Gasturbinenanlage mit Nachverbrennungseinrichtung Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Gastürbinenanlage mit Nachverbren- nungseinrielitung, in welcher im Abgasstrom cler Anlage Brennstoff verbrannt wird, bevor dieser Abgasstrom durch eine Schubdüse mit. veränderlicher Düsenauslass-Querschnitts- fläelie in die Atmosphäre ausgestossen wird.
Die erfindun-,,s,emässe Gasturbinenanlage besitzt Mittel zum Einstellen eines ge #ünseh- ten Wertes der Düsenauslass-Querschnitts- fläeliesowie Mittel zur Bemessung der Brenn- stoffzufuhr zur Nachverbrennungseinrielitung, entsprechend der eingestellten Düsenauslass- (ltiei>s(!)iiiit.tsfläehe.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungs- "-eL,:citstarides ist in der beiliegenden Zeich nung dargestellt; es zeigt: Fig. 1A schematisch einen Teil einer Gas turbinenanlage nach der Erfindung mit einem Teil der ihr zugeordneten Steuermittel, und Fig. 1B den restlichen Teil der Anlage und der Steuermittel zur Steuerung des Brennstoffstromes zur Naehverbrennung:sein- riehtung der Anlage. Die beiden Figuren sind an der gestrichelten Linie zusammengesetzt zu denken.
Die gezeichnete C7asturbinenanlage besitzt einen Kompressor 1, eine Verbrennungsein- richtung 2, welcher vom Kompressor Luft zu geführt wird, sowie eine Turbine 3, welche durch die Verbrennungsprodukte aus der Verbrennungseinrichtung 2 der Anlage ange- trieben wird. Die Abgase der Turbine 3 ge langen in ein. konisches Abgasrohr 4 und anschliessend in ein Strahlrohr 5, worauf sie durch eine Schubdüse 6 mit veränderlicher Düsenauslass-Querschnittsfläche in die Atmo sphäre ausgestossen werden. Die Schubdüse kann von irgendeiner geeigneten bekannten. Barart sein.
Beim gezeichneten Beispiel be sitzt die Schubdüse zwei teill"ugelflächenför- rnige Düsenelemente 7, welche um eine gemein same Axe schwenkbar angeordnet sind und mit dem Auslassende des Strahlrohres 5 zu sammenwirken. Die Düsenelemente 7 sind mittels der Lenker 8 so miteinander gekup pelt, dass sie gleichzeitig bewegbar sind.
Das Strahlrohr besitzt. eine Innenwand 9, welche den Abgasdurchlass begrenzt und eine Aussenwand 10, welche zusammen mit der Innenwand 9 einen Kühlluftdurchlass bildet, der stromaufwärtsliegende Einlässe 11 auf weist. Die durch den Kühlluftdurchlass strö niende Luft wird diesem Durchlass zweck mässig durch Ejektorwirkung der im Strahl rohr strömenden Abgase am stromabwärts liegenden Ende des genannten Durchlasses entnommen.
Das stroniaufwärtsliegende Ende der Innenwand 9 ist divergent; an diesen Wandabschnitt schliesst ein zylindrischer N%'andabsehnitt an, der eine Nachverbren- nungskammer 12 bildet, in welchem zur Ver grösserung der Austrittsgeschwindigkeit der Abgase Brennstoff verbrannt werden kann. Die Nachverbrennungseinriehtung besitzt ausserdem Brennstoffinjektoren 13.
Es können auch nicht gezeichnete Stauelemente vorge- >ehen sein, welche im Sinne der Aufrechter haltung der Verbrennung in der Nachverbren- nungskammer 12 wirken. Ausserdem kann ein Hilfsbrennstoffinjektor (nicht gezeichnet) vorgesehen sein, zur Stabilisierung der Ver brennung des mittels der Hauptbrennstoff injektoren 13 zugeführten Brennstoffes.
Es sind ferner Mittel vorgesehen, mittels welchen das Ausmass des öffnens der Schub düse 6 und die Menge des der Naehverbren- nungseinrichtung zugeführten Brennstoffes einander angepasst werden können. Es ist zu bemerken, dass die Brennstoffzufuhr zur Nachverbrennungseinrichtung mit zunehmen- der Flughöhe des die Anlage als Triebwerk enthaltenden Flugzeuges herabgesetzt. werden muss, um ein Überhitzen von. Teilen der An lage ziu vermeiden.
Beim vorliegenden Bei spiel wird die der N achverbrennungseinrieh- tung zuzuführende Brennstoffmenge automa tisch in Abhängigkeit vom Förderdruck cles Kompressors der Anlage für jeden einge stellten Wert der Nachverbrennung verändert, v-obei auch das Ausmass der Öffnung der Schubdüse durch die gewählte Einstellung des Wertes der Nachverbrennung bestimmt wird. Ausserdem wird die der Nachverbren- nungseinriehtung zugeführte Brennstoffmenge in Abhängigkeit vom statischen Druck im Strahlrohr verändert.
Jeder Grad der l\Tachverbrennung kann zum Beispiel einer bestimmten Temperatur i:i der Brennkammer 12 der Nachv erbrennungs- einriehtung entsprechen, während das Aus mass der Öffnung der Düse 6 für jede be stimmte Menge an zugeführtem. Naehver- brennungsbrennstoff zum. Beispiel so gewählt sein kann, da, im Abgasrohrabschnitt 4 stromaufwärts der Brennkammer 6 eine kon stante Temperatur aufrechterhalten wird.
Wenn somit der Grad der Nachverbrennung, die Temperatur in der Nachverbrennungs- brennkammer und die der Na.chverbrennungs- brennkammer zugeführte Brennstoffmenge bei konstanter Maschinendrehzahl zunehmen, muss aueli die wirksame Querschnittsfläelie der Sehtibdüsenclurclilassöffnung zunehmen.
Zum Einstellen des gewünschten Crrade5 der Nachverbrennung und der entsprechenden Düsenöffnung ist ein Hebel 20 vorgesehen. Die genannte Düsenöffnung wird dabei wie folgt eingestellt: Der Hebel 20 ist mittels einer Stange 21 mit einem Hebel 22 verbunden, der um einen feststehenden Drehpunkt 23 schwenkbar ist; das andere Ende des Hebels 22 liegt gegen einen beweglichen Anschlag 21 einer Feder 25 an.
Die Feder 25 belastet einen Kolben 26, der beidseitig dem Atmosphärendrtiec ausgesetzt ist und der auf der einen Seite starr mit einem Ventilelement 27 verbunden ist; auf der andern Seite ist der Kolben 26 mittels einer Stange 28 durch eine weitere Feder 29 belastet, welche sich mit ihrem andern Ende an einem Kolben 30 abstützt, der in einem Zylinder 31 eines Servomotors angeordnet ist.
Der Servomotorkolben besitzt Stirnseiten mit untersehiedliehen Wirkungs- f läclien, da auf der von der Feder 29 ab-c.- kehrten Kolbenseite eine dureli den betreffen den Zylinderteil 31 nach aussen führende Stange 32 befestigt. ist.. Die Stange 32 ist am Umfang eines Düsenelementes 7 mittels eines Lenkers 33 befestigt.
Der Zylinderraum 31 auf der die Kolbenstange 32 tragenden Kol benseite ist durch eine Leitung 35 direkt mit einer nicht gezeichneten Fluidumquelle verbunden. Der auf der andern Seite des Servomotorkolbens 30 liegende Zylinderraum 36 ist durch eine eine Drossel 38 enthaltende Leitung 37 mit der gleichen Fluidumquelle verbunden.
Eine Ablassleitung 39 führt vom Zylinderraum 36 jveg und mündet. in eine Kammer 40, wobei der Leitungseinlass in diese Kammer durch das Ventilelement 27 gesteuert wird. An die das Ventilelement 27 enthaltende Kammer -10 ist eine R.ücklauf- leitung 41 angeschlossen.
Wird der Hebel 20 im Sinne einer Zu nahme der Quersclinittsfläehe der Schub- düsenöffnung bewegt (in der Zeichnung links), wird der Hebel 22 verschwenkt und die Feder 25 komprimiert, wodurch der Kol- ben 26 etwas nach rechts bewegt wird, so dass das Ventilelement 2'7 von seinem Sitz an der Mündung der Ablassleitung 39 abaehohen Wird. Demzufol;
r sinkt der Druck in der Kammer 36 und der Servomotorkolben 30 wird nach links bewegt; der Kolben bewegt dabei die Düsenelemente 7 im Sinne des Öffnens der Düse, wobei gleichzeitig die Feder 29 komprimiert wird.
Wenn die durch die Feder 29 bewirkte Belastung gleielr der durelr die Feder 25 bewirkten Belastung wird, Werden der Kolben 26 und das Ventilelement 27 in ihre Gleichgewiebtslage zurückgeführt:
attch die auf den Kolben 30 wirkenden Be- laistungrn sind dann im Gleichgewicht mitein- aiider. \Venn der Hebel 20 nach rechts bewegt wird, wodurch die Feder 25 entlastet wird, erfol-t der umgekehrte Vorgang und der Servomotorkolben 30 bewegt sieh.
nach rechts, wodurch die Düsenöffnungsquersehnittsfläehe so Weit verringert Wird, bis die am Kolben 30 wirkenden Belastungen wieder im Gleieh- ;=cwieht miteinander sind.
Somit ist, ersichtlich, dass jeder Stellung des Hebels 20 innerhalb der Grenzen seines Sehwer:kbereiches eine bestimmte Stellung der Düsenelemente 7 und demzufolge eine be- @tiiurute Quersclrrrittsfläehe der Düsenauslass- öffnung entspricht.
Mittels des Hebels 20 wird auch die den Brennstoffinjektoren 13 zuströmende Brenn stoffmenge eingestellt. Dies erfolgt in diesem Fall durch eine Stange 51, welche den Hebel 20 mit einem Radialarm 52 verbindet., wel- eher die Bewegung der Nadel 53 eines Nadel ventils 54 steuert. Diese Steuerung erfolgt durch einen Zahnstangenantrieb 55, der dem- zttfol#,e durch den Hebel 20 entsprechend bewegt wird.
Das Nadelventil 54 bildet, eine Drossel mit vei-änderlielrer Quer,sehrrittsfläehe, die in einer Leitung 56 angeordnet ist. Die Leitung 56 ist. mit. ihrem stromaufwärtsliegenden Ende an eine Zuführleitung 57 grossen Durchmessers angeschlossen, die mit dem Auslass des Kom- pressors 1 verbunden ist, so dass der Druck im stromaufwärtsliegenden Ende der Leitung 56 annähernd gleich dem Förderdruck des Kompressors ist.
Es versteht sich, dass die Förderleitung 5 7 auch an einer zwischen ein zelnen Stufen des Kompressors liegenden Stelle an diesen Kompressor angeschlossen sein könnte, vorausgesetzt, dass dort ein Druck herrscht, der gross genug ist für den ge wünschten Zweck; anderseits könnte die Lei tung 57 auch an das Luftgehäuse der Ver brennungseinrichtung der Anlage ange schlossen sein, so dass sie im Kompressor kom primierte Luft enthält, bevor diese durch die Verbrennung erhitzt wurde.
In der Leitung 56 ist stromabwärts des Ventils 54 eine Drossel 58 mit unveränder licher Querschnittsfläche angeordnet. Die Ver hältnisse sind so gewählt, dass in der Drossel beim Betrieb der Anlage mit Drehzahlen, bei welchen Nachverbrennung verwendet wird, Schallgeschwindigkeit auftritt. Das stromabwärtsliegende Ende der Leitung 56 mündet. in die Atmosphäre oder in irgend einen Raum, in welchem ein gegenüber dem Kompressorförderdruck geringer Druck herrscht.
Den Brennstoffinjektoren 13 wird aus einem Tank 60 Brennstoff zugeführt. Dieser "Tank 60 ist mittels einer Saugleitung 61 an den Einlass einer Zentrifugalpumpe 62 ange schlossen. Das Laufrad der Pumpe 62 ist auf der gleichen Welle angeordnet wie das Lauf rad der Luftturbine 63, durch welche es ange trieben wird. Die Einlassspirale 64 der Luft turbine 63 ist an das stromabwärtsliegende Ende der Förderleitung 57 angeschlossen, so dass der Luftturbine 63 komprimierte Luft aus dem Kompressor zugeführt wird. Die aus der Luftturbine 63 kommende Luft wird durch den Auslass 65 in die Atmosphäre aus gestossen.
Die Auslassspirale 66 der Zentri- ittgalpumpe 62 ist an eine Förderleitung 67 angeschlossen, deren stromabwärtsliegendes Ende an die Brennstoffinjektoren 13 ange schlossen ist. In der Leitung 67 ist ein Rück- sehlagv entil 68 angeordnet, welches verhin dert, dass sich die Leitung 67 mit Abgasen füllen kann, wenn die Nachverbrennungsein- richtung nicht in Betrieb ist.
In der Leitung 57 ist eine Drosselklappe 70 angeordnet, welche mittels einer Kolben stange 71 über einen Zahnstangenantrieb 72 drehbar ist. Die Kolbenstange 71 ist mit ihrem einen Ende mit. einem Kolben 73 ver bunden, der in einem Zylinder 74 arbeitet; demzufolge besitzt der Kolben 73 unterschied lich grosse Wirkungsflächen.
Der auf der Kol benseite mit kleinerer ZVirl--iingsfläehe liegende Zylinderraum 75 ist direkt an eine Druck mittelquelle zum Beispiel wie bei der gezeieh- neten Ausführung durch die Leitung 76 an die Förderleitung 67 angeschlossen. Der auf der andern Kolbenseite liegende Zz-linder- raum 77 ist durch eine Leitung 78, in welcher eine Drossel 79 angeordnet ist,
an die gleiche Druel@mittelquelle angeschlossen. Aus dem Zylinderraum 77 führt ausserdem eine Ablass- leitung 80 zu einer Druckanspreclivorrichtung, 81; die Druekansprechvorrichtung dient dazu, den Brennstoffstrom in der Leitung 67 von einem Steuerdruck abhängig zu machen.
Die Förderleitung 67 enthält ein Linear-Strö- mungsventil 82, das heisst ein Ventil, bei welehem die durchströmende Menge der Diffe renz der stromaufwärts und stromabwärts des Ventils in dieser Leitung herrschenden Drücke proportional ist. Das Ventil 82 besitzt. ein Ventilgehäuse 83, in welchem eine Ventil öffnung 84 vorgesehen ist, mit welcher ein bewegliches Ventilelement 85 zusammenwirkt. Das Ventilelement 85 ist im Sinne des Sehlie- ssens des Ventils durch eine Feder 86 belastet.
welche der durch den Druckabfall im Ventil als Folge des Brennstoffstromes durch das Ventil auf den Ventilkopf 87 wirkenden Be lastung entgegenwirkt. Die Form des Ventil kopfes 87 und die Charakteristik der Feder 86 sind so gewählt, dass das Ventil die ge wünschte Linearströmungscharakteristik er hält.
Die Differenz zwischen den stromaufwärts und stromabwärts des Ventils 82 herrschen den Drücke wirkt auf eine Membran 90 der Druckansprechvorrichtung 81. Zu diesem Zweck verbindet eine Leitung 91 die Leitung 6 7 stromaufwärts des- Ventils 82 mit einer Kammer 92 auf der einen Membranseite, wäh- rend eine Leitung 93 die Leitung 67 strom abwärts des Ventils 82 mit. einer auf der andern Seite der Membran 90 liegenden Kam mer 94 verbindet.
Die Druckansprechv orrichtung 81 besitzt einen schwenkbar gelagerten Hebel 95, welcher ein Halbkugelv entilelement 96 trägt, das mit dem Auslass der Ablassleitung 80 zusammen wirkt. Die Anordnung ist derart, dass die auf die Membran 90 wirkende Druekdifferenz den Hebel 95 im Sinne des Offnens des Abla.ss- ventils 96 belastet; eine schwache Feder 97 belastet. den Hebel 95 im Sinne des Schliessens des Ablassventils 96.
Ferner ist der Hebel 95 im Sinne des Sehliessens des Ablassventils 96 durch einen Steuerdruck belastet, der wie im folgenden näher beschrieben erzeugt wird und durch eine Leitung 98 in einer Kammer 99 zur Wirkung kommt, welche durch eine Membran 100 begrenzt ist. Die Membran 100 ist mittels einer Stange 101 mit dein Hebel 95 verbun den; die Stange 101 ist mit ihrem andern Ende an eine evakuierte Dose 102 angeschlos sen, deren Quersehnittsfläehe gleich der wirk samen Fläche der Membran 100 ist.
Die durch die Membran 100 auf den Hebel 95 übertra gene Belastung wird somit von dem in der Kammer 103, welehe die Stange 101 enthält, herrschenden Druck nicht beeinflusst.
Die Steuereinriehtung besitzt ferner eine zweite Leitung 104, welche mit. ihrem strom- aufwärtsliegenden Ende an die grossen Durch messer aufweisende Leitung 57 angeschlossen ist; in der Leitung 104 sind zwei Drosseln. 105 und 106 mit unveränderlicher Querschnitts fläche angeordnet. Die Leitung 104 mündet in die Atmosphäre.
Der auf die Membran 100 wirkende Steuer druck wird wie folgt erzeugt: Zwischen den beiden Drosseln 54 und 58 ist an die Leitung 56 eine Leitung 56a angeschlossen, deren anderes Ende an die Leitung 98 angeschlossen ist. Ferner ist die Leitung 56a mittels einer Leitung 110 an eine Feineinstellvorrichtung 109 angeschlossen, deren Auslass durch. ein Halbkugelventil 111 gesteuert wird. Das Halbkugelventil 111 wird von einem schwenk- bar gelagerten Hebel 112 getragen. Der Hebel 112 wird im Sinne des Schliessens des Halb kugelventils 111 durch eine Feder 113 be lastet.
Ferner wird der Hebel 112 durch eine Membran 114 belastet, auf deren. einen Seite eine Kammer 115 liegt, welche durch eine Leitung 116 an die Innenwand 9 des Strahl rohres angeschlossen ist, so dass der statische Druck im Strahlrohr 5 auch in der Kammer 115 herrscht. Auf der andern Seite der Mem bran 1.14 liegt, eine Kammer 117, welche durch eine Leitung 118 zwischen den Drosseln 105 und 106 an die genannte zweite Leitung 104 angeschlossen ist, so dass in der Kammer 117 ein Druck herrscht, welcher vom Förderdruck des Kompressors der Anlage abhängt; die ge wünschte Funktion zwischen diesen beiden Drücken wird durch die Querschnittsfläehen der beiden Drosseln 10t> und 106 bestimmt..
Die Membran 114 ist somit auf der einen Seite durch den statischen Druck im Strahl- rolir 5 im Sinne des Öffnens des Ventils 111_ und auf der andern Seite durch den in der genannten zweiten Leitung 104 herrschenden Drtiek im Sinne des Schliessens des Ent.lüf- tuiigSventils belastet. Die Membran 11.1 ist ausserdem durch eine schwache Feder 119 so belastet, dass der Hebel 112 und die Stange 120 stets miteinander in Berührung bleiben.
Die das Ventil 111 enthaltende Kammer 121 ist. durch. eine Leitung 122 mit der Atmo sphäre verbunden. Anderseits könnte die Kam mer<B>1.15</B> auch dem Gesamtdruck im. Strahl rohr 5 ausgesetzt sein, und zwar mittels eines im Strahlrohr angeordneten. stromaufwärts blickenden Pitotrohres.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Steuereinrichtung ist die folgende: Die den Brennstoffinjektoren 13 zuströmende Brenn stoffmenge, die in der an der Membran 90 wirkenden Druckdifferenz zum Ausdruck kommt, ist abhängig vom Steuerdruck, welcher auf die Membran 1.00 wirkt. Wenn die ge nannte Brennstoffmenge grösser wird als der durch die genannte Abhängigkeit gegeben Wert, wird das Halbkugelventil 96 geöffnet, wodurch der Druck im Raum 77 sinkt.. Dem zufolge wird der Kolben 73 im Sinne des Schliessens der Drosselklappe <B>70</B> bewegt, was eine Herabsetzung des Brennstoffstromes zur Folge hat.
Wenn die Brennstoffmenge unter den gewünschten Wert sinkt, wird das Ventil 96 geschlossen, wodurch der Kolben 73 die Drosselklappe 70 im Sinne des Öffnens be wegt, was eine Zunahme des Brennstoff stromes zur Folge hat.
Der genannte Steuerdruck ist eine Funk tion des Förderdruckes des Kompressors der Anlage. Wird aus Gründen der Einfachheit an genommen, das Ventil 111 der Feineinstellvor- richtung 109 sei geschlossen, dann ist der Druck in der Leitung 56 zwischen den Dros seln 54 und 58 - wenn in der Drossel 58 Schallgeschwindigkeit herrscht, abhängig vom Förderdruck des Kompressors und von der Grösse der Öffnung des Nadelventils 54, welche wieder von der Einstellung der Schub düse 6 abhängt.
Der Grad der Nachverbren nung kann somit durch Einstellung des Nadel ventils 54 eingestellt werden, und ein Bewegen des Hebels 20 in der Zeichnung nach links, was einer Vergrösserung der Querschnitts- flä.che der Schubdüsenauslassöffnung eilt spricht, bewirkt ein Zurückziehen der Nadel 53 und ein Vergrössern der Durchlassqxier- sehnittsfläche des Nadelventils. Ebenso hat dies einen grösseren Druck in der Leitung 56 zwischen den Drosseln 54 und 58 und eine Zunahme des Brennstoffstromes zur Nachver- brennungseinrichtung zur Folge.
Da der Kompressor-Förderdruck bei kon stanter Drehzahl der Anlage annähernd direkt proportional dem Atmosphärendruck ist, wird der Brennstoffstrom mit abnehmendem Atmo sphärendruck, das heisst. mit zunehmender Flughöhe, ebenfalls herabgesetzt. Der in dieser Weise festgelegte Steuerdruck ist somit an nähernd ein Mass für den Brennstoffstron; zur Nachverbrennungseinrichtung.
Die endgültige Einstellung des Brennstoff stromes erfolgt mittels der Feineinstellvorrich- tung 109. Diese ist dazu bestimmt, den Steuer druck in der Kammer 99 ausgehend vom Wert des Druckes in der Leitung 56 zwischen den Drosseln 54 und 58 bei geschlossenem Ventil <B>111</B> zu ändern. Im Gleichgewichtszustand be- findet sieh das Ventil 17.1 in einer zwischen der völlig geschlossenen und der völlig offe nen Stellung liegenden Stellung.
Die Feinein- stellungsvorrichtung spricht auf den Wert des statischen Druckes im Strahlrohr an und steuert diesen Druck, welcher zum Teil von der Intensität der Nachverbrennung im Strahl rohr 5 abhängt, so dass dieser Druck stets annähernd gleich dem in der Leitung 104 zwi schen den Drosseln 105 und 106 herrschenden Druck ist und demzufolge stets in einem be stimmten Verhältnis zum Förderdruck des Kompressors steht.
Bei einer Vergrösserung der Querschnitts fläehe der Sehubdüsenauslassöffnung mittels des Mechanismus 22-41 wird durch Öffnen des Nadelventils 54 ein grösserer Brennstoff strom zur Naehverbrennungseinrichtung ein gestellt. Dadurch wird der Druck in der Lei tung 56 zwischen den Drosseln 54 und 58 grösser. In der Folge betätigt die Druck anspreehvorriehtung 81 die Drosselklappe 70, und der Brennstoffstrom zu den Injektoren 13 der Nachverbrennungseinriehtung wird vergrössert.
Eine Vergrösserung der Ausla.ssquersehnit.ts- fläche der Schubdüsenöffnung bewirkt ausser dem eine Verminderung des statischen Druckes im Strahlrohr 5, was im Sinne des Schliessens des Ventils 111 auf die Feinein- stellvorrichtung 109 wirkt; demzufolge be tätigt ebenfalls die Druekanspreclivorriehtung 81 die Drosselklappe 70 im Sinne einer Ver grösserung des Brennstoffstromes zu den In jektoren 13 der Nachverbrennungseinrichtung.
Wird in der Brennkammer 12 der Na.ch- v erbrennungseinrichtung mehr Brennstoff verbrannt, so steigt der statische Druck im Strahlrohr 5. Dadurch versucht sieh das Ventil <B>111</B> der Feineinstellv orrichtung 109 in seine Gleichgewichtslage zurückzuverstellen, in wel- eher die Belastung, die eine Folge des stati schen Druckes in der Kammer<B>115</B> ist,
und die Belastung durch die Feder 119 zusammen der durch den vom Kompressorförderdruck abhängigen Druck in der Kammer 117 beding ten Belastung und der durch die Feder 113 bewirkten Belastung das Gleichgewicht halten. Wenn der statische Druck im Strahlrohr 5 über den diesem Gleichgewichtszustand ent sprechenden Wert steigt, wird das Ventil 111 im Sinne des Öffnens bewegt, wodurch der Brennstoffstrom herabgesetzt wird; sinkt. aber der statische Druck im Strahlrohr 5 unter den genannten Wert, wird das Ventil im Schliesssinne bewegt, und der Brennstoff strom nimmt zu.
Daraus geht hervor, dass jeder Quer- Sehnittsfläche_ der Schubdüsenauslassöffnung ein bestimmter Grad der Nachverbrennung zu geordnet ist.; dabei hängt der Brennstoffstrom zu den Injektor-en 13 der '-#\Tachverbrennungs- einrichtung ausschliesslich vom Förderdruck des Kompressors ab.
Jeder Einstellung der Schubdüse mit veränderlicher Auslassquer- sehnittsfläehe und dem entsprechenden Grad der hTachverbrennun- ist ein Wert des stati schen Druckes im Strahlrohr zugeordnet, der in einem konstanten Verhältnis zum Kompres- oi.,förderdruek stellt.
Dadurch ist. sicherg(,- stellt, dass bei einer gegebenen der Druckabfall in der Turbine der An lage von Änderungen der Querschnittsfläehe der Schubdüsenauslässöffnung und der Inten sität der Nachverl)rennung unbeeinflusst bleibt.
Je grösser die Auslassquersehnittsfläche der Sehubdüsenöffnung ist, um so grösser ist der Grad der Nachverbrennung, das heisst. um so grösser ist der Brennstoffstrom zur Naehver- brennungseinriclltung und somit die Inten sität der Verbrennung in dieser Einrichtung;
für jede gegebene Einstellung der Auslass- querschnittsfläelie des Schubdüse und des Grades der Nachverbrennung wird der Brenn stoffstrom zur Nachv erbrennungseinriehtung bei zunehmender Betriebshöhe der Anlage in Abhängigkeit vom Kompressorförderdruek herabgesetzt.
Die Feineinstellvorriclitung kompensiert Änderungen des Verbrennungswirkungsgrades in der Nachverbrennungseinriehtung, indem sie auf entsprechende Änderungen des stati schen Druckes anspricht.
Bei einer speziellen Ausführungsform ist: das stromabwärtsliegende Ende der Leitung 104 so geführt, dass in ihm der statische Druck im Strahlrohr herrscht, so dass der Druck zwi- sehen den Drosseln 105, 106 eine Funktion sowohl des Kompressorförderdruckes als auch des statisehen Druckes im Strahlrohr 5 ist.
Die vorbeschriebene Ausführungsform der Casturbinenanlage lässt sich in der verschie densten Weise variieren. So kann zum Beispiel in der Steuereinrichtung für die Brennstoff zufuhr die Drosselklappe 70 durch ein Dros selventil in der Brennstoffförderleitung er setzt sein, oder die Steuerung kann durch Betätigen eines die Förderung einer Förder pumpe mit bei konstanter Drehzahl veränder- lieher Förderung ändernden Elementes erfol gen.
An Stelle der Feineinstellungsvorrichtung 109, welche auf den Kompressorförderdruck und den Druck im Strahlrohr anspricht., kann eine Vorrichtung vorgesehen sein, welche auf die Temperatur des Arbeitsmediums der An lage stromaufwärts der Naehverbrennungs- Brennkammer 12 anspricht.
Das Temperaturansprechelement kann ent weder im konischen Leitungsabsehnitt 4 oder im stromaufwärtsliegenden Endabschnitt des Strahlrohres 5, oder in gewissen Fällen zwi schen zwei benachbarten Stufen der Turbine 3 angeordnet sein. Es dürfte dem Fachmann ohne weiteres klar sein, dass eine Zunahme des Brennstoffstromes zu den Injektoren 13 der Naehverbrennungseinrichtung zwangläufig von einer Erhöhung der Temperatur, welcher das Temperaturansprechelement ausgesetzt ist, gefolgt ist und umgekehrt.
Da die Tempera turzunahme einer Vergrösserung des Wertes des Verhältnisses zwischen dem Druck im Strahlrohr und dem Kompressorförderdruck entspricht, kann diese zur Betätigung eines Ventils wie das Ventil 111 im Sinne des üffnens dieses Ventils bei einer Temperatur zunahme herangezogen werden, wodurch die Drossel 70 im Sinne des Schliessens und somit des Herabsetzens des Brennstoffstromes be tätigt wird und umgekehrt.
Das Temperaturansprechelement kann ein Thermoelement sein, und es kann zur Betäti gung des Ventils<B>111</B> an irgendwelche geeig nete elektrische Mittel angeschlossen sein. Das Temperaturansprechelement kann auch ein Quecksilberdampfelement sein, während das Ventil durch eine Druckansprechvorrichtung zum Beispiel durch ein' dem Druck des Queck silberdampfes ausgesetztes Bourdon-Rohr be- tätigbar sein.
Gas turbine system with post-combustion device The subject of the present invention is a gas turbine system with post-combustion device, in which fuel is burned in the exhaust gas flow of the system before this exhaust gas flow passes through a thrust nozzle. variable nozzle outlet cross-sectional area is expelled into the atmosphere.
The gas turbine system according to the invention has means for setting a suitable value for the nozzle outlet cross-sectional area, as well as means for measuring the fuel supply to the afterburning device, in accordance with the nozzle outlet set (ltiei> s (!) Iiiit. tsflaehe.
An embodiment of the invention "-el,: citstarides is shown in the accompanying drawing; it shows: Fig. 1A schematically a part of a gas turbine system according to the invention with part of the control means assigned to it, and FIG. 1B the remaining part of the Installation and the control means for controlling the fuel flow for the near-combustion: installation of the installation The two figures are to be thought of as combined with the dashed line.
The C7a turbine system shown has a compressor 1, a combustion device 2, which is supplied with air by the compressor, and a turbine 3, which is driven by the combustion products from the combustion device 2 of the system. The exhaust gases from the turbine 3 ge long in a. conical exhaust pipe 4 and then into a jet pipe 5, whereupon they are ejected through a thrust nozzle 6 with a variable nozzle outlet cross-sectional area into the atmosphere. The thrust nozzle may be of any suitable known type. Be barart.
In the example shown, the thrust nozzle has two partially spherical nozzle elements 7, which are arranged pivotably about a common axis and interact with the outlet end of the jet pipe 5. The nozzle elements 7 are coupled to one another by means of the link 8 so that they are movable at the same time.
The nozzle has. an inner wall 9, which delimits the exhaust gas passage, and an outer wall 10, which together with the inner wall 9 forms a cooling air passage, which has inlets 11 located upstream. The air flowing through the cooling air passage is expediently removed from this passage by the ejector effect of the exhaust gases flowing in the jet pipe at the downstream end of the passage mentioned.
The upstream end of the inner wall 9 is divergent; this wall section is followed by a cylindrical section which forms an afterburning chamber 12 in which fuel can be burned to increase the exit speed of the exhaust gases. The afterburning unit also has fuel injectors 13.
Damming elements (not shown) can also be provided, which act in the sense of maintaining the combustion in the post-combustion chamber 12. In addition, an auxiliary fuel injector (not shown) can be provided to stabilize the combustion of the fuel supplied by means of the main fuel injectors 13.
Means are also provided by means of which the extent to which the thrust nozzle 6 is opened and the amount of fuel supplied to the close-up combustion device can be adapted to one another. It should be noted that the fuel supply to the afterburning device is reduced with increasing flight altitude of the aircraft containing the system as an engine. must be to avoid overheating. Avoid sharing the system.
In the present example, the amount of fuel to be fed to the afterburning unit is automatically changed depending on the delivery pressure of the compressor of the system for each set value of the afterburning, including the extent of the opening of the exhaust nozzle by the selected setting of the value of the afterburning is determined. In addition, the amount of fuel fed to the afterburning unit is changed as a function of the static pressure in the jet pipe.
Each degree of secondary combustion can, for example, correspond to a certain temperature i: i of the combustion chamber 12 of the secondary combustion device, while the extent of the opening of the nozzle 6 corresponds to each certain amount of the supplied. Local combustion fuel for. Example can be chosen so that in the exhaust pipe section 4 upstream of the combustion chamber 6, a constant temperature is maintained.
If the degree of afterburning, the temperature in the afterburning combustion chamber and the amount of fuel supplied to the afterburning combustion chamber increase at a constant engine speed, the effective cross-sectional area of the visual nozzle clear opening must also increase.
A lever 20 is provided for setting the desired degree of post-combustion and the corresponding nozzle opening. The nozzle opening mentioned is set as follows: the lever 20 is connected by means of a rod 21 to a lever 22 which is pivotable about a fixed pivot point 23; the other end of the lever 22 rests against a movable stop 21 of a spring 25.
The spring 25 loads a piston 26 which is exposed on both sides to the atmosphere and which is rigidly connected on one side to a valve element 27; on the other hand, the piston 26 is loaded by means of a rod 28 by a further spring 29 which is supported at its other end on a piston 30 which is arranged in a cylinder 31 of a servo motor.
The servomotor piston has end faces with different areas of action, since a rod 32 leading through the cylinder part 31 to the outside is attached to the piston side facing away from the spring 29. is .. The rod 32 is attached to the circumference of a nozzle element 7 by means of a link 33.
The cylinder space 31 on the piston rod 32 carrying the piston is connected by a line 35 directly to a fluid source, not shown. The cylinder space 36 lying on the other side of the servomotor piston 30 is connected to the same fluid source by a line 37 containing a throttle 38.
A discharge line 39 leads jveg from the cylinder chamber 36 and opens. into a chamber 40, the line inlet into this chamber being controlled by the valve element 27. A return line 41 is connected to the chamber -10 containing the valve element 27.
If the lever 20 is moved in the sense of increasing the transverse linearity of the thrust nozzle opening (on the left in the drawing), the lever 22 is pivoted and the spring 25 is compressed, whereby the piston 26 is moved somewhat to the right so that the valve element 2'7 from its seat at the mouth of the drain line 39 will be raised. Demzufol;
r decreases the pressure in the chamber 36 and the servomotor piston 30 is moved to the left; the piston moves the nozzle elements 7 in the sense of opening the nozzle, the spring 29 being compressed at the same time.
When the load caused by the spring 29 becomes the same as the load caused by the spring 25, the piston 26 and the valve element 27 are returned to their equilibrium position:
At the same time, the forces acting on the piston 30 are then in equilibrium with one another. When the lever 20 is moved to the right, whereby the spring 25 is relieved, the reverse process takes place and the servomotor piston 30 moves.
to the right, as a result of which the cross-sectional area of the nozzle opening is reduced until the loads acting on the piston 30 are again in equilibrium with one another.
It can thus be seen that each position of the lever 20 within the limits of its scope range corresponds to a certain position of the nozzle elements 7 and consequently to a precise transverse step surface of the nozzle outlet opening.
By means of the lever 20, the amount of fuel flowing into the fuel injectors 13 is also adjusted. This is done in this case by a rod 51 which connects the lever 20 to a radial arm 52, which rather controls the movement of the needle 53 of a needle valve 54. This control is carried out by a rack and pinion drive 55, which is accordingly moved by the lever 20.
The needle valve 54 forms a throttle with a variable transverse, very tread area which is arranged in a line 56. The line 56 is. With. its upstream end is connected to a feed line 57 of large diameter, which is connected to the outlet of the compressor 1, so that the pressure in the upstream end of the line 56 is approximately equal to the delivery pressure of the compressor.
It goes without saying that the delivery line 5 7 could also be connected to this compressor at a point located between individual stages of the compressor, provided that there is a pressure there that is large enough for the desired purpose; on the other hand, the line 57 could also be connected to the air housing of the combustion device of the system, so that it contains air compressed in the compressor before it was heated by the combustion.
In line 56, downstream of valve 54, a throttle 58 is arranged with an unchangeable Licher cross-sectional area. The ratios are chosen so that the speed of sound occurs in the throttle when the system is operated at speeds at which post-combustion is used. The downstream end of the line 56 opens. into the atmosphere or into any room in which the pressure is lower than the compressor delivery pressure.
The fuel injectors 13 are supplied with fuel from a tank 60. This "tank 60 is connected to the inlet of a centrifugal pump 62 by means of a suction line 61. The impeller of the pump 62 is arranged on the same shaft as the impeller of the air turbine 63 by which it is driven. The inlet spiral 64 of the air turbine 63 is connected to the downstream end of the delivery line 57 so that compressed air from the compressor is supplied to the air turbine 63. The air coming from the air turbine 63 is expelled through the outlet 65 into the atmosphere.
The outlet spiral 66 of the centrifugal pump 62 is connected to a delivery line 67, the downstream end of which is connected to the fuel injectors 13. A check valve 68 is arranged in line 67, which prevents line 67 from being filled with exhaust gases when the post-combustion device is not in operation.
In the line 57, a throttle valve 70 is arranged, which is rotatable by means of a piston rod 71 via a rack drive 72. The piston rod 71 is at one end with. a piston 73 a related party working in a cylinder 74; accordingly, the piston 73 has different large effective areas.
The cylinder space 75, which is located on the piston side with a smaller ZVirling surface, is connected directly to a pressure medium source, for example as in the illustrated embodiment, through the line 76 to the delivery line 67. The cylinder chamber 77 on the other side of the piston is connected by a line 78 in which a throttle 79 is arranged,
connected to the same pressure source. In addition, a discharge line 80 leads from the cylinder space 77 to a pressure response device, 81; the pressure response device serves to make the fuel flow in line 67 dependent on a control pressure.
The delivery line 67 contains a linear flow valve 82, that is to say a valve in which the amount flowing through is proportional to the difference between the pressures prevailing upstream and downstream of the valve in this line. The valve 82 has. a valve housing 83, in which a valve opening 84 is provided, with which a movable valve element 85 cooperates. The valve element 85 is loaded by a spring 86 in the sense of closing the valve.
which counteracts the load acting on the valve head 87 due to the pressure drop in the valve as a result of the fuel flow through the valve. The shape of the valve head 87 and the characteristics of the spring 86 are chosen so that the valve keeps the desired linear flow characteristics.
The difference between the pressures prevailing upstream and downstream of the valve 82 acts on a diaphragm 90 of the pressure response device 81. For this purpose, a line 91 connects the line 67 upstream of the valve 82 with a chamber 92 on one side of the diaphragm, while a line 93, the line 67 downstream of the valve 82 with. a lying on the other side of the membrane 90 Kam mer 94 connects.
The pressure response device 81 has a pivotably mounted lever 95 which carries a hemispherical valve element 96 which interacts with the outlet of the discharge line 80. The arrangement is such that the pressure difference acting on the membrane 90 loads the lever 95 in the sense of opening the drain valve 96; a weak spring 97 is loaded. the lever 95 in the sense of closing the drain valve 96.
Furthermore, the lever 95 is loaded by a control pressure in the sense of closing the discharge valve 96, which is generated as described in more detail below and comes into effect through a line 98 in a chamber 99 which is delimited by a membrane 100. The membrane 100 is verbun by means of a rod 101 with your lever 95; the other end of the rod 101 is connected to an evacuated can 102, the cross section of which is equal to the effective area of the membrane 100.
The load transmitted by the membrane 100 to the lever 95 is thus not influenced by the pressure prevailing in the chamber 103, which contains the rod 101.
The control unit also has a second line 104, which with. its upstream end is connected to the large diameter line 57; in line 104 are two chokes. 105 and 106 arranged with a constant cross-sectional area. The line 104 opens into the atmosphere.
The control pressure acting on the diaphragm 100 is generated as follows: Between the two throttles 54 and 58, a line 56a is connected to the line 56, the other end of which is connected to the line 98. Furthermore, the line 56a is connected by means of a line 110 to a fine adjustment device 109, the outlet of which passes through. a hemispherical valve 111 is controlled. The hemispherical valve 111 is carried by a pivotably mounted lever 112. The lever 112 is loaded in the sense of closing the hemisphere valve 111 by a spring 113 be.
Furthermore, the lever 112 is loaded by a membrane 114, on the. one side is a chamber 115, which is connected by a line 116 to the inner wall 9 of the jet pipe, so that the static pressure in the jet pipe 5 also prevails in the chamber 115. On the other side of the mem brane 1.14 is a chamber 117 which is connected by a line 118 between the throttles 105 and 106 to said second line 104, so that there is a pressure in the chamber 117 which is dependent on the delivery pressure of the compressor Plant depends; the desired function between these two pressures is determined by the cross-sectional areas of the two throttles 10t> and 106 ..
The membrane 114 is thus on the one hand by the static pressure in the jet roller 5 in the sense of opening the valve 111_ and on the other hand by the pressure prevailing in the mentioned second line 104 in the sense of the closing of the vent valve burdened. The membrane 11.1 is also loaded by a weak spring 119 so that the lever 112 and the rod 120 always remain in contact with one another.
The chamber 121 containing the valve 111 is. by. a line 122 connected to the atmosphere. On the other hand, the chamber <B> 1.15 </B> could also reduce the total pressure in the. Beam tube 5 be exposed, namely by means of an arranged in the nozzle. upstream pitot tube.
The operation of the control device described is as follows: The amount of fuel flowing into the fuel injectors 13, which is expressed in the pressure difference acting on the membrane 90, is dependent on the control pressure acting on the membrane 1.00. If the amount of fuel mentioned is greater than the value given by the above dependency, the hemispherical valve 96 is opened, whereby the pressure in the space 77 drops. Accordingly, the piston 73 is in the sense of closing the throttle valve <B> 70 </ B > moves, which results in a reduction in the fuel flow.
When the amount of fuel falls below the desired value, the valve 96 is closed, whereby the piston 73 moves the throttle valve 70 in the sense of opening, which results in an increase in the fuel flow.
The control pressure mentioned is a function of the delivery pressure of the compressor of the system. If for the sake of simplicity it is assumed that the valve 111 of the fine adjustment device 109 is closed, then the pressure in the line 56 is between the throttles 54 and 58 - if the speed of sound in the throttle 58 is dependent on the delivery pressure of the compressor and on the size of the opening of the needle valve 54, which again depends on the setting of the thrust nozzle 6.
The degree of afterburning can thus be adjusted by adjusting the needle valve 54, and moving the lever 20 to the left in the drawing, which speaks of an increase in the cross-sectional area of the thrust nozzle outlet opening, causes the needle 53 to be withdrawn and a Enlarging the passage cross-sectional area of the needle valve. This also results in a greater pressure in the line 56 between the throttles 54 and 58 and an increase in the fuel flow to the afterburning device.
Since the compressor delivery pressure is almost directly proportional to the atmospheric pressure at a constant speed of the system, the fuel flow is spherical pressure with decreasing atmospheric pressure, that is. with increasing altitude, also decreased. The control pressure established in this way is thus an approximate measure of the fuel flow; to the post-combustion device.
The final setting of the fuel flow takes place by means of the fine adjustment device 109. This is intended to set the control pressure in the chamber 99 based on the value of the pressure in the line 56 between the throttles 54 and 58 with the valve <B> 111 </ B> to change. In the equilibrium state, the valve 17.1 is in a position lying between the completely closed and the completely open position.
The fine adjustment device responds to the value of the static pressure in the jet pipe and controls this pressure, which partly depends on the intensity of the afterburning in the jet pipe 5, so that this pressure is always approximately equal to that in the line 104 between the throttles 105 and 106 is the prevailing pressure and is therefore always in a certain relationship to the delivery pressure of the compressor.
When the cross-sectional area of the Sehubdüsenauslassöffsen is enlarged by means of the mechanism 22-41, a larger fuel flow to the near-combustion device is set by opening the needle valve 54. As a result, the pressure in the line 56 between the throttles 54 and 58 is greater. As a result, the pressure response device 81 actuates the throttle valve 70, and the fuel flow to the injectors 13 of the afterburning unit is increased.
An increase in the cross-sectional outlet area of the thrust nozzle opening also causes a reduction in the static pressure in the jet pipe 5, which acts in the sense of closing the valve 111 on the fine adjustment device 109; accordingly be also actuates the Druekanspreclivorriehtung 81, the throttle valve 70 in the sense of increasing the fuel flow to the injectors 13 in the afterburning device.
If more fuel is burned in the combustion chamber 12 of the Na.ch combustion device, the static pressure in the jet pipe 5 rises. As a result, the valve 111 of the fine adjustment device 109 tries to return to its equilibrium position. rather the load that is a consequence of the static pressure in the chamber <B> 115 </B>,
and the load from the spring 119 together with the load caused by the pressure in the chamber 117, which is dependent on the compressor delivery pressure, and the load caused by the spring 113 keep the balance. When the static pressure in the jet pipe 5 rises above the value corresponding to this state of equilibrium, the valve 111 is moved in the direction of opening, whereby the fuel flow is reduced; sinks. but the static pressure in the jet pipe 5 falls below the stated value, the valve is moved in the closing direction and the fuel flow increases.
This shows that each cross-sectional area of the exhaust nozzle outlet opening is assigned a certain degree of post-combustion. The fuel flow to the injectors 13 of the secondary combustion device depends exclusively on the delivery pressure of the compressor.
Each setting of the thrust nozzle with variable outlet cross-sectional area and the corresponding degree of post-combustion is assigned a value of the static pressure in the jet pipe, which is in a constant ratio to the compression.
This is. ensures that, at a given level, the pressure drop in the turbine of the system remains unaffected by changes in the cross-sectional area of the nozzle outlet opening and the intensity of the post-loss.
The larger the outlet cross-sectional area of the lifting nozzle opening, the greater the degree of afterburning, that is to say. the greater is the fuel flow to the near-combustion device and thus the intensity of the combustion in this device;
For each given setting of the outlet cross-sectional area of the thrust nozzle and the degree of post-combustion, the fuel flow to the post-combustion unit is reduced as the operating altitude of the system increases, depending on the compressor delivery pressure.
The fine adjustment device compensates for changes in the combustion efficiency in the afterburning unit by responding to corresponding changes in the static pressure.
In a special embodiment: the downstream end of the line 104 is guided in such a way that the static pressure in the jet pipe prevails in it, so that the pressure between the throttles 105, 106 is a function of both the compressor delivery pressure and the static pressure in the jet pipe 5 is.
The above-described embodiment of the Casturbinenanlage can be varied in the most diverse ways. For example, in the control device for the fuel supply, the throttle valve 70 can be set by a throttle valve in the fuel delivery line, or the control can take place by actuating an element that changes the delivery of a delivery pump with a delivery changing element at a constant speed.
Instead of the fine adjustment device 109, which responds to the compressor delivery pressure and the pressure in the jet pipe. A device can be provided which responds to the temperature of the working medium of the system upstream of the close-up combustion chamber 12.
The temperature response element can ent neither in the conical line section 4 or in the upstream end section of the jet pipe 5, or in certain cases between two adjacent stages of the turbine 3's. It should be readily apparent to the person skilled in the art that an increase in the fuel flow to the injectors 13 of the near-combustion device is inevitably followed by an increase in the temperature to which the temperature response element is exposed, and vice versa.
Since the temperature increase corresponds to an increase in the value of the ratio between the pressure in the jet pipe and the compressor delivery pressure, this can be used to operate a valve such as valve 111 in the sense of opening this valve at a temperature increase, whereby the throttle 70 in the sense of Closing and thus reducing the fuel flow be actuated and vice versa.
The temperature response element can be a thermocouple and it can be connected to any suitable electrical means to actuate the valve 111. The temperature response element can also be a mercury vapor element, while the valve can be actuated by a pressure response device, for example through a Bourdon tube exposed to the pressure of the mercury vapor.