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Vorrichtung zum Steuern des Antriebsaggregates für einen Strahlhubschrauber
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Steuern des Antriebsaggregates
für einen Strahlhubschrauber mit einem durch Rückstoßdüsen angetriebenen Rotor,
bestehend aus einem Turboverdichter und einer diesen antreibenden Brennkraftmaschine,
insbesondere einem Gasturbinentriebwerk, wobei den Rückstoßdüsen ausschließlich
die Förderluft des Turboverdichters unmittelbar zugeleitet wird.
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Bei Antriebsaggregaten für Strahlhubschrauber mit einem durch Rückstoßdüsen
angetriebenen Rotor ist es erforderlich, daß an den Strahldüsen der Druckluftbedarf
weitgehend verzögerungsfrei verändert werden kann, um somit die Manövrierfähigkeit
des Hubschraubers zur Beherrschung von schwierigen Flugbedingungen zu begünstigen.
Bekannte Steuerungen arbeiten mit Veränderung der Antriebsdrehzahl des Turboverdichters
oder mit gleichzeitiger Veränderung der Antriebsdrehzahl und der Ein- oder Auslaßquerschnitte
am Turboverdichter. Die Massenträgheit des Antriebsaggregates ergibt dabei eine
bedeutende Verzögerung von der Einleitung des Regelkommandos bis zur Herstellung
der gewünschten veränderten Förderleistung.
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Ein bekanntes Antriebsaggregat für Strahlhubschrauber mit einem Turboverdichter,
der von einem Gasturbinentriebwerk angetrieben wird, enthält zur Leistungsänderung
am Eintritt des Turboverdichters eine Dralldrossel in Form verstellbarer Eintrittsleitschaufeln.
Hinter dem Turboverdichter verzweigt sich die Luftführung zum Gasturbinentriebwerk
und zu einer Schubdüse für zusätzlichen Vortriebschub. Die Druckluft für die Rückstoßdüsen
des Rotors wird bei dieser Bauart nach dem Verdichter des Gasturbinentriebwerkes
entnommen und deren Menge durch eine mit der Dralldrossel gekuppelte Drosselklappe
in der Leitung zum Rotor bestimmt. Die gasdynamische Koppelung des Turboverdichters
mit dem Gasturbinentriebwerk sowie die Entnahme von Arbeitsluft aus dem Gasturbinentriebwerk
stellen verwickelte Aufgaben für die Regelung eines solchen Antriebsaggregates.
Andere Brennkraftmaschinen an Stelle eines Gasturbinentriebwerkes können bei dieser
Bauart nicht verwendet werden.
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Bei einem Zweikreisstrahltriebwerk mit einer EintrittsdralldrosseI
am Verdichter des getrennten zweiten Kreises ist es bekannt, die Luft des zweiten
Kreises zusätzlichen Strahlöffnungen mit oder ohne eigene Brennkammern zuzuleiten,
wodurch über die Leistung des ersten Kreises hinaus zusätzlich eine wahlweise veränderliche
Schubleistung zur Verfügung steht. Für die alleinige steuerbare Leistungsabgabe
des zweiten Kreises ist auch diese Bauart nicht vorgesehen und geeignet.
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Die Erfindung ermöglicht eine praktisch verzögerungsfreie Steuerung
der Förderleistung eines Antriebsaggregates für Strahlhubschrauber und gleichzeitig
eine einfache Regelung der beliebig ausgebildeten Brennkraftmaschine durch die gemeinsame
Anwendung der an sich bekannten Merkmale, daß a) zur Veränderung der Turboverdichter-Förderluftmenge
am Eintritt des Turboverdichters eine Dralldrossel in Form eines Leitschaufelkranzes
und b) zur Konstanthaltung der Drehzahl des Antriebsaggregates auf einem Sollwert
(z. B. der Nenndrehzahl nN) während der- Veränderung der Förderluftmenge ein Drehzahlregler
vorgesehen ist.
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Durch diese Ausbildung wird die Brennkraftmaschine und damit auch
der Läufer des Turboverdichters während des Betriebes auf den Bereich der Vollastdrehzahl
eingeregelt, so daß bei veränderlicher Druckluftentnahme durch selbsttätige Leistungsänderung
der Brennkraftmaschine der geforderten Betriebsveränderung Rechnung getragen wird,
die von der am Eintritt des Turboverdichters angeordneten Dralldrossel eingeleitet
wird. Eine Anpassungsträgheit des Antriebsaggregates wird also mit Ausnahme des
Regesbereiches der Brennkraftmaschine ausgeschaltet.
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In weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens sind für die Bedienung
der Stellglieder der Dralldrossel und für die Festlegung des Sollwertes am Drehzahlregler
der Brennkraftmaschine getrennte Stellhebel vorgesehen. Während des Betriebes ist
dabei der Stellhebel für die Brennkraftmaschinendrehzahl stets auf der Nenndrehzahl-Stellung
festgelegt.
Die Steuerung der Förderleistung erfolgt ausschließlich
durch den einzigen Stellhebel für die Einstellung der Dralldrossel.
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Für die Bedienung der Stellglieder der Dralldrossel und für die Festlegung
des Sollwertes am Drehzahlregler der Brennkraftmaschine ist ein gemeinsamer Stellhebel
vorgesehen, der während des Anlaufvorganges der Brennkraftmaschine in einem ersten
Verstellbereich nur die Drehzahl der Brennkraftmaschine festgelegt und nach Erreichen
der Stellung für die Nenndrehzahl der Brennkraftmaschine in einem zweiten Verstellbereich
ausschließlich die Dralldrossel am Eintritt des Turboverdichters zunehmend von geringster
öffnung bis zur vollen Öffnung verstellt. Auf diese Weise wird die Zahl der Bedienungselemente
herabgesetzt und eine vereinfachte Betätigung des Antriebsaggregates ermöglicht.
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Bei Anwendung eines einfachen, sogenannten starren Drehzahlreglers
für die Brennkraftmaschine besteht die Gefahr, daß die Drehzahl des Antriebsaggregates
mit zunehmender Druckluftentnahme und damit zunehmender Leistungsabnahme im Ausmaß
des Reglerungleichförmigkeitsgrades etwas absinkt. Zur Vermeidung dieses Nachteiles
wird von der Erfindung weiter vorgeschlagen, für die Bedienung der Stellglieder
der Dralldrossel und für die Festlegung der Nenndrehzahl am Drehzahlregler der Brennkraftmaschine
einen gemeinsamen Stellhebel vorzusehen und daß die beiden Stellgliedergruppen über
ein an sich bekanntes Wegwandlergetriebe derart miteinander gekuppelt sind, daß
im Bereich der Nenndrehzahl der Brennkraftmaschine einer großen Verstellung der
Dralldrossel im wesentlichen keine oder nur eine sehr geringe Sollwertänderung zugeordnet
ist, während im mittleren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine diese Zuordnung
auf eine zunehmende Sollwertänderung abgestellt ist und im Bereich der Leerlaufdrehzahl
und im unteren Drehzahlbereich eine große Sollwertänderung der Brennkraftmaschine
im wesentlichen keiner oder nur einer sehr geringen Verstellung der Dralldrossel
entspricht. Diese Ausbildung hat im Bereich der geringeren Förderleistungsentnahme
einen Rückgang der Drehzahl bis etwa zur Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine
zur Folge. Im Bereich mittlerer und höherer Leistung sind der Leistungsänderung
jedoch nur äußerst geringe Drehzahlveränderungen zugeordnet, so daß der grundsätzlichen
Aufgabenstellung des erfindungsgemäßen Vorschlages auf geringe Trägheit bei Veränderung
der Leistungsentnahme praktisch voll entsprochen wird.
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Zur Vermeidung von überlastungen der Brennkraftmaschine ist es bekannt,
die Leistung derselben durch den Einfluß von Grenzwerten zu beschränken. Werden
diese Einflüsse in bekannter Weise über den Drehzahlregler der Brennkraftmaschine
ausgeübt, so wird die Leistung bei den vorbeschriebenen Ausbildungen durch Herabsetzung
der Drehzahl der Brennkraftmaschine beschränkt. Dies führt jedoch nicht zu dem gewünschten
Ergebnis einer Verminderung der den Grenzwert bestimmenden Einflußgröße, weil die
Dralldrossel durch diese Einrichtung nicht beeinflußt wird und die Leistungsaufnahme
des Turboverdichters bei der gegebenen Drehzahl unverändert bleibt. Nach der Erfindung
wird dieser Mangel dadurch beseitigt, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die bei
Erreichen eines Grenzwertes der Brennkraftmaschine, z. B. deren höchstzulässiger
Abgastemperatur, auf die Stellglieder der Dralldrossel im Schließsinn einwirkt.
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Zur Ausführung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen,
daß ein Druckglied, das zum Verstellen der Dralldrossel mit dieser in Verbindung
steht und einerseits von einem drehzahlabhängig unter Druck stehenden Medium (Gasturbinenbrennluft)
beaufschlagt wird, in seiner Wirkung durch ein willkürlich betätigbares Steuerglied
dosierbar ist und daß dieses Druckglied andererseits von einem nachgiebigen Schleppantrieb
verstellt wird, der gemeinsam mit dem Steuerglied betätigbar ist.
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Der Einfluß eines Grenzwertes der Brennkraftmaschine auf die vorgeschlagene
Vorrichtung soll durch ein Ventil ausgeübt werden, das das drehzahlabhängig unter
Druck stehende Medium von der Einwirkung auf das Druckglied ableitet, indem es beim
Erreichen des Grenzwertes der Brennkraftmaschine, insbesondere der höchstzulässigen
Arbeitstemperatur, eine Abströmöffnung freigibt.
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In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand mehrerer Ausführungsbeispiele
dargestellt. Es zeigt F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Strahlhubschraubers
mit einem Druckluftlieferaggregat als Antriebsaggregat, F i g. 2 ein Antriebsaggregat
gemäß F i g. 1 mit zugehörigen Bedienungsgliedern, F i g. 3 eine Vorrichtung zur
Einleitung eines Grenzwertsignals in die Stellglieder der Verdichterdrossel, F i
g. 4 eine Gestängeausbildung zur Einhebelbedienung der Brennkraftmaschine und der
Verdichterdrossel, F i g. 5 eine weitere Gestängeausbildung zur Einhebelbedienung
der Brennkraftmaschine und der Verdichterdrossel, F i g. 6 ein Schaubild, in welchem
die Änderung des Drehzahlsollwertes des Antriebsaggregates und die Änderung des
öffnungswinkels der Verdichterdrossel in ihrem Verhältnis zueinander dargestellt
sind, F i g. 7 eine Vorrichtung zur Steuerung und Regelung der Förderleistung eines
Antriebsaggregates. Ein Strahlhubschrauber 1 trägt einen Rotor 2, an dessen Blattspitzen
Rückstoßdüsen 3 angeordnet sind. Das Antriebsaggregat des Strahlhubschraubers 1
besteht aus einem Gasturbinentriebwerk 4 mit Verdichter 5 und Brennkammer 6 sowie
einem gleichachsig angeordneten und starr gekuppelten Turboverdichter 7, welcher
als Radialverdichter ausgeführt ist. Der axial gerichtete Einlauf 8 des Turboverdichters
7 enthält eine Dralldrossel9. Die Dralldrossel9 besteht aus einem Schaufelgitterkranz,
dessen Einzelschaufeln über Verstellhebe110 und einen Verstellring 11 gemeinsam
in ihrem öffnungswinkel a einstellbar sind. Zu diesem Zweck greift an einem verlängerten
Verstellhebel 10' ein Gestänge 12 an, welches vom Piloten des Strahlhubschraubers
1 durch einen Stellhebel 12' für die Förderleistung betätigt werden kann. Die vom
Turboverdichter 7 geförderte Druckluft wird von einem Spiralgehäuse 13 in die Druckluftleitung
14 zum Rotor 2 geleitet. Zwischen Gasturbinentriebwerk 4 und Turboverdichter 7 ist
ein Getriebekasten 15 vorgesehen, in welchem die Antriebsverbindungen für verschiedene
Hilfsaggregate, wie Anlaßeinrichtungen, Brennstoff- und Schmierölpumpen sowie für
den Drehzahlregler 16 vorgesehen sind. Durch einen Hebel 17 am Drehzahlregler 16
kann
die Drehzahl des Gasturbinentriebwerkes 4 und damit des gesamten Antriebsaggregates
eingestellt werden. Vorgesehen sind die Einstellungen 0 (Stillstand), Leerlaufdrehzahl
nL und Nenndrehzahl-nN. Der Hebel 17 am Drehzahlregler 16 kann über ein Verstellgestänge
18 vom Piloten durch einen Drehzahl-Stellhebel 19 betätigt werden.
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Für die Bedienung des Strahlhubschraubers 1 wird zunächst der Stellhebel
19 vom Piloten auf Leerlaufdrehzahl nL gebracht, während der Stellhebel 12' für
die Förderleistung des Turboverdichters 7 in 0-Lage, d. h. in der Stellung für die
geringste öffnung der Dralldrossel 9 eingestellt bleibt. Das Antriebsaggregat kann
dabei unter geringstem Kraftaufwand angeworfen werden und wird nach Einsetzen der
Zündung rasch auf die Leerlaufdrehzahl nL des Gasturbinentriebwerkes 4 hochdrehen.
Sobald die Leerlaufdrehzahl nL erreicht ist, wird der Drehzahl-Stellhebel 19 in
die Stellung für die Nenndrehzahl nN gebracht. Der Drehzahlregler 16 regelt sodann
selbsttätig das Gasturbinentriebwerk auf dessen Nenndrehzahl nN ein. Die Dralldrossel
9 verbleibt bis zum Erreichen der Nenndrehzahl nN in Schließstellung. Dann kann
der Pilot mittels des Stellhebels 12' zur Einstellung der gewünschten Antriebsleistung
die Dralldrossel 9 für die hierfür notwendige Förderleistung des Turboverdichters
7 verstellen. Die Drehzahl des gesamten Antriebsaggregates wird vom Drehzahlregler
16 unabhängig von der abgenommenen Antriebsleistung für den Turboverdichter 7 stets
gleichbleibend eingeregelt. Dadurch ist für den Antrieb des Rotors 2 mittels der
Strahldüsen 3 auch stets die vom Piloten gewünschte Antriebsleistung ohne zeitliche
Verzögerung verfügbar. Um eine Überlastung des Gasturbinentriebwerkes 4, insbesondere
eine Überhitzung desselben zu verhindern, - ist gemäß F i g. 3 in das Verstellgestänge
12 zwischen der Dralldrossel 9 und dem Stellhebel 12' ein Zwischengetriebe 20 eingeschaltet,
über welches eine Temperatureinflußgröße (z. B. die Abgastemperatur t4) des Gasturbinentriebwerkes
4 auf die Verstellung der Dralldrossel 9 einwirkt, und zwar derart, daß die
Dralldrossel 9 bei festliegender Einstellung des Stellhebels 12' eine geringere
Öffnung erhält.
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Nach F i g. 4 ist ein einziger Stellhebel 112' vorgesehen, der auf
beide Verstellgestänge 112 und 118 zum Drehzahlregler 16 bzw. zur Dralldrossel 9
einwirkt. Das Verstellgestänge 112 zur Dralldrossel 9 weist eine Gleitführung 121
auf, die bis zum Erreichen der Stellhebelstellung für die Nenndrehzahl nN eine Leerbewegung
des Verstellgestänges 112 und damit ein Verbleiben der Dralldrossel 9 in Schließstellung
zur Folge hat. Im Verstellgestänge 118 zum Drehzahlregler 16 ist eine Gleitführung
122 mit einer Feder 122' eingeschaltet, welche zunächst die Verstellung des
Hebels 17 am Drehzahlregler 16 ergibt und nach Erreichen der Stellung des letzteren
für die Nenndrehzahl nN nachgibt, so daß von dieser Stellung an allein die Dralldrossel
9 vom Stellhebel 112' betätigt wird. In F i g. 6 ist die langgestrichelt
gezeichnete Kennlinie 23 für den Verlauf des Einstellwinkels a der Dralldrossel
9 und der Drehzahl n des Gasturbinentriebwerkes 4 bei Ausbildung der Verstellgestänge
12 und 18 bzw.112 und 118 nach den F i g. 2 und 4 dargestellt. Daraus ist
ersichtlich, daß die Drehzahl des Antriebsaggregates von 0 über die Leerlaufdrehzahl
nL bis zur Nenndrehzahl nN bei größtem Schließwinkel aL der Dralldrossel 9 verläuft
und daß nach Erreichen der Nenndrehzahl nN die Dralldrossel nach Bedarf bis zur
vollen Öffnung (a = 0) ohne Veränderung der eingestellten Nenndrehzahl nN vom Piloten
verstellt werden kann.
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Bei Anwendung eines einfachen, sogenannten starren Drehzahlreglers
kann bei steigender Leistungsabnahme die Drehzahl n des Gasturbinentriebwerkes 4
nach der strichpunktierten Linie 23' in F i g. 6 leicht abfallen. Um dies zu vermeiden,
sind nach F i g. 5 die beiden Verstellgestänge 212, 218 durch ein Wegwandlergetriebe
gekuppelt und durch einen einzigen Stellhebel 212' bedienbar. Das Wegwandlergetriebe
besteht in schematisch vereinfachter Darstellung beispielsweise aus je einer Kurvenbahn
224,
225 und je einer Gleitführung 226, 227. Die Kurvenbahnen
224, 225 sind zusammen mit dem Stellhebel 212' auf einer Stellwelle 228 befestigt.
Die Gleitführungen 226, 227 dagegen sind ortsfest gelagert. Die Kurvenbahnen
224, 225 weisen einen Verlauf auf, der beim Betätigen des Stellhebels
212' durch den Piloten eine Einstellung der Drehzahl n des Gasturbinentriebwerkes
4 und einen Winkel a der Dralldrossel 9 gemäß dem Verlauf der kurzgestrichelten
Linie 29 bewirkt. Danach bleibt die Drossel 9 bis zum Erreichen der Leerlaufdrehzahl
nL in der Schließstellung aL. Über die Leerlaufdrehzahl nL hinaus- öffnet sich die
Dralldrossel progressiv zunehmend und erreicht knapp vor der Nenndrehzahl nN etwa
den halben Öffnungswert. Innerhalb eines geringen Drezahlbereiches unter der Nenndrehzahl
nN verändert sich der Winkel a der Dralldrossel 9 bis zur vollen Öffnung mit a =
0 bei der Nenndrehzahl nN. Auch auf diese Weise wird eine Trägheit des Antriebsaggregates
ausgeschaltet.
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Eine teilweise pneumatisch wirkende Vorrichtung zur Steuerung der
Dralldrossel 9 nach dem Erreichen der Nenndrehzahl nN des Gasturbinentriebwerkes
4 zeigt die F i g. 7. Diese besteht aus einem Hohlkolben 300, der in einer
Hülse 301 mittels einer Kolbenstange 302 verschiebbar ist. Die Kolbenstange
302 trägt eine Verzahnung 302', die mit einem Zahnsegment
303 kämmt. Dieses Zahnsegment 303 ist mit dem Stellhebel 312' verbunden.
Der Hohlkolben 300 weist eine seitliche Bohrung 304 auf, die im Teil b des
Verstellweges a, b des Stellhebels 312' mit einer Bohrung 305 der
Hülse 301 fluchtet. Die Bohrung 305 steht über eine Leitung 306 mit
der drehzahlabhängig unter Druck p2+ bestehenden Gasturbinenbrennluft in Verbindung.
Die Leitung 306 enthält ein Drosselventil 307, durch das ein zu plötzliches Verstellen
der Schaufeln 309 der Dralldrossel 9 vermieden wird. Nur bei der Nenndrehzahl des
Gasturbinentriebwerkes 4 entsprechend hohem Druck p2+ wird ein weiterer Kolben 308,
der im Hohlkolben 300 gleitend gelagert ist, mit Unterstützung einer Feder 310 gegen
eine Rückstellfeder 311 verschoben. Die Rückstellfeder 311 stützt sich über ein
Zwischenglied 311' an der Hülse 301 ab. Der Kolben 308 steht über ein Gestänge
312 mit den Schaufeln 309 der Dralldrossel 9 in Verbindung. Der Hohlkolben 300 trägt
ferner seitlich eine Schlitzöffnung 313, die einer Öffnung 314 in der Hülse 301
im Verstellbereich b des Stellhebels 312' gegenübersteht. Die Öffnung
314 führt zu einem Ventil 315, das bei normaler Funktion des Antriebsaggregates
durch die Wirkung einer Druckfeder 316 über ein Gestänge
317
geschlossen gehalten ist. Am Gestänge 317 greift zusätzlich ein Federbalg 318 an,
der mit einem Quecksilberdampfthermometer 319 über eine Leitung 320 in Verbindung
steht. Wird im Quecksilberdampfthermometer 319, das beispielsweise der Abgastemperatur
des Gasturbinentriebwerkes 4 ausgesetzt ist, eine höchstzulässige Temperatur überschritten,
so steigt dessen Dampfdruck im Federbalg 318 auf eine Größe, die eine die Druckfeder
316 überwindende Kraft und somit ein Öffnen des Ventils 315 bewirkt. Der Druck im
Kolbenraum 300' wird dadurch vermindert und durch die Rückstellfeder 311 die Dralldrossel
9 über das Gestänge 312 um einen Winkel o# in Schließrichtung verstellt, bis sich
ein neuer Gleichgewichtszustand zwischen der vom Turboverdichter 7 aufgenommenen
Leistung und der Abgastemperatur des Gasturbinentriebwerkes 4 einstellt.
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Die Vorrichtung nach F i g. 7 kann mit ähnlichem Aufbau auch unter
Verwendung von Membranen an Stelle der Kolben 300 und 308 ausgeführt werden. Auch
Systeme mit Folgekolben sowie Einrichtungen zur Berücksichtigung des veränderlichen
atmosphärischen Druckes sind durch zusätzliche Steuerung des Bezugsdruckes im Druckverstärkerraum
(Kolbenraum 300') in Abhängigkeit vom atmosphärischen Druck ausführbar.