DE1626128C3

DE1626128C3 - Verfahren zur Regelung der Brennstoffzuführung zu der Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE1626128C3
Application number: DE1626128A
Authority: DE
Inventors: Wesley Boyd Derby Derbyshire Edwards
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1967-01-13
Filing date: 1968-01-09
Publication date: 1981-07-02
Also published as: GB1173841A; FR1551383A; US3530666A; DE1626128B2; DE1626128A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 2 angegebenen Gattung.

Ein solches Verfahren bzw. eine solche Vorrichtung ist aus der US-PS 30 91 925 bekannt. Hier wird zwar zur Brennstoffzumessung eine von einem Druckverhältni:

abhängige Steuerung vorgesehen, jedoch greift der Gashebel hier direkt auf die Einstellung des Zumeßventils ein, und es kann ein gewünschtes optimale; Druckverhältnis PzlP\ über den gesamten Verdichterteil, d. h. Niederdruckverdichter und Hochdruckverdichter nicht unter allen Betriebsbedingungen aufrechterhalten werden. Hier werden nämlich die Drosselöffnungen anfänglich abgedrosselt und später ir ihre geöffnete Stellung überführt, wodurch das Druck verhältnis P₃/P\ nicht konstant gehalten werden kanr Bei diesem bekannten Bereichsdrehzahlregler ist de primäre Steuerparameter die Drehzahl einer Welle de^c Triebwerks. Zwar werden die Einlaß- und Auslaßdrück, des Verdichters zu Steuerzwecken herangezoger jedoch ändern diese die Brennstoffzuführung in de

jo Weise, daß Änderungen im Umgebungsluftdruc kompensiert werden und es wird die Brennstofförde rung während der Beschleunigung gesteuert.

Der Brennstoffregler nach der genannten US-P basiert weiter darauf, daß unter stetigen Bedingunge jede Änderung der Triebwerksdrehzahl durch ei Ungleichgewicht zwischen einer von einem Fliehkraf regler erzeugten Belastung und einer Feder dt Gashebels festgestellt wird. Die Brennstoffströmun wird dann so gesteuert, daß die Stetigkeitsbedingun wieder hergestellt wird, wobei für diesen Zweck kei anderer Parameter herangezogen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, d; Gesamtverdichtungsverhältnis für jede gegebene Ga hebelstellung, Außentemperatur, Flughöhe und Mac zahl etwa konstant zu halten.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe verfahrensmäß durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale und konstruktiv durch die i Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 2 angegeb

so nen Merkmale.

Auf diese Weise wird das Druckverhältnis zwischi Einlaßdruck des Niederdruckverdichters und Ausla druck des Hochdruckverdichters unter allen Betrieb bedingungen konstant gehalten, wobei auch d Gashebel des Flugzeugführers nicht direkt, sonde unter Beeinflussung der Druckverhältnisse auf c Verstellung des Zumeßventils einwirkt, welches sich ^: übrigen jeweils nach den herrschenden DruckverhS nissen so einstellt, daß das optimale Druckverhält:

ω) erhalten bleibt.

Es ist zwar aus der US-PS 29 47 141 bereits bekar. außer dem Einlaßdruck und dem Auslaßdruck c Hochdruckverdichters auch noch den Einlaßdruck ; Niederdruckverdichter als Störgröße einzuführen. 1

fe5 diesem bekannten Regler fehlt jedoch jede Wirkv bindung der Druckverhältnis-Steuerung mit d Außendruck Pa und der Gashebeleinstellung, so c schon aus diesem Grunde das gewünschte Gesai

druckverhältnis nicht eingehalten werden kann. Im übrigen basiert dieser Brennstoffregler einfach auf einer Drehzahlüberwachung und normalerweise wird die Brennstoffströmung in der Weise gesteuert, daß ein Teilstrom der Brennstoffpumpe gemäß der Ist-Drehzahl des Triebwerks und der Gashebelstellung in den Tank rückgeführt wird. Ein weiter Regler greift ein wenn das Triebwerk sich einer Betriebsbedingung nähert, bei der die Strömung an den Verdichterschaufeln abreißt bzw. der Verdichter sich dem Pumpbereich nähert. Seine Wirkung besteht darin, einen modulierten Druck vom Verdichtereinlaß und Verdichterauslaß zu bestimmen und diesen mit einem gemessenen Druck innerhalb des Verdichters zu vergleichen, um eine gefährliche Annäherung an den Pumpzustand festzustellen. Dieser Regler bewirkt die Einstellung eines weiteren Rückführstroms von der Hauptpumpe zum Tank.

Dies stellt demgemäß keine Steuerung auf einen stetigen Zustand dar, sondern der Regler arbeitet nur unter Bedingungen mit Beschleunigung oder Verzögerung des Triebwerks und bewirkt eine Beschleunigungs-) feinsteuerung, nicht aber die Konstanthaltung eines Gesamtdruckverhältnisses.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Brennstoffregelvorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen 3 bis 7.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennstoffregelvorrichtung an Hand der Zeichnung beschrieben. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine schematische Schnittansicht der Regelvorrichtung. Die Vorrichtung umfaßt ein Gehäuse 1 mit Kammern 2 und 3, die über eine Leitung 4 miteinander in Verbindung stehen. Der unter Hochdruck stehende Brennstoff wird der Kammer 2 über ein Rohr 5 zugeführt. Eine axial verschiebbare Hülse 6 erstreckt sich in die Kammern 2 und 3 und bildet einen Teil eines Brennstoffzumeßventils 7. Sie trägt ein Zahnrad 10, welches mit einem Antriebsritzel 11 kämmt, das durch eine vom Triebwerk angetriebene Welle 12 in Drehung versetzt wird. Aus dem das Zahnrad 10 tragenden Hülsendeckel erstreckt sich auf der der Hülse 6 abgewandten Seite eine Stange 13, die eine weitere , Hülse 14 trägt, die in einer weiteren Kammer 15 angeordnet ist.

Die Hülse 6 hat vier dreieckige öffnungen 16, die mit einer ringförmigen öffnung zusammenarbeiten, deren eine Kante 20 vom Gehäuse 1 und deren andere Kante

21 durch das linke Ende ^iner axial beweglichen Hülse

22 gebildet ist. Die von den Kanten 20, 21 gebildete öffnung und die öffnungen 16 bilden zusammen eine variable Zumeßöffnung, deren wirksamer Querschnitt sich durch die Axialbewegung einer der beiden Hülsen 6 bzw. 22 ändert.

Die axiale Stellung der Hülse 6 wird durch einen Hebel 23 eingestellt, der bei 24 schwenkbar gelagert ist und mit der Hülse 14 über einen nicht dargestellten Lageraufbau so verbunden ist, daß die Hülse 14 bei Verschwenkung des Hebels axial verstellt wird.

An dem Hebel 23 ist bei 25 ein Stellglied in Form eines Doppelbalges 30, 31 angelenkt, der in einem Arbeitsraum 26 angeordnet ist. Der Balg 31 wird über eine Leitung 32 vom Druck P> am Einlaß des Niederdruckverdichters oder von einem von diesem funktionell abhängigen Druck beaufschlagt.

In den Arbeitsraum 26 mündet eine Leitung 33, die eine Drossel 34 aufweist. Das andere Ende der Leitung 33 steht mit einer Leitung 35 in Verbindung, deren beide Enden über Drosseln 36 bzw. 37 mit der Leitung 32 bzw.

einer Leitung 40 in Verbindung stehen, die von dem Druck P₃ am Eingang des Hochdruckverdichters oder einem hiervon funktionell abhängigen Druck gespeist wird. Der Druck Pj" im Arbeitsraum 26 ist daher eine Funktion des Druckes P₃.

Der Arbeitsraum 26 steht mit einer Ablaßleitung 41 in Verbindung, die über ein Ablaßventil 42 gesteuert wird, das in einer Kammer 43 angeordnet ist, die über eine Leitung 44 mit einer Leitung 45 verbunden ist, die mit

to der Umgebung vom Luftdruck P₀ in Verbindung steht. Aus dem Arbeitsraum 26 strömt Luft durch die Ablaßleitung 41, die Kammer 43 und die Leitungen 44 und 45 ab. Das Ablaßventil 42 steuert den Druck P₃" im Arbeitsraum 26.

Das Ventil 42 ist ein Halbkugelventil, welches von einem Hebel 46 getragen wird, der um einen Schwenkzapfen 47 verschwenkbar ist. Das vom Ablaßventil 42 entfernt liegende Ende des Hebels 46 ist bei 50 schwenkbar an den gemeinsamen Enden zweier Bälge 51, 52 angelenkt, die in der Kammer 43 angeordnet sind.

Der Innenraum des Balgs 52 steht über eine Leitung 53 mit einer Kammer 54 in Verbindung, in der ein weiterer evakuierter Balg 55 angeordnet ist. Die Kammer 54 wird über eine Leitung 56 vom Verdichtereinlaßdruck Pt gespeist. Der Innenraum des Balges 52 steht daher unter dem Einlaßdruck P\ des Niederdruckverdichters.

Der Innenraum des Balgs 51 steht über eine Leitung

jo 60 mit einem Raum 61 in Verbindung, der seinerseits über öffnungen 62 bzw. 63 mit den Leitungen 40 bzw. 45 in Verbindung steht.

In die öffnungen 62 und 63 sind verstellbare Drosselventilkörper 64,65 eingesetzt. Das Drosselventil 65 ist mit dem evakuierten Balg 55 verbunden und demgemäß entsprechend den Änderungen des Einlaßdrucks Pi verstellbar.

Das Drosselventil 64 weist eine Zahnstange 66 auf, mit der ein Ritzel 67 kämmt, das durch den Gashebel 68 des Piloten verstellt (λ) werden kann. Demgemäß wird der Druck P₃' im Raum 61, d.h. zwischen den Drosselventilen 64 und 65 auf den Innenraum des Balges 51 übertragen, um das Ablaßventil 42 in seine Öffnungsstellung zu überführen. Gleichzeitig wirkt der Druck P\ im Balg 52 im Gegensinn auf das Ablaßventil 42 ein. Die Öffnungsbewegung des Ablaßventils 42 wird durch einen Anschlag 71 begrenzt, der den Druckabfall im Arbeitsraum 26 begrenzt und damit auch die Verringerung des Brennstoffdurchflusses durch das Brennstoffzumeßventil 7 begrenzt.

Wenn die öffnungen 62, 63 gedrosselt sind, dann gilt die folgende Beziehung.

Funktion (P₁)
Funktion₂(«)

Dabei ist a die Gashebelstellung.
Da der Druck P₃' infolge der Anordnung der Bälge 51, 52 durch den Druck Pi ausgeglichen wird, kann die Gleichung auch wie folgt geschrieben werden:

P₁ _ Funktion!(P₁I)
Pi Funktion₂(a)

Die Funktioni (P]) ist durch entsprechende Profilie-

b5 rung des Ventilkörpers 65 so gestaltet, daß ein im wesentlichen konstantes Verdichterdruckverhältnis P₃/Pi erhalten wird, tias bei gewünschtem Schub und konstanter Drosselstellung und Fluggeschwindigkeit bei

allen Höhen und unter allen Temperaturen konstant gehalten wird.

Die Funktion (α) wird durch entsprechende Profilierung des Ventilkörpers 64 so gewählt, daß im wesentlichen ein konstantes Verdichterdruckverhältnis PtJP\ über den ganzen Gashebeleinstellbereich <x erhalten wird. Dabei können unterschiedliche Heißgastemperaturen für maximalen Startschub, maximalen Dauerschub und für den Reiseflug eingestellt werden.

Die Hülse 6 wird demgemäß durch die Bälge 30 und 31 in dem Arbeitsraum 26 entsprechend einer Funktion der Verdichterdrücke P₂ und P₃ verstellt. Außerdem wird diese Funktion durch die Stellung des Ablaßventils 42 derart eingestellt, daß für eine bestimmte Gashebelstellung ix und bei jeder gegebenen Reisegeschwindigkeit ein im wesentlichen konstantes Verdichterverhältnis /yPi erhalten wird, das mit einem gewünschten Schub bei allen Flughöhen und Temperaturen erhalten bleibt.

Die Hülse 22 hat einen Flansch 72, der mit einem bei 74 schwenkbar gelagerten Hebel 73 zusammenwirkt, der unter der Wirkung der Vorspannung einer Feder 75 gegen den Flansch 72 gedrückt wird. Die Vorspannung der Feder 75 ist mittels einer Stellschraube 76 einstellbar. Die Bewegung der Hülse 22 nach rechts wird durch einen Anschlag 77 begrenzt, der als Beschleunigungsanschlag wirkt. Die Hülse 22 weist einen weiteren Flansch 78 auf, an dem Pendelgewichte 79 eines Fliehkraftreglers angreifen, die in einem zylindrischen Gehäuse 80 gelagert sind, das innerhalb der Kammer 3 drehbar ist. Das Gehäuse 80 weist einen Zahnkranz 81 auf, der mit dem Zahnkranz 82 eines Strömungssteuerventils 83 in Eingriff steht. Das Ventil 83 ist hohlzylindrisch ausgebildet und steht über Keilverzahnungen 84, 85 mit einer Stange 86 in drehfester Verbindung, die an der Hülse 6 ansetzt.

Die Hülse 22 wird durch die Pendelgewichte 79 entsprechend der Drehzahl nach links gegen die Vorspannung der Feder 75 gedrückt, um die Breite der von den Kanten 20, 21 begrenzten Öffnung zu verkleinern.

Die durch das Brennstoffzumeßventil 7 bewirkte Brennstoffzumessung wird durch die Stellung des Gashebels 68 des Piloten nur deshalb beeinflußt, weil diese Stellung das Ablaßventil 42 beeinflußt. Es besteht jedoch keine unmittelbare mechanische Verbindung zwischen irgendeinem Teil des Brennstoffzumeßventils 7 und dem Gashebel 68.

Der Brennstoff, der das Brennstoffzumeßventil 7 durchströmt hat, kann durch Öffnungen 90 in der Hülse 6 in eine Leitung 91 abströmen. Diese Leitung 91 führt in eine Auslaßkammer 92, welche zusätzlich zum zugemessenen Brennstoff auch Brennstoff für den Leerlauf empfängt. Dieser das Brennstoffzumeßventil 7 im Nebenschluß umströmende Leerlaufbrennstoff wird über eine Leitung 93 zugeführt, die mit der Kammer 3 in Verbindung steht und eine Leerlaufdrossel 94 enthält.

ίο Der Brennstoff kann nach Einfließen in die Auslaßkammer 92 entweder über Öffnungen 100 in eine Hauptleitung 95 abströmen, die zu den Hauptbrennern des Triebwerks führt, oder in eine Steuerleitung 96, die zu Hilfsbrennern des Triebwerks führt.

Das Ventil 83 besitzt an seinem linken Ende einen Flansch 101, der durch Pendelgewichte 102 eines weiteren Fliehkraftreglers beaufschlagt ist, die am Gehäuse 80 gelagert sind. Diese drücken das Ventil 83 in Abhängigkeit von der Drehzahl in die Öffnungsstellung.

Am rechten Ende besitzt das Ventil 83 eine Deckelwand 103. Die innere und äußere Fläche dieser Deckelwand sind dem Innendruck bzw. dem Außendruck des Ventils 83 und somit dem stromauf bzw. stromab des Brennstoffzumeßventils 7 herrschenden Druck ausgesetzt. Das Ventil 83 wird daher durch einen Druckabfall in dem Brennstoffzumeßventil 7 in Schließstellung gedrückt.

Mit der Hauptleitung 95 steht ein Rohr 104 in Verbindung, das den dort herrschenden Druck an eine Stellvorrichtung überträgt, die die Leistung der variablen Brennstoffpumpe einstellt.

Im Betrieb strömt Brennstoff aus der Leitung 5 in die Kammer 3 und durch die Zumeßöffnungen 16, 20, 21 in die Hülse 6. Dann strömt der Brennstoff in die Auslaßkammer 92, die auch Leerlaufbrennstoff aufnimmt, der aus der Leitung 93 zuströmt. Der Brennstoff kann dann aus der Kammer 92 frei in die Steuerauslaßleitung 96 strömen und gelangt über das Ventil 83 in die Hauptleitung 95.

Die Triebwerksdrehzahl wird durch die Gashebelstellung geändert, da dies den Druck Pi' im Arbeitsraum 26 ändert, wodurch die Brennstoffmenge gesteuert wird, die durch die Zumeßöffnung 16; 20,21 fließt. Dabei wird aber für jede gegebene Gashebelstellung λ und für jede gegebene Außentemperatur das Gesamtverdichtungsverhältnis Pi/P\ bei allen Flughöhen etwa konstant gehalten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Regelung der Brennstoffzufuhr zu der Brennkammer eines Gasturbinenstrahltriebwerks mit einem Niederdruck- und einem Hochdruck-Verdichter, bei dem die Brennstoffzumessung entsprechend dem Verhältnis von Einlaßdruck des Hochdruckverdichters zu einem vom Auslaßdruck des Hochdruckverdichters abhängigen Steuerdruck und entsprechend der Einstellung eines Gashebels verstellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerdruck (Pz") in Abhängigkeit von der Einstellung (<x) des Gashebels, vom Einlaßdruck (P\) des Niederdruckverdichters und vom Umgebungsluftdruck (Po) verändert wird.

2. Brennstoffregelvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei der ein Brennstoffzumeßventil von einer vom Einlaßdruck des Hochdruckverdichters entgegen einem vom Auslaßdruck des Hochdruckverdichters abhängigen Steuerdruck beaufschlagten Stelleinrichtung betätigbar ist, und die Einstellung eines Gashebels die Verstellung des Zumeßventils beeinflußt, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Steuerdruck (P₃") beaufschlagte Arbeitsraum (26) der Stelleinrichtung (23, 30, 31) über eine Drossel (34) mit dem Auslaß des Hochdruckverdichters (P]) und über ein Ablaßventil (42) mit der umgebenden Atmosphäre (Po) verbunden ist, und daß das Ablaßventil (42) von einer weiteren Stelleinrichtung (46, 51, 52) betätigbar ist, die von einem von der Gashebelstellung (α) und dem Einlaßdruck (P\) des Niederdruckverdichters abhängigen weiteren Steuerdruck (Pi), dem Einlaßdruck (P\) des Niederdruckverdichters und dem Umgebungsluftdruck (Po) beaufschlagt ist.

3. Brennstoffregelvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoffzumeßventil (7) mittels eines Hebels (23) durch einen evakuierten Balg (30) in Verbindung mit einem vom Einlaßdruck (P^ des Ho.chdruckverdichters beaufschlagten Balg (31) verstellbar ist, wobei diese Bälge im Arbeitsraum (26) angeordnet sind.

4. Brennstoffregelvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablaßventil (42) mittels eines Hebels (46) durch einen vom Einlaßdruck (P\) des Niederdruckverdichters beaufschlagten Balg (52) in Verbindung mit einem Balg (51), der von dem weiteren Steuerdruck (Pz) beaufschlagt ist, betätigbar ist, wobei diese Bälge in einer mit der umgebenden Atmosphäre (Po) verbundenen Kammer (43) angeordnet sind.

5. Brennstoffregelvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Einlaßdruck (P\) des Niederdruckverdichters beaufschlagte Balg (52) dem vom weiteren Steuerdruck (Pz) beaufschlagten Balg (51) entgegenwirkt.

6. Brennstoffregelvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der vom weiteren Steuerdruck (Pz) beaufschlagte Balg (51) mit einer Kammer (61) verbunden ist, die über ein vom Gashebel (68) betätigbares Einlaßventil (64) mit dem Auslaß des Hochdruckverdichters (Pz) und über ein vom Einlaßdruck (P\) des Niederdruckverdichters verstellbares Auslaßventil (65) mit der umgebenden Atmosphäre (Po) in Verbindung steht.

7. Brennstoffregelvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein in einer vom Einlaßdruck (P\) des Niederdruckverdichters beauf schlagten Kammer (54) angeordneter evakuierte! Balg (55) die Verstellung des Auslaßventils (65 bewirkt.