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Drehzahlregelanlage für Gasturbinenstrahltriebwerke Die Erfindung
betrifft eine Drehzahlregelanlage für Gasturbinenstrahltriebwerke, die mittels einer
mechanischen Verstellvorrichtung für den Düsenquerschnitt zur Steuerung der aus
derselben ausströmenden Auspuffgase als Stellglied arbeitet, wobei die Verstellvorrichtung
durch ein von der Turbine angetriebenes mechanisches Getriebe wahlweise betätigbar
ist.
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Bei einer bekannten solchen Regelanlage werden außer der Drehzahl
auch noch die über ein Anemometer gemessene Geschwindigkeit des Arbeitsmittels,
z. B. in einer Zwischenstufe des Kompressors, als Hilfsregelgröße je über eine Welle
in ein Differentialkegelgetriebe eingeführt, so daß nur die Veränderung des Verhältnisses
dieser beiden Größen eine Drehung des Planetengehäuses und der damit verbundenen
Welle bewirkt. Diese Welle betätigt dann außer dem Brennstoffregelventil den Verschlußkörper
der Schubdüse mechanisch in einem solchen Sinne, daß das Verhältnis von Drehzahl
und Arbeitsmittelgeschwindigkeit wieder auf seinen vorgeschriebenen Wert zurückgeführt
wird.
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Es ist auch bekannt, den Querschnitt einer Schubdüse statt durch die
Verschiebung eines Verschlußkörpers dadurch zu verändern, daß man den Düsenumfang
aus einer größeren Anzahl von Klappen oder Blättern bildet, die mit ihrem stromaufwärtigen
Ende am Schubrohr angelenkt sind und zur Querschnittsveränderung der Düse, z. B.
über einen Kurvenschlitz auf jeder Klappe und einen darin beweglichen Ring, mechanisch
bewegt werden können.
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In einer weiteren bekannten Vorrichtung wird der Verschlußkörper selbst
hydraulisch betätigt, wobei das Ventil dieses hydraulischen Servomotors durch den
von der Turbinenwelle angetriebenen Drehzahlregler selber bei Drehzahländerungen
mechanisch betätigt wird, so daß also die Regelung der Drehzahl durch Änderung des
Schubdüsenquerschnitts als bekannt vorauszusetzen ist.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Drehzahlregelanlage
der obigen Art, bei der die Triebwerksdrehzahl durch Änderung der Schubdüsenfläche
im wesentlichen unabhängig von der Brennstoffmengenregelung geregelt wird.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das mechanische Getriebe
mit der Turbine über lösbare Kupplungen verbunden ist und eine auf eine für den
Betriebszustand des Triebwerks kennzeichnende Größe ansprechende Vorrichtung vorgesehen
ist, die diese Kupplungen wahlweise einrückt und löst. Die lösbaren Kupplungen sind
wahlweise betätigbare Reibungskupplungen, die in entgegengesetzten Richtungen umlaufen,
so daß der Düsenquerschnitt vergrößert wird, wenn die eine Kupplung eingerückt ist,
und verkleinert wird, wenn die andere Kupplung eingerückt ist. Auch ist eine Bremse
vorgesehen, die das Getriebe zur Verhinderung einer unbeabsichtigten Änderung des
Düsenquerschnitts gegen Bewegung sichert, wobei eine auf das Einrücken der Kupplungen
ansprechende Vorrichtung zum Lösen der Bremse vorgesehen ist. Die Vorrichtung zum
wahlweisen Betätigen der Kupplungen wird durch und ansprechend auf Änderungen der
Turbinendrehzahl betätigt, so daß der Düsenquerschnitt bei Verringerung der Turbinendrehzahl
vergrößert und bei Erhöhung der Turbinendrehzahl verkleinert wird. Die Vorrichtung
zur wahlweisen Betätigung der Kupplung wird von einer Vergleichseinrichtung beeinflußt,
die Istdrehzahl und Solle drehzahl vergleicht und beim Auftreten von Drehzahlfehlern
über ein Element die wahlweise Betätigung der Kupplungen einleitet. Die Vergleichsvorrichtung
speist einen Berechnungsmechanismus, der ein Signal zur Anzeige der gewünschten
Düsenfläche erzeugt, wobei die Vorrichtung zur wahlweisen Kupplung einen Mechanismus
enthält, der die tatsächliche Düsenfläche mit der durch dieses Signal verlangtet,
gewünschten Düsenfläche in Übereinstimmung bringt. Der Berechnungsmechanismus umfaßt
einen Mechanismus, der das Integral des Drehzahlfehlers mit Bezug auf die Zeit und
den augenblicklichen Drehzahlfehler berechnet und einen weiteren Mechanismus enthält,
um diese Fehler als Ausgangssignal zum Betätigen der Kupplungsvorrichtung zu summieren.
Die Düse ist auf eine maximale bzw. minimale Fläche einsteilbar,
die
durch Maximal- bzw. Minimalanschläge sichergestellt werden. Die Maschine ist mit
einem stromaufwärts zu der Düse angeordneten Nachbrenner versehen, wobei der Maximalanschlag
für die maximale Düsenfläche zwei Stellungen vorsieht, von denen die eine die Düsenfläche
beim Betrieb der Maschine ohne Nachverbrennung begrenzt, und es ist eine Vorrichtung
vorgesehen, die auf den Nachbrennerbetriel) anspricht, um diesen Anschlag unwirksam
zu machen. Auch ist eine Zündanlage für den Nachbrenner vorgesehen, die beim Einschalten
des Nachbrenners betriebswirksam wird, wobeiidie auf den Nachverbrennungsvorgang
ansprechende Vorrichtung die Zündanlage für den Nachbrenner abschaltet.
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Im wesentlichen kann man drei unterschiedliche Bereiche für das Verhalten
eines Gasturbinenstrahltriebwerks erkennen.
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In einem ersten Bereich der Gashebelbewegung erhöht sich der Brennstofffdurchfluß
und somit der Schub, während das Triebwerk unterhalb seiner maximal zulässigen Drehzahl
arbeitet. In diesem Bereich kann die Drehzahl von der flächenveränderlichen Düse
geregelt werden oder auch nicht, wie weiter unten erläutert wird.
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Aber mindestens vom Erreichen einer Gashebelstellung ab, bei der die
maximale Drehzahl der Turbine entwickelt wird, bestimmt der Regler für die flächenveränderliche
Düse die Drehzahl des Triebwerks in der Weise, daß eine weitere Betätigung des Gashebels
trotz verstärkter Brennstoffzufuhr die Triebwerksdrehzahl nicht erhöht. Der Regler
wirkt in dem Sinne, daß er die Düsenfläche bei fortschreitender Gashebelstellung
verkleinert, bis der maximale Brennstoffdurchfluß erreicht wird. Dieser maximale
Brennstoffdurchfluß wird von der maximalen Turbinentemperatur begrenzt, und während
der Schub bis zu diesem Punkt zunimmt, wird auch der Brennstoffdurchfluß in der
Brennstoffregelanlage so geregelt, daß Verdichterpumpen und andere Auslegungsparameter
nicht überschritten werden.
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In diesem Bereich kann der Gashebel unabhängig von der Drehzahl betätigt
werden, da beim Erreichen der maximalen Drehzahl die flächenveränderliche Düse die
Drehzahl auf Grund der Reglersignale regelt.
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Ein dritter Bereich der Gashebelbewegung kann vorgesehen oder eine
zweite Regelanlage kann verwendet werden, um einen Nachverbrennungsvorgang einzuleiten,
bei dem eine getrennte Brennstoffzufuhr, die nicht mit der vorgenannten Brennstoffzufuhr
in die Hauptbrennkammern identisch ist, an das Triebwerk stromab der Turbine geliefert
wird. Wenn der Nachverbrennungsvorgang beginnt, arbeitet das Triebwerk bereits mit
voller Drehzahl und mit vollem Schub, welche Betriebswerte hauptsächlich durch die
Turbinentemperatur begrenzt werden. Der Nachverbrennungsvorgang schafft, falls die
Düsenfläche nicht vergrößert wird, einen Druckanstieg stromabwärts der Turbine,
so daß sich der Druckabfall an der Turbine vermindert und die Drehzahl abnimmt.
Infolgedessen vergrößert sich, wenn der Drehzahlregler mit der veränderbaren Düse
auf diesen Betriebszustand anspricht, die Düsenfläche, so daß das eigentliche Triebwerk
trotz der Nachverbrennung bei konstanter maximaler Arbeitsleistung und Drehzahl
gehalten wird.
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Gemäß der Erfindung wird ein Drehzahlregler geschaffen, der eine flächenveränderliche
Düse betätigt, wobei diese Anlage im wesentlichen unabhängig von der Brennstoffmengenregelung
sein kann, ausgenommen, wenn ein Drehzahlschema für den Regler im Anfangsbereich
der Gashebelbewegung erwünscht ist. Infolge der direkten Kraftübertragung ist die
Anlage widerstandsfähiger und zuverlässiger als bekannte Anordnungen mit hydraulischen
Zwischengliedern. Ein besonderer Vorteil ist die trotz Verzicht auf weitere Hilfsregelgrößen
erzielte vollmechanische Arbeitsweise, wodurch die größere Zuverlässigkeit und eine
lange Lebensdauer bei erhöhten Temperaturen sowie eine Vereinigung des Verhaltens
eines Proportional-und eines Integralreglers bei der Düsenantriebsbewegung und Genauigkeit
der Düseneinstellung gewährleistet ist.
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In der Zeichnung sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Es zeigt Fig. 1 einen Aufriß eines Gasturbinenstrahltriebwerks mit einer flächenveränderlichen
Schubdüse und einer als Beispiel gewählten Anordnung der Regelanlagenteile, Fig.2
eine schematische Ansicht des Triebwerksdrehzahlreglers und der zugeordneten Elemente
zur Regelung der Triebwerksschubdüsenfläche, Fig.3 eine vergrößerte Schnittansicht
nach der Linie 3-3 der Fig. 2 und 4.
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Fig.4 eine verkleinerte Schnittansicht nach der Linie 4-4 der Fig.
3, Fig.5 eine vergrößerte Schnittansicht nach der Linie 5-5 der Fig. 2 und 6, Fig.
6 einen teilweise im Schnitt dargestellten Aufriß nach der Linie 6-6 der Fig. 5,
Fig. 7 eine als Beispiel gegebene Kurvendarstellung des Schubes als Funktion der
Turbinendrehzahl, Fig. 8 eine als Beispiel gegebene Kurvendarstellung des Schubes
als Funktion der Schul>düsenfläche und Fig. 9 eine als Beispiel gegebene Kurvendarstellung
des Schubes als Funktion der Brennstoffmenge.
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In Fig. 1 ist ein Turbinenstrahltriebwerk 10, TL-Triebwerk genannt,
dargestellt, das bekanntlich aus einem Lufteinströmabschnitt 11, einem Verdichterabschnitt
12, einem Verbrennungsabschnitt 13, einem Turbinenabschnitt 14, einem Nachverbrennungsabschnitt
15 und einem Düsenabschnitt 16 mit veränderbarem Querschnitt besteht. Bekanntlich
treibt die Turbine in dem Abschnitt 14 über die Triebwerkswelle den Verdichterläufer
in dem Abschnitt 12. Eine allgemein als Kasten 18 gezeichnete Brennstoffregelanlage
spritzt geeignete Brennstoffmengen in den Verbrennungsabschnitt 13 ein. Die Brennstoffregelanlage
wird von einem Gashebel sowie durch solche Faktoren wie Luftdichte, Verdichterdruck,
Turbinentemperatur USW. beeinflußt, so daß der erzeugte Triebwerksschub soweit
wie möglich dem Kommando des Gashebels folgt.
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Ein Drehzahlregler 20 weist ein Getriebe 22 auf, das
von der Triebwerkswelle mit einer proportionalen Drehzahl angetrieben wird. Der
Regler kann einen Drucköleinlaß 23 und einen Olauslaß 24 von bzw. zu der Triebwerksschmieranlage
haben, um Öl zur Schmierung und für einen hydraulischen Stellmotor in dem Regler
zu liefern. Außerdem hat der Regler einen hier als drehbare Welle dargestellten
mechaschen Ausgangsteil 26, um die verstellbare Düse 16 durch ein Getriebe 28 und
Vorrichtungen 30 zu betätigen, die hier als Schraubenwinden oder Stellschrauben
ausgebildet sind, welche die Drehbewegung der Welle 26 in eine geradlinige Bewegung
der Stangen 32 umwandeln. Die Stangen 32 bewegen sich zusammen in Vorwärts- und
Rückwärtsrichtung.
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Die verstellbare Düse 16 kann darstellungsgemäß in bekannter Weise
aus einer größeren Anzahl Klappen oder Blätter 33 bestehen, die mit ihren vorderen
Enden 35 an dem Schubrohr 34 angelenkt sind. Jede
Klappe kann einen
mit einem Kurvenschlitz versehenen Ansatz 36 haben, der sich nach außen erstreckt.
Ein Ring 37, dessen vorderes Ende 38 an die Stangen 32 gekuppelt ist, umschließt
die Klappen 33 und hat nach innen vortretende Winkelstützen 39, d. h. eine für jeden
Ansatz 36, wobei jede einen Zapfen 40 aufweist, der in den Kurvenschlitz eines Ansatzes
eingreift. Vorwärts- und Rückwärtsbewegung der Stangen 32 über die soeben beschriebene
Anordnung bewegt die Klappen 33 nach innen und nach außen, um die Fläche
der Düse 16 zu ändern. Die Änderung der Düsenfläche beeinflußt durch Änderung
des Gegendrucks an der Turbine 14 die Drehzahl der Triebwerkswelle. Es können auch
andere bekannte Ausführungsformen verstellbarer Düsen, beispielsweise Düsen mit
verschiebbarem Pilz oder Liddüsen usw., im Zusammenhang mit der Erfindung verwendet
werden.
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Der Nachverbrennungsabschnitt 15 ist mit Brennstoffdüsen versehen,
die von einer Sammelleitung 42 gespeist werden. Der zu der Nachverbrennungsvorrichtung
strömende Brennstoff untersteht einer gesonderten Regeleinrichtung, die von der
Regeleinrichtung getrennt ist, die die Brennstoffmenge den Hauptbrennkammern 13
zumißt. Jedoch unterliegt die Zufuhr an Zündstoff für die Nachverbrennungsvorrichtung,
der für die Dauer seines Zustromes gewöhnlich ein Brennstoffstrom konstanter Menge
ist, der einer Düse stromaufwärts der Turbine beispielsweise durch eine Rohrleitung
44 zugeführt wird, dem Eingriff des Reglers 20, wie noch beschrieben wird, sowie
dem Steuereingriff des Pilotenhebels für die Nachverbrennung.
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In den Fig. 7, 8 und 9 sind schematische Betriebsverläufe und Kennlinien
eines Strahltriebwerks mit Nachverbrennung dargestellt. In diesen Kurven geben die
Abszissen den Triebwerkssehub bzw. die Stellung des Pilotenhebels an. In Fig.7 sind
als Ordinatenwerte die Turbinendrehzahlen aufgetragen. Gewöhnlich erhöht sich in
einem ersten Bereich A der Schub mit der Drehzahl bis zu einer maximalen Grenzdrehzahl,
die durch die waagerechte Linie in den Bereichen B und C dargestellt ist. Eine weitere
Zunahme des Schubes in den Bereichen B und C wird ohne Drehzahlzunahme gewährleistet.
In dem Bereich B wird Schuberhöhung durch erhöhte Brennstofflieferung bei bis auf
einen maximal zulässigen Wert steigenden Turbinentemperaturen erhalten. Der Brennstoff
erreicht innerhalb des Triebwerks ein Maximum am Ende des Bereiches B und bleibt
in dem Bereich C konstant, wie in Fig. 9 gezeigt ist.
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In Fig. 7 nimmt die Turbinendrehzahl im Bereich A linear mit dem Schub
zu. Diese Darstellung ist lediglich zur Vereinfachung gewählt. Gewöhnlich ist dieser
Anstieg nicht linear und hängt von den Kennwerten des Triebwerks und der Brennstoff
regelanlage ab. In Fig. 8 kann die Düsenfläche in dem Bereich A darstellungsgemäß
konstant gehalten werden, oder der Verlauf ihres Wertes kann durch einen Regler
mit einer veränderbaren Drehzahleinstellung eine besondere Kurvenform erhalten,
wobei die reglergesteuerte Düsenfläche veränderlich anstatt konstant ist, wie dargestellt
ist.
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Für die Erfindung ist von Bedeutung der Bereich B, in dem die Drehzahl
auf dem Maximum konstant bleibt und die Düsenfläche allmählich verkleinert wird,
wie in Fig. 8 dargestellt ist. Am Ende des Bereiches B arbeitet das Triebwerk, soweit
es die innere Brennstoffzufuhr betrifft, mit maximaler Drehzahl, Brennstofflieferung
und Schub sowie kleinster Düsenfläche. Zusätzlicher Schub wird dadurch erzielt,
daß eine getrennte Zuführung von Brennstoff in die Nachverbrennungsvorrichtung stromabwärts
der Turbine vorgenommen wird, wodurch die normale Drehzahl bei maximaler Triebwerksleistung
im Sinne einer Verlangsamung infolge des erhöhten Druckes in dem Abgasrohr beeinflußt
wird. Jedoch wird diese Reduktion praktisch nicht wirksam, da der Nachverbrennungsdruck
durch Vergrößerung der Düsenfläche konstant gehalten wird, während die Nachverbrennungstemperatur
mit der Verbrennung des Nachverbrennungsstoffes zunimmt, wie in Fig.8 im Bereich
C dargestellt ist.
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In Fig. 9 zeigt die gestrichelte Linie die Brennstoffmenge für die
Nachverbrennungsvorrichtung, die mit einem großen Anfangswert einsetzt, um die Aufrechterhaltung
der Nachverbrennung zu gewährleisten. Somit erfolgt beim Anlaufen der Nachverbrennungsvorrichtung
eine stufenartige Vergrößerung der Düsenfläche, wie in Fig. 8 durch den Bereich
C gezeigt ist. Danach bedingt eine allmähliche Zunahme der Brennstoffmenge
für die Nachverbrennung eine allmähliche Vergrößerung der Düsenfläche.
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Aus dem Vorstehenden erkennt man, -daß ein fester Anschlag in der
Düsenregelanlage in den Bereichen A und B (Fig. 8) vorhanden sein muß, um die Düsenfläche
auf einen festen Wert zu begrenzen, daß dieser Anschlag aber im Bereich C unwirksam
sein muß, um einen Düsenflächenzuwachs für den Nachverbrennungsvorgang zu ermöglichen.
Eine Vorrichtung für diesen Zweck wird beschrieben.
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Die Regelung der Turbinendrehzahl durch Verstellung der Düsenfläche
in den Bereichen B und C erfordert eine leistungsstarke, schnell wirkende Anlage,
die auf kleine Drehzahlsollwertabweichungen und auf die Beschleunigung oder Verlangsamung
der Turbine in empfindlicher Weise anspricht. Dies kann durch einen sogenannten
Proportional-Integral-Regler erreicht werden, d. h., kurz gesagt, mit einem Regler,
der mit kleinster Zeitverzögerung auf augenblickliche tatsächliche Drehzahlabweichungen
anspricht und ein Ausgangssignal zur Änderung der Düsenfläche erzeugt um einen zur
Drehzahlabweichung proportionalen Betrag, wobei die Änderung mit einer zur Größe
der Drehzahlabweichung proportionalen Geschwindigkeit erfolgt.
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In Fig. 2 sind der Drehzahlregler, die Vorrichtung zur Bestimmung
der erforderlichen Änderungen der Düsenfläche und der Stellmotor zur Änderung der
Düsenfläche dargestellt. Diese Organe sind normalerweise insgesamt in dem Reglergehäuse
20 (Fig. 1) enthalten, in dem auch die Elemente zur Beeinflussung der Nachverbrennungsregelung
untergebracht sind.
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Mechanische Energie mit einer der Triebw erksdrelizahl proportionalen
Drehzahl wird der Regleranlage von dem Getriebe 22 (Fig. 1) über eine Welle 50 zugeführt.
Dadurch wird ein Fliehgewichtsregler 52 angetrieben, der gegen eine Drehzahlbezugsfeder
54 arbeitet, die eine normalerweise konstante Einstellung für die maximale Drehzahl
hat. Die Reglerspindel 56 bewegt sich ansprechend auf Drehzahlabweichungen axial
und verschwenkt einen Bügel 57. Der Bügel trägt eine Kugel 58 auf einer Spindel
60, die in dein Bügel befestigt ist, so daß die Schwenkung des Bügels die Kugeldrehachse
verkantet. An der Kugel greifen koaxiale Scheiben 61 und 62 an, wobei die erste
von der Welle 50 angetrieben wird und die letztgenannte die Wellen 63 und 64 antreibt.
Die Bauteile 57, 62 stellen einen stufenlos veränderbaren Drehzahlwandler SC 1 dar,
dessen Übersetzungsverhältnis von dem Regler eingestellt wird. Die von den Fliehgewichten
festgestellte Drehzahlabweichung ändert den
Drehzahlwandler
SC 1 in einem solchen Verhältnis, daß die Triebwerksdrehzahl bei 61
auf eine konstante Bezugsdrehzahl bei 62, die proportional der gewünschten maximalen
Turbinendrehzahl ist, geändert wird.
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Die Bezugsdrehzahl der Welle 63 kann auf verschiedene Werte gemäß
einem Schema durch Schaffung einer Einstellanordnung eingestellt werden, wie dies
in der Technik bekannt ist, indem man die Einstellung der für den Sollwert maßgeblichen
Reglerfeder 54 ändert.
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Als Sicherheitsmaßnahme zur Vermeidung von übermäßigem Verdichterausströmdruck
in dem Triebwerk ist der Verdichterauslaß bei 64' mit einem Zylinder 65 verbunden,
der einen mit der Reglerfeder 54 verbundenen Kolben 66 enthält. Eine steife Feder
67 hält normalerweise die Reglerfeder 54 in der Stellung für die gewünschte konstante
Drehzahl. Wenn der Druck in 64' übermäßig groß wird, drückt er die Feder 67 zusammen,
bewegt den Kolben 66 nach links und entlastet die Reglerfeder 54 teilweise, so daß
die Drehzahlsollwerteinstellung vermindert wird. Dadurch verlangsamt die Reglerwirkung
und die Düsenflächenänderung das Triebwerk und verhindert die Entwicklung übermäßigen
Verdichterausströmdruckes.
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Die Welle 50 treibt ein Eingangszahnrad 69 eines Differentialgetriebes
D 1 mit einer Drehzahl, die der Triebwerksdrehzahl proportional ist. Ein anderes
Eingangszahnrad 70 des Differentials D1 wird von der mit konstanter Drehzahl umlaufenden
Welle 64 im entgegengesetzten Drehsinne angetrieben. Das Ausgangszahnrad 71 des
Differentials D 1 läuft nicht um, wenn die Anlage mit der gewünschten Drehzahl arbeitet.
Beim Auftreten einer Drehzahlabweichung läuft es in einer Richtung, und zwar mit
einer Drehzahl um, die dem Drehzahlunterschied zwischen den Wellen 50 und 64 entspricht,
wobei die Gesamtdrehung dieses Ausgangszahnrades das Integral des Drehzahlfehlers
des Triebwerks mit Bezug auf die Zeit repräsentiert.
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Die Welle 50 treibt auch eine Eingangsscheibe 73 eines Drehzahlwandlers
SC2, der eine verschiebbare Kugel 74 und eine Ausgangsscheibe 75 aufweist. Die Ausgangsscheibe
75 treibt ein Eingangszahnrad 76 eines Differentialgetriebes D2 an, dessen anderes
Eingangszahnrad 77 mit Bezugsdrehzahl von der Welle 64 in entgegengesetzter Richtung
angetrieben wird. Ein Ausgangselement 79 dieses Differentials treibt über ein Zahnrad
80 eine Welle 81 an, die ihrerseits eine Schlupfkupplung 82 und eine Schnecke 83
antreibt. Diese greift in Schneckenradzähne auf einem Bügel 84 ein, in dem die Kugel
74 des Drehzahlwandlers SC2 frei drehbar gelagert ist.
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Die Welle 81 nimmt infolge der Wirkungsweise dieser Vorrichtungen
eine Stellung an, die mit der augenblicklichen Drehzahlabweichung oder dem proportionalen
Drehzahlfehler zwischen der Triebwerksdrehzahl und der Bezugsdrehzahl übereinstimmt.
Dies ergibt sich folgendermaßen: Wenn man annimmt, daß die Anlage mit der gewünschten
Drehzahl arbeitet, wobei die Scheiben 73 und 75 mit gleicher Drehzahl umlaufen,
drehen sich die Räder 76 und 77 mit der gleichen Drehzahl in entgegengesetzter Richtung,
so daß die Welle 81 nicht gedreht wird und die Achse der Kugel 74 so angeordnet
ist. daß der Drehzahlwandler.SC2 auf ein Verhältnis von 1 : 1 eingestellt ist.
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Nun soll eine Drehzahlerhöhung in dem Triebwerk angenommen werden,
wobei die Räder 73, 75 und 76 schneller als das Rad 77 umlaufen. Der Drehzahlunterschied
bewirkt die Umdrehung der Räder 79 und 81, während aber die Schnecke 83 die
Kugel 74 unmittelbar kippt, um das Verhältnis von SC2 zu ändern und die Scheibe
75 und das Zahnrad 76 in ein solches Verhältnis zu bringen, daß sie mit gleicher
und entgegengesetzter Drehzahl zu dem Zahnrad 77 umlaufen und die Drehung des Ausgangsrades
des Differentials D2 beenden. Dieser Ausgleichsvorgang hat jedoch die Welle 81 in
eine Lage gebracht, die mit der augenblicklichen Drehzahlabweichung übereinstimmt.
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Nun sind zwei Signale als Funktionen der Drehzahlabweichung verfügbar,
nämlich einmal die der Abweichung proportionale Drehzahl des Ausgangszahnrades 71
des Differentials D 1 und zum anderen die der Abweichung proportionale Stellung
der Ausgangswelle 81 des Differentials D 2. Diese Ausgänge werden von Wellen 86
und 87 zu den Eingangszahnrädern 88 bzw. 90 eines integrierenden Differentialgetriebes
D3 geführt. Dieses addiert in algebraischer Weise die beiden Fehlersignale und erzeugt
an dem Ausgangszahnrad 90 ein kombiniertes Fehlersignal, das die an der Düse 16
tatsächlich erforderliche Querschnittsfläche bestimmt. Die verschiedenen relativen
Wellendrehzahlen und Übersetzungsverhältnisse in der oben beschriebenen Regelungsanlage
werden so gewählt, das ein Verhältnis der Fehlersignalkomponenten und eine Drehung
des Ausgangsrades 90 entsteht, die mit dem übrigen Teil der Anlage zusammenpaßt.
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Die Welle 26, welche die verstellbare Düse 16 regelt und eine besondere
Darstellung für jede Größe der Düsenfläche hat, ist über Wellen 92 und 93 mit dem
Eingangszahnrad 94 eines Differentialgetriebes D4 verbunden. Die Ausgangswelle 90'
ist mit dem anderen Eingangszahnrad 95 des Differentials D4 verbunden. Dieses Differential
ist eine Nach- oder Rückführungsvorrichtung, welche die von der Welle
90'
bestimmte Größe der Düsenfläche mit der vorhandenen Düsenfläche, der die
Stellung der Welle 93 entspricht, vergleicht, und das Differentialausgangsrad 96
signalisiert den Düsenflächenfehler. Dieses Ausgangsrad 96 betätigt ein hydraulisches
Ventil 98 durch einen Schnappwirkungsmechanismus 100, wie es in Fig. 2 offenbart
ist.
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Das Ventil 98 dient dazu, die Druckölquelle 23 mit hydraulisch betätigten
Kupplungen 102, 103 und 104 durch Rohrleitungen 105, 106 bzw. 107 zu verbinden.
Der Druck des von der Leitung 23 zugeführten Öles wird vor dem Eintritt in das Ventil
98 vorzugsweise durch eine Pumpe 109 verstärkt, die von der durch das Triebwerk
angetriebenen Welle 50 angetrieben wird.
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Wie man aus Fig. 3 und 4 erkennt, besitzt das Ventil 98 ein Gehäuse
110, das einen Kern 112 enthält, der in eine der drei Stellungen durch die Schnappwirkung
der Vorrichtung 100 gedreht werden kann. Der Kern hat eine mit dem Drucköleinlaß
23 verbundene Bohrung 114 und eine mit dem Ölauslaß oder -abfluß 24 verbundene Bohrung
115. In der Ebene der Fig. 3 befindet sich ein Schlitz 116, der mit der Bohrung
114 in Verbindung steht. Dieser Schlitz ist je nach Stellung des Kerns mit einer
der Öffnungen 105, 106 oder 107 verbunden. Der Kern ist in der Ebene der Fig. 3
auch mit bogenförmigen Nuten 117 und 118 versehen, die mit der Abflußhohrung 115
Verbindung haben. Wenn der Schlitz 116 mit der Öffnung 105 übereinstimmt, wird Drucköl
daran angeschlossen. Die Ausströmnut 117 ist dann mit der Öffnung 107 und die Ausströmnut
118 mit der Öffnung 106 verbunden. Wenn der Schlitz 116 mit der Öffnung 107 in
Verbindung
gelangt, bildet die Nut 118 mit den Öffnungen 105 und 106 einen Durchgang. Wenn
der Schlitz 116 mit der Öffnung 106 zusammenarbeitet, mündet die Ausströmnut 117
in die Öffnungen 107 und 105.
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Die Kupplung 102 ist eine Bremse, die bei Anzug durch die Anlegung
von Druckflüssigkeit aus der Leitung 105 die düsenbetätigende Welle 26 gegen Drehung
blockiert. Die Kupplungen 103 und 104 sind Düsenflächenvergrößerungs- bzw. -verminderungskupplungen,
die bei Anlegung von Druckflüssigkeit von dem Ventil 98 einen Antrieb von der Triebwerkswelle
50 zu der Düsenwelle 26 zur Änderung der Düsenfläche bewirken. Die unwirksamen Kupplungen
sind mit dem ölabfluß verbunden, so daß sich ihre Bestandteile gegeneinander frei
drehen. Der Antrieb ergibt sich aus Fig. 2. Ein Zahnrad 120 auf der Welle 50 treibt
ein Eingangszahnrad 121 auf der Kupplung 104 bzw. 103 treiben ein Eingangszahnrad
125 auf der Kupplung 103 in entgegengesetzter Richtung antreibt. Ausgangszahnräder
123 und 124 an den Kupplungen 104 bzw. 103 treiben ein Eingangszahrad 125 auf der
Düsenwelle 26 an. Die Bremse 102 ist an einem Ende befestigt, und ihr anderes Ende
trägt ein Zahnrad 126, das mit einem der Zahnräder 123. 124 oder 125 im Eingriff
ist.
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Das Gehäuse der Bremse 102 weist eine Zelle 102n auf, an die dauernd
Flüssigkeitsdruck von der Leitung 23 zugeführt wird. Dieser Druck wirkt auf einen
Kolben 102b, der einen Plunger 102c trägt, in dem Sinne, daß er den Kolben und den
Plunger von dem Bremsbetätigungskolben 102d nach -rechts zurückzieht und eine Feder
102e zusammendrückt. Wenn hydraulischer Druck in der Leitung 23 aus irgendeinem
Grunde ausfallen sollte, bewegt die Feder 102 e den Plunger 102 c nach links, so
daß die Bremse angezogen und eine Änderung der Düsenfläche verhindert wird. Wenn
keine Beschränkung der Düse von der Bremse 102 vorhanden ist, sucht sie ihre Fläche
zu vergrößern und eine Turbinenüberdrehzahlzuzulassen. Somit schafft die gerade
beschriebene Anordnung eine Vorrichtung, die gegen Versagen gesichert ist.
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Obgleich hydraulische Vorrichtungen zur Betätigung der Kupplungen
verwendet werden, sind mechanische oder elektrische Vorrichtungen ebenfalls anwendbar.
Hydraulische Vorrichtungen sind in der dargestellten Ausführungsform bequem, da
Drucköl von der Triebwerksanlage in einfacher «;'eise zur Verfügung steht.
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Wie vorher beschrieben wurde, treibt die Ausgangswelle 26 der Regler-Kupplungseinheit
(Fig. 2) das Getriebe 28, die Stellschrauben 30 und die Stangen 32 (Fig. 1), die
dazu dienen, die Fläche der Düse 16 zu ändern.
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In Fig. 2 ist ein Brennstoffventil 130 für den Nachverbrennungszündstoff
dargestellt, der von der Nachverbrennungsbrennstoffregeleinrichtung (nicht gezeigt)
zu dem Ventil 130 durch eine Leitung 132 und somit durch eine Leitung 44 zu einer
Brennstoffdüse stromaufwärts der Turbine des Triebwerks fließt. Das Ventil 130 wird
durch einen Nocken 134 betätigt, der von einem Zahnrad 135 angetrieben wird. Dieses
wird von der Welle 93 oder deren Äquivalent angetrieben, wodurch die Ventilöffnung
und -schließung gemäß der verstellbaren Düsenfläche erfolgt.
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Vorzugsweise schließt das Ventil 30 erst, wenn die Düsenfläche wesentlich
größer als die kleinste Fläche des Bereiches B in Fig. 8 ist, an einem ausreichend
weit oben auf der Linie C liegenden Punkt, an dem der Nachverbrennungsvorgang
und die Zündung durch eine wesentliche Vergrößerung der Düsenfläche mit Sicherheit
vorhanden ist.
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Die Nachverbrennungsbrennstoffregelung (nicht dargestellt) ist gewöhnlich
nur am Ende des Bereiches B und über die Bereiche C und C in Tätigkeit (Fig.
7, 8 und 9). Wenn diese Regelung arbeitet, ist die Düsenfläche klein, und das Ventil
130 ist offen, so daß Zündbrennstoff zu der Leitung 44 fließt. Nach der Zündung
des Hauptteiles des Nachverbrennungsbrennstoffes, der zu der Sammelleitung 42 fließt,
vergrößert sich die Düsenfläche, und nach der Vergrößerung auf einen bestimmten
Wert sperrt das Ventil 130 durch die Wirkung des Nockens 134.
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Wenn eine Störung, z. B. Auslöschen an der Nachverbrennungsvorrichtung,
auftritt, verkleinert sich die Düsenfläche selbsttätig, wobei der Durchfluß des
Nachv erbrennungszündbrennstoffes durch Öffnen des Ventils 130 wieder in Gang gesetzt
wird.
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Wenn die Nachverbrennungsvorrichtung an der Hauptbrennstoffregelung
der Nachverbrennung ausgeschaltet wird, wird auch die Zündbrennst.offzufuhr zu der
Leitung 132 abgesperrt.
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Die Regelung der Absperrung des Nachverbrennungszündstoffes kann auch
mit anderen Mitteln als dem gerade beschriebenen oder in Kombination mit diesem
erreicht werden. Beispielsweise könnte ein der Anlage zugeordnetes Verzögerungsventil
vorhanden sein, so daß beim Versagen der Nachverbrennungszündung innerhalb eines
annehmbaren Zeitraumes nach der Einschaltung der Nachverbrennungsvorrichtung die
Brennstoffzuführungen abgesperrt werden, um eine Brennstoffverschwendung zu vermeiden.
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Die Fig. 5. und 6 zeigen einen Stillsetz- oder Anschlagmechanismus
136 für die verstellbare Düsenfläche, der auch in Fig.2 dargestellt ist. Die Welle
138, die durch den Regler in eine solche Lage gebracht worden ist, daß sie eine
Düsenfläche bestimmter Größe verlangt, und die mit der Welle 90 mit dem Zahnrad
95 des Differentials D4 verbunden ist, trägt einen Ansatz 140. Bei der kleinsten
zulässigen Düsenflächenanforderung stößt der Ansatz gegen einen festen Anschlag
142, -der eine weitere Drehung der Welle 138 verhindert. Falls das Differential
D3 eine noch kleinere Düsenfläche verlangt, rutscht die Welle 90 relativ zu der
Welle 138 durch eine Schlupfkupplung 144. Ein für zwei Stellungen vorgesehener Anschlag
146 für eine maximale Düsenfläche, der zeitweilig mit dem Ansatz 140 im Eingriff
ist., wird von einem Ring 148 getragen, der auf einem Lager 150 geführt wird, damit
er mit der Welle 138 koaxial bleibt. Dieser Ring ist über einen begrenzten Bogen
gemäß Fig. 5 in eine äußerste Stellung im Uhrzeigersinne beweglich, in welcher der
Anschlag 146 (in ausgezogenen Linien) die maximale Düsenfläche für den Betrieb des
Triebwerks ohne Nachverbrennung herstellt. Er ist auch in eine Grenzstellung im
entgegengesetzten Uhrzeigersinne beweglich, bei welcher der Anschlag 146 (in gestrichelten
Linien) die größere maximale Düsenfläche für den Betrieb des Triebwerks mit der
eingeschalteten Nachverbrennungsvorrichtung herstellt.
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Die Verschiebung des Ringes 148 zwischen den beiden Stellungen wird
von einem Kolben 152 bewirkt, der in einem Zylinder 154 gle'i'tet, wobei der Kolben
mit dem Ring durch einen Stab 156 und einen Bügel 158 verbunden ist. Der Kolben
wird von einer Feder 160 nach rechts gedrückt, wobei der Anschlag 146 in
die Stellung für die Düsengrenzfläche ohne Nachverbrennung geschoben wird. Wenn
die Brennstoffregelanlage
für die Nachverbrennungsvorrichtung eingeschaltet
ist und solange sie eingestellt bleibt, ist Zündbrennstoffdruck in der Leitung 132
vorhanden. Diese ist mit dem rechten Ende des Zylinders 154 verbunden, so daß der
Brennstoff unter Druck den Kolben 152 nach links gegen die Kraft der Feder 160 bewegt,
die dadurch zusammengedrückt wird. Statt des Druckes des Zündbrennstoffes kann ein
anderer Signaldruck oder ein anderes Signal verwendet werden, um den Anschlag 146
zu verschieben oder andere Maximalflächenanschläge in Wirkung zu bringen. Dadurch
wird der Anschlag 146 in die mit gestrichelter Linie gezeichnete Stellung verschoben,
wodurch sich die Düsenfläche unter der Wirkung der Reglereinheit 20 vergrößern kann.
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Die vorstehende Regelanlage ist in Verbindung mit einem sogenannten
Eintrommeltriebwerk beschrieben, nämlich einem solchen Triebwerk, bei denn ein einzelnes
Turbinenrad einen einzigen Verdichterläufer antreibt. Es wird die Drehzahl der Einzeltrommel
von der verstellbaren Düse geregelt. Es gibt auch Triebwerke mit mehreren Läufern,
bei denen eine Trommel ein Turbinenrad und einen Verdichterläufer aufweist, und
eine weitere Dreheinheit, die gewöhnlich koaxial zu der ersten angeordnet ist, weist
ein weiteres Turbinenrad und möglicherweise einen zweiten Verdichterläufer auf,
wobei die Dreheinheit unabhängig von der Trommel umläuft. Die Regelanlage nach der
Erfindung ist zur Regelung der Drehzahl von einem der Läufer anwendbar. Der andere
Läufer wird normalerweise durch die normale Brennstoffregelanlage drehzahlgeregelt
werden, die üblicherweise ihre eigenen Drehzahlbegrenzungs- und andere Regelparameter
enthält.
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Die Regelanlage nach der Erfindung kann auch für die Regelung der
in ein Strahltriebwerk einströmenden Luft anstatt auf eine Schubdüsenregelung angewandt
werden. Außerdem kann sie mit einer beliebigen Art von luftverbrauchenden Turbinentriebwerken,
also, abgesehen von den Strahlturbinen gemäß Ausführungsbeispiel, bei Propellerturbinen
und Doppelstromturbotriebwerken verwendet werden.