Drehzahlreguliereinrichtung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Drehzahlreguliereinrichtung bei Rückstoss - Gastur binentriebwerken, mit einer ersten veränderlichen Spannungsquelle zur Einstellung einer der vorge wählten Drehzahl entsprechenden Gleichspannung, einer zweiten veränderlichen Spannungsquelle zur Erzeugung einer von der momentan erreichten Dreh zahl abhängigen Wechselspannung, einem mit dem Ausgang der zweiten Spannungsquelle verbundenen,
zur ersten Spannungsquelle in Kompensationsschal tung liegenden Gleichrichter sowie auf die resultie rende Kompensationsspannung ansprechenden Vor richtungen zur Steuerung der Stellmittel für die Treibstoffzuflussregulierung.
Die Erfindung bezweckt die Schaffung einer Drehzahlreguliereinrichtung, beispielsweise für eine Gasturbinenkraftanlage, welche die maximal zuläs sige Drehzahländerung auszunützen und eine auto matische Drehzahlregelung auf einen gewünschten Wert ermöglicht, sowie die zulässige Höchstdreh zahl innerhalb sehr enger Grenzen einzuschalten gestattet. Ferner soll die Reguliereinrichtung die Einstellung einer gewählten Drehzahl ermöglichen, ohne dass die Maschine auch nur kurzzeitig auf eine höhere Tourenzahl beschleunigt wird, falls die ge wählte Drehzahl der zulässigen Höchstdrehzahl ent spricht.
Die erfindungsgemässe Drehzahlreguliereinrich- tung ist dadurch gekennzeichnet, dass an den Ausgang der zweiten Spannungsquelle zusätzlich eine fre- quenzempfindliche Vorrichtung angeschlossen ist, die bei Erreichen einer der gewünschten Höchst drehzahl entsprechenden Frequenz eine Ausgangs spannung liefert, dass der Ausgang dieser Vorrich tung über eine Leitungsverbindung an die Eingangs leitung der auf die Kompensationsspannung anspre chenden Vorrichtungen angeschlossen ist und dass in der Leitungsverbindung vorgespannte gleichrich tende Mittel vorgesehen sind,
welche die eine Halb welle der Ausgangsspannung der frequenzempfind- lichen Vorrichtung in einem der Kompensations spannung dann entgegenwirkenden Sinne übertragen, wenn die Polarität der Kompensationsspannung auf weitere Drehzahlerhöhung über die erreichte Höchst drehzahl hinaus gerichtet ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist an Hand des beigefügten Prinzipschemas nachstehend näher erläutert.
Eine Gasturbinenkraftanlage 10 eines Flugzeuges besitze einen Rotor 11, bestehend aus einem Kom- pressorlaufrad 12' und einem Turbinenlaufrad 13', Zwischen dem Kompressor 12 und der Turbine 13 sind die Verbrennungskammern 14 angeordnet, in welche in aus der Brennstoffleitung 16 in der Pfeilrichtung 15 flüssiger Brennstoff eingespritzt wird. Der Zustrom an Brennstoff wird durch ein Brenn stoffregelventil 17 bestimmt, das eine kontinuierliche Regelung der Brennstoffmenge proportional der Stellung einer als Kurvenscheibe 18 angedeuteten Verstelleinrichtung ermöglicht.
Der Brennstoff wird dem Brennstoffregelventil 17 mittels einer Pumpe aus einem Brennstoffbehälter (nicht gezeichnet) über die Leitung 19 zugeführt.
Die Kraftanlage 10 ist mit einem Wechselstrom- Tachometergeneratör 20 versehen, der unmittelbar, wie im Prinzipbild angedeutet, oder mittels einer geeigneten übersetzung mit dem Rotor 11 verbun den ist.
Ein Schubwähler 22 ist zur Bedienung der Kraft anlage vorgesehen, der über eine schematisch ange deutete Welle 23 die Verstellung des Abgriffes 24 eines Drehzahlwähler-Potentiometers 25 gestattet. Das untere Ende dieses Potentiometers 25 ist bei 26 geerdet, und parallel zu ihm liegt eine Gleichspan- nung aus einer geeigneten Spannungsquelle, etwa einer Batterie 27, und zwar von solcher Polarität, dass das obere Ende des Potentiometers 25 gegen Erde positiv ist.
Der Schubwähler 22 und das Po tentiometer 25 sind dabei derart angeordnet, dass bei einer Verstellung des Schubwählerhebels in Richtung auf grössere Schubkraft, also höhere Ma schinenleistung, der Abgriff 24 am Potentiometer 25 nach oben bewegt wird, also eine höhere positive Spannung gegen Erde einnimmt, was einer höheren Maschinendrehzahl entspricht.
Die Ausgangsspannung des Tachometergenerators 20 gelangt über die Leitungen 28 und 29 zu einem Transformator 30, dessen Sekundärspannung seitens des aus den Dioden 32 und 33 bestehenden Gegen taktgleichrichters in eine Gleichspannung am Wider stand 34 umgeformt wird, die proportional der Tachometerspannung, also auch proportional der Drehzahl der Kraftanlage ist. Der durch die Dioden 32 und 33 gebildete Gegentaktgleichrichter kann mit geeigneten Filterelementen zur Glättung der Ausgangsgleichspannung versehen sein. Das linke Ende des Widerstandes 34 ist am Abgriff 24 des Drehzahlwähler - Potentiometers 25 angeschlossen.
Die Spannung vom Potentiometer 25 und die der Drehzahl proportionale Spannung der Gleichrichter schaltung wirken einander entgegen und kompen sieren sich gegenseitig vollständig, wenn die durch Verstellung des Potentiometers 25 gewählte Dreh zahl von der Kraftanlage erreicht ist. Bei vollstän diger gegenseitiger Kompensation beider Spannun gen führt die beiden Spannungsquellen gemeinsame Leitung 36 keine Spannung gegen Erde.
Wird aber eine andere Drehzahl am Drehzahlwähler- Potentiometer 25 eingestellt, oder weicht die Ma schinendrehzahl infolge geänderter Betriebsbedingun gen der Kraftanlage von der eingestellten Drehzahl ab, so weist die Leitung 36 eine positive oder negative Gleichspannung gegen Erde auf, welche ein Fehlersignal darstellt, das nach Grösse und Richtung der Drehzahlabweichung entspricht.
Diese Abweichung ergibt sich hierbei natürlich aus dem Unterschied zwischen dem am Drehzahlwähler-Po- tentiometer 25 eingestellten Spannung und der von der gleichgerichteten Spannung des Tachometer- generators 20 angegebenen tatsächlichen Maschinen drehzahl. Bei der im Prinzipbild dargestellten An ordnung stellt eine positive Spannung der Leitung 36 gegen Erde das einer zu niedrigen Drehzahl ent sprechende Signal zur Vergrösserung der Brennstoff zufuhr dar, während eine negative Spannung eine zu hohe Drehzahl signalisiert und eine Drosselung der Brennstoffzufuhr bewirkt.
Die an der Leitung 36 auftretende Gleichspan nung gelangt normalerweise über den Widerstand 37, die Leitung 38, den Widerstand 39, die Leitung 40 und den Widerstand 41 zu einem Spannungsumformer 42. Dieser Umformer 42 kann als Zerhacker oder als andere genau arbeitende Einrichtung zur Umwand lung der von der Leitung 36 kommenden Gleich- Spannung in eine Wechselspannung ausgebildet sein, wobei die Amplitude der Wechselspannung propor tional der Grösse des Gleichspannungs-Fehlersignals ist, und deren Phasenlage der Polarität des Fehler signals entspricht. Also kehrt sich das Ausgangs signal des Umformers in der Phase um 180 um, wenn sich die positive in eine negative Eingangsspan nung ändert.
Der Umformer oder Zerhacker 42 besteht hier aus einem Transformator 43 und zwei Dioden 44 und 45, die über je einen strombegrenzenden Wider stand 46 bzw. 47 mit den Enden der Sekundär wicklung des Transformators 43 verbunden sind. Der Mittelabgriff dieser Sekundärwicklung ist ge erdet. Der Umformer wird seitens einer geeigneten Wechselspannung gesteuert, die der Primärwicklung des Transformators 43 über die Leitung 48 und 49 zugeführt wird. Die Kathode der Diode 44 ist mit der Anode der Diode 45 am Punkt 50 ver bunden, dem das Fehlersignal zugeführt wird. Die Wirkungsweise dieses Umformers bzw. Zerhackers ist nachstehend erläutert.
Aus der Zusammenschaltung der Dioden 44 und 45 ergibt sich, dass während der einen Halb periode der Wechselspannung an der Sekundärwick lung des Transformators 43 beide Dioden einen Strom führen, der von der Sekundärwicklung über den Widerstand 47, die Diode 45, die Diode 44 und den Widerstand 46 zurück zur Sekundärwick lung verläuft. Während der andern Halbperiode der Wechselspannung sind beide Dioden 44 und 45 gesperrt. Somit besteht während der erstgenannten Halbperiode eine Verbindung zwischen dem Punkt 50 und der geerdeten Mittelanzapfung der Sekun därwicklung des Transformators 43.
Ein am Punkt 50 vorhandenes Gleichspannungs-Fehlersignal wird also während dieser Entsperrhalbperiode der Dioden 44 und 45 zur Erde abgeleitet. Dagegen besteht während der Sperrhalbperiode der Dioden keine der artige Überbrückung, so dass das Gleichspannungs- Fehlersignal am Punkt 50 unverändert bestehen bleibt. Somit entsteht eine unterbrochene Gleich spannung, deren Wechselstromanteil über den Kon densator 51 zum Wechselstromverstärker 52 üblicher Bauart gelangt.
Das in eine Wechselspannung um gewandelte Fehlersignal wird verstärkt und speist die Wicklung 53 eines Zweiphasen-Verstellmotors 54 zwecks Betätigung desselben in jener Drehrichtung, die über die Welle 55 und die Kurvenscheibe 18 eine erwünschte Korrektur der Brennstoffzufuhr ;ergibt. Der Motor 54 ist in seiner Drehrichtung von der Phase der Wechselspannung an seiner Wick lung 53 abhängig, da seine zweite Wicklung 56 von der Steuerwechselspannung des Umformers 42 an den Leitungen 48 und 49 gespeist wird. Zwischen den Erregerspannungen der Wicklungen 56 und 53 ist eine Phasenverschiebung von 90 erforderlich, wozu ein besonderes Phasendrehglied (nicht gezeich net) an einer der beiden Wicklungen vorhanden sein kann, oder im Verstärker 52 vorgesehen wird.
Vorzugsweise wird ein Verstärker 52 mit hohem Verstärkungsgrad und einer geeigneten selbsttätigen Regelung, ausser der nachstehend dargelegten Sta- bilisiereinrichtung in Verbindung mit dem Motor 54, verwendet. Diese Stabilisiereinrichtung kann be kannte Mittel umfassen, beispielsweise einen von der Motorwelle 55 angetriebenen Tachometergenera- tor (nicht gezeichnet), der ein Stabilisierungssignal zum Verstärkereingang liefert.
Dieses Stabilisierungs signal kann zweckmässigerweise eine solche Grösse besitzen, dass die Drehzahl des Verstellmotors 54 ungefähr proportional dem Gleichspannungsfehler- signal an der Leitung 40 ist.
Eine frequenzempfindliche Vorrichtung 60 in Form eines Filters ist parallel zu den Leitungen 28, 29 vom Wechselstrom-Tachometergenerator 20 ge schaltet. Wie aus dem Prinzipschema ersichtlich, handelt es sich um ein Hochpassfilter aus einer Serienkapazität 61 und einer Parallelinduktivität 62. Zur Erzielung eines schärfer abgegrenzten Durch lassbereiches kann der mit der Induktivität 62 in Serie geschaltete Kondensator 63 vorgesehen wer den.
Diese frequenzabhängige Schaltung speist die Leitungen 64 und 65, von denen die Leitung 65 geerdet ist. über die Leitung 64 gelangt die Aus gangsspannung des Filters 60 an die Kathode einer Diode 66, deren Anode an die Leitung 38 des Fehlersignalstromkreises angeschlossen ist. Die Diode 66 ist normalerweise durch eine positive Vorspan- nung an der Leitung 64 gesperrt, also nicht strom durchlässig.
Die Vorspannung wird seitens einer geeigneten Gleichstromquelle, etwa der Batterie 67, geliefert, die über das Potentiometer 68 und den Vorwiderstand 69 an der Leitung 64 angeschlos sen ist.
Ist im Betrieb die Höchstdrehzahl der Maschine erwünscht, so wird der Leistungswähler 22 in die der Höchstleistung entsprechende Lage gebracht und dabei das Potentiometer in eine Stellung ver schoben, die einer etwas höheren Drehzahl als der zulässigen und erwünschten Höchstdrehzahl ent spricht. Beim Erreichen der Höchstdrehzahl liefert der Tachometergenerator 20 gerade eine auf der Flanke des Durchlassbereichs des Hochpassfilters 60 gelegene Frequenz, so dass die Amplitude der Wech selspannung an der Leitung 64 und an der Ka thode der Diode 66 sehr rasch ansteigt.
Dabei über treffen dann bei einer bestimmten Frequenz die Amplituden der negativen Halbperioden der Wech selspannung die Sperrspannung seitens der Vorspan- nungsquelle 67. Die Entsperrung der Diode 66 hat eine Verminderung des Gleichspannungs-Fehler- signals am Punkt 38 zur Folge, wobei die Ampli tuden der negativen Halbperioden solche Werte annehmen, dass die Gleichspannung am Punkt 38 gegenüber Erde zu Null wird (bzw. vorübergehend negativ wird), also kein einen Drehzahlanstieg be wirkendes Fehlersignal über den Widerstand 39 übertragen werden kann.
Diese frequenzabhängige, die Höchstdrehzahl be- stimmende Schaltung weist einen genügend grossen Wirkungsbereich entsprechend der Stromkennlinie der Diode 66 auf. Der Punkt 38 besitzt nur dann das Potential Null gegen Erde, wenn die spannungs abhängige Schaltung, welche das positive Gleich-. stromfehlersignal auf der Leitung 36 erzeugt, und die über die Diode 66 angeschlossene frequenz- abhängige Schaltung einander entgegenwirken und sich gegenseitig in ihrer Spannung kompensieren.
Bei einer Drehzahlabweichung der Maschine gegenüber diesem Zustand vollständiger Kompensation, ergibt sich am Punkt 38 eine positive oder negative Gleich spannung, durch deren Einfluss die Maschine in den Zustand völliger Kompensation und damit auf die Höchstdrehzahl zurückgebracht wird. Diese Rege lungsart des Betriebes funktioniert aber nur inner halb eines engen Bereiches von Drehzahlabweichun gen der Maschine.
Es ist ersichtlich, dass die frequenzabhängige Filterschaltung über die Diode 66 ein Signal liefern kann, welches das der gewählten Drehzahl entspre chende Fehlersignal übertrifft, also einen frequenz- abhängigen Regler für die Höchstdrehzahl bildet. Solange deshalb der Drehzahlwähler auf einer die Höchstdrehzahl übersteigenden Stellung verweilt, ist die frequenzabhängige Begrenzungsautomatik für die Drehzahl wirksam, so dass die tatsächliche Dreh zahl den Höchstwert nicht überschreitet.
Ein wich tiges Merkmal dieser frequenzgesteuerten Höchst drehzahlbegrenzung ist, dass dieselbe tatsächlich nur eine Überschreitung des Höchstwertes verhindert, also das Auftreten eines positiven Gleichspannungsfehler- signals verhindert, sobald die Höchstdrehzahl er reicht ist, da andernfalls ein derartiges Fehlersignal eine weitere Drehzahlerhöhung zur Folge hätte. Jedoch findet keine Beeinflussung des negativen, eine niedrigere Drehzahl bewirkenden Fehlersignals statt, das eine Verminderung der Brennstoffzufuhr verursacht.
Also kann die Empfindlichkeit und der Verstärkungsgrad der die Diode 66 umfassenden frequenzabhängigen Drehzahlbegrenzungsschaltung sehr hoch sein, und eine sehr steile Regelung vorgesehen werden, zwecks Verhinderung einer auch nur kurzzeitigen Überschreitung der höchstzulässigen Maschinendrehzahl. Dabei tritt aber keine nachtei lige Beeinflussung der Stabilität des Regelsystems ein, da diese Begrenzung bei niedrigeren Drehzahlen nicht wirksam ist.
Eine Stabilisierung des Regelsystems beim über gang vom einen Zustand in einen andern wird mit tels der Potentiometer 70 und 71 erzielt, die beide an der Welle 55 des Verstellmotors 54 befestigt sind, und bei jeder Verstellung des die Brennstoff menge regelnden Motors 54 betätigt werden. Jedes der beiden Potentiometer 70 und 71 liegt an je einer Gleichspannungsquelle, etwa der Batterie 72 bzw. 73.
Von den beiden Potentiometern wird über die RC-Serienschaltungen 74, 75 bzw. 76, 77 je ein Stabilisierungssignal zum Anschlusspunkt 40 des Widerstandes 75 am- Stromkreis für das Gleichspan- nungsfehlersignal bzw. zum Anschlusspunkt 64 des Widerstandes 77 an der frequenzabhängigen Dreh zahlbegrenzungsschaltung übertragen. Angesichts der grossen Empfindlichkeit bzw.
Verstärkung der Dreh zahlbegrenzungsschaltung ist hierfür ein entspre chend starkes Stabilisiersignal erforderlich, wozu die Spannungsquelle 73, der Kondensator 76 und der Widerstand 77 entsprechend dimensioniert werden können. Ein derartiger Stabilisierungsstromkreis arbeitet folgendermassen: Bei einer Verstellung des Potentiometers 71 ändert sich die Spannung am Kon- densatör 76, also momentan auch am Anschluss 64, und zwar in einer Richtung, welche die Wir kung der Schaltung am betreffenden Anschluss be einträchtigt.
Jedoch erfolgt unmittelbar nachher ein Spannungsausgleich, so dass am Kondensator 76 nur noch die Spannungsdifferenz zwischen dem Punkt 64 und dem Abgriff des Potentiometers 1 liegt. Damit hat aber das Stabilisierungssignal aufgehört und erscheint erst wieder bei erneuter Verstellung des Potentiometers 71 und abermaliger Spannungsände rung am Kondensator 76. Es ist ersichtlich, dass der den Kondensator 74 und den Widerstand 75 enthaltende Stabilisierungs stromkreis bei allen Betriebszuständen unterhalb der zulässigen Höchstdrehzahl der Maschine wirk sam ist, nämlich solange der frequenzabhängige Teil der gesamten Regelschaltung nicht anspricht.
Bei diesen Betriebszuständen ist anderseits der den Kon densator 76 und den Widerstand 77 enthaltende Stabilisierungsstromkreis gänzlich unwirksam, ebenso wie die frequenzabhängige Drehzahlbegrenzungs- schaltung, an die er angeschlossen ist.
Das Stabili sierungssignal des den Kondensator 74 und dem Widerstand 75 enthaltenden Stromkreises ist weniger stark als das der Drehzahlbegrenzungsschaltung zu geführte Stabilisierungssignal, um ein entsprechend rascheres Ansprechen des das Gleichspannungs- fehlersignal übertragenden Stromkreises innerhalb des weiten Drehzahlbereiches zu erreichen, in wel chem das Regelsystem wirksam ist.
Sobald jedoch die zulässige Höchstdrehzahl erreicht wird, bewirkt das vom Stabilisierungsstromkreis mit dem Konden sator 76 und dem Widerstand 77 gelieferte starke Signal hauptsächlich die Stabilisierung des Regel systems während die frequenzabhängige Begren zungsschaltung in Funktion ist. Falls erwünscht, kann natürlich auch, anstelle der beiden Potentiometer 70 und 71, nur ein einziges Potentiometer zur Speisung beider Stabilisierungsstromkreise vorgesehen wer den. .
Zwischen der Leitung 38 und Erde kann vor teilhafterweise ein Kondensator 78 vorgesehen wer den, zwecks Erzielung einer Filterung bzw. Glättung der aufeinanderfolgenden kurzzeitigen Verringerung des Gleichspannungsfehlersignäls am Punkt 38 durch die rhythmisch entsperrte Diode 66, sobald die fre- quenzabhängige Begrenzungsschaltung beim Erreichen der Höchstdrehzahl wirksam wird.