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Drehzahlregler von Gasturbinentriebwerken veränderlicher Drehzahl,
insbesondere für Flugzeuge Es sind Drehzahlregler von Gasturbinentriebwerken veränderlicher
Drehzahl mit einem in der Brennstoffhauptleitung liegenden Drosselventil und einem
als Umgehungsventil ausgebildeten Stellglied bekannt. Die Erfindung bezieht sich
auf derartige, insbesondere für die Gasturbinentriebwerke von Flugzeugen verwendete
Drehzahlregler. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, die Regelungsstabilität zu verbessern.
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Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß zur
Rückführung des Stellgliedes zwei gegeneinander geschaltete, von der Druckdifferenz
am Drosselventil beaufschlagte Kolben verwendet werden. Dabei ist die Stellung des
Drosselventils abhängig vom Luftdruck und vom Brennstoffdruck. Als Führungsgröße
findet der Druck in der Brennkammer Verwendung.
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Erfindungsgemäß ist mit dem Drosselventilkörper zur Regelung seiner
Stellung innerhalb des Ventilsitzes in Abhängigkeit vom Umgebungsluftdruck ein Servokolben
verbunden und über eine Feder ein schwenkbarer, in seiner Stellung von der Differenz
zwischen dem Brennkammerdruck und dem Umgebungsluftdruck abhängiger Reglerarm gekuppelt.
An dem über dem Drehpunkt liegenden Ende eines Reglerarmes greifen die gegeneinander
geschalteten Kolben an. Mit dem unterhalb dieses Drehpunktes liegenden Ende wird
die öffnung einer Servodüse derart geregelt, daß mit größer werdender öffnung die
Brennstoffzufuhr zur Gasturbine verringert wird. Das untere Ende des Reglerarmes
ist an einem Zapfen befestigt, welcher auf der einen Seite einen Stößel des Fliehkraftreglers
und auf der anderen Seite einen Teil trägt, gegen den sich die einstellbare, der
Regelkraft des Fliehkraftreglers entgegenwirkende Feder abstützt.
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Zum Stand der Technik ist noch zu sagen, daß es nicht nur bekannt
ist, in der Brennstoffhauptleitung ein Drosselventil anzuordnen, sondern dies auch
mittels des Druckabfalls am Hauptventil zu steuern. Man hat ebenfalls schon als
Stellglied ein parallel zur Brennstoffpumpe geschaltetes Umgehungsventil verwendet.
Es ist jedoch neu, zur Rückführung des Stellgliedes zwei gegeneinander geschaltete,
von der Druckdifferenz am Drosselventil beaufschlagte Kolben zu benutzen. Dadurch
wird gegenüber den bisher bekannten Drehzahlreglern von Gasturbinentriebwerken eine
erhebliche Verbesserung der Regelungsstabilität erzielt. Diese Tatsache ist aus
der nachstehenden, an Hand der F i g. 1 und 2 durchgeführten Beschreibung zweier
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäß ausgebildeten Drehzahlreglers zu erkennen.
In F i g. 1 ist ein Längsschnitt durch eine Regelvorrichtung nach der Erfindung
veranschaulicht. Die Brennstoffpumpe und das Umgehungsventil sind nur schematisch
angedeutet.
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F i g. 2 zeigt in schematischer Darstellung eine andere Ausführungsform
des Drehzahlreglers.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 ist die Regelvorrichtung
in einem Gehäuse 1 untergebracht, das mit einer Öffnung 2 zur Einführung einer mit
dem Gasturbinentriebwerk gekuppelten Antriebswelle für einen Fliehkraftregler ausgerüstet
ist, dessen Fliehgewichte mit 6 und 7 bezeichnet sind. Die letzteren sind auf dem
in einem Kugellager 5 angeordneten, mit der vorgenannten Antriebswelle umlaufenden
Reglerteil 4 mittels Schwenkbolzen 8 und 9 gelagert. Die Fliehgewichte 6 und 7 weisen
aufeinander zu gerichtete Hebel 11 und 12 auf, die in axialer Richtung auf einen
drehbaren Teil 13 einwirken. Dieser Teil umfaßt Kugellager 14, die mittels
der an ihrem Innenumfang befestigten Büchse einen sich nicht drehenden Stößel 15
führen. Eine relativ starke Feder 16 drückt den Teil 13 gegen die Hebel 11 und 12,
so daß diese immer auf dem Teil 13 aufliegen.
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Die F i g. 1 läßt erkennen, daß der Regler mit einer durch die beiden
Membranen 18 und 19 gebildeten Kammer 17 ausgerüstet ist. Ein Zapfen
23 verbindet die Teile 21 und 22 miteinander, von denen der letztere im Zentrum
der Membran 18 und der erstere im Zentrum der Membran 19 befestigt ist. Auf der
(in der Zeichnung) rechten Seite der Kammer 17
drückt eine Reglerfeder
24 auf den Teil 22. Dieser Druck wird über den Zapfen 23 und das Teil 21 auf den
vorerwähnten Stößel 15 übertragen. Das rechte Ende der Reglerfeder 24 stützt
sich auf einem inneren Tauchkolben 25 ab, der in einem äußeren Tauchkolben 26 gleitend
gelagert ist. Der letztgenannte Tauchkolben ist mit einem Flansch 27 und der erstgenannte
Tauchkolben mit einem Flansch 28 ausgerüstet. Durch diese Flansche wird die axiale
Bewegung des äußeren Tauchkolbens 26 auf den inneren Tauchkolben 25 übertragen.
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Der Kolben 26 ist an seiner Außenseite mit einer Zahnstange 29 ausgerüstet,
in die ein Ritzel 31 eingreift, welches im Gehäuse 1 gelagert ist. Das Ritze131
ist mit Hilfe eines aus dem Gehäuse 1 herausragenden Hebels 30 drehbar. Dieser Hebel
30 wird vom Piloten des Flugzeugs verstellt und dient zur Sollwerteinstellung. Die
axiale Bewegung des Tauchkolbens 25 ist durch einen Anschlag 32 begrenzt, der außerhalb
des Gehäuses 1 mit Hilfe eines Regulierknopfes 33 eingestellt werden kann. Der Regulierknopf
33 ist von einer Hülse 34 geführt.
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Im Innern des Gehäuses 1 ist eine zweite Kammer 35 vorhanden, die
den Hauptreglerarm 36 enthält, der um den Bolzen 37 schwenkbar ist. Das untere Ende
des Reglerarmes 36 ist zwischen den bereits obenerwähnten Teilen 21 und 22 am Zapfen
23 befestigt. Der Reglerarm 36 trägt an seinem mittleren Teil an der linken Seite
ein Halbkugelventil 38. welches im geschlossenen Zustand auf einer Servoöffnung
39 aufliegt. Diese Öffnung ist das Ende einer Leitung 41, die in F i g. 1 durch
gestrichelte Linienzüge angedeutet ist und vom Servozylinder 42 ausgeht. In diesem
Zylinder ist ein Servokolben 43 angeordnet, von dem aus das Umgehungsventil 44 gesteuert
wird. Dieses Umgehungsventil regelt die Brennstoffmengen, die von der Förderleitung
45 der Brennstoffpumpe 46 über die Verbindungsleitung 47 wieder zur Ansaugleitung
48 gelangen.
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Die Servowirkung des Kolbens 43 wird auf bekannte Weise dadurch erzielt,
daß der unter Druck befindliche Brennstoff durch die Leitung 49 unter den Kolben
43 und durch die Drosselstelle 51 in den Raum oberhalb des Kolbens 43 durch die
Leitung 52 geführt wird. Die Größe der Öffnung des Halbkugelventils 38 bestimmt
die Brennstoffmenge, die aus der Leitung 41 zufließt und regelt den Druck oberhalb
des Servokolbens 43. Da die obere Stirnseite des Kolbens 43 eine größere Fläche
als seine untere Stirnseite hat, kann sich ein Kräftegleichgewicht einstellen, um
den Kolben 43 in irgendeiner Stellung zu halten, welche der gewünschten Brennstoffmenge
in der Rücklaufleitung 47 entspricht. Im Gehäuse 1 ist eine Drosselvorrichtung 53
angeordnet, die mit einem konischen Zapfen 54 ausgerüstet ist, welcher unter ; der
Wirkung eines Servokolbens 56 in axialer Richtung innerhalb der Öffnung 55 bewegt
werden kann.
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Der Brennstoff wird von der Pumpe 46 durch diL Rohrleitung 45 in den
Ringkanal 57 an der linker. Seite der vorerwähnten Öffnung 55 gepumpt. Fließt i
der Brennstoff durch die Öffnung 55, dann gelangt er in einen Raum 58, von wo aus
er dusch eine Rohrleitung 59' die Gasturbine erreicht. Kanäle 57a und
58a verbinden die Räume 57 und 58 mit den Druckkolben 59 und 61. Diese Druckkolben
sind in der üb- c lichen Weise mit Kautschukmembranen ausgerüstet, hinter denen
der Brennstoffdruck wirksam wird. Beide Druckkolben sind miteinander durch eine
Stange 62 verbunden, die einen Teil 63 trägt, der sich gegen das obere Ende des
Reglerarmes 36 abstützt.
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In der Kammer 35 ist außerdem ein schwenkbarer Hilfsreglerarm 64 angeordnet.
Eine Verlängerung 65 des obenerwähnten konischen Zapfens 54 der Drosselvorrichtung
53 ragt in die Kammer 35 hinein. Auf dieser Verlängerung 65 stützt sich eine Feder
66 ab, die durch eine Öffnung des Reglerarmes 36 hindurchragt und sich mit ihrer
anderen Stirnseite auf dem Reglerarm 64 abstützt.
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Eine bezüglich ihrer Federkraft einstellbare Feder 67 wirkt auf den
Reglerarm 64 in entgegengesetzter Richtung. Eine weitere Feder 68 ist zwisehen der
Verlängerung 65 des konischen Zapfens 54 und dem Reglerarm 36 angeordnet.
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Der Reglerarm 64 ist um den Zapfen 59 schwenkbar und trägt ein Halbkugelventil
71, das mit einer Servodüse 72 zusammenwirkt. Die letztere regelt die Bewegung
des Servokolbens 56 in der gleichen Weise wie die Servodüse 39 die Bewegung des
Servokolbens 43 regelt.
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In der Kammer 35 ist eine Druckdosenanordnung 73 untergebracht, die
aus den Druckmeßdosen 74 und 75 besteht. Die Meßdose 74 ist von dem Druck der Brennkammer
der Gasturbine beaufschlagt. Die Anschlußleitung an die Meßdose 74 ist lediglich
in F i g. 2 angedeutet. Die Meßdose 75 steht unter dem Einfluß des atmosphärischen
Druckes.
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Die beiden Meßdosen 74 und 75, von denen der Druck in der erstgenannten
als Führungsgröße und der Druck in der zweiten als Störgröße anzusehen ist, sind
in einem Rohr 76 an-eordnet, das in der Mitte senkrecht zu seiner Längsachse eine
Öffnung aufweist. In diese öfnung ragt die oberhalb des Schwenkzapfens 69 befindliche
Verlängerung 78 des Reglerarmes 64 hinein. Die Verlängerung 78 ist in Höhe der Längsachsen
der beiden Meßdosen 74 und 75 mit einer an beiden Stirnseiten abgerundeten Stange
77 ausgerüstet. Diese Stange ist mit Gleitsitz genau zwischen die einander zugekehrten
Stirnseiten dir beiden Meßdosen eingepaßt. Die gesamte Druckdosenanordnung 73 ist
verstellbar. Sie kann auf den Schwenkzapfen 69 zu- oder von diesem wegbewegt werden.
Die Einstellung erfolgt mittels einer Gewindestange 79, die mit einem aus dem Reglergehäuse
1 herausragenden Vierkantkopf 81 ausgerüstet ist.
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Wenn die Gasturbine zu einer zu hohen Drehzahl neigt, dann üben die
Fliehkraftgewichte 6 und 7 zusätzliche Zentrifugalkräfte aus, welche das untere
Ende des Reglerarmes 36 gegen die Reglerfeder 24 drücken. Dadurch wird das Öffnen
der Servodüse 39 verursacht, die auf dea, S.: rvokolben 43 einwirkt, so daß das
Umgehungsventil 44 weiter geöffnet wird. Auf diese Weise wird der Brennstofffluß
durch die Leitung 45 verringert, so daß ein geringerer Druckabfall an der Öffnung
55 entsteht. Dieser verringert Druckabfall hat zur Folge, daß die von den Druckkolben
59 und 61 auf den Reglerarm 36 ausgeübte Kraft geringer und das obere Ende des Reglerarmes
36 weniger weit verschwenkt wird. Die von dem Fliehkraftregler 6, 7 auf den Reglerarm
36 bei zu hoher Turbinendrehzahl ausgeübte Verstellkra't wird also durch die von
den Druckkolben 59 und 61 auf den oberhalb des Drehzapfens 37 gelegene Teil des
Reg-1_erarmes 36 ausgeübte Kraft teilweise wieder aufgehoben. Die auf den Reglerarm
36 ausgeübte resultierende Kraft ist also proportional der Differenz zwischen der
Ist-Drehzahl und der Soll-Drehzahl.
Selbstverständlich ändert sich
die Arbeitsweise des Reglers ganz beträchtlich mit der Höhe, weil der zur Einhaltung
einer eingestellten Maschinendrehzahl erforderliche Brennstoffzufiuß mit zunehmender
Höhe stark verringert wird. Um dieser Tatsache Rechnung zu tragen, ist Vorsorge
getroffen, daß die wirksame Öffnung 55 entsprechend der Höhe des Flugzeuges mit
Hilfe des konischen Zapfens 54 geregelt wird. Diese Regelung wird mittels des Reglerarmes
64 und des Servokolbens 56 vorgenommen. Mit zunehmender Höhe verringert sich die
von der Druckdosenanordnung 73 auf den Reglerarm 64 ausgeübte Kraft, so daß das
Ende 78 des Reglerarmes 64 im Sinne des Schließens des Ventils 71, 72 geschwenkt
wird. Das Schließen dieses Ventils hat eine Drucksteigerung hinter dem Kolben 56
des Drosselventils 54, 55 zur Folge, so daß die Durchflußöffnung des letztgenannten
Drosselventils weiter verkleinert wird.
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Die Bewegung des Ventilstößels 54 wird entgegen der Kraft der Druckfeder
67 auf das untere Ende des Reglerarmes 64 übertragen. Durch diese Maßnahme wird
erreicht, daß das Ventil 71, 72 wieder in seine etwas geöffnete Lage zurückkehrt.
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Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wirkt die von dem Regler
entwickelte Kraft unmittelbar auf den Reglerarm 36. Die Ansprechempfindlichkeit
des Reglers kann kleiner als beim Einsetzen einer Unstabilität sein. Um die Ansprechempfindlichkeit
beim Fehlen einer Unstabilität zu vergrößern, soll der von dem Regler erzeugte Regelimpuls
mittels eines Servomotors verstärkt und der verstärkte Impuls auf den Hauptreglerarm
36 gegeben werden.
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Eine solche Regelvorrichtung ist in F i g. 2 schematisch dargestellt.
überall dort, wo dies möglich ist, sind die gleichen Bezugszeichen wie in F i g.
1 verwendet worden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 regelt der Hauptreglerarm
36 eine Servodüse 39 und wird von den Druckkolben 59 und 61 um den Drehzapfen 37
geschwenkt. Die Zylinder dieser Druckkolben sind an die beiden Seiten einer Ventilöffnung
55 angeschlossen, deren wirksame Größe von einem konischen Zapfen 54 eingestellt
wird. Ein Servokolben 56 bestimmt die Lage des konischen Zapfens 54 und ein Reglerarm
64, der die Öffnung eines Hilfsventils 72 steuert, bestimmt die Lage des Servokolbens
56. Druckdosen 74 und 75 wirken auf das eine Ende und Federn 66 und 67 auf das andere
Ende des Reglerarmes 64, der um den Zapfen 69 schwenkbar ist. Soweit stimmt diese
Anordnung mit derjenigen nach F i g. 1 überein.
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Um einen verstärkten Reglerimpuls zu erhalten, ist ein Druckkolben
83 vorgesehen, der mit dem Hauptreglerarm 36 gekoppelt ist. Wie F i g. 2 zeigt,
wirken auf den letzteren keine Federkräfte mehr ein. Der von den Regler-Fliehgewichten
6 und 7 ausgeübte Druck wirkt auf den Reglerarm 84. Diesem Druck wirkt die Reglerfeder
24 entgegen, die mit Hilfe einer Nockenscheibe 85 und eines Handhebels 86 einstellbar
gespannt wird. Der Reglerarm 84 regelt die Öffnung einer Servodüse 87, die durch
die Rohrleitung 88 mit dem Druckkolben 83 verbunden ist. An der mit einer Drosselstelle
89 versehenen Rohrleitung 88 ist ebenfalls der Zylinder des Druckkolbens 59 über
eine Leitung 57a angeschlossen.
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Läuft die Turbine und ist der Regler in Betrieb, dann befindet sich
der Reglerarm 36 im Gleichgewicht. Der Unterschied der Kräfte, die von den Druckkolben
59 und 61 ausgeübt werden, wird durch die von dem Druckkolben 83 ausgeübte Kraft
ausgeglichen. Die letztere wird kleiner als die vom Druckkolben 59 ausgeübte Kraft
sein, weil Brennstoff durch die Drosselstelle 89 und aus der Servodüse 87 fließt.
Versucht die Maschine z. B. eine Überdrehzahl zu erreichen, dann wird die Servodüse
weiter geöffnet und es entsteht ein größerer Druckabfall an der Drosselstelle 89,
so daß der Reglerarm 36 aus dem Gleichgewicht kommt und die Servodüse 39 öffnet.
Die letztere verringert ihrerseits den Brennstofffluß zur Maschine und bewirkt entsprechende
Änderungen der von den Druckkolben 59 und 61 ausgeübten Kräfte. Außer der Zuordnung
eines einfachen Servomotor-Systems zur Verstärkung des Reglerimpulses besteht kein
wesentlicher Unterschied zwischen der Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels nach
F i g. 2 und desjenigen nach F i g. 1. Die Ausführungsform des Reglers nach F i
g. 2 spricht jedoch rascher an, ohne irgendwelche Anzeichen von Unstabilität aufzuweisen.
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Der in der Meßdose 74 herrschende Druck, der dem Druck in der Brennkammer
entspricht, ist deshalb als Führungsgröße gewählt worden, weil er sich mit der Flughöhe
bei einer bestimmten Turbinendrehzahl ändert. Er ändert sich außerdem mit der Turbinendrehzahl.
Auf diese Weise wird die Bewegung des Servokolbens für die Brennstoffdurchilußöffnung
gedämpft, so daß eine ausgezeichnete Regelungsstabilität und eine schnelle Einstellung
der gewünschten Turbinendrehzahl erreicht wird.
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Die beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung
betreffen mechanische Regler. Es sind aber auch andere Reglerarten im Rahmen der
Erfindung ausführbar, z. B. hydraulische Regler, bei denen eine von der Maschine
angetriebene Zentrifuge einen Druck erzeugt, der proportional dem Quadrat der Umdrehungsgeschwindigkeit
ist.