Einrichtung zur Steuerung von Verbrennungsgasturbinen. Die Erfindung bezieht sieh auf eine Steuer einrichtung für Verbrennungsgasturbinen.
Die erfindungsgemässe Einrichtung zur Steuerung einer Verbrennungsgasturbine, tun die Temperatur des Arbeitsfluidums auf einem einstellbaren Bezugswert zu halten, be sitzt ein temperaturempfindliehes Element., das unter der Einwirkung der Temperatur des Arbeitsfluidums steht und bei welchem eine Abweichung der Fluidumtemperatur vom Be zugswert. eine fiiderung einer elektrischen Eigenschaft. bewirkt, wobei dieses Element.
in einem elektrischen Stromkreis eingeschaltet ist, dessen Ausgangsspannung bezeichnend ist für die Abweiehungarielitun;- des Momentan wertes der Temperatur des Arbeitsfluidums vorn gewählten Bezugswert, und ferner ist ein Elektronenverstärker vorgesehen, an den die genannte Ausgangsspannung angelegt werden kann, wobei die Ausgangsspannung des Ver stärkers zur Steuerung der Rotationsrichtung von elektrischen Antriebsmitteln dient, mit tels welchen Steuermittel. der Maschine be- tätigbar sind, und zwar in der der erwähnten jeweiligen Abweiehungsrichtung entsprechen den Richtung, um die Temperatur des Arbeits fluidums wieder auf den eingestellten Bezugs wert zu bringen.
Die Steuermittel der Maschine besitzen ziveekniässig Or-aiie zur Pe-ulierung der Brennstoffströmung zu den Brennkammern der Maschine oder Organe zur Steuerung der Kühlmittelzufuhr in den Kompressor oder in eine Brennkammer der Maschine;
sie können auch Mittel zur Verstellung des Anstellwin- kels eines durch die Maschine antreibbaren Verstellpropellers aufweisen, oder Mittel zur Veränderung des Mengenverhältnisses des den verschiedenen Maschinenteilen zugeführten Arbeitsfluidums. Ebenso können Mittel vor gesehen sein,
um die Schaufelwinkel einiger oder aller Stator- oder Rotorschaufelkränze einer Turbine oder eines Kompressors der Ma- sehine zu ändern, oder auch Mittel zur Regu lierung der Brennstoffzufuhr ztt einer Tur- binenabg as-Aufheizvorrichtung.
Ist die Verbrennungsgasturbine als Strahl triebwerk ausgebildet, können die Steuermit tel der Maschine zum Beispiel eine Vorrich tung zur hluerschnittsänderung der Strahl düse oder Mittel zur Regulierung der Brenn stoffzufuhr zu einer Aufheizvorrichtung für den Abgasstrahl aufweisen.
Die Einrichtung zur Steuerung einer Ver brennungsgasturbine zur Erhaltung der Tem peratur des durch das Turbinensystem strö menden Arbeitsfluidums auf einem einstell baren Bezugswert durch Änderung der Brenn stoffzufuhr zti den Brennkammern der Gas turbine kann ein erstes Brennstoffsteuerorgan ,aufweisen, das von Hand einstellbar ist, zur Festlegung eines maximal möglichen Brenn stoffstromes für jede Stellung dieses Organes, und ferner kann ein zweites Brennstoffsteuer organ vorgesehen sein, mittels welchem der Brennstoffstrom unter diesen maximal mög- liehen Wert gesenkt werden kann,
wobei dieses zweite Organ zum Beispiel durch einen Elek tromotor betätigbar sein kann, wobei der er wähnte Verstärker die Drehrichtung dieses Motors und demzufolge die Betätigungsrich tung des genannten zweiten Steuerorganes steuern kann, und zwar entsprechend der er wähnten Abweichungsrichtung, um die Tem peratur des Arbeitsfluidums wieder auf den eingestellten Bezugswert zu bringen.
Die ge nannte Einrichtung kann ferner Betätigtmgs- mittel zur Einstellung des erwähnten Bezugs wertes besitzen, die zum Beispiel mit dem er sten Steuerorgan verbunden sein können, wo bei jeder Einstellage des letzteren ein bestimm ter Temperaturbezugswert entspricht.
Das temperaturempfindliche Element kann zum Beispiel der Temperatur der Abgase des Turbinensystems in einem zugehörigen Ab gasrohr unterworfen sein und besitzt zweck mässig ein Thermoelement, das in den erwähn ten Stromkreis eingeschaltet ist, der zum Bei spiel Mittel zur Erzeugung einer Bezugsspan nung besitzt,, mitl welcher die Spannung des Thermoelementes verglichen werden kann.
Das temperaturempfindliche Element kann auch ein Widerstandsthermometer sein, das zum Beispiel einen Teil einer einstellbaren Widerstandsbrücke bildet, die im genannten Stromkreis enthalten ist.
In der beiliegenden Zeichniuig, die rein schematisch gewisse Ausführungsformen der Erfindung darstellt, zeigt: F!3. 1 die Anwendung der Erfindung an einer Strahlmaschine eines Flugzeuges zur Kontrolle der Temperatur der durch die Tur bine und die Strahldüse hindurchgehenden Gase, Fig. 2, 3 und 4 verschiedene Anordnungen von Steuerungsventilen für die Brennstoff zufuhr zur Strahlmaschine,
Fig.5 eine Variante einer Ausführungs form der vom Pilotlen betätigten Kontrollein- richtung in einem Flugzeug und Fig. 6 ein elektrisches Schaltschema für das Beispiel gemäss Fig.1.
Es ist ein allgemeines Merkmal von Ver- brennungsturbinen, dass eine hohe Temperatur des Arbeitsfluidums eine hohe spezifische Lei stung und einen hohen thermischen Wirkungs grad mit, sieh bringt. Die rasche Festigkeits abnahme der Materialien, aus denen Elemente einer Gasturbine gebaut sind, mit zunehmen der Temperatur des Arbeitsfluidums setzt. je doch den anzuwendenden Maximaltemperatu- ren eine praktische Grenze.
Ferner ist es zur Erzielung von Gasturbinen mit, kleinen Di- mensionen und gerin-ern Gewicht\ üblich, Ele mente wie die Turbinenrotoren mit. hoher Ro tationsgeschwindigkeit. laufen zu lassen, was wiederum zur Folge hat, dass der Rotor und die mit ihm verbundenen Schaufeln hohen Be anspruchungen durch die Zentrifugalkräfte ausgesetzt. sind, so dass es notwendig ist Mit tel vorzusehen, durch die eine genaue Kon trolle der Temperatur des Arbeitsfluidums er reicht werden kann, so dass ein sicheres Ar beiten bei den günstigsten Bedingungen ge währleistet ist.
In Fig. 1 ist! die Strahlant.riebsmaschine 10 mit dem Strahlrohr 11 und den Brennstoff zufuhrorganen 12, die durch die Brennstoff leitung 13 gespeist werden, schematisch dar gestellt.
Der Brennstoff wird durch die Leitung 11 aus einem üblichen Aufbew ahrungsbehälter entnommen und gelangt. durch die Leitung 15 zu der von der Maschine angetriebenen Pumpe 16 Lund voll cla aus durch die Leitungen 17 und 18 zu einem von Hand bedienten Ventil 19 Lind in die Leitung 13. Das Ventil 19 wird über einen Hebel 20 vom Piloten gesteuert.
Eine Nebensehlussleittuig 21 ist zwischen den Leitungen 18 Lind 14 vorgesehen, und ein Ven til 22 kontrolliert den Brennstoffstrom vom Auslass der Pumpe 16 zurück zur Einlasslei- tung 15, wodurch die Brennstoffmenge, die durch die Leitung 18 und das Ventil 19 in die Maschine gelangt, reguliert wird. Das Ventil 22 wird durch den Elektromotor 23 betätigt, dem durch die Leitungen 21 von einem bei 25 schematisch dargestellten Elektronenverstär ker Strom zugeführt wird.
An einer geeigneten Stelle des Auspuff rohres il der Turbine sind ein oder mehrere Thermoelemente 26 angebracht, die hinterein- ander oder parallel geschaltet sein können und der Temperatur des Rohres bzw. der darin befindlichen Gase ausgesetzt sind.
Die im Tliermoeleinent, erzeugte Spannung wird über die Drähte 27 einer Umformer- und Elektro- nenröhren-Verstä.rkeranlage 25 irgendeiner be kannten Art, zugeführt, uni die automatische Stenerun- zu bewirken. Zti diesem Zweck wird die vom Tlermoelement erzeugte Spannung einem Spannungsteiler 29 zugeführt, wo sie mit einer Bezugsspannung, die von einer Bat terie über Drähte 28 geliefert wird, verglichen wird.
Jede Spannungsabweichung wird in eine Weeliselspannun, umgeformt, die der Verstär- keranlage zugeführt wird.
Bei der Ausführungsform einer elektri schen Schaltung gemäss Fij. 6 ist die eine An sehlussklenime des Thermoelementes 26 mit. dein Ende 33 des Widerstandes 29 verbunden, während die andere Ansehlussklemme über einen Vibrationsschalter 60 und die beiden Eingangsklemmen eines Transformators 61 mit dem verschiebbaren Kontakt 30 verbunden ist. Zur Betäti-nng des Vibrationsschalter;s 60 ist eine mit einem Weellselstromgenerator 63 parallel geschaltete Spule 62 vorgesehen.
Die Ausgangsspannung des Transformators 61 ist über einen Elektronenröhrenverstärker 66 an die eine Feldwicklung 65 des Induktions motors 23 angelegt. Die andere Feldwicklung 64 ist parallel mit dem Generator 63 verbun den.
Der Verstärker 66 ist. derart gebaut, dass die in ihm auftretende Phasenverschiebung- ein Weellselfeld der Feldwicklung 65 ergibt, das entweder 90 oder 2700 phasenverschoben ist in bezug auf das Weeliselfeld der Feldwicklun 64, je nachdem, ob die Spannungsabweichung des Thermoelementes, die über den Vibrations- schalter 60 an den Transformator 61 angelegt ist, positiv oder negativ ist.
Ist. die Phasendif ferenz 900, wird ein Rotationsfeld, das in der einen Richtung rotiert, erzeugt, und ist die Phasendifferenz 270 , so wird ein in entgegen gesetzter Richtung rotierendes Rotationsfeld erzeugt. Demzufolge hängt die Drehrichtung des Ankers des Induktionsmotors 23 davon ab, ob die Temperatur des Thermoelementes grö- sser oder kleiner ist als der durch den Kon takt 30 bestimmte fiert.
Bei dieser speziellen Ausführungsform der Erfindung befindet, sieh der bewegliche Kon takt 30 des Spannungsteilerwiderstandes 29 auf einer Verlängerung 31 des Bedienungs liebels 20, durch welchen das Brennstoffventil 19 von Hand betätigt wird.
Der Einstellbereich des Bedienungshebels 20, 31 umfasst vier Abschnitte, nämlich den Abschnitt. 1-2 für Leerlaufstellung, den Ab schnitt 2-3 zur Einschaltung der automati schen Steuerung, den Abschnitt 3-4, umfas send den normalen Arbeitsbereich, innerhalb welchem die Temperatur reguliert wird, und den Abschnitt 4-5 für maximale Krafterzeu gung für Notfälle, der nur bei besonderen An lässen benutzt wird. Um eine versehentliche Bewegung des Hebels über 4 hinaus zu ver hindern, ist an dieser Stelle vorteilhaft eine Sperre vorgesehen.
Im Leerlaufabschnitt ist das Handventil nur verhältnismässig wenig geöffnet., so dass nur ein geringer Brennstoffstrom fliesst und keine automatische Steuerung erforderlich ist. Dies wird erreicht, indem man die Steuerung, wie nachstehend beschrieben, auf eine Tempera tur einstellt, die wesentlich über den in dieseln Bereich vorkommenden Temperaturen liegt. Das automatische Ventil ist deshalb nicht in Funktion und die Steuerung erfolgt allein durch das von Hand betätigte Ventil 19.
Im Abschnitt nvisehen 2 und 3 wird die automatische Steuerung eingeschaltet und die gewählte Einstelltemperatur ist die niedrigste, z. B. 5000 C, die bei normalem Betrieb verwen det wird.
Im Abschnitt zwischen 3 und 4 kann man die Temperatur ansteigen lassen bis zum Bei spiel auf 6500 C, wodurch eine erhöhte Lei stung bewirkt wird, während im Notfall ein weiterer Temperaturanstieg bis etwa 7000 C zulässig ist.
Die Veränderung der eingestellten Tem peratur erfolgt durch die Bewegung des Kon taktes 30 über den Widerstand 29.
Wird der Hebel 20 aus der Maximallei- stungslage (Punkt 5) zurückbewegt, bewegt sich der Kontakt 30 vom Punkt 32 des Wider standes 29 weg, bis der Hebel 20 die Stellung 3 erreicht hat. In diesem Moment erreicht der Kontakt 30 den Punkt 33 des Widerstandes und hat so den ganzen Bereich des Spannungs- teilerwiderstandes 29 durchlaufen. Bewegt man den Hebel weiter gegen den Punkt 2 hin, so kommt der Kontakt 30 mit einem Kontakt block 34 in Berührung und schleift atü die sem, so dass der Strom eingeschaltet bleibt, bis der Punkt 2 oder irgendeine Lage zwischen 2 und 3 erreicht ist.
Dadurch wird erreicht, .dass in irgendeiner Lage zwischen den Punkten 2 und 3 die maximal zulässige Temperatur <B>5000</B> C ist. Bewegt man den Hebel 20 vom Punkt 2 noch weiter gegen den Punkt 'l hin, so greift der Hebel 31 in einen Schalter 35 ein, der zwischen den Kontakten 36 und 37 wirkt und der sich demzufolge vom Kontakt 36 zum Kontakt 37 bewegt, wodurch die Verbindung des Verstärkers 25 mit dem Kontakt 30 gelöst und der Verstärker 25 mit dem Ende 32 des Widerstandes 29 verbunden ist.
Die Bewegung des Schalters 35 erfolgt., nachdem der Hebel 20 Punkt 2 passiert hat, wobei der Schalter 35 während der ganzen Bewegung des Hebels 20 zwischen den Punkten 1 und 2 mit dem Kon takt 37 in Verbindung ist. Wenn der Schalter 35 mit dem Kontakt 37 in Berührung steht, ist, da die elektrische Verbindung des Schal ters 35 über den Kontakt 37 der Verbindung über die Kontakte 36 und 30 und die Kontakt stelle 32 äquivalent ist, die gewählte Tempera tur dieselbe wie diejenige, als der Kontakt 30 mit dem Ende 32 des Widerstandes 29 verbun den war, nämlich<B>7000</B> C.
Da diese Tempera tur mit dem kleinen, über das Ventil 19 ein gestellten Brennstoffstrom nicht erreicht wird, ist. die automatische Steuerung unwirksam, das heisst der Motor 23 wird derart betätigt, dass die Nebenschlussleitung 22 vollständig ge schlossen wird. Wenn dagegen der Kontakt 30 des Hebels 20 sich atü dem Kontaktstück 34 befindet und der Schalter 35 mit dem Kon takt 36 in Berührung ist, wird der Motor 23 derart betätigt,
dass die N ebenschlussleitung 22 vollständig geöffnet wird. Beim Betrieb der Anlage wird beim An lassen der Maschine aus dein Ruhezustand der Hebel 20 in eine geeignete Stellung zwischen dem Bereich 1 und 2 gebracht, so dass die Brennstoffzufuhr nur vom handbetätigten Ventil 19 beherrscht, wird und die Neben- schlussleit.ung 22 durch die Einwirkung des Motors 23 geschlossen ist.
Bei Vorwärtsbewe gung des Hebels 20 wird der Schalter 35 bei Erreichung des Punktes 2 oder kurz nachher umgelegt, so dass er den Kontakt 36 berührt, wodurch der Spannungsteilerwiderstand 29 in den Stromkreis eingeschaltet wird, wobei der Kontakt 30 sich an dessen Ende 33 befindet.
Wenn die Strahlrohrtemperatur über<B>5000</B> C ist, wird dadurch der Motor 23 betätigt Lind öffnet das Nebenschlussventil 22 so weit, dass ein Teil des von der Pumpe 7.6 kommen den Brennstoffstromes zur Eingangsseite der Pumpe zurüekeführt wird, ivodutrch sich die Temperatur auf<B>5000</B> C reduziert.
Dadurch wird sichergestellt, dass, wenn der Hebel 20 den Punkt. 3 erreicht, trotz für einen grösseren Brennstoffdurchlass genügender Öff nung des Handventils 19, das offene Neben- sehlussventil 22 einen solchen Brennstoff- durchlass verhindert und die Temperatur auf einem<B>5000</B> C nicht übersteifenden Wert hält.
Eine weitere Vorwärtsbewegung des He bels 20 öffnet das Handventil 1.9, so dass der Brennstoffstrom zunehmen kann. Diese Bewe gung des Hebels 20 vom Punkt 3 zum Punkt. 4 bewegt jedoch auch den Kontakt 30 entlang dem Widerstand 29, wodurch die Einstelltein- per atur eingestellt und der Motor 23 so be tätigt wird, dass er das Ventil 22 nach und nach in entsprechendem Masse schliesst, wo durch der Maschine mehr Brennstoff zuge führt wird, und die Temperatur ansteigt und höhere Leistungen erhalten werden; dies dauert so lange, bis der Hebel 20 den Punkt. -1 erreicht hat, und darüber hinaus auch in dem für Notfälle vorgesehenen Bereich.
Man sieht daraus, dass die einzige vom Pi loten durchzuführende Massnahme darin be steht, den Hebel 20 so in irgendeine Lage zu bringen, die der gewünschten- Maschinenlei- stung entspricht. Das automatische Ventil 22 wird dadurch so eingestellt, dass ein solcher Brennstoffstrom erhalten wird, da.ss die Tem peratur im Abgasrohr 11 auf der durch den Hebel 20 angegebenen Temperatur gehalten wird.
Wenn die Arbeitsbedingungen des Flug zeuges sich ändern, so dass eine Änderung der Temperatur der Abgase im Abgasrohr 11 statt findet, ist die vom Thermoeleinent 26 abgege bene Spannung nicht mehr mit. der am Wider stand 29 eingestellten Spannung ausgeglichen, so dass vom Verstärker ein Strom zum Motor 23 fliesst, welcher das Ventil 22 so einstellt, dass die gewünschte Temperatur wieder her gestellt wird.
Bei der in Fig.1 gezeigten Ausführungs form ist das Nebenscblussventil 22 so angeord net, dass seine Wirkung durch Abzweigung von Brennstoff und Rückleitung zum Ein gang der Pumpe 16 erfolgt, doch können viele andere Anordnungen von handbedienten und automatischen Ventilen verwendet werden. So kann zum Beispiel in der in Fig. 2 darge stellten Anlage das Handventil 39 durch den Bedienungshebel 38 im Pilotensitz eingestellt werden, während das Hilfsventil 40 mit dem Ventil 39 in Serie geschaltet ist.
Die Brenn stoffpumpe ist bei 41 und ein Abstellventil für die Turbine bei 42 dargestellt; letzteres wird von Hand von seiner ganz offenen in die ganz geschlossene Stellung gebracht, wenn die Turbine abgestellt werden soll. Ein ähnliches von Hand bedientes Ventil 43 ist im Neben schluss zum automatischen Ventil 40 vorgese- lien; doch ist dieses Ventil normalerweise ge schlossen und wird nur geöffnet, wenn die automatische Kontrolleinrichtung versagt.
Da (las Ventil 40 mit dem Ventil 39 in Serie ist, ist es so eingerichtet, dass es ganz offen steht, wenn das Handventil 39 in Leerlaufstellung ist, und automatisch im erforderlichen Grad geschlossen wird, um den Brennstoffstrom und infolgedessen die Temperatur einzu schränken, wenn der Bedienungshebel im Pi lotensitz zwischen den Punkten 2 und 3 steht. Bei der Öffnungsbewegung des Bedienungs hebels über den Punkt 3 hinaus wird das Ven til 40 automatisch gesteuert, so dass die ge- wünschte Brennstoffzufuhr unabhängig vom öffnungsgrad des Ventils 39 erfolgt.
Bei der in Fig. 3 gezeigten Anordnung führt. die Pumpe 44 Brennstoff zum Hand ventil 45 und zum automatischen Ventil 46, die zueinander parallel geschaltet sind. Die Abstell- oder Notventile 47, 48 sind wie ge zeigt angebracht. In diesem Fall ist das auto matische Ventil im Drosselbereich zwischen 1 und 2 geschlossen und im kontrollierten Tem peraturbereich geöffnet, so dass genügend zu sätzlicher Brennstoff hindurchgeht, damit die gewünschte Temperatur erreicht werden kann, da das von Hand bediente Ventil 45 weniger Brennstoff durchlässt, als hierzu erforderlich wäre. In diesem Falle ist der Schalter 35, 36, 37 nicht notwendig.
Bei der in Fig. 4 gezeigten Anlage ist die Handsteuerung bei 49 und das automatische Steuerventil bei 50 angegeben. Die Anordnung ist derart, dass ähnlich wie in Fig. 1 ein vor bestimmter Brennstoffstrom im Nebenschluss zum Einlass der Pumpe 51 geführt wird. Die Not- und Abstellventile sind bei 52 und 53 dargestellt.
Es ist nicht notwendig, dass die Wahl der Arbeitstemperatur und die Betätigung des von Hand einzustellenden Ventils vom gleichen Steuerhebel aus erfolgen, und in Fig.5 ist eine Anordnung gezeigt, in welcher zwei ge trennte Hebel vorgesehen sind. Der Hebel 54 betätigt das handbediente Ventil 55, und ein besonderer Hebel 56 betätigt das Kontaktele ment 5 7 des Spannungsteilers 58 für die Steue rung des automatischen Ventils 59. Die Ven tile 55 und 59 können, wie dargestellt, ähnlich wie in Fig.1 oder aber wie in Fig. 2 bis 4 an geordnet sein.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ist das auf Temperaturänderungen ansprechende Element ein Thermoelement,, dessen Spannung in einem Spannungsteiler mit einer Bezugs spannung verglichen wird.
Gemäss einer Va riante kann man aber auch ein Widerstands thermometer vorsehen, das der Temperatur des Arbeitsfluidums ausgesetzt wird und das einen Arm einer Widerstandsbrücke bildet, von der ein anderer Arm zur Wahl des Ein- stellwertes einstellbar ist, wobei die Ausgangs klemmen der Brücke mit einem geeigneten Elektronenröhrenverstärker in Verbindung stehen. Letzterer ist mit einem Motor zur Ein stellung des Ventils, wie oben beschrieben, verbunden.
Dem Eingang der Brückenschal tung wird Gleich- oder Wechselstrom zuge führt, wobei aus Gründen der Vereinfachung Wechselstrom vorzuziehen ist, besonders wenn ein von der Turbine angetriebener oder unab hängiger -\'@'echselstromgenerator für bereits andere Zwecke vorgesehen ist, der auch zur Speisung der Brücke verwendet werden kann.
Die Verwendung der beschriebenen Wider standsbrücke hat den Vorteil, dass die Appa ratur durch Änderungen der durch die Bat, terie gelieferten Spannung infolge Tempera- turschwankungen, die bei Anwendung der An lage in Flugzeugen auftreten, nicht beein trächtigt wird. Sie bietet den weiteren Vorteil, dass durch den Wegfall des Thermoelement@es die wechselnden Temperaturen, denen die kalte Verbindungsstelle ausgesetzt ist, nicht kompensiert werden müssen.
Die Steuerung der Maschine kann auch durch Veränderung des Flügelanstellwinkels eines Verstellpropellers erfolgen, der von der Maschine angetrieben wird, oder man kann die Schaufelwinkel eines oder aller Statoren bzw. eines oder aller Rotoren einer Turbine oder eines Kompressors verändern. Statt die Brennstoffzufuhr zur Turbine zu kontrollieren, kann man auch die Brennstoff zufuhr zu einer Einrichtung für die Wieder erhitzung der Abgase kontrollieren, sofern eine solche verwendet wird.
Ein weiteres Steuerungssystem für die Maschine besteht darin, in einen Kompressor oder die Verbren nungskammer ein Kühlmittel, wie Wasser oder Methanol, einzuspritzen. Ferner kann man die Düsenöffnung des Treibstrahls verändern, da dies einen Einfluss auf die Temperatur und Druckbedingungen in andern Teilen der Ma schine ausübt. Schliesslich kann die Steuerung auch durch Einstellung der Menge des den verschiedenen Teilen der Kraftanlage, wie der Kraftturbine und dem Wärmeaustauseher, zugeführten Ar beitsfluidums erfolgen.