DE1816414C - Regelvorrichtung für ein Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur dreh- geschlagenen Maßnahmen wird zumindest anniihemd zahlabhilngigen Kraftstoffregelung und zur heißgas- die Forderung erfüllt, den Teillastwirkungsgrad zu temperaturabhiingigen EintriUsleitschaufel-Verstel- verbessern. Kurzzeitige Obertemperaturen könen inlung an der Nutzleistungsturbine eines Gasturbinen- folge der Trligheit der Temperaturfühler nicht vertrieb wer ks, insbesondere für Kraftfahrzeuge. 5 mieden werden.

Bei derartigen Gasturbinentriebwerken wird auge- Zur Erzielung eines günstigen Beschleunigungs-

strebt, einerseits ein günstiges Beschleunigungsvcrhal· Verhaltens ist es jedoch erforderlich, die Drehzahl

ten zu erhalten und !andererseits einen günstigen des Gasturbinentriebwerks so schnell wie möglich zu

Kraftstoffverbrauch im Teillastbetrieb zu erzielen, erhöhen, ohne daß die Leistung der Nutzturbine Bei Gasturbinentriebwerken, die keine Leitschau- 10 wesentlich nachläßt. Dies wird nur beim höchstmög-

felverstellung vor der Nutzturbine aufweisen, wird liehen Luftdurchsatz und der höchstmöglichen Gas-

dic höchstzuliissigc Gärtemperatur bei etwa hundert temperatur erreicht, Es werden also bei Obergang

Prozent der Drehzahl des Gasturbinentriebwerks er- von einem Stationliren in einen Beschleunigungszu-

reicht. Unterhalb hundert Prozent der Drehzahl des stand die Kraftstollmengc kurzfristig erhöht und die

Gasturbinentriebwerks sinkt die Gastemperatur zu- 15 Eintrittslcitschuufeln der Nutzturbine geöffnet, um

nächst ab, und der Wirkungsgrad der Anlage wird Übertemperaturen zu vermeiden. Beim Erreichen des

schlechter. neuen stationären Zustands wird die Kraftstoffmenge

Zur Verbesserung des Wirkungsgrads von Gas- reduziert, und die Eintrittsleitschaufeln werden geturbinentriebwerken ist es bereits vorgeschlagen wor- schlossen. Während des ganzen Vorganges müßte die den, eine Erhöhung der Gastemperatur im Teillast- ao Ciastemperatur nahe der Höchsttemperatur sein, um gebiet vorzunehmen, und zwar mittels Verstellung ein optimales Beschleunigungsverhalten zu erzielen, der Eintrittsleitschaufeln vor der Nutzturbine. Es Im Rahmen des geschilderten Problems ist es also wird auf diese Weise erreicht, die Temperatur der die hauptsächliche mit der der Erfindung zu lösende Gase beim Eintritt in die Verdichterturbine an- Aufgabe, eine Vorrichtung der eingangs genannten nähernd konstant zu halten, wenn beispielsweise — as Gattung zu schaffen, mit deren Wirkung auf relativ wie bereits aus der deutschen Auslegeschrift einfache Weise das Problem der Verbesserung des 1 279 421 bekannt — die Eintrittsleitschaufeln in Teillastwirkungsgrads gelöst werden soll, eine kon-Abhängigkeit von der Drehzahl des Gaserzeugers stante, hohe Gastemperatur sowohl für den stationäverstellt werden. In der deutschen Auslegeschrift ren als auch für den Beschleunigungszustand zu er-1 279 421 wird ein Zweiwellen-Gasturbinentriebwcrk 30 reichen, wobei insbesondere mittels der Vorrichtung mit verstellbaren Leitschaufeln vorgeschlagen, deren eine sich beispielsweise beim Beschleunigungsvorstellung vom Verdichterenddruck, von der Gas- gang des Triebwerks und damit verbundener sehr erzeugerdrehzahl, von einem von der Nutzturbinen- plötzlicher Erhöhung der Gastemperatur einstellende, drehzahl proportionalen Steuerdruck und vom Lei- kurzzeitige Übertemperatur vermieden werden soll, stungswählhebel abhängig ist. 35 Zur Lösung der gestellten Aufgabe besteht die

In der deutschen Auslegeschrift 1 275835 wird eine Erfindung bei einer Vorrichtung nach der eingangs

Regeleinrichtung für ein Zweiwellen-Gasturbinen- genannten Gattung im wesentlichen darin, daß im

triebwerk mit verstellbaren Leitschaufeln der Nutz- KraftstofTregler allein der Istwert der Drehzahl des

turbine zum Antrieb eines Generators vorgeschlagen. Gaserzeugerteils und im Leitschaufel-Verstellregler

Ein Temperaturfühler befindet sich im Heißgasstrom, 40 allein der Istwert der Heißgastemperatur vor der

der jedoch keinen Einfluß auf die Leitschaufelverstel- Nutzleistungsturbine mit dem durch einen gemein-

lung, sondern nur auf das Brennstoffzumeiiglied hat, samen Leistungswählhebel über ein Gestänge vorge-

wenn eine bestimmte Heißgastemperatur überschrit- gebenen Sollwert verglichen wird,

ten wird. Der Temperaturfühler wirkt ausschließlich Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei

als Übertemperaturschutz, der bei Überschreiten 45 der eine direkte und ständige Beeinflussung des tem-

einer bestimmten Heißgastemperatur die Brennstoff- peraturabhängigcn Leitschaufel-Verstellreglers auf

zufuhr in die Brennkammer begrenzt. Die Leitschau- die verstellbaren Leitschaufeln der Nutzleistungstur-

fcln der Nutzleistungsturbine werden nur von einem bine vorgesehen ist, kann die erforderliche, konstant

Signal verstellt, das von der Drehzahlabweichung ab- hohe Heißgastemperatur sowohl für den statischen

hängt. Insofern kann diese Regeleinrichtung nicht 50 als auch für den Bcschleunigungszustand erreicht

mit der vorliegenden Erfindung verglichen werden. werden. Der Vorteil der Erfindung liegt im wesent-

Schließlich ist aus der deutschen Palentschrift liehen also darin, daß die Regelung der KraftstofT-1 216 617 eine Einrichtung zum Regeln einer Ein- menge von derjenigen der Leitschaufelstellung unabwellen-Gasturbinenanlage zum Antrieb eines Gene- hängig ist, da einerseits der Temperaturregler einen ralors bekannt, bei der zum Zweck der Verbesserung 55 unmittelbaren und ständig wirkenden Leitschaufeldes Teillastwirkungsgrads mittels eines Verhältnis- Verstellregler und andererseits der Drehzahlregler reglers die KraftstofTmenge und die Leitschaufelver- einen selbständigen Kraftstoffregler darstellt,
stellung stets gleichzeitig geregelt werden. Ein Tem- In weiterer, zweckmäßiger Ausgestaltung des Erperaturreglcr wirkt auf den Verhältnisrcgler ein und findungsgegenstands sollen die Eintrittsleitschaufeln in verändert das Verhältnis von Kraftstoffmenge zur 60 an sich bekannter Weise über eine Stange mit einem Leitschaufelstellung. Diese Regeleinrichtung sowie in einem Zylinder axial verschiebbaren Stellkolben Jie gleichartige, aus den »BBC-Mitteilungen«, verbunden sein, der gegen den Druck einer Feder von lanuar — Februar 1960, Seite 45, bekannte Regel- einem Steuerdruck in Leitungen in Schließrichtung einrichtung sind für eine Kaftfahrzeuggasturbine uii- beaufschlagt wird, der über eine Drossel vom Ausgeeignet, da eine Nutzleistungsturbine mit stark an- 65 gang des Verdichters abgeleitet und vom Leitschau-Jerbarer Drehzahl fehlt und damit eine Möglichkeit fel-Verstellregler bei Überschreitung der gewählten der Drehmomentänderung nicht gegeben ist. Temperatur durch Abblasen vermindert wird.

Mit diesen bei Gasturbinentriebwerken bereits vor- Erfindungsgemäß ist weiter der Leistungswählhebel

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über das Gestlingo und ein weiteres Gostünge mit digkeits-Weehsolgetriebe 9 übertragt. Über eine aus

dem an dieSteuerdruckleitungen angeschlossenen Ab- diesom herausgeführto WeIIeIO' wird die Leistung

blusvontil einer Beschleunigungseinrichtung vor- des Gasturbinentriebwerks unter Zwischenschaltung

bunden. eines Ausgleichsgetriebes 11 auf die Antriebsachsen

Gomliß einem weiteren Merkmal der Erfindung 5 12 und damit uuf die Rüder 13 eines Fahrzeugs Uber-

enthült die Beschleunigungseinrichtung eine RUckhol- tragen.

feder und innerhalb eines Gehäuses einen mit dem Wie aus F i g. I weiter ersichtlich ist, ragt in die

Gestänge verbundenen Kolben, dessen Arbeitsraum Trcibgasleitung6 ein zu Fig. 4 nachfolgend noch

mit dem mit einer SteuerflUssigkeit gefüllten Arbeits- nühcr erläuterter Leitschaufel-Verstellregler 14 mit

raum eines weiteren Kolbens in Verbindung steht, in einer Hülse 15 und einem darin angeordneten Stift 16

der das Abblasventil trügt und mit einer verzögernden (als Temperaturfühler) hinein.

Rückstelleinrichtung versehen ist. Dieser Lcitschaufel-Verstellregler 14 soll bei Ab-

Da Temperaturfühler sehr trüge sind, so daß sie weichung der Heißgastemperatur vom Sollwert in der bei einer sehr plötzlichen Erhöhung der Gastcmpe- Leitung 6 eine Verstellung von Leitschaufeln 17 herratur nicht schnell genug reagieren und kurzzeitige 15 beiführen, weiche in der Trcibgasleitung 6 stromauf-Übertempcraturen nicht verhindern können, ist die wärts der Nutzleistungsturbine7 angeordnet sind. Der erfindungsgemiiße Beschleunigungseinrichtung vorge- Lcitschaufel-Verstellregler 14 ist über eine mit einer sehen. Diese soll nämlich bei Überschreiten einer Vordrossel 18 versehene Steuerdruckleitung 10 dem einstellbaren Stellgeschwindigkeit des Leistungswähl- Ausgangsdruck des Verdichters 1 ausgesetzt. Bei hcbels und damit der Drehzahl und der Brennstoff- ao Überschreiten eines vorgegebenen Heißgastemperamenge des Gasturbinentriebwerks den temperaturab- tur-Sollwerts führt somit der Leitschaufel-Verstellhängigen Leitschaufel-Vcrstellregier überregeln und regler 14 eine Verminderung des in der Steuerdruckdie Eintrittsleitschaufeln der Nutzleistungsturbine leitung iO herrschenden Luftdrucks herbei. Gleichkurzfristig verstellen, um bei sehr plötzlicher Er- zeitig wird hierbei ein Druckabfall innerhalb eines höhung der Gastemperatur kurzzeitige Übertempera- 25 pneumatisch betätigten Stellglieds 19 herbeigeführt, türen auszuschalten. Die Beschleunigungseinrichtung da dieses Stellglied 19 über Leitungen 20, 21 mit der unterstützt hierbei also den Leitschaufel-Verstellreg- Steuerdruckleitung 10 verbunden ist. Dieses pneumaler, falls dieser nicht schnell genug auf eine plötz- tische Stellglied 19 besteht im wesentlichen aus einem liehe Erhöhung der Gastemperatur reagieren sollte. in einem Zylinder 22 axial verschiebbaren Stellkol-Der Einfluß der Beschleunigungseinrichtung soll nach 30 ben 23, der auf der einen Seite mittels einer Feder kurzer Zeit wieder abklingen, so daß die Steuerung 24 belastet ist und auf der der Feder 24 abgewandten der Leitschaufeln der Nutzleistungsturbine wieder Seite über die Leitungen 20, 21 dem in der Leitung dem temperaturabhängigen Leitschaufel-Verstellreg- 10 herrschenden Druck ausgesetzt ist. Eine Stange 25 lcr unterliegt. des pneumatischen Stellglieds 19 steht mit der Ver-

In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung 35 Stellvorrichtung der Leitschaufeln 17 in Verbindung, kann der Leitschaufel-Verstellregler ein im Heißgas- Der Leitschaufel-Verstellregler 14 veranlaßt also, strom angeordnetes, temperaturabhängiges Ausdeh- daß bei Abweichung der Heißgastemperatur von nungselement (Hülse, Stift) enthalten, das bei Über- einem vorgegebenen Sollwert der Druck in der Leischreiten der Solltemperatur über eine mit dem Lei- tung 10 abfällt. Auf Grund der Verbindung der Leistungswählgestänge mittels eines exzentrisch gelager- 40 tung 10 mit dem pneumatischen Stellglied 19 über ten Hebels verbundenen weiteren Hebel gegen den die Leitungen 20, 21 wird der Stellkolben 23 des Druck einer Feder ein an die Steuerdruckleitungen Stellglieds 19 auf Grund der Wirkung der Feder 24 angeschlossenes Abblasventil öffnet. verschoben, so daß über die Stange 25 die Leitschau-

An Hand einiger Ausführungsformen ist die Er- fein 17 verstellt werden.

findung in der Zeichnung beispielsweise näher erläu- 45 Aus Fig. I ist weiter ein vom Gasturbinentrieb-

tert. Es zeigt werk über ein Kegelradgetriebe 26 angetriebener be-

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfin- kannter Kraftstoff-Drehzahlregler 27 erkennbar, der

dungsgemäßen Regelvorrichtung eines Gasturbinen- von der Pumpe 28 über die Leitung 29 mit Kraftstoff

triebwerke in einer ersten Ausführungsform, versorgt wird. Weiter ist aus F i g. 1 entnehmbar, daß

F i g. 2 eine gegenüber der F i g. 1 größer und de- _So dieser Kraftstoff-Drehzahlregler 27 mit dem Leitailliert dargestellte Beschleunigungseinrichtung in stungswählgestänge 30 des Kraftfahrzeugs in Verbineiner Schnittansicht, dung ist, durch welches der Sollwert des Kraftstoff-

F i g. 3 ein Kraftstoffmengendrehzahl-Diagramm, Drehzahlreglers mittels des Leistungswählhebels ver-

Fig. 4 ein gegenüber Fig. I größer und detailliert stellbar ist. Über eine vom Kraftstoff-Drehzahlregler

dargestelltes Ausführungsbeispiel eines Leitschaufel- 55 27 zur Brennkammer 2 führende Kraftstoffleitung 32

Verstellreglers in einer Schnittansicht und wird somit der Brennkammer 2 der Kraftstoff an

Fig. 5 eine Schnittansicht nach der Linie V-V der Hand dieses Kraftstoff-Drehzahlreglers 27 unter an-

Fig. 4. dercm in Abhängigkeit von der Drehzahl des Gas-

F i g. 1 veranschaulicht schematisch ein Gasturbi- turbincntriebwerks, der Leistungswählhebelstellung

nentriebwerk, bestehend aus einem Verdichter 1, 60 sowie in Abhängigkeit vom Vordruck der Pumpe 28

einer dem Verdichter nachgeschalteten Brennkam- zugemessen.

mer 2 und einer der Brennkammer nachgeschalteten Für den Fall, daß der Leitschaufel-Verstellregler

Verdichterantriebsturbine 3, welche mit dem Ver- bzw. dessen Fühler (Stift 16 und Hülse 15) nicht

dichter 1 über eine Welle 4 verbunden ist. Die von schnell genug auf einen durch plötzlichen Lastwechsel

der Verdichterantriebsturbine 3 geförderten Treib- 65 verursachten Tcmperaturwechsel reagieren sollte, ist

gase gelangen über eine Treibgasleitung 6 zu einer eine Beschleunigungseinrichtung 33 vorgesehen.

Nutzleistungsturbine 7, die ihre Leistung über eine Diese ist einerseits über ein Gestänge 35 mit dem

Welle 8 auf ein schematisch dargestelltes Geschwin- Gestänge 30, andererseits über die Leitungen 36 und

20 mit der Steuerdruckleitung 10 verbunden, um, wie-schon geschildert, zusätzlich zur Regelung durch den Leitschaufel-Verstellregler 14 bei plötzlich einsetzender Beschleunigung eine Verminderung des Luftdrucks in der Leitung 10 herbeizuführen.

Im übrigen ist es selbstverständlich, daß die in F i g. 1 wiedergegebene Regelvorrichtung auch bei Gasturbinentriebwerken mit Wärmetauschern anwendbar ist.

Fig. 2 erläutert die an Hand der Fig. 1 lediglich schematisch dargestellte Beschleunigungseinrichtung 33 näher. Diese Beschleunigungseinrichtung wird vom Gestänge 30 über ein weiteres Gestänge 35 betätigt, an den das zu einem Kolben 41 gehörige Gestänge 34 angreift, an dessen hinterem Ende eine Rückholfeder 42' angeordnet ist.

Die Beschleunigungseinrichtung 33 wird hydraulisch betätigt. Durch Verschiebung des in einem ersten Arbeitsraum verschiebbaren Kolbens 41 über das Gestänge 30 in Pfeilrichtung 30' (beschleunigen) öffnet ein weiterer in einem zweiten Arbeitsraum angeordneter Kolben 42 entgegen der Wirkung einer Feder 43 ein Abblasventil 44, welche über die Leitung 36 mit der Leitung 10 in Verbindung ist. Die infolge des öiTncns des Abblasventils 44 in der Leitung 10 hervorgerufene Druckabsenkung verursacht die Verstellung der Leitschaufeln 17, da die zur Beschleunigungseinrichtung 33 führende Leitung 36 über die Leitung 21 mit dem pneumatischen Stellglied 19 in Verbindung ist. Bei der Beschleunigungseinrichtung 33 wird das Zeitglied durch die Fläche des Kolbens 42, die Kraft der Feder 43 und den Querschnitt des verstellbaren Abblasventils 44 gebildet. Bei Bewegung des Gestänges 30 in Pfeilrichtung 45 (verzögern) ist das Zeitglied durch ein federbelastetes Rückschlagventil 46 überbrückt, das ein Teil der verzögernden Rückstelleinrichtung für den Kolben 42 ist. Ein Vorratsbehälter 47 versorgt die Beschleunigungseinrichtung 33 über die Leitungen 48, 49 sowie die diesen Leitungen zugeordneten ZuflufJ- und Abflußbohrungen 50, 51 im Gehäuse 52 mit Steuerflüssigkcit.

Fig. 3 zeigt den Beschleunigungsvorgang in einem Kraftstoff-Drehzahl-Diagramm. Auf der Ordinate ist die Kraftstoffmenge B bis 100 Prozent aufgetragen, auf der Abszisse die Drehzahl η ebenfalls bis 100 Prozent. Die Linie, welche die Punkte A, B, C verbindet, stellt die stationäre Betriebslinie dar; die Linien A_x, B_x, C_x und A₂, B₂, C₂ für maximale und minimale Kraftstoffzufunr werden beim Beschleunigen oder Verzögern erreicht. Erfolgt die Verstellung des Leistungswählhebels beim Beschleunigen sehr langsam, so wird die Linie A, B, C durchfahren. Mit steigender Verstellgeschwindigkeit wird der Linienzug A_x, B₁, C_x oder A₂, B₂, C₂ erreicht. Die Linien A_xIA₂, B₁ZB₂, C_xIC₂ sind Kennlinien Los Drehzahlreglers.

Die F i g. 4 und 5 veranschaulichen schließlich nähere Einzelheiten des in Fig. 1 lediglich schematisch wiedergegebenen Leitschaufel-Verstellreglers 14.

Wie aus F i g. 4 ersichtlich ist, ragt der Leitschaufel-Vcrstellregler mit seinen Ausdehnungselementen, einer mit Bohrungen 60 versehenen Hülse 15 sowie dem darin gehaltenen und quer zur Gasströmung 61 verschiebbaren Stift 16 in die hier lediglich abgcbrochcn dargestellte Trcibgasleitung 6 hinein. Der Stift 16 ist um Boden 62 der Hülse 15 mittels eines Bunds 63 gehalten. Oben durchragt der Stift 16 das direkt auf die Treibgasleitung 6 aufgesetzte Gehäus< des Leitschaufel-Verstellreglers 14 und wirkt mi einer abgerundeten Oberkante 65 auf einen mittel einer Feder 67 belasteten Hebel 66 ein. Die Fede S 67 ist an einem Bund 68 des Gehäuses 64 gehalten Bei Überschreiten der Heißgastemperatur von einen vorgegebenen Sollwert öffnet dieser Hebel 66 somi ein mit der Steuerdruckleitung 10 in Verbindung ste hendes Abblasventil 69. Auf Grund der veränderter Temperatur und der damit verbundenen veränderter Stellung des Stifts 16 hebt der Hebel 66 eine Prallplatte 70 vom Abblasventil 69 ab. Die Prallplatte 7i ist in einer zum Hebel 66 gehörigen Ausnehmung 71 gehalten. Auf der dem Abblasventil 69 gegenüberliegenden Seite ist der Hebel 66 (F i g. 5) exzentriscli an einem Bolzen 72 gelagert, der weiter mit einem im Gehäuse 64 gelagerten Hebel 73 in Verbindung steht, welcher als sogenannter »Sollwertverstellhebel« vom Leistungswählgestänge30 (Fig. 1) und über weitere

ao Gestänge 74, 75 betätigbar ist und eine Lageveränderung des Hebels 66 herbeiführen kann.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur drehzahlabhängigcn Kraftstoffregelung und zur heißgastemperaturabhängigen Eintrittsleitschaufel-Verstellung an der Nutzleistungsturbine eines Gasturbinentriebwerks, insbesondere für Kraftfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß im Kraftstoff regler (27) allein der Istwert der Drehzahl des Gaserzeugerteils (1 bis 4) und im Leitschaufel-Verstellregler (14) allein der Istwert der Heißgastemperalur vor der Nutzleistungsturbine (7) mit dem durch einen gemeinsamen Leistungswählhebel (31) über ein Gestänge (30 bzw. auch 75, 74, 73) vorgegebenen Sollwert verglichen wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsleitschaufeln (17) in an sich bekannter Weise über eine Stange (25) mit einem in einem Zylinder (22) axial verschiebbaren Slellkolben (23) verbunden sind, der gegen den Druck einer Feder (24) von einem Steuerdruck in Leitungen (10, 21) in Schließrichtung beaufschlagt wird, der über eine Drossel (18) vom Ausgang des Verdichters (1) abgeleitet und vom Leitschaufel-Verstellregler (14) bei Überschreitung der gewählten Temperatur durch Abblasen vermindert wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungswählhebel (31) über das Gestänge (30) und ein weiteres Gestänge (35, 34) mit dem an die Steuerdrucklcitungen (10, 21) angeschlossenen Abblasventil (44) einer Beschleunigungseinrichtung (33) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungseinrichtung eine Rückholfeder (42') und innerhalb eines Gehäuses (52) einen mit dem Gestänge (30, 35, 34) verbundenen Kolben (41) enthält, dessen Arbeitsraum mit dem mit einer Steuerflüssigkeit gefüllten Arbeitsraum eines weiteren Kolbens (42) in Verbindung steht, der das Abblasventil (44) trägt und mit einer verzögernden Rückstelleinrichtung (43, 46 bis 51) versehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitschaufcl-Verstcllreglcr (14) ein im Heißgasstrom angeordnetes Ausdchnungsclcment (15, 16) enthält, das bei flh

schreitung der Solltemperatur über einen mit dem Leistungswählgestänge (30, 75) mittels eines exzentrisch gelagerten Hebels (73) verbundenen weiteren Hebel (66) gegen den Druck einer Feder (67) ein an die Steuerdruckleitungen (10, 21) angeschlossenes Abblasventil (69 bis 71) öffnet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen