Steuereinrichtung an Mehrstufen-Axialströmungskompressor. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung an einem inehr:stufigen Axialstr ömungskompressor und bezweckt, einen hohen Wirkungsgrad des Kompressors über einen grossen Drehzahlbereieh sicherzustellen.
Es ist üblich, soleh? Kompressoren für eine Nenndrehzahl zu bi,.nen, die normalerweise nahe der maximaler. Betriebszahl des Kom- pressors liegt. Die charakteristischen Schau- felg-rössen des Kompressors, wie ihr Anstell- winkel, ihr Profil Und ihre Steigung, werden deshalb so gewählt, dass bei der Nenndreh zahl der optimale @'4Tirkungsgrad erzielt wird.
Bei kleineren Drehzahlen als der Nenndreh zahl, wenn der Dlaiekanstieg pro Stufe kleiner ist als der \Tenndruckanstieg, wird vom Ein lass zum. Auslass des Kompressors eine be- sehleunigte Strömung auftreten,
da das Nenn- Diehteverhältnis des Kompressors nicht er reicht wird. Diese Beschleunigung der Strö- mung wirkt sich in einer Herabsetzung der Axialgesehwindigkeit am Kompressoreinlass und einer Vergrösserung derselben am Kom- pressorauslass aus.
Es hat sieh gezeigt, dass eine Verkleinerung der Axialgesehwindigkeit der Strömung am Kompressoreinlass bewirkt, dass die Rotor- schaufeln der ersten Kompressorstufen und oft auch die Statorschaufeln dieser ersten Stufen unter einem bedeutend grösseren An stellwinkel arbeiten als beim Betrieb im AuS- legLingspnnkt des Kompressors.
Wenn die Kompressordrehzahl -genügend klein gemacht wird, kann dieser grosse Anstellwinkel Pum pen verursachen, wodurch der Kompressor- wirlningsgracl stark herabgesetzt wird. Es wurde schon vorgeschlagen, aus einer der letz ten Stufen des Kompressors Luft abzuzapfen, wodurch die Axialgeschwindigkeit der durch die vorangehenden Stufen strömenden Luft vergrössert wird.
Die Steuereinrichtung an einem Mehr- stufen-Axialströmungskompressor nach der Erfindung besitzt eine Anzapfientilvorrich- tung zur Steuerung eines Durchlasses für einer Kompressorstufe entnommene Luft, und zur Steuerung der Öffnungsquerschnittsfläche der Anzapfventilvorrichtung bestimmte Druck ansprechmittel, deren Druckansprechelement im einen Wirkungssinn durch einen Fluidum druck belastet ist,
der eine Funktion der Kom- pressordrehzahl ist, und im andern Wirkungs sinn durch eine Kraft, die eine Funktion der Öffnungsquerschnittsfläche der Anzapf- ventilvorrichtung ist, wobei die Druck ansprechmittel die Anzapfventilvorrichtung derart steuern, dass jeder Drehzahl innerhalb eines Drehzahlbereiches eine bestimmte öff- nungsquerschnittsfläche der Anzapfventilvor- riehtung zugeordnet ist,
damit bei jeder Dreh zahl innerhalb des Bereiches ein guter Kom- pressorwirkungsgrad gewährleistet wird.
Unter Drehzahl soll sowohl die wirkliche Drehzahl des Kompressors als auch die korri gierte Drehzahl verstanden sein. Letztere ist bekanntlich gleich dem Produkt aus wirklicher Drehzahl und einer Konstanten, dividiert durch die Quadratulirzel der absoluten Tem peratur am Koinpressoreinlass.
Die Anzapfventilvorriehtung kann einen um eine Öffnung im Statorgehäuse des Koni- pr essors angeordneten Sitz aufweisen, welche Öffnung in eine Kammer mündet, die mit dem Arbeitsfluidumkanal des Kompressors in Ver bindung steht, sowie einen Ventilkörper, der relativ zum Sitz beweglich ist, zwecks Öffnens und Schliessens der genannten Öffnung im Kompressorstatorgehäuse.
Ein besonders wichtiges Anwendungs gebiet ist ein Mehrstufen-Axialströmttngskom- pressor, der zur Förderung von Druel-Iluft zur Verbrennungseinriehtungg einer Gasturbinen- a.nlage dient. Bei vielen solchen Anlagen sind Kompressor und Turbine derart miteinander verbunden, dass sie.mit gleicher Drehzahl oder mit zueinander proportionalen Drehzahlen rotieren, wobei das Brennstoffzufuhrsystem der Anlage eine Sehrägscheibenpumpe mit bei konstanter Drehzahl variabler Förderung auf weisen, die von der Anlage angetrieben wird.
Der Pumpenrotor ist in diesem Fall so ange ordnet, dass er als Zentrifuga.lpumpe wirkt, welche Druckfluidum zu einer Brennstoffzu- fuhr-Steuervorrichtung fördert, welche als Regier zum Begrenzen der maximalen Brenn stoffzufuhr und somit der maximalen Drehzahl der Anlage dient.
Die durch die Zentrifugalwirkung des Ro tors der Pumpe, deren Förderring mittels einer Schrägscheibe veränderbar ist, erzeugte Druck flüssigkeit kann zum Belasten der Druek- ansprechvorriehtung mit einer Belastung die nen, die eine Funktion der Kompressordreh- zahl ist.
Bei einer solchen Ausführung können beide beidseits des Servomotorkolbens liegen den Zylinderräume mit dem Auslass der ge nannten Pumpe verbunden sein, wobei der durch die grössere Kolbenfläche begrenzte Zy linderraum über eine Drosselstelle mit der Förderseite der Pumpe verbunden sein kann.
In der beiliegenden Zeichnung sind Aus führungsbeispiele der erfindungsgemässen Steuereinrichtung beispielsweise dargestellt. Fig. 1 zeigt eine Gasturbinenanlage mit einem Kompressor, der mit einer erfindungs gemässen Steuereinrichtung- versehen ist.
Fig. '' ist ein Schnitt durch die Brennstoff pumpe der Anlage gemäss Fig. 1.
Fig. 3 zeigt sehematiseh die Steuermittel und die -#nzapfventilvorriehtung des Kom- pressors gemäss Fig. 1, und Fi-. 4 zeigt schematisch die Steuermittel und die Anzapfventilvorriehtung eines zweiten Ausführungsbeispiels.
Die gezeichnete Gasturbinenanlage besitzt einen llehi;stufen- A.zialströniungskompi-essoi- 10, der Druckluft in eine Verbrennungsein- richtung 11 der Anlage fördert, und eine Tur bine 12, welcher die Verbrennungsprodukte aus der Verbrennun-@seinriehtung 11 zugeführt werden und die zum Antrieb des Kompressors dient.
Zur Zuführung von Brennstoff zur Ver- brennungseinriehtun- 11 ist ein Brennstoff zuführsystem bekannter Bauart vorgesehen, das eine durch die Anlage antreibbare Brenn stoffpumpe 13 mit durch eine Schrägscheibe veränderbarer Förderung aufweist. Die Pumpe 13 besitzt einen Rotor 14 mit einer Anzahl Zylinder 15, in welchen Kolben 16 angeordnet sind. Beim Rotieren des Pumpenrotors 11 werden die Kolben 16 in den Zvlindern 15 hin und her bewegt, wodurch Brennstoff aus der Saugleitung 17 in die Auslasskaminer 13 gefördert wird.
Der Pumpenrotor 14 besitzt eine zentrale Bohrung 19, -elche von der SauT:seite der Pumpe zu einer Anzahl radialer Bohrungen 20 führt, durch welche die genannte zentrale Boh rung 19 mit einer Ringkammer 21 für Gehäuse des Pumpenrotors in Verbindung steht. Der Pumpenrotor wirkt somit als Zentrifugal pumpe und fördert Brennstoff in die Kanuner 21, wobei der Druck in der Kammer 21 eine Funktion der Drehzahl der Anlage und somit des Kompressors ist.
Der Mehrstufeir-Axiall@onipressor besitzt eine -#,nzztpfventilvorriehtung, 30 finit mehreren Ventilen, mittels welcher ans einigen der mitt leren Stufen Arbeitsfluidum entweichen kann.
Es ist zu bemerken, dass der llassendurchfluss des Kompressors und somit die Axiaigeschwin- digkeit der Strömung in jenen Stufen, welche -or den angeiapften Stufen liegen, bei offenen Ventilen grösser ist, als bei geschlossenen Ven tilen. Die Vent.ilvorriehtung könnte auch nur ein Ventil zum Ablassen von Arbeitsfluidum aus einer Stufe aufweisen.
Im Statorgehäuse 35 des Kompressors sind mehrere, z. B. drei, in Umfangsrichtung sieh erstreckende Kammern 31 vorgesehen, welche annähernd koaxial zur Gehäuseaxe angeordnet und durch Öffnungen 33 mit dem Arbeits kanal 3? des Kompressors verbunden sind.
Die .Aussenwände 34 der Kammern 31 sind zweck- niässig als Teile von Zylindern ausgebildet, deren. Axe mit der Axe des Gehäuses 35 zu- sammenfällt. In jeder Aussenwand 34 ist fer ner eine in Umfangsrichtung angeordnete Öff nung 36 vorgesehen. Die Kammern und Öff nungen erstrecken sich zweckmässig nur über einen kleinen Teil des Gehäuseumfanges.
Mit. der Innenfläche der Aussenwand 34 jeder Kammer 31 wirkt ein Steuerschieber 37 zusammen, dessen Verschiebung in axialer Richtung ein Verändern des Querschnittes der entsprechenden Öffnung 36 bewirkt, und zwar kann er ein vollständiges Öffnen und Schlie ssen dieser Öffnungen bewirken. In den Ra dialwänden 39, welche die Kammern 31 an ihren axialen Stirnseiten begrenzen, ist eine Betätigungswelle 38 gelagert, welche mit jedem Steuerschieber 37 verbunden ist und einen über das eine Ende der Kammern vorstehen den Teil 40 aufweist.
Damit der Kompressor über einen grossen Drehzahlbereich mit gutem Wirkungsgrad arbeiten kann, sollte die Steuerung der An zapfventile derart sein, dass der Querschnitt ihrer Öffnung bei jeder Drehzahl einen be stimmten Wert aufweist. Um dies zu errei- (-hen, ist die Anordnung im vorliegenden Fall derart, dass bei einer Zunahme der Drehzahl die Anzapfventile zunehmend geschlossen wer den. Zu diesem Zweck sind die folgenden Steuermittel vorgesehen: Die Betätigungswelle 38 der Anzapfventile ist durch ein Gestänge 41 mit einem hydrau lischen Servomotor 42 verbunden.
Der Servo- znotor 42 besitzt einen in einem Zylinder 43 verschiebbaren Kolben 44 sowie einen Steuer mechanismus mittels welchem die Stellung des Kolbens 44 im Zylinder 43 in Abhängigkeit von der Maschinendrehzahl gesteuert wird. Da die Lage des Kolbens 44 im Zylinder 43 die Grösse der Öffnungen der Ventile bestimmt, wird die Grösse dieser Öffnung demzufolge in Abhängigkeit von der Maschinendrehzahl festgelegt.
Im Zylinder 43 sind zwei Führungen 45 vorgesehen, in welchen die Kolbenstange 46 geführt ist. Der Kolben 44 ist zwischen den Enden der Kolbenstange 46 und zwischen den Führungen 45 so angeordnet, dass die letz teren dem Kolben als Anschläge dienen. Die Kolbenstange 46 ist hohl, und ihr Inneres steht durch nicht gezeichnete Öffnungen mit dem rechts des Kolbens 44 liegenden Zylinderraum in Verbindung. Somit ist die wirksame Kol benfläche auf der rechten Kolbenseite grösser als die wirksame Kolbenfläche auf der linken Kolbenseite.
Der Zylinder 43 ist mit einer Druckfluidumzufuhrleitimg 50 versehen, wel che beim vorliegenden Beispiel mit der För- derseite der Pumpe 13 verbunden ist. Auf jeder Seite des Kolbens 44 des Servomotors mündet in den betreffenden Zylinderraum eine mit der Leitung 50 in Verbindung ste hende Bohrung 51 bzw. 52. Die Bohrung 52 führt zu dem durch die grössere Kolbenfläche begrenzten Zylinderraum und besitzt eine Verengung 53, deren Zweck nachfolgend näher beschrieben ist. Auf der die grössere Kolbenfläche aufweisenden Seite des Servo motors ist ein Steuermechanismus für den Kol ben vorgesehen.
Dieser Servomechanismus be sitzt eine Kammer, die durch eine flexible Membran 58 in zwei Abteile 56, 57 unterteilt ist. Das Abteil 57, das dem Zylinder 43 näher liegt, ist durch eine Leitung 59 mit der Saug seite der Pumpe 13 verbunden, und das an dere Abteil 56 ist durch eine Leitung 60 mit der Kammer 21 der Brennstoffpumpe ver bunden, in welche durch die Zentrifugalwir- kung des Pumpenrotors Druckfluidum ge fördert wird. Die Membran 58 ist somit in der einen Richtung (gegen den Servozylinder hin) durch einen Druck belastet, der eine Funktion der l,Taschinendrelizahl ist.
Die Membran 58 ist ferner durch eine Druckfeder 62 belastet, welche in der hohlen Kolbenstange des Servomotors angeordnet ist. Zu diesem Zweck ist. die Endwand des Serv o zy linders mit. einem axial vorspringenden Hals 63 versehen, welcher eine Bohrung aufweist, in welcher eine Stossstange 64 geführt. ist. Das eine Ende der Stossstange stützt sich auf der Membran 58 ab, während das andere Ende der Stossstange einen Anschlag 65 für die Fe der 62 trägt. Der andere Anschlag der Feder 62 ist an der Kolbenstange 46 selbst vorge sehen.
Die Stossstange 64 gleitet in der Boh rung des Halses 63, wobei geeignete Dichtun gen vorgesehen sind, um Leckverluste an Druckfluidum aus dem Servozylinderraum in das Kammerabteil 57 zu vermeiden. Wie leicht ersichtlich, steigt die Federbelastung der Mem bran an, wenn der Kolben 44 nach rechts in der Zeichnung bewegt wird; sie hängt also von der Stellung des Kolbens 44 im Innern des Servomotorzylinders 43 ab. Ferner ist ersicht lich, dass die Federbelastung der Flüssigkeits- drtickbelastung an der Membran 58 entgegen wirkt.
Die Membran 51 _ ist ferner durch eine zweite Feder 66 belastet, welche im gleichen Sinne wirkt die Feder 62. Die zweite Feder 66 ist einerends an der Tllembran 58 und an- derends an einer Schulter im Innern des die Stossstange 64 enthaltenden Halses 63 ab gestützt.
Die unter der Wirkung des Flutiddruckes und der Federbelastungen erfolgenden Bewe gungen der Membran 58 werden durch eine zweite Stossstange 67, welche verschiebbar in einer Bohrung 68 angeordnet ist, welche in der Wand der Membrankammer vorgesehen ist, auf einen Halbkugel-Ventilkörper 69 über tragen. Der Ventilkörper 69 wirkt mit einem Sitz zur Bildung eines Auslassventils zusam men, das zur Steuerung der Strömung von Druckfluidum aus dem Kanal 70 dient, wel cher mit der Bohrung 52 verbunden ist. Die letztere führt in den rechts des Kolbens lie genden Zylinderraum.
Die zweite Stossstange 67 ist. so ausgebildet, dass sie zwischen der Membrankanimer 56 und einer Kammer 71 als Flüssigkeitsdiehtung wirkt. Die das Auslass- ventil enthaltende Kammer 71 ist mit der Saugseite der Brennstoffpumpe verbunden. Der Ilalbkugelventilträger und die zweite Stossstange sind durch \leichten Federdruck gegen die Membran gedrückt.
Die Wirkungsweise des hydraulischen Servomotors ist die folgende: Wenn die Maschine ausser Betrieb ist, ist das Halbkugelventil 69 geschlossen, und der Kolbenkopf 47 befindet sieh am linken Ende des Servomotorzylinders 43, wo er durch die Feder 62 gehalten wird. Wird nun die Ma- sehine angelassen, steigt der Druck auf beiden Seiten des Kolbenkopfes 47.
Da jedoch von der rechten Zylinderseite kein Fluidum durch das Ventil 69 entweichen kann, bleiben sieh die Drücke auf beiden Kolbenseiten gleich, so dass der Kolben nicht beweot wird. Gleich zeitig nimmt auch der auf die Membran 58 im Sinne einer Linksversehiebung dieser Mem- bran wirkende Fluiddruck zufolge der Zu nahme der Maschinendrehzahl zu.
Wenn der auf die Membran 58 wirkende Fluiddruck gross genug ist, um die Wirkung der Feder 66 überwinden zu können, was ein öffnen des Halbkugelventils 69 zur Folge hat, wird aus der rechts liegenden Zylinderkammer des Servomotors Druckfluidum abgezapft, wo bei der Druck in diesem Zylinderraum zufolge der Verengung, 53 sinkt. Wenn der Druck in diesem Zylinderraum sinkt, bewegt sich der Kolben im Zylinder des Servomotors nach rechts, und nvar so lange, als die Drehzahl der Maschine zunimmt, bis der Kolben sein rechte Hubendla-e erreicht.
Es ist. zu bemerken, dass durch die zweite Feder 66 die untere Grenze des Drehzahl bereiches bestimmt wird, bei welcher der Servo motor 42 im Sinne des öffnens der Anzapf- v entile 30 wirksam wird.
Angenommen, die Drehzahl der 'Maschine besitzt einen konstanten Wert innerhalb des Drelizahlbereiclies, in welchem der Servomotor wirksam. ist, tun die Anzapfventile zu öffnen, und es soll nun die Maschinendrehzahl erhöht werden. Bei zunehmender Drehzahl nimmt die Drackbelastung, welche auf die Membran 58 wirkt, zu, wodurch das Halbkugelventil 69 im Sinne des Öffnens bewegt wird, wodureh Flüssigkeit vom rechten Zylinderraum ab fliessen kann.
Somit fällt der Druck auf die ser Zylinderseite, zufolge der Verengung 53 in der entsprechenden Zuführleitun g. Der Kolben 44 bewegt sieh in der Folge im Zy linder 43 nach rechts, wodurch die Belastung der Membran dureh die Feder 62 zunimmt, bis diese Belastung gleieli der auf die Mem branwirkenden Druckflüssigkeitsbelastung ist.
Die zunehmende Federbelastung bewirkt aber ein Bewegen des Halbkugelventils 69 im Sinne des Sehliessens, wodurch der Abfluss von Flüs sigkeit aus dem Servomotorzylinder gedrosselt wird. NV enn der Kolben 44 im Zylinder eine dei- neuen Drehzahl entspreehende Stellung ein;,enoininen hat, dann ist. das Ventil 69 so weit -esehlossen, dass die auf den Kolben wir kenden Belastungen einander das Gleich- "ewielit halten und der Kolben stillsteht.
Der Kolben nimmt dann jene Stellung ein, in wel cher die Federbelastung auf die Membran 58 dein Flüssigkeitsdruck, der eine Folge der Zentrifugralwirkung des Pumpenrotors ist, das < < leiehgewieht hält.
Aus dem Vorangehenden ist ersichtlich, dass jeder momentanen Maschinendrehzahl und somit jeder Kompressordrehzahl eine be stimmte Stellung des Kolbens 44 im Zylin der 43 des Servomotors entspricht, so dass der Querschnitt der Öffnungen der Anzapfventile, die durch den hydraulischen Servomotor gesteuert werden, so bestimmt werden kann, dass er einen für die jeweilige Maschinen- < Irelizahl zur Erreichung eines geiten Wir- kttngsgzades geeigneten Wert besitzt.
Fer ner erfolgt. bei stetigen Drehzahländerungen das Öffnen und Schliessen des Anzapfventils ebenfalls stetig. Soll der Querschnitt der Anzapfv entil- öffnung in Funktion der korrigierten Ma schinendrehzahl (das heisst. der wirklichen Drehzahl multipliziert mit einer Konstanten und dividiert durch die Quadratwurzel aus der absoluten t,inlasstenzperatur) gesteuert werden, kann die Anordnung wie in Fig. 4 gezeigt. getroffen sein.
Bei diesem Beispiel ist die Membran 58 nicht dureh den durch die Zentrifugalwirkung des Brennstoffpum- penrotors bewirkten Flüssigkeitsdruck, -wie beim vorangehenden Beispiel, sondern durch einen Druckabfall an einer Öffnung 100 mit variablem Querschnitt belastet. Der Querschnitt. dieser Öffnung wird durch eine Dose 101 gesteuert, welche in einer Kam mer 102 angeordnet, ist.
Die Kammer 102 ist durch ein Kapillarrohr 103 mit einem Behälter 108 im Masehineneinlass verbun den, der ein sieh bei Temperaturänderun gen ausdehnendes bzw. zusammenziehendes Fluidum enthält. Die Dose 101 dehnt sich aus und zieht sich zusammen unter der Wirkung der Änderungen der Einlasstem- peratur. Die Öffnung 100 ist in einer Leitung 109 angeordnet, in welcher eine maschinen getriebene Pumpe 104. angeordnet ist, deren Förderung bei konstanter Drehzahl nicht ver ändert werden kann.
Die Pumpe wird mit der Maschinendrehzahl oder mit einer zur Ma schinendrehzahl proportionalen Drehzahl an getrieben, wobei die gesamte Pumpenförde rung durch die Öffnung 100 strömt, Der Einlass der Pumpe 104 ist mit einer Leitung 105 verbunden, welche der Brennstoffpumpe als Speiseleitung dient. Leitung 109 mündet stromabwärts der Öffnung 100 wieder in die Leitung 105.
Eine Abzapfleitung 106 führt von einer Stelle stromaufwärts der Öffnung 100 von der Leitung 109 zum Abteil 56' der Membrankammer, während eine weitere An zapfleitung 107 stromabwärts der Öffnung 100 von der Leitung 109 zum Abteil 57' der Mem- brankammer auf der andern Seite der Mem bran 58' führt.
Der Flüssigkeitsstrom durch die Öffnung 100 ist proportional zur Maschinendrehzahl, und wenn der Querschnitt der Öffnung 100 so gesteuert, wird, dass er proportional der Quadratwurzel der Maschineneinlasstempera- tur ist, ist die an der Membran 58' auftretende Druckdifferenz proportional der momentanen Drehzahl dividiert durch die Quadratwurzel aus der Einlasstemperatur, das heisst. der korrigierten Drehzahl.
Die vorbeschriebene Steuereinrichtung zur Einstellung der Anzapfventilvorrichtungkann auch mit einer Einrichtung zur automatischen Veränderung der Einstellung von einstellbaren Leitschaufeln des Kompressors kombiniert werden, wie sie z. B. in der Schweizer Patent sehrift Nr.291306 beschrieben ist.
Wie z. B. Fig. 1 zeigt, kann der gleiche Servomotor 42 dazu verwendet werden, sowohl die Anzapfventilvorriehtung als auch die Leitschaufeln zu steuern, wobei der Kolben des Servomotors 42 mittels Lenkern 110 mit einer Kurbel 111 verbunden ist, welche die Leitschaufeln am Kompressoreinlass einstellt.