-
Mehrfach-Regeleinrichtung für Gasturbinentriebwerke mit Einspritzung
zusätzlicher Strömungsmittel für Schuberhöhung im Kompressoreinlaß Die Erfindung
bezieht sich auf eine Mehrfach-Regeleinrichtung für Gasturbinentriebwerke mit im
Kornpressoreinlaß oder im Schubrohr erfolgender Einspritzung zusätzlicher Strömungsmittel
zur Schuberhöhung, die entsprechend der Abweichung der Drehzahl vom Sollwert und
in Abhängigkeit vom Kompressorauslaßdruck unter Berücksichtigung von Kompressoreinlaßdruck
und -temperatur als Störgrößen ein Brennstoffventil im Sinne der Verringerung der
Regelabweichungen betätigt, wobei der Drehzahlsollwertgeber von Hand verstellbar
sowie die Zusatzmittelzufuhr von Hand einschaltbar ist und wobei der Meßwertgeber
für die Drehzahl das Brennstoffventil über eine Hebeleinrichtung betätigt.
-
Es ist üblich, einen Zentrifugaldrehzahlmesser mit mechanischen Fliehgewichten
zu benutzen, um ein Brennstoffmeß- oder -drosselventil in Regelvorrichtungen für
Gasturbinen zu stellen. Derartige Regelvorrichtungen bestehen aus einer Regelfeder,
welche normalerweise (will man die Maschine auf eine gewünschte Solldrehzahl bringen,
d. h. beschleunigen oder abbremsen) von dem Piloten mit der Hand zu verstellen ist.
-
Der bekannteste Typ derartiger Regelvorrichtungen für Gasturbinen
ist der sogenannte Proportionalregler. Bei diesen Vorrichtungen führt jede Abweichung
der Istdrehzahl der Maschine vom Sollwert zu einer entsprechenden Änderung des Brennstoffzuflusses
durch eine öffnende oder schließende Bewegung des Drosselventils, das proportional
zu der Drehzahlabweichung betätigt wird. Einer der wesentlichsten Vorteile derartiger
Regelvorrichtungen im Vergleich mit beispielsweise einem Schnellregler nach Art
eines Zweipunktreglers ergibt sich dadurch, daß die obenerwähnte proportionale Wirkung
eine stabile Regelung der Maschine gewährleiset; da nämlich das Ventil nicht schon
in eine gänzlich offene oder gänzlich geschlossene Lage gebracht werden kann, wenn
nur eine geringe Abweichung von Ist- und Solldrehzahl auftritt, wird auch ein Hin-
und Herpendeln des Reglers um den Sollwert vermieden.
-
Weiter müssen die Proportionalregler für Gasturbinen in zwei Hauptgruppen
eingeteilt werden, und zwar in die direkt wirkenden Regler ohne Hilfsenergie, bei
welchen die Fliehgewichte und die Regelfedern direkt auf die Drosselventile wirken,
und in die Regler mit Hilfsenergie, bei welchen also die Regelvorrichtung für einen
Kraftverstärker eines Stellmotors die Lage des Ventils regelt.
-
Ein Nachteil der beiden obenerwähnten Klassen von Proportionalreglern
ist der, daß die Größe des jeweiligen Hubes eines Drosselventils allein durch den
direkt oder über den Stellmotor übertragenen jeweiligen Ausschlag der Fliehgewichte
bestimmt ist. Die Erfindung sieht deshalb eine Drosselventilnachstellvorrichtung
in Zusammenhang mit der obenerwähnten Regelvorrichtung vor, deren Betätigung durch
den Piloten erfolgen soll, um die Betriebsstoffzufuhr für die Maschine bei einer
gegebenen Regeleinstellung so steigern zu können, daß die Solldrehzahl beibehalten
wird. Dieses ist beispielsweise notwendig, wenn eine zweite Flüssigkeit, z. B. Alkohol
oder Wasser, in den Kompressoreintritt eingespritzt wird, um die Menge des durch
die Brenner fließenden Arbeitsmediums zu steigern und somit die Geschwindigkeit
und den Gesamthub des Turbinenstroms in der Schubdüse zu verstärken. Das Einspritzen
von Wasser oder Alkohol in den Kompressoreintritt einer Gasturbine bewirkt einen
wesentlichen Anstieg des Düsenschubes, wenn die Drehzahl während dieser Einspritzung
konstant gehalten wird. Mit besonderem Vorteil findet das Einspritzen einer solchen
Flüssigkeit in den Kompressor während des Startes eines Flugzeuges Anwendung. Erfindungsgemäß
wird nun die Einspritzung einer solchen zweiten Flüssigkeit ohne Änderung der Drehzahl
der Maschine ermöglicht und so ein wesentlicher Anstieg des Schubes erreicht, dadurch,
daß die Schwenkachse der Hebeleinrichtung
bei Einschaltung der Zusatzmittelzufuhr
ihre Lage gegenüber der Normallage bei Solldrehzahl ohne Zusatzmittel zur Änderung
der Brennstoffventilstellung in dem Sinne verändert, daß die eingestellte Solldrehzahl
aufrechterhalten bleibt. Zur Lagenänderung der Schwenkachse der Hebeleinrichtung
dient vorzugsweise eine hydraulische Betätigungsvorrichtung, wobei dann die Hebeleinrichtung
einen an drei Punkten gelagerten Hebel aufweist, dessen erster Lagerpunkt (Schwenkachse)
mit einem auf die Einspritzung des Zusatzmittels ansprechenden Stellglied, dessen
zweiter Gelenkpunkt mit dem Brennstoffventil und dessen dritter Gelenkpunkt mit
dem einstellbaren Drehzahlsollwertgeber verbunden ist.
-
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Regeleinrichtung,
sofern das schuberhöhende Zusatzmittel im Kompressor eingespritzt wird, so ausgebildet,
daß das auf die Einspritzung des Zusatzmittels ansprechende Stellglied eine an der
Schwenkachse angreifende Kolbenzylinderanordnung aufweist, der das Druckmittel zur
Rückstellung der Regeleinrichtung mit einem Ventil zugeführt wird, welches von einem
auf den Druck des Zusatzmittels ansprechenden Stellglied betätigt wird, nachdem
das Zusatzmittel dem Stellglied über ein Magnetventil, dessen Erregung manuell von
der Bedienungsperson ausgelöst wird, wenn eine Einspritzung des schuberhöhenden
Zusatzmittels erwünscht ist.
-
Wird dagegen gemäß einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung
das schuberhöhende Zusatzmittel im Schubrohr eingespritzt, ist die Regeleinrichtung
vorzugsweise so ausgebildet, daß das auf die Einspritzung des Zusatzmittels ansprechende
Stellglied eine Kolbenzylinderanordnung ist, der das Druckmittel zur Rückstellung
der Regeleinrichtung mit Hilfe eines Ventils zugeführt wird, das auf den nach der
Einspritzung des Zusatzmittels auftretenden Druckabfall im Schubrohr anspricht.
-
Weitere Merkmale und erfindungsgemäße Vorteile werden aus der Beschreibung
zusammen mit der Zeichnung ersichtlich; es zeigt Fig. 1 einen schematischen Querschnitt
eines Gasturbinentriebwerkes mit einer an diesem befindlichen skizzenmäßig gezeigten
Regelvorrichtung, Fig.2 einen schematischen Querschnitt der gesamten Regelvorrichtung
und der zugehörigen Teile, welche für die Regelvorrichtung der Fig. 1 verwendet
werden, Fig.3 einen Kurvenzug, welcher die Arbeitscharakteristik der in Fig.2 gezeigten
Vorrichtung wiedergibt, wenn diese in einem Gasturbinentriebwerk entsprechend Fig.
1 eingebaut ist.
-
Das Gasturbinentriebwerk 10 besteht aus mehreren ringförmig angeordneten
Brennkammern 11, welche sich in einem Gehäuse befinden. Dieses Gehäuse hat einen
Kopfteil oder einen Lufteinlaßbereich 12 und einen Kompressor 13, der hier als Axialkompressor
ausgeführt ist. Dieser Kompressor 13 wird von einer Tubine 14 über eine Welle 15
angetrieben. Jede der Brennkammern 11 hat eine Brenndüse 16, die über eine Zuführungsleitung
17, eine Verteilerleitung 18 und einzelne Brennstoffversorgungsleitungen 19 mit
Brennstoff unter Druck versorgt wird. Die Leitung 17 wird von der Regelvorrichtung,
welche in Fig. 1 allgemein mit 20 bezeichnet und in der Fig. 2 in der erfindungsgemäßen
Ausführung detaillierter wiedergegeben ist, mit einer abgemessenen Menge Brennstoff
versorgt. Eine Pumpe 22 beliefert über die Leitung 24 den Regler mit unter Druck
stehendem Brennstoff; ein Teil des Brennstoffes kann über die Leitung 26 zu der
Eingangsseite der Pumpe abgezweigt und zurückgeführt werden.
-
Der Regler 20 enthält eine Vorrichtung, welche auf die verschiedenen
Parameter anspricht, und zwar auf die durch einen Temperaturfühler 28 ermittelte
Kompressoreinlaßtemperatur T", auf den von einem Pitotrohr 30 bestimmten Kompressoreinlaßdruck
PQ, auf den von einem zweiten Pitotrohr 32 weitergegebenen Kompressorauslaßdruck
P', auf die Drehzahl N der Maschine, welche durch ein Kegelradgetriebe 34,
36 und eine angetriebene Steuerwelle 38 auf die Regelvorrichtung übertragen wird,
und schließlich spricht sie auf die Stellung des vom Piloten zu steuernden Hebels
40 an, welche der Regelvorrichtung über ein Glied 42, einen Hebel 44 und eine Welle
46 übertragen wird. Der Steuerhebel 40 (das Gaspedal) ist auf einer drehbaren Welle
48 in einem Steuerquadranten 50 angebracht und kann, um irgendeine gewünschte Drehzahl
der Maschine über das Glied 42 und den Hebel 44 und über andere noch zu beschreibende
Vorrichtungen einzustellen, mit der Hand betätigt werden. Weiterhin wird das Einspritzen
einer zweiten Flüssigkeit in den Eintritt des Kompressors 13 durch ein Glied, einen
Hebel und eine Welle 52, 54 bzw. 56 durch Betätigung des Gashebels 40 bewirkt. Der
Hebel, die Welle und das Glied 52, 54 und 56 werden in ihrer Stellung durch eine
auf einer Welle 48 angebrachte Nockenscheibe eingestellt, um die Ventile, die hier
nicht gezeigt sind, in einem Steller 60 zu steuern. Eine Zuflußleitung 62 führt
eine Flüssigkeit von der Pumpe 63 zu dem Ste11er60 jedesmal dann, wenn der Zufluß
dahin betätigt wird. Dieser Steller für die Flüssigkeit zu dem Eintritt des Kompressors
über die Abflußleitung 64, die Verteilerleitung 66 und mehrere Düsen 68. Jedesmal,
wenn der Pilot den Hebel 40 (das Gaspedal) ganz nach vorn schiebt, um die Zuführung
der zweiten Flüssigkeit, die im folgenden mit Wasser bezeichnet ist, in den Kompressoreintritt
zu betätigen, werden zwei Kontakte 70 und 72 durch diesen Hebel 40 geschlossen.
Diese beiden Kontakte 70 und 72 verbinden einen Stromkreis mit der Leitung 74, einem
am Regler 20 angebrachten Magnetventil 76 und der Erde 78. Dieser Vorgang bewirkt
eine sofortige Auslösung einer Steuervorrichtung, und während dieser ganzen Zeit
wird Wasser in einer später zu beschreibenden Art und Weise in den Kompressor eingespritzt.
-
Fig. 2 zeigt die Stellvorrichtung, die sich in dem Gehäuse 80 des
Reglers 20 befindet. Der Brennstoff wird unter einem Druck P1 von der Leitung 24
in einen Zufluß 82 und in eine ringförmige Kammer 84 geführt. Diese ringförmige
Kammer 84 wird aus dem Gehäuse und einer fest angebrachten zylindrischen Führung
86 gebildet. Der Brennstoff wird dann, um unter einem Druck P2 zu der Zuführungsleitung
17 zu gelangen, durch die Öffnung 88 geführt, die sich in der Oberfläche eines drehbaren
und axial verschiebbaren zylindrischen, hohlen Ventilsteuerkörpers 90 befindet.
Diese Öffnung 88 kann in Deckung mit der Einflußöffnung 92 der Führung 86 gebracht
werden. Über die Kammer 94 und Öffnungen 96 des Ventilsteuerkörpers 90 strömt der
Brennstoff durch Öffnungen 98 der Führung 86 in eine ringförmige Kammer 100 und
von dort zu der Brennstoffausflußleitung 102.
-
Der Stellwinkel des Ventilsteuerkörpers 90 wird jederzeit im Verhältnis
zu dem Förderdruck des Kompressors durch einen Zahnstangentrieb 104 und eine Zahnstange
106, die sich auf einer Verlängerung 108 des Ventilkörpers 90 befindet, gesteuert,
wobei die
Zähne 110 der Zahnscheibe 106 die Zähne der Zahnstange
104 kämmen. Der Zahnstangentrieb bewegt sich in einer Ebene senkrecht zur Zeichnung,
und seine Stellung wird als Funktion des Kompressorauslaß-oder Förderdruckes durch
eine Vorrichtung übertragen, welche über eine Leitung 112 mit dem Pitotrohr 132
verbunden ist. Diese Zahnstange 104 und die Zahnscheibe 106 arbeiten zusammen, um
dem Ventilkörper 90 entsprechend dem Wert dieses Parameters eine entsprechende Winkellage
zu erteilen.
-
Die axiale Stellung des Ventilkörpers 90 innerhalb der Führung 86
wird gesteuert entweder durch einen mit einer Leitfläche versehenen dreidimensionalen
Beschleunigungsnocken 114, welcher mit einer Nockenrolle116 und einer Nockenstange118
während der Beschleunigung der Maschine zusammenarbeiten kann, oder aber auch durch
einen Drehzahlgeber, welcher sich in der Gehäusekammer 120 befindet und durch einen
Servokolben 122 und einen beweglichen Hebel 124 mit dem Ventilkörper 90 verbunden
ist. Der bewegliche Hebel 124 ist über eine Kugelgelenkverbindung 126 mit der Servokolbenstange
128 drehbar verbunden, eine weitere drehbare Gelenkverbindung 130 besteht mit der
Stange 132 des Wassereinspritzsteuerkolbens 134 sowie über eine Kugelgelenkverbindung
136 mit der Nockenstange 118 in einer noch zu beschreibenden Art. Die axiale Verstellung
des Ventils 90 wird jederzeit durch diejenige Vorrichtung bestimmt, welche die geringste
Menge Brennstoff fordert, d. h. der Beschleunigungsmechanismus und die Steuervorrichtung
sind so angeordnet, daß sie sich wechselweise ergänzen können, so daß der, welcher
den kleinsten Bereich der Meßöffnungen 88, 92 einstellen möchte, dieses regelt.
-
Die Beschleunigungsnockenscheibe 114 ist auf einer Welle 138 angebracht,
welche drehbar und axial als Funktion gewisser Regelgrößen, beispielsweise der Maschinendrehzahl
bzw. der Kompressoreinlaßtemperatur, zu betätigen ist. Die für die gewünschte Sollbeschleunigung
nötige Brennstoffversorgung wird durch den Nocken geregelt, um sie in einer vorausbestimmten
Funktion von P" T" und N ... zu verändern, so daß eine maximal erlaubte
Turbineneingangstemperatur über einen bestimmten Bereich der gewünschten Solbeschleunigung
hinaus aufrechterhalten wird. Pumpen des Kompressors tritt dabei nicht auf. Die
winkelmäßige und axiale Lage des Meßventils 90 bestimmt jederzeit der Meßbereich
140, in dem sie die Einlässe 88 und 92 in entsprechender Weise zur Deckung bringt.
Wenn beispielsweise der Kompressorauslaßdruck ansteigt, betätigt die Zahnstange
104 die Zahnscheibe 106 und bewegt das Ventil 90 in Uhrzeigerrichtung (bei Betrachtung
des Ventils von oben), wodurch die Größe x der Meßöffnung im Verhältnis zu dem Druck
ansteigt. Jede Veränderung der obengenannten, die Maschine beeinflussenden Parameter
bewirkt weiter einen Wechsel der axialen Lage des Maßventils 90 und verändert somit
die Größe y der Öffnung 140.
-
Vorzugsweise wird ein konstanter Brennstoffdruckunterschied zu jeder
Zeit an der Meßöffnung 140 durch Steuerventile, die hier nicht gezeigt sind, aufrechterhalten,
wobei dann der Durchfluß durch diese Meßöffnung immer eine bestimmte Funktion nur
derjenigen die Maschine betätigenden Parameter ist, welche die winklige und axiale
Lage des Ventils 90 regeln.
-
Der in der Kammer 120 befindliche Steuermechanismus verbindet
mittels einer Welle 46 die von dem Piloten einzustellenden Hebel 40 und 44 mit dem
Kraftverstärkerkolben oder Servokolben 122. Ein Steuernöcken ist auf der Welle 46
angebracht und dreht sich mit dieser. Er kann in axialer Richtung durch den Kompressoreinlaßdruck
und/oder durch eine Vorrichtung, welche auf die Temperatur anspricht, axial verschoben
werden. Eine Mitnehmerstange oder Nockenstöße1144 führt von dem Nocken 142 zu einer
drehzahlregelnden Feder 146. Diese Feder ist zwischen Federlagern angebracht und
liegt einerseits an der Mitnehmerstange 144 an. Auf der anderen Seite ruht sie auf
einem Servoventilheber148, welcher bei 150 drehbar gelagert ist. Ein Servoventil
152, welches als Halbkugel ausgebildet ist, ist mit dem Hebel 148 verbunden und
betätigt eine Ausflußöffnung 154 in der Servodruckleitung 56. Eine Rückholfeder
158 verbindet federnd die Servokolbenstange 128 mit dem linken Ende des Servohebels
148. Ein Paar drehbarer Fliehgewichte 160 ist mittels Träger 162 und Bolzen 164
dehbar auf einer Grundscheibe 166 befestigt, die mit der Regelantriebswelle 38 verbunden
ist. Diese Fliehkörper haben Fußteile 168; welche an einem Flansch 170 einer Kraftübertragungsstange
anliegen. Bei Drehung derselben liegen sie an einem Hebel 174 an, der beim Punkt
176 drehbar gelagert ist und ein Kraftmoment der Fliehgewichte 160 auf den Servohebel
148 überträgt, der durch eine Schraube 178 in seiner Neigung verstellbar ist.
-
Die Servodruckleitung156 des Druckes P, verbindet die unter dem Druck
P1 stehende Kammer 84 mit dem Raum 120, welcher durch eine nicht gezeigte Leitung
mit der Pumprückführleitung 26 verbunden ist und den Pümpeinlaßdruck Po aufweist.
Ein Regulierventil 180 für den Auslaßdruck befindet sich in der Leitung 156 und
soll einen konstanten Druck in dieser Leitung stromaufwärts einer kalibrierten Verengung
182 aufrechterhalten. Der Druck PS unterhalb des Kolbens 122 ändert sich daher nur
als Funktion der Flächenverhältnisse zwischen der Verengung 182 und dem Ausfluß
154. Eine Rückholfeder 184 und der unter dem Pumpeneinlaßdruck stehende Brennstoff
wirkt in dem Raum 186 entgegen dem Druck PS und der Feder 158 auf den Kolben 122.
-
Eine durch eine Schraube 190 einstellbare Servoausgleichsfeder
188 wird benötigt, um bei 192 auf den Hebel 148 zu wirken und so irgendwelche
Unterschiede, die sich bei der Herstellung der Federn 146 und 158 ergeben haben,
auszugleichen und zu gewährleisten, daß die erwähnten Federn noch einer bestimmten
Belastung ausgesetzt sind, wenn die Maschine im Ruhezustand ist. Hierdurch wird
bewirkt, daß weder die Feder 146 noch die Feder 158 sich in ihrer ganzen, Länge
ausdehnen kann oder unbelastet ist. Wenn irgendeine dieser Federn jemals in einen
nichtbelasteten Zustand käme, würden sie aus ihren Halterungen herausfallen. Die
tatsächlich auf das Servogestänge ausgeübte Kraft der Ausgleichsfeder 188 bleibt
im wesentlichen konstant, und zwar unabhängig von den Änderungen der Bedingungen,
welche beim Betrieb der Maschine auftreten können. Dieses ist deswegen der Fall,
weil eine derartige Anordnung bei einer Gesamtbewegung des Servoventils 152 nur
eine sehr geringe, einige tausendstel Zentimeter große Bewegung benötigt. Zu jeder
Zeit, wenn die Maschine gesteuert wird oder sich in einem Beharrungszustand auf
Sollwert befindet, ist, mit Ausnahme der Periode des Wassereinspritzens, der Gelenkpunkt
130 des Schwenkhebels 124 in der Lage gehalten, die durch die gegenüberliegenden,
federbelasteten Kolben 134 und 194 gezeigt wird. Diese Kolben sind in dem Zylinder
196 hin- und herbeweglieh
und werden durch Federn 198 und 200 in
den Räumen 202 bzw. 204 in entgegengesetzte Richtungen gedrückt. Die Kammer 206,
die zwischen diesen beiden Kolben gebildet wird, ist normalerweise mit dem P umpeneingangsdruck
Po in der Gehäusekammer 120 durch eine Verengung 208, eine Leitung 210, eine Kammer
204 und durch ein Paar in dem Kolben 194 befindliche Ventile 212 verbunden. Die
Kammer 202 ist mit dem Pumpeneinlaßdruck durch eine Gehäuseöffnung 214 verbunden.
Die Lage des Kolbens 194 wird durch ein ringförmiges Halteglied 216 festgelebt.
-
Das Magnetventil 76 besteht aus einem Ventilteil 218, das in der Wasserzuflußleitung
220 durch eine Feder 222 normalerweise geschlossen gehalten wird. Eine wie üblich
gewundene Spule 224 ist mit der Erde 78 und mit dem elektrischen Hebelkontakt 72
über die Leitung 74 verbunden. Wird die Spule erregt, um das Ventil 218 gegen die
Feder 222 zu betätigen, so wird der Einlaß von Wasser in die Kammer 226 durch die
Leitung 220, welche mit der Zuführung 62 verbunden sein kann, gestattet. Die Kammer
226 ist über einen Durchfluß 230 mit Abflußleitung 228 verbunden. Dieser Raum 226
wird von der einen Seite durch eine Membran 232 abgeschlossen, welche mit einem
doppelt wirkenden Ventil 234 verbunden ist. Dieses Ventil ist in der Lage, eine
Verbindung zwischen der Leitung 236, welche Brennstoff vom Druck P1 führt, und dem
Raum 204 herzustellen, solange die vom Piloten betätigte Wassereinspritzung anhält.
Die Betätigung der Wassereinspritzdüse durch den Piloten bewirkt eine Erregung des
Magnetventils 76 und einen Druckunterschied an der Membran, der sie nach oben drückt.
Dieses bewirkt ein Schließen der Öffnung 230 und ein Öffnen der Leitung 236 zu der
Kammer 204. Der auf der oberen Seite der Membran 232 befindliche Raum 238 ist durch
eine Leitung 240 mit dem Raum 120 verbunden. Bei Betätigung derWassereinspritzvorrichtung
wird Brennstoff unter dem Druck P1 aus der Kammer 204 durch die Kolbenventile 212
in die Kammer 206 geführt und drückt den Kolben 134 gegen die Feder 198 nach oben,
bis das Ende der Kolbenstange 132 gegen einen einstellbaren Sperrstift -242 anschlägt,
welcher das Einspritzen des Wassers regelt. Außerdem wird dadurch der Gelenkpunkt
130 in eine neue Lage geschoben. Im einzelnen spielen sich während der Bedienung
die nachfolgend beschriebenen Vorgänge ab: In der Fig. ;i sind durch die Kurven
244, 246, 248 bzw. 250 die Drehzahländerungen in Meereshöhe, die Regelung und die
Eigenschaften des Dauerzustandes der Maschine qualitativ wiedergegeben. Diese Kurven
sind in einem Koordinatenkreuz mit dem Brennstoffverbrauch in kg/Std. und der Drehzahl
in U/min aufgetragen. Die Grundform der Beschleunigungskurve in #,-Ieereshöhe 244
wird durch die Leitkurve des Beschleunigernockens 114 bestimmt, welcher als Funktion
verschiedener, die Maschine beeinflussender Parameter, wie vorher beschrieben, betätigt
wird. Hierbei wird die Höhe oder das Niveau dieser Kurve über der Drehzahlkoordinate
in erster Linie durch die Vorrichtung geregelt, die auf den Kompressorauslaßdruck
anspricht. Die Kurve 246, längs welcher die geregelte Verminderung der Brennstoffmenge
erfolgt, veranschaulicht die Wirkung des Servoproportionalreglers während des Überganges
von der Beschleunigungskurve auf den Drehzahlsollwert, der auf der Kurve liegt,
welche den Dauerzustand der betriebenen Maschine wiedergibt.
-
Die Dauerzustandskurve 248 bezeichnet den geforderten Brennstoffzufluß,
der für irgendeine vorgegebene Drehzahl in Meereshöhe notwendig ist, ohne daß Wasser
in den Kompressoreinlaß gespritzt wird, wohingegen die Kurve 250 den Bedarf wiedergibt,
wenn Wasser eingespritzt wird.
-
Nimmt man nun an, daß die Maschine gestartet worden ist und einen
Dauerzustand einer mittleren Beschleunigung erreicht hat, so soll dieses der Punkt
ca wiedergeben. In diesem Betriebszustand befindet sich der Kontrollhebel 40 (Gaspedal)
des Piloten etwa in der Mitte der beiden Begrenzungsenden. des Quadranten 50. In
dieser Lage ist das Magnetventil 76 entregt. Der Pumpeneingangsdruck in der Kammer
238 hält das doppelt wirkende Ventil 234 in der gezeigten Lage, so daß die Lage
des Gelenkes 130, wie gezeigt, festgelegt ist. Die Leitkurve des Nockens 58, welcher
den Wasserbedarf regelt, ist derart, daß dem Glied 52 und dem Hebel 54 während der
Betätigung des Hebels 40 in der Mittellage keine Bewegung mitgeteilt werden, und
es findet auch keine Einspritzung an den Düsen 68 statt. Der Hebel 40 befindet sich
in der Mittellage, so daß das Glied 42 und der Hebel 44 den auf der Welle 46 befindlichen
Regelnocken derart beeinflussen, daß ein drehzahlbestimmender Druck auf die Regelfeder
146 durch den Mitnehmer oder Nockenstößel 144 übertragen wird. Dadurch wird bewirkt,
daß die Drehzahl beim Punkt a bestehenbleibt. In diesem Zustand wird das Halbkugelservoventil
152 durch die vorhandene Ausgleichskraft, die auf den Hebel 148 wirkt, in bestimmter
Lage gehalten; dadurch wird der in der Leitung 156 herrschende Servodruck PS, welcher
eine Kraft auf den Servokolben 122 ausübt, reguliert. Dieser Druck wird durch entgegengesetzte
Kräfte der Rückholfeder 158 und durch die Kraft der Rückholfeder 184 sowie durch
den Pumpeneingangsdruck im Raum 186 ausgeglichen, wobei die Lage des Schwenkhebels
124 festgelegt wird und die axiale Lage des Meßventils 90 derart geregelt ist, daß
die Fläche der Meßöffnung 140 die Menge an Brennstoff der Düse 16 zuführt, welche
notwendig ist, um diejenigeDrehzahl aufrechtzuerhalten, die dem Punkt a entspricht.
-
Die Kräfte, die auf den Servohebel 148 in einem Richtungssinn wirken,
in dem sie das Servoventil 152 zu öffnen suchen, d. h. also in einer Richtung, welche
die Maschine mit einem beschleunigenden Brennstoffzufluß versorgen würde, bestehen
aus dem Kraftmoment der Regelfeder 146, der Rückholfeder 158 des Brennstoffdruckes
auf das Servoventil 152 in dem Durchlaß 154; alle diese Kräfte wirken um den Drehpunkt
150. Diese Kraftmomente werden ausgeglichen, oder gegen diese Kraftmomente wirken
einerseits das Kraftmoment der Fliehgewichte 160, welche sich im Otuadrat zu der
Drehzahl ändern:, und das annähernd gleiche Kraftmoment der Servoausgleichsfeder
188 andererseits. Bei jeder vorgegebenen Drehzahl erzeugen die durch die Maschine
angetriebenen Fliehgewichte 160 einen tatsächlichen Druck auf den Hebel 148, welcher
gleich der Kraft mal dein Verhältnis des Hebelarmes zwischen der Stange 172 und
dem Gelenk 176 zu dem Hebelarm zwischen der Schraube 178 und dem Gelenk 176 ist.
Die wirkende Kraft der Fliehkörper 160 ist deshalb bei dem Hebel 148 durch das Hebelverhältnis
verkleinert; dieser Faktor ist durch die Mutter 178 veränderbar, um die Neigung
des Absperreglers, wie später beschrieben, zu verstellen.
-
Es soll nun angenommen werden, daß der Pilot seinen Gashebel 40 entgegengesetzt
dem Uhrzeigersinn bewegt, um beispielsweise eine Maximaldrehzahl zu erhalten, wie
sie durch den Punkt d auf der Kurve 148
und durch die Lage des Gashebels
40 in Fig. 1 bestimmt ist. Dreht der Pilot den Hebel 40 in die Lage, welche die
Maximaldrehzahl bestimmt, so reagiert der Regler annähernd sofort wie folgt: Der
Steuernocken 142 dreht sich auf der Welle 46 in eine Lage, bei welcher der Nocken
einen Maximaldruck auf die Regelfeder 146 ausübt und eine Drehzahl hervorruft, bei
welcher die Kraft der Fliehgewichte 160 und andere auf den Servo!hebe1148 wirkende
Kräfte erst bei einer Drehzahl ins Gleichgewicht kommen, wie sie dem Punkt d entspricht.
-
Der Servohebel 148 ist nun zunächst nicht mehr im Gleichgewicht und
dreht sich um einen geringen Betrag im Uhr zeigersinn, um das Flächenverhältnis
zwischen der Mündung 154 und der Verengung 182 zu vergrößern. Dadurch wird sofort
der Servodruck PS vermindert und die auf den Servokolben 122 wirkenden Kräfte aus
dem Gleichgewicht gebracht. Diese aus dem Gleichgewicht gebrachten Kräfte bewirken,
daß der Kolben 122 nach unten geht und daß der Schwenkhebel 124 sich um das Gelenk
130 im U'hrzeigersinn dreht, bis die Nockenrolle 116 mit dem Beschleunigungsnocken
114 in Berührung kommt. Dadurch ist die Meßfläche 140 vergrößert worden, wodurch
ein verstärkter Brennstoffzufluß vom Punkt a der Kurve 248 bis zum Punkt b der Kurve
244 erreicht wird. Der Betrag des auf die Regelfeder 146 ausgeübten Druckes, welcher
sehr viel größer ist als der, welcher die notwendige Beschleunigung zum Punkt g
der Kurve 248 bewirkt, ergibt eine ständige Abwärtsbewegung des Kolbens 122 bei
ständigem Kontakt der Nockenrolle 116 mit dem Beschleunigernocken 114, was eine
Verlagerung des Schwenkpunktes 136 zur Folge hat. Dadurch drücken die Schraube 130
und der Kolben 134 den Kolben 194 gegen die Feder 200 nach unten, bis der Kolben
122 eine Lage erreicht, bei welcher die abnehmenden Drücke auf die Federn 184 und
158 sowie der geringe Druck in der Kammer 186 wieder die Kräfte des Druckes PS ausgleichen.
Die durch die Nockenrolle 116 auf den Beschleunigungsnocken ausgeübte Kraft wird
verhältnismäßig klein gehalten und nur durch den Druckanteil der leichten Feder
200 hervorgerufen.
-
Der Anstieg des Brennstoffzuflusses vom Punkt a zum Punkt b bewirkt
einen Überschuß an Brennstoff, der größer ist als der, der verlangt wird, um die
Maschine auf die Drehzahl zu bringen; die Beschleunigung verläuft entlang der Kurve
244, wie sie durch den Verlauf des Nockens 114, welcher die Öffnung des Meßventils
90 in axialer Richtung bewirkt, bestimmt wird. Zur gleichen Zeit bewirkt die Zahnstange
104, welche auf den Kompressorauslaßdruck anspricht, durch eine Drehbewegung des
Ventils 90 ein Öffnen. Diese zusammengesetzte Axial- und Drehbewegung des Ventils
90 bewirkt eine Brennstoffversorgung in Abhängigkeit von der Drehzahlcharakteristik,
wie sie durch den Kurventeil b c gegeben ist. In dem Maße, wie die Beschleunigung
vom Punkt b aus weiterschreitet, wobei das Verhältnis der öffnungsbewegung des Ventils
90 durch die Drehung des Nockens 114 bestimmt ist, wird der momentane Drehpunkt
des Schwenkhebels 124 vom Bolzen 136 zum Bolzen 126 verschoben, und zwar in dem
Maße, wie die Feder 200 den Kolben 194 und 134 nach oben bewegt, bis der Kolben
194 wieder an dem Abschlußteil 216 anliegt und der Drehpunkt 130 in die gezeigte
Lage zurückgeführt ist. Der Kontakt zwischen der Nockenrolle 116 und der abnehmenden
Steigung des Nockens 114 wird dabei beibehalten, während die Maschine beschleunigt
wird. Bei der dem Punkt c entsprechenden Drehzahl haben die Fliehkörper 160 eine
Kraft erzeugt, welche ausreicht, die Kraftmomente der Regelfeder 146 und der Rückholfeder
158 zu überwinden. Hierbei ist die Feder 158 in diesem Augenblick in einer verhältnismäßig
entlasteten Stellung. Das Servoventil 152 bewegt sich deshalb etwas nach
oben, um das Flächenverhältnis zwischen der Mündung 154 und der Verengung 182 zu
verkleinern. Hierdurch wird sofort ein Ansteigen des Druckes Ps bewirkt, welcher
den Servokolben 122 nach oben aus dem Gleichgewicht bringt, was den Schwenkhebel
124 zu einer Drehung um den Schwenkpunkt 130 entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn veranlaßt
und weiterhin eine Entfernung der Nockenrolle 116 von dem Nocken 114 bewirkt und
den Wert y der Meßöffnung 140 verkleinert. Wenn sich der Kolben 122 nach oben bewegt,
wird die Rückholfeder 158 gestreckt und bewirkt ein ansteigendes Kraftmoment auf
den Servohebel 148 im gleichen Sinn, wie es die Regelfeder 146 hervorbringt. Dieser
Vorgang bewirkt eine ständige Beschleunigung der Maschine, solange der Brennstoff
zufluß entlang der Regelabschaltkurve 246 abnimmt, insofern, wie die abnehmende
Kraftwirkung der Feder 158 ein proportionales Abnehmen der Drehzahl benötigt, so
daß die effektive Kraftleistung der Fliehgewichte 160 und der konstanten Kraftleistung
der Gleichgewichtsfeder 188 die tatsächliche Kraftleistung der Federn 146 und 158
in einer Gleichgewichtslage ausgleicht. Mit anderen Worten bewirkt also, wenn man
die konstanten Kräfte der Federn 146 und 158 und ebenso die geringe hydraulische
Kraft, die auf das Ventil 152 wirkt, vernachlässigt, der ansteigende Druck auf die
Rückholfeder in die Regelvorrichtung hinein ein Ansteigen der Drehzahl, die proportional
der Abnahme des zufließenden Brennstoffs entlang der Regelabschaltkurve 246 ist.
Diese proportionale Regeleigenschaft bewirkt eine negative Steigung (ein Abfallen)
für die Bre-nnstoffabsehaltkurve, welche eine Funktion der Spannung der Rückholfeder
ist, und erlaubt der Maschine, einen gleichmäßigen ausbalancierten Arbeitspunkt
zu erreichen. Unstabile Bedingungen, welche im allgemeinen als »Pendeln im Reglerbau«
bekannt sind, würden auftreten, wenn die Rückholfeder nicht in der Regelvorrichtung
vorhanden wäre, d. h., ohne die Feder 158 würde eine weitgehende vertikale oder
unstetige Zweipunktreglercharakteristik, wie sie durch die gestrichelte Kurve
h d i gezeigt ist, auf Grund der verhältnismäßig konstanten Kraftwirkung
der Regelfeder 146 bei irgendeiner gewählten oder gegebenen Drehzahl auftreten.
Ebenso würde ohne die Feder 158 eine geringe Änderung der Maschinendrehzahl über
oder unter die von dem Piloten ausgewählte Drehzahl eine solche Bewegung des Servoventils
152 hervorrufen, die einer möglichen Maximalbewegung des Servokolbens 122 und Meßventils
90 entspricht, um wieder ins Gleichgewicht zu kommen.
-
Wenn die für den Lauf der Maschine benötigte Brennstoffmenge entsprechend
Punkt d zugemessen wird, besteht keine die Maschine beschleunigende Drehkraft, und
die Regelvorrichtung ist im Gleichgewicht. Das heißt, daß die Kraftmomente, welche
auf den Hebel 148 in Uhrzeigerrichtung wirken, genau durch die entgegengesetzten
Kraftmomente entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn ausgeglichen werden, und die Stellungen
des Servokolbens 122 und Meßventils 90 sind festgelegt. Sollte die Maschine aus
irgendeinem Grunde ihre Drehzahl am Punkt d verkleinern oder vergrößern, so wird
mit einer Abnahme oder Zunahme der Dichte der umgebenden Luft die Brennstoffversorgung
entlang
der Kurve 246 verändert, um das Gleichgewicht der neuen Bedienungskurve wiederherzustellen.
-
Bei irgendeinem gegebenen festen Wert der Feder 158 kann, sofern es
gewünscht wird, die Neigung der Regelabschaltkurve von Hand eingestellt werden,
indem man die Mutter 178 verstellt. Eine Verstellung des Hebels 174 nach innen bewirkt
ein Ansteigen der Neigung der Regelabschaltkurve als ein Ergebnis der ansteigenden
Kraftwirkung der Fliehgewichte 160 bei einem Anstieg der Drehzahl. Während dagegen
eine Bewegung der Mutter 178 auf dem Hebel 174 nach außen eine Verminderung der
Steigung der erwähnten Kure bewirkt.
-
Die in Fig. 1 und 2 gezeigte relative Anordnung der Teile nähert sich
dem an, was sein würde, wenn eine Maschine durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
bei einem dem Punkt d entsprechenden Zustand geregelt würde. Es muß daran erinnert
werden, daß der Drehpunkt 130 des Schwenkhebels 124 in seiner festgelegten Stellung,
ivie gezeigt, verbleibt, und zwar während der Verringerung der Brennstoffmenge und
Glcichgewichtssteilung bei irgendeiner gewählten Drehzahl. Der momentane Drehpunkt
des Schwenkhebels 124 verschiebt sich zum Gelenkbolzen 136 nur während der Abwärtsbewegung
des Kolbens 194 gegen die Feder 200 und folgt dem anfänglichen Kontakt der Nockenrolle
116 mit dem Beschleunigernocken. Dieser momentane Drehpunkt verschiebt sieh vom
Bolzen 136 zu dein Bolzen 126 nur während der Aufwärtsbewegung des Kolbens 194_
in die angezeigte Stellung während der Beschleunigung der :Maschine bei beginnender
Verringerung der Brennstoffmenge durch die Regelvorrichtung.
-
Eine Verzögerung der Maschine wird dadurch erreicht, daß man den auf
die Feder 146 wirkenden Druck vermindert, indem man den Gashebel 40 des Piloten
entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn bewegt. Dieses bringt die auf den Hebel 148 wirkenden
Kräfte aus dem Gleichgewicht und bewirkt eine Bewegung des Kolbens 122 nach oben,
bis die Kolbenstange 128 einen Verzögerungsanschlag 252 berührt. Wenn der Schwenkhebel
124 um den Drehpunkt 130 entgegengesetzt dem Uhrzeiger dreht und in die durch den
Anschlag 252 bestimmte Lage kommt, ist die axiale Stellung des Meßventils 90 und
der v-Wert der Meßfläehe 140 festgelegt. Der Brennstoffzufluß nimmt sofort entlang
der Kurve d i ab, und die Maschine vermindert ihre Drehzahl entlang der Kurve
i j, wie der Wert x der Maßfläche mit dem Kompressorauslaßdruck abnimmt.
Bei dem Punkt j hat die Kraft der Fliehgewichte 160 sich derartig vermindert, daß
die Feder 146 anfängt, diese Kraftwirkung zu überwinden. Sie bewegt das Servoventil
152 etwas in die offene Stellung, um eine Öffnungsbewegung des Meßventils 90 hervorzurufen,
welcher Vorgang einen Anstieg des Brennstoffflusses bewirkt, da die Drehzahl entlang
der proportionalen Regelabschaltkurve von j nach a abnimmt. Bei dem Punkt a erreicht
die Regelvorrichtung wieder ein Gleichgewicht.
-
Es soll angenommen werden, daß die Maschine bei ihrer Maximaldrehzahl
entsprechend Punkt d arbeitet und daß der Pilot die Druckleistung der Maschine verstärken
möchte, indem er in den Kompressoreinlaß Wasser einspritzt. Um die Einspritzung
von Wasser zu bewirken, dreht der Pilot seinen Hebel 40 (Gashebel) über die der
Maximaldrehzahl entsprechende Stellung hinaus, bis die Erhebung des Nockens 58 eine
Öffnung der Ventilvorrichtungen des Wasserzuflußsteuergerätes 60 bewirkt und Wasser
durch die Düsen 68 eingespritzt werden kann. Dadurch wird ein Ansteigen der Luftdichte
derjenigen Luft, die durch den Kompressor strömt, durch Temperaturerniedrigung derselben
erreicht und dadurch ein Ansteigen der Menge des treibenden Strömungsmittels, welches
durch die Brenner 11 strömt. Der sich ergebende Anstieg an Menge und Dichte des
treibenden Strömungsmittels bedingt eine neue Dauerzustands-Arbeitskurve, wie sie
der Kurve 250 entspricht. Ohne die Nachstellvorrichtung, die in ihrer Arbeitsweise
später beschrieben wird, würde ein Absinken der Drehzahl und ein Anstieg des Brenstoffverbrauches
bewirkt werden, und zwar auf Grund der Abhängigkeit der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung
von der mit zu wenig Brennstoff versorgten Betriebsbedingung beim Punkt d im Hinblick
auf die neue Dauerzustandskurve 250. Das heißt, die Rückholfeder und die Wirkungen
der Fliehgewichte würden eine Abwärtsbewegung des Kolbens 122 bewirken, um einen
Anstieg der Brennstoffversorgung entlang der Regelabschaltkurv e 246 in eine neue
Lage des Dauerzustandes beim Punkt f hervorzurufen. Eine derartige Arbeitsweise
würde zu einer Unterdrehzahl beim Punkt f im Vergleich mit der vom Piloten gewählten
Solldrehzahl beim Punkt d führen. Um die gewählte Drehzahl auch beim Einspritzen
von Wasser aufrechtzuerhalten und um die durch die Wassereinspritzung bewirkte verstärkte
Druckleistung zu verwirklichen, ist die Regelnachstellvorrichtung entsprechend eingerichtet;
und zwar wird bei der Stellung des Hebels 40, der die Wassereinspritzung auslöst,
zusätzlich zu der Arbeitsweise des Steuergerätes 60 der elektrische Kontakt 70 und
72 geschlossen, um das Magnetventil 76 zu erregen und in eine geöffnete Stellung
zu bringen. Diese Stellung erlaubt den Wassereintritt unter Druck in den Raum 226.
Die Aufwärtsbewegung des doppelt wirkenden Ventils 234 wird ausgelöst; dadurch wird
ein Schließen der Abflußleitung 230 bewirkt, und die Kammer 206 wird mit dem unverminderten
BrennstoffdruckPl durch die Leitung 236, die Kammer204 und die Kolbenventile 212
verbunden. Der sich in Kammer 206 ergebende Druckanstieg verschiebt die Kolbenstange
132 nach oben gegen den einstellbaren Wasserinjektionsanschlag 242. Dadurch dreht
sich der Schwenkhebel 124 um den Zapfen 126, um das Meßventi190 weiter zu öffnen,
und bewirkt so einen verstärkten Brennstoffzufluß für die Brenndüse der Maschine.
Dieser Anstieg der Brennstoffversorgung, die gleichzeitig mit dem Einspritzen von
Wasser vor sich geht, wird anfänglich durch die Lage des Injektionsanschlages 242
derart abgemessen, daß dieser Anteil an vergrößertem Brennstoffzufluß gerade ausreicht,
um die gewählte Drehzahl aufrechtzuerhalten, wodurch die Maschine dann bei dem Punkt
e auf der neuen Dauerzustandskurve 250 arbeitet. Die neue Lage des Drehpunktes 130
bewirkt die Einstellung einer neuen Regelabschaltkurve 256 für die Maximaldrehzahl.
Es muß bemerkt werden, daß das Regelgleichgewicht nicht aufrechterhalten wird, wenn
die Brennstoffversorgung mit dem Wassereinspritzen vom Punkt d zum Punkt e ansteigt,
was zunächst der Fall sein würde, auch wenn die Nachstellvorrichtung nicht vorhanden
wäre.
-
Wünscht der Pilot eine normale Drehzahl ohne Wassereinspritzen, so
dreht er einfach den Kontrollhebel 40 in Uhrzeigerrichtung in die gezeigte Lage.
Dadurch wird sofort das Wasserzuflußsteuergerät 60 und das Magnetventil
76 abgeschaltet, das doppelt wirkende Ventil 234 und der Drehpunkt 130 kehren
in die gezeigte Lage zurück. Dieses bewirkt eine Abnahme
des Brennstoffzuflusses
vom Punkte zu dem Punkt d bei konstanter Drehzahl.
-
Es ist für Fachleute ersichtlich, daß die relative Anordnung und die
Ausführung dieser Teile abgeändert werden können, ohne daß man sich von dem Wesen
der Erfindung entfernt. So kann beispielsweise die Regelnachstellvorrichtung angewendet
werden, um eine Schutzvorrichtung für eine Maschine vorzusehen, welche Nachbrenner-Schuberhöhungsmittel
hat, welche im Falle eine Auslöschens an den Nachbrennerdüsen in Tätigkeit treten
können, um die Maschinendrehzahl auf einer betriebssicheren Höhe während einer Zeit
zu halten, wo die veränderbare Düsenöffnung noch so offenbleibt, als ob der Nachbrenner
arbeiten würde. Dieses kann man einfach dadurch bewirken, daß man die obere Seite
des Kolbens 134 mit Hochdruckbrennstoff aus der Leitung 236 bei z. B. einem vorbestimmten
Druckabfall in dem Schubrohr der Maschine verbindet.
-
Sollte der Nachbrenner auslöschen, so wird die Kammer 202 mit
Brennstoff von unvermindertem Druck P1 versorgt, welcher den Kolben 134 nach
unten, beispielsweise gegen einen Anschlag 216, drückt, um eine Drehung entgegengesetzt
dem Uhrzeigersinn des Schwenkhebels 124 um den Zapfen 126 und somit ein Verminderung
des Brennstoffflusses zu bewirken. Die geregelte Verminderung des Brennstoffflusses
würde die Drehzahl auf einem sicheren Wert halten, bis die veränderbare Düsenöffnung
kleiner geworden ist und der Druck im Schubrohr wieder ansteigt. Zu diesem Zeitpunkt
würde ein auf den Schubrohrdruck ansprechendes Auslaß- oder Schnappventil in der
Leitung 236 die Verbindung zwischen dem Brennstoffdruck P1 und der Kammer
202 unterbrechen, und der Kolben 134 würde in die gezeigte Stellung zurückkehren,
.,wodurch die Drehachse 130 und auch das Meßventi190 in die gezeigten Stellungen
zurückkehrten, um die gewählte Drehzahl aufrechtzuerhalten.