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Brennstoffregelanlage für Gasturbinentriebwerke mit einem P-Regler
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffregelanlage für Gasturbinentriebwerke mit
einem P-Regler, bei dem die Brennstoffmenge die Stellgröße, der Verdichtungsenddruck
die, Störgröße und die Turbinendrehzahl die Regelgröße ist.
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Es sind bereits Gasturbinen bekannt, bei denen der Brennstoff mittels
eines Drosselventils in Ab-
hängigkeit von der Drelizahl der Turbine geregelt
wird. Der Verdichtungsdruck hat dabei keine Wirkung auf dieses Ventil, sondern betätigt
getrennt ein Überströmventil, durch das ein Teil des von der Pumpe geförderten Brennstoffs
abfließen kann.
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Es sind auch Brennstoffregelanlagen bekannt, bei denen der Brennstoff
in Abhängigkeit von der Verdichtereintrittstemperatur, dem Verdichtungsenddruck
und der Turbinendrehzahl geregelt wird. Bei einer solchen bekannten Anlage wird
das Brennstoffregelventil in Abhängigkeit vom Verd-Ichtungsdruckanstieg eingestellt,
während die Turbinendrehzahl auf ein Umgehungsventil einwirkt, durch das ein Teil
des von der Pumpe-geförderten Brennstoffs abfließen kann. Bei einer anderen solchen
bekannten Anlage werden die Turbinendrehzahl und die Verdichtereintrittstemperatur
zur Regelung der Brennstoffmenge verwendet. Hierbei wird jedoch nur eine dieser
veränderlichen Größen als Regelimpuls verwendet, d. h., diese beiden veränderlichen
Größen werden nicht in Kombination verwendet.
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Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, das Brennstoffregelventil
in gemeinsamer Abhängigkeit von der Turbinendrehzahl und der Verdichtereiritritts-
oder Turbinenaustrittstemperatur mittels einer besonderen Vorrichtung zu regeln
und dazu eine Einrichtung vorzusehen, um die Brennstoffmenge auch in Abhängigkeit
vom Verdichtungsenddruck zu regeln.
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Außerdem ist ein Brennstoffzumeßventil vorgeschlagen worden, dessen
verschiedene Teile in Ab-
hängigkeit von der Turbinendrehzahl, dem Verdichtungsenddruck
bzw. der Verdichtereintrittstemperatur betätigt werden können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, an einer Brennstoffregelanlage
der eingangs erwähnten Art die zugeführte Brennstoffmenge vor allem während des
Beschleunigungsvorgangs auf einen Maximalwert zu begrenzen, so daß eine überschreitung
der zulässigen Drehzahl, gegebenenfalls auch der zulässigen Turbineneintrittstemperatur,
verhindert wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einer solchen
Brennstoffregelanlage zusätzlich ein Zweipunktregler angeordnet wird, der die Turbinendrehzahl
als Regelgröße und die Verdichtereintrittstemperatur als Führungsgröße benutzt und
der die durch den P-Regler eingestellte Brennstoffmenge auf einen Maximalwert begrenzt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstands sprechen
die drehzahlabhängigen Stellglieder des P-Reglers auch auf die Verdichtereintrittsteniperatur
an.
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Die Leistuno, eines Turbinenstrahltriebwerks wird bekanntlich unter
anderem durch den Verdichtungsenddruck und durch die Turbineneintrittstemperatur
begrenzt. Beim Gegenstand der Erfindung ist die Ab-
hängigkeit von der Turbinentemperatur
durch Ab-
stimmung der Grenzmenole des zuzuführenden Brennstoffs auf die Turbinendrehzahl
ä und auf die Verdichtereintrittstemperatur hergestellt. Die beiden zuletzt genannten
Größen werden erfindungsgemäß als zusätzliche Regelgrößen in die Regelanlage eingeführt,
um die Leistungsgrenzen festzulegen. Die Signale für die Begrenzung der Turbinendrehzahl
und -teinperatur korrigieien das normale Signal füi die Turbinendrehzahl und werden
dann ihrerseits mit dem Verdichtungsenddruck kombiniert. Im Endeffekt ergibt die
Regelanlage nach der Erfindung auf einfache und keineswegs aufwendige Weise eine
stabile Brennstoffregelung bei sehr guten Bedingungen für die Beschleunigung, wobei
während des Beschleunigungsvorgangs die exakten Grenzwerte für die Leistung des
Triebwerks geschaffen werden.
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Die Brennstoffregelanlage nach der Erfindung bietet ferner noch folgende
Vorteile: Bei Beschädigung des Verdichters fällt der Verdichtungsenddruck ab und
drosselt die Brennstoffzufuhr,
so daß eine überhitzung des Triebwerks
verhindert wird.
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Eine Temperatarbegrenzung ergibt sich auch dann selbsttätig, wenn
aus dem Verdichter Luft entweichen sollte, weil dann der Wert der Störgröße vermindert
wird.
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Ein weiterer Vorteil des Erfindunpgegen#tandes ist darin zu sehen,
daß die, Auswirkung voÜ Ve-rän'derungen der Drehzahl und der Temperatur stark herabgesetzt
werden, so daß genaue Messungen dieser Größen nicht erforderlich sind und damit
die Gestaltung des im Regler erforderlichen dreidimensionalen Steuemockens außerordentlich
vereinfacht wird.
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Die neue Regelanlage kann sowohl bei Gasturbinentriebwerke#n für Propellerantrieb
als auch bei Turbinenstrahltriebwerken, und zwar auch solchen mit veränderlicher
Schubdüse, angewendet werden und zeichnet sich durch relativ einfachen Aufbau und
große, Stabilität aus. -
Im folgenden soll die Brennstoffregelanlage nach
der Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
im einzelnen beschrieben werden. In den Zeichnungen ist F i g. 1 eine schematische
Darstellung eines Gasturbinentriebwerks mit einer Brennstoffregelanlage nach der
Erfindung, F i g. 2 eine i»s -einzelne gehende Da ' rstellung der
erfindungsgemäßen Brennstoffregelanlagge Ünd F i g. 3 eine Zusammenstellung-
der- e#rÜndungsgemäßen Brennstoffregelanlage für ein Propellerturbinentriebwerk.
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Das in F i g. 1 dargestellte GasturbineAtriebwerk 10 ist mit
einem Lufteinlaß 12, einem Verdichter 14, einer Brennkammer 16, einer Turbine
18 und einer Schubdüse 20 versehen. Bei der dargestellten Ausfühzungsform
handelt es sich um ein Propellerturbinentriebwerk mit einem 13ropeller 22. Der Anstell--#linkel
der Propellerblätter ist durch einen Dre'lizahlregler steuerbar, der s8!nerseits
durch einen vom Piloten betätigbaren Hebel einstellbar ist. Die Anstellwinkel
sind nach unten durch Anschläge bQ-grenzt.
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Einer schematisch dargestellten Brennstoffregelanlage 26 wird
neben der Brennstoffmenge, dem Verdichtungsenddruck und der Turbinendrehzahl auch
die Verdichtereintrittstemperatur zugeführt Eine Brennstoffauslaßleitung führt in
die Brennkammer 16. Ein durch den Piloten betätigbarer Steuerhebel
30 dient der Einstellung der Brennstoffregelanlage 26 von Hand.
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F i g. 2 zeigt die Brennstoffregelanlage 26 im einzelnen. Der
von der Pumpe 50 geförderte Brennstoff wird mittels einer iiz",chgeschalteten
Druckpumpe 52
über ein Filter 60, das mittels einer Feder
62 in Betriebsstellung gehalten ist, . in die Brennstoffregelarilage
ringeführt. über ein durch den Vcrdichtungs7 enddruck beaufschlagbares Ven
, ß1 70 wird der Brennstoff über die Leitungen 66 und 74 den Düsen
der Bremikammer 16 (F i g. 1) zugeführt. Der Konstanthaltuüg des Drucks
dient ein Rearelventil 76, das zwei durch eine -Membran 82 voneinander getrennte
Kammern 78 und 80 hat und mit einer den Ventilkein in Schließrichtung
bewegenden Feder 86 ver--sehen ist. Die durch den Ventilkem ab5chließbare
Kammer- 78 ist mit der Züfuhrleitung 66 zum ' Ventil
,70 verbunden, während die Kammer $p mit der, Zufuhrleitune 14 zu
den Düsen in Verbindung steht, also dem Ventil 70 nachgeschaltet ist. Die
zum Regelventil 78 führende Z#veigleitung 75 mündet jenseits des Regelventils
in eine Rückleitung 88, die den Brennstoff entweder direkt der Druckpumpe
52 oder über ein Pleckschlagventil 54 der Förderpumpe ZO zuführt. Pas Regelvpntil
7-$ hält also einen konstanten Druckabfall zwischen Eingang und Ausgang des Ventils
70 aufrecht.
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Zur Stegerung des Ventils 70 wird der Verdichtungsenddruck
einem in einem Gehäuse angeordneten Balg 120 zugeführt, der gegen die Kraft eines
weiteren evakuierten und mit einer Feder versehenen Balgs 126 über ein Gestänge
122, 124, 128 und 130
den Kern 140 eines Steuerschiebers 134 betätigt. Ein
gleichfalls verschiebbarer Außenkörper 150 ist an seinem dem Ventil
70 zugewandten Ende mit einer Schneide 102 versehen, die über eine, aus einem
Gelenkarin 100 und einer am Ende einer Stange 106
gelagerten Rolle
104 gebildeten übßrset.Zung auf den Kopf 92 des Ventils 70 wirkt und dieses
gegen die Kraft einer Feder 90 betä ' tigt, Diese Üben#etzung ist
in Abhängigkeit von der Turbine'ndrehzalil in noch zu beschreibender Weise durch
Verschieben der Stange 106 veränderbar.
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Das Übersetzungsgestänge, befindet 5ich in einer Kammer 146, welche
an die unter Druck stehende B.rennstoffiuleitung 66 angeschlossen ist. Steuerkanäle
im Außenkörper 150 und im Schieberkern 140 gestatten in Abhängigkeit von
der Relativlage dieser Teile gegeneinander eine Verbindung zwischen der Kammer 14.6
und einer oberhalb d#s Außenkörpers liegenden Kammer 148. Diese Anordnung dient
dem Anwachsen des Brennstoffflusses bis zu einem bestimmten mittleren Verdichtungsenddruck
und einer anschließenden selbsttätigen Abnahme der Brennstoffzufuhr, falls der Verdichtung$endd.ruck'die
vor-, gesp -hriebenen und mittels der S tel 115chrauben 151 und 152 einstellbaren
Betriebswerte übersteigt. Mit ansteigendem VerdichtungsdruQk wird der Schieberkein
140 zunächst -übQr das Gestänge 122, 124 128 und 130 nach unten beNvegt,
Wobei die Verbindung zwischen den Kammern 146 und 14$ hergestellt wird, Durch den
sich in der Kammer einstellenden und auf die größere Fläche des Außenkörpers
150 wirkenkenden Druck wird dieser nach unten bewegt, so daß über die Schneide
102 und die nachfolgende Über- . Q - ffnunggichtung bewegt setzung
das Ventil 7 in Ö
wird. Dadurch wird die Verbindung zwisglien den Kammern
146 und 148 wieder -gnterbro#iien. Bei weiter ansteigendem Verdichtungseaiddruct
wird über den Schiebertern 140 und den Außenkörper 150 die Kammer
148 an eine Auslaßleitung 166 angeschlossen, so daß der Druck in der KEImmer
148 abfällt und eine 9,ück-bewegung des Außenköxpers 150 dur ch den i- q. der Kamm
pr 1 46 herrs . phende, a Gegendruck pimetzt, vus zu einem Schließen
des Ventils 70 und damit zu einer !Drosselung der Brennstoffzufu#r führt.
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Die, Betätigung der Sta ' n ge 106 erfolgt durch einen
fRiehkraftregler 1SQ, der von der Turbinen- bzw. VerdIphterwelle angetrieben wird.
Der Fhehkraftregler 1-80 ist direkt mit einem Steuersphieber 182
verbunden,
der seinerseits über einen Steuerschieber 192 einen mit der Stange:(06 verbundeiien,
Arbeits:-kolben auf dessen. in der F i '-. 2 rechten Seite (Kammer
1-98), b#-,?L-gf sgliiagt. Der SlQuersphieber 18,2 ist übpr eine Leitung,
184 mit der Kammer 146, in der relgtiv hoher Prgck herrse verbunde m lind, außerdem
an
die Auslaßleitung j6e ingeschlossm. Den in der Kammer 146 herrschenden Druck
füllij er über Leitungen 18.a und 196 sowie über d#,#i Steumchieber
192 der Kammer 198 zu. Bei eine,.- Zufivßöffnuno, der Le; .t un- 188
durch den Steuerschieber 182 bf,- wegt sich der Arbeitskolben 110 infolge
der größeren Kammer 198 zugewandten Fläche nach links. Hierdurch wird
über die Stange 10.6 eine Bewegung des Ventils 70 in Schließrichtung und
damit einer Drosselung der Brennstoffzufuhr hervorgerufen. Die Bewegung des Steuerschiebers
182 nach links erfolgt also bei relativ hoher Drehzahl, Bei geringer Drehzahl wird
der Steuerschieber 182
durch den Flichkraftregler aus der in F i
g. 2 dergestellten Lage, nach rechts bewegt, so d ' aß die
Leitung 188 an die Kammer 186 angeschlossen ist, die ihrerseits mit
der Auslaßleitung 166 in Verbizidung steht. Der hierdurch in der Kammer
198 entstehende Druckabfall führt zu einer Verschiebung des Kolbens
110 nach rechts.
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über eine Feder 200 und einen zweiarmigen Hebel 202 ist der Arbeitskolben
110 seinerseits mit dem Fliehkraftregler 180 zum Zwecke der Rückkopplung
verbunden, Eine Bewegung de# Kolbens 110
bewirkt danach auch eine Einstellung
des Fliehkraftreglers 180. Ferner ist der Fliehkraftregler über eine weitere
Feder 204 sowie einen verschieblichen, Hohlzylinder mitStellschraube und einen drehbaren.Nokken
206 mittels des Handhebels 30 zur Beeinflussung der Brennstoffzufuh.r
von Hand betätigbar, Einem in den Arbeitskolben 110 eingreifende, Stellschraube
212 dient der Begrenzung der Bewegung des Kolbens 110 nach links und damit
der Aufrechterhaltung eifier Mindestöffnung des als P-Regler arbeitenden Ventils
70.
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Der Steuerschieber 192 dient der Einbringung der Verdichtereintrittstemperatur
als Führungsgröße im Zusammenhang mit der Turbinendrehzahl als Regelgröße in die
zuvor beschriebene Regelstrecke. Er ist hierzu mit seinem Schieberkern, gelenkig
an einem Hebel 222 gelagert, an dessen einem Ende der Arbeitskolben 110 und
an dessen anderem Ende ein Stößel 224 angreift. Wird die Verdichtereintrittstemperatur
zu hoch, so wird der Schleberkern 22-0 in F i g. 2 nach rechts bewegt, wodurch
die Leitung 188
abgeschlossen und die Leitung 196 mit einer Leitung
230 verbunden wird, die an die Hochdrugkleitung, 66
bzw. die Hochdruckkammer
1,46 angeschlossen ist. Hierdurch wird die Kammer 198 mit hohem Druck beaufschlagt,
so daß sich der Arbeitskolben 110
nach links bewegt und das Ventil
70 in Schließrichtung betätigt. Da-durch wird die durch das als P-Regler
arbeitende Ventil 70 eingestellte Brennstoffmenge auf einen Maximalwert begrenzt.
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Der Stößel 224 wird durch einen dreh- und längsverschiebbaren zylinderförmigen
und mit dreidimensionalen Kurvenbahnen versehenen. Nocken 226 betätigt. Die
Drehbewegung dieses Nockens erfolgt über eine Antriebswelle 274, die am Nocken
226 teleskopartig verschieblich durch eine Polygonverzahnung 276 angreift.
über ein Getriebe 272 und 270 wird die Welle 274 von einer an der
Außenfläche eines Steuerkolbens 268 angebrachten Zahnstange betätigt. Als
Geber für diese Anordnung dient ein der Verdichtereintrittstemperatur ausgesetzter
Meßfühler, der im vorliegenden Fall als ein mit einem sich unter Wärmewirkung ausdehnenden
Medium gefülltes Ge-fäß 250 ausgebildet ist. Das Gefäß 250 steht mit
einem Balg 252 in Verbindung. Zur Kompensation von Fehlern ist ein zweiter
Balg254 versehen, der in der gleichen Weise mit einem der Verdichtereintrittstemperatur
ausgesetzten Meßfühler verbunden ist. Die Bälge 252 und 254 sind beide mit
Zahnstangen verbunden, die auf ein gemeinsames Ritzel 256
wirken. Das Ritzel
2 - 56 verschwenkt einen gelenkig gelagerten Hebel 258, dessen freies
Ende auf einen Schieberkern 260 im Steuerkolben 268 gegen die Kraft
einer dort angebrachten Feder wirkt.
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Bei einer Ausdehnung der Bälge 252 und 254 infolge ansteigender
Verdichtereintrittstemperatur wird der Hebel 258 im Uhrzeigersinn verschwenkt
und bewegt den Schieberkern 260 nach unten. Hierdurch wird eine unterhalb
des Steuerkolbens 268 vorgesehene Druckkammer 262 mit der Kammer
264, die mit der Auslaßleitung 166 in Verbindung steht, verbunden, Auf seiner
oberen Seite steht der Steuerkolben 268, mit einer Kammer 266 in Verbindung,
die von der Hochdruckleitung 66 beaufschlagt wird. Eine Verbindung der
Kammern 262 und 264 hat mithin ein Absinken des Steuerkolbens
268 und damit eine Drehbewegung des Nockens 226 zur Folge. Bei einer
Aufwärtsbewegung des Schieberkerne-s 260,
infolge absinkender Temperatur wird
die Kammer 262 an die Hochdruckkammer 266 angeschlossen, so daß. sich
der Steuerkolben 268, in der Gep-enrichtunz bewegte Eine Längsverschiebung
des Nockens 226 wird durch einen Fliehkraftregler 290. bewirkt, der
außerdem einen Steuerschieber 294 betätigt. Der Fliehkraftregler 290 ist
an die Verdichter- bzw. Turbinenwelle über ein Getriebe,292 angeschlossen. In
Ab-
hängigkeit von der Stellung des Fliehkraftreglers290-und, damit der Stellung
des Steuerschiebers 29-4 wird die zu einer oberen Kammer 3.02 und zu einer
unteren Kammer 304, führende Leitung entweder an die Hochdruckleitung
296 oder an die Niederdruckleitung 298, die mit der Auslaßleitung
166. verbunden ist, 'angeschlossen. Auf beiden Seiten des Steuerschiebers
294 herrschen also gleiche- Kräfte, jedoch kommt eine Bewegung des Nockens
226 in Abhängigkeit davon zustande, ob in der Kammer 302
Hochs oder
Niederdruck herrscht. Der Nocken 226.
ist mit dem Steuerschieber 294 über.
eine Feder 31.0
verbunden, so daß eine Bewegung des Nockens 226
stets
auch eine Änderung der Spannung in der Druckfeder 310 zur Folge hat. Damit
wird auch die Einstellung des Fliehkraftreglers 290 beeinflußt, so daß die
Einstellungen des Flichkraftreglers jeweils einer bestimmten Nockenlage, entsprechen.
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Das Nockenprofil wird analytisch aus den. Verhältnissen der Brennstoffmenge
der Verdichterdrücke un ' d der Turbinendrehzahl in Abhängigkeit von der
Verdichtereintrittstemperatur gewonnen. Die so gebildete Kurvenschar entspricht
einer Verdichter-Stoßwellenkennlinie und der gewünschten Höchsttemperatur. Der kritische
Zustand des Verdichters ergibt sich in dem Bereich, in welchem er ungleichmäßig
arbeitet.
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Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist folgende: In Abhängigkeit von
der durch die Verdichtereintrittstemperatur und die Turbinendrelizahl hervorgerufenen
Lage des Nockens wird der Stößel 224 bewegt. Hierdurch wird mittels des Steuerschiebers
192 entweder die Kammer 198 an die drehzahlabhängige Hochdruckleitung
188 oder direkt an die Hochdruckleitung 230 angeschlossen. Im letzteren
Fall
wird der Arbeitskolben 110 in jedem Fall nach links verschoben und nimmt
eine Lage ein, in welcher über die Stange 106 und die Rolle 104 und das dadurch
gebildete übersetzungsgestänge die durch den P-Regler 70 eingestellte Brennstoffmenge
auf einen Maximalwert begrenzt wird.
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Während die in F i g. 2 dargestellte Brennstoffregelanlage
sowohl bei Turbinenstrahltriebwerken als auch bei Gasturbinentriebwerken für Propellerantrieb
anwendbar ist ' ist in F i g. 3 eine Zusammenstellung der erfindungsgemäßen
Brennstoffregelanlage für ein Propellerturbinentriebwerk dargestellt.
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Im Gegensatz zur Anordnung nach F i g. 2 dient hier der Fliehkraftregler
180 a in erster Linie der Begrenzung der Drehzahl der Maschine, auf
einen Minimal-,vert. Die Turbinendrebzahl als Regelgröße wird hier in die Regelstrecke
lediglich durch den Fliehkraftregler 290 eingeführt. Aus diesem Grunde ist
der Nocken 226 mit einem zusätzlichen Steuerprofil versehen. Die für normalen
Flugbetrieb arbeitende Steuerung ist also sowohl drehzahl- als auch temperaturabhängig
und wird mittels des Nokkens 226 über ein Stellglied 410, eine zwischengeschaltete
übersetzung 414 und 416 zur Betätigung von Hand mittels des Pilotenliebels
30 sowie durch einen Hebel 412 auf einen Steuerschieber 422 übertragen. Dieser
Steuerschieber schließt dabei die Hochdruckleitung 188 a über Kanäle in dem
zweiten wie bei der Ausführungsform nach F i g. 2 der Maximalwertbegrenzung
dienenden Steuerschieber 192 an die Leitung 196 a und damit an die
Kammer 198 an bzw. unterbricht diese Verbindung. Der Brennstoffzuffuß,
zum Steuerschieber 422 wird durch den Steuerschieber 182a des Fliehkraftreglers
180a nur freigegeben, wenn die Turbine eine bestimmte Mindestzahl erreicht hat.
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Der Steuerschieber 192 arbeitet in der ira Zusammenhang mit
F i g. 2 beschriebenen Weise, indem er durch den Nocken 226 über dessen
Stößel 224 und den Hebel 222 beaufschlagt wird, um bei zu hoher Verdichtereintrittstemperatur
bzw. bei zu hoher Turbinendrehzahl die Hochdruckleitung 298 a
durch
seine Bewegung nach rechts an die Leitung 196a und damit an die Kammer
198 des Arbeitskolbens 110 anzuschließen. Hlerdurch wird, wie bereits
beschrieben, der Arbeitskolben 110 nach links bewegt und der Brennstoffzufluß
verringert.