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Brennstoffregler, insbesondere für Gasturbinentriebwerke Die Erfindung
betrifft einen Regler mit der Brennstoffmenge als Stellgröße und der Drehzahl als
Regelgröße, bei dem das Stellglied in der Brennstoffhauptleitung von der Druckdifferenz
an einer Drosselstelle in der zur Brennstoffpumpe parallelen Überströmleitung gesteuert
wird, wobei die Drehzahl ein Ventil hinter der Drosselstelle in der Überströmleitung
verstellt, der insbesondere für Gasturbinentriebwerke verwendet werden soll.
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Unmittelbar wirkende Regler sind bisher wegen ihrer verhältnismäßigen
Einfachheit gegenüber Reglern mit Hilfskraft bevorzugt worden. Unmittelbar wirkende
Regler weisen jedoch gewisse, ihnen eigene Nachteile auf, wie etwa die Empfindlichkeit
gegenüber Schmutz und anderen Fremdkörpern im Brennstoff, die Neigung zu dynamischen
oder statischen Schwankungen des hydraulischen Druckes am Reglerventil, ein Nachhinken
des Reglerventils, wenn die Ventilspiele aus Gründen des Brennstoffleckverlustes
eng gehalten werden, eine verhältnismäßig große Trägheit infolge der erforderlichen
verhältnismäßig großen Masse der Reglerteile. Andererseits litten mit Hilfskraft
arbeitende Regler im allgemeinen unter Nachteilen wie etwa der Kompliziertheit und
unter dem Mangel an unmittelbar wirkenden Hilfs- oder Notsteuervorrichtungen, die
beim Ausfallen der Hilfskraft selbsttätig wirksam werden. Die Aufgabe der Erfindung
besteht daher in der Schaffung eines verbesserten Reglers mit Hilfskraft, der alle
obengenannten Nachteile vermeidet oder wenigstens vermindert, denen bisher sowohl
die unmittelbar wirkenden Regler als auch die Regler mit Hilfskraft unterworfen
waren.
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Zur Lösung der vorgenannten Aufgaben wird erfindungsgemäß ein besonders
einfacher Regler vorgeschlagen, welcher auch bei Ausfallen der Hilfskraft einwandfrei
arbeitet und dadurch gekennzeichnet ist, daß der Stellgliedkörper als Differentialkolben
ausgebildet ist, dessen eine Seite von einem vom Pumpenförderdruck abgeleiteten
Druck beaufschlagt wird, während die andere Seite von dem Druck zwischen der Drosselstelle
und dem drehzahlgesteuerten Ventil in der überströmleitung beaufschlagt wird, und
daß das drehzahlgesteuerte Ventil in der axialen Verlängerung des Stellgliedkörpers
angeordnet ist.
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Durch diese Ausgestaltung ergibt sich eine äußerst gedrungene Reglerbauart,
bei dem dem als Differentialkolben ausgebildeten Stellgliedkörper noch zusätzlich
die Aufgabe zufällt, als Antriebskolben der Hilfsenergiequelle zu wirken, wodurch
die zusätzliche Anbringung eines Verstellkolbens entfällt. Weiterhin wird durch
vorteilhafte Ausbildung des Reglers mit koaxial zueinander ausgerichtetem drehzahlabhängigem
Stellglied und Differentialkolben in einfachster Weise die Möglichkeit geschaffen,
das Brennstoffventil beim Versagen der Hilfsenergievorrichtung unmittelbar auf mechanische
Weise zu betätiget, woraus eine besonders große Betriebssicherheit des gesamten
Reglers eintritt.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
Beschreibung und den Zeichnungen eines Ausführungsbeispieles.
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Fig. I stellt die Schnittansicht eines Strahltriebwerkes dar, dessen
Brennstoffregelvorrichtung einen Regler gemäß der Erfindung aufweist; Fig.2 ist
eine schematische Schnittansicht eines Reglers nach der Erfindung.
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In der Fig. 1 weist ein allgemein mit 10 bezeichnetes Strahltriebwerk
eine Reihe ringförmig angeordneter Brennkammern 11, die in einem mit einem
Lufteinlaßabschnitt 12 versehenen Gehäuse untergebracht sind, und einen Verdichter
13 auf, der als Axialverdichter dargestellt ist und der über eine Welle
15 von einer Turbine 14 angetrieben wird. Jede Brennkammer ist mit
einer Brennerdüse 16 versehen, der unter Druck dosierter Brennstoff über eine Leitung
17, einen Brennstoffverteiler 18 und Bremstoffeinzelleitungen 19 zugeführt wird.
Die Leitung 17 nimmt den dosierten Brennstoff von einer allgemein
mit
20 bezeichneten Brennstoffregelvorrichtung auf, die den Regler, wie er in der Fig.
2 abgebildet ist, enthält. Eine nach dem Verdrängerprinzip arbeitende Pumpe 22 führt
den Brennstoff unter Druck der Brennstoffregelvorrichtung 20 über eine Leitung 24
zu, wobei ein Teil des Brennstoffes über eine Leitung 26 auf einem Nebenweg zurück
zum Einlaß der Pumpe geleitet werden kann.
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Ein in der Fig. 2 mit 40 bezeichnetes Ventil enthält eine Ventilhülse
42, die zwischen den Gehäusewänden 44 und 46 in ihrer Lage festgehalten ist und
eine Kammer 48 bildet, in der die Steuervorrichtung für den Regler untergebracht
ist. Zwischen der Ventilhülse 42 und dem Gehäuse sind ringförmige Einlaß-und Auslaßkammern
50 bzw. 52 gebildet und in entsprechender Weise an die Brennstoffeinlaßleitung 24
mit dem Druck P1 bzw. an die Brennstoffauslaßleitung 17 mit einem Druck P, angeschlossen,
wobei die Verbindung zwischen den ringförmigen Kammern durch mehrere ringförmig
angeordnete Brennstoffeinlaßöffnungen 54 und Brennstoffauslaßöffnungen 56 in der
Ventilhülse und durch eine Kammer 58 zwischen der Hülse und einem darin hin- und
herschiebbaren Stellgliedkörper 60 hergestellt wird.
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Der Stellgliedkörper 60 enthält eine hohle, äußere Kolbenstange 62,
die mit Kolbenansätzen 64, 66 und 68 ein Stück bildet; die Kolbenansätze 64, 66
und 68 sind mit festem Abstand untereinander so angeordnet, daß sie längs der Ventilhülse
42 und der Kolbenstange 62 die Reglerkammer 58, eine Kammer 70 für geregelten Druck,
eine Kammer 72 für Hilfsdruck und eine Kammer 74 für Pumpeneinlaßdruck bilden. Eine
innere Kolbenstange 76 ist bei 78 mit dem Kolbenansatz 68 verbunden und endet an
einem Ende in einem Zapfen 80, in den ein Bolzen 82 befestigt ist.
Dieser kann zwischen einem einstellbaren Anschlag 84 für kleinste Brennstoffmenge
und einem gegabelten verstellbaren Anschlag 86 für größte Brennstoffmenge in einer
innerhalb eines Gehäusedeckels 90 ausgebildeten Kammer 88 bewegt werden.
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Die innere Kolbenstange 76 enthält einen Kanal 92 für den Durchfluß
von aus der Kammer 58 und der Seite 72 des Kolbenansatzes 64 durch ringförmige Spalte
94 und 96 in eine Kammer 98 in dem Kolbenansatz 64, dringenden
Leckbrennstoff über einen Kanal 100 und eine Kammer 102, die ebenfalls innerhalb
des Kolbenansatzes 64 ausgebildet sind, und über einen Kanal 104, eine Pumpeneinlaßdruckkammer
74 und eine Leitung 106 in die überströmleitung 26. Zwischen der inneren Kolbenstange
76 und der äußeren Kolbenstange 62 befindet sich ein Ringkanal 108, der die Ringkammer
50 über eine Leitung 110, in der ein Ventil 112 für konstanten Abgabedruck liegt,
eine Kammer 70 für geregelten Druck, in der Kolbenstange 62 zwischen den Kolbensätzen
66 und 68 gebildete Durchbrüche 114, einen Kanal 116 und eine Drosselstelle 118
in dem Kolbenansatz 64 mit der Hilfsdruckkammer 72 verbindet. Durchdringender Brennstoff
kann durch die Kanäle 120 und 122, einen Ansatz 124 des Hilfsventils, eine innerhalb
des mit Durchbrüchen versehenen, becherförmigen Teiles 128 ausgebildete Hilfsventilkammer
126, eine innerhalb einer zylindrischen, im Durchmesser verminderten Verlängerung
134 der Ventilhülse 42 gelegene Kammer 132, mehrere in der Verlängerung 134 ringförmig
angeordnete Durchbrüche 136, die Kammer 48 und eine. Leitung 140 in die Leitung
26 abfließen. Die in der Kammer 48 untergebrachte Reglereinstellvorrichtung weist
zwei Fliehgewichte 142 auf, die an Sockeln 144 schwenkbar befestigt und durch die
Maschine über ein Kegelgetriebe 146, eine Welle 148, ein Kegelgetriebe 150, eine
Welle 152 und eine die Sockel 144 tragende Antriebsplatte 154 angetrieben sind.
Die Fliehgewichte 142 sind in einem Stück mit Fußgliedern 156 hergestellt, die ständig
an einem Federteller 158 anliegen, der seinerseits nachgiebig durch die Reglerfeder
162 mit einem Federteller 160 verbunden ist. Dieser ist gleitbar auf der Außenfläche
der Hülsenverlängerung 134 angebracht; bei seiner Bewegung in Achsrichtung wird
die Vorspannung der Reglerfeder 162 mittels eines zweigabeligen Reglerhebels 164
verändert, der mittels eines nicht dargestellten Leistungswählhebels betätigt werden
kann, der an ihm über ein Gestänge 166, einen Hebel 168 und eine Welle 170 (Fig.
1) angeschlossen ist. Der Federteller 158 ist mit dem Hilfsventiltei1128 durch eine
Stange 172 verbunden, auf der ein Führungsstück 174 befestigt ist; der Hilfsventilteil
128 bildet ein Gehäuse für den Ansatz 124 und für ein schwimmendes, halbkugelförmiges
überströmventil 176. Das freie Ende des Teiles 128 ist als Ringbund 178 ausgebildet.
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Im Betrieb wird der Kolbenansatz 64 des Stellgliedkörpers 60 innerhalb
der Ventilhülse 42 in seiner Lage verstellt, um den wirksamen Querschnitt des Brennstoffeinlasses
54 zu verändern, und zwar durch die in der Kammer 48 befindliche Reglereinstellvorrichtung
während irgendeines vom Piloten gewählten Beharrungszustands der Maschine und während
der Drosseltätigkeit des Reglers, durch den Ventilanschlag 86 für Höchstdurchfluß
während der Beschleunigung der Maschine vor der Drosseltätigkeit des Reglers und
durch den feststehenden Ventilanschlag 84 für Kleinstdurchfluß während der Verzögerung
der Maschine.
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Der Druckunterschied des Brennstoffs zwischen der Einlaßöffnung 54
und den Auslaßöffnungen 56 wird vorzugsweise ungeachtet der Schwankungen in den
Betriebszuständen der Maschine durch eine nicht dargestellte Regelvorrichtung auf
einem konstanten Wert gehalten.
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Die Stellung des Ventilanschlages 86 für Höchstdurchfluß wird in Abhängigkeit
von gewissen Einflußgrößen der Maschine, wie etwa der Maschinendrehzahl und der
Verdichtereinlaßtemperatur, gesteuert; der genannte Anschlag begrenzt während einer
durch Komandogabe des Piloten ausgelösten Beschleunigung der Maschine auf eine neu
gewählte Drehzahl, in unabhängiger Weise die CSffnungsgeschwindigkeit des Stellgliedkörpers
60, wobei der die in der Kammer 48 befindliche Reglereinstellvorrichtung eine Schließbewegung
des Stellgliedkörpers 60 bewirkt, wenn Beharrungszustand vorhanden ist.
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Es sei angenommen, daß die Maschine angelassen und auf einen Beharrungszustand
im mittleren Drehzahlbereich beschleunigt worden ist. Der Pilot drückt dazu mittels
des Leistungswählhebels, des Gestänges 166, des Hebels 168, des zweigabeligen Reglerhebels
164 und des Federtellers 160 die Reglerfeder 162 um einen gewissen Betrag zusammen
und wählt so eine bestimmte Maschinendrehzahl. Bei dem angenommenen Beharrungszustand
gleicht die Kraft der Fliehgewichte 142 die Kraft der Reglerfeder aus; in diesem
Zustand hält das Hilfsventilgehäuse 128 das Überströmventil 176 gegenüber dem Ansatz
124 in einer
bestimmten Stellung. Dadurch besteht ein bestimmtes
Querschnittsverhältnis zwischen der Verengung 118
und der Öffnung des Ansatzes
124, wodurch ein bestimmter Wert des Druckes PS in der Hilfsdruckkammer 72 und eine
bestimmte Stellung des Kolbenansatzes 64 bezüglich der Brennstoffeinlässe 54 hergestellt
wird. Die Teile sind in der Fig. 2 in einer Lage zueinander dargestellt, die dem
Beharrungszustand entspricht; der Bolzen 82 befindet sich also gerade zwischen den
Ventilanschlägen für Höchst- und Mindestdurchfluß, die Kraft der Fliehgewichte ist
mit der Reglerfeder 162 im Gleichgewicht und das Hilfsventil 176 liegt in
bezug auf den Ansatz 124 so, daß die sich aus dem Hilfsdruck PS ergebende
Schließkraft des Ventils der sich aus dem geregelten Druck PR ergebenden,
das Ventil öffnenden Kraft das Gleichgewicht hält.
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Es hat sich in der Praxis gezeigt, daß sich eine sehr gute Ventilansprechzeit
und Ventilstabilität erreichen läßt, wenn das Verhältnis der Ventil-Nutzquerschnittsfläche
in der Hilfsdruckkammer 72 zu der Nutzquerschnittsfläche in der Regeldruckkammer
70 nahezu 2:1 gemacht wird und der Durchmesser der Drosselstelle 118 mit annähernd
0,7 mm ausgeführt wird. Das Ventil folgt dann fast augenblicklich der Bewegung des
Hilfsventils 176, ohne daß es nenneswert über die Gleichgewichtslage hinausschießt
oder darunter bleibt. Es können jedoch auch andere Kombinationen aus dem Ventilquerschnittsverhältnis
und der Weite der Drosselstelle gewählt werden. Wenn der Durchmesser der Drosselstelle
zu klein ist, ergibt sich zwar eine gute Ventilstabilität, jedoch auch eine geringe
Ansprechzeit, außerdem kann Verschmutzung eintreten; wogegen bei zu großem Durchmesser
der Drosselstelle ein augenblickliches Ansprechen, aber eine geringe Stabilität
auftreten wird.
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Wenn der Pilot die Maschine vom Beharrungszustand aus beschleunigen
will, bewegt er den Reglerhebel 164 mittels des Hebels 168 nach rechts, so daß die
Reglerfeder 162 zusammengedrückt wird, wodurch das Hilfsventil 176 in bezug
auf den Ansatz 124 in Öffnungsrichtung bewegt wird; dadurch wird das Gleichgewicht
des Reglers gestört, was einen plötzlichen Abfall des Druckes PS infolge des vergrößerten
Querschnittsverhältnisses zwischen der Öffnung des Ansatzes 124 und dem Durchlaß
118 zur Folge hat und eine Öffnungsbewegung des Stellgliedkörpers 60 nach sich zieht,
bis sie durch Berührung zwischen dem Anschlag 86 und dem Bolzen 82 begrenzt wird.
Der Anschlag 86 wird durch eine nicht abgebildete Vorrichtung derart verstellt,
daß durch Begrenzung der Öffnungsgeschwindigkeit des Stellgliedkörpers 60 für den
Brennstoffdurchfluß Übertemperatur am Turbineneinlaß und Pumpen des Verdichters
bei einer gegebenen Höhe vermieden wird. Während eines solchen übergangszustandes
reicht die Kraft des Druckes PS am Stellgliedkörper 60 nicht aus, die konstante
Nutzkraft des geregelten, auf das genannte Ventil wirkenden Druckes PR auszugleichen;
Brennstoffmenge und Maschinendrehzahl nehmen deshalb zu.
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Sowie sich die Maschine der gewählten Drehzahl nähert, beginnt die
Kraft der Fliehgewichte 142, die Reglerfeder 162 zu überwinden und das Hilfsventil
176 nach links zu bewegen, wodurch eine Drosselbewegung des Reglerventils hervorgerufen
wird. Das Reglerventil folgt während einer solchen Drosselbewegung der Bewegung
des Hilfsventils 176, und das Hilfsventil hat dann, wenn zwischen den Fliehgewichten
142 und der Feder 162 Gleichgewicht eingetreten ist, diejenige Größe des Durchflusses
durch den Ansatz 124 eingestellt, die erforderlich ist, um die Nutzkräfte der Drücke
PS und PR ins Gleichgewicht zubringen; dadurch wird eine bestimmte Stellung
des Reglerventiles eingestellt.
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Wegen des Leckkreises 98, 100, 92, 104, 74 und 106 kann Brennstoff
mit einem Druck P1 nicht an dem Stellgliedkörper 60 vorbei in die Hilfsdruckkammer
fließen und dadurch den Wert des Druckes PS in unerwünschter Weise verändern. Bei
dieser Anordnung wird sich der Druck PS ausschließlich als Funktion des Ouerschnittsverhältnisses
der Drosselstelle 118 und dem Ansatz 124 verändern.
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Die Erfindung bietet eine verbesserte Anordnung der mechanischen Steuerung
für den Stellgliedkörper 60 für den Fall, daß das Hilfssystem aus irgendeinem Grunde
versagt. Wenn z. B. das Ventil 112 in der geschlossenen Stellung versagen sollte,
würde sowohl der Druck PR in der Kammer 70 als auch der Druck PS in
der Kammer 72 auf den Wert des Pumpeneinlaßdruckes abfallen. Dies hat zur Folge,
daß ein Ausgleich der Summe der auf den Stellgliedkörper60 wirkenden hydraulischen
Kräfte eintritt. Unter solchen Verhältnissen wirkt mit anderen Worten keine Nutzkraft
außerhalb der in der Kammer 48 gelegenen Reglervorrichtung auf den Stellgliedkörper
60 mit Ausnahme der geringen Reibungskraft zwischen dem Stellgliedkörper 60 und
der Ventilhülse 42.
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Der Stellgliedkörper 60 ist unter solchen Verhältnissen der unmittelbaren
mechanischen Kontrolle durch die Reglervorrichtung in der Kammer 48 unterworfen,
ohne daß sein Arbeiten in bemerkenswerter Weise beeinträchtigt wird. Es kann daher
gesagt werden, daß der hilfsbetriebene Regler mit einer gewissen Unsicherheit behaftet
ist, d. h., der Regler ist so ausgelegt, daß die normale hydraulische Verbindung
zwischen der Reglereinrichtung in der Kammer 48 und dem Stellgliedkörper 60 im Falle
des Ausfallens der Hilfseinrichtung zu einer mechanischen Verbindung wird; der Bedienende
kann noch die gleichen Drehzahlen, bei denen die Maschine arbeitet, in deren ganzem,
zulässigem Bereich mit denjenigen Stellungen des Bedienungshebels wählen, die denen
bei den genannten Drehzahlen vor dem Ausfall der Hilfseinrichtung entsprechen, indem
er den Halteteil 160 betätigt, um die Reglerfeder zusammenzudrücken. oder zu entspannen,
wodurch sich entweder der Ringbund 178 des Hilfsventilgehäuses
128 in die Berührung mit dem Ansatz 124 bewegt oder das Hilfsventil
176 damit in Berührung kommt, wobei der Ansatz seinerseits den Stellgliedkörper
60 in Beschleunigungs- bzw. Verzögerungsrichtung manuell betätigt. Wenn die Maschine
während der Beschleunigung eine neue gewählte Drehzahl erreicht, überwinden die
Fliehgewichte 142 die Feder 162 und bringen das Hilfsventil 176 in Berührung mit
dem Ansatz 124, um den Stellgliedkörper 60 mechanisch in eine den Brennstoffdurchfluß
vermindernde Richtung zu bewegen, bis die Reglervorrichtung im Gleichgewicht ist;
in diesem Zeitpunkt arbeitet die Maschine in Beharrungszustand auf der neu gewählten
Drehzahl.
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So wie im Gegensatz dazu die Maschine eine neu gewählte Drehzahl während
der Verzögerung der Maschine erreicht, beginnt die von der Reglerfeder hergegebene
Kraft die kleiner werdende abgegebene
Kraft der Fliehgewichte zu
überwinden und bringt den Ringbund 178 des Hilfsventilgehäuses 128 in Berührung
mit dem Ansatz 124, um den Stellgliedkörper 60 mechanisch in eine den Brennstoffdurchfiuß
vermindernde Richtung zu bewegen, bis die Reglervorrichtung im Gleichgewicht ist;
in diesem Zeitpunkt arbeitet die Maschine in Beharrungszustand auf der neu gewählten
Drehzahl.