DE1290373B - Brennstoffregelanlage fuer Gasturbinentriebwerke - Google Patents

Brennstoffregelanlage fuer Gasturbinentriebwerke

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DE1290373B
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fuel control
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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Das Brennstoffregelventil 32, 34 wird durch einen Druckgeber 40 und Federn 42 und 44 mittels eines Servoventils 46 gesteuert.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (1)

  1. Patentansprüche: 1. 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 Bypassleiung und mit einer das Regelventil. überbrückenden, ein von der Triebwerksdrehzahl entsprechend der Einstellung eines Bedienhebels gesteuerten drittes Brennstoffventil aufweisenden zweiten Bypassleitung, d a -durch gekennzeichnet, daß das zweite Ventil (50) gegebenenfalls über eine Servoeinrichtung (82) von der Triebwerksdrehzahl gesteuert wird, daß die zweite Bypassleitung (120,124,127) zum Pumpeneinlaß (26) zurückführt und daß in ihr hinter dem dritten Ventil (100, 112, 114) ein viertes Brennstoffventil (126) angeordnet ist, das in Abhängigkeit von der durch das Regelventil (32, 34) strömenden Brennstoffmenge im öffnungssinn und in Abhängigkeit vom am dritten Ventil vorhandenen Druckunterschied (P2-P3) im Schließsinn gesteuert wird. z. Brennstoffregelanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in der ersten Bypassleitung (48, 52) liegende zweite Ventil (50) in an sich bekannter Weise durch eine Membran (90) gesteuert wird, die vom Pumpendruck (P1) auf Öffnen und von einem drehzahlabhängigen Druck (Px) auf Schließen beaufschlagt wird. 3. Brennstoffregelanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der drehzahlabhängige Druck (P,) durch ein ebenfalls an die erste Bypassleitung (48, 52) angeschlossenes Servoventil (82) eingestellt wird, das über ein Gestänge (68, 70, 72, 74, 76) von einem von der Turbine angetriebenen Fliehkraftregler (58) gesteuert wird. 4. Brennstoffregelanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das in der zweiten Bypassleitung (120, 124, 127) liegende dritte Ventil (100, 112, 114) in an sich bekannter Weise von einem von der Turbine angetriebenen zweiten Fliehkraftregler (108) gesteuert wird, dessen Gegenfeder (104) durch den Bedienhebel (102) einstellbar ist.
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