Steuermechanismus Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Steuermechanismus in einer Turbine mit einer Düse zur Erzeugung eines gerichteten Treibmittelstrahles zum Beaufschlagen eines Laufrades. Dabei dient der Steuermechanismus zum Steuern des Treibmittel strahles.
Auf gewissen Anwendungsgebieten, wie z. B. bei Luftfahrzeugen, erschien es wünschbar, eine Turbine zum Antrieb eines Generators zur Erzeugung elek trischer Energie für die Betätigung gewisser Apparate im Flugzeug vorzusehen. Dabei wird eine unabhän gige in sich abgeschlossene Gas- oder andere Treib mittelquelle zum Antrieb der Turbine in solchen Fahrzeugen vorgesehen, wofür ein Gasgenerator zur Erzeugung einer konstanten Gasmenge der Einfach heit und des dauernd verfügbaren Gases wegen vor zuziehen ist. Die Verwendung eines Generators die ser Art stellt jedoch insofern Probleme, als das un- benützte oder nicht benötigte Gas das Fahrzeug beschädigen oder andere Mängel verursachen könnte, bevor seine Aufgabe erfüllt ist.
Die Erfindung bezweckt daher die Bereitstellung eines einfachen Steuersystems in einer Turbine, welche die Regelung der Drehgeschwindigkeit des Turbinenrades durch Drosselung und Umleitung des Treibgases ohne Druckverlust im Gaserzeuger be wirkt.
Dieser Steuermechanismus ist dadurch gekenn zeichnet, dass in den erweiterten Kanalteil bewegbare Ablenkmittel zur Ablenkung des Treibstrahles vor gesehen sind, um durch Ablenkung des Treibstrahles die am Laufrad geleistete Arbeit zu verkleinern.
Einige Ausführungsbeispiele des Erfindungs gegenstandes sind an Hand der beiliegenden Zeich nung erläutert; es zeigen: Fig.l einen Vertikalschnitt durch den erfin dungsgemässen Steuermechanismus einer Aktionstur- binendüse, Fig.2 einen Schnitt ähnlich Fig. 1 durch den Steuermechanismus mit der zugeordneten Düse in anderer Betriebsstellung, Fig. 3 eine schematische Darstellung mit einem Zentrifugalregler zur Betätigung des Steuermechanis mus, Fig. 4 einen Vertikalschnitt durch eine Variante,
Fig. 5 und 6 ähnliche Schnitte weiterer Varianten mit beweglichen Teilen in anderen Betriebsstellungen, Fig. 7 eine schematische Darstellung der Einrich tung zur Erzeugung von Treibgas für die Turbine mit ebenfalls schematisch dargestelltem Steuermecha nismus.
In den Fig. 3 und 7 der beiliegenden Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an einer Turbine 10 mit einem auf einer Welle 12 sitzenden Laufrad 11 dargestellt, deren Welle 12 in geeigneten, in der Zeichnung nicht dargestellten Lagern gelagert ist. Das Laufrad ist in einem Gehäuse 13 angeordnet und weist an seinem Umfang Schaufeln 14 auf, welche durch ein Fluidum beaufschlagt werden, wel ches das Laufrad in Drehung versetzt.
Bei allen dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die Düse von Laval-Bauart. Sie ist an einen Gaskanal 15 angeschlossen, der wie aus Fig. 7 ersichtlich ist mit dem Austritt eines Gasgenerators 16 verbunden ist, und im dargestellten Beispiel einem solchen für festen Brennstoff entspricht. Das bei der Verbrennung des Brennstoffes entstehende Gas strömt durch den Kanal 15 zur Düse 17. Bei allen darge- stellen Varianten weist die Düse. einen in der Strö mungsrichtung sich verengenden Eintrittsteil 18 und einen sich erweiternden Austrittsteil 20 auf, die mit- einander durch den engen Hals 21 verbunden sind.
Die Verengung des Eintritts und die Erweiterung des Austrittsteils sind derart bemessen, dass das aus dem Kanal 15 unter Druck durchströmende Treibgas in einen Strahl von bestimmter Geschwindigkeit ver wandelt und der Gasdruck am Austrittsende minde stens annähernd auf Atmosphärendruck reduziert wird. Dieser durch den Düsenaustrittsteil ausströ mende Strahl trifft auf die Schaufeln des Laufrades und versetzt dasselbe in rasche Drehung.
Zur Regelung der Rotationsgeschwindigkeit des Turbinenlaufrades ist ein Mechanismus vorgesehen, der die Strömung des Treibgases in bestimmten Inter vallen ablenkt. Bei einer solchen Vorrichtung gemäss Fig. 1 und 2 weist der Ablenkmechanismus 22 einen Bolzen _ 23 auf, welcher in einer Hülse 24 mindestens annähernd rechtwinklig in den Kanalteil 20 hinein und aus diesem heraus verstellbar gelagert ist. Wird der Bolzen 23 in den Kanalteil 20 hineingeschoben, so fängt er den Gasstrahl auf und lenkt ihn ab, wobei die Geschwindigkeit des aus dem Hals 21 aus strömenden Gases in Druck verwandelt wird.
Eine im Bolzen vorgesehene Ausnehmung 25 ermöglicht diesem gestauten Gas durch die Hülse 24 und einen Auspuff 26 in die Atmosphäre zu entweichen. Der in der Hülse 24 verschiebbar gelagerte Bolzen ist gegen Drehung durch einen Führungsstift 27 gesichert, wel cher quer durch den Bolzen hindurchgeht und in einen in Längsrichtung der Hülse 24 vorhandenen Schlitz hineinragt. Aus einer in den Kanalteil 20 hineingeschobenen Stellung, wie sie Fig.2 darstellt, wird der Bolzen 23 durch eine verhältnismässig schwache Feder 28 und eine stärkere Schraubenfeder 30 zurückgezogen.
Das Turbinengehäuse 13 ist mit einer mit Ge winde versehenen Öffnung zur Aufnahme von Befesti gungsmitteln für eine Magnetspule 31 versehen, welche zur Verstellung des Bolzens 23 entgegen der Wirkung der Federn 28 und 30 dient. Die Ausneh- mung für die Befestigung der Magnetspule bildet einen Schulterrand 32, welcher als Auflager für die Federn 28 und 30 an deren einem Ende dient. Der Bolzen 23 trägt an seinem äusseren Ende einen flanschartigen Kragen 33, gegen welchen die anderen Enden der Federn anstossen. Die schwache Feder 28 liegt sowohl gegen den Schalterrand 32 als auch gegen den Kragen 33 an, wenn sie vollständig ent spannt ist.
Die vollständig entspannte Feder 30 be rührt jedoch den Kragen 33 nicht bei vollständig zurückgezogenem Bolzen 23. Durch diese Anord nung wirkt der Einrückbewegung des Bolzens 23 in die Düse zuerst nur ein geringer Gegendruck ent gegen. Nach - Einleitung dieser Einrückbewegung wirkt dieser aber ein wirksamer Widerstand entgegen. Die Feder 30 wird leicht zusammengepresst und nimmt den dem Bolzen 23 und dem Magnetspulen kern erteilten Stoss auf.
Es ist bekannt, dass Magnetspulen ihre maximale Kraft entwickeln, wenn der Spulenkern sich seiner Endlage nähert. Aus diesem Grunde ist die Feder 30 lang genug gemacht, so dass diese nach einer bestimm ten Wegstrecke vor Erreichen der Endlage gegen den Kragen 33 anstösst und die Maximalkraft gegen die Kraft der stärkeren Feder 30 wirkt. Die Kraft dieser Feder sorgt dann für rasche Einleitung der Verschie bung des Bolzens 23 während dessen Rückziehung.
Beim vorliegenden Steuermechanismus wird der Bolzen 23, welcher als Drossel- und Ablenkorgan dient, zur Regelung der Rotationsgeschwindigkeit des Turbinenrades verwendet. Um diesen Zweck zu errei chen, ist die Welle 12 mit einem Geschwindigkeits fühler versehen, wie in der Fig. 3 schematisch durch den Fliehkraftregler 34 dargestellt ist, welcher bei Annäherung der Rotationsgeschwindigkeit an einen vorbestimmten Wert einen Microschalter 35 betätigt, der über einen Erregerstromkreis die Magnetspule 31 erregt.
Bei Erregung dieser Magnetspule 31 wird der Bolzen 23 in den Kanalteil 20 hineingeschoben, um den Gasstrom zu drosseln und abzulenken und die Beaufschlagung des Turbinenrades zu unterbrechen. Ist nun die Rotationsgeschwindigkeit auf einen be stimmten Wert gesunken, so unterbricht der Schalter 35 den Stromkreis, um die Magnetspule 31 zu ent- regen, und die Federn 28 und 30 besorgen den Rückzug des Bolzens 23 aus dem Kanalteil 20, so dass das Turbinenrad erneut beaufschlagt wird.
Aus der Fig. 1 ist ersichtlich, dass der Bolzen 23 in seiner Ausrückbewegung dann zum Stillstand gelangt, wenn sein inneres Ende bündig ist mit der Innenwand des Düsenaustrittsteils. Das Ende des Bol zens ist so geformt, dass die Ausnehmung im Bolzen eingezogenem Bolzen abgeschlossen ist. Da das Flui dum keine Möglichkeit besitzt, um das Bolzenende in die Ausnehmung zu strömen, besteht auch keine Gefahr der Ablagerung von Verbrennungsrückstän den auf dem Bolzen 23, dessen Verschiebbarkeit keine unzulässige Einbusse erleidet.
In den Fig.4 bis 6 sind Varianten von Gas- Ablenkorganen dargestellt. Bei diesen Varianten sind drehbare Organe vorgesehen. Organ 36 in Fig.4 bildet eine Klappe, die bei geschlossenem Auspuff bündig mit der Düsenaustrittswand ist und in eine Stellung drehbar ist, in der die Strömung durch den Düsenaustritt gesperrt und durch den Auspuffkanal abgeleitet wird.
Das in den Fig. 5 und 6 dargestellte Organ 37 ist dem Organ 36 insofern ähnlich, als es um eine quer zur Düse angeordneten Achse drehbar ist. Das Organ 37 weist jedoch Teile auf, welche in der einen Stellung Teile der Düsenaustrittswand bilden und in einer andern Stellung aus dem Düsenhals austretendes Fluidum in den Auspuff ablenken, wobei das dabei abströmende Fluidumsvolumen durch die Grösse der Drehung einstellbar ist.
Es ist einleuchtend, dass durch die Wahl der Verdrehung der Organe 36 und 37 oder der Ein rücktiefe des Bolzens 23 die Drosselung des Düsen strahls regelbar und durch eine derartige Regelung auch die Betriebsdrehzahl des Turbinenrades inner halb enger Grenzen einstellbar ist. Der vorliegende Steuermechanismus ist besonders geeignet zur Verwendung bei Druckfluidum-Genera- toren, bei welchen eine Treibgaserzeugung ausgelöst und ohne weitere Kontrolle oder Bedienung fortzu bestehen bestimmt ist. Die Einrichtung ist bei Nicht gebrauch gegen überdruck durch den Abzug des Gases in den Auspuff gesichert.
Durch die Anordnung der Ablenkorgane auf der Austrittseite der Düse wird der Gasdruck auf der Eintrittseite aufrechterhal ten und ein rascheres Ansprechen des Turbinenrades bei Wiederbeaufschlagung desselben gewährleistet.
Control Mechanism The present invention relates to a control mechanism in a turbine with a nozzle for generating a directed jet of propellant to act on an impeller. The control mechanism is used to control the propellant jet.
In certain areas of application, such as B. in aircraft, it appeared desirable to provide a turbine for driving a generator to generate elec tric energy for the operation of certain apparatus in the aircraft. An independent self-contained gas or other propellant source is provided for driving the turbine in such vehicles, for which a gas generator for generating a constant amount of gas is to be preferred because of the simplicity and the permanently available gas. However, the use of a generator of this type poses problems in that the unused or unneeded gas could damage the vehicle or cause other defects before its task is fulfilled.
The invention therefore aims to provide a simple control system in a turbine which regulates the rotational speed of the turbine wheel by throttling and diverting the propellant gas without pressure loss in the gas generator.
This control mechanism is characterized in that movable deflection means for deflecting the propulsion jet are seen in the enlarged channel part in order to reduce the work done on the impeller by deflecting the propulsion jet.
Some embodiments of the subject invention are explained with reference to the accompanying drawing voltage; 1 shows a vertical section through the inventive control mechanism of an action turbine nozzle, FIG. 2 shows a section similar to FIG. 1 through the control mechanism with the associated nozzle in a different operating position, FIG. 3 shows a schematic representation with a centrifugal regulator for actuating the Control mechanism, Fig. 4 is a vertical section through a variant,
Fig. 5 and 6 similar sections of further variants with moving parts in other operating positions, Fig. 7 is a schematic representation of the Einrich device for generating propellant gas for the turbine with a control mechanism also shown schematically.
3 and 7 of the accompanying drawings show an embodiment of the invention on a turbine 10 with an impeller 11 seated on a shaft 12, the shaft 12 of which is supported in suitable bearings not shown in the drawing. The impeller is arranged in a housing 13 and has blades 14 on its circumference, which are acted upon by a fluid that sets the impeller in rotation.
In all of the illustrated embodiments of the invention, the nozzle is of the Laval type. It is connected to a gas duct 15 which, as can be seen from FIG. 7, is connected to the outlet of a gas generator 16 and, in the example shown, corresponds to one for solid fuel. The gas produced during the combustion of the fuel flows through the channel 15 to the nozzle 17. In all the variants shown, the nozzle has. an entry part 18 which narrows in the direction of flow and an expanding exit part 20 which are connected to one another by the narrow neck 21.
The narrowing of the inlet and the widening of the outlet part are dimensioned such that the propellant gas flowing through the channel 15 under pressure is converted into a jet of certain speed and the gas pressure at the outlet end is reduced to at least approximately atmospheric pressure. This stream flowing out through the nozzle outlet part hits the blades of the impeller and sets the same into rapid rotation.
To regulate the speed of rotation of the turbine impeller, a mechanism is provided which deflects the flow of the propellant gas at certain intervals. In such a device according to FIGS. 1 and 2, the deflecting mechanism 22 has a bolt 23 which is mounted in a sleeve 24 so that it can be adjusted at least approximately at right angles into and out of the channel part 20. If the bolt 23 is pushed into the channel part 20, it intercepts the gas jet and deflects it, the speed of the gas flowing out of the neck 21 being converted into pressure.
A recess 25 provided in the bolt allows this accumulated gas to escape through the sleeve 24 and an exhaust 26 into the atmosphere. The bolt mounted displaceably in the sleeve 24 is secured against rotation by a guide pin 27 which passes transversely through the bolt and protrudes into a slot provided in the longitudinal direction of the sleeve 24. From a position pushed into the channel part 20, as shown in FIG. 2, the bolt 23 is withdrawn by a relatively weak spring 28 and a stronger helical spring 30.
The turbine housing 13 is provided with a threaded opening with Ge for receiving fastening means for a solenoid 31, which is used to adjust the bolt 23 against the action of the springs 28 and 30. The recess for fastening the magnet coil forms a shoulder edge 32 which serves as a support for the springs 28 and 30 at one end thereof. The bolt 23 carries at its outer end a flange-like collar 33 against which the other ends of the springs abut. The weak spring 28 rests against both the switch edge 32 and against the collar 33 when it is completely tensioned ent.
However, the fully relaxed spring 30 does not touch the collar 33 when the bolt 23 is fully retracted. With this arrangement, only a slight counterpressure counteracts the engagement movement of the bolt 23 into the nozzle. After initiating this engagement movement, however, an effective resistance counteracts it. The spring 30 is slightly compressed and absorbs the shock applied to the bolt 23 and the solenoid core.
It is known that magnetic coils develop their maximum force when the coil core approaches its end position. For this reason, the spring 30 is made long enough so that it abuts against the collar 33 after a certain distance before reaching the end position and the maximum force acts against the force of the stronger spring 30. The force of this spring then ensures rapid initiation of the displacement environment of the bolt 23 during its retraction.
In the present control mechanism, the bolt 23, which serves as a throttle and deflection element, is used to regulate the rotational speed of the turbine wheel. In order to achieve this purpose, the shaft 12 is provided with a speed sensor, as shown schematically in FIG. 3 by the centrifugal governor 34, which actuates a microswitch 35 when the rotational speed approaches a predetermined value, which via an excitation circuit Solenoid 31 energized.
When this magnetic coil 31 is excited, the bolt 23 is pushed into the channel part 20 in order to throttle and deflect the gas flow and to interrupt the application of the turbine wheel. If the rotation speed has now fallen to a certain value, the switch 35 interrupts the circuit in order to de-energize the solenoid 31, and the springs 28 and 30 cause the bolt 23 to be withdrawn from the channel part 20, so that the turbine wheel again is applied.
It can be seen from FIG. 1 that the bolt 23 comes to a standstill in its disengaging movement when its inner end is flush with the inner wall of the nozzle outlet part. The end of the bolt is shaped so that the recess in the bolt is closed when the bolt is drawn in. Since the fluid has no way to flow through the end of the bolt into the recess, there is also no risk of the deposition of combustion residues on the bolt 23, the displaceability of which does not suffer any impermissible loss.
In FIGS. 4 to 6 variants of gas deflection elements are shown. Rotatable members are provided in these variants. Organ 36 in FIG. 4 forms a flap which, when the exhaust is closed, is flush with the nozzle outlet wall and can be rotated into a position in which the flow through the nozzle outlet is blocked and diverted through the exhaust duct.
The member 37 shown in FIGS. 5 and 6 is similar to the member 36 in that it is rotatable about an axis arranged transversely to the nozzle. The member 37, however, has parts which, in one position, form parts of the nozzle outlet wall and, in another position, divert fluid emerging from the nozzle neck into the exhaust, the fluid volume flowing out being adjustable by the amount of rotation.
It is evident that by choosing the rotation of the organs 36 and 37 or the back depth of the bolt 23, the throttling of the nozzle jet can be regulated and the operating speed of the turbine wheel can be adjusted within narrow limits by such a regulation. The present control mechanism is particularly suitable for use in pressurized fluid generators in which a propellant gas generation is triggered and is intended to continue without further control or operation. When not in use, the device is protected against excess pressure by venting the gas into the exhaust.
Due to the arrangement of the deflectors on the outlet side of the nozzle, the gas pressure on the inlet side is upheld and a faster response of the turbine wheel when it is acted upon again is guaranteed.