DE1055299B - Nachbrennersteuereinrichtung fuer Gasturbinenstrahltriebwerke - Google Patents
Nachbrennersteuereinrichtung fuer GasturbinenstrahltriebwerkeInfo
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- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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Description
DEUTSCHES
Die Erfindung betrifft eine Nachbrennersteuereinrichtung für Gasturbinenstrahltriebwerke mit
einem von der Turbine angetriebenen Kompressor, einem stromabwärts von der Turbine gelegenen Schubrohr
und einem Dosierventil in der Brennstoffleitung zu dem Schubrohr, bei welcher der Durchflußquerschnitt
des Dosierventils in Abhängigkeit von einer Betriebskenngröße der Maschine durch eine erste Vorrichtung
geändert wird und eine zweite, durch ein von Hand betätigbares Glied gesteuerte Vorrichtung
mit der ersten Vorrichtung zusammenarbeitet, um den Durchflußquerschnitt zu regulieren.
Bei einer derartigen bekannten Ausführung wird das in der Brennstoffleitung zu dem Schubrohr liegende
Dosierventil durch zwei Faktoren, nämlich den Turbinenauslaßdruck und den Kompressoreinlaßdruck,
gesteuert. Die Handsteuerung bestimmt hierbei die relativen Wirkungen der beiden Faktoren. Der
zulässige größte Durchsatz des Nachbrennerbrennstoffes hängt bei dieser Ausführung von. Betriebskeimgroßen
in dem System ab.
Bei der bekannten Ausführung wirkt der Turbinenauslaßdruck im Sinne einer Verminderung des Brennstoffflusses,
der Kompressoreinlaß druck dagegen in Richtung einer Brennstoffflußsteigerung. Wenn der
größte Durchfluß erhalten wird, hängt er nicht von einem der Steuerfaktoren, sondern von beiden Faktoren
und ihrer relativen Wirkung ab, die durch die. Handbetätigung festgelegt wird.
Ferner ist eine Nachbrennersteuereinrichtung bekannt, bei der eine auf die Temperatur des Schubrohrs
ansprechende Vorrichtung die Menge des Brennstoffflusses zum Nachbrenner vermindert, wenn
diese Temperatur einen vorbestimmten Wert überschreitet. Der Nachbrennerbrennstofffluß wird hierbei
in Übereinstimmung mit dem Druckunterschied an dem Kompressor der Maschine geregelt.
Ferner ist eine Regelvorrichtung zur Aufrechterhaltung eines konstanten Wertes der Turbinendrehzahl
bekannt, der durch eine von Hand betätigte Drossel durch Regulierung der durch einen Regler
zu der Maschine abgegebenen Brennstoffströmung ausgewählt wird. Der Regler hat hierbei eine veränderbare
Charakteristik, die durch die Drossel einstellbar ist. Während eines vorübergehenden Betriebszustandes,
d. h. der Beschleunigung und Verzögerung, ist die Brennstoff abgabekurve bei dieser bekannten
Ausführung zwischen Maximum- und Minimumgrenzen eingefaßt, die in Abhängigkeit von dem
Unterschied der Drücke an dem Kompressorausgang und -eingang bestimmt sind. Hierdurch wird ein
Pumpen der Turbine während der Beschleunigung und ein Erlöschen des Brenners während der Verzögerung
verhindert.
Nadibrennersteuereinridituiig
für Gasturbinenstrahltriebwerke
für Gasturbinenstrahltriebwerke
Anmelder:
Bendix Aviation Corparation,
New York, N. Y. (V. St. A.)
New York, N. Y. (V. St. A.)
Vertreter: Dr.-Ing. H. Negendank, Patentanwalt,
Hamburg 36, Neuer Wall 41
Hamburg 36, Neuer Wall 41
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 8. Juli 1955
V. St. v. Amerika vom 8. Juli 1955
Howard J. Williams, South Bend, Ind. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden
ist als Erfinder genannt worden
Erfindungsgemäß ist die erste Vorrichtung arbeitsmäßig
oder mechanisch mit dem Drosselventil verbunden, um seinen größten Querschnitt zu bestimmen,
und eine von derselben Betriebskenngröße wie die erste Vorrichtung abhängige dritte Vorrichtung
arbeitsmäßig oder mechanisch mit dem Dosierventil verbunden, die unabhängig von der zweiten
Vorrichtung den kleinsten Querschnitt vorgibt. Hierbei ist die zweite Vorrichtung zur Auswahl des
\rentilquerschnittes innerhalb der größten und kleinsten
Grenze, welche durch die erste bzw. dritte Vorrichtung festgelegt sind, arbeitsmäßig mit dem Ventil
verbunden, und die Betriebskenngröße ist in an sich bekannter Weise eine für die zum Schubrohr strömende
Luftmenge kennzeichnende Größe, z. B. der Kompressorauslaß druck.
Die Grenzen zur Auswahl des Ventil quer schnittes werden so bestimmt, daß die Verbrennung in dem
Abgasrohr unabhängig von der Stellung des Drosselventils aufrechterhalten wird und daß im wesentlichen
die gesamte Luft, die von der Turbine bei jedem Kompressorauslaßdruck in das Abgasrohr
strömt, verbrannt wird, so daß der Schubkraftanstieg einen Höchstwert hat.
Der Pilot hat somit einen unmittelbaren Steuereinfluß auf den Betrag der Schubkraftvermehrung, die
er entsprechend der gewünschten Betriebsweise einstellen kann, ohne aus dem Bereich der höchsten
Wirkungsweise und Sicherheit herauszukommen.
809 790/176
Es wird eine Einrichtung geschaffen, die auf die Temperatur im Schubrohr der Turbine anspricht,
um die Wirkung des Kompressordruckes auf die Steuerung der Brennstoffversorgung zu begrenzen.
Weitere Zwecke und Merkmale der Erfindung sollen in der Beschreibung im Zusammenhang mit den
Figuren erläutert werden; es zeigt
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Gasturbine, welche mit einer vollständigen Regelvorrichtung der
Antriebskraft einschließlich der erfindungsgemäßen Nachbrennersteuereinrichtung ausgestattet ist,
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch die in Fig. 1 gezeigte Nachbrennersteuereinrichtung,
Fig. 3 einen schematischen Schnitt durch eine Nachbrennersteuereinrichtung
analog Fig. 2 mit einigen Abwandlungen,
Fig. 4 eine graphische Darstellung, in welcher der Brennstoffzufluß für den Nachbrenner über dem Kompressorauslaßdruck
aufgetragen ist, um gewisse Arbeitseigenschaften der in Fig. 2 und 3 gezeigten Brennersteuereinrichtung zu erläutern.
In Fig. 1 ist das Strahltriebwerk allgemein mit 10 bezeichnet und ist versehen mit mehreren ringförmig
angeordneten Brennkammern 12. Diese Brennkammern 12 sind in einem Gehäuse angeordnet, welches
aus einem Kopfstück oder Luftzufuhrbereich 14 und einem Kompressor 16 besteht, welcher durch eine
Turbine 18 über eine Antriebswelle 20 angetrieben wird. Das verlängerte Abgasrohr, im folgenden
Schubrohr 21 genannt, nimmt die heißen Verbrennungsgase auf, welche durch die Turbine 18 strömen,
und führt die Gase zu einer Rückstoßdüse 22 mit veränderlichem Querschnitt. Aus dieser Düse 22 erfolgt
der Ausstoß in die Atmosphäre. Jede der Brennkammern ist mit einer Brennerdüse 23 versehen,
welche über die Leitung 24, die Verteilerleitung 26 und einzelne Brennstoffleitungen 28 mit einer abgemessenen
Menge von unter Druck stehendem Brennstoff versorgt wird. Die Leitung 24 erhält den abgemessenen
Brennstoff von einer Hauptbrennkammerregelvorrichtung 30.
Eine Pumpe 32 pumpt über die Leitung 34 Brennstoff zu der Regelvorrichtung 30, wobei ein Teil desselben
über die Leitung 38 wieder der Pumpenzufluß-Ieitung36
zurückgeführt werden kann. Die Brennkammerregelvorrichtung 30 enthält eine Vorrichtung,
welche in Abhängigkeit von der Kompressoreingangstemperatur, dem Kompressorauslaßdruck, der Drehzahl
und der Stellung des Einstellhebels 52 des Piloten betätigt wird. Die Kompressoreingangstemperatur
wird durch einen Temperaturfühler 40 gemessen, welcher über eine Leitung 42 mit flüssigkeitsgefüllten
Bälgen in der Brennkammerregelvorrichtung 30 verbunden ist. Der Kompressorauslaßdruck wird von
einem Druckrohr 44 aufgenommen und über die Leitungen 46 und 48 mit der BrennkammerregelvoTrichtung30
verbunden. Die Drehzahl ward über eine kerbverzahnte Welle 50 der Regelvorrichtung mittels
eines entsprechenden, nicht gezeigten Getriebes übertragen, welches zwischen dieser Welle 50 und der
Maschinenantriebswelle 20 gelegen ist. Der Einstellhebel 52 des Piloten ist drehbar auf einer Welle 54
in dem Einstellquadranten 56 angebracht, wobei die Welle mit der Brennkammerregelvorrichtung über
ein Gestänge 58, eine Drosselstange 60 und eine Welle 62 verbunden ist.
Brennstoff unter Druck wird über eine Zentrifugalpumpe 67 durch eine Zuflußleitung 66 einer Nachbrennersteuereinrichtung
64 zugeführt. Diese Nachbrennersteuereinrichtung 64 versorgt über eine Abflußleitung 70 eine Nachbrennerverteilerleitung 68 mit
einer abgemessenen Menge Brennstoff. Dieser Brennstoff wird in das Schubrohr 21 geblasen, wo er sich
mit der unverbrannten Luft der heißen Abgase vermischt, durch dieses Schubrohr strömt und so die
Schubrohrtemperatur stromab der Verteilerleitung 68 erheblich steigert, wodurch der Nutzschub der Ausstoßdüse
22 verstärkt wird. Der Druckmeßfühler 44 und die Leitung 46 führen Luft unter Kompressorauslaßdruck
zur Nachbrennersteuereinrichtung, während der Regelhebel 52 des Piloten arbeitsmäßig mit
der Steuereinrichtung 64 über eine Bezugsdruckleitung 72 und Düseneinstelldruckleitung 74 verbunden
ist, so daß die Steuereinrichtung 64 in der Lage ist, die Brennstoffversorgung für die Verteilerleitung
68 als einheitliche Funktion vom Kompressorauslaßdruck und Düsenstellung zu verändern. Eine Leitung
76 verbindet die Regelvorrichtung 30 mit der Steuereinrichtung 64 mittels eines hydraulischen Druckes,
welcher sich proportional zu den Änderungen der Drehzahl ändert. Dadurch kann der Brennstoff durch
die Steuereinrichtung 64 nicht unterhalb einer bestimmten vorgegebenen Drehzahl fließen.
Der wirksame Querschnitt der Ausstoßdüse 22 wird durch ein geschoßkörperähnliches Ventil 78 geregelt,
welches in einem zylindrischen Führungsteil 80 hin- und herbeweglich ist und welches so eingestellt
wird, daß es den wirksamen Querschnitt der Düse 22 in Funktion zur Lage des Stellhebels 52 des
Piloten und/oder als Funktion der Schubrohrtemperatur durch eine Stange 82 verändern kann. Diese
Stange 82 ist durch einen hydraulisch angetriebenen Arbeitskolben 84 mit der Regelvorrichtung 86 für den
Querschnitt der Ausstoß düse verbunden. Der Arbeitskolben 84 ist als Kolben ausgebildet, welcher unter
Druck stehenden Brennstoff oder Öl über eine Leitung 85 oder 85' aufnehmen kann, wobei dieser Zylinder
nur wegen der Einfachheit der Darstellung als im Schubrohr 21 untergebracht gezeichnet ist. Der
Stellhebel 52 des Piloten ist mit der Düsenquerschnitt-RegelvotTichtung
86 durch einen Hebel 88 und einen weiteren Hebel und eine Welle 90 verbunden, um den wirksamen Querschnitt der Ausstoßdüse 22
mit der Antriebskrafteinstellung der Hauptbrennkammerregelvoxrichtung
30 zu koordinieren, wenn der Nachbrenner nicht in Betrieb ist. Solange der Nachbrenner nicht arbeitet, spricht ein Elektronenverstärker
und eine Temperaturregelvorrichtung 92 auf die Turbinenauslaßtemperatur im Schubrohr 21
an, wenn diese einen bestimmten Maximalwert überschreitet. Diese Temperatur wird durch einen Thermofühler
94 über eine Leitung 96 zur Regelvorrichtung 92 weitergegeben, worauf über die Leitungen 98 die
Düsenquerschnitt-Regelvorrichtung 86 eine derartige Steuerung durchführt, daß das geschoßförmige Ventil
78 den Querschnitt der Düse 22 vergrößert, wenn die Temperatur im Schubrohr unterhalb einer vorbestimmten
Maximalgrenze gehalten werden muß. Ein Hebel 99 zur mechanischen Rückkopplung verbindet
die Stange 82 mit der Düsenquerschnitt-Regelvorrichtung 86. Befindet sich der Nachbrenner in Betrieb, so
bestimmt die Temperaturregel vor richtung 92 den wirksamen Querschnitt der Ausstoßdüse 22 allein
über die Düsenquerschnitt-Regelvorrichtung 86. Diese Regelung ist derart, daß eine konstante und festgelegte
Turbinenauslaßtemperatur im Schubrohr 21 beibehalten wird, und zwar unabhängig von Veränderungen
der Brennstoffzuführung in der Verteilerleitung 68 oder unabhängig von anderen Arbeitsbedingungen
der Maschine.
I 055
Die Einstellung der Antriebskraft durch den Hebel 52 des Piloten in dem Sektor A des Quadranten ruft
eine Drehzahlsteuerung in der Hauptregelvorrichtung 30 zwischen einer unteren Leerlaufdrehzahl und einer
nahe am Maximum befindlichen Betriebsdrehzahl hervor, wenn der Hebel 52 den Sektor in einer dem Uhrzeigersinne
entgegengesetzten Richtung durchläuft. Die Düsenquerschnittssteuerung wird während der
Beschleunigung der Maschine wirksam, um den Querschnitt der Düse 22 zu verringern, wodurch der Nutzschub
verstärkt wird. Durchläuft der Hebel 52 des Piloten den Sektor B des Quadranten in einer dem
Uhrzeigersinn entgegengesetzten Richtung, so wird die Drehzahleinstellung der Hauptregelvorrichtung
nur sehr wenig, wenn überhaupt, betätigt, wohingegen das Gestänge 88 die Düsenquerschnittssteuerung 86 so
einstellt, daß das geschoßartige Ventil 78 die Düsenfläche 22 bis zu deren minimaler Größe schließt, die
der äußersten Arbeitsbedingung entspricht, bei welcher der Nachbrenner nicht arbeitet; dieses entspricht
einer Stellhebeleinstellung an der Trennlinie zwischen den Sektoren B und C des Quadranten. Bewegt sich
der Hebel 52 des Piloten bei Maximaldrehzahl der Maschine über den Sektor C des Quadranten in einer
dem Uhrzeigersinn entgegengerichteten Richtung, so regelt der Nachbrennerregler 64 als Funktion des
Kompressorausstoßdruckes und der Hebelstellung des Piloten die zunehmende Brennstoffmenge zur Verteilerleitung
68. Während des Betriebes der Maschine innerhalb des durch die Sektoren A und B bestimmten
Leistungsbereiches wirkt die Temperaturregelvorrichtung 92 auf die Düsenquerschnitt-Regelvorrichtung
86 nur in dem Sinne, daß zu hohe Temperaturen in dem Schubrohr21 vermieden werden; die Einschaltung
des Nachbrenners im Sektor C ergibt eine kontinuierliche Beeinflussung der Düsenquerschnitt-Regelvorrichtung
86 durch die Temperaturregelvorrichtung 92, um eine bestimmte konstante Schubrohrtemperatur
aufrechtzuerhalten.
Die Temperaturregelvorrichtung 92 kann auch mit der Nachbrennersteuerung 64 über einen Schalter 100
und Leitungen 101 und 102 verbunden werden, damit die Brennstoffzufuhr für den Nachbrenner verringert
werden kann, falls im Schubrohr auf Grund einer Bewegung des Düsenventils 78 in eine zu weit geöffnete
Stellung zu große Temperaturen entstehen. Der Schalter 100 kann geschlossen werden, damit die Regelvorrichtung
92 eine Verringerung des Brennstoffzuflusses bei Überhitzungsgefahr bewirkt, indem ein kleiner
federbelasteter Kolben 103, welcher in einer zylindrisehen Führung 103' innerhalb des Zylinders 80 angeordnet
ist, in noch zu beschreibender Weise in Tätigkeit tritt. Dieser Kolben 103 ist über ein Gestänge
103" mit dem Schalter 100 verbunden. Das Ende der Führung 103 wirkt als Begrenzung für das Düsenventil
78 und seine Maximalquerschnittseinstellung. Dieses Ventil 78 ruft eine nach links gerichtete Bewegung
des Kolbens 103 hervor, um den Schalter 100 zu schließen, wenn ein maximaler Düsenquerschnitt erreicht
worden ist. So kann eine weitere Schubrohrtemperatursteuerung erfolgen, obwohl sich das Ventil
78 in seiner weit geöffneten Stellung befindet, bei welcher durch die Steuervorrichtung 86 und 92 eigentlich
keine weitere Regelung der Ubertemperatur gegeben ist.
Die in Fig. 2 gezeigte Regelvorrichtung 64 leitet den für den Nachbrenner bestimmten Brennstoff von
der unter einem Druck P1 stehenden Zuflußleitung 66 zu der unter einem Druck P3 stehenden Abflußleitung
70. Der Brennstoff fließt durch Öffnungen 104 einer Hülse 106, durch gegenüber angeordnete Öffnungen
108, welche durch ein Doppelsitzventil 110 gesteuert, werden, weiter durch eine Druckkammer 112, welche
unter dem Druck P2 steht, eine Leitung 114, eine
Kammer 116, eine Abmeßöffnung 118, welche zwischen einem Mündungsteil 120 und einem profilierten
Abmeßventil 122 gebildet wird, und weiter durch eine unter dem Druck P8 stehende Kammer 124, welche
den jetzt abgemessenen und unter Druck stehenden Brennstoff aufnimmt, weiter durch eine Leitung 126
und durch eine Öffnung 128, welche durch ein Abschlußventil 130 geschlossen werden kann.
Das Regulierventil 110 ist ein Ventil zur Erzeugung eines Differenzdruckes. Dieses Ventil 110 wird
durch eine Regulierfeder 132 in eine Öffnungsstellung gedrückt, wobei die Feder 132 mit dem Ventil durch
einen Federteller 134 und eine Ventilstange 136 verbunden ist, welche durch eine biegsame Membran 138
führt. Das Ventil 110 wird in die geschlossene Stellung durch eine Kraft gedrückt, welche durch den
Differenzdruck des Brennstoffes an der Membran 138 entsteht. Dieser Differenzdruck ist bei einer gegebenen
Einstellung der Federstellschraube 140 im wesentlichen konstant und wird ständig durch das Meßventil
122 geregelt, da die Kammern auf jeder Seite der Membran 138 mit den Kammern auf jeder Seite des
Ventils 122 verbunden sind.
Eine Leitung 142 mit einer festen Verengung 144 verbindet die unter dem Druck P2 stehende Leitung
114 mit der unter dem Druck P3 stehenden Kammer 124 über eine Hilfsdniekkammer 146, welche an der
Niederdruckseite des Arbeitskolbens 148 angebracht ist, welcher das Meßventil 122 betätigt, und über eine
Öffnung 150, deren Querschnitt durch ein halbkugelförmiges Hilfsventil 152 verändert werden kann. Die
Einstellung des Ventils 152 erfolgt als Funktion der Druckbelastung eines evakuierten Balges 154, welcher
in einer Luftkammer 156 untergebracht ist und unter dem Druck Px steht. Dieser Balg 154 ist mit dem Ventil
152 über eine Stange 158 und einen Hebel 160 verbunden, welcher um den Punkt 162 schwenkt. Der
Hebel 160 ist mit dem Meßventil 122 durch eine Spannfeder 164 und weiterhin durch eine Spannfeder
168 mit einer verstellbaren Befestigung 166 am Gehäuse verbunden.
Die unter dem Kompressorauslaßdruck stehende Leitung 46 enthält eine Verengung 170 und endet in
einer Kammer 172, welche über eine Öffnung 174, eine Kammer 178 und eine Leitung 180 mit der Atmosphäre
verbunden ist. Der wirksame Öffnungsquer— schnitt der Öffnung 174 kann durch ein von dem Piloten
über eine Servoeinrichtung einzustellendes Nadelventil 176 verändert werden. Eine Zweigleitung 182
verbindet die Balgkammer 156 mit der Leitung 46 bei einem Punkte, welcher zwischen der Verengung 170
und dem Ventil 176 liegt. Die Zweigleitung ist weiterhin in der Lage, diese Kammer mit der zur Atmosphäre
führenden Leitung 180 über eine normalerweise geschlossene Öffnung 184 und eine Leitung 186
zu verbinden. Ein Magnetventil 188 hält die Öffnung 184 im allgemeinen geschlossen; beim Auftreten einer
Überhitzung im Schubrohr 21 während maximal geöffnetem Düsenquerschnitt erregt die Temperatursteuervorrichtung
92 über die Leitungen 101 und 102 eine Spule 190, so daß das Ventil 188 nach oben gegen
die Feder 192 gepreßt wird. Dadurch wird die Kammer 156 mit der Atmosphäre verbunden. Ein von
Hand einstellbarer Kolben 194 ist in einer Kammer 196 untergebracht, die mit der Leitung 182 verbunden
ist. Diese Anordnung dient zur Einstellung der bei
einem Druckwechsel in der Leitung 182 benötigten
Zeit für den Druckausgleich, der sogenannten Totzeit, wenn beispielsweise ein schnelles Öffnen oder
Schließen des Ventils 176 erfolgt. Dadurch, daß die Stellung des Kolbens 194 veränderbar ist und somit S
das wirksame \7olumen der Kammer 196 verändert
werden kann, läßt sich nämlich die Zeit für einen Druckausgleich in der Leitung 182 nach Wunsch
einstellen.
Die Stellung des Ventils 176 wird durch den Drosselhebel 60 und die Welle 62 der Hauptbrennkammerregelung
30 über eine Servoeinrichtung beeinflußt. Innerhalb der Hauptregel vorrichtung 30 ist
eine unter dem Bezugsdruck P% stehende Kammer 198
vorhanden. Diese Kammer 198 ist über die Leitung 72 mit der Kammer 200 eines Servokolbens und weiterhin
über die Leitung 38 mit der Eingangsseite der Pumpe 32 und mit einer Abflußleitung 202 eines
Regulierventils 204, welches den Differenzdruck zwischen der Leitung 202 und der Kammer 198 konstant
hält, über eine kalibrierte Verengung 206, eine Druckkammer 208 und 210 verbunden.
Die Druckkammer 208 steht unter dem Druck Pj,
welcher der Bezugsdruck für die Düse ist. Das Ventil 204 ist stromaufwärts mit unter großem Druck stehendem
Brennstoff in der Regelvorrichtung 30 und mit der Leitung 38 über eine Leitung 212 verbunden, um
einen konstanten Druckunterschied zwischen der Leitung 202 und der Kammer 198 in bekannter Art und
Weise aufrechtzuerhalten. Die Kammer 208 ist über die Leitung 74 mit einer Servokolbenkammer 214 verbunden,
welche von der Kammer 200 durch einen Servokolben 216 getrennt wird. Der Drosselhebel 60
und die Drosselwelle 62 sind mit einem Halbkugel-Hilfsventil 218 verbunden, welches die Größe der Abfluß
querschnitte der Leitungen 210 regelt. Diese Verbindung wird durch einen im Eingriff befindlichen
Zahnstangentrieb 220 und 222, durch eine biegsame Membran 224, welche mit der Zahnstange durch eine
Zugfeder 226 verbunden ist, und einen um 230 schwenkbaren Hebel 228 bewerkstelligt.
Wird der Hebel 52 des Piloten entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn betätigt, um die Leistung der Maschine
zu verstärken, so wird die Zahnstange 220 durch das Ritzel 222 nach oben bewegt. Dadurch wird die Spannung
der Feder 226 vergrößert, so daß das Halbkugelventil 218 bestrebt ist, die Leitung 210 zu schließen.
Dadurch steigt der Druck Pr in der Kammer 208 an,
bis die gegen die Membran 224 wirkende hydraulische Kraft die größere Federkraft 1>ei der neuen Drosselhebelstellung
ausgleicht. Somit ändert sich der Druckunterschied Pt~Pr am Servokolben 216 direkt proportional
der Drosselhebelstellung.
Jede bestimmte Stellung des Ventils 176 ist abhängig von der nach links wirkenden Kraft des hydraulisehen
Differenzdruckes des Kolbens 234, welcher die Kammer 236 von der Kammer 238 trennt und auf das
\~entil wirkt, dem die Summe der nach rechts \virkenden
Kräfte, welche durch eine Kompressionsfeder 240 und eine Zugfeder 242 entsprechend dem Federweg
ausgeübt werden, das Gleichgewicht hält. Die Zugfeder 242 verbindet die Kolbenstange 244 des Kolbens
234 mit einem Hebel 246, welcher um 248 schwenkbar ist. Dieser liegt mit seinem einen Ende an der
Kolbenstange eines Hilfskolbens 216 an und steuert ein Halbkugel-Hilfsventil 250, welches an dem entgegengesetzten
Ende des Hebels 246 angebracht ist. Das Servoventil 250 regelt den wirksamen Querschnitt
der Leitung 252, welche mit der unter dem Druck P1
stehenden Leitung 66 über eine Leitung 254, eine Kammer 256, eine Öffnung 258, welche von einem
Servorventil 260 gesteuert wird, über eine unter dem Druck P1' stehende Kammer 262, eine Leitung 264 mit
einer feststehenden Verengung 266 und über die Kammer 238 verbunden ist. Eine Zweigleitung 268 verbindet
die Leitung 264 oberhalb der Verengung 266 mit der Kammer 236. Eine federbelastete biegsame Membran
270 trennt die Kammer 262 von der Kammer 272, welche über die Leitung 274, eine Kammer 276
und eine Leitung 278 mit der unter dem Druck P2 stehenden
Kammer 116 verbunden ist. Das Ventil 260 hält an der öffnung 285 einen konstanten Druckunterschied
aufrecht, der auf die Membran 270 einwirkt und dessen Wirkung von der in der Kammer 272 angeordneten
Feder ausgeglichen wird.
Der Druckunterschied an der Membran 270 ist immer im wesentlichen konstant und hängt von der
Belastung der Membranfeder ab. Der Druck in der Kammer 238 nähert sich dem Druck Px', wenn das
Servoventil 250 durch die Feder 242 geschlossen wird, indem es einer Verringerung des Druckunterschiedes
am Servokolben 216 folgt. Der Druck in der Kammer 238 nähert sich dem Druck P2 in der Kammer 276,
wenn das Ventil 250 geöffnet wird und einer Bewegung des Drosselhebels 60 und einem entsprechenden
Anwachsen des Druckabfalles am Servokolben 216 folgt. Der in der Kammer 236 herrschende Druck ist
immer dem Druck P1' gleich.
Wenn sich das Ventil 176 in einer festgelegten Stellung befindet, so ist das Kraftmoment der Feder 242
um den Drehpunkt 248 im wesentlichen gleich und entgegengesetzt dem Kraftmoment, welches um diesen
Drehpunkt an dem oberen Ende des Hebels 246 angreift. Dieses Verhältnis führt immer zu einer festen
Stellung des Ventils 176 und zu einer festgelegten Durchflußöffnung 174, wobei die Stellung und die
Öffnungsfläche proportional der Stellung des Drosselhebels 60 sind.
Aus dem oben Gesagten ist ersichtlich, daß bei jeder Arbeitsweise der Regel Vorrichtung 64 mit offenem
Abschlußventil 130 der Wert des Regeldruckes Px in
der Balgkammer 156 von der Stellung des Ventils 176 und dem Wert des Kompressorauslaßdruckes Pc in
der Leitung 46 abhängt. Mit anderen Worten ist bei jedem gegebenen Druck von Pc der Druck von Ρχ
über einen verhältnismäßig großen Bereich veränderlich und ändert sich als Funktion der Stellung des von
der Drossel gesteuerten Ventils 176. Der Maximaldruck von Px ist dem Druck Pc gleich, wenn das Ventil
176 die Öffnung 174 schließt. Ändert sich der Druck Pq, wie es beispielsweise bei Änderung der
Höhe der Fall ist, so ist es offensichtlich, daß der Bereich für einen Wechsel des Druckes Px sich bei
gleichem Bereich der Ventilbewegung des Ventils 176 mit verändert.
Der Druck Px ist bestrebt, den Balg 154 zusammenzupressen
und den Hebel 160 um seinen Drehpunkt 162 im Uhrzeigersinne zu drehen, um so das Servoventil
152 im Hinblick auf die Verengung 150 in etwas geöffneter Lage zu halten. Der Druck in der
Kammer 146 unter dem Arbeitskolben 148 liegt immer zwischen den Drücken P2 und P3 der Leitungen 114
bzw. der Kammer 124. Dieser Druck nähert sich dem einen oder dem anderen der erwähnten Drücke, je
nach der relativen Größe der Querschnitte zwischen der festen Verengung 144 und der veränderlichen
Verengung 150. Bei jeder gegebenen Stellung des Abmeßventils 122 wird die durch die Federn 164 und
168 ausgeübte Kraft zum Schließen des Ventils durch die nach unten wirkende hydraulische Kraft gegen
den Kolben 148 ausgeglichen. Jeder Wechsel des Druckes Pχ, beispielsweise ein Ansteigen desselben,
ruft einen Anstieg der Kraft an dem. Balg 154, eine geringe Öffnungsbewegung des Hilfsventils 152, einen
resultierenden Anstieg des Unterschiedes am Kolben 148 und eine Öffnungsbewegung des Ventils 122 und
eine vermehrte Spannung der Federn 164 und 168 hervor, bis das Hilfssystem wieder bei einer neuen
offenen Stellung des Ventils 122 ausgeglichen ist. Es ist deshalb offensichtlich, daß der Meßquerschnitt der
Öffnung 118 immer dem Druck Px proportional ist und daß, da das Regulierventil 110 einen konstanten
Druckabfall an dieser Öffnung aufrechterhält, die Brennstoffversorgung für den Nachbrenner zum
Schubrohr 21 immer dem Druck Px proportional ist.
Eine Minimalzuflußregelung 280 für den Nachbrenner ist in der Lage, die Minimalbrennstoffmenge nach
unten zu begrenzen, welche bei jedem gegebenen Kompressorauslaß druck zur Verteilerleitung 68
fließen kann. Die Minimaldurchflußregelvorrichtung 280 besteht aus einem Halbkugelventil 282, welches
an einem Ende eines Kniehebels 284 befestigt ist. Dieser Kniehebel ist um den Drehpunkt 286 schwenkbar
und bei 288 federbelastet, um eine Rolle 290 gegen eine nach unten geneigte Fläche eines Nockens292
zu pressen. Dieser Nocken ist in beiden Richtungen längs einer ebenen Fläche 294 durch einen Kolben 296
verschiebbar. Dieser Kolben ist durch eine Feder 297 mit dem Nocken verbunden. Der Kolben 296 kann
durch einen federbelasteten evakuierten Balg 298 betätigt werden, welcher in einer Kammer 300 untergebracht ist. Diese Kammer 300 ist durch die Leitung
302 mit der unter dem Druck Pc stehenden Leitung 46
oberhalb der Verengung 170 verbunden. Das Ventil 282 schließt normalerweise eine Leitung 304, welche
in der Kolbenstange 306 des Arbeitskolbens untergebracht ist.
Wenn das Ventil 122 so weit geschlossen wird, daß die Rolle 290 durch die Feder 288 mit dem Nocken
292 in Eingriff gebracht wird, so bewirkt ein weiteres Absinken des Druckes Px keine proportionale Schließbewegung
des Ventils 122; es wird vielmehr ein geringes Öffnen des gegenüber dem Ende der Leitung
304 gelegenen Halbkugelventils 282 bewirkt, so daß sich der Druckunterschied am Kolben 148 vergrößert,
um dadurch eine weitere Schließbewegung des Ventils 122 zu verhindern. Der Minimalwert für den vorgesehenen
Brennstoffverbrauch des Nachbrenners kann somit eingestellt werden, indem man die Neigung des
Nockens 292 so bemißt, daß die minimale Durchflußstellung des Ventils 122 bei verschiedenen Kompressorauslaßdrücken
immer einen angemessenen Brennstoffvorrat der Maschine zuführt und die Verbrennung
im Schubrohr unabhängig von der Stellung des Drosselhebels 60 und Ventils 176 gewährleistet.
Das Absperrventil 130 ist in einer zylindrischen Kammer 305 hin- und herbeweglich angeordnet und
als druckentlastetes Abschlußventil ausgebildet. Das Ventil hat Öffnungen 307, um die Leitung 126 mit
einer Innenkammer 308 zu verbinden. Das Ventil 130 hat eine Leitung 310, um die Kammer 308 mit der
Verteilerdruckleitung 70 zum Nachbrenner zu verbinden. In der Kammer 308 ist ein Führungsventil 312
angebracht, welches mit der Leitung 310 in axialer Flucht angeordnet ist. Dieses Ventil 312 ist in der
Lage, das Ventil 130 auf die Öffnung 128 zu schieben, werni das Führungsventil 312 die Leitung 310 schließt,
während es sich in eine offene Stellung bewegt, wenn das Ventil 312 die Leitung 310.öffnet. Das Führungsventil wird nach oben durch eine Feder 316 in eine
geschlossene Lage gebracht und wird nach unten in Öffnungsstellung gedrückt, indem ein erster Druckunterschied
auf die Membran 318 wirkt, welche die Kammern 320 und 322 trennt, und indem ein zweiter
Druckunterschied auf die Membran 323 wirkt, welche die Kammern 324 und 325 trennt. Die Kammern 322
und 325 sind untereinander durch eine Leitung 326 verbunden und stehen mit dem Bezugsdruck P% der
Kammer 198 über eine Leitung 72 in Verbindung. Die Kammer 324 steht unter dem Druck P7- der Kammer
208 in Abhängigkeit von der Stellung der Drossel; dieses wird durch die verbindende Leitung 74 bewirkt.
Ein Druck Pn, welcher sich in Abhängigkeit zur Drehzahl
der Maschine durch eine von der Maschine angetriebene Pumpe 327 verändert, wird in die Kammer
320 von der Hauptregelvorrichtung 30 bei -einer bestimmten Drehzahl über die Leitung 76 und eine
Pumpenausflußkammer 328 geliefert, deren eine Seite von einem federbelasteten Kolben 329 begrenzt wird.
Die Zufuhrseite der Pumpe 327 und die Federseite des Kolbens 329 sind durch die" Leitungen 330 bzw. 331
mit der unter dem Druck P1^ stehenden Leitung 72
verbunden/ Bei einer bestimmten Drehzahl, beispielsweise der Maximalbetriebsdrehzahl der Maschine,
überwiegt der Differenzdruck gegen den Kolben 329 und bewegt ihn nach rechts gegen die Feder, um eine
Verbindung zwischen den Kammern 320 und 328 herbeizuführen.
Die Belastung der Feder 316 ist so eingestellt, daß sieh das Führungsventil 312 nicht in die Öffnungsstellung
bewegen kann, bis der Drosselhebel auf Sektor C des Quadranten 56 steht und die durch die Federvorspannung
im Kolben 329 bestimmte Drehzahl vorhanden ist. Sind derartige vorherbestimmte Bedingungen
vorhanden, so überwindet die Summe der gegen die Membranen 318 und 323 wirkenden Kräfte die Feder
316 und drückt das Ventil 312 nach unten. Dadurch wird eine Druckabnahme in der Kammer 308 und eine
Öffnungsbewegung des Absperrventils 130 verursacht, so daß jetzt abgemessener Brennstoff zur Verteilerleitung 68 des Nachbrenners fließen kann.
Im folgenden soll an Hand von Fig. 4 die Gesamtarbeitsbedingung'
der Regelvorrichtung nach Fig. 2 besprochen werden. Die Menge des zum Nachbrenner
fließenden Brennstoffes ist über dem Kompressorauslaßdruck aufgetragen, und die ausgezogenen Kurven
o-a und o-b geben die typischen Maximal- und Minimal-Brennstoffwerte
bzw. Auslaß drücke an, welche von der Brennstoffregelvorrichtung erzeugt werden können, wenn der Stellhebel 52 des Piloten den Sektor
C des Quadranten bei einer vorherbestimmten Drehzahl (vorzugsweise Maximal-Drehzahl) durchläuft.
Die ausgezogenen senkrechten Geraden d, e, f geben die Wirkung bei einer Brennstoffversorgung
des Nachbrenners zur Verteilerleitung 68 bei verschiedenen Kompressorauslaßdrücken an, wenn der Stellhebel
des Piloten über den Sektor C des Quadranten hin bewegt wird. Bei beispielsweise sehr großen Kompressorauslaßdrücken,
wie sie bei einem Flug mit Maximaldrehzahl und in Meereshöhe erhalten werden, ergibt eine Bewegung des Stellhebels des Piloten
über dem Sektor C entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn eine Schließbewegung des Drosselventils 176 aus
einer gegebenen ersten Stellung in eine gegebene zweite Stellung. Dadurch wird ein gradueller Druckanstieg
Pχ in der Balgkammer 156 und eine entsprechende
Bewegung des Abmeßventils 122 in dessen Maximalstellung oder in dessen annähernd größtmöglichste
Stellung erreicht. Diese Wirkung des Abmeßventils vergrößert die Brennstoff Versorgung des Nach-
809 7S0/17S
brenners zur Düsenleitung 70 und Nachbrennerverteilerleitung
68 von dem Minimalkurvenwert bis zur maximalen Kurve längs der Linie d. Bei einer Flughöhe
von etwa 6000 m wird eine maximale Änderung der Brennstoffversorgung für den Nachbrenner bei 5
gleicher Drosselventilbewegung erhalten, wie sie durch die Linie e wiedergegeben ist. Sollte das Flugzeug
bei 12000 m Höhe fliegen, so ist die maximal erreichbare Änderung der Brennstoffversorgung für den
Nachbrenner bei gleicher Drosselventilbewegung durch die Linie/ wiedergegeben. Die Eigenschaften
der Minimalkurve o-b werden durch die Wirkung der Minimaldurchflußsteuerung 280 bei der minimal offenen
Stellung des Abmeßventils 122 bei jedem Kompressorauslaßdruck
festgelegt und so ausgewählt, daß ein Auslöschen der Nachbrennerflamme nicht erfolgen
kann. Die Maximalkurve o-a ist eine lineare Funktion, deren Steigung verändert werden kann, indem
man die Gestalt des Drosselnadelventils 176 oder die Größe der Verengung 170 verändert. Der Anstieg der
Maximalkurve wird so gewählt, daß im wesentlichen alle unverbrannte, durch das Schubrohr strömende
Luft in dem Nachbrenner bei jedem gegebenen Kompressorauslaßdruck verbrannt wird, so daß der Nutzschub
auf seinen größtmöglichsten Wert verstärkt wird.
Die Turbinenauslaßtemperaturregelung wird normalerweise
durch die Regelvorrichtungen 86 und 92 für die Düsenöffnung und Temperaturregelung durchgeführt.
Diese zuletzt erwähnten Regelvorrichtungen sind normalerweise während der gesamten Zeit, wenn
der Nachbrenner arbeitet, wirksam, um das geschoßähnliche Ventil 78 zu regeln und so die öffnung der
Düse 22 zu verkleinern oder zu vergrößern, was im Hinblick auf die Beibehaltung der eingestellten Temperatur
am Wärmefühler 94 notwendig ist. Weitere Schutzvorrichtungen gegen Überhitzung werden
durch das Magnetsteuerventil 188 und 190 gebildet, welches die öffnung 184 unter den vorher beschriebenen
Bedingungen öffnet, falls am Wärmefühler 94 eine Überhitzung auftritt, um so den Druck P χ mit dem
Druck PA über die Rückführleitung 186 zu verbinden.
Dadurch wird eine Verringerung der Brennstoffversorgung für den Nachbrenner ermöglicht, was ein Absinken
der Temperatur im Schubrohr auf die Bezugstemperatur, unabhängig von dem vom Piloten durch
Betätigung des Ventils 176 eingestellten Brennstoffbedarf, ergibt.
Aus dem oben Angeführten geht hervor, daß der Druck Px, welcher die Brennstoffversorgung für den
Nachbrenner regelt, immer proportional zu dem Druck Pq, also dem Kompressorauslaßdruck, ist, daß
jedoch ein Verschieben des Stellhebels durch den Piloten das Verhältnis zwischen den Drücken Pχ und Pq
ändert.
Bei Betrieb des Nachbrenners wird vorzugsweise der Drehzahlsollwert der Hauptregelvorrichtung 30
fest eingestellt, so daß die Drehzahl bei einem konstanten Wert gehalten wird, und zwar unabhängig
von den sich ändernden Arbeitsbedingungen, wie es im Kurvenzug der Fig. 4 wiedergegeben ist.
Eine Abänderung der Anordnung gemäß Fig. 2 ist möglich, indem das Drosselventil 176 mechanisch mit
dem Drosselhebel 60 über eine dreidimensionale Nockenvorrichtung verbunden wird, welche durch Betätigung
des Drosselhebels drehbar sowie durch luftleere Bälge axial beweglich in Abhängigkeit vom
Kompressorauslaßdruck ausgeführt ist. Ein derartiger Nocken kann quer zum Ventil 176 angebracht sein
und dreidimensionale Konturen aufweisen, so daß eine Drehung desselben von Hand die Kurven d, e
und / hervorbringt, wie der auf den Kompressordruck ansprechende Balg den Nocken in axialer
Richtung mit abnehmendem Kompressorauslaßdruck betätigt.
In Fig. 3 ist eine wesentliche Abänderung der in Fig. 2 gezeigten Steuervorrichtung angegeben, wobei
ein Meßventil 340 gegenüber einer Abmeßöftnung 342 mittels einer Feder 344 in geschlossener Stellung gedrückt
wird. Das Meßventil 340 ist mechanisch mit einem Drosselhebel des Piloten durch eine Stange und
eine Anschlagplatte 346, 348, durch eine bewegliche Rolle 350, welche mit einer Führung 352 einer Platte
348 und einer Stange 354, einem Kniehebl 356 und einem Gestänge 358 übereinstimmend bewegt wird.
Die Verbindung zum Drosselhebel des Piloten ist in einer einfachen Ausführungsform dargestellt; in
Praxis besteht sie aus einem hydraulisch betätigten Servomechanismus, um die von dem Piloten zur Betätigung
der Rolle 350 in der Führung 352 auf zuwendende Kraft zu verringern. Eine biegsame Membran
360 ist in einem Gußstahlregelgehäuse 362 angebracht und gleitend mit einer Stange 354 verbunden. Sie
wirkt als Abdichtung, um eine allgemeine Aufwärtsbewegung der Rolle 350 längs der Oberfläche eines
geneigten ebenen Teiles 364 zu gestatten, wenn der Kniehebel 356 durch das Glied 358 entgegen dem
Uhrzeigersinn bewegt wird. Die Neigung des Teiles 364 wird jederzeit durch dessen Profil und die Winkelstellung
eines Nockens 366 bestimmt, welcher den maximalen Brennstoffbedärf einstellt. Dieser Nocken
366 liegt an dem unteren Ende des Teiles 364 mittels einer Stange 368 an. Ein weiterer Nocken 370, welcher
den minimalen Brennstoff bedarf einstellt, ist an dem oberen Ende des Teiles 364 mit einer Stange 372
angelenkt. Diese Nocken zur Einstellung des Maximal- und Minimalbedarfes sind so angebracht, daß sie
sich gleichzeitig mit einer Welle 374 drehen. Diese Welle 374 trägt ein Ritzel 376, welches mit einer
Zahnstange 378 kämmt. Diese Zahnstange ist bei 380 mit einem hydraulisch betätigten Arbeitskolben 382
verbunden.
Der Arbeitskolben 382 ist in einem Zylinder 384 hin- und herbeweglich. Der Zylinder ist an seinem linken
Ende mit einer Druckkammer 386 verbunden, die unter dem. Druck P3 steht. Die Verbindung wird durch
Leitungen 388 hergestellt, welche in der Abschlußplatte 390 des Zylinders eingelassen sind. Das rechte
Ende des Zylinders ist mit dem Druck P2 nicht abgemessener
Flüssigkeit oberhalb des Ventils 340 über eine Leitung 392 und eine in dieser befindlichen Verengung
394 verbunden. Weiterhin ist die rechte Seite des Zylinders mit der unter dem Druck P3 stehenden
Kammer 386 über die erwähnte Leitung 392 und eine veränderliche Verengung an dem einen Ende dieser
Leitung verbunden, wobei diese Verengung durch ein Halbkugel-Hilfsventil 396 gesteuert wird. Ein luftleerer,
wenig federnder Balg 398 ist in einem Gußgehäuse 400 untergebracht, welches über die Leitung
46 mit der Kompressorauslaßdruckseite verbunden ist. Dieser Balg ist mit dem Servoventil 396 über eine
Stange 402 und einen Hebel 404 verbunden, welcher um den Drehpunkt 406 schwenkbar ist. Dieser Hebel
ist mit dem Gehäuse 362 durch eine Zugfeder 408 und mit der Stange 410 des Arbeitskolbens durch eine
Zugfeder 412 verbunden.
Die Arbeitsweise der Servovorrichtung zur Steuerung der Lage des Arbeitskolbens 382 einschließlich
des unter dem Druck Pq stehenden Balges 398 des Servoventils 396, der Zugfedern 408 und 412 ist im
Claims (1)
1. Nachbrennersteuereinrichtung für Gasturbinenstrahltriebwerke mit einem von der
Turbine angetriebenen Kompressor, einem stromabwärts von der Turbine gelegenen Schubrohr
und einem Dosierventil in der Brennstoffleitung zu dem Schubrohr, bei \velcher der Durchflußquerschnitt
des Dosierventils in Abhängigkeit von einer Betriebskenngröße der Maschine durch eine
erste Vorrichtung geändert wird und eine zweite, durch ein von Hand betätigbares Glied gesteuerte
Vorrichtung mit der ersten Vorrichtung zusammenarbeitet, um den Durchflußquerschnitt zu
regulieren, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Vorrichtung (154, 160; 398, 366) arbeitsmäßig
(150,148) oder mechanisch (364) mit dem Dosierventil (122, 340) verbunden ist, um seinen größten
Querschnitt zu bestimmen, und eine von derselben Betriebskenngröße wie die erste Vorrichtung abhängige
dritte Vorrichtung (298, 292, 284; 398, 370) arbeitsmäßig (282, 148) oder mechanisch
(364) mit dem Dosierventil verbunden ist, die unabhängig von der zweiten Vorrichtung (220, 216,
246, 234, 176; 354, 350) den kleinsten Querschnitt
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US1055299XA | 1955-07-08 | 1955-07-08 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE1055299B true DE1055299B (de) | 1959-04-16 |
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ID=22306346
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DEB40968A Pending DE1055299B (de) | 1955-07-08 | 1956-07-07 | Nachbrennersteuereinrichtung fuer Gasturbinenstrahltriebwerke |
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Country | Link |
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