Verfahren und. Vorrichtung zur Regelung von mit Propellern gekuppelten Gasturbinen. Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung von mit Propellern gekuppelten Gasturbinen, insbe sondere für den Antrieb von Luftfahrzeugen. Das Verfahren besteht darin, dass die Stel lung der Flügel des Propellers in Abhän gigkeit von der Drehzahl und die Zufuhr von Brennstoff in Abhängigkeit von der Tempe ratur des die Turbine treibenden Gases ge steuert wird.
Die Vorrichtung zur Ausfüh rung des Verfahrens umfasst eine Steuer vorrichtung, welche die Flügel des Verstell propellers in Abhängigkeit von der Dreh zahl einzustellen gestattet, und eine weitere Steuervorrichtung, welche Brennstoff in Ab hängigkeit von der Temperatur des die Turbine treibenden Gases zuzuführen ge stattet. Dabei kann die erste Steuervorrich- tung selbsttätig in Abhängigkeit von der Drehzahl und die zweite selbsttätig in Ab hängigkeit von der Temperatur arbeiten.
Auf der Zeichnung ist ein Ausführungs beispiel der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens schematisch dargestellt. An Hand desselben wird auch das Verfahren beispielsweise- erläutert.
Die mit dem- Verstellpropeller 1 gekup- pelte Gasturbinengruppe 2 dient z. B. zum Antrieb eines nicht gezeichneten Luftfahr zeuges, insbesondere eines Flugzeuges. Die Gasturbinengruppe 2 hat einen vielstufigen Agialverdichter 3, der durch die Ansaug öffnung 4 Luft aus der Umgebung ansaugt, diese verdichtet und dem Brennraum 5 zu führt.
In dem Brennraum 5, der ringförmig ist, sind mehrere im greis angeordnete Brennstoffdüsen 6 vorgesehen. Die Düsen 6 werden aus der Ringleitung 7 gemeinsam mit Brennstoff gespeist, der unter Druck in den Brennraum 5 eingespritzt wird und mit der eingeführten Luft vermischt verbrennt.
Die entstehenden Verbrennungsgase treten mit hoher Temperatur in die Schaufelung der Gasturbine 8 ein, in welcher sie expandieren, und durchströmen die Rückstossdüse 9 mit den Leitschaufeln 10. Die aus der Düse 9 mit hoher Geschwindigkeit ins Freie abströ menden Gase erzeugen eine das Fahrzeug vorwärtstreibende Kraft. Die Gasturbinen gruppe 2 ist mittels der Welle 11 mit dem Propeller 1 verbunden.
In der Welle 11 ist der Servomotor 12 mit dem Kolben 13 und dem Gestänge 14 zur Verstellung der Pro pellerflügel 15 untergebracht. An Stelle des direkten Antriebes wird zweckmässig eile Untersetzungsgetriebe vorgesehen sein, um die Turbinengruppe 2 mit hoher, den Pro peller 1 mit mässiger Drehzahl betreiben zu können.
Zur Überwachung der Drehzahl der Gas turbinengruppe 2 dient der Fliehkraftregler 16, der über das Getriebe 17, 18 von der Welle 11 angetrieben wird. Im Brennraum 5 ist ein Temperaturfühler 19 vorgesehen, der als ein mit Flüssigkeit gefülltes Gefäss aus- gebildet ist. Der Dampfdruck über der Flüs sigkeit ist je nach der Temperatur der Ver- brennungsgase verschieden, so dass die Druck dose 20 sich mehr oder weniger dehnt.
Der Fliehkraftregler 16 und die Druck dose 20 könnten nun dazu dienen, Anzeige- instrumente zu betätigen, welche dem Flug zeugführer die effektive Drehzahl und Tem- peratur anzeigen, so dass er durch Verstellen der Propellerflügel und durch Einstellen der Brennstoffzufuhr bestimmte Sollwerte ein stellen kann.
Zu seiner Entlastung können Steuervorrichtungen vorgesehen sein, welche die Sollwerte der Drehzahl und der Tempe ratur selbsttätig einstellen. Dabei kann ausser dem je nach der gewünschten Leistung die Grösse des Sollwertes von mindestens einer der beiden Betriebsgrössen, Drehzahl oder Temperatur durch den Flugzeugführer von Hand eingestellt werden.
Diese Einstellvor- richtung ist zweckmässig so ausgebildet, dass sowohl die Solldrehzahl als auch die Soll- temperatur mit zunehmender Leistung an steigt.
Zur Handeinstellung dient der Hebel 21, welcher unter Zwischenschaltung der Feder 22 -die Nockenstange 23 mit den Nocken 24 bis 27 verschiebt. Damit diese Verschiebung nicht zu rasch erfolgt, was zu einer Beschä digung der Gasturbine 8 führen könnte, ist die Nockenstange 23 mit einer Ölbremse ver sehen, die einen Kolben 28 in einem Zylinder 29 aufweist.
Das vom Kolben 28 verdrängte Öl wird durch die einstellbare Drossel öffnung 30 hindurchgedrückt.
Jeder Stellung der Stange 23, die mittels einer nicht gezeichneten Feststellvorrichtung am Hebel 21 eingestellt werden kann, ent- sprechen durch die Form der Nocken 24 bis 27 bestimmte Stellungen der Rollenstössel 31 bis 34 und damit einer bestimmten Soll drehzahl und einer bestimmten Solltempe ratur.
Für eine bestimmte Einstellung der Nockenstange 23 ergeben sich bei Abwei chungen von Drehzahl und Temperatur von ihren Sollwerten folgende Regelvorgänge:
Liegt @ beispielsweise die Drehzahl über dem Sollwert, so nimmt die -Muffe 35 des Fliehkraftreglers 16 eine höhere Lage ein als bei der Solldrehzahl, so da-ss der Steuerschie ber 36 des Servomotors 12, der mittels des doppelarmigen Hebels 37 vom Regler 16 be tätigt wird, in eine gegenüber der Abschluss- stellung nach oben verschobene Stellung kommt.
Infolgedessen tritt aus der Druck mittelzufuhrleitung 38, die von irgend einem nicht gezeichneten Druckbehälter oder einer Druckmittelpumpe gespeist wird, Druck mittel in die Leitung 39 über, während die Leitung 40 'mit dem Ablauf des Druck mittels verbunden ist. Der Kolben 13 ver schiebt sich somit nach rechts, und die Flügel 15 werden so verstellt, dass der An- stellwinkel vergrössert und damit die Lei stungsaufnahme des Propellers 1 erhöht wird. Infolgedessen wird die zu hohe Drehzahl ver ringert.
Mit dem Kolben 13 verschiebt sich auch der Rückführkolben 41 nach rechts, der dadurch die Rückführbewegung der Regel- vorrichtung einleitet. Der Kolben 41 saugt über die Leitung 42 Druckmittel an und zieht den Stellkolben 43 entgegen der Kraft der Stellfeder 44 nach unten und bringt damit den Steuerschieber 36 in seine Ab schlusslage zurück.
Diese Rückführung ist nun nicht starr, sondern nachgiebig. Dies wird dadurch er reicht, dass die Leitung 42 über die einstell bare Drosselöffnung 46 mit der Druckmit- telzufuhrleitung 47 verbunden ist; infolge dessen kann durch die Öffnung 46 Druck mittel nachströmen und der Stellkolben 43 in seine durch die Stellung des Stössels 31 bei entlasteter Feder 44 gegebene Stellung zu rückkehren.
Auf die Weise arbeitet diese Regelvorrichtung als Isodrom-Regelung, die ohne Ungleichförmigkeitsgrad die Drehzahl bei jeder Leistung auf einen durch den Stössel 31 gegebenen Wert einstellt. Sinkt die Drehzahl unterhalb des Sollwertes, so verlaufen die Vorgänge im entgegengesetzten Sinne.
Die Abschlussstellung des Steuerschiebers 36 wird nun beim Rückgang des Kolbens 43 in seine durch die Stellung des Stössels 31 gegebene Lage dadurch beibehalten, dass bei der auf den Sollwert absinkenden Drehzahl der Regler 16 den Hebel 37 in der Weise um das Gelenk 48 dreht, dass die rückläufige Be wegung des Stellkolbens 43 ohne Verschie bung des Steuerschiebers 36 stattfindet.
Die ganze Regelvorrichtung ist nur dann in Ruhe, wenn einerseits die Druckfedern 44, 45 entlastet sind und anderseits der Steuer schieber 36 in der Abschlussstellung steht. Bei einer gegebenen Stellung des Rollen stössels 31 ergibt sich eine ganz bestimmte Lage für den Hebel 37 und somit für die Muffe 35, was eine ganz bestimmte Stellung der Fliehgewichte des Reglers 16 und eine entsprechende Drehzahl voraussetzt. Daraus geht hervor, dass mittels des Rollenstössels 31 die Drehzahl der Gasturbinengruppe 2 ein gestellt werden kann.
In gleicher Weise lässt sich auch mit dem Rollenstössel 33 ein bestimmter Sollwert für die Temperatur im Brennraum 5 einstellen. Steigt diese Temperatur über den Sollwert hinaus, so hebt sich die Druckdose 20 und verstellt mittels des Hebels 49 den Steuer schieber 50. Aus der Druckmittelleitung 51 tritt Druckmittel unter den Stellkolben 52, dessen Oberseite mit dem Druckmittelablauf in Verbindung gebracht wird.
Der Stellko-l- ben 52 geht nach oben, wodurch sich der Durchfluss an der Brennstoffregelnadel 53 vergrössert. Die Nadel 53 steuert die Menge des zurückgeführten Brennstoffes durch die Rückführleitung 54. Während dieBrennstoff pumpe 55 über die Zufuhrleitung 56 eine konstante Brennstoffmenge fördert, wird ständig ein Teil über die Rückführleitung 54 in die Saugleitung 57 zurückgeführt und damit die über die Düsen 6 eingespritzte Brennstoffmenge bestimmt.
Beim Anheben der Nadel 53 vergrössert sich die rück geführte Menge. Dementsprechend sinkt die eingespritzte Brennstoffmenge und damit die Temperatur im Brennraum 5.
Die Brennstoff-Steuervorrichtung hat ebenfalls eine nachgiebige Rückführung für den Steuerschieber 50, indem der Stellkolben 52 mit dem Rückführkolben 58 verbunden ist. Bewegt sich der Kolben 58 mit dem Kolben 52 nach oben, so wird Druckmittel aus dem Raum unterhalb des Stellkolbens 59 angesaugt, der nach unten geht und den Steuerschieber 50 in seine Abschlussstellung zurückführt.
Dabei wird die Stellfeder 60 gespannt. Indem nun über die regelbare Drosselöffnung 62 aus der Druckmittel zufuhrleitung 63 langsam Druckmittel in den Raum unter dem Kolben 59 zugeführt wird, tritt folgendes ein: Die durch die verringerte Temperatur im Brennraum 5 hervorgerufene Änderung im Temperaturfühler 19 bewirkt ein Zusammenziehen der Druckdose 20 und eine Drehung des Hebels. 49 um das Gelenk 64, weil nun gleichzeitig der Kolben 59 nach oben geht und die Feder 60 sich langsam entspannt.
Der Steuerschieber 50 bleibt da bei in seiner Abschlussstellung und die Regel- vorrichtung ist in Ruhe, wenn diese Stellung erreicht ist und die Feder 60 entspannt ist. Bei unter den Sollwert sinkender Temperatur verlaufen die Vorgänge mit entgegengesetz- tem Vorzeichen.
Zieht der Flugzeugführer mittels des Hebels 21 die Nockenstange 23 nach links, so verschieben sich die Rollenstössel 31 und 33 nach unten und stellen höhere Sollwerte für die Drehzahl und die Temperatur und infolgedessen eina höhere Leistung ein.
Um nun die Leistungserhöhung zu beschleunigen., sind folgende Vorrichtungen vorgesehen, die vorübergehend die Propellerflügel 15 im Sinne einer Drehzahlverminderung verstellen und die Temperatur über den neuen Sollwert hinaus steigern, bevor der neue Beharrungszustand erreicht ist. Hierzu dienen die Rollenstössel 32 und 34, die mit Verdrängerkolben 65 und 66 verbunden sind.
Durch die Verschiebung der Stange 23 nach links wird der Kolben 65 nach unten gedrückt; em verdrängt den Kolben 43 ent gegen der Kraft der Feder 45 nach oben, so da.ss der Steuerschieber 36 sofort Druckmit tel über die Leitung 39 links vom Kolben 1 3 eintreten lässt und eine grössere Anstellung der Propellerflügel 15 herbeiführt. Gleich zeitig bewegt sich der Vredrängerkolben 66 nach oben, und der Kolben 59 wird entgegen der Kraft der Feder 60 nach unten gedrückt.
Infolgedessen öffnet der Schieber 50 den Druckmittelzufluss zur Oberseite des Stell kolbens 52 und verringert die rückgeführte Brennstoffmenge, so dass die eingespritzte Brennstoffmenge erhöht wird.
Die Einwirkung der Verdrängerkolben 66 und 65 ist deshalb nur vorübergehend, da der Druckmittelab- bezw. -zufluss über die Dros selstellen 46 und 62 die Entspannung der Federn 45 und 60 ermöglicht, so dass die Kolben 43 und 59 in die der neuen Lage der Rollenstössel 31 und 33 entsprechende Regel stellung eingestellt werden und die Drehzahl und die Temperatur im Beharrungszustand den durch die Stössel 31 und 33 eingestellten Sollwerten entsprechen.
Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung können auch für Antriebs anlagen von Wasserfahrzeugen verwendet werden. Sowohl bei Luftfahrzeugen als auch bei Wasserfahrzeugen ist zweckmässig ein Untersetzungsgetriebe zwischen der Antriebs turbine und dem Propeller vorzusehen. An Stelle des gezeichneten Systems einer offenen Gasturbine, bei welcher das erzeugte Treib gas nach der Entspannung vollständig aus der Antriebsanlage austritt, können auch andere Gasturbinensysteme, wie z. B. mit vollständig geschlossenem Umlauf des Treib gases und mit äusserer Erhitzung desselben sowie auch mit teilweisem Umlauf von Treibgas verwendet werden.
Dabei kann der Propeller durch eine besondere Turbine an getrieben sein unabhängig vom Antrieb des Verdichters durch eine weitere Turbine, wo bei die Änderung der Drehzahl sich auf die den Propeller antreibende Turbine beschrän ken kann, während die weitere Turbine und der Kompressor mit konstanter Drehzahl be trieben werden können.