleitung
in Strömungsrichtung vor der Verbindung zum Drucksteuerventil eine definierte Drossel
angeordnet ist, und daß das Steuerventil als Gleichdruckventil mit in beiden Steuerrichtungen
weitgehend gleich großen Wirkflächen ausgebildet ist. Da sich der Druck in den Ausgängen
des Regelventils auf die Stellung des beweglichen Ventilteils auswirken, wird aufgrund
der Drossel in der Druckleitung und des als Gleichdruckventil arbeitenden Drucksteuerventils
erreicht, daß die zugemessene Kraftstoffmenge im Verhältnis zur Drehzahl der Gasturbine
progressiv steigt. Gemäß einer vorteilhaften Aus Ausgestaltung und der Erfindung
ist das Regelventil als Prallplattenregler ausgebildet, bei dem an dem als Prallplatte
zwischen den beiden Ausgängen angeordneten beweglichen Ventilglied eine federelastische
Vorrichtung angreift, deren Wirkrichtung in Abhängigkeit von Kenngrößen der Gas
turbine änderbar ist, so daß mit Verstellung des Fahrhebels (Gaspedals) der Gasturbine
in Richtung Drehzahlzunahme (Lastzunahme) eine Vergrößerung des ersten und eine
entsprechende Verkleinerung des zweiten Ausgangs angestrebt wird. Hierdurch wird
die Progressivität der Kraftstoffzunahme bei zunehmender Drehzahl verstärkt.
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Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung istin der Zeichnung
vereinfacht dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig.
1 das Ausführungsbeispiel und Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Funktion der
Kraftstoffeinspritzanlage.
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Über eine Kraftstofförderpumpe 1 wird einem Regelventil 2 Kraftstoff
zugeführt, das mit Hilfe eines Drucksteuerventils 3 sowie eines elektronischen Reglers
4 und in Abhängigkeit - von der Stellung des Gaspedals 5 mindestens einer Düse 6
der Gasturbine Kraftstoff zumißt.
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Die als kontinuierlich fördernde Pumpe, beispielsweise Kreiselpumpe
oder Zahnradpumpe ausgebildete Förderpumpe 1 wird mit einer Drehzahl angetrieben,
die der Arbeitsdrehzahl der Gasturbine proportional ist, so daß die Fördermenge
dieser Förderpumpe mit der Drehzahl weitgehend linear zunimmt. Der aus einem Kraftstoffbehälter
7 über eine Leitung 8 von der Pumpe 1 angesaugte Kraftstoff wird über eine Leitung
9 in das Gehäuse 10 des Regelventils 2 gefördert.
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Im Regelventil 2 ist ein bewegliches Ventilteil 12 auf einer Achse
13 schwenkbar gelagert und steuert mit seinem als Prallplatte ausgebildeten Abschnitt
14 die Ausgänge 15 und 16 des Regelventiles. Diese Steuerung erfolgt gegensinnig,
d.h. wenn der Durchgang zum Ausgang 15 verkleinert wird, nimmt der Durchgang zum
Ausgang 16 zu und umgekehrt. Das bewegliche Ventilteil 12 ist. vom Prallplattenabschnitt
14 her gesehen über die Achse 13 hin verlängert und bildet dort einen Anker 17 eines
Elektromagneten 18, der durch das elektronische Steuergerät 4 angesteuert wird.
Außerdem greifen an diesem Abschnitt zwei Federn 19 und 20 an, die gegensinnig wirken.
Die Feder 19 stützt sich hierbei am Gehäuse 10 ab, hingegen die Feder 20 an einem
Kolben 21, der wiederum durch das Gaspedal 5 verschiebbar ist.
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Am Ausgang 15 des Regelventils beginnt eine Druckleitung 23, die zur
Düse 6 führt und in der eine Drosselstelle 24 angeordnet ist. Von dem Ausgang 16
führt eine Rücklaufleitung 25, deren Durchgang durch das Drucksteuerventil 3 gesteuert
wird, zurück zum Behälter 7. Im Drucksteuerventil 3 ist an einer Membran 27 ein
bewegliches Ventilteil 28 angeordnet, das mit einem Sitz 29 der Ausgang des Ventiles
ist, zusammenarbeitet. Während die dem Sitz 29 zugewandte Seite der Membran 27 von
dem in der Rücklaufleitung 25 herrschende Druck beaufschlagt ist, ist die entgegengesetzte
Seite über einen Kanal 30 durch den in der Druckleitung 24 herrschenden Druck beaufschlagt
und zwar dem Druck, der sich stromab der Drossel 24 in der Leitung 23 einstellt.
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Anhand des in Fig. 2 dargestellten Diagramms wird trle Funktion der
erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzanlage erläutert. über der Abszisse des Diagramms
ist die Drehzahl der Turbine n und über der Ordinate der entsprechende Kraftstoffverbrauch
Q aufgetragen. Die senkrechte Linie nl soll der Leerlaufdrehzahl entsprechen, die
senkrechte Linie n2 der Höchstdrehzahl. Die Kurve I ist die Kennlinie für idealen
Kraftstoffverbrauch pro Drehzahl bei derartigen Turbinen. Aufgrund der Drossel 24,
die einen der gesamten Anlage bzw. dem Verbraucher angepaßten definierten Querschnitt
aufweist, wird am-Ausgang 15 des Regelventils 14,15,16 ein mit der Drehzahl, - d.h.
mit der abströmenden Menge - zunehmender Rückstau bewirkt, der auf die Prallplatte
14 wirkt, damit den Ausgang 16 verkleinert und insgesamt eine quadratische Funktion
der Zumessung bewirkt, die der Kennlinie I angenähert ist. Diese Tendenz wird durch
das Drucksteuerventil unterstützt da mit zunehmender Abströmmenge durch die Düse
6 bzw. die-Druekleltung 23 der Druck in der Leitung 30 und damit auf der dieser
Leitung 30 zugewandten Seite der Membran 27 zunimmt. Der Druck auf der dem Ventil
sitz 29 zugewandten Seite der Membran 27 nimmt im gleichen Maße zu, da das bewegliche
Ventilglied 28 immer dann vom Ventilsitz 29 abhebt, wenn eine Differenz der Drücke
in den Leitungen 23 und 25 entsteht. Da jedoch der Druck in dem Leitungsabschnitt
zwischen Drossel 24 und Düse 6 lediglich von der durchströmenden Menge und der geringen
Drosselwirkung der Düse 6 bestimmt wird, ist der Rückstau und damit die Wirkung
auf die Prallplatte 14 am Ventilausgang 16 gering.
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Um auf die gewünschte Kennlinie I zu kommen, wirkt der elektronische
Regler 4 über den Magneten 17,18 auf das Regelventil. Die Kennlinie II entspricht
einem Regelventil, wie es.in der Praxis bekannt ist, nämlich ohne Drossel 24 in
der Druckleitung 23. Wenn nun der elektronische Regler 4 ausfällt, sollte, wie eingangs
beschrieben, die Gasturbine gemäß einer Kennlinie mit Kraftstoff versorgt werden,
die ähnlich der Idealkennlinie I ist, in keinem Fall jedoch den Verlauf der Linie
II hat. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung
mit einer Drossel
24 in der Druckleitung kann die Kraftstoffversorgung einen Kennlinienverlauf haben,
der durch den Bereich zwischen der Kennlinie III und der Kennlinie IV bestimmt ist.
Während die Kennlinie IV in etwa für den Leerlauf der Turbine ausreichend ist, müßte
bei Belastung die Kraftstoffzumessung etwa gemäß der Kennlinie III verlaufen. Dieser
Unterschied wird erreicht durch den Kolben 21, der auf die Feder 20 und damit mittelbar
auf die Feder 19 wirkt und selber beim Betätigen des Gaspedals 5 verschoben wird.
Wird beispielsweise bei zunehmender Last das Gaspedal für zunehmende Kraftstoffmenge
betätigt und dadurch der Kolben 21 in das Gehäuse 10 hereingeschoben wird, so wird
dadurch die Feder 20 stärker vorgespannt und je nach Charakteristik der Gegenfeder
19 wird dadurch die Prallplatte 14 in Richtung Ausgang 16 verschoben, so daß eine
stärker progressive Charakteristik gemäß Kennlinie III erreicht wird. Eine Zumessung
gemäß Kennlinie III reicht jedenfalls nicht aus, daß die Turbine durchgeht bzw.
überhitzt wird und eine Zumessung gemäß Kennlinie IV bewirkt kein zu mageres Gemisch
mit der Gefahr des Ausblasens der Flamme.
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Statt dem dargestellten Federsystem 19,20.und der Lagerung 13 kann
als Aufhängung für die Prallplatte 14 auch eine Blattfeder dienen, an der der Anker
des Elektromagneten 17,18 befestigt ist und an der Mittel zur Änderung der Lage
vom Gaspedal her angreifen. Maßgebend ist vielmehr, daß die Prallplatte 14 unter
dem an dem Ausgang 15 herrschenden Rückstaudruck nachgeben kann und hierbei die
Rückstellkraft in Abhängigkeit von der Stellung des Gaspedals änderbar ist.