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Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffregelanlage mit einem
hydraulisch betätigten, eine Beschleunigungs- und Verzögerungsbegrenzungseinrichtung
aufweisenden und von einer Steuerdose beeinflußten Brennstoffregelorgan sowie mit
einer die Steuerdose aufnehmenden Kammer, die über eine Drossel an eine Verdichterstufe,
insbesondere den Verdichterausgang, angeschlossen und mit einem von einer Triebwerkszustandsgröße,
z. B. der Heißgastemperatur, gesteuerten Abflußventil verbunden ist, das diese Zustandsgröße
durch Absenken des Kammerdrucks begrenzt, nach Patent 1096 119, für Gasturbinentriebwerke
mit freier Arbeitsturbine, der ein Drehzahlgrenzregler und eine Drehmomentmeßeinrichtung
zugeordnet ist, insbesondere von Flugzeugen.
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Brennstoffregler der vorerwähnten Art bestehen nach dem Hauptpatent
im wesentlichen aus einer hydraulisch angetriebenen Brennstoffdosiervorrichtung,
aus einer in den hydraulischen Arbeitskreis der vorgenannten Dosiervorrichtung eingreifenden
Beschleunigungs- und Verzögerungseinrichtung und aus einer Stellvorrichtung, die
einerseits von der Brennstoffdosiervorrichtung und andererseits von einem Arbeitskolben
angetrieben wird, der von der eingangs genannten Steuerdose gesteuert wird, deren
Einbauraum (Kammer) mit dem Verdichterausgang über eine Steuerleitung in Verbindung
steht. Der hydraulische Antriebskreis für den Brennstoffdosierkolben wird primär
durch einen vom Gasgenerator angetriebenen Drehzahlregler (Fliehkraftregler) gesteuert,
der einerseits einen Steuerkolben betätigt, der andererseits vom Vorwählhebel des
Piloten über eine Vorspannfeder gestellt wird.
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Der Brennstoffregler arbeitet daher grundsätzlich als Drehzahlregler
mit einer vom Verdichterenddruck überwachten Bemessung der Brennstoffmenge beim
Beschleunigen und Verzögern des Triebwerks entlang einer oberen höchstzulässigen
Brennstoffeinspritzmenge (Pumpgrenze des Verdichters) und einer unteren Mindestbrennstoffmenge
(Brennkammerlöschgrenze). Verantwortlich für die Einhaltung der Brennstoffhöchst-
und -mindestgrenze und für die generelle Übersteuerung der Brennstoffmenge in Abhängigkeit
vom Verdichterenddruck ist die eingangs erwähnte Steuerdose, auf deren Existenz
bei einem Brennstoffmengenregler mit dem vorbeschriebenen oder ähnlichem Aufbau
die vorliegende Erfindung basiert.
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Nach dem Hauptpatent ist ferner zur Temperaturüberwachung in der zwischen
Verdichter und der Dosenkammer verlaufenden Steuerleitung eine Drossel vorgesehen
und zwischen dieser und der Dosenkammer eine Leitung angeschlossen, die zu einem
Temperaturbegrenzer führt, der mit einem Thermofühler in einen Turbinenkanal des
Triebwerks, insbesondere in den Abgaskanal, eingreift. Sobald die Gas- oder Abgastemperatur
einen Höchstwert überschreitet, wird durch den Temperaturbegrenzer Luft aus der
Dosenkammer abgeblasen, wodurch die Brennstoffeinspritzmenge vorübergehend vermindert
wird.
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Ferner ist es bei Gasturbinentriebwerken mit einer vom Gasgenerator
mechanisch getrennten Arbeitsturbine bekannt, zur Begrenzung der Höchstdrehzahl
derselben einen Drehzahlgrenzregler (Fliehkraftregler) mit einer in den Brennstoffkreislauf
eingreifenden Steuerungseinrichtung vorzusehen, die beim überschreiten der Höchstdrehzahl
einen Teil der zum Einspritzsystem des Triebwerks strömenden Brennstoffmenge in
den Brennstoffrücklauf absteuert (französische Patentschrift 1252 572). Die
Anordnung des Drehzahlgrenzreglers für die freie Arbeitsturbine am Triebwerk wirft
verschiedene Probleme auf, die bislang noch nicht befriedigend gelöst worden sind.
Dadurch, daß einerseits der mechanische Antrieb des Drehzahlreglers eine in der
Nähe der Arbeitsturbine liegende Anordnung verlangt, ist es andererseits auf Grund
der Lage des Brennstoffreglers und des gesamten Brennstoffversorgungs- und Einspritzsystems
im Bereich des Gasgenerators noch vor der Brennkammer erforderlich, eine von der
Brennstoffdüsenzulaufleitung des Brennstoffreglers zum Drehzahlgrenzregler der Arbeitsturbine
führende Brennstoffnebenleitung mit einer Rückführleitung zur Brennstoffrücklaufleitung
des Brennstoffreglers oder zum Brennstoffbehälter am Triebwerk entlang zu verlegen.
Der erforderliche Verlauf der Brennstoffnebenleitung zu dem aus praktischen Gründen
und mit Rücksicht auf die Abnahme seines mechanischen Antriebs hinter der Arbeitsturbine
über dem Abgaskanal oder zwischen einer Abgasrohrverzweigung installierten Drehzahlgrenzregler
bringt jedoch bei Beschädigung oder Bruch dieser Leitung erhebliche Gefahren mit
sich, da es hierbei nicht zu vermeiden ist, die Brennstoffnebenleitung über heiße
Triebwerksteile oder an solchen vorbeizuführen.
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Weiter ist es bei Gasturbinentriebwerken mit einer freien Arbeitsturbine
bekannt, zur Feststellung des von der letzteren erzeugten Drehmoments Drehmomentmeßeinrichtungen
mit einem Stellglied vorzusehen, das den Drehmomentmeßwerten proportionale lineare
Stellbewegungen ausführt, die auf mechanischem, hydraulischem oder elektrischem
Weg in auf einem Anzeigegerät ablesbare Meßwerte umgewandelt werden. Zum Beispiel
besteht nach der deutschen Patentschrift 1173 673 eine solche Vorrichtung
zum Umwandeln von Verstellbewegungen in zum Beaufschlagen von Anzeigeeinrichtungen
dienende Drücke aus einer an einem unter konstantem Vordruck gehaltenen hydraulischen
Kreislauf angeschlossenen Kammer mit einem darin angeordneten, in sich elastischen
Druckbalg, der durch die eingeleiteten Verstellbewegungen des Stellglieds unter
Vorspannung gehalten wird und ein Ventil zur Steuerung des Abflusses des hydraulischen
Mittels aus der Druckkammer belastet, an der eine zu der Anzeigeeinrichtung führende
Meßleitung angeschlossen ist.
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Für den Betrieb eines Gasturbinentriebwerks ist es jedoch nicht nur
wichtig, die augenblickliche Größe des Drehmoments der freien Arbeitsturbine zu
kennen, sondern es ist auch aus Gründen der Betriebssicherheit in vielen Fällen
notwendig, das maximale Drehmoment nicht zu überschreiten. Die Drehmomentbegrenzung
ist insbesondere bei für den Einbau in Landfahrzeugen, wie Lastkraftwagen usw.,
bestimmten Gasturbinentriebwerken erforderlich, da beim Abbremsen der Arbeitsturbine
auf die Drehzahl »Null« und bei gleichzeitigem Hochfahren des von der Arbeitsturbine
getrennten Gaserzeugers das Drehmoment seinen zulässigen Höchstwert erreicht, der
hierbei leicht überschritten wird.
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Ferner ist es nach der Literaturstelle »Brown Boveri Mitteilungen«,
Januar/Februar 1960, S.45, Bild 12, bei einer Steuerung für eine stationäre Gasturbinenanlage
bekannt, Regel- und Sicherheitsthermostate in einer nach der Brennkammer verlaufenden
Heißgasleitung
einzubauen, welche die Gichtgaszufuhr zur Brennkammer bei überschreiten einer vorbestimmten
Höchsttemperatur vermindern. Außerdem sind hier Drehzahlbegrenzer (Fliehkraftregler)
für die Hochdruck- und Niederdruckgruppe installiert. Sämtliche verwendeten Kontrollorgane
greifen in einen besonderen Druckölsteuerkreislauf ein, der im Rahmen der Erfindung
jedoch vermieden werden soll.
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Außerdem ist nach der Fachzeitschrift »The Oil Engine and Gas Turbine«
vom Februar 1959 eine Gasturbinenregelanlage mit einem Höchstdrehzahlregler und
einer Temperaturbegrenzungseinrichtung bekannt, die auf pneumatischem Weg ein Bypass-Ventil
betätigen, das eine zum eigentlichen Brennstoffregler parallele Brenastoffnebenleitung
steuert. Dies geschieht in der Weise, daß bei überschreiten der Höchstdrehzahl und/oder
der Höchsttemperatur der Druck in einer am Verdichter angeschlossenen gemeinsamen
Druckluftleitung vom Drehzahlregler und/oder von der Temperaturbegrenzungseinrichtung
vorübergehend abgesenkt wird, wodurch das Bypass-Ventil beeinflußt bzw. betätigt
wird, so daß vorübergehend eine größere Brennstoffmenge über die Nebenleitung abgesteuert
wird.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, unter Zugrundelegung der
Brennstoffregelanlage nach dem Hauptpatent und Vermeidung einer besonderen Brennstoffnebenleitung
zum Zweck der vorüberaehenden Verminderung der Brennstoffeinspritzmenge bei überschreiten
der Höchstdrehzahl und der oberen Grenze des Drehmoments der Arbeitsturbine eine
konstruktiv einfache und funktionssichere Ausführung außer für die Temperaturbegrenzung
auch für die Drehzahl- und Drehmomentbegrenzung zu schaffen.
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Gelöst wird die Aufgabe der Erfindung dadurch, daß auch in an sich
bekannter Weise der Drehzahlgrenzregler und der Drehmomentgrenzregler der Arbeitsturbine
je ein Abflußventil steuern, die beide mit der Einbaukammer der Steuerdose des Brennstoffreglers
verbunden sind.
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In Ausgestaltung der Erfindung sind als Abflußventile zum vorübergehenden
Vermindern des Drucks in der Drosseleinbaukammer von den Fliehgewichten des Drehzahlgrenzreglers
und von dem lineare Stehbewegungen ausführenden Stellglied der Drehmomentmeßeinrichtung
betätigte Tandemkolbenschieber vorgesehen, an deren Kolbenzwischenräumen zum Doseneinbauraum
oder zur Steuerleitung führende, zueinander parallele Leitungen, und zwar eine Drehzahlbegrenzungssteuerleitung
und eine Drehmomentbegrenzungssteuerleitung angeschlossen sind, und. deren Steuerkolben
bei Erreichen der Höchstdrehzahl und des maximalen Drehmoments der Arbeitsturbine
Abblasleitungen steuern.
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Infolge des in allen im Rahmen der Erfindung ins Auge gefaßten Kontrollfällen
erfolgenden rein pneumatischen Eingriffs in den die Brennstoffeinspritzmenge beeinflussenden
bzw. überwachenden Verdichter-Regelkennwert, z. B. den Verdichterenddruck, wird
eine bauliche Vereinfachung und räumlich gedrängte Ausführung der gesamten Regel-
und überwachungsanlage des Triebwerks, verbunden mit großer Betriebssicherheit,
erreicht. So ist erfindungsgemäß nur eine einfache, vom Brennstoffregler zum Drehzahlgrenzregler
führende, mit Druckluft arbeitende Überwachungsleitung notwendig, im Gegensatz zu
den bekannten Ausführungen mit einer mit einem Brennstoffsteuerventil beeinflußten
Brennstoffnebenleitung. Außerdem wird die installierte bekannte Drehmomentmeßeinrichtung
durch die erfindungsgemäße Ergänzung in Form der Drehmomentbegrenzungseinrichtung
baulich kaum vergrößert.
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In der Zeichnung ist an Hand eines Ausführungsbeispiels eine Anlage
gemäß der Erfindung zum überwachen von Gasturbinentriebwerken im Schema dargestellt.
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Die gezeigte überwachungsanlage für ein Gasturbinentriebwerk mit einer
freien Arbeitsturbine besteht im wesentlichen aus einem Drehzahlgrenzregler 11 und
einer Drehmomentmeß- und Begrenzungseinrichtung 12 für die Arbeitsturbine und aus
einer Temperaturbegrenzungseinrichtung 13. Alle diese drei übrwachungseinrichtungen
sind über Leitungen, die im folgenden näher beschrieben werden, an der Einbaukammer
14 einer Steuerdose 15 angeschlossen, die einem Brennstoffregler zugeordnet
ist, wie er eingangs bereits näher erläutert wurde.
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Zwischen der Kammer 14 und dem Verdichter des Triebwerks verläuft
eine Leitung 16, im folgenden Steuerleitung genannt, über die der Verdichterdruck
p, in die Kammer 14 übertragen wird. In der Steuerleitung 16 ist eine Blende 17
eingebaut, zwischen der und der Kammer 14 eine Steuersammelleitung
18 angeschlossen ist. Der Drehzahlgrenzregler 11 wird über einen Kegelradtrieb
19 von der freien Arbeitsturbine des Triebwerks angetrieben und besteht hauptsächlich
aus Fliehgewichten 20 und einer von diesen betätigten Steuereinrichtung in Form
eines Tandemkolbenschiebers 21 mit einem Steuerkolben 21 a, der eine
Luftabblasleitung 22 steuert. In dem vom Tandemkolbenschieber 21 begrenzten Kolbenzwischenraum
23 ist eine Leitung, die Drehzahlbegrenzungssteuerleitung 24, angeschlossen, die
zur Steuersammelleitung 18 führt. Die Steuereinrichtung 21 stützt sich andererseits
über ein Wälzlager 25 auf eine Gegenfeder 26 ab, deren Vorspannung so groß gewählt
ist, daß der Kraft der Fliehgewichte 20 bis Erreichen der Höchstdrehzahl das Gleichgewicht
gehalten wird. Die Fliehgewichte 20 laufen in einem mit Drucköl versorgten Einbauraum
27 und das Wälzlager 25 in einem Einbauraum 28, der mit dem Einbauraum 27 über eine
durchgehende Bohrung 29 in Verbindung steht. überschreitet nun die Arbeitsturbine
ihre Höchstdrehzahl, so öffnet der von den Fliehgewichten 20 nach rechts bewegte
Steuerkolben 21 a die Abblasleitung 22 vorübergehend, wodurch sich der Druck p2
in der Kammer 14 vermindert. Dabei dehnt sich die Steuerdose 15 aus und bewirkt
über den Brennstoffregler eine Reduzierung der Brennstoffeinspritzmenge so lange,
bis die Arbeitsturbine wieder unter ihrer oder im maximalen Fall mit ihrer Höchstdrehzahl
läuft.
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Die Drehmomentmeß- und Begrenzungseinrichtung 12 besteht hauptsächlich
aus einem lineare Stellbewegungen ausführenden Stellglied 30, einer Steuereinrichtung
in Form eines Tandemkolbens 31 mit einem Steuerkolben 31 a, einem in einer Druckkammer
32 eingebauten Dosenpaket 33 und einem Ventil 34. Die Druckkammer 32 ist an einem
Druckölkreislauf angeschlossen, in dessen Zulaufleitung 35a
eine Blende 36
eingebaut ist, um die Durchflußmenge durch die Druckkammer 32 möglichst klein zu
halten, und dessen durch die Steuereinrichtung 31 führende Rücklaufleitung
35 b vom Ventil 34 gesteuert
wird. An der Druckkammer
32 ist ferner eine Meßleitung 37 angeschlossen, durch die der in der Druckkammer
32 erzeugte Druck auf ein geeichtes Anzeigegerät übertragen wird, an dem das jeweilige
Drehmoment abgelesen werden kann. Am Kolbenzwischenraum 38 des Tandemkolbens 31
ist eine Leitung, die Drehmomentbegrenzungsleitung 39, angeschlossen, die zur Steuersammelleitung
18 führt.
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Die Wirkungsweise der Drehmomentmeß- und Begrenzungseinrichtung ist
folgende: Bei einer Drehmomentänderung (Drehmomenterhöhung) der Arbeitsturbine wird
das Stellglied 30 nach rechts bewegt, das über die Steuereinrichtung 31 die Druckdosen
33 weiter vorspannt und das Steuerventil 34 vorübergehend schließt, so daß die Rücklaufleitung
35 b zunächst geschlossen ist. Hierauf erhöht sich der in der Druckkammer
32 bereits herrschende Druck und drückt das Dosenpaket 33 entgegen dessen Vorspannkraft
noch mehr zusammen, und zwar so lange, bis sich das Steuerventil 34 etwas anheben
kann, so daß wieder hydraulisches Druckmittel über die Rücklaufleitung 35 b abfließt.
Es herrscht nun praktisch wieder Gleichgewicht zwischen der Vorspannkraft (inneren
Spannung) des Dosenpakets 33 und dem hydraulischen Gegendruck (der in kleinsten
Grenzen die Vorspannung des Dosenpakets 33 überwiegt), der, sofern keine neue Verstellbewegung
eingeleitet wird, nunmehr konstant bleibt. Die am Stellglied 30 angreifenden Verstellkräfte
werden in Gegenrichtung durch die Spannung einer Feder kompensiert, so daß das Stellglied
30 in der jweiligen Stellung, diktiert durch das jeweilige Drehmoment, verbleibt.
übersteigt nun das von der Arbeitsturbine erzeugte Drehmoment seinen höchstzulässigen
Wert, so öffnet der Steuerkolben 31 a eine Luftabblaseleitung 40, so daß
der Druck p, in der Doseneinbaukammer 14 vorübergehend vermindert wird, wodurch
die Brennstoffeinspritzmenge reduziert wird, so lange, bis das Drehmoment wieder
unter den höchstzulässigen Wert fällt.
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Der an sich bekannte Temperaturbegrenzer 13 besteht im wesentlichen
aus einem in den Turbinenabgaskanal 41 hineinragenden Thermofühler 42 und einer
von diesem betätigten Steuereinrichtung 43, an der einerseits eine zur Steuersammelleitung
18 führende Temperaturbegrenzungssteuerleitung 44 angeschlossen ist und die
eine Luftabblaseleitung 45 steuert. überschreitet die Temperatur der Turbinenabgase
einen Höchstwert, so wird durch die Steuereinrichtung 43 Luft abgeblasen und der
Druck p., in der Doseneinbaukammer 14 vorübergehend vermindert, wodurch das sich
ausdehnende Dosenpaket 15 auf den Brennstoffregler im Sinne einer reduzierenden
Brennstoffeinspritzmenge einwirkt, und zwar so lange, bis die Temperatur der Abgase
wieder unter den höchstzulässigen Wert fällt.
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Die .drei Leitungen 24, 39 und 44 können auch unmittelbar am Doseneinbauraum
14 oder an der Steuerleitung 16 angeschlossen sein.