Steuereinrichtung für ein Turbostrahltriebwerk mit Kompressorleitschaufeln Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuereinrich tung für ein Turbostrahltriebwerk mit Kompressor- leitschaufeln, deren Anstellwinkel verstellbar ist, einer Schubdüse mit veränderlichem Querschnitt, einer Hauptbrennstoffzuführungseinrichtung und einer Nachbrennstoffzuführungseinrichtung,
wobei eine von Hand steuerbare Schubwählvorrichtung zum Steuern beider Brennstoffzuführungseinrichtungen zusammen mit Vorrichtungen zum Ändern der durch die Brenn- stoffzuführungseinrichtungen zugeführten Brennstoff menge gemäss Funktionen von Kennwerten des Trieb werksbetriebes als Führungsgrössen vorgesehen ist und die Kompressorleitschaufelstellung und der Schub düsenquerschnitt ebenfalls entsprechend Funktionen von Kennwerten des Triebwerkbetriebes als Führungs grössen verändert werden.
Bei einem bekannten Triebwerk werden die Leit- schaufeln entsprechend der Triebwerkdrehzahl und der Einlasstemperatur eingestellt. Jedoch wird dort weder die Brennstoffströmung zum Hauptbrenner oder zum Nachbrenner gesteuert noch der Düsenquerschnitt verändert.
Andere bekannte Triebwerke sind mit Steuerein richtungen für die Hauptbrennstoffzuführung ent sprechend der Schubhebelstellung, der Einlasstempera- tur, dem Kompressorauslassdruck und der Triebwerk drehzahl ausgestattet. Bei diesen bekannten Trieb werken wird nur die Hauptbrennstoffzuführung ge steuert.
Bei einem dieser Triebwerke wird hierfür eine Welle benutzt, die entsprechend der Triebwerkdrehzahl und der Kompressoreinlasstemperatur drehbar und axial bewegbar ist und eine Steuerwalze trägt, die mit einem Folgeglied zusammenwirkt, das über eine vom Kompressorauslassdruck veränderliche Steuereinrich tung mit der Hauptbrennstoffzumesseinrichtung ver bunden ist.
Bei einem weiteren bekannten Triebwerk wird der Düsenquerschnitt entsprechend der Triebwerkdrehzahl, der Kompressoreinlasstemperatur, der Turbinenauslass- temperatur und der Schubhebelstellung gesteuert. Fer ner findet bei diesem bekannten Triebwerk eine Steue rung der Nachbrennstoffzuführung entsprechend dem Kompressorauslassdruck und der Schubhebelstellung statt.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe be steht darin, eine Steuereinrichtung für ein Turbostrahl triebwerk der eingangs genannten Art zu schaffen, die die Durchführung der oben genannten, bei den bekann ten Triebwerken in verschiedener Kombination zur Anwendung gelangenden Funktionen zusammen mit anderen Funktionen auf einfache Weise und mit ein fachen Mitteln bei einem einzigen Triebwerk gestattet.
Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich durch eine mehrere Steuerwalzen tragende drehbare und axial verschiebbare Welle, wel che entsprechend der Kompressoreinlasstemperatur und der Triebwerkdrehzahl als Führungsgrössen ver stellbar ist, wobei die Walzen axial gemäss einer Funk tion der einen Führungsgrösse und in Umfangsrichtung gemäss einer Funktion der andern Führungsgrösse ein- gestelltwerden,und durch mit den Walzen zusammenwir kende Folgeglieder,
von welchen das eine Folgeglied mit der Vorrichtung zum Steuern des Düsenquerschnittes verbunden ist und die Bewegung desselben durch die Stellung der Schubwählvorrichtung beeinfiussbar ist, ein anderes Folgeglied mit der Hauptbrennstoffzufühvor- richtung verbunden ist und dessen Bewegung durch die Schubwählvorrichtung ebenfalls beeinflussbar ist und ein weiteres Folgeglied mit der Kompressorleitschaufel- betätigungsvorrichtung verbunden ist.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass der grösste Teil der Steuerfunktionen, die für ein mit einem Nachbrenner ausgestattetes Triebwerk erforderlich sind, auf der Kompressoreinlasstemperatur und der Triebwerkdrehzahl aufbauen, und sie schafft aus dieser Kenntnis heraus eine Steuereinrichtung, die sich durch einfache Konstruktion und zuverlässige Arbeitsweise auszeichnet und einen hervorragend geregelten Trieb werkbetrieb gestattet.
In der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausfüh rungsform der erfindungsgemässen Steuereinrichtung dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Gesamtdarstellung der Steuereinrichtung, Fig. 2 ebenfalls schematisch die Brennstoffsteuer vorrichtung, die Leitapparatsteuerung, die Düsenquer- schnittssteuervorrichtung und die Temperatursteuer vorrichtung, Fig. 3 eine schematische Darstellung der Treib stoffsteuervorrichtung für den Nachbrenner.
Wie aus der Zeichnung (Fig. 1) hervorgeht, besteht die Steuereinrichtung aus der Haupttreibstoffsteuer- vorrichtung 11, der Düsenquerschnittssteuervorrich- tung 12, der Temperatursteuervorrichtung 13, der Nachbrenner-Treibstoffsteuervorrichtung 14 und der Leitapparat-Steuervorrichtung 15. Am Kompressor einlass ist ein Temperaturfühler 16 angeordnet; ein Drehzahlmesser 17 ist am Kompressorrotor ange schlossen und am Kompressorauslass ist ein Druck messgerät 18 vorgesehen.
Die Messgeräte 16, 17 und 18 stehen mit der Haupttreibstoffsteuervorrichtung in Verbindung und übertragen an dieselbe über die Lei tungen 19, 21 und 22 die gemessenen Triebwerks-Para- meter. Ein weiterer Temperaturfühler 23 ist am Tur- binenauslass vorgesehen und überträgt an die Tempera tursteuervorrichtung 13 über die Leitung 24 den ent sprechenden Messwert. Der Schubeinstellhebel 25 des Piloten ist mit der Nachbrenner-Treibstoffsteuervor- richtung,
der Düsenquerschnitts-Steuervorrichtung und mit der Haupt-Treibstoffsteuervorrichtung verbunden, und zwar über die Stange 26 und die Arme 27, 28 und 29, um entsprechende Werte der Hebelstellung zu über tragen. Die Haupt-Treibstoffsteuervorrichtung ist zwi schen der Haupttreibstoffpumpe 31 und den Treib stoffdüsen 32 in die Brennstoffleitung eingeschaltet, währenddem die Nachbrenner-Treibstoffsteuervorrich- tung in der entsprechenden Leitung zwischen der Nach brennertreibstoffpumpe 33 und dem Treibstoffverteiler 34 vorgesehen ist.
Die Nachbrennertreibstoffsteuer- vorrichtung ist überdies an die Haupttreibstoff-Steuer- vorrichtung über das Verbindungsgestänge 35 ange schlossen, um entsprechend dem Kompressorauslass- druck eingestellt zu werden. Die Steuervorrichtung für den Düsenquerschnitt und die Temperatursteuerung sind der Haupttreibstoffsteuerung benachbart angeord net und mit derselben über die Welle 51 verbunden. Die Düsenquerschnittssteuerung steht mit dem Betätigungs organ 36 für die Düsenverstellung über eine Leitung 37 in Verbindung.
Wie aus Fig. 2 der Zeichnung hervor geht, besitzt die Haupttreibstoffsteuerung 11 einen Regulierschieber 38, welcher in die Treibstoffhaupt leitung 39 eingeschaltet ist. Der Regulierschieber 38 besteht aus einem äusseren Gehäuse 41, das ein axial bewegliches Teil 43 und ein überlappendes drehbares Teil 42 enthält. Die beiden Teile 42 und 43 sind mit rechteckigen Öffnungen versehen, deren überdeckende Teile einen regulierbaren Durchlass 44 bilden, von wel chem beide Abmessungen einstellbar sind. Ein Balg 45 steht mit dem drehbaren Teil 42 des Regulierschiebers über eine Stange 46 so in Verbindung, dass an dasselbe eine Drehbewegung übertragen wird. Das obere Ende des axial beweglichen Teiles 43 ist an einer Stange 47 befestigt, die eine Rolle 48 trägt.
Die letztere liegt an einer Steuerwalze 49 an. Ein Balg 52 ist am Ende einer Welle 51 angeschlossen, auf welcher die Walze 49 sitzt, so dass eine Kontraktion oder Expansion des Balges in einer Axialverschiebung der Welle 51 resultiert. Ein Drehzahlmesser in Form eines Fliehkraftreglers 17 steht mit der Welle 51 in Wirkungsverbindung, und zwar über ein Zahnrad 53 und eine Zahnstange 54, so dass die Bewegung der Fliehgewichte 55 entgegen der Wirkung der Feder 56 in einer Drehbewegung der Welle 51 und der Walze 49 resultiert.
Ein Hebel 56, welcher zwischen seinen Enden schwenkbar gelagert ist, ist an seinem einen Ende an die Stange 47 ange schlossen, während sein anderes Ende mit einer Zahn stange 58 in Verbindung steht, die in ein Zahnrad 59 eingreift, welches von einem Differential 61 angetrieben wird. Eine Drehbewegung kann einerseits in das Diffe rential 61 in Abhängigkeit von der Bewegung des Schubhebels über den Arm 29 und die Kegelräder 62 eingeführt, anderseits in Abhängigkeit von der Verschie bung der Fliehgewichte über Zahnstange und Zahnrad 63 und die Kegelräder 64 übertragen werden. Die Einlei tung dieser beiden Drehbewegungen in das Differential resultiert in einer Schwenkbewegung des Hebels 57, welche auf die Stange 47 übertragen wird.
Die Haupt treibstoffsteuerung besitzt überdies ein Bypass-Ventil 65, welches zwischen der Haupttreibstoffpumpe und dem Regulierventil angeordnet ist und zur Aufrecht erhaltung der Druckdifferenz zwischen dessen beiden Seiten dient.
Die Leitapparatsteuerung 15 besitzt eine Steuer walze 66, die auf der Welle 51 sitzt, und zwar ähnlich der Walze 49. Eine Rolle 67 ist an einer Stange 68 be festigt, deren Bewegung den Steuerschieber 69 betätigt und den Zufluss von Druckflüssigkeit in das Servoorgan 71 gestattet. Die Druckflüssigkeit wirkt auf die eire oder andere Fläche des Kolbens 72 und verursacht eine axiale Verschiebung der Kolbenstange 73. Diese axiale Verschiebung wird über einen Stift und eine Schräg führung 74 an die Verstellstange 75 übertragen, welche die Betätigungsarme 76 und damit die Leitschaufeln verstellt. Die Bewegung der Stange 73 wird über den Hebel 77 und die Stange 78 an den Schieber 69 zurück geführt, um dessen Einstellung wieder abzustimmen.
Die Steuerung 12 für den Düsenquerschnitt besitzt eine Walze 79, welche auf der Welle 51 angeordnet ist. Eine Rolle 81, die die Walze 51 berührt, ist am einen Ende eines Lenkers 82 angeordnet, dessen anderes Ende an den schwenkbar gelagerten Hebel 83 ange schlossen ist. Ein Lenker 84 verbindet das entgegenge- setzte Ende des Hebels 83 mit dem einen Ende eines Hebels 85, währenddem ein weiterer Lenker das andere Ende dieses Hebels mit dem einen Ende eines Hebels 87 in Wirkungsverbindung bringt. Der Hebel 85 ist auf einer Rolle 88 abgestützt, welche ein Schwenklager für denselben bildet. Die Rolle 88 kann in Längsrichtung des Hebels 85 in Abhängigkeit vom Schubhebel über die Nockenscheibe 89, die Rolle 91, den Hebel 92 und die Stange 93 bewegt werden.
Eine Rolle 94 stützt sich auf der Oberseite des Hebels 87 ab und ist auf einer Stange 95 befestigt, welche den Steuerschieber 96 be tätigt. Dieses letzte beeinflusst den Zufluss von Druck flüssigkeit in das Servoorgan 36. Ein im Servoorgan vorgesehener, nicht dargestellter Kolben wird durch die Druckflüssigkeit bewegt und verschiebt seinerseits die Stange 97 zur Betätigung der Düsenverstellelemente. Eine Rückführung der Bewegung der Stange 97 an das Steuerventil geschieht über den Hebel 98 und die Stange 99.
Die Temperatursteuerung 13 besitzt einen Steuer körper 101, der durch die Welle 51 lediglich in axialer Richtung verschoben wird. Eine Stange 102 stützt sich auf den Steuerkörper 101 ab und ist mit dem beweg lichen Arm 103 eines Potentiometers 104 verbunden, welches mit dem Temperaturfühler 23 und dem Ver stärker 105 in Serie geschaltet ist. Der letztere steht ebenfalls mit dem Temperaturfühler 23 in Verbindung und ist überdies an einen Elektromagneten 106 ange schlossen, dessen Ankerarm 107 gegen die Unterseite des Hebels 87 drückt und diesen zwischen den An schlägen 108 und 109 verstellt.
Wie aus Fig. 3 hervorgeht, besitzt die Nachbrenner treibstoffsteuerung ein Drosselventil 111 und ein Regu lierventil 112, welche in der Nachbrennertreibstofflei- tung zwischen der Pumpe 33 und dem Treibstoffver teiler 34 eingeschaltet sind. Auf einer Achse 115 sind zwei Walzen 113 und 114 angeordnet, wobei die Achse durch das in Fig. 1 dargestellte Gestänge 35 in Ab hängigkeit vom Kompressorauslassdruck bewegt wird. Eine Rolle 116 liegt auf der Walze 113 auf und ist an einem Lenker 117 befestigt, dessen oberes Ende an einem Hebel 118 angelenkt ist.
Eine Rolle 119 liegt auf der Walze 114 auf und ist am einen Ende einer Stange 121 befestigt, deren anderes Ende eine Rolle 122 trägt, wobei diese an der Unterseite des Hebels<B>118</B> anliegt, der mittels einer Feder 123 gegen die Rolle 122 gezogen wird. Der Arm 27, welcher durch den Schubhebel be tätigt wird, ist auf einer Welle 124 befestigt, welche ein Zahnrad 125 trägt, das mit einer Zahnstange 126 auf dem axial beweglichen Glied 127 in Eingriff steht. Eine Stange 128, welche ein Paar von Rollen 129 und 131 trägt, ist am Ende des Gliedes 127 in einer Führung befestigt, so dass sich die Stange nur in einer Richtung senkrecht zum Glied 127 bewegen kann. Die Rolle 129 liegt auf der Oberseite des Hebels 118 an, währenddem die Rolle 131 mit der Unterseite des Armes 133 in Berührung steht.
Der Arm 133, der an seinem einen Ende gelenkig befestigt ist, steht an seinem andern Ende mit der Stange 134 in Verbindung, welche das Regulierventil 112 beeinflusst. Beim Betrieb der Haupttreibstoffsteuerung wird der Treibstoff durch die Pumpe 31 sowohl dem Regulier schieber 38 wie auch dem Bypass-Ventil 65 zugeführt. Die Treibstoffmenge, welche notwendig ist, um den durch die Einstellung des Bypass-Ventils bedingten Druckabfall zu erzeugen, wird abgemessen und strömt durch die Leitung an die Düse 32. Der überschüssige Treibstoff wird über das Bypass-Ventil an die Nieder druckseite der Pumpe zurückgeführt.
Der Druckabfall am Regulierschieber wird konstant gehalten und so wohl eine Veränderung als auch eine Konstanthaltung der Brennstoffmenge wird durch Einstellung des Durchflussquerschnittes 44 erreicht, und zwar entspre chend den Parametern von Rotordrehzahl (N), Kom- pressoreinlasstemperatur (T2) und Kompressorauslass- druck (P3). Die Bemessung der maximal zulässigen Treibstoffmenge während einer Beschleunigung ge schieht in Funktion der drei genannten Parameter.
Bei der Verzögerung wird der minimal zulässige Treib stoffdurchflug nur durch den Kompressorauslassdruck bestimmt, und zwar mit Hilfe eines Minimalanschla ges, welcher eine feste axiale Endstellung des Regulier schiebers in Schliessrichtung bestimmt.
Die Konstanthaltung eines Betriebszustandes wird im ganzen Betriebsbereich vom Leerlauf bis zur Maxi malleistung durch den Regler ermöglicht, der auf die Triebwerkdrehzahl anspricht, die ihrerseits zusammen mit dem Schubhebel die Treibstoffzufuhr zwischen Minimum und Maximum steuert. Die Leistungsver änderung geschieht durch den Schubhebel.
Das Drehzahlsignal N, welches durch den Regler 17 von der Rotorwelle abgenommen wird, kommt in zwei getrennten Systemen zur Verwendung; einerseits wird es für die Regulierung in einem gewählten Betriebs zustand und anderseits für die Einstellung eines Dreh zahlwertes in Kombination mit der Einlasstemperatur verwertet, um die axiale Vorschiebung des Regulier schiebers für eine Veränderung der Betriebsbedingun gen zu begrenzen. Im letzteren System bestimmt der Regler 17 über Zahnstange 54 und Zahnrad 53 die Drehlage der Welle 51, die die Steuerwalze 49 für die Beschleunigungsbegrenzung trägt.
Die Steuerwalze wird in axialer Richtung als Funktion der Kompressor einlasstemperatur T2 durch den Balg 52 verschoben. In folge seiner Form begrenzt der Nocken 49 die Axial bewegung des Regulierschiebers für jeden Wert von N und T2. Somit ist der axiale Verschiebungsweg eine Funktion von T2 und N.
Die Drehlage der Öffnung 44 wird durch den Balg 45 bestimmt, und zwar in Ab hängigkeit vom Kompressorauslassdruck P3. Der Maxi malquerschnitt der Öffnung 44 ist somit = .f [.f (N, T2), P31.
Das Drehzahlsignal wird auch in das Differential 61 eingeführt, und zwar über das Getriebe 63 und die Kegelräder 64. Gleichzeitig wird auch das Signal für die Hebelstellung über die Kegelräder 62 in das Diffe rential eingespeist. Die Differenz zwischen diesen bei den Signalgrössen, welche der Differenz zwischen der effektiven Drehzahl und der gewünschten Drehzahl entspricht, veranlagt den Arm 57, sich in Richtung der Pfeile zu bewegen, wodurch die Einstellung des Regu lierschiebers 38 verändert und die effektive Drehzahl der gewünschten Drehzahl angepasst wird.
Beim Betrieb der Leitapparatsteuerung 15 beein flusst die Walze 66 den Steuerschieber 69 über die Rolle 67 und die Stange 68 als Funktion von N und T2,, um Druckflüssigkeit an die eine oder andere Seite des Servoorgans 71 zuzuführen, wodurch der Arm 73 bewegt und die Steuerstange 75 verschoben wird, um die Betätigungsarme 76 der verstellbaren Leitschaufeln zu beeinflussen. Die Rückführung über den Hebel 77 und die Stange 68 ermöglicht eine genaue Justierung des Steuerschiebers und damit auch eine genaue Ein stellung der Leitschaufeln.
Die Leitschaufeln können als Funktion der korrigierten Drehzahl eingestellt wer den, deren Verstellung eine Funktion der unabhängigen Veränderlichen N und T2 ist.
Bei der Steuerung für die veränderliche Düse ergibt die Steuerwalze 79 eine Funktion von N und T2 durch das Folgeglied 81 in das Gestänge. Die Rolle 88 wird durch den Nocken 89 gemäss Werten der Winkelstellung des Schubwählhebels eingestellt; somit ist die Aus gangsgrösse des Gliedes 85 eine Funktion von T2 und N und eine Funktion der Schubhebelstellung.
Die Abstimmung mittels der Turbinenauslasstem- peratur T5 wird mittels der Magnetspule 106 in das Verbindungsglied 87 eingegeben. Die Eingangsgrösse zum Steuerschieber 96 wird dann abhängig von (T2, <I>N)</I> der Einstellung des Schubhebels und der T5-Abstim- mung. Der durch diesen Wert gesteuerte Schieber führt der Betätigungseinrichtung 36 ein hydraulisches Druck mittel zu, das der Stange 97 zwecks Steuerung des Querschnitts der veränderlichen Strahldüse eine Bewe gung erteilt.
Die Rückführung durch die Verbindungs glieder 98 und 99 wirkt ähnlich wie diejenige der Leit- schaufelsteuerung und führt zu einer genauen Steue rung des Strahldüsenquerschnitts.
Werte der Turbinenauslasstemperatur T5 werden an das Potentiometer 104 geliefert, das durch den Nocken 101 verstellt wird. Dieser wird wiederum durch Werte von T2 eingestellt, so dass die Ausgangsgrösse des Poten- tiometers eine Funktion von T2 ist, die als Bezugssignal verwendet wird.
Dieses Signal wird dem Verstärker 105 zugeführt. Werte von T5 werden dem Verstärker auch direkt zugeführt und in diesem mit dem Bezugssignal verglichen. Ein T5-Fehlersignal wird dann der Magnet spule 106 zugeführt, welche dann zusätzlich zu dem Düsensteuersignal eine Einstellgrösse entsprechend der T. Temperaturabstimmung schafft.
Die Nachbrennertreibstoffsteuerung bemisst die Treibstoffzufuhr an den Nachbrenner, wobei'als Mass parameter der Kompressorauslassdruck P3 moduliert durch die Schubhebelstellung verwendet wird. Der Druck am Regulierventil wird durch das Drosselventil konstant gehalten und die Durchflussmenge wird durch Veränderung des Öffnungsquerschnittes verstellt.
Die Grenzwerte für den minimalen und den maxi malen Treibstoffdurchfluss werden einzig als Funktion des Kompressorauslassdruckes P3 verstellt. Die Schub hebeleinstellung ermöglicht die wahlweise Beeinflus- sung der Treibstoffzufuhr innerhalb dieser Grenzen. Für jede bestimmte Hebelstellung ist die Treibstoff zufuhr durch ein festes Verhältnis zwischen der Mini mal- und der Maximalgrenze gegeben, welches sich entsprechend denselben in Abhängigkeit von Verände rungen des Druckes P3 verändert. Die Walzen 113, 114 werden als Funktion des Druckes P3 verschoben.
Die Nockenbewegung resultiert in einer Bewegung der Rollen 116 und 119, wobei diese den Neigungswinkel des Hebels 118 bestimmen. Der Neigungswinkel dieses Hebels ist somit eine Funktion des Verhältnisses mini maler und maximaler Treibstoffmenge, bestimmt durch die von P,, beeinflussten Walzen. Der Schubhebel ver stellt eine Stange 128 mit der Rolle<B>129</B> auf dem geneig ten Hebel und das Regulierventil wird über das Ge stänge 133, 134 und die Rolle 131 eingestellt. Es ist deshalb möglich, durch Verstellung des Schubhebels eine unbegrenzte Zahl von Stellungen zu erreichen, wobei die entsprechende Treibstoffmenge eine Funk tion der gewählten Hebelstellung und des Kompressor auslassdruckes ist.