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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffregelanlage für Gasturbinentriebwerke
mit einer Brennstoffpumpe, deren Ausgang über ein vom Verdichterdruckverhältnis
gesteuertes Brennstoffregelventil an die Brennerdüsen des Triebwerks angeschlossen
ist, mit einer diese Pumpe überbrückenden, ein von einer Betriebskenngröße gesteuertes
zweites Brennstoffventil aufweisenden ersten Bypassleitung und mit einer das Regelventil
überbrückenden, ein von der Triebwerksdrehzahl entsprechend der Einstellung eines
Bedienhebels gesteuertes drittes Brennstoffventil aufweisenden zweiten Bypassleitung.
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Bei der Beschleunigung von Gasturbinentriebwerken kann es bei zu großer
Brennstoffzufuhr zu der als »Pumpen des Verdichters« bekannten Erscheinung kommen,
durch die das Triebwerk beschädigt oder sogar zerstört werden kann. Es sind deshalb
zahlreiche Maßnahmen bekanntgeworden, durch die die Brennstoffzufuhr bei Beschleunigungsvorgängen
auf ungefährliche Werte begrenzt wird. Die einfachsten dieser Maßnahmen bestehen
in einer festen Begrenzung mittels eines Anschlags oder einer mittels eines Kurvenkörpers
in Abhängigkeit von der Drehzahl fest vorgegebenen variablen Brennstoffzufuhr, wobei
man dem Kurvenkörper eine solche Form gibt, daß die erzielte Beschleunigungskurve
mit einem gewissen Sicherheitsabstand neben der Pumpkurve verläuft. Bei derartigen
starr vorgegebenen Beschleunigungsfunktionen muß man die Auslegung natürlich auf
die ungünstigsten Betriebsverhältnisse abstimmen, die bei einer Beschleunigung vorkommen
können, so daß der Sicherheitsabstand unter den normalen, am häufigsten vorkommenden
Betriebsbedingungen zu groß ist und die erzielbare Beschleunigung unnötig beschränkt
wird.
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Um diesen Nachteil von Beschleunigungssteuerungen mit fester Beschleunigungsfunktion
zu vermeiden, wird bei anderen bekannten Brennstoffregelanlagen die Brennstoffzufuhr
bei Beschleunigungen in Abhängigkeit von den für das Pumpen des Verdichters maßgebenden
Betriebskenngrößen des Triebwerks gesteuert. So wird bei einer bekannten Brennstoffregelanlage
dieser Art der von der Pumpe geförderte Brennstoff den Brennerdüsen über ein Brennstoffregelventil
zugeführt, dessen freier Querschnitt mit Hilfe eines üblichen Drehzahlreglers in
Abhängigkeit von der Triebwerksdrehzahl und der Stellung eines Bedienhebels geregelt
wird, während der Druckabfall am Brennstoffregelventil in Abhängigkeit vom Verdichterauslaßdruck
verändert wird, z. B. mit Hilfe eines vom Verdichterauslaßdruck gesteuerten, die
Pumpe überbrückenden Bypassventils. Wenn beim Einleiten einer Beschleunigung die
Differenz zwischen der am Bedienhebel eingestellten Solldrehzahl und der Istdrehzahl
des Triebwerks infolge der plötzlich veränderten Einstellung des Bedienhebels sehr
groß wird, öffnet sich das Brennstoffregelventil bis zu einem Maximalanschlag, und
der Brennstoffzufluß zu den Brennerdüsen wird allein durch die Steuerung des Bypassventils
in Abhängigkeit vom Verdichterausgangsdruck vorgenommen, bis die Istdrehzahl sich
wieder so weit der neuen Solldrehzahl genähert hat, daß der Drehzahlregler wieder
eine Verminderung des Ventilquerschnitts herbeiführt. Bei dieser bekannten Brennstoffregelanlage
(deutsche Patentschrift 851426) wird lediglich der Verdichterausgangsdruck
als Steuergröße für die Zufuhr des Beschleunigungsbrennstoffs verwendet; da die
Lage der Pumpkurve aber auch noch von anderen Betriebskenngrößen abhängt, muß man
immer noch einen verhältnismäßig großen Sicherheitsabstand zwischen der tatsächlichen
Beschleunigungskurve und der Pumpkurve lassen.
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Bei einer anderen bekannten Brennstoffregelanlage (britische Patentschrift
729 201), bei der ebenfalls der Querschnitt eines zwischen Pumpe und Brennerdüsen
geschalteten Brennstoffregelventils in Abhängigkeit von der Triebwerksdrehzahl und
der Stellung eines Bedienhebels gesteuert wird und ein die Pumpe überbrückendes
druckgesteuertes Bypassventil vorgesehen ist, werden deshalb mehrere Betriebskenngrößen
als Einflußgrößen für die Brennstoffregelanlage verwendet. Die Einführung dieser
steuernden Betriebskenngrößen erfolgt dabei im einfachsten Fall durch eine in Abhängigkeit
von der Triebwerksdrehzahl und der Verdichtereinlaßtemperatur betätigte Nockensteuerung,
die bei Beschleunigungsvorgängen die Funktion des dann unwirksamen Bedienhebels
überspielt. Weiter kann zwischen Pumpe und Brennstoffregelventil ein weiteres Brennstoffventil
vorgesehen sein, das in Abhängigkeit von der Turbineneinlaßtemperatur betätigt wird
und zur Steuerung des Druckabfalls am nachfolgenden Brennstoffregelventil dient,
wobei der gesamte Druckabfall an Brennstoffregelventil und zusätzlichem Brennstoffventil
in der üblichen Weise von dem parallel zur Pumpe liegenden Bypassventil konstant
gehalten wird. Auch hier ergibt sich also letztlich das Prinzip, sowohl den Querschnitt
als auch den Druckabfall des Brennstoffregelventils nach verschiedenen Variablen
zu steuern. Als weitere Verfeinerung ist bei dieser bekannten Brennstoffregelanlage
noch vorgesehen, daß eine das Brennstoffregelventil überbrückende zweite Bypassleitung
vorgesehen ist, in der ein auf Veränderungen des Verdichtereinlaßdrucks ansprechendes
Ventil und ein weiteres, auf Veränderungen der Verdichtereingangstemperatur ansprechendes
Ventil vorgesehen sind, um den Druckabfall am Brennstoffregelventil in Abhängigkeit
von einer komplexen Funktion von Betriebskenngrößen oder Umgebungskenngrößen, beispielsweise
der Luftdichte, beeinflussen zu können. Bei dieser bekannten Anlage werden, um eine
zufriedenstellende Beschleunigungssteuerung zu erzielen, zahlreiche Teile mit sehr
komplexen Funktionen verwendet; abgesehen von der dadurch bedingten Kompliziertheit
und Störanfälligkeit des Aufbaus ist auch wegen der gegenseitigen Wechselwirkung
der einzelnen Einflußgrößen eine Anpassung der Anlage an andere oder veränderte
Triebwerke nicht ohne weiteres möglich.
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Nach einem anderen Vorschlag (deutsche Auslegeschrift 1144 539), von
dem die vorliegende Erfindung ausgeht, ergibt sich eine erheblich bessere Anpassung
an die Pumpkurve bei einfacherem Aufbau dadurch, daß das zwischen die Brennstoffpumpe
und die Brennerdüsen geschaltete Brennstoffregelventil direkt vom Verdichterdruckverhältnis
gesteuert wird; dabei wird ein das Verdichterdruckverhältnis wiedergebender Steuerdruck
in einem Druckgeber erzeugt und zur Einstellung des Querschnitts des Brennstoffregelventils
verwendet. Zur Steuerung des Druckabfalls am Brennstoffregelventil ist bei dieser
Brennstoffregelanlage eine erste Bypassleitung mit einem zweiten Brennstoffventil
vorgesehen, das von einem drehzahlabhängigen Druck derart gesteuert wird, daß der
Druckabfall am Brennstoffregelventil dem Quadrat der Triebwerksdrehzahl proportional
ist. Zur Drehzahlregelung
ist dabei in einer das Brennstoffregelventil
überbrückenden zweiten Bypassleitung ein von einem Drossel überbrücktes drittes
Brennstoffventil vorgesehen, das entsprechend der Einstellung eines Bedienhebels
gesteuert wird; in Reihe damit liegt in der zweiten Bypassleitung eine weitere Drossel,
deren Druckabfall an einem Kolben liegt, der außerdem von einer dem Quadrat der
Triebwerksdrehzahl proportionalen Kraft beaufschlagt wird und zur Betätigung eines
Servoventils dient, das den drehzahlabhängigen Druck zur Steuerung des zweiten Brennstoffventils
in der ersten Bypassleitung erzeugt. Bei dieser älteren Brennstoffregelanlage ist
somit für jeden (vom Verdichterdruckverhältnis gesteuerten) Querschnitt der Durchfluß
der Drehzahl proportional, da die Druckdifferenz am Brennstoffregelventil proportional
zum Quadrat der Drehzahl gehalten wird. Dabei sind für die Einsteuerung der Druckdifferenz
am Brennstoffregelventil sowohl die zur eigentlichen Drehzahlregelung in Abhängigkeit
von der Stellung des Bedienhebels dienenden Einrichtungen als auch die bei Beschleunigungsvorgängen
den Drehzahleinfluß wiedergebenden Einrichtungen verantwortlich und funktionell
miteinander verknüpft. Es hat sich gezeigt, daß insbesondere diese funktionelle
Verknüpfung Schwierigkeiten bei der Anpassung der Brennstoffregelanlage an verschiedene
Triebwerkscharakteristiken bietet und das Ansprechverhalten der Regelanlage verlangsamt.
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Die vorliegende Erfindung geht deshalb von der Aufgabe aus, eine Brennstoffregelanlage
zu schaffen, die ebenso wie die zuletzt beschriebene Anlage ein vom Verdichterverhältnis
gesteuertes Brennstoffregeiventil aufweist und somit eine ebenso gute Anpassung
an die Pumpkurve ermöglicht, jedoch in bezug auf einfachen Aufbau und Funktion vereinfacht
und verbessert ist.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe dient nach der Erfindung eine Brennstoffregelanlage
der eingangs angegebenen Art, die dadurch gekennzeichnet ist, daß das zweite Ventil
gegebenenfalls über eine Servoeinrichtung von der Triebwerkszahl gesteuert wird,
daß die zweite Bypassleitung zum Pumpeneinlaß zurückführt und daß in ihr hinter
dem dritten Ventil ein viertes Brennstoffventil angeordnet ist, daß in Abhängigkeit
von der durch das Regelventil strömenden Brennstoffmenge im Öffnungssinn und in
Abhängigkeit vom am dritten Ventil vorhandenen Druckunterschied im Schließsinn gesteuert
wird.
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Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffregelanlage sind somit zwei voneinander
getrennte, beide zum Pumpeneinlaß zurückführende Bypassleitungen vorgesehen, von
denen die erste, vom Pumpenauslaß ausgehende Bypassleitung allein zur Einsteuerung
einer drehzahlabhängigen Druckdifferenz am Brennstoffregelventil während Beschleunigungsvorgängen
dient, während die zweite, stromabwärts vom Brennstoffregelventil abzweigende Bypassleitung
die Drehzahlregelung im Beharrungszustand übernimmt, wobei das vierte Brennstoffventil
eine unmittelbare Rückführung eines Signals, das die tatsächlich durch das Brennstoffregelventil
strömende Brennstoffmenge wiedergibt, in den für die Drehzahlregelung maßgebenden
Teil der Brennstoffregelanlage ermöglicht. Es hat sich gezeigt, daß die erfindungsgemäße
Brennstoffregelanlage rascher auf Veränderungen der Triebwerksdrehzahl anspricht.
Außerdem kann durch Veränderungen in den Steuereinrichtungen für das vierte Brennstoffventil
leicht eine Anpassung der Anlage an verschiedene Triebwerkscharakteristiken oder
verschiedene Brennstoffsorten erfolgen, ohne daß durch derartige Änderungen die
Regelfunktionen der übrigen Teile der Anlage merklich gestört werden.
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Vorzugsweise wird das in der ersten Bypassleitung liegende zweite
Ventil in an sich bekannter Weise durch eine Membran gesteuert, die vom Pumpendruck
auf öffnen und von einem drehzahlabhängigen Druck auf Schließen beaufschlagt wird.
Dabei kann der drehzahlabhängige Druck durch ein ebenfalls an die erste Bypassleitung
angeschlossenes Servoventil eingestellt werden, das über ein Gestänge von einem
von der Turbine angetriebenen Fliehkraftregler gesteuert wird.
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Das in der zweiten Bypassleitung dienende dritte Ventil wird vorzugsweise
in an sich bekannter Weise von einem von der Turbine angetriebenen zweiten Fliehkraftregler
gesteuert, dessen Gegenfeder durch den Bedienhebel einstellbar ist.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigt F i g. 1 eine schematische Darstellung
einer erfindungsgemäßen Brennstoffregelanlage und die F i g. 2 und 3 Kurven, welche
die Arbeitsweise der in F i g. 1 dargestellten Anlage erläutern.
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Die in F i g. 1 dargestellte Brennstoffregelanlage speist die Brennerdüsen
eines nicht dargestellten Gasturbinenwerks, das in der üblichen Weise einen Lufteinlaß,
einen z. B. als Axialverdichter ausgebildeten Verdichter, mindestens eine Brennkammer
und eine Turbine aufweist. Der Brennstoff tritt zunächst durch eine Einlaßleitung
22 mit einem Druck P1 in eine Brennstoffsteuervorrichtung 20 ein. Er wird
durch eine Brennstoffpumpe 24 gefördert, deren Eingangsseite durch eine Leitung
26 mit dem nicht dargestellten Tank verbunden ist. Von der Einlaßleitung
22
strömt der Brennstoff durch einen Kanal 28, eine Kammer 30, ein Brennstoffregelventil
32, 34 mit einem Ventilsitz 32, eine Kammer 36, in welcher ein Druck P., herrscht,
und durch den Auslaßkanal 18
zur Ausgangsleitung 17.
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Das Brennstoffregelventil 32, 34 wird durch einen Druckgeber
40 und Federn 42 und 44 mittels eines Servoventils 46 gesteuert.
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Der Brennstoff kann von der Einlaßleitung 22 auch durch eine erste
Bypassleitung 48, ein zweites Brennstoffventil 50 und eine Abflußleitung
52 zur Ei.nlaßleite der Brennstoffpumpe 24 strömen, wo der Pumpeneinlaßdruck
PO herrscht. Die Stellung des zweiten Brennstoffventils 50 bestimmt die Menge des
Brennstoffs, welcher bei einer gegebenen Stellung des Brennstoffventils
32, 34 durch den Ventilsitz 32 fließt. Das zweite Brennstoffventil
50 wird durch einen Drehzahlgeber 56 gesteuert, der vom Strahltriebwerk über ein
Vorgelege und eine Antriebswelle 62 angetrieben wird. Der Drehzahlgeber 56 steuert
die am Brennstoffregelventil 32, 34 stehende Druckdifferenz in Abhängigkeit von
der Triebwerksdrehzahl durch Verstellen des Ventilglieds 54 des zweiten Brennstoffventils
50, und zwar bewirkt ein in Abhängigkeit von der Drehzahl ausgelenkter Fliehkraftregler
58 eine axiale Verschiebung einer äußeren Hülse 66, die unmittelbar auf einen Hebel
68 einwirkt, der um einen Gelenkzapfen 70 verschwenkt wird. Ein zweiter Hebel
72 ist mit dem ersten Hebel 68 über den Gelenkzapfen 70 verbunden. Der zweite
Hebel 72
drückt auf einen Teller 74 eines Steuerglieds 72,
das mit einem bewegbaren Kolben 78 verbunden ist. Ein schwenkbarer Hebel 80 ist
an einem Ende mit einem Servoventil 82 und an dem anderen Ende über einen einstellbaren
Anschlußarm mit dem Kolben 78 verbunden. Das Servoventil 82 arbeitet mit einem Ventilsitz
84 derart zusammen, daß der Brennstoffdruck in einem im Servoventil mündenden Kanal
85, der zu einer Kammer 88 im zweiten Brennstoffventil 50 führt, durch die Bewegung
des Servoventils 82 verändert werden kann. Die Kammer 88 enthält unter
dem drehzahlabhängigen Druck P,; stehenden Brennstoff, der auf die Unterseite einer
Membran 90 einwirkt. Diese steuert die Einstellung des Ventilgliedes 54. Unter dem
Druck P1 stehender Brennstoff gelangt von der Brennstoffpumpe 24 durch die Brennstoffeinlaßleitung
22 und die erste Bypassleitung 48 in eine Kammer 92 oberhalb der Membran 90.
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Ein drittes Brennstoffventil 100, 112, 114 ist auf eine gewünschte
und vorgewählte Drehzahl innerhalb des Arbeitsbereichs des Triebwerks durch einen
vom Piloten gesteuerten Bedienhebe1102 einstellbar. Bei der in F i g. 1 gewählten
Darstellung wird vom Bedienhebe1102 bei Verdrehung entgegen dem Uhrzeigersinn die
Feder 104 weiter zusammengedrückt. Die Feder 104 steuert die Stellung eines beweglichen
Ventilglieds 106 des dritten Brennstoffventils 100, 112,114 gegen die drehzahlabhängige
Wirkung eines zweiten Fliehkraftreglers 108, der auf das mit einem Flansch versehene
Ende 110 des Ventilglieds 106 einwirkt. Das dritte Brennstoffventil 100 weist Öffnungen
112 auf, die mit Öffnungen 114 in einer Ventilhülse 116 zusammenwirken.
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Von dem zur Beschleunigungssteuerung dienenden Brennstoffregelventil
32, 34 fließt dosierter Brennstoff durch die Brennstoffleitung 38 zu der
Ausgangsleitung 17 durch eine die Brennstoffmenge messende Vorrichtung 11.8, die
als Venturirohr ausgebildet ist. Der in der Ausgangsleitung 17 befindliche, dosierte
und unter dem Druck P9 stehende Brennstoff fließt auch in eine Kammer 120 des dritten
Brennstoffventils 100. Dieser Brennstoff gelangt dann durch eine Öffnung 122 in
der äußeren Ventilhülse 116, durch den Innenraum des Ventilglieds 106, durch die
Öffnungen 112 in dem Ventilglied und die Öffnung 114 in der Hülse zu einer
Auslaßleitung 124, in welcher ein Druck P3 herrscht. Von dort aus strömt
der Brennstoff durch ein viertes Brennstoffventil 126
zu einer Auslaßleitung
127, die mit der Leitung 26 an der Einlaßseite der Brennstoffpumpe 24 verbunden
ist. Das vierte Brennstoffventil 126 enthält ein bewegbares Ventilglied 128, das
an seinem einen Ende mit einer Membran 130 verbunden ist, die auf ihrer einen Seite
dem in einer ersten Kammer 132 herrschenden Brennstoffdruck P, ausgesetzt ist. Dieser
ersten Kammer 132 wird Brennstoff von der Kammer 120
des dritten Brennstoffventils
100 durch eine Leitung 134 und eine feste Drossel 136 zugeführt. Die Membran
130 ist auf ihrer anderen Seite dem in einer zweiten Kammer 138 herrschenden Druck
P3 ausgesetzt. Die zweite Kammer 138 wird aus der Auslaßleitung 124 gespeist. Das
andere Ende des Ventilglieds 128 ist mit einer zweiten Membran 140 verbunden. Diese
begrenzt auf ihrer einen Seite eine erste Kammer 142, die über eine Abzweigleitung
144 den Brennstoffdruck P" aus der Brennstoffleitung 38 empfängt. Die Brennstoffkammer
146 auf der entgegengesetzten Seite der Membran 140 wird über eine Leitung
147 mit dem an der Einschnürung des Venturirohrs 118 stehenden Brennstoffdruck
Pz gespeist. Der Druck P,' ändert sich in Abhängigkeit von der durch das Venturirohr
118 fließenden Brennstoffmenge.
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Der Druckgeber 40 enthält eine Kammer 150, in welcher
ein Druck P, herrscht. Die Kammer 150 ist mit dem Förderdruck P, des (nicht dargestellten)
Triebwerkverdichters durch eine Leitung 152 beaufschlagt, die eine Drossel 154 bestimmter
Größe aufweist. Ferner wird die Kammer 150 mit dem Verdichtereinlaßdruck Pi über
eine zweite Leitung 156
mit einer Drossel 158 bestimmter Größe beaufschlagt.
Innerhalb der Kammer 150 ist ein dehnbarer und evakuierter Balg 160 angeordnet.
Er ist gegen den Außendruck durch Deckplatten 162 und 164 abgeschlossen. Die Deckplatte
164 wird durch eine einstellbare Schraube 166 in ihrer Stellung gehalten. Die obere
Deckplatte 162 weist einen vorstehenden Arm 168 auf, an dem über einen Zapfen 172
ein Hebel 170 befestigt ist. Der Hebel 170 ist um einen Zapfen 174
schwenkbar gelagert und hat Nuten 176 und 178, um die hakenförmig abgebogenen Enden
der Federn 44 bzw. 42 aufzunehmen. Mit dem (in F i g. 1) rechten Ende des Hebels
176 ist mittels einer einstellbaren Schraube 180 das Servoventil 46 verbunden, das
als Halbkugelventil ausgeführt ist. Das Servoventil 46 dient zur Steuerung des wirksamen
Querschnitts einer Öffnung 182, die an einer Leitung 184
vorgesehen
ist. Diese Leitung 184 steht mit einer Druckkammer 186 in Verbindung, die wiederum
über eine Drossel 188 mit dem Kanal 28 verbunden ist. Die Druckkammer 186 ist oben
durch ein bewegbares Ventilglied 190 verschlossen. Dieses Ventilglied ist mittels
einer Schraube 192 fest auf dem Brennstoffregelventil 32, 34 angeordnet. Ein von
dem Ventilglied 190 ausgehendes Glied 194 ist mit dem unteren Ende der Feder 42
verbunden. Sowohl die Feder 42 als auch die Feder 44 sind Zugfedern. Die Spannung
der Feder 44 ist durch eine Stellschraube 196 von Hand einstellbar.
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Die Drosseln 154 und 158 haben ein ganz bestimmtes, in Abhängigkeit
von der Verdichtercharakteristik des jeweiligen Gasturbinentriebwerks gewähltes
Querschnittsverhältnis. Es hat sich gezeigt, daß bei richtig ausgewähltem Querschnittsverhältnis
dieser Drosseln der Druck P", unmittelbar vom Verdichtungsverhältnis P.
: Pi des Verdichters abhängt oder ein Maß einer vorbestimmten Funktion des
Verdichtungsverhältnisses ist. Dabei werden diese Drosseln so bemessen, daß die
Durchflußgeschwindigkeit der Luft durch die zweite Drossel 158 bei einem vorbestimmten
Verdichterdruckverhältnis Schallgeschwindigkeit erreicht. Von da an ist der Druck
Pm bei allen Verdichtungsverhältnissen oberhalb des genannten vorbestimmten Verdichtungsverhältnisses
ein vorbestimmter fester Prozentsatz des Förderdrucks P, Die Wirkung des Druckgebers
40 besteht darin,. den Ventilkörper 34 des Brennstoffregelventils 32, 34 so einzustellen,
daß der Ventilquerschnitt zwischen Ventilsitz 32 und Ventil 34 unmittelbar eine
Funktion des Verdichtungsverhältnisses ist und daß bei jeder gegebenen Druckdifferenz
am Ventilsitz 32 der Brennstoffdurchfluß dieser vorbestimmten Funktion des Verdichtungsverhältnisses
proportional ist.
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Die Druckdifferenz am Brennstoffregelventil 32,34 . wird vom Drehzahlgeber
56 so vorgegeben, daß sie sich mit dem Quadrat der Triebwerksdrehzahl ändert..
Das
Fliehgewicht 58 des in Abhängigkeit von der Triebwerksdrehzahl wirkenden ersten
Fliehkraftreglers ist am äußeren Ende eines Hebels 200 derart angeordnet,
daß es auf die bewegbare Hülse 66 eine Kraft ausübt, die dem Quadrat der Triebwerksdrehzahl
proportional ist. Diese Kraft wirkt zusätzlich zu der Kraft, die durch den Brennstoffdruck
P2 auf die obere Seite des Kolbens 78 ausgeübt wird. Diesen Kräften wirkt der Brennstoffdruck
P, an der Unterseite des Kolbens 78 entgegen. Auf diese Weise wird ein Ausgleich
zwischen diesen gegeneinander wirkenden Kräften bei allen Gleichgewichtszuständen
des Triebwerks geschaffen.
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Während eines übergangsbetriebszustandes des Strahltriebswerks, z.
B. während einer Beschleunigung, wird der Bedienhebel 102 im Sinne der F i g.1 entgegen
dem Uhrzeigersinn verdreht. Diese Verdrehung des Bedienhebels 102 bewegt
über die Feder 104 das Ventilglied 106 derart, daß der Brennstoffdurchfluß
durch das dritte Brennstoffventil 100, 112,
114 zur Auslaßleitung
124 unterbrochen wird. Dadurch strömt aller Brennstoff, der durch das Brennstoffregelventil
32, 34 der Brennstoffsteuervorrichtung 20 in die Leitung 17 fließt, zu den Brennerdüsen
16.
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Infolge der in dieser Weise gesteigerten Brennstoffzufuhr nimmt die
Triebwerksdrehzahl zu. Dabei nimmt die Kraft des Fliehkraftreglers 58 mit dem Quadrat
der Triebwerksdrehzahl zu und steuert über das Steuerglied 76 den Druckunterschied
(P,-P") am Kolben 78 entsprechend. Dies wird dadurch erzielt, daß das Servoventil
82 in Schließrichtung betätigt und dadurch der Brennstoffdruck PX in der Kammer
88 verkleinert wird. Hierdurch wird das Ventilglied 54 des zweiten Brennstoffventils
50 in Schließrichtung betätigt, so daß der Pumpendruck P, ansteigt, bis der Druckunterschied
(P,-P.) am Kolben 78 der Stehkraft des Fliehkraftreglers 58 das Gleichgewicht hält.
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Durch die Steigerung des Pumpendruckes P1 erhöht sich die am Brennstoffregelventil
32, 34 stehende Druckdifferenz entsprechend. Dies wiederum bewirkt einen entsprechenden
höheren Brennstoffdurchfluß durch dieses Ventil, d. h. durch die Brennstoffsteuervorrichtung
20, und damit auch eine erhöhte Brennstoffzufuhr zum Triebwerk, so daß sich das
Triebwerk in dem durch die Verstellung des Bedienhebels geforderten Ausmaß beschleunigt.
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Durch die Zunahme der Triebwerksdrehzahl steigt auch der Verdichterauslaßdruck
P, der der Kammer 150 des Druckgebers 40 durch die Leitung 152 zugeführt wird. Dies
führt zu einer Erhöhung des Drucks PM'. Ferner wird der Balg 160 zusammengedrückt.
Infolgedessen öffnet der Hebel 170 die Öffnung 182, um den Druck PX
in der Druckkammer 186 zu vermindern. Dadurch wird das Ventilglied 190 nach unten
bewegt und ferner der Öffnungsquerschnitt des Ventilsitzes 32 vergrößert, um eine
Erhöhung der Triebwerksdrehzahl gemäß der Beschleunigungskurve 21.2 in F i g. 4
herbeizuführen.
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Lediglich zum Zweck der Erläuterung sei angegeben, daß das Triebwerk
die in F i g. 2 dargestellte Verdichter-Instabilitätskennlinie hat und daß das Querschnittsverhältnis
der Drosseln 151 und 158 so gewählt ist, daß die Luftströmung durch
die zweite Drossel 158 bei einem Verdichterdruckverhältnis von 4,5 Schallgeschwindigkeit
annimmt. Bei diesem Verhältnis läuft die Beschleunigungskurve flach aus und folgt
der Instabilitätskennlinie des Verdichters. Nachdem die kritische oder Schallgeschwindigkeit
an der Drossel 158 erreicht ist, hat eine weitere Steigerung des Verdichtungsverhältnisses
keine Auswirkung auf den
wie in F i g. 2 dargestellt, da dann P. ein konstanter Prozentsatz von P, ist. Die
Spannung der Feder 44 wird durch die Stellschraube 196 so eingestellt, daß die Beschleunigungskurve
als Ganzes so nahe wie praktisch vertretbar an der Verdichterpumpkurve verläuft.
Das Querschnittsverhältnis der Drosseln kann natürlich erforderlichenfalls verändert
werden, um den kritischen oder Schallgeschwindigkeitsdurchflußzustand bei größeren
oder kleineren Verdichtungsverhältnissen zu erhalten, als in F i g. 2 dargestellt
ist. Hierdurch ergibt sich ein verhältnismäßig einfacher Steuermechanismus, der
leicht an andere Strahltriebwerke mit anderen als den in F i g. 2 dargestellten
Instabilitätskennlinien des Verdichters angepaßt werden kann.
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F i g. 3 zeigt die durch die Kurven der F i g. 2 dargestellten typischen
Arbeitskennlinien in einer auf andere Koordinaten transportierten und auf Meereshöhe
bezogenen Darstellung. Zunächst sei angenommen, das Triebwerk arbeite im Beharrungszustand
A auf der Beharrungszustandskurve 210. Dabei ist die zum Triebwerk strömende, zur
Aufrechterhaltung der zugehörigen Drehzahl erforderliche Brennstoffmenge gleich
der durch das Brennstoffregelventil 32, 34 strömenden Menge, vermindert um
die durch die zweite Bypassleitung 120, 124, 127, also durch das dritte Brennstoffventil
100, 112, 114 und das vierte Brennstoffventil 126 strömende Menge. Wenn der Pilot
nun eine Beschleunigung bis zum Punkt D auf der Beharrungszustandskurve
210 wünscht, verstellt er den Bedienhebel 102 (F i g. 1) in eine dem
Beharrungszustand in Punkt D entsprechende Lage. Dadurch wird die Spannung der Feder
104 entsprechend verstellt, und als Folge davon wird durch das Ventilglied 106 zunächst
das dritte Brennstoffventil 100, 112, 114 und damit der Brennstoffabfluß
durch die zweite Bypassleitung 120, 124, 127 vollständig gesperrt. Dies erhöht
den Brennstoffzustrom zu den Brennerdüsen aus der Ausgangsleitung 17 entsprechend.
Als Folge davon steigt die Triebwerksdrehzahl, und der in Abhängigkeit von der Drehzahl
wirkende Fliehkraftregler 58 wirkt im Sinn einer Schließung des Ventilsitzes 84
des Servoventils 82. Hierdurch nimmt der Druck des Brennstoffs in der Brennstoffkammer
88 an der Unterseite der Membran 90 zu, und das Ventilglied 54 wird in Schließrichtung
bewegt. Dies erhöht den Pumpendruck P, des Brennstoffs in der Brennstoffleitung
48; dadurch steigt die Druckdifferenz Pl-P., am Brennstoffregelventil 32, 34 und
damit auch der brennstoffdurchfluß durch das Brennstoffregelventil auf einen Wert,
der dem Punkt B auf der Beschleunigungskurve 212 in F i g. 3 entspricht. Bei Erreichen
des Punkts B ist das Brennstoffregelventil 32, 34 noch nicht merklich verstellt
worden, da das Verdichterdruckverhältnis im Punkt B etwa wie bei Punkt A das gleiche
ist. Die beim Übergang von A nach B erfolgte Steigerung der Brennstoffzufuhr
zu den Brennerdüsen beruht auf der Schließung des dritten Brennstoffventils
100, 112,114 und dem plötzlichen Anstieg der Druckdifferenz P,-P, am Brennstoffregelventil
32, 34, die sich aus der- Verstellung des Ventilglieds 54 ergibt. Von Punkt
B bis Punkt C auf der Beschleunigungskurve 212 nimmt die Brennstoffzufuhr mit einer
solchen Geschwindigkeit zu, daß die Kurve dicht an der Instabilitäts- oder Pumpkurve
des
Verdichters verläuft. Dabei wird das Brennstoffregelventil 32, 34 mit einer Geschwindigkeit
geöffnet, die der Änderung des Drucks P. proportional ist, während der zweite Fliehkraftregler
58 eine Druckdifferenz P.,-F. am Brennstoffregelventil 32
einstellt, die dem
Quadrat der Triebwerkdrehzahl proportional ist, wie oben beschrieben wurde. Wenn
die neue Triebwerkdrehzahl entsprechend Punkt C auf der Beschleunigungskurve 212
der F i g. 3 erreicht worden ist, übersteigt die Kraft des zweiten Fliehkraftreglers
108 die Kraft der Feder 104 und bewegt das Ventilglied 106 in Öffnungsrichtung (im
Sinne der F i g. 1 nach links). Dadurch wird die aus der Leitung 17 zu den Düsen
strömende Brennstoffmenge durch Ableitung eines Teils des Brennstoffs vermindert,
bis Punkt D auf der Kurve 210 der F i g. 4 erreicht ist. Bei Punkt D befindet sich
die Brennstoffregelanlage wieder im Gleichgewichts- oder Beharrungszustand. Dabei
befindet sich dann das Brennstoffregelventil 32, 34 in einer Stellung, in der die
Feder 42 sich im Gleichgewicht mit dem Balg 160 befindet.
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Der gerade beschriebene Beschleunigungsplan ist in F i g. 12 auf den
Kurven durch die Punkte ä , b',
c, d dargestellt. Diese Betriebszustände
treffen für alle Höhenlagen zu. Die Teile der in F i g. 1 dargestellten Brennstoffregelanlage
erzeugen dann zusammenwirkend einen Brennstoffdurchfluß durch das Brennstoffregelventil
32, 34, der das Triebwerk unabhängig von Änderungen des Verdichtereinlaßdrucks und/oder
der Temperatur bei jeder beliebigen Einstellung des dritten Brennstoffventils
100, 112, 114 im Beharrungszustand hält.
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Während einer Verzögerung des Triebwerks, beispielsweise von Punkt
D zu Punkt A durch die Punkte E und F, finden die umgekehrten Vorgänge
statt; in der auf Meereshöhe bezogenen Darstellung der F i g. 3 wird das Triebwerk
längs der Kurve D E FA verzögert.
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Genauer gesagt, wird zur Verzögerung des Triebwerks der Bedienhebel
102 im Sinn der F i g. 1 im Uhrzeigersinn verdreht. Dadurch wird die Kraft
der Feder 104 vermindert. Der zweite Fliehkraftregler 108 bewegt dann das Ventilglied
106 im Sinn der F i g.1 nach links bis zu einem einstellbaren Maximalanschlag
107, um den Brennstoffzuffuß zu den Düsen durch Ableitung von noch mehr Brennstoff
aus der Ausgangsleitung 17 zu vermindern, bis der Punkt E auf der Verzögerungskurve
211 erreicht ist. Der Verdichterauslaßdruck PC nimmt ab, und die drehzahlabhängige
Druckdifferenz Pl-P2 am Brennstoffregelventil 32,34 vermindert sich so, daß das
Triebwerk entsprechend der Minimaldurchfluß- oder Verzögerungskurve 211 der
F i g. 3 arbeitet, bis der Punkt F erreicht ist. Wenn sich dann die Brennstoffregelanlage
einem Gleichgewicht zwischen den Kräften des Fliehkraftreglers 108 und der Feder
104 nähert, wird das Ventilglied 106 veranlaßt, die Stellung einzunehmen,
die für einen stabilen Betriebszustand des Triebwerks entsprechend Punkt A der Kurve
210 in F i g. 3 nötig ist. Die Druckdifferenz P2-P2 ist dem Durchfluß proportional.
Wenn die Höhe zunimmt, nimmt der Einlaßdruck und dadurch auch der Brennstoffdurchfluß
durch das Venturirohr 118 ab. Dies wiederum vermindert P2-P2 , so daß sich eine
geringere Druckdifferenz P2-P3 am dritten Brennstoffventil 100 einstellt.
Dadurch wird die bekannte fallende Charakteristik mechanischer Proportionalregler
nach Art des zweiten Brennstoffventils 100, 112, 114 kompensiert, so daß
bei allen Betriebshöhen stabile Betriebszustände aufrechterhalten werden.