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Brennstoffregelanlage für ein aus Kompressor und Gasturbine bestehendes
Maschinenaggregat Die Erfindung betrifft eine Brennstoffregelanlage für ein aus
Kompressor und mit diesem auf der gleichen Welle sitzender Gasturbine bestehendes
Maschinenaggregat mit einer zwischen einer Brennstoffpumpe und dem Brenner der Gasturbine
angeordneten Brennstoffleitung, in der ein Haupt-Brennstoffregelventil vorgesehen
ist, welches durch den in einem Druckgeber erzeugten Steuerdruck betätigt wild,
wobei der Druckgeber eine Kammer umfaßt, die über Öffnungen mit der Druck- und der
Ansaugleitung des Kompressors in Verbindung steht.
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Bei einer Beschleunigung von Gasturbinen kann, da diese einen Axialkompressor
enthalten, eine Erscheinung auftreten, die man als Pumpen oder Instabilwerden des
Kompressors bezeichnet. Hierbei übersteigt der Gegendruck des Kompressors einen
kritischen Wert, was gewöhnlich dazu führt, daß die den Brennern zugeführte Luftmenge
plötzlich in starkem Maße vermindert wird. Bei einem solchen Zustand können die
Brennertemperaturen und die auf den Kompressor übertragenen Schwingungskräfte so
groß werden, daß die Maschine schweren Schaden erleidet, sofern nicht die Brennstoffzufuhr
zur Maschine augenblicklich vermindert wird, Bei vielen der heute üblichen Gasturbinen
mit hoher Kompression und hohem Wirkungsgrad hat sich herausgestellt, daß die Pumpgrenze
des Kompressors der Turbine die maximale Brennstoffmenge, die der Turbine während
des größten Teils des Beschleunigungsvorganges zugeführt werden kann, begrenzt.
Viele der zur Zeit für die vorgenannten Gasturbinen verwendeten Brennstoffregeler
enthalten eine Vorrichtung, welche die Brennstoffmengen während der Beschleunigung
so begrenzt, daß der Pumpbereich des Kompressors vermieden wird. Erfahrungen bei
diesen Reglern haben jedoch gezeigt, daß, wenn man mit einer relativ einfachen Steuerung
während der Turbinenbeschleunigung den. Instabilitätsbereich des Kompressors vermeiden
will, eine wesentliche Sicherheitszone vorgesehen werden muß, die dann dazu führt,
daß der Zeitraum, in dem sich die Turbine beschleunigen läßt, vergrößert wird, was
vor allem daher rührt, daß sich bei Änderungen des Betriebszustandes der Turbine
die Pumpgrenze des Kompressors stark verschiebt. Andererseits sind aber auch schon
Steuerungen entworfen worden, die sich besser der Begrenzung des Kompressorarbeitsbereiches
anpassen. Doch haben diese Steuerungen einen solchen komplizierten Aufbau, daß sie
für eine praktische Verwertung nicht in Frage kommen oder große Schwierigkeiten
bei der Herstellung, der Wartung, beim Betriebe od. dgL bereiten.
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So sind bereits derartige Brennstoffregelanlagen bekannt, bei denen
die Brennstoffregelung während einer Beschleunigung der Maschine durch eine Vorrichtung
mit zwei Nocken bewirkt wird, die unabhängig von der Drehzahl der Maschine und der
Einlaßtemperatur des Kompressors betätigt wird. Diese Vorrichtung begrenzt für jeden
Wert der Maschinendrehzahl und der Einlaßtemperatur des Kompressors die Öffnung
des Bemessungsventils in der Brennstoffleitung auf einen bestimmten Wert. Darüber
hinaus ist eine Steuerung des Bemessungsventils abhängig von der Auslaßtemperatur
des Kompressors vorgesehen. Diese bekannte Anlage enthält also zwei Temperaturmeßeinrichtungen,
die relativ kompliziert und in vielen Fällen unzuverlässig sind.
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Weiter ist eine Anlage zur Lösung der gleichen Aufgabe vorgeschlagen
worden, bei der die Brennstoffmenge durch ein von einem Balg betätigtes Ventil geregelt
wird, wobei der Balg auf den Steuerdruck in einer Kammer anspricht, die mit zwei
Punkten des Kompressors, nämlich dem Einlaß und dem Auslaß, in Verbindung steht.
Eine dieser Verbindungen wird über eine feste Öffnung und die andere durch eine
veränderbare Öffnung, bewirkt. Die veränderbare Öff-
nung wird durch ein Ventil
so gesteuert, daß der Steuerdruck innerhalb der Kammer als eine bestimmte Funktion
des Kompressoreinlaßdrucke und des Kom=
pressorauslaßdruckes gegeben
ist. Dabei hängt diese Funktion von der Kennlinie des die veränderbare Öffnung steuernden
Ventils ab.
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Der Erfi4dpn " li gt die Aufgabe zugrunde, eine wesentlich r°zwecmßigee
#'ei#nptqffre#e.lanlage zu schaffen; bei der einerseüs' auf die zuerst beschriebene
anfällige Vorrichtung vollständig. verzichtet werden kann und bei der andererseits
die Zusammenhänge zwischen Kdinpressäreibl'aßdntck, Yompressorauslaßdruck und Steuerdruckwesentlich
vereinfacht werden. Die Vereinfachung der r Regelfunktion der Anlage erhöht deren
Betriebssicherheit erheblich.
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Diese Aufgabe''' wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Querschnitte
der Öffnungen, die die zum Druckgeber gehörende Kammer mit der Druck- und Ansaugleitung
de§; Kdmpressors verbinden, konstant sind, so daß der'Steuerdruck (Px) in der Kammer
des Druckgebers eine 'F"iön des Kömpressordruckverhältnisses ( pf ) ist, üid ' daß
ferner das Querschnittsverhältnis der Öffnungen so gewählt ist, daß die Pumpgrenze
des Kompressors nicht überschritten wird und der Steuerdruck (Paz) mindestens das
Zweifache des Druckes in der Ansaugleitung `des Kompressors beträgt, so daß die
aus der Kammer abströmende Luft Schallgeschwindigkeit erreicht.
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Gemäß einem, weiteren Merkmal der Erfindung weist der Druckgeber einen
evakuierten Faltenbalg auf, der vom Steuerdruck verstellt wird und mit einem Servoventil
in einer Servodruckleitung verbunden ist, wobei der Druck in der Servoleitung hinter
dem Servoventil das Haupt-Brennstoffregelventil steuert.
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Ferner kann auch ein Verbindungshebel zwischen dem vom Steuerdruck
(Pm) verstellbaren Faltenbalg und dem Servoventil vorgesehen sein, der sowohl mit
dem Regelgehäuse als auch mit dem Ventilkegel des Haupt-Brennstoff'regelventils
federnd verbunden ist.
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Gemäß einem ;weiteren Merkmal der Erfindung weist die Brennstofisteueranlage
einen auf die Gasturbinendrehzahlansprechenden hydraulischen Regler auf, der ein
zweites Servoventil in einem eine Einschnürung enthaltenden weiteren Servodruckkanal
einstellt, wobei der an dieser Eingchnürung entstandene Druckabfall ein Nebenschlußventil
in einer Leitung steuert, die die Brennstofförderleitung, in Strömungsrichtung gesehen,
vor dem Haupt-Brennstoffregelveniil mit dem Brennstoffpumpeneinlaß verbindet und
damit den Druckabfall an dem Haupt-Brennstoffregelventil beeinflußt.
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Überdies ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß das zweite Servoventil
von einem Kolben betätigt wird, der dem dem Druckabfall am Haupt-Brennstoffregelventil
proportionalen Druckunterschied unterliegt und auf den außerdem Fliehgewichte des
hydraulischen Reglers eine Kraft in einer Richtung ausüben, die entgegengesetzt
zu der von dem Druckunterschied am Haupt-Brennstoffregelventil erzeugten Kraft wirkt.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Es zeigt Fig. 1 eine schematische, geschnittene Ansicht einer Brennstoffregelanlage
für eine Gasturbine oder ein Turbinenstrahltriebwerk, Fig. 2 und 3 Betriebskennlinien
zur Erläuterung der in Fig. 1 dargestellten Brennstoffregelanlage.
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Die Brennstoffregelanlage 20 gemäß der Fig. 1 enthält den Brennstoff
, über eine Zuführleitung 22 mit einem Druck P,, den eine nicht dargestellte Pumpe
erzeugt. Die Pumpen erhält ihren Brennstoff aus einem ebenfalls nicht dargestellten
Vorratsbehälter. Der größte Teil des den Brennstoffdüsen zugeführten Brennstoffes
fließt von der Leitung 22 über eine Leitung 24
in eine Kammer 26, dann
durch eine Hauptregelöffnung 28, deren Querschnitt von einem Hauptregelventil 30
gesteuert wird, zu einer Kammer 32, in der der geregelte Brennstoff unter dem Druck
P4 steht, und danach durch die Leitung 34 zu der den geregelten Brennstoff abführenden
Leitung 17. Der Querschnitt der Regelöffnung 28 wird bestimmt durch die jeweilige
Stellung des Haupt-Brennstoffregelventils 30, die von einem Druckgeber 36, Federn
38 und 40 und einem Servoventil 42 abhängig ist.
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Der Brennstoff kann aber auch von der Leitung 22 über eine Abzweigleitung
46 und eine allgemein mit dem Bezugszeichen 48 versehene Vorrichtung zur
unter dem Druck Po stehenden Ansaug- oder Einlaßseite der nicht dargestellten Pumpe
zurückgeführt werden. Diese Vorrichtung enthält ein Nebenschlußveniil52, dessen
Stellung die Brennstoffmenge bestimmt, die bei jeder gegebenen Stellung des Haupt-Brennstoffregelventils
30 durch die Hauptregelöffnung 28 fließt. Die Stellung des Nebenschlußventils 52
wird bei jedem gegebenen Betriebszustand des Triebwerkes mittels eines oder mehrerer
Servoventile 54, 56 oder 58 gesteuert. Die Servoventile 54, 56 und 58 werden durch
einen auf Drehzahländerungen ansprechenden hydraulischen Regler 60, eine von Hand
einstellbare Druckregelvorrichtung 62 bzw. einen Kompressionsdruck-Grenzregler 64
verstellt.
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Ein weiterer Durchflußweg für den Brennstoff, der parallel zu dem
Hauptdurchfiußweg mit der Hauptregelöffnung 28 gerichtet ist, verläuft über eine
Abzweigleitung 66, eine Kammer 68, einen Durchlaß 70 mit einer geeichten Drossel
72 und eine Leitung 74 mit einer geeichten Drossel 76. Die unter dem DruckP3
stehende Leitung 74 verbindet eine Kammer 78 des hydraulischen Reglers 60 mit einer
Kammer 80 der Druckregelvorrichtung 62. Der hydraulische Regler 60 enthält mehrere
Fliehgewichte 82 auf einer Welle 86, die über ein Getriebe von der Gastürbinenwelle
angetrieben werden. Mit Hilfe des hydraulischen Reglers 60 wird der Druckabfall
am Haupt-Brennstoffregelventil 30 in Abhängigkeit von der Gasturbinendrehzahl gesteuert.
Die Druckregelvorrichtung 62 arbeitet als Hauptdrehzahlregler und läßt sich von
Hand mittels des Drosselventilhebels 88 auf eine beliebige Drehzahl einstellen.
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Der Druckgeber 36 weist eine Kammer 90 auf, die dem Steuerdruck Pmr
ausgesetzt ist. In der Kammer 90 befindet sich ein ausdehnbarer evakuierter Faltenbalg
92, der gegenüber dem ihn umgebenden Druck mit Deckplatten 94 und 96 abgedichtet
ist. Die Deckplatte 94 ist in einer ausgewählten Stellung mit einer Einstellschraube
97 befestigt. Die Abdeckplatte 96 ist mit einem Ansatzstutzen 98 versehen, der beispielsweise
durch einen Stift 102 an den einen Arm eines zweiarmigen Hebels 100 angeschlossen
ist. Der Hebel 100
ist im Drehpunkt 104 gelagert und mit Aussparungen
106 und 108 für die Befestigung der hakenförmig umgebogenen Enden der Ausgleichsfeder
40 und der Ventilfeder 38 versehen. Das Servoventil 42 hat einen halbkugelförmigen
Ventilkörper, welcher mit dem rechten Arm des Hebels 100 über einen Ansatzstutzen
114 verbunden ist. Das Servoventil 42 regelt den wirksamen Querschnitt
einer Öffnung 116 eines in eine Leitung 120 eingesetzten Paßstückes
118. Die Öffnung 116 der Leitung 120 steht über einen Durchiaß
124
mit der unter dem Brennstoffdruck P2 stehenden Kammer 122 und über eine Drossel
126 mit der Leitung 22 in Verbindung. Die Kammer 122 wird von oben
durch einen nabenartigen, hin- und herverschieblichen Kolben 128 mit einer ringförmigen
membranartigen Dichtung 130 begrenzt. Der Kolben 128 ist über einen Schraubbolzen
132 fest mit dem Ventilkörper -des $aupt-Brennstoffregelventils 30 verbunden.
Ein An= Satzstück 134 des Kolbens 128 ist am Befestigungspunkt 136 mit dem unteren
Ende der Ventilfeder 38 verbunden. Die Ventilfeder 38 und auch die Ausgleichsfeder
40 sind Zugfedern. Die Ausgleichsfeder 40 läßt sich mittels einer
Einstellschraube 138 von Hand aus einregem.
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Die Druckgeberkammer 90 wird über eine Leitung 140 mit der geeichten
Drossel 142 mit dem Enddruck P@ des Kompressors und über eine Leitung
144 mit einer geeichten Drossel 146 mit dem Ansaugdruck Pi des Kompressors
beaufschlagt. Die Querschnitte der geeichten Drosseln 142 und 146
sind so ausgewählt, daß zwischen beiden ein zuvor festgelegtes Querschnittsverhältnis
besteht. Die Auswahl dieses Querschnittsverhältnisses ist von dem besonderen Verlauf
der Pumpgrenze des Kompressors abhängig. Bei einem richtigen gewählten Drosselquerschnittsverhältnis
ändert sich der Steuerdruck Pm zwischen den Drosseln 142 und 146 unmittelbar
oder entsprechend dem Produkt aus einer zuvor festgelegten Funktion des Kompressordruckverhältnisses
PC und einem Druck am Kompressor. Die gewünschte Funktion des Kompressorverhältnisses
für -ein bestimmtes Triebwerk wird durch das ausgewählte Verhältnis der Drosselquerschnitte
festgelegt. Die Drosselquerschnitte werden so ausgewählt, daß der Steuerdruck Pm
mindestens das Zweifache des Druckes in der Ansaugleitung des Kompressors beträgt.
Die Luftströmung durch die zweite Drossel 146 erreicht somit bei einem zuvor festgelegten
Kompressionsverhältnis Schallgeschwindigkeit, wodurch sich der Druck Par bei allen
Kompressionsverhältnissen oberhalb dieses zuvor festgelegten Kompressionsverhältnisses
entsprechend einem festen Prozentsatz des Verdichtungsdruckes P, einstellt.
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Wenn sich der Steuerdruck PM beispielsweise bei einer Beschleunigung
des Triebwerks erhöht, zieht der Faltenbalg 92 mit einer größeren, unmittelbar dem
Steuerdruck Pm proportionalen Kraft am linken Arm des Hebels 100, so daß sich dieser
um seinen Drehpunkt 104 verschwenkt und sich der wirksame Querschnitt der Öffnung
116 durch Verstellung des Servoventils 42 ändert. Hierdurch ändert sich das Querschnittsverhältnis
zwischen der Drossel 126 und der Öffnung 116, so daß der in der Kammer 122
herrschende Druck P2 absinkt und am Kolben 128 ein Druckabfall Pi-Pz auftritt, durch
den das Haupt-Brennstoffregelventil 30 so weit in öffnender Richtung bewegt wird,
bis über die Ventilfeder 38 und die Ausgleichsfeder 40 auf den rechten Arm
des Hebels 100 ein Kraftmoment um den Drehpunkt 104 ausgeübt wird, welches
dem vom Faltenbalg 92 auf den linken Arm des Hebels 100 hervorgerufenen Moment genau
gleich ist. Zu diesen Zeitpunkt ist durch die Einstellung des Servoventils
42 auch die Einstellung des Haupt-Brennstoffregelventils 30 und der Querschnitt
der Hauptregelöffnung 28 in einem dem Steuerdruck Pm entsprechenden Gleichgewichtszustand
festgelegt. Wenn sich bei einem beliebigen Gleichgewichtszustand der Regelanlage
das Kompressionsverhältnis beispielsweise durch eine Änderung der Kompressoreirilaßtemperatur
ändert, wird diese Verhältnisänderung vom Druck Paz entsprechend der durch das Qüerschnittsverhältnis
der Drosseln 142 und 146 zuvor festgelegten Funktion erfaßt und augenblicklich das
Gleichgewicht 'des Hebels 100 gestört, wodurch dann das Haupt=Brennstoffregelventil
30 in eine neue Stellung gehrabht wird; bei der sich wieder ein Gleichgewichtszustand
des Hebels 100 einstellt. Es ergibt sich somit,- daß durch die' jeweilige Stellung
des Haupt-Brennstoffregelventils 30 der Querschnitt 'der Hauptregelöffnung 28 so
festgelegt wird, daß sich dieser Querschnitt unmittelbar entsprechend einer Funktion
des Kompressionsverhältnisses ändert, so daß -bei einem vorgegebenen Druck des Brennstoffes
vor der Regelöffnung eine Brennstoffmenge' zu den Brennstoffdüsen geleitet wird;
die ebenfalls der zuvor festgelegten Funktion des Kompressionsverhältnisses proportional
ist.
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Der hydraulische Regler 60 arbeitet so, daß an der Regelöffnung
28 sich der Brennstoffdösierdruck entsprechend dem Quadrat der Triebwerksdrehzahl
ändert. Der Teil der Regleranlage mit dem hydraulischen Regler besteht aus einem
an seiner Grundfläche tellerförmig ausgebildeten Steuerkolben 148, der normalerweise
mit einer aufgebohrten Schubstange-156 gegen das abgerundete Ende einer Regulierschraube
150 angedrückt wird: Die Regulierschraube 150 ist fest mit dem einen Ende eines
Servöventilhebels 152 verbunden, der um einen Drehpunkt 154 verschwenkbar ist. Die
Fliehgewichte 82 sind in einer Kammer 157 an den äußeren Enden von im Drehpunkt
160 verschwenkbar gelagerten zweiarmigen Hebeln 158 so befestigt,
daß die anderen Hebelarme der Hebel 158 auf die mit einem Flansch 162 versehene
Schubstange 156 eine Kraft ausüben, die dem Quadrat der Triebwerksdrehzahl proportional
ist. Die die Fliehgewichte tragenden Hebel 158 sind auf einem Flansch
164 der Übertragungswelle 86 in Drehzapfen 160 gelagert. Die nadelförmige
Schubstange 156 wird durch eine Buchse 166 konzentrisch zum Kolben 148 ausgerichtet.
Die Buchse 166 ist mit Bohrungen 168 versehen, welche die unter dem
Druck P3 stehende Kammer 78 über die Leitung 70, die Drossel 72 und die Leitung
74 mit der unter dem Druck P1 stehenden Kammer 68 verbinden. Eine Zylinderkammer
169 steht über eine Öffnung 171 ebenfalls mit der Kammer 68 in Verbindung. Das zweite
Servoventil 54 ist mittels einer Regulierschraube 170 mit dem unteren Ende eines
Hebels 152 verbunden und hat die Aufgabe, den wirksamen Querschnitt einer Öffnung
172 zu steuern, welche in einem Paßstück 174 vorgesehen ist. Das Paßstück
174 ist in das eine Ende einer Leitung 176 eingeschraubt, welche an ihrem
anderen Ende zu einer Kammer 178 führt und dazu dient, den unter einem Druck P,'
stehenden Brennstoff von der Kammer 178 über die Öffnung 172, die Kammer 180 und
die Leitung 182 zu der unter dem Pumpeneinlaßdruck Po stehenden Leitung 50 zu führen,
sobald das Servoventil 54 geöffnet ist. Die Kammer 178 der das Nebenschlußventil52
enthaltenden Vorrichtung 48 weist eine schwach gespannte Feder
184
auf und ist über eine geeichte Drossel 188, eine Kammer 186 und
einen Kanal 185 mit der Abzweigleitung 46 verbunden. Die Kammern 178 und 186 sind
durch eine Membran 190 voneinander getrennt. Die Membran 190 ist mit dem
Nebenschlußventil 52 verbunden und steuert dessen Stellung gegenüber den
Nebenschlußöffnungen 192 und 194 entsprechend
einer
Funktion des Servoventils 54 gemäß dem Druckabfall PI--,PI'-Bei jeder beliebigen
Triebwerksdrehzahl üben die Fliehgewichte 82 über die Schubstange 156 einen Druck
auf den Kolben 148 aus, der dem Quadrat der Drehzahl proportional ist und
das Servoventil 54 auf den Sitz 172 drückt, wobei jedoch der Kraft, mit welcher
das. Ventil geschlossen wird, ein Druck PI-P$ zwischen der Drossel 72 und dem Kolben
148 entgegenwirkt, welcher durch die Nebenschlußventilwirkung auf den ,Druck P,,
hervorgerufen wird, so daß sich ein Druck am Kolben 148 einstellt, der bei einem
vorgegebenen Gleichgewichtszustand des Triebwerks der von den Fliehgewichten übertragenen
Kraft genau das Gleichgevwicht hält. Während eines Übergangszustandes beim Betrieb.
des Triebwerks, wie. beispielsweise bei der Beschleunigung, versucht die ansteigende,
von den' Fliehgewinhten 82 hervorgerufene Kraft den wirksamen Querschnitt der Öffnung.
172 zu verringern, so daß der Druck Pi' ansteigt, was eine Schließbewegung des Nebenschlußventils
52 und eine Erhöhung des Druckes P,, zur Folge hat. Dieser Vorgang tritt im wesentlichen
unmittelbar nach. einer Erhöhung der von den Fliehgewichten 82 hervorgerufenen Kraft
auf und bewirkt am Kolben 148 einen Druckabfall, der jederzeit der augenblicklichen
Triebwerksdrehzahl im wesentlichen proportional ist. Das Nebenschlußventil 52 versucht
also.`stets, eine Stellung einzunehmen; bei der die über die Ü'berströmleitung
50 zur Saugseite der Pumpe zurückgeleitete Brennstoffmenge, die einen Brennstoffdruckabfall
am Kolben 148 hervorruft, stets dem Quadrat der Triebwerksdrebzahl proportional
ist, da der hydraulische Drehzahlgeber über die Einstellung des Servoventils 54
mittelbar die Stellung des Nebenschlußventils 52' steuert. Die Feder 184 des Nebenschlußventüs
52 hat vorzugsweise eine geringe Federkonstante und dient hauptsächlich dazu,
den Druckabfall zwischen den Drücken PI und P,' festzulegen, der vorhanden sein
muß, bevor sich das Nebenschluß'ventil52 öffnen kann. Das gleiche Ergebnis kann
beispielsweise dadurch erzielt werden, daß man die Feder 184 förtläßt und das dargestellte
vorgespannte Nebenschlußventil 52 durch ein entsprechend konstruiertes, nicht vorgespanntes
Ventil ersetzt. Da der hydraulische Kreis mit der Kammer 68, dem Durchlaß 70, der
Drossel 72, der Leitung 74 und der Drossel 76 parallel zum. Hauptströmungskreis
über die Regelöffnung 28. verläuft, ist die Brennstoffdruckdifferenz P,-P4 ebenfalls
stets dem Quadrat der Triebwerksdrehzahl proportional, so daß die Menge durch die.
Regelöffnung 28 der Triebwerksdrehzahl unmittelbar proportional ist.
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Die. Druckregelvorrichtung 62 besteht aus einem hin- und hervexschiebbaren
Kolben 196,, welcher in einem Zylinder 198 gelagert ist und an dem abgerundeten
Ende einer Einstellschraube 200 anliegt, welche an einem im Drehpunkt 204 gelagerten
Schwenkhebel 20:Z befestigt ist. Der Hebel 202 ist an seinem anderen Arm mittels
einer Einstellschraube 206 mit dem dritten Servoventil 56 verbunden, mit welchem
der wirksame Querschnitt einer Öffnung 208 in einem zur Leitung 74 führenden
Paßstück 210 geregelt wird. Alle bisher genannten Teile, der Druckregelvorrichtung
sind im wesentlichen in der gleichen Weise ausgeführt wie die entsprechenden Bauteile
des hydraulischen Reglers 60. Zwischen zwei Federtellern 212 und
214
ist eine RegelfedeZ 216 eingespannt, die den Kolben 196 gegenüber
einem Reglerverstellstift 218 abstützt. Der Stehstift 218 wird mit dem von
Hand betätigten Drosselhebel 88 verstellt, um die Spannung der Reglerfeder
216 zwischen einem zuvor festgelegten unteren zu einem zuvor festgelegten
oberen Grenzwert zu verändern, wobei der Spannungsbereich der Feder dem zulässigen
Bereich dar Triebwerksdrehzahl von Null bis zu einer maximalen Drehzahl entspricht
und alle Triebwerksdrehzahlen innerhalb dieses Bereiches durch den handbetätigten
Steuerhebel eingestellt werden können. Eine Kammer 220 am unteren Ende des Kolbens
196 steht über eine Öffnung 222 mit der dem Druck P, ausgesetzten Kammer 68 in Verbindung.
Am Kolben 196 liegt somit die vorn, hydraulischen Regler 60 eingestellte Druckdifferenz
P, -P, an" die bei jeder beliebigen Einstellung der Reglerfeder 216 entgegenwirkt.
Bei jedem Gleichgdwichtsbetriebszu.-stand wird durch die. am Kolben 196 anliegende,
vom hydraulischen Regler 60 erzeugte Druckdifferenz auf den Kolben eine Kraft ausgeübt,
die der Kraft der Reglerfeder gleich und entgegengesetzt gerichtet ist, wodurch
das Servoventil 56 in einer La e gehalten wird, bei der der wirksame Querschnitt
der Öffnung 208 so groß gemacht wird, daß der Druck P3 über eine Kammer 224, eine
Leitung 226 und den hinter der Drossel 67 gelegenen Teil der Leitung. 74
auf den Druck P4 in der Brennstoffauslaßleitung 17 herabsinkt, da es erforderlich
ist, den Kolben 148 und das Servoventil 54 und damit das Nebenschlußventil52 so
einzustellen, daß an der Regelöffnung 28 der geregelte Druckabfall P, -P4 auftritt
und die Brennstoffdüsen die erforderliche Brennstoffmenge zur Aufrechterhaltung
der eingestellten Triebwerksdrehzahl erhalten.
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Wenn. zwecks Übergang von stetigerTriebwerksdrehzahl zu einer höheren
Drehzahl die Reglerfeder 216 von Hand verstellt wird, schließt das Servoventil56
die Öffnung 208, so daß der Druck P3 erhöht wird und damit. eine Schließbewegung
des Servoventils 54 und des Nebenschlußventils 52 eingeleitet wird, so daß sich
der Druckabfall PI-P4 erhöht und das Triebwerk beschleunigt. Wenn eine neue Drehzahleinstellung
durch Verstellung der Reglerfeder 216 durchgeführt ist, übersteigt der Druckabfall
am Kolben 196, der der augenblicklichen Drehzahl proportional ist, die Kraft der
Feder 216, und es wird das Servoventil 56 geöffnet, was dann auch
eine augenblickliche Öffnung des Servoventils 54 und des Nebenschlußventils 52 zur
Folge hat, so daß der Druckabfall P, -P4 sich schnell vermindert und das Triebwerk
in einem Gleichgewichtsbetriebszustand entsprechend der neugewählten Drehzahl gesteuert
wird.
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Der hydraulische Regler 60 steuert die Brennstoffmenge durch die Hauptregelöffnung
28 in direkter Abhängigkeit von der Triebwerksdrehzahl, wobei sich die Steuerung
des Nebenschlußventils 52 durch Einwirken der Druckregelvorrichtung 62 ändern läßt,
so daß das Triebwerk beschleunigt werden kann und sich entsprechend der vorgewählten
bzw. eingestellten Drehzahl unabhängig von Änderungen der Betriebsbedingungen des
Triebwerks steuern läßt. An Stelle des auf hydraulischen Druck ansprechenden Kolbens
196 können auch entsprechend der Drehzahl angetriebene Fliehgewichte. ähnlich den
Fliehgewichten 82 verwendet werden, um die gleiche Regelfunktion auszuführen.
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Der Kompressionsdruck Grenzregler 64 ist eine Vorrichtung,
mit der die lagemäßige Steuerung des Nebenschlußventils 52 durch den hydraulischen
Regler
60 und die Druckregelvorrichtung 62 dann korrigiert werden
kann, wenn der Auslaßdruck des Kompressors einen zuvor festgelegten maximalen Sicherheitswert
überschreitet. Daher beeinflußt der Kompressionsdruck-Grenzregler die Brennstoffmenge
zu den Brennern nur im Falle der Gefahr. Der Kompressionsdruck-Grenzregler ist zur
Steuerung des wirksamen Querschnittes einer Öffnung 228 mit mechanischen Mitteln
versehen, die den Servoventilsteuermitteln bei der zuvor beschriebenen Druckregelvorrichtung
62 in den meisten Punkten ähnlich sind. Der Kompressionsdruck-Grenzregler besteht
aus einem Kolben 230, der in einem Zylinder 232 längsverschieblich gelagert ist
und einen mit ihm verbundenen Betätigungshebel 234 für ein Servoventil 58 verschwenkt.
Eine Kammer 236 steht über eine Anschlußleitung 238 mit dem Kompressorauslaßdruck
und eine weitere Kammer 240 über eine Leitung 242 mit dem Atmosphärendruck
in Verbindung, wobei die genannten Kammern durch den Kolben 230 voneinander getrennt
sind. Zwei Federteller 244 und 246 zum Zusammendrücken einer Feder
248 stützen sich auf dem Kolben 230 bzw. an einem Ende einer Einstellschraube 250
ab. Mit Hilfe der Einstellschraube 250 kann der Druckfeder 248 eine beliebige Vorspannung
gegeben werden, durch die bei einer beliebigen vorgesehenen Flughöhe der maximal
erreichbare Kompressorauslaßdruck festgelegt werden kann. Bei normalem Betriebszustand
des Triebwerks verbleibt das Servoventil 58 in seinem Sitz auf der Öffnung
228. Wenn der erreichte Kompressorauslaßdruck die von der Feder 248 und dem
Atmosphärendruck herrührende, auf den Kolben 230 einwirkende Kraft übersteigt, öffnet
sich das Servoventil 58, wodurch dann der Druck P1' in der Kammer 178 über
eine Leitung 252, die Ventilöffnung 228, eine Kammer 254 und eine Leitung 256 auf
den in der Leitung 50 herrschenden Pumpeneinlaßdruck Po herabgesetzt wird. Hierdurch
öffnet sich augenblicklich unabhängig von der zur Zeit durch den hydraulischen Regler
60 und durch die Druckregelvorrichtung 62 festgelegten Ventilstellung das Nebenschlußventi152,
so daß sich die Brennstoffmenge zum Triebwerk plötzlich vermindert und der Kompressorauslaßdruck
augenblicklich auf einen sicheren Wert herabgeht, worauf sich dann das Servoventil
58 wieder schließt und das Nebenschlußventil 52 wieder durch die Regler 60
und 62 gesteuert Wird. -.Bei Betrieb des Triebwerks wird den Brennstoffdüsen die
Brennstoffmenge Wf über die Hauptregelöffnung 28 so zugemessen, daß sie sich entsprechend
einem Produkt aus, einer Funktion f des Kompressordruckverhältnisses dem KompressorauslaßdruckPe
und der Triebwerks#ehzahl
N_ändert. Wie zuvor erläutert, wird die unmittelbare Verhältnisgleichheit zwischen
der Brennstöffmenge und der. Triebwerksdrehzahl mit dem hydraulischen kegler.60
und der Nebenschlußsteuerung des Druckabfalls _P,-P, an der Regelöffnung 28 erreicht,
während die Druckregelvorrichtung 62 das Triebwerk entsprechend der vorgewählten
Drehzahl dadurch einregelt, daß sie den hydraulischen Regler 60 und das Nebenschlußventil
52 beeinflußt. Des weiteren wird, wie ebenfalls schon zuvor erläutert, durch den
profilierten Ventilkörper des Haupt-Biennstoffregelventils 30 der Querschnitt der
Hauptregelöffnung 28 entsprechend einem Produkt 'aus einer direkten Funktion des
Kompressordruckverhältnisses und dem Kompressorauslaßdruck gesteuert. Es ergibt
sich somit, daß sich die durch die Regelöffnung 28 hindurchströmende Brennstoffmenge
entsprechend der zuvor erwähnten Beziehung ändert. Als Formel läßt sich diese Beziehung
leicht wie folgt darstellen: Wf = f (Pm) - N. Aus der bekannten Beziehung
zwischen den Mengen durch in Reihe geschaltete Drosseln ergibt sich, daß
wobei die Funktion f durch das besondere Querschnittsverhältnis der Luftdrosseln
142 und 146 festgelegt ist. Es ist also
Damit wird
In Fig. 2 ist die Größe von
als Ordinate über dem Druckverhältnis
als Abszisse aufgetragen.
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Wenn der Faltenbalg 92 dem vollen Druck P, ausgesetzt wird, arbeitet
die Brennstoffregelanlage 20 so, daß eine Funktion entsprechend der in Fig.
2 dargestellten horizontalen Volldruck- oder P,-Kurve 260 (100°/o P,) entsteht.
Durch eine geeignete Auswahl des Querschnittsverhältnisses der Luftdrossel
142 und 146 wird, wie es zuvor beschrieben wurde, die Volldruck- oder
P,-Kennlinie 260 durch die durch die zuvor genannte Maßnahme hervorgerufene Abhängigkeit
vom Kompressorauszugdruck Pr so weit herabgedrückt, daß eine Beschleunigungskurve
264 entsteht, die sich nahe an die Pumpgrenze 262 anschmiegt. Bei einer Maschine
mit einer Pump grenze entsprechend der Kurve 262 der Fig. 2 wird das Querschnittsverhältnis
der Drosseln 142 und 146 so gewählt, daß der Luftstrom durch die zweite Drossel
146 bei einem Kompressionsverhältnis von 4,.5 die Schallgeschwindigkeit erreicht,
so daß bei. diesem Druckverhältnis die Beschleunigungskurve 264 einen flachen Verlauf
nimmt, der der Pumpgrenze 262 angepaßt ist. Nach Erreichen der kritischen oder Schallgeschwindigkeit
an, der Drosselanordnung hat. eine weitere Erhöhung des Kompressionsverhältnisses
-keinen Einfluß auf den Wert von
wie sich aus der Fig. 2 ergibt, da während des .kritischen Zustandes ein -konstantes
Verhältnis von Pm gegenüber; Pr erhalten bleibt. Die Spannung der Ausgleichsfeder
40 kann mit Hilfe der Einstellschraube 138 verändert werden, um eine Gesamtanhebung,:
der Beschleunigungskurve 264 zu erzielen, so daß diese der Pumpgrenze 262 .des Kom"
pressors so dicht wie irgend möglich anliegt. Das Querschnittsverhältnis der Drosseln
kann natürlich entsprechend .den Anforderungen .verändert werden, um den Zustand
des kritischen oder mit Schallgeschwindigkeit erfolgten Durchflusses bei größeren
oder kleineren als den in Fig. 2 angegebenen Kompressionsverhältnissen au erzielen,
so daß sich eine relativ einfache Steuervorrichtung ergibt, die sich leicht an Triebwerken
.mit einem von der in Fig. 2 dargestellten abweichenden Verlauf der Pumpgrenze anpassen
läßt.
In Fig. 3 ist ein Diagramm dargestellt, in das die Kurven
der Fig. 2 übertragen wurden, um typische Betriebskennlinien zu zeigen, die sich
bei einem Betrieb in Meereshöhe einstellen. Als Abszisse ist bei der Darstellung
der Fig.3 die Triebwerksdrehzahl in U/min und als Ordinate die Brennstoffmenge pro
Zeiteinheit aufgetragen. Die kritische Brennstoffkurve ist mit 272 bezeichnet, während
die Brennstoffbedarfskurven für die Beschleunigung mit 274, für den Stationärzustand
mit 276 und für die Verzögerung mit 278 bezeichnet sind. Wenn das Triebwerk auf
dem Punkt a der stationären Kennlinie 276 arbeitet, wird der Brennstoff von der
Brennstoffregelanlage 20 genau so eingestellt, daß das Triebwerk mit der vorgewählten
Drehzahl läuft. Wenn nun auf den Punkt d beschleunigt werden soll, wird der Steuerhebel
88 in eine Stellung gebracht, die dem Betriebszustand im Punkt d entspricht. Dabei
wird die Regelfeder 216 verstellt und das Triebwerk auf den Zustand im Punkt d eingeregelt.
Gleichzeitig damit schließt das Servoventil 56 die Öffnung 208 und erhöht
den Druck P3 in der Kammer 78, was ein teilweises Schließen des Servoventils 54
zur Folge hat, das dann einen höheren Druck P1' in der Steuerkammer 178 des Nebenschlußventils
52 einstellt, so daß das Nebenschlußventi152 in Schließrichtung bewegt wird und
den Druck P, und die Brennstoffmenge so erhöht, wie es durch den Kurvenabschnitt
a-b dargestellt ist. Bis zum Erreichen des Punktes b hat sich das Haupt-Brennstoffregelventil
30 nicht bewegt und den Querschnitt der Hauptregelöffnung 28 nicht verändert, da
das Kompressionsverhältnis im Punkt b im wesentlichen das gleiche ist wie im Punkt
a, so daß die Erhöhung der Brennstoffmenge der Regelöffnung 28 durch den
plötzlichen Anstieg der Druckdifferenz Pi-P4 infolge der Verstellung der Druckregelvorrichtung
62 bewirkt wird. Vom Punkt b zum Punkt c erhöht sich die Brennstoffmenge
entsprechend der Beschleunigungskurve 274, welche sich nahe an die Pumpgrenze 272
des Kompressors anpaßt, wie es auch im Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben wurde.
Während dieser Übergangszeit, in der sich die Triebwerksdrehzahl und die Brennstoffmenge
ändern, wird das Haupt-Brennstoffregelventil 30 in Öffnungsrichtung proportional
zu dem sich ändernden Steuerdruck Pm bewegt, wobei der hydraulische Regler
60 an dem größer werdenden Regelquerschnitt eine Druckdifferenz Pi-P4 erze,
welche dem Quadrat der Triebwerksdrehzahl proportional ist, wie es zuvor beschrieben
wurde. Nachdem bei der neuen Drehzahleinstellung der Punkt c auf der Beschleunigungskurve
264 erreicht ist, erreicht der Druck am Kolben 196 der Druckregelvorrichtung 62
einen Wert, der die Kraft der Reglerfeder 216 übersteigt, so daß das Servoventil
56 in Öffnungsrichtung bewegt wird und den Druck P3 in der Kammer 78 vermindert.
Hierdurch wird vom Nebenschlußventil 52 die Brennstoffmenge vermindert und das Triebwerk
auf den Punkt d auf der stationären Betriebskurve 276 eingeregelt. Ist der Punkt
d erreicht, befindet sich die Brennstoffsteuerung wieder im Gleichgewichts- oder
Ruhezustand, wobei das Haupt-Brennstoffregelventil 30 auf eine Stellung eingestellt
ist, in der die Ventilfeder 38
dem Faltenbalg das Gleichgewicht hält und das
Servoventil 42 auf eine Stellung einregelt, in der das Haupt-Brennstoffregelventil
30 in seiner Lage gehalten bleibt. Der zuvor beschriebene Beschleunigungsvorgang
läßt sich auch an Hand der Fig. 2 verfolgen, in der die Kurven 262,264 und
266 und die Punkte a', b', c' und d'
den Kurven 272,
274 und 276 und den Punkten a, b, c
und d der Fig.3 entsprechen. Die Druckregelvorrichtung
62, der hydraulische Regler 60 und der Druckgeber 36 arbeiten nunmehr so zusammen,
daß durch die Hauptregelöffnung 28 eine Brennstoffmenge fließt, mit der bei einer
vorgegebenen Einstellung der Druckregelvorrichtung 62 unabhängig von Änderungen
des Einlaßdruckes und bzw. oder der Einlaßtemperatur des Triebwerks ein gleichförmiger
Betriebszustand aufrechterhalten bleibt. Während der Verzögerung beispielsweise
vom Betriebszustand d zum Betriebszustand a tritt ein entgegengesetzter Regelvorgang
ein, bei dem bei einem Betrieb in Meereshöhe der Regelvorgang entlang der Kurve
d-e-f-a erfolgt. Die in Fig. 3 eingetragene Kurve 280 gibt die maximale Pumpenleistung
an.