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Die Erfindung betrifft ein Gasturbinen-Strahltriebwerk mit einem Nachbrenner,
einer regelbaren Schubdüse, einer Schubdüsen-Stelleinrichtung, die beim überschreiten
eines vorgegebenen Wertes einer Betriebskenngröße, vorzugsweise der Turbinentemperatur,
den Schubdüsenquerschnitt weiter vergrößert, und einer Sicherheitseinrichtung, die
die Zufuhr von Nachbrennstoff vermindert, wenn ein weiteres Öffnen der Schubdüse
nicht mehr möglich ist.
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Bei einem bekannten Gasturbinen-Strahltriebwerk dieser Art werden
die Schubdüsen-Stelleinrichtung und eine Dosiereinrichtung für die Zufuhr von NaeW
brennstoff von einem Bedienhebel aus elektrisch gesteuert, und ein die Turbinenabgastemperatur
darstellendes elektrisches Signal ist über entsprechend vorgespannte Dioden derart
an die elektrischen Steuereinrichtungen der Schub.düse bzw. der Nachbrennstoffzufuhr
angeschlossen, daß beim überschreiten einer vorgegebenen Turbinenabgastemperatur
zunächst lediglich die zur Schubdüsen-Stelleinrichtung führende Diode leitend wird
und ein Signal in die Schubdüsen-Stelleinrichtung einspeist, das den Schubdüsenquerschnitt
weiter vergrößert unddadurch wieder zu einer entsprechenden Verminderung der Turbinenabgastemperatur
führt. Wenn trotz dieses zur Schubdüsen-Stelleinrichtung geleiteten Korrektursignals
die Turbinenabgastemperatur weiter ansteigt und einen etwas oberhalb des vorgegebenen
Temperaturwertes liegenden zweiten Schwellenwert überschreitet, wird auch die zur
Nachbrennstoff Dosiereinrichtung führende Diode leitend und läßt ein Korrektursignal
passieren, das die Zufuhr von Nachbrennstoff vermindert. Diese zweite DiodQ dient
also als Sicherheitseinrichtung, die immer dann in Tätigkeit tritt, wenn ein weiteres
öffnen der Schubdüse nicht mehr möglich ist.
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Bei diesem bekannten Gasturbinen-Triebwerk sind normalerweise die
Einstellungen der Schubdüse undder Nachbrennstoffzufuhr von der Stellung des Bedienhebels
abhängig. Auf diese Weise ist ein optimaler Betrieb nicht oder nur in sehr grober
Annäherung zu erzielen. überdies ist die von der Turbinenabgastemperatur gesteuerte
Sicherheitseinrichtung mit zahlreichen elektrischen Bauteilen ausgestattet, die
nicht nur erhebliche Kosten verursachen, sondern auch allein schon wegen ihrer Anzahl
die erforderliche hohe Zuverlässigkeit nicht gewährleisten können.
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Die Erfindung geht deshalb von der Aufgabe aus, ein Gasturbinen-Strahltriebwerk
zu schaffen, das auch bei eingeschalteter Nachverbrennung möglichst weitgehend unter
optimalen Betriebszuständen betrieben wird und eine besonders einfache, jedoch äußerst
zuverlässige Sicherheitseinrichtung aufweist.
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Nach der Erfindung wird diese Aufgabe mit einem Gasturbinen-Strahltriebwerk
der eingangs angegebenen Art gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß in an sich
bekannter Weise die Schubdüsen-Stelleinrichtung einen Teil einer Regeleinrichtung
bildet, die durch Verändern des Schubdüsenquerschnitts die Betriebskenngröße auf
einen vorgegebenen Optimalwert regelt, und eine Nachbrennstoff-Dosiereinrichtung
zur Steuerung der Zufuhr des Nachbrennstoffs vorgesehen ist, deren Maximum in Abhängigkeit
von einer für die Nachverbrennung maßgebenden Betriebskenngröße, vorzugsweise dem
Kompressorausgangsdruck, vorgegeben ist, und daß die Sicherheitseinrichtung ein
von der Schubdüse bei Annäherung an ihren vollen Austrittsquerschnitt betätigbares
Steuerglied aufweist, das die Abhängigkeit des Nachbrennstoffmaximums von der maßgebenden
Betriebskenngröße im Sinn einer Verminderung der Nachbrennstoffzumessung modifiziert.
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Bei dem erfindungsgemäßen Gasturbinen-Strahltriebwerk wird somit von
der bekannten Möglichkeit Gebrauch gemacht, mit Hilfe von Verstellungen der Schubdüse
automatisch einen optimalen Betrieb zu erzielen und beim Betrieb mit Nachverbrennung
die Zufuhr des Nachbrennstoffs nach einer bestimmten, fest vorgeggbenrn Abhängigkeit
von einer Betriebskonngröße- zu steuern. Die dabei zwischen der Nachbrennstoffzufuhr,
der Einstellung der Schubdüse, den Betriebsparametern des Triebwerks und der Einstellung
des Bedienhebels auftretenden Zusammenhänge sind nicht im gleichen Ausmaß starr
oder fest vorgegeben wie bei dem oben beschriebenen bekannten Gasturbinen-Strahltriebwerk;
dennoch ist bei dem erfindungsgemäßen Triebwerk die Sicherheitseinrichtung nicht
komplizierter als bei dem bekannten Treibwerk, sondern erheblich einfacher und überdies
auch betriebssicherer.
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Es sind zahlreiche Gasturbinen-Strahltriebwerke bekannt, bei denen
die Zufuhr des Nachbrennstoffs in irgendeiner Weise mit dem Querschnitt der Schubdüse
in Beziehung steht. So ist beispielsweise bei einer derartigen bekannten
Konstruktion in der Nachbrennstoff-Dosiereinrichtung ein Ventil vorgesehen, dessen
Querschnitt vom Kompressorausg?.ngsdruck bestimmt wird, während die an diesem Ventil
liegende Druckdifferenz in Abhängigkeit vom Querschnitt der Schubdüse gesteuert
wird. Ferner wird die Brennstoffzufuhr in Abhängigkeit vom Zustand im Nachbrenner
nachgeregelt. Diese bekannte Anlage dient vorwiegend für Anwendungsfälle, bei denen
der Schub durch Änderungen des Düsenquerschnitts eingestellt wird. Bei dieser Anlage
ist ständig eine feste Abhängigkeit zwischen Schubdüsenquerschnitt und Nachbrennstoffzufuhr
vorhanden, so daß eine freie Regelung des Schubdüsenquersehnitts im Sinne einer
Optimierung der Betriebsbedingungen u abhängig von der Nachverbrennung nicht mehr
möglich ist.
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Bei einem anderen bekannten Gasturbinen-Strahltriebwerk wird der Turbinenausgangsdruck
durch Verstellung des Schubdüsenquerschnitts oder, bei von Hand oder irgendeiner
automatischen Einrichtung verstellter Schubdüse, durch Verändern der Nachbrennstoffzufuhr
geregelt. Es sind keine Einrichtungen vorgesehen, um die Zufuhr des Nachbrennstoffs
zu verändern, wenn die Düse ganz geöffnet ist; eine der vorliegenden Erfindung entsprechende
Sicherheitseinrichtung ist bei diesem bekannten Strahltriebwerk Bei nicht einem
vorgesehen. weiteren bekannten Gasturbinen-Stra -m -triebwerk wird beim Erreichen
einer vorgegebenen Maximaldrehzahl und weiterer Steigerung der Brennstoffzufuhr
die Drehzahl durch entsprechendes Verkleinern des Düsenaustrittsquerschnitts konstant
gehalten. Beim Einschalten der Nachverbrennung wird infolge der Rückwirkung auf
die Turbine eine entsprechende öffnung der Düse durch den normalen Drehzahlregler
hervorgerufen, damit die Turbinendrehzahl und die Turbinentemperatur konstant bleiben.
In der Düsenquerschnitt-Stelleinrichtung sind verstellbare Anschläge vorgesehen,
die die Öffnungs-und Schließbewegung der Düse begrenzen; diese Anschläge werden
beim Betrieb mit und ohne Nachverbrennung verschieden eingestellt, und es sind
CD
Rutschkupplungen vorgesehen, um eine weitere Bewegung
der Stellorgane zu ermöglichen, nachdem der Düsenquerschnitt seinen durch den Anschlag
bestimmten Grenzwert erreicht hat. Bei diesem bekannten Triebwerk sind jedoch keine
Maßnahmen vorgesehen, um die Zufuhr des Nachbrennstoffs zu begrenzen.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen
näher beschrieben, die in den Zeichnungen dargestellt sind.
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Fig. 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Gasturbinen-Strahltriebwerk;
F i g. 2 zeigt in einer Teilansicht eine abgewandelte Ausführungsform der
Erfindung; F i g. 3 zeigt in einer Teilansicht eine weitere abgewandelte
Ausführungsform der Erfindung; F i g. 4 zeigt in einer Teildarstellung eine
weitere abgewandelte Ausführungsform der Erfindung.
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Das in F i g. 1 schematisch dargestellte Gasturbinen-Strahltriebwerkenthält
in bekannter Weise einen Kompressor 1, eine Brennkammer 2, eine den Kompressor
1 antreibende Turbine 3, einen Nachbrenner 4 und eine regelbare Schubdüse
5, die schematisch durch Klappen dargestellt ist. Die Klappen öffnen und
schließen sich unter der Wirkung einer Schubdüsen-Stelleinrichtung 6, die
über Steuerleitungen 8
mit einem Hauptregler 7 verbunden ist, der in
bekannter Weise die Brennstoffzufuhr C zu den Brennerdüsen der Brennkammer
2 steuert; die Stelleinrichtung 6, der Hauptregler 7 und die Leitungen
8 bilden zusammen eine Regeleinrichtung, die durch Verändern des Schubdüsenquerschnitts
die Turbinentemperatur T, am Eingang der Turbine auf einen konstanten Wert
regelt.
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Der Hauptregler 7 wird von einem Pilotenbedienhebel
9 gesteuert, der außerdem bei 9 b eine Nachbrennstoff-Dosiereinrichtung
steuert. Diese enthält einen Nachverbrennungsregler 10, eine Leitung
11,
die zur Zufuhr des Kompressorausgangsdrucks P 2 zum Nachverbrennungsregler
10 dient, eine über eine Blende 12 an die Leitung 11 angeschlossene
Kammer 13, eine an die Kammer 13 angeschlossene feste Ausströmöffnung
14, eine in der Kammer 13 angeordnete Druckkapsel 15, die in bekannter
Weise die Zufuhr C
des Nachbrennstoffs steuert, und eine Stellschraube
16, die die wirksame Größe der Ausströmöffnuna 14 und dadurch auch den Druck
ß'P 2 in der Kammer 13
bestimmt. Die Nachbrennstoffzufuhr C wird auf
diese Weise nach einer vorgegebenen Funktion des Kompressorausgangsdruckes P 2 gesteuert.
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Die Sicherheitseinrichtung, die die Zufuhr von Nachbrennstoff vermindert,
wenn ein weiteres Öffnen der Schubdüse nicht mehr möglich ist, enthält ein Ablaßventil
17, dessen Eingang mit der Kammer 13
in Verbindung steht und dessen
kalibrierter Ausgang 17 a nach außen mündet. Das Ventil 17 ist normalerweise
geschlossen. Wenn die Schubdüse 5 sich auf ihren vollen Austrittsquerschnitt
öffnet, wird das Ventil 17 geöffnet. Die dadurch hervorgerufene zusätzliche
Ausströmung 18 aus der Kammer 13 vermindert den in der Kammer
13 herrschenden und auf die Kapseln 15 einwirkenden Druck ß'P 2, und
dadurch wird die von den Kapseln 15 gesteuerte Nachbrennstoffzufuhr
C entsprechend vermindert.
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Die Betäti ung des Ventils 17 erfolgt mit Hilfe 9 C
eines ebenfalls zur Sicherheitseinrichtung gehörenden Steuergliedes, das in F i
g. 1 durch die aus' den Teilen 19. 20 und 21 bestehende mechanische
Verbindung dargestellt wird. Der Verbindungsteil 19 kann beispielsweise ein
Bowdenzug, eine Stange, eine Kabelzugverbindung od. dgl. sein; sie greift mit seinem
einen Ende unmittelbar am Ventilkörper 22 des Ablaßventils 17 an. Das andere
Ende des Verbindungsteils 19 ist bei 21 b an einem Hebel 21 angelenkt,
der bei 21 a drehbar gelagert ist und von einer an der Schubdüse 5 befestigten
Nase 20 verschwenkt wird, wenn sich die Schubdüse ihrer voll geöffneten Stellung
nähert.
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Bei der Ausführungsform nach F i g. 2 ist in ähnlicher Weise
wie bei der Ausführungsform nach F i g. 1 ein Ablaßventil 17 vorgesehen,
das normalerweise geschlossen ist und bei Annäherung der Schubdüse an ihren vollen
Austrittsquerschnitt geöffnet wird. Das Ablaßventil 17 enthält hier einen
pneumatisch oder hydraulisch betätigbaren Ventilkörper 22 a, der normalerweise von
der Kraft einer Feder 32 in die Schließstellung gedrückt wird. Die Steuerung
des Ablaßventils 17 erfolgt über die Leitung 27 b. Diese ist an eine
Leitung 27 angeschlossen, die über eine Drossel 28 mit Strömungsmittel
27 a von konstantem Druck beschickt wird und an eine Kammer 24 a angeschlossen
ist, die sich in einem Zylinder 24 links von einem Kolben 25 befindet. Der
Kolben 25 wird von einer Feder 26 nach links gedrückt, so daß er eine
rechts von ihm befindliche Auslaßleitung 29, die zur Atmosphäre oder zu einer
unter niedrigem Druck stehenden Rückleitung führt, nicht verschließt. Der Kolben
25 hat eine Öffnung 25 a, und vor dieser öffnung 25 a ist ein
an einer Stange 30 befestigtes Verschlußglied 30 a verschiebbar angeordnet.
Die Stange 30 ist an einem bei 31 a drehbar gelagerten Hebel
31
angelenkt, die mit der Schubdüse 5 gekoppelt ist. Bei der in F i
g. 2 dargestellten Ausführungsform ist die Schubdüsen-Stelleinrichtung
6 mit ihrem Steuerschieber 23, 23 a und ihren Steuerleitungen
8 etwas ausführlicher dargestellt.
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Der Zylinder 24 und die darin befindlichen Teile bilden zusammen wieder
ein von der Schubdüse bei Annäherung an ihren vollen Austrittsquerschnitt betätigtes
Steuerglied. Wenn die Schubdüse 5 ihre maximale Öffnung erreicht, schließt
das Verschlußglied 30 a die Öffnung 25 a des
Kolbens 25, und der Druck in der Kammer 24 a steigt an. Dieser Druck wirkt
auf den Ventilkörper 22 a des Ablaßventils 17 a und verschiebt ihn gegen
die Wirkung der Feder 32 nach links, so daß eine zusätzliche Ausströmung
18 aus der Kammer 13 entsteht.
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Bei der Ausführungsform nach F i g. 3 ist die Nachbrennstoff-Dosiereinrichtung
10 bis 16 in der gleichen Weise ausgeführt wie bei den Ausführungsformen
nach den F i g. 1 und 2, und wie bei der Ausführungsform nach F i
g. 2 ist ein hydraulisch oder pneumatisch betätigbares Ablaßventil
17 b vorgesehen, das jedoch in umgekehrtem Sinn arbeitet wie das Ablaßventil
bei der Ausführungsform nach F i g. 2. Die Steuerung des Ablaßventils
17 b beruht auf der Tatsache, daß bei völlig geöffneter Schubdüse
5 in der einen Kammer 6 a der Schubdüsen-Stelleinrichtun-
6 ein Druckabfall auftritt, wenn die Regelanlage eine weitere Vergrößerung
des Schubdüsenquerschnitts hervorrufen will. Der Schieber 23 a
des
Steuerventils 23 wird in diesem Fall durch die Regelanlage in die gestrichelt
dargestellte Lage 23 b
eingestellt, so daß die Kammer 6 a mit
der Rückleitung 23 c des Steuerventils verbunden wird und dadurch
einen Druckabfall erfährt. Der in der Kammer
6 a herrschende
Druck wirkt über die Leitung 33 auf die rechte Seite des Ventilkörpers 22
b des Ablaßventils 17 b, und beim Auftreten des beschriebenen Druckabfalls
bewegt sich der Ventilkörper 22 b unter dem Einfluß der Feder 32 a
nach rechts in die in F i g. 3 dargestellte Lage, in welcher die Kammer 13
Über eine im Ventilkörper 22 b vorgesehene Bohrung mit dem Auslaß des Ablaßventils
17 b verbunden ist, so daß eine zusätzliche Ausströmung 18 aus der
Kammer 13 entsteht. Wenn sich die Schubdüse 5 nicht in der voll geöffneten
Stellung befindet, drückt der in der Kammer 6 a und der Leitung
33 befindliche Druck den Ventilkörper 22 b des Ablaßventils
17 b
nach links in die Schließstellung. Bei der Ausführungsform nach F i
g. 3 kann der Ventilkörper 22 b
als das Steuerglied angesehen werden,
das bei Annäherung der Schubdüse an ihrem vollen Austrittsquerschnitt so betätigt
wird, daß die Nachbrennstoff-Dosiereinrichtung 10 bis 16 im Sinne
einer Verminderung der Nachbrennstoffzumessung beeinflußt wird.
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Bei der in F i g. 4 dargestellten Ausführungsform betätigt
die Schubdüse 5 bei Annäherung an ihren vollen Austrittsquerschnitt mit Hilfe
einer Nase 20 a
einen Druckknopf 36 b eines elektrischen Schalters
36.
Dieser Schalter liegt im Stromkreis eines Elektromagnetventils
17 d, das die zusätzliche Ausströmung 18 aus der Kammer
13 steuert. In dem Stromkreis des Elektromagnetventils 17 d sind hier
noch ein Verzögerungsrelais 37 und ein Handschalter 38 vorgesehen.
Bei der in F i g. 4 dargestellten Ausführungsform wird durch Betätigen des
Druckknopfes 36 b
,der Schalter 36 geschlossen und dadurch das
Elektromagnetventil 17 d geöffnet.
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Bei allen beschriebenen Ausführungsformen wird die Modifizierung der
Nachbrennstoffzumessung C
durch Erzeugen einer zusätzlichen Ausströmung
18
aus einer Kammer 13 erzielt, in welcher Steuerkapseln
15 einer die Nachbrennstoffzumessung bestimmenden Einrichtung untergebracht
sind.
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