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Regler für mit veränderbaren Drehzahlen arbeitende Gasturbinenwerke
Die Erfindung bezieht sich auf Regeleinrichtungen für mit veränderbarer Drehzahl
arbeitende Gasturbinentriebwerke mit einem Temperaturregler am Turbineneinlaß, der
die dem Triebwerk zugeführte Kraftstoffmenge dann ändert, wenn eine Regelabweichung
des von dem Temperaturregler gemessenen. Temperaturwertes am Turbineneinlaß von
dem eingestellten Sollwert der Temperatur vorhanden ist.
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Solche Temperaturregler werden bei Gasturbinentriebwerke allgemein
verwendet, um ein Überhitzen der Turbine zu vermeiden.
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In manchen Fällen liegen die maximal zulässigen Temperaturen am Turbineneinlaß
bei verschiedenen Drehzahlen verschieden hoch. In solchen Fällen kann man einen
mit veränderbarem Sollwert arbeitenden Temperaturregler vorsehen, bei dem die Verstellung
des Sollwertes durch ein zur Einstellung der Kraftstoffmenge und damit der gewünschten
Drehzahl dienendes Einstellglied erfolgt.
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Bekanntlich sprechen Temperaturmeßeinrichtungen nicht augenblicklich
auf Änderungen der Temperatur an, was im wesentlichen auf die Wärmeträgheit des
temperaturempfindlichen Teiles der Einrichtung zurückzuführen ist. Wenn das Einstellglied
für die Kraftstoffmenge plötzlich von Hand bewegt wird, um die Temperatur am Turbineneinlaß
zu steigern und den Sollwert heraufzusetzen, kann daher die Temperatur am Turbineneinlaß
erheblich über den neuen Sollwert hinaus ansteigen, bis die vom Temperaturmeßteil
des Reglers ermittelte scheinbare Temperatur beginnt, den neuen Sollwert zu erreichen
bzw. zu überschreiten. Die durch die Trägheit des Meßteiles bedingte Abweichung
zwischen dem Sollwert und der angezeigten scheinbaren Temperatur bewirkt, daß die
Kegeleinrichtung die zugeführte Kraftstoffmenge über den Wert hinaus vergrößert,
der zur Einstellung des Istwertes auf den neuen Sollwert erforderlich wäre. Wenn
umgekehrt das Einstellglied plötzlich bewegt wird, um die tatsächliche Temperatur
am Turbineneinlaß zu verringern und den Sollwert herabzusetzen, kann die durch die
den Meßteil der Regeleinrichtung ermittelte scheinbare Temperatur immer noch oberhalb
des neuen Sollwertes liegen, wenn der Istwert der Temperatur am Turbineneinlaß bereits
bis auf den neuen Sollwert oder noch darunter abgesunken ist. In diesem Fall würde
die lediglich durch die Trägheit des Meßteiles bedingte Abweichung zwischen dem
Sollwert und der scheinbaren Temperatur bewirken, daß die Regeleinrichtung die Kraftstoffzufuhr
zunächst bis unterhalb desjenigen Wertes vermindert, der tatsächlich erforderlich
wäre, um den Istwert der Turbineneinlaßternperatur auf dem neuen Sollwert zu halten,
Dies kann in manchen Fällen zum Verlöschen der Flamme oder Pumpen des Verdichters
führen. Diese Unter- und Überregelung der Kraftstoffmenge durch die Temperaturfühleinrichtung
kann ferner zum Pendeln der Kraftstoffregelungseinrichtung führen.
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Ein Ziel der Erfindung besteht darin, diese Nachteile möglichst weitgehend
oder sogar vollständig auszuschalten.
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Die Erfindung geht von einer Regelvorrichtung für ein mit veränderlicher
Drehzahl arbeitendes Gasturbinentriebwerk aus, bei welcher mittels der Regelabweichung
der Turbineneinlaßtemperatur die Brennstoffmenge im Sinne einer Verminderung der
Regelabweichung verändert wird und bei welcher mittels des die Brennstoffmenge einstellenden
Handhebels der Sollwert der Turbineneinlaßtemperatur verstellbar ist.
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Das Neue gemäß der Erfindung besteht darin, daß zwischen dem Handhebel
und der Sollwertverstelleinrichtung eine Verzögerungseinrichtung vorgesehen ist.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind die Charakteristiken
der Verzögerungseinrichtung derart gewählt, daß Verstellungen des Temperatursollwertes
auf Grund von Bewegungen des die Drehzahl einstellenden Handhebels zeitlich annähernd
mit dem Ansprechen
der Temperaturmeßeinrichtung auf Änderungen
der durch solche .Bewegungen -hervorgerufenen Turbineneinlaßtemperatur zusammenfallen.
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`Fenn der Handhebel bewegt wird, um die Kraftstoffzufuhr zu verstellen,
damit sich die Drehzahl ändert, wird somit der Sollwert der Temperaturmeßeinrichtung
ebenfalls verstellt, doch geschieht dies langsamer und mit einer Verzögerung, die
annähernd der Verzögerung des Ansprechens der Temperaturmeßeinrichtung entspricht,
so daß sich zwar die tats iicliliche Temperatur am Turbineneinlaß infolge der Änderung
der Kraftstoffzufuhr schnell ändert, während sich die durch die Temperaturmeßeinrichtung
ermittelte scheinbare Temperatur langsamer ändert, und daß trotzdem keine erhebliche
Abweichung dieser scheinbaren Temperatur von der der Solltemperatur auftritt, da
sich die Solltemperatur ebenfalls annähernd mit der gleichen niedrigen Geschwindigkeit
ändert. Durch die zeitliche Abstimmung, die derart erfolgt, daß die Verstellungen
des Sollwertes mit den Änderungen der durch die Temperaturmeßeinrichtung ermittelten
scheinbaren Temperaturen und nicht etwa mit den Änderungen der tatsächlichen Temperatur
am Turbineneinlaß zusammenfallen, werden Unter- oder 1'berkorekturen der Kraftstoffzufuhr
durch die Temperatureinrichtung praktisch ausgeschaltet.
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Bei einer anderen Ausbildungsform der Erfindung sind die Charakteristiken
der Verzögerungseinrichtung so gewählt, daß die Verstellungen des Sollwertes auf,
Grund von Bewegungen des Handhebels gegenüber dem Ansprechen der Temperaturmeßeinrichtung
auf Änderungen der von solchen Bewegungen herrührenden Türbirieneinlaßtemperatur
nacheilen, um eine Beschleunigungskontrolle zu ermöglichen.
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Wenn die tatsächliche Turbineneinlaßtemperatur während einer gewollten
Beschleunigung des Triebwerks einen bestimmten Wert erreicht hat, hat somit die
durch das Temperaturmeßgerät ermittelte scheinbare Temperatur einen bestimmten niedrigeren
Wert erreicht, und die Sollwerteinstellung der Temperaturmeßeinrichtung entspricht
infolge ihrer größeren zeitlichen Verzögerung einem noch niedrigeren Wert. Die Ab,tv
eichung zwischen dem Sollwert der Temperatur der Temperaturmeßeinrichtung und der
durch sie ermittelten scheinbaren Temperatur verringert dann die Kraftstoffzufuhr
zu dem Triebwerk, so daß die Geschwindigkeit, mit der das Triebwerk beschleunigt
wird, geregelt wird.
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Bei einer Regeleinrichtung, bei der die Bewegungen des Handhebels
durch einen Servomotor auf die Sollwertv erstelleinrichtung übertragen werden, ist
es zweckmäßig, die Verzögerungseinrichtung mit dem Servomotor zu vereinigen. Beispielsweise
kann man einen hydraulischen Servomotor mit Drosseln in den Strömungskanälen für
das Druckmittel versehen, um die Strömungsgeschwindigkeit herabzusetzen.
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Die Erfindung läßt sich bei Regelvorrichtungen der verschiedensten
Bauarten anwenden, und man kann verschiedene Verfeinerungen zum Zweck der Anpassung
an besondere Anforderungen vorsehen. Bei einer Ausbildungsform einer Regeleinrichtung
für eine Flugzeugtriebwerksanlage, die mehrere Gasturbinentriebwerke umfaßt, wird
z. B. dafür gesorgt, daß beim Versagen eines Triebwerks das verbleibende Triebwerk
bzw. die noch arbeitenden Triebwerke automatisch so eingestellt werden, daß sie
eine übernormale hohe Notleistung abgeben. Dies erfordert die zeitweilige Ausschaltung
des Einflusses der Temperaturmeßeinrichtung für die Turbineneinlaßtemperatur jedes
"@"riebwerks, das zur Abgabe der Notleistung verstellt wird. Bei einer Ausbildungsform
der Erfindung, die bei einer solchen Regeleinrichtung angewendet wird, beeinflußt
die Temperaturmeßeinrichtung die Kraftstoffzufuhr zu dem Triebwerk mittels eines
Überströmventils, wobei eine Ausschaltvorrichtung das Überströmventil geschlossen
hält, um den Einfluß der Temperaturmeßeinrichtung auszuschalten.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand einer schematischen Zeichnung
an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Fig. 1 ist eine schematische Darstellung des Triebwerks und der zugehörigen
Regelvorrichtung; Fig.2 ist eine schematische Darstellung der Einrichtung der Regelvorrichtung
allein.
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Das in Fig. 1 gezeigte Gasturbinentriebwerk 10 treibt einen Rotor
11 eines mit zwei Rotoren ausgerüsteten Hubschraubers an, für dessen zweiten Rotor
ein hier nicht gezeigtes ähnliches Triebwerk vorgesehen ist. Das Triebwerk
10 umfaßt einen senkrecht angeordneten Axialverdichter 12, der durch einen
Einlaß 13 Luft ansaugt, diese Luft verdichtet und sie zu Brennkammern 14 fördert,
wo die Luft zur Verbrennung einer durch die Brenner 15 eingespritzten geregelten
Kraftstoffmenge dient. Die heißen Gase entspannen sich in einer Verdichterantriebsturbine
und einer Nutzleistungsturbine, die in einem Turbinengehäuse 16 angeordnet sind,
und strömen über Leitungen 17 in die Umgebungsluft ab. Die Verdichterantriebsturbine
treibt den Verdichter 12 über eine Welle 18 an, während die Nutzleistungsturbine
den Rotor 11 über ein Untersetzungsgetriebe 19 und eine mit einem Drehmomentmeßwerk
21 ausgerüstete Welle 20 antreibt.
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Die Förderung des den Brennern 15 zugeführten Kraftstoffs erfolgt
durch eine Kolbenpumpe 22 mit veränderbarer Hublänge über ein Zumeßgerät 23 und
eine Förderleitung 24. Das Zumeßgerät regelt die den Brennern zugeführte Kraftstoffmenge
in Abhängigkeit von der Einstellung eines durch den Flugzeugführer zu betätigenden
Handhebels 25 zur Einstellung der Drehzahl. Der Einstellhebel 25 ist mit
dem Zumeßgerät 23 durch eine Welle 26 verbunden. Wenn dieser Hebel 25 plötzlich
verstellt würde, um die Drehzahl des Triebwerks zu steigern, würde das Zumeßgerät
23 eine entsprechend große Kraftstoffmenge zu den Brennern gelangen lassen. Hierdurch
könnte aber am Turbineneinlaß eine unerwünschte hohe Temperatur entstehen. Um dies
zu vermeiden, wird auf das Zumeßgerät ein zusätzlicher Regeleinfluß ausgeübt, und
zwar in Abhängigkeit von der Turbineneinlaßtemperatur, die mittels einer mit Quecksilber
gefüllten Meßeinrichtung 27 ermittelt wird.
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Die Regelung erfolgt mit Hilfe einer in Fig. 2 in Einzelheiten dargestellten
Regelvorrichtung 28. Diese Vorrichtung umfaßt ein Federrohr 29, das durch ein Kapillarrohr
30 mit dem temperaturempfindlichen Meßteil 27 verbunden ist, sowie einen bei 32
gelagerten Hebel 31, an dem das obere Ende des Federrohrs angreift, und ein Halbkugel-Überströmventil33,
an dem sich das freie Ende des Hebels 3,1 abstützt. Das Überströmventil 33 entnimmt
der Förderleitung 24 über eine Leitung 54 Kraftstoff, wenn die von dem Temperaturmeßteil
angezeigte Temperatur am Turbineneinlaß den eingestellten Sollwert erreicht hat.
Das Federrohr 29 hebt den Hebel 31 an und öffnet das Ventil 33, so daß die
Kraftstoffzufuhr zu den Brennern 15 verringert wird, Bei verschiedenen Drehzahlen
des Triebwerks unterscheiden sich während des normalen Betriebs auch die maximal
zulässigen Turbineneinlaßtemperaturen. Infolgedessen
muß man auch
den Sollwert der Regelvorrichtung 28, d. h. die von dem Meßteil 27 angezeigte Turbineneinlaßtemperatur,
bei der sich das Uberströmventil33 öffnet, entsprechend der Triebwerksdrehzahl ändern.
Diese Änderung des Sollwertes der Einlaßtemperatur erfolgt mit Hilfe einer Verbindung
34 bis 49 zwischen dem Einstellhebel 25 und einer Sollwertverstelleinrichtung der
Temperaturmeßeinrichtung, welche die Lage des Drehpunktes 32 beeinflußt.
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Die Verbindung 34 bis 49 trägt einen Nocken 35, der auf der Welle
34 mittels einer Klemmschelle 36 verstellbar befestigt ist. Dieser Nocken wirkt
auf einen Hebel 37, der seinerseits ein Steuerventil 38 steuert. Dieses
Ventil ist in dem Kolben 39 eines Stellmotors 40 angeordnet. Der Raum 41 unterhalb
des Kolbens 39 steht in ständiger Verbindung mit einer Rohrleitung 42, durch die
ein Druckmittel zugeführt wird. Der Raum 43 oberhalb des Kolbens steht ebenfalls
mit der Rohrleitung 42 in Verbindung, jedoch über eine Drossel 44, so daß das Druckmittel
langsamer in den Raum 43 eintreten kann als in den Raum 41. Das Steuerventil 38
steuert den Ausluß des Druckmittels aus dem Raum 43 über einen Kanal 45 und eine
Drossel 46. Die dem Raum 43 zugewandte Kolbenfläche ist größer als die dem Raum
41 zugewandte Fläche des Kolbens, so daß sich der Kolben 39 langsam nach unten bewegt,
wenn das Steuerventil 38 geschlossen ist. Wenn der Handhebel 25 bewegt wird,
so daß der Nocken 35 eine Schwenkung des Hebels 37 im Uhrzeigersinn bewirkt und
sich das Steuerventi138 öffnen kann, wird das Druckmittel in dem Raum 43 entlastet,
woraufhin sich der Kolben 39 um eine Strecke heben kann, die gleich dem Hub des
Steuerventils 38 ist. Wenn umgekehrt der Handhebel 25 in der entgegengesetzten Richtung
bewegt wird, wird das Ventil 38 geschlossen. Da aus dem Raum 43 kein Druckmittel
mehr entweichen kann, bewegt sich der Kolben 39 langsam nach unten, bis das Ventil
38 seine neue, durch den Nocken bestimmte Stellung erreicht hat. Eine zwischen den
Nocken 35 und dem Hebel 37 angeordnete Feder 47 bewirkt, daß der Hebel 37 einer
Verstellung des Nockens verzögert folgt. Die Bewegungen des Kolbens 39 werden auf
den Drehpunkt 32 des Stellhebels 31 durch einen Hebel 49 mit einem verstellbaren
Drehpunkt und eine Stange 50 übertragen. Die verstellbaren Anschläge 51 und 52 bestimmen
die Endlagen des Kolbens 39.
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Die beschriebene Anordnung berichtigt beim Auftreten einer Abweichung
zwischen dem Sollwert der Temperatur, auf die die Regelvorrichtung eingestellt ist,
und dem Istwert der Temperatur am Turbineneinlaß durch das Überströmventil 33 die
zugemessene Kraftstoffmenge. Wenn sich die Betriebsbedingungen schnell ändern, wird
jedoch die vom Temperaturmeßteil angezeigte Temperatur am Turbineneinlaß infolge
der thermischen Trägheit des Meßteiles 27 von dem Istwert oder der tatsächlichen
Temperatur am Turbineneinlaß abweichen. Ohne die Maßnahmen gemäß der Erfindung würde
die Kraftstoffzufuhr in diesen Fällen nicht in der richtigen Weise geändert, was
die bereits erwähnten unerwünschten Folgen nach sich ziehen würde. Durch die Verwendung
einer Verzögerungseinrichtung, bestehend aus den Drosseln 44 und 46 am Stellmotor
40, werden diese Fehler jedoch vermieden. Die Drosseln sind so bemessen, daß die
durch die Verstellung des Handhebels 25 verursachten Bewegungen des Kolbens 39 so,
verzögert werden, daß sie zeitlich, annähernd mit den Änderungen der Lage des oberen
Endes des Federrohrs 29 zusammenfallen, die auf Änderungen der Turbineneinlaßtemperatur
zurückzuführen sind, welche ihrerseits bei Veränderungen der zugeführten Kraftstoffmenge
infolge Verstellung des Handhebels auftreten.
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Wenn man die Drosseln 44 und 46 so bemißt, daß die durch die Bewegungen
des Handhebels 25 verursachten Bewegungen des Kolbens 39 den entsprechenden Änderungen
der Lage des oberen Endes des Federrohrs nacheilen, bewirkt die Regelvorrichtung
alternativ in der bereits beschriebenen Weise eine Regelung der Beschleunigung des
Triebwerks.
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Die Regelvorrichtung umfaßt ferner eine Einrichtung, die beim Versagen
eines Triebwerks einer Anlage mit mehreren Triebwerken das andere Triebwerk oder
die anderen Triebwerke automatisch so einstellt, daß sie eine übernormal hohe Notleistung
abgeben. Dies bedingt, daß man zeitweilig eine unnormal hohe Turbineneinlaßtemperatur
in Kauf nehmen muß. Ohne diese Möglichkeit, würde die bis jetzt beschriebene Regelvorrichtung
das Auftreten dieser hohen Temperatur verhindern, so daß die Abgabe der erwünschten
hohen Notleistung durch das intakte Triebwerk nicht möglich wäre. Die genannte Einrichtung
setzt die Temperaturmeßeinrichtung eines Triebwerks beim Versagen des anderen Triebwerks
automatisch außer Betrieb. Jedes Triebwerk ist mit einem Drehmomentmeßwerk 21 versehen.
Wenn das von einem Triebwerk erzeugte Drehmoment auf einen vorbestimmten Wert absinkt,
der auf ein Versagen hindeutet, dann schaltet das Drehmomentmeßwerk 21 über eine
Verbindung 53 die Temperaturregelvorrichtung des anderen Triebwerks aus, indem die
Verbindung 53 ein nicht dargestelltes Ventil öffnet, welches Druckmittel in eine
Rohrleitung 55 gelangen läßt, die zu einem Raum oberhalb eines Kolbens 56 führt,
damit dieser Kolben nach unten gedrückt wird und das Überströmventil 33 ohne Rücksicht
auf die Stellung des Hebels 31 schließt. In diesem Falle kann die Temperaturmeßeinrichtung
28 keinen Einfluß auf die Kraftstoffzufuhr mehr ausüben.