DE69302585T2

DE69302585T2 - Brennstoffverteilerventil für eine gasturbine

Info

Publication number: DE69302585T2
Application number: DE69302585T
Authority: DE
Inventors: Brian Donnelly; Gerald Dyer; Charles Wiesner
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1992-12-04
Filing date: 1993-12-02
Publication date: 1996-09-12
Anticipated expiration: 2013-12-03
Also published as: JPH08504247A; EP0672220A1; EP0672220B1; JP3143924B2; DE69302585D1; US5339636A; WO1994013945A1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Zufuhr von fluidförmigem Brennstoff zu einem Brenner und, mehr insbesondere, auf ein Brennstoffaufteilungsventil zur Verwendung bei einem Turbinentriebwerk zum Aufteilen des Brennstoffes, der dem Brenner des Turbinentriebwerks zugeführt wird, in einen ersten Teil zur Zufuhr zu einer ersten Gruppe von Düsen und in wenigstens einen zweiten Teil zur Zufuhr zu einer zweiten Gruppe von Düsen.

Stand der Technik

Gasturbinentriebwerke, ob stationäre Stromerzeugungsturbinen oder Flugzeugtriebwerke, erzeugen unerwünschte Stickstoffoxide wegen der hohen Temperaturen, die mit der Verbrennung von Brennstoff in dem Brennerabschnitt derselben, der üblicherweise als Brenner bezeichnet wird, verbunden sind. Es ist natürlich erwünscht, die Emission von Stickstoffoxiden zu reduzieren. Es ist zwar möglich, Stickstoffoxide katalytisch wieder in Stickstoff und Sauerstoff zu zerlegen, es ist jedoch effektiver, Stickstoffoxidemissionen zu verringern, indem die Bildung von Stickstoffoxiden während der Verbrennung verringert wird.
Es ist außerdem bekannt, daß die Bildung von Stickstoffoxiden während der Verbrennung von Brennstoff in dem Brenner eines Gasturbinentriebwerks bei hoher Leistung verringert werden kann, indem der Brenner in zwei oder mehr als zwei Brennkammern aufgeteilt wird, die in Serie angeordnet sind, so daß die Verbrennungsprodukte, die in der stromaufwärtigen Kammer gebildet werden, durch die stromabwärtige Kammer hindurchgehen. Zum Beispiel beschreibt das US-Patent 4 045 956 einen Zweizonenbrenner, bei dem ein erster Teil des Brennstoffes in einer Pilotzone verbrannt wird, um einen Strom von heißen Gasen zu erzeugen, in den zusätzlicher Brennstoff eingespritzt wird, bevor zusätzliche Verbrennungsluft zugesetzt wird, um die Verbrennung in einer zweiten Zone des Brenners zu vollenden.
Es ist zwar effektiv, den Verbrennungsprozeß zu strecken, so daß die Spitzentemperaturen und infolgedessen die Stickstoffoxidbildung verringert werden, die Verwendung von mehreren Brennkammern macht jedoch den Betrieb komplizierter, insbesondere wenn Brennstoff jeder der Brennkammern unabhängig zugeführt werden soll. Um das zu erreichen, ist es bekannt, ein Brennstoffaufteilungsventil in dem Brennstoffversorgungssystem des Gasturbinentriebwerks vorzusehen, wobei das Brennstoffaufteilungsventil stromabwärts einer Brennstoffzumeßeinheit (fuel metering unit oder FMU) positioniert ist, welche den gesamten Brennstoffstrom dem Turbinentriebwerk aufgrund von verschiedenen Betriebsparametern wie z.B. dem Leistungswert und der Triebwerksdrehzahl zumißt. Das Brennstoffaufteilungsventil empfängt den gesamten zugemessenen Brennstoffstrom aus der FMU und dient dazu, den empfangenen Brennstoffstrom in mehrere Ausgangsströme aufzuteilen, einen für jede Brennkammer. Jeder Ausgangsstrom wird zu einem Brennstoffversorgungsverteiler geleitet, welcher einer besonderen Brennkammer zugeordnet ist, zur Verteilung auf die einzelnen Brennstoffdüsen, welche dieser Brennkammer und dem Brennstoffversorgungsverteiler zugeordnet sind.
Das US-Patent 4 949 538 beschreibt ein System zur Zufuhr von gasförmigem Brennstoff zu einem Brenner einer Stromerzeugungsgasturbine, bei der der gasförmige Brennstoff zwei getrennten Zonen des Brenners zugeführt wird. Das System enthält eine Brennstoffstromaufteilungsvorrichtung, die einen zugemessenen Gasstrom aus einer Hauptstromsteuereinrichtung empfängt und den empfangenen Gasstrom in zwei Ströme aufteilt, einen zur Zufuhr zu einer primären Zone des Brenners und den anderen zu einer sekundären Zone des Brenners des Turbinentriebwerks. Der Brennstoffstromaufteiler umfaßt eine koordinierte Aufteilungsventilvorrichtung, die ein Lineartrimmventil hat, welches den primären Gasstrom steuert, in Parallelschaltung mit einem Gleicher- Prozentsatz-Trimmventil, welches den sekundären Gasstrom steuert. Die Aufteilung der Brennstoffstromabgabe an die primäre und sekundäre Zone ist von dem relativen Strömungsquerschnitt in dem primären bzw. sekundären Ventil abhängig. In einer Ausführungsform erfolgt die Koordinierung des primären und sekundären Ventils durch eine starre mechanische Verbindung der Ventilstangen. Die Koordinierung kann auch durch geformte Nocken erfolgen, welche das primäre und sekundäre Ventil betätigen, oder durch einzelne hydraulische Stellantriebe, die dem primären und sekundären Ventil jeweils zugeordnet sind, und durch eine elektronische Steuerung, die bewirkt, daß den Steuerkennlinien der hydraulischen Stellantriebe jeweils die richtige Form gegeben wird. Wenn das primäre und sekundäre Ventil koordiniert sind, kann die Änderung in dem Brennstoffstrom zu der primären und sekundären Zone während eines schnellen Übergangs, wie er bei einem Flugzeugturbinentriebwerk notwendig sein kann, unerwünscht langsam sein.

Darstellung der Erfindung

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffstromaufteilungsventilvorrichtung zum Zumessen von Brennstoff zu jeder Brennkammer eines Mehrkammerbrenners eines Gasturbinentriebwerks, insbesondere eines Flugzeuggasturbinentriebwerks, zu schaffen.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffstromaufteilungsventilvorrichtung zu schaffen, die dafür ausgebildet ist, einen gesamten Brennstoffstrom, der dem Brenner zugeführt werden soll, zu empfangen und den empfangenen Brennstoffstrom zwischen einer ersten Brennkammer und wenigstens einer zusätzlichen Brennkammer genau aufzuteilen.
Die Brennstoffaufteilungsventilvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist dafür ausgebildet, einen Strom von Brennstoff zu empfangen, z.B. einen zugemessenen Brennstoffstrom aus einer Brennstoffzumeßeinheit aufgrund von Betriebsbedingungen eines Gasturbinentriebwerks, und ist in der Lage, den empfangenen Brennstoffstrom in einen ersten Teil zur Zufuhr zu einer ersten Brennkammer des Gasturbinentriebwerks und in wenigstens einen zweiten Teil zur Zufuhr zu einer zweiten Brennkammer aufzuteilen. Die Brennstoffaufteilungsventilvorrichtung umfaßt eine erste Ventileinrichtung zum Steuern des Brennstoffstroms zu der ersten Brennkammer und eine zweite Ventileinrichtung zum Steuern des Brennstoffstroms zu der zweiten Brennkammer. In der ersten Ventileinrichtung ist ein wahlweise positionierbarer Schieber angeordnet zum steuerbaren Zumessen des Brennstoffstroms durch die erste Ventileinrichtung zur Zufuhr zu der ersten Brennkammer und ein selbstpositionierender Druckregelschieber zum Einstellen der Größe des Druckabfalls an der ersten Ventileinrichtung. Die zweite Ventileinrichtung dient dazu, einen zweiten Teil des Brennstoffstroms zu der zweiten Kammer durchzulassen, während der Druckabfall an der ersten Ventileinrichtung relativ konstant auf einem gewünschten Druckabfall gehalten wird, und den Brennstoffstrom zu der zweiten Brennkammer immer dann abzusperren, wenn der Druckabfall an der ersten Ventileinrichtung unter den gewünschten Druckabfall absinkt.
In einer besonderen Ausführungsform hat die Brennstoffaufteilungsventilvorrichtung einen ersten Brennstoffkanal zum Empfangen eines zugemessenen Stroms von Brennstoff, einen zweiten Brennstoffkanal, der in den ersten Brennstoffkanal mündet, zur Zufuhr des Brennstoffstroms von diesem aus zu einer ersten Brennkammer und einen dritten Brennstoffkanal, der in den ersten Brennstoffkanal mündet, zur Zufuhr des Brennstoffstroms von diesem aus zu einer zweiten Brennkammer. Die erste Ventileinrichtung ist in dem zweiten Brennstoffstromkanal operativ angeordnet, um einen ersten Teil des zugemessenen Brennstoffstroms durch den zweiten Brennstoffkanal zur Zufuhr zu der ersten Brennkammer steuerbar zuzumessen, während der Druckabfall an der ersten Ventileinrichtung geregelt wird, und die zweite Ventileinrichtung ist in dem dritten Brennstoffkanal operativ angeordnet, um wahlweise zu öffnen und einen zweiten Teil des zugemessenen Brennstoffstroms durch den dritten Brennstoffkanal durchzulassen zur Zufuhr zu der zweiten Brennkammer immer dann, wenn der Druckabfall an der ersten Ventileinrichtung den Solldruckabfall erreicht, so daß der Solldruckabfall an der ersten Ventileinrichtung aufrechterhalten und der Brennstoffstrom zu der zweiten Brennkammer immer dann abgesperrrt wird, wenn der Druckabfall an der ersten Ventileinrichtung unter den Solldruckabfall absinkt. In dieser Ausführungsform umfaßt die erste Ventileinrichtung ein Stromzumeß- und -druckregelventil, wogegen die zweite Ventileinrichtung ein Drucksteuer- und Stromabsperrventil umfaßt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann eine dritte Ventileinrichtung in einem vierten Brennstoffkanal angeordnet sein, der in den dritten Brennstoffkanal an einem Ort der zweiten Ventileinrichtung mündet, um einen dritten Teil des zugemessenen Brennstoffstroms einer dritten Brennkammer zuzuführen. Die dritte Ventileinrichtung ist in der Lage, den dritten Teil des zugemessenen Brennstoffes in dem vierten Brennstoffkanal zu der dritten Brennkammer steuerbar zuzumessen und dessen Druck zu regeln. Daher sind in dieser Ausführungsform die erste und dritte Ventileinrichtung beide Stromzumeß- und Druckregelventile, wogegen die zweite Ventileinrichtung ein Brennstoffdrucksteuer- und -stromabsperrventil umfaßt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorgenannten und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Lichte der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung und der Ausführungsformen derselben, die in der beigefügten Zeichnung dargestellt sind, deutlicher werden, wobei:
Fig. 1 ein Schema eines Brennstoffzufuhrsystems ist, das eine Ausführungsform der Brennstoffaufteilungsventilvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung zur Zufuhr von Brennstoff zu jeder Kammer eines Mehrkammerturbinentriebwerksbrenners aufweist;
Fig. 2 ein Schema der Ausführungsform des Brennstoffaufteilungsventils nach der vorliegenden Erfindung ist, das dafür ausgebildet ist, Brennstoff jeder Kammer eines Zweikammerbrenners zuzuführen; und
Fig. 3 ein Schema einer Ausführungsform des Brennstoffaufteilungsventils nach der vorliegenden Erfindung ist, das dafür ausgebildet ist, Brennstoff jeder Kammer eines Dreikammerbrenners zuzuführen.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1, auf die nun Bezug genommen wird, ist ein Brennstoffzufuhrsystem 10 zur Zufuhr einer zugemessenen Menge fluidförmigen Brennstoffes zu einem Mehrkammerbrenner eines Gasturbinentriebwerks, z.B. eines Flugzeuggasturbinentriebwerks (nicht dargestellt), gezeigt. Mehrkammerbrenner können so betrieben werden, daß sie weniger Stickstoffoxide bei hoher Leistung und weniger Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid bei niedriger Leistung erzeugen, als es mit Einkammerbrennern erreichbar ist. Der in Fig. 1 dargestellte Brenner hat zwei Brennkammern 20a und 20b, von denen jede durch das Brennstoffzufuhrsystem 10 mit Brennstoff versorgt wird. Es ist jedoch klar, daß die Brennstoffaufteilungsventilvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung nicht auf die Anwendung bei irgendeiner besonderen Ausführungsform eines Mehrkammerbrenners beschränkt ist, sondern in Brennstoffzufuhrsystemen benutzt werden kann, die Mehrkammerbrenner irgendeiner Konfiguration speisen, ob axial oder umfangsmäßig oder radial relativ zu einander angeordnet und mit irgendeiner Zahl von Kammern.
Bei dem Brennstoffzufuhrsystem 10 leitet eine Brennstoffversorgungsleitung 12 einen Brennstoffstrom 1 aus einer Brennstoffquelle (nicht gezeigt) zu einer Brennstoffzumeßeinheit 14, die eine herkömmliche Brennstoffzumeßeinheit bekannten Typs umfassen kann, welche ein Stromsteuerventil hat, das in der Lage ist, die Stärke des Brennstoffstroms 3, der durch sie hindurchgeht, aufgrund von Triebwerksbetriebsbedingungen in eine Leitung 18 für zugemessenen Brennstoffstrom zur Zufuhr zu einer Brennstoffaufteilungsventilvorrichtung 30 zur Verteilung auf die Kammern 20a und 20b des Mehrkammerbrenners 20 zu steuern. Der Betrieb der Brennstoffzumeßeinheit (FMU) 14 kann wie bei der herkömmlichen Praxis durch einen elektronischen Triebwerksregler (electronic engine controller oder EEC) 16 gesteuert werden. Der besondere Typ des EEC, der benutzt wird, ist für die Erfindung nicht wesentlich, da jeder EEC, der üblicherweise bei modernen Flugzeugturbinentriebwerken installiert ist, ohne weiteres durch den Fachmann so angepaßt werden kann, daß er den Betrieb der FMU 14 auf eine herkömmliche Weise steuert, um die Menge des Brennstoffes, die durch die Brennstoffversorgungsleitung 12 strömt, aufgrund von Triebwerksbetriebsbedingungen zuzumessen, um den Triebwerksleistungsbedarf zu decken.
Die besondere Ausführungsform der Brennstoffaufteilungsventilvorrichtung 30, die in das Brennstoffzufuhrsystem 10 nach Fig. 1 eingebaut ist, hat einen ersten Brennstoffkanal 32 zum Empfangen eines zugemessenen Stroms 3 von Brennstoff aus der FMU 14 über die Versorgungsleitung 18 für zugemessenen Brennstoff, einen zweiten Brennstoffkanal 34, der mit dem ersten Brennstoffkanal 32 in Verbindung steht, um einen Brennstoffstrom von da aus in die erste Brennkammer 20a zu leiten, und einen dritten Brennstoffstromkanal 36, der mit dem ersten Brennstoffkanal 32 in Verbindung steht, um einen Brennstoffstrom von da aus in die zweite Brennkammer 20b zu leiten. Eine erste Ventileinrichtung 40 ist in dem zweiten Brennstoffkanal 34 operativ angeordnet, und eine zweite Ventileinrichtung 50 ist in dem dritten Brennstoffkanal 36 operativ angeordnet.
Die erste Ventileinrichtung 40 umfaßt eine Stromzumeßeinrichtung und eine Druckregeleinrichtung zum steuerbaren Zumessen und Regeln des Druckes eines ersten Brennstoffstroms 5 des zugemessenen Brennstoffstroms 3 durch den zweiten Brennstoffkanal 34 zu der ersten Brennkammer 20a. Die zweite Ventileinrichtung 50 umfaßt jedoch eine Drucksteuereinrichtung und eine Stromabsperreinrichtung zum wahlweisen Öffnen, um einen zweiten Brennstoffstrom 7 des zugemessenen Brennstoffstroms 3 durch den dritten Brennstoffkanal 36 zu der zweiten Brennkammer 20b immer dann durchzulassen, wenn die zweite Brennkammer 20b in Betrieb ist, um so den Brennstoffdruckabfall an der ersten Ventileinrichtung 40 relativ konstant auf einem gewünschten Solldruckabfall zu halten. Die zweite Ventileinrichtung 50 schließt, um den Strom von Brennstoff zu der zweiten Brennkammer immer dann wahlweise abzusperren, wenn der Druckabfall an der ersten Ventileinrichtung 40 kleiner als der Solldruckabfall ist.
Der Betrieb der ersten Ventileinrichtung 40 wird durch den EEC 16 gesteuert. Wenn die erste Brennkammer in Betrieb genommen werden soll, öffnet der EEC 16 am Anfang die zugeordnete Ventileinrichtung 40 vollständig, um den Brennstoffstrom durch die Leitung 34 zu gestatten. Das Zumessen des Brennstoffstroms durch die erste Ventileinrichtung 40 wird durch den EEC 16 gesteuert, der über die Ventilpositioniereinrichtung wirkt, welche der Stromzumeßeinrichtung derselben operativ zugeordnet ist, um die Stromzumeßeinrichtung des Ventils 40 wahlweise zu positionieren, damit ein gewünschter zugemessener Strom von Brennstoff durch die Leitung 34 hindurchgeleitet wird. Der EEC 16 überwacht außerdem kontinuierlich die Position der Stromzumeßeinrichtung der Ventileinrichtung 40, wobei er die erfaßte Position der Stromzumeßeinrichtung als ein Rückführungssteuersignal benutzt.
Der Strom von Brennstoff zu der zweiten Brennkammer 20b wird durch die Selbstpositionierung der zweiten Ventileinrichtung 50 aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem Druck des Brennstoffstroms in dem dritten Brennstoffkanal 36, der mit der ersten Brennstoffleitung stromaufwärts der ersten Ventileinrichtung 40 verbunden ist, und dem Druck des Brennstoffstroms in dem zweiten Brennstoffkanal 34 stromabwärts der ersten Ventileinrichtung 40 gesteuert, wobei die Druckdifferenz deshalb den Druckabfall an der ersten Ventileinrichtung 40 anzeigt. Immer dann, wenn der Druckabfall an der ersten Ventileinrichtung 40 unter einem vorgewählten gewünschten Solldruckabfall ist, wird die zweite Ventileinrichtung 50 automatisch schließen, wodurch der Strom durch den dritten Brennstoffkanal 36 zu der zweiten Brennkammer 20b abgesperrt wird und dadurch die zweite Brennkammer außer Betrieb geht. Wenn der Druckabfall an der ersten Ventileinrichtung 40 sich dem vorgewählten gewünschten Solldruckabfall an der ersten Ventileinrichtung 40 bei geschlossener zweiter Ventileinrichtung 50 nähert, wird die zweite Ventileinrichtung 50 automatisch beginnen, wahlweise zu öffnen, um den Brennstoffstrom durch den dritten Brennstoffkanal 36 zu der zweiten Brennkammer 20b zu gestatten. Der Grad der Öffnung der zweiten Ventileinrichtung 50 wird sich kontinuierlich selbst einstellen, um den Druckabfall an der ersten Ventileinrichtung 40 auf dem gewünschten Solldruckabfall zu halten.
Gemäß Fig. 2, auf die nun Bezug genommen wird, geht der abgegebene Brennstoffstrom 5, der durch die erste Ventileinrichtung 40 zugemessen worden ist, über den zweiten Brennstoffkanal 34 zu einer Brennstoffverteileinrichtung 25, die mehrere umfangsmäßig beabstandete Brennstoffdüsen 26 speist, um den Brennstoffstrom 5 in die erste Brennkammer 20a, eine sogenannte Pilotkammer, des Brenners 20 einzuspritzen. Der abgegebene Brennstoffstrom 7, der durch die zweite Ventileinrichtung 50 durchgelassen wird, geht über den dritten Brennstoffkanal 36 zu einer Brennstoffverteileinrichtung 27, die mehrere umfangsmäßig beabstandete Brennstoffdüsen 28 speist, um den Brennstoffstrom 7 in die zweite Brennkammer 20b, die sogenannte Hauptkammer, des Brenners 20 einzuspritzen. Die zweite Brennkammer 20b ist gemäß der Darstellung axial stromabwärts der Pilotkammer 20a in Serie angeordnet, so daß sie die heißen Verbrennungsprodukte empfängt, die in der Pilotkammer erzeugt werden, obgleich bei Bedarf die zweite Brennkammer umfangsmäßig oder radial in bezug auf die Pilotkammer angeordnet sein kann. Bezüglich weiterer Einzelheiten über eine besonders vorteilhafte Ausführungsform eines Gasturbinentriebwerksbrenners mit zwei Kammern sei auf die WO-A-93/25851 verwiesen.
Der erste Brennstoffkanal 32 der Ventilvorrichtung 30 hat einen Einlaß 33 zum Empfangen des zugemessenen Brennstoffstroms 3 aus der stromaufwärtigen Brennstoffzumeßeinheit, einen ersten Auslaß 35, der in den zweiten Brennstoffkanal 34 mündet, und einen zweiten Auslaß 37, der in den dritten Brennstoffkanal 36 mündet. Der zweite Brennstoffkanal hat einen Einlaß, der in den ersten Auslaß 35 des ersten Brennstoffkanals 32 mündet, um einen ersten Teil des zugemessenen Brennstoffstroms 3 zu empfangen, und einen Auslaß, der mit der Brennstoffverteileinrichtung 25 in Fluidströmungsverbindung steht. Der dritte Brennstoffkanal hat einen Einlaß, der in den zweiten Auslaß 37 des ersten Brennstoffkanals 32 mündet, um einen zweiten Teil des zugemessenen Brennstoffstroms 3 zu empfangen, und einen Auslaß, der mit der Brennstoffverteileinrichtung 27 in Fluidströmungsverbindung steht. Die Brennstoffverteileinrichtungen 25 und 27 können z.B. ein System von zugeordneten Strömungsteilerventilen und Brennstoffverteilern, die ihre zugeordneten Düsen speisen, umfassen.
Die erste Ventileinrichtung 40 hat ein Gehäuse, das eine Stromkammer bildet, die eine Stromzumeßeinrichtung 42 und eine Druckregeleinrichtung 44 enthält, und eine Einlaßnut 13 hat, die in Fluidverbindung zu dem stromaufwärtigen Teil des zweiten Brennstoffkanals 34 hin offen ist, und eine Auslaßnut 15, die in Fluidverbindung zu dem stromabwärtigen Teil des zweiten Brennstoffkanals 34 hin offen ist. Die Stromzumeßeinrichtung kann vorteilhafterweise einen axial verschiebbaren Schieber umfassen, in dem Einlaßöffnungen 43 und Auslaßöffnungen 45 angeordnet sind. Im Betrieb wird der Stromzumeßschieber 42 unter dem Kommando des EEC 16 durch die Wirkung der Ventilpositioniereinrichtung 70 wahlweise axial positioniert, die ein Drehmomentmotor- und Klappendämpferdüsensystem herkömmlicher Bauart aufweisen kann, wobei ein Drehmomentmotor 72 in Verbindung mit einem Paar entgegengesetzter Düsen 74 wirkt, die auf entgegengesetzten Seiten eines zentralen Dämpfers 76 angeordnet sind, welcher durch den Drehmomentmotor gesteuert wird. Aufgrund von Steuersignalen aus dem EEC 16 positioniert der Drehmomentmotor den Dämpfer zwischen den entgegengesetzten Düsen unterschiedlich, so daß die relativen Größen der Drucksignale verändert werden, die von den Düsen aus über Leitungen 73 bzw. 75 zu den entgegengesetzten Stirnflächen 41 und 49 des Zumeßschiebers 42 gelangen. Durch Verändern der relativen Größen der Drucksignale, die zu den entgegengesetzten Stirnflächen 41 und 49 gelangen, kann die axiale Position des Zumeßschiebers 42 so justiert werden, daß der effektive Strömungsquerschnitt der Einlaßöffnungen 43, der mit den Nuten 13 in dem Gehäuse in Deckung und somit zu dem stromaufwärtigen Teil des zweiten Brennstoffkanals 34 hin offen ist, wahlweise vergrößert oder verringert wird, um dadurch die Stärke des Stroms durch die erste Ventileinrichtung 40 zu dem stromabwärtigen Teil des zweiten Brennstoffkanals 34 zu steuern.
Die Druckregeleinrichtung der ersten Ventileinrichtung 40 kann vorteilhafterweise einen Regelschieber 44 aufweisen, der in der ersten Ventileinrichtung 40 axial verschiebbar ist, um so den effektiven Strömungsquerschnitt der Auslaßöffnungen 45 der ersten Ventileinrichtung 40, der mit den Auslaßnuten 15 in Deckung ist, wahlweise zu vergrößern oder zu verringern, wodurch der Druckabfall an der ersten Ventileinrichtung 40 auf einen gewünschten Druckabfall geregelt wird. Ein Ende des Regelschiebers 44 wird mit dem Druck des Brennstoffstroms beaufschlagt, der durch die Kammer der ersten Ventileinrichtung 40 hindurchgeht, während das andere Ende des Regelschiebers 44 mit dem Druck des Brennstoffstroms in dem ersten Kanal 32 stromaufwärts des Auslasses 35 zu dem zweiten Kanal 34 und dem Auslaß 37 zu dem dritten Kanal 36 beaufschlagt wird, wobei der stromaufwärtige Druck zu dem Regelschieber durch die Leitung 77 gelangt. Ein Waschfilter 71 kann in dem ersten Brennstoffkanal 32 angeordnet sein, um Fremdmaterial aus dem Brennstoff herauszufiltern, der zu dem Regelschieber 44 gelangt. Wenn sich die Druckdifferenz an dem Regelschieber 44 verändert, verschiebt sich der Regelschieber 44, der ebenfalls durch eine Federeinrichtung 48 gegen den stromaufwärtigen Druck vorgespannt ist, aufgrund dessen axial, wodurch der Strömungsquerschnitt der Auslaßöffnungen 45 eingestellt wird, um so den Druckabfall an den Einlaßöffnungen 43 relativ konstant auf dem gewünschten Druckabfall zu halten. Wenn der Druckabfall an den Einlaßöffnungen 43 durch den selbstpositionierenden Regelschieber 44 relativ konstant auf dem Solldruckabfall gehalten wird, wird die Größe des Gewichtsstroms von Brennstoff durch die erste Ventileinrichtung 40 einfach eine Funktion des effektiven Strömungsquerschnittes der Einlaßöffnungen 43 sein, und die axiale Position des Zumeßschiebers 42 wird für die Stärke des Brennstoffstroms repräsentativ sein, der über die erste Ventileinrichtung 44 in den stromabwärtigen Kanal der zweiten Leitung 34 gelangt, um der Pilotkammer 20a des Brenners 20 zugeführt zu werden.
Die axiale Position des Zumeßschiebers 42 wird demgemäß durch eine Positionierungserfassungseinrichtung 60 überwacht, bei der es sich z.B. um einen linear variablen Differenzwandler (linear variable differential transducer oder LVDT) handeln kann, welcher auf eine herkömmliche Weise die Position eines axial verschiebbaren Kernteils 62 erfaßt, das sich axial von dem Zumeßschieber 42 aus in den LVDT erstreckt, der ein Signal erzeugt, das die axiale Position des Zumeßschiebers 42 anzeigt, und das Signal zu dem EEC 16 sendet. Dieses Positionssignal wird durch den EEC 16 als ein Rückführungssteuersignal bei dem Steuern der Ventilpositioniereinrichtung 70 zum Positionieren des Zumeßschiebers 42 benutzt.
Das zweite Ventil 50 umfaßt ein Drucksteuer- und Stromabsperrventil, das, wenn die zweite Brennkammer in Betrieb ist, wahlweise öffnet, um einen Brennstoffstrom durch den stromabwärtigen Teil des dritten Brennstoffkanals 36 durchzulassen, während der Druckabfall an der ersten Ventileinrichtung 40 auf dem gewünschten Solldruckabfall gehalten wird, und das schließt, um so den Brennstoffstrom durch den dritten Brennstoffkanal immer dann abzusperren, wenn der Druckabfall an der ersten Ventileinrichtung 40 kleiner als der Solldruckabfall ist. Es ist erwünscht, den Druckabfall an der ersten Ventileinrichtung 40 relativ konstant auf dem Solldruckabfall immer dann zu halten, wenn ein Teil des zugemessenen Brennstoffstroms 3 zu der zweiten Kammer des Brenners geleitet wird, um so zu gewährleisten, daß der Druckabfall des Brennstoffstroms, der durch die erste Ventileinrichtung 40 hindurchgeht, für das richtige Funktionieren der Stromzumeß- und Druckregeleinrichtung derselben hoch genug ist, um dadurch zu gewährleisten, daß der Brennstoffstrom 5, der zu der ersten Brennkammer geleitet wird, durch den EEC genau gesteuert werden kann, indem einfach die erste Ventileinrichtung 40 positioniert wird.
Die zweite Ventileinrichtung 50 kann vorteilhafterweise ein Federvorspannungskolbenventil umfassen, das ein Gehäuse hat, welches eine Stromkammer enthält, die einen Einlaß 51 hat, der mit dem stromaufwärtigen Teil des dritten Brennstoffkanals 36 in Verbindung steht, und einen Auslaß 53, der mit dem stromabwärtigen Teil des dritten Brennstoffkanals 36 in Verbindung steht. Der Kolben 54 ist in der Stromkammer angeordnet und ist in axialer Richtung von einer ersten Position weg, in welcher er den Einlaß 51 verschließt, entgegen der Federeinrichtung 56 verschiebbar, um einem Brennstoffstrom zu gestatten, durch sie hindurch in den stromabwärtigen Teil des dritten Brennstoffkanals 36 zu gelangen, um dem Brennstoffverteilsystem und dem diesen zugeordneten Brennstoffdüsen zur Einspritzung in die zweite Brennkammer des Turbinentriebwerks zugeführt zu werden. Die stromaufwärtige Stirnfläche 57 des Kolbens 54 wird mit dem Brennstoffdruck in dem stromaufwärtigen Teil des dritten Kanals 36 beaufschlagt, wobei dieser Druck den Druck des Brennstoffstroms anzeigt, der in die erste Ventileinrichtung 40 eintritt, während die stromabwärtige Stirnfläche 59 des Kolbens 54 nicht nur mit dem Brennstoffdruck in dem stromabwärtigen Teil des zweiten Brennstoffkanals 34 beaufschlagt wird, d.h. mit dem Druck des Brennstoffstroms 5, der von der ersten Ventileinrichtung 40 abgegeben und der ersten Brennkammer zugeführt wird, sondern auch mit der Vorspannungskraft der Feder 56. Der Druck des Brennstoffstroms 5 gelangt zu der stromabwärtigen Stirnfläche 59 des Kolbens 54 über eine Leitung 79. Die Druckdifferenz zwischen dem Brennstoffdruck, der auf die stromaufwärtige Stirnfläche 57 des Kolbens 54 einwirkt, und dem, der auf die stromabwärtige Stirnfläche 59 des Kolbens 54 einwirkt, zeigt den tatsächlichen Druckabfall an, der in dem Brennstoffstrom 5 auftritt, welcher durch die erste Ventileinrichtung 40 hindurchgeht.
Immer dann, wenn im Betrieb der Brennstoffdruck in dem dritten Brennstoffkanal 36 stromaufwärts der zweiten Ventileinrichtung 50 hoch genug ist, um eine Kraft auf die stromaufwärtige Stirnfläche 57 des Kolbens 54 auszuüben, die ausreicht, um die Summe der Vorspannungsfederkraft und der Kraft des Brennstoffdruckes in dem stromabwärtigen Teil des zweiten Brennstoffkanals 34, der auf die stromabwärtige Stirnfläche 59 des Kolbens 54 ausgeübt wird, zu überwinden, wird der Kolben 54 von dem Einlaß 51 weg verschoben, um einen Brennstoffstrom in die Stromkammer einzulassen und um den Strömungsquerschnitt des Auslasses 53 wahlweise zu vergrößern, wodurch eine begrenzte Stärke des Brennstoffstroms in dem stromabwärtigen Teil des dritten Brennstoffkanals 36 zu der zweiten Brennkammer gestattet wird. Die Federeinrichtung 56 wird so gewählt, daß sie diese Vorspannungskraft liefert, die auf der stromabwärtigen Stirnfläche 59 notwendig ist, um zu gewährleisten, daß der Kolben 54 seinen Sitz nicht verläßt, bis der Druckabfall an der ersten Ventileinrichtung 40 den gewünschten Solldruckabfall erreicht. Da die Druckdifferenz zwischen dem Brennstoffdruck, der auf die stromaufwärtige Stirnfläche 57 des Kolbens 54 einwirkt, und dem, der auf die stromabwärtige Stirnfläche 59 des Kolbens 54 einwirkt, den Brennstoffstromdruckabfall an der ersten Ventileinrichtung 40 anzeigt, wird der Strömungsquerschnitt des Auslasses 53 automatisch eingestellt, um einen Brennstoffstromdruckabfall an der ersten Ventileinrichtung 40 relativ konstant auf dem Solldruckabfall zu halten. Daher wirkt die zweite Ventileinrichtung 50 als ein Bypassventil, wenn der Brenner in Betrieb ist, um denjenigen Teil des zugemessenen Brennstoffstroms, der der Ventilvorrichtung 30 zugeführt wird und die Menge übersteigt, die in der Pilotbrennkammer 20a verlangt wird, in die zweite Brennkammer 20b umzuleiten.
Wenn das Zumeßventil 42 durch den EEC 16 in seine vollständig offene Position eingestellt wird, ist der Druckabfall an diesem unterhalb des gewünschten Solldruckabfalls, und deshalb wird die Druckdifferenz zwischen dem Brennstoffdruck in dem dritten Brennstoffkanal 36 stromaufwärts der zweiten Ventileinrichtung 50, der auf die stromaufwärtige Stirnfläche 57 des Kolbens 54 einwirkt, und dem Brennstoffdruck in dem stromabwärtigen Teil des zweiten Brennstoffkanals 34, der auf die stromabwärtige Stirnfläche 59 des Kolbens 54 einwirkt, nicht ausreichend sein, um die Vorspannungskraft zu überwinden, die durch die Feder 56 auf den Kolben 54 ausgeübt wird. Deshalb wird die Feder 56 eine ausreichende Kraft auf den Kolben 54 ausüben, um ihn in Richtung Schließen vorzuspannen Wenn die zweite Ventileinrichtung 50 geschlossen ist, wird der gesamte zugemessene Brennstoff, der durch die Ventilvorrichtung 30 empfangen wird, über die weit offene erste Ventileinrichtung 40 in die Pilotbrennkammer gelangen. Wenn die zweite Brennkammer außer Betrieb ist, wird daher der EEC 16 das Zumeßventil 42 positionieren, um die erste Ventileinrichtung 40 vollständig zu öffnen, wodurch die zweite Ventileinrichtung 50 veranlaßt wird zu schließen, und den Strom von Brennstoff zu der ersten Brennkammer steuern, indem er einfach die stromaufwärtige FMU steuert, um den gewünschten Brennstoffstrom zu der Ventilvorrichtung 30 zuzumessen.
In Fig. 3, auf die nun Bezug genommen wird, ist eine Ausführungsform der Ventilvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung dargestellt, die dafür ausgebildet ist, Brennstoff einem Brenner zuzuleiten, der mehr als zwei Brennkammern hat, in diesem Fall drei Brennkammern. In dieser Ausführungsform hat die Brennstoffaufteilungsventilvorrichtung 30 einen vierten Brennstoffkanal 38, der einen Einlaß 39 hat, welcher zu dem dritten Brennstoffkanal 36 hin an einer Stelle stromaufwärts der zweiten Ventileinrichtung 50 offen ist, und einen Auslaß in Fluidverbindung über ein Brennstoffverteilsystem mit mehreren Brennstoffdüsen zum Einspritzen des Brennstoffes in die dritte Brennkammer 20c. In dem vierten Brennstoffkanal 38 ist eine dritte Ventileinrichtung 60 angeordnet, die ebenso wie die erste Ventileinrichtung 40 eine Stromzumeßeinrichtung zum steuerbaren Zumessen eines zusätzlichen Teils 9 des zugemessenen Brennstoffstroms 3 zu der dritten Brennkammer aufweist, und eine Druckregeleinrichtung zum Regeln des Druckabfalls über die Stromzumeßeinrichtung auf einen relativ konstanten Wert. Die dritte Ventileinrichtung 60 wird durch den EEC 16 auf eine Art und Weise gesteuert, die der oben mit Bezug auf die erste Ventileinrichtung 40 beschriebenen Art und Weise gleicht. Der EEC 16 positioniert wahlweise die Stromzumeßeinrichtung 62 der dritten Ventileinrichtung 60, um ein gewünschtes Ausmaß des Brennstoffstroms durch den stromabwärtigen Teil des vierten Brennstoffkanals 38 zur Zufuhr zu der dritten Brennkammer durchzulassen. Die Druckregeleinrichtung 64 der dritten Ventileinrichtung 60 wird aufgrund der Druckdifferenz wahlweise positioniert, d.h. der Druckdifferenz zwischen dem Brennstoffdruck in dem dritten Brennstoffkanal 36 stromaufwärts des Einlasses in den vierten Brennstoffkanal 38, der über eine Leitung 81 zu der Druckregeleinrichtung 64 gelangt, und dem Brennstoffdruck des Brennstoffstroms, der durch die Stromzumeßventileinrichtung 62 hindurchgeht, um so einen konstanten Druckabfall in der Stromzumeßventileinrichtung 62 aufrechtzuhalten.
In der Ausführungsform, die in Fig. 3 dargestellt ist, wirkt die zweite Ventileinrichtung 50 wieder als ein Bypassventil, wenn der Brenner in Betrieb ist, um denjenigen Teil des zugemessenen Brennstoffstroms, welcher der Ventilvorrichtung 30 zugeführt wird und über derjenigen Menge liegt, die in der ersten Brennkammer oder der dritten Brennkammer verlangt wird, zu der zweiten Brennkammer umzuleiten, während der EEC 16 die erste und dritte Ventileinrichtung 40 und 60 steuert, um den Brennstoffstrom der ersten und dritten Brennkammer präzise zuzumessen. Es ist klar, daß die Brennstoffaufteilungsventilvorrichtung 30 nach der vorliegenden Erfindung dafür ausgebildet ist, Brennstoff zusätzlichen Brennern zuzuführen, indem ein zusätzlicher Brennstoffkanal für jede zusätzliche Brennkammer hinzugefügt wird sowie eine zusätzliche Stromzumeß- und Druckregelventileinrichtung, d.h. eine Ventileinrichtung, die ähnlich dem Ventil der ersten und dritten Ventileinrichtung 40 und 60 funktioniert, in jedem zusätzlichen Brennstoffkanal, wobei jede zusätzliche Ventileinrichtung durch den EEC 16 gesteuert wird, um den Brennstoff seiner zugeordneten Brennkammer präzise zuzumessen.

Claims

1. Brennstoffaufteilungsventilvorrichtung (30), die für einen Brenner (20) eines Gasturbinentriebwerks geeignet ist, wobei der Brenner eine erste Brennkammer (20a) und wenigstens eine zweite Brennkammer (20b) hat, wobei die Brennstoffaufteilungsventilvorrichtung (30) eine erste Ventileinrichtung (40) umfaßt, die eine wahlweise positionierbare Stromzumeßeinrichtung (42) hat, die in ihr angeordnet ist, zum steuerbaren Zumessen eines ersten Teils (5) des Brennstoffstroms (3) durch die erste Ventileinrichtung (40) zur Zufuhr zu der ersten Brennkammer (20a), wobei der erste Teil (5) des Brennstoffstroms (3) bei dem Hindurchströmen durch die erste Ventileinrichtung (40) einen Druckabfall erfährt; und eine zweite Ventileinrichtung (50) zum Leiten eines zweiten Teils (7) des Brennstoffstroms (3) zur Zufuhr zu der zweiten Brennkammer (20b) und zum Absperren des Brennstoffstroms (7) zu der zweiten Brennkammer (20b), dadurch gekennzeichnet, daß eine selbstpositionierende Druckregeleinrichtung (44) in der ersten Ventileinrichtung (40) angeordnet ist, um die Größe des Druckabfalls an der ersten Ventileinrichtung (40) einzustellen, wobei die zweite Ventileinrichtung (50) bewirkt, daß der zweite Teil (7) des Brennstoffstroms (3) immer dann zu der zweiten Brennkammer (20b) geleitet wird, wenn der Druckabfall an der ersten Ventileinrichtung (40) einen vorgewählten gewünschten Solldruckabfall erreicht, und daß der Brennstoffstrom (7) zu der zweiten Brennkammer (20b) immer dann abgesperrt wird, wenn der Druckabfall an der ersten Ventileinrichtung (40) kleiner als der Solldruckabfall ist.

2. Brennstoffaufteilungsventilvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:

einen ersten Brennstoffkanal (32), der einen Einlaß (33) zum Empfangen des Brennstoffstroms (3), einen ersten Auslaß (35) und einen zweiten Auslaß (37) hat,

einen zweiten Brennstoffkanal (34), der einen mit dem ersten Auslaß (35) des ersten Brennstoffkanals (32) in Verbindung stehenden Einlaß zum Empfangen des ersten Teils (5) des Brennstoffstroms (3) und eine Auslaßöffnung in Fluidverbindung mit der ersten Brennkammer (20a) hat,

einen dritten Brennstoffkanal (36), der einen mit dem zweiten Auslaß (37) des ersten Brennstoffkanals (32) in Verbindung stehenden Einlaß zum Empfangen des zweiten Teils (7) des Brennstoffstroms (3) und einen Auslaß in Fluidverbindung mit der zweiten Brennkammer (20b) hat,

wobei die erste Ventileinrichtung (40) in dem zweiten Brennstoffkanal (34) angeordnet ist und einen Einlaß (13) hat, der mit einem stromaufwärtigen Teil des zweiten Brennstoffkanals (34) in Verbindung steht, und einen Auslaß (15), der mit einem stromabwärtigen Teil des zweiten Brennstoffkanals (34) in Verbindung steht, und

wobei die zweite Ventileinrichtung (50) in dem dritten Brennstoffkanal (36) angeordnet ist und einen Einlaß (51) hat, der mit einem stromaufwärtigen Teil des dritten Brennstoffkanals (36) in Verbindung steht, und einen Auslaß (53), der mit einem stromabwärtigen Teil des dritten Brennstoffkanals (36) in Verbindung steht.

3. Brennstoffaufteilungsventilvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzumeßeinrichtung (42) der ersten Ventileinrichtung (40) eine wahlweise positionierbare erste Schiebereinrichtung (42) aufweist, daß die Druckregeleinrichtung (44) eine selbstpositionierende zweite Schiebereinrichtung (44) zum Steuern des Querschnittes des Auslasses (15) der ersten Ventileinrichtung (40) aufweist und daß in der zweiten Ventileinrichtung (50) eine wahlweise positionierbare Kolbeneinrichtung (54) angeordnet ist.

4. Brennstoffaufteilungsventilvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch einen vierten Brennstoffkanal (38), der einen Einlaß (39) hat, welcher mit dem dritten Brennstoffkanal (36) an einer Stelle stromaufwärts der zweiten Ventileinrichtung (50) in Verbindung steht, und einen Auslaß in Fluidverbindung mit einer dritten Brennkammer, und durch eine dritte Ventileinrichtung (60), die in dem vierten Brennstoffkanal (38) angeordnet ist, wobei die dritte Ventileinrichtung (60) eine Stromzumeßeinrichtung (62) zum steuerbaren Zumessen eines zusätzlichen Teils (9) des Brennstoffstroms (3) zu der dritten Brennkammer und eine Druckregeleinrichtung (64) zum Regeln des Druckabfalls in der Stromzumeßeinrichtung (62) auf einen relativ konstanten Wert aufweist.