DE1916211A1

DE1916211A1 - Steuersystem fuer Gasturbinen

Info

Publication number: DE1916211A1
Application number: DE19691916211
Authority: DE
Inventors: Sebestyen Thomas M
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1968-04-01
Filing date: 1969-03-29
Publication date: 1970-08-27
Also published as: US3508395A; FR2005315A1; GB1236681A

Description

Der Patentanwalt Oipl-Ing W. 6000JRANKFURT/MAIN Dipl.-Wirtseh.-Ing.B.Jochem freiherr-vom-stein-strassew

In Sachen: ' Afc.« ^

Ford-Werke

Aktiengesellschaft

Köln - Deutz . _Λ . _{n Λ Λ}

Ottoplatz 2 1916211.

Steuersystem für Gasturbinen

Die. Erfindung betrifft ein Steuersystem für Gasturbinen mit rotierendem Verdichter, Brennkammer, einem mit verstellbaren Einlaßdüsen versehenen Leistungs-Turbinenteil und einer über den Verdichter angetriebenen Pumpe, welche Brennstoff über Zwischenleitungen unter Druck zur Brennkammer fördert.

Bei den meisten bekannten Steuersystemen von Gasturbinen für Motorfahrzeuge wird die Betriebstemperatur der Turbine indirekt gesteuert. Grundsätzlich gilt, daß die Maschine nur dann den höchstmöglichen Gesamtwirkungsgrad erreicht, wenn sie über den größten Teil ihres gesamten Geschwindigkeitsbereiches mit einer möglichst hohen Betriebstemperatur arbeitet - für bestimmte Betrie.bszustände, z.B. den Leerlauf, gelten natürlich Ausnahmen - und diese angetrebte Betriebstemperatur findet ihre obere Grenze einmal in der für die belasteten Werkstoffe höchstzulässigen Erwärmung und zum anderen in der Rückwirkung auf den Kompressor, bei dem Pümperscheinungen auftreten, ν

Nach dem Stand der Technik wurden gleichmäßige Fahrbedingungen durch Steuerung der Einlaßdüsen der Leistungsturbine hergestellt. Dabei wurden die letzteren jeweils so eingestellt, daß ihre Lage die gewünschte Betriebstemperatur erwarten ließ. Dann wurde die tatsächlich erreichte Temperatur gemessen, und die Abweichung von der Solltemperatur bildete wiederum das

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Maß für weitere Korrektureinstellungen der Einlaßdüsen. Diese Art der Steuerung verlangt eine außerordentliche Genauigkeit der Einstellbewegungen der Einlaßdüsen und einen sicheren Zusammenhang aller Einflußgrößen, woraus sich leicht schließen läßt,, daß dieser Lösungsweg des Steuerungsproblems nur wenig befriedigende Ergebnisse erbrachte.

Andere bekannte Steuersysteme versuchten die Betriebstemperatur durch eine Steuerung des Brennstoffflusses in Abhängigkeit von den wichtigsten die Temperatur beeinflussenden Parametern zu regulieren. Es wird jedoch dabei für die Beschleunigung gebrauchte wertvolle Zeit geopfert, während welcher wegen Falschmessungen der Parameter oder Nichtberücksichtigung anderer nicht gemessener Parameter es nicht gelingt, den für-" die Beschleunigung optimalen Brennstofffluß einzustellen.

Die auf die Vermeidung der vorstehenden Mangel gerichtete Erfindung ist gekennzeichnet durch ein Rücklauf ventil in den Zwischenleitungen, welches den zur Brennkammer geleiteten Brennstoff unter dem Einfluß der Differenz von gegeneinanderwirkenden Steuerkräften bemißt, die in Abhängigkeit einerseits der Drehzahl des Verdichters, andererseits eines willkürlich betätigbaren Steuerventils erzeugt sind. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kommt eine Regeleinrichtung für: die Betriebstemperatur der Turbine hinzu, wobei ein hydrau-* lischer Druck, welcher der einer bestimmten Drehzahl des . "j Verdichters zugeordneten Soll-Betriebstemperatur der Turbine entspricht, und ein hydraulischer Druck analog der Ist-Be-_ triebstemperatur der Turbine gegenüberliegende Seiten eines Membrankolbens beaufschlagen* der mit dem Ventilkörper eines Steuerventile in der Druckölleitung zur Verstelleinrichtung ; der Einlaßdüsen verbunden ist·

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Um bei der Steuerung auch die höchstzulässige Erwärmung der Turbinenwerkstoffe zu berücksichtigen, wird eine Ausführungsforrn des erfindungsgemäßen Steuersystems bevorzugt, bei welcher das als Punktion der Drehzahl des Verdichters er- · zeugte Drucksignal und ein der höchstzulässigen Werksfcofierwärmung der Turbine entsprechendes Drucksignal zu einem durch diese beiden Drücke gesteuerten Umschaltventil geleitet sind, welches nur das jeweils schwächere Drucksignal zur Beaufschlagung des erwähnten Membrankolbens weiterleitet·

Wegen der Besonderheiten während des Beschleunigen sollte schließlich in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, daß durch den Druck in der Druckölleitung hinter dem genannten Steuerventil ein weiteres steuerbares Rücklaufventil in der Brennstoffleitung dann in Öffnungsrichtung des Rückflusses beeinflußbar ist, wenn das erste Rücklauf ventil in seiner Stellung während des Beschleunigens eine Verbindungsleitung freigibt und der Druck in der Verbindungsleitung einen bestimmten Mindestwert übersteigt.

Im Ergebnis erhält man durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ein Steuersystem für Gasturbinen, welches sowohl während gleichmäßiger Fahrt als auch während der Beschleunigung die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer richtig bemißt und -gleichzeitig für jede Drehzahl der Turbine die optimale Betriebstemperatur sicherstellt. Die letztere wird dabei nicht nur indirekt gesteuert sondern durch eine Regeleinrichtung auf der jeweils gewünschten Höhe gehalten.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

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Es zeigen:

Fig. 1 eine Gasturbine, an der das erfindungsgemäße Steuersystem zur Anwendung kommt, in schematischer Darstellung,

Fig. 2 eine Schemazeichnung des Steuersystems,

Fig. 3 ein Diagramm, in dem die Abhängigkeit der optimalen Betriebstemperatur von der Drehzahl des Verdichters dargestellt ist,

Fig. 4 das Haß der öffnungs- und Schließbewegungen der Einlaßdüsen der Leistungsturbine in Abhängigkeit von Änderungen des Steuerdrucks, der an der Betätigungseinrichtung der Einlaßdüsen anliegt, . .

Fig. 5 die Abhängigkeit der optimalen Betriebstemperatur der Turbine von der Umgebungstemperatur.

Die in Fig.1 dargestellte Gasturbine ist von der Art, wie sie in Motorfahrzeugen herkömmlicher-weise gebraucht wird. Das Aggregat laßt sich untergliedern in einen Verdichter 10, der aus einem Radialverdichter 12 und einem für dessen Antrieb sorgendes, auf derselben Welle 16 sitzenden Turbinenteil 14 besteht. Die Leistungsturbine 18 ist gegenüber dem Verdichter frei drehbar und mit der Abtriebswelle 20 dreh*- fest verbunden. Zwischen diesem und dem weiteren Abtriebsstrang 24 1st ein Untersetzungsgetriebe 22 gelegt*

Der Verdichter 12 liefert komprimierte Luft über einen Wärmetauscher 27 an eine Brennkammer 26. Dorthin fördert eine nur

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schematisch angedeutete Brennstoffsteuerung die benötigte Brennstoffmenge, und die gezündeten Gase werden dann durch die Turbinen 14 und 18 gedruckt, wodurch diese in bekannter Weise ihren Antrieb erhalten. Im vorliegenden Fall weist die Leistungsturbine 18 einen ringförmigen Kranz von Einlaßdüsen 30 auf, die nach bekannter Art verschwenkbar gelagert sind und sich öffnen und schließen lassen, so daß auf diese Weise Drehzahl der Turbine und Temperatur der die Düse durchströmenden Gase gesteuert werden können.

Weitere Einzelheiten der Konstruktion und Arbeitsweise der Turbine an dieser Stelle anzugeben, erscheint unnötig, da sie bekannt und für das Verständnis der Erfindung nicht erforderlich sind. Es genügt zu sagen, daß die einstellbaren Einlaßdüsen 30 vorzugsweise, wie in der US-Patentschrift 3 362 156 beschrieben, auszuführen sind.

Gemäß Fig. 1 ist als Ausführungsbeispiel ein Radialverdichter und eine axial durchströmte Turbine gezeigt. Es versteht sich jedoch, daß die Durchströmungsrichtung von Verdichter und Turbine für das Wesen der Erfindung unerheblich sind.

Die Erfindung zielt auf eine Verbesserung des Steuersystems 28, welches erfindungsgemäß nicht nur den Brennstofffluß zur Brennkammer 26 steuert, sondern diesen auch in direkter Abhängigkeit von Änderungen der Betriebstemperatur der Turbine im Vergleich mit einer bestimmten Solltemperatur regelt.

Die wesentlichen Merkmale des Steuersystems 28 sind in-Fig. 2 dargestellt. Ee besteht im einzelnen aus einer ölpumpe 32, die über eine Einlaßleitimg 33, wie gezeigt, mit einem öl-

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vorrat in Verbindung steht · Zur Brennkammer 26 führt eine Druckleitung 34. Im Beispielsfall ist als ölpumpe 32 eine Zahnradpumpe gewählt worden. Es versteht sich jedoch, daß auch andere Arten von ölpumpen inf rage kommen können.

Die ölpumpe 32 erhält ihren Antrieb durch eine geeignete Verbindung 35 mit dem Verdichter. Sie könnte aber auch, falls gewünscht, elektrisch betrieben werden. Ihre För'derkapazltät ist so groß ausgelegt, daß zu jeder Zeit mehr öl an die Druckleitung 34 abgegeben wird, als für den Betrieb der Turbine nötig ist.

An der Druckleitung y\- liegen mehrere Steuerventile, um darin einen bestimmten Mindestdruck aufrecht zu erhalten. Diese Funktion kommt insbesondere den gezeigten Mindest-Druckventilen 36 und 38 zu, welche aus einer gegen einen Ventilsitz gedrückten, federbelasteten Kugel bestehen. Diese Ventile öffnen erst, wenn ein bestimmter Mindestdruck in der Druckleitung 3^ aufgebaut ist. Daneben sind Überdruckventile 40 und 42 vorgesehen, deren öffnungsdruck ausreichend hoch eingestellt ist, um die Ventile erst bei Überschreiten eines bestimmten Maximaldrucks Verbindungsleitungen zur Einlaßleitung 33 öffrien zu lassen«

Von der Druckleitung 3^ führt eine Zweigleitung 54 einem Druckregelventil 44. Dieses hält den Druck in einer weiterführenden Leitung 58 stets auf einem bestimmten mittleren Niveau unterhalb des von der ölpumpe 32 erzeugten Druckes. Das Hegelventil 44 besteht aus einem Kolben 46, der in entgegengesetzter Richtung durch Federn 48 und 50 vorbelastet ist und in seiner Ausgangsstellung eine Art Nadelventil 52 in der die Zweigleitung 54 weit geöffneten Stellung hält« Der die Feder 48 aufnehmende Zylinderraum

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ist durch eine Leitung 56 zur Einlaßleitung 33 der ölpumpe hin entlüftet. Der Zylinderraum 57» welcher die Feder 50 aufnimmt, steht hingegen über eine zentrale Bohrung 53 mit der Leitung 58 in Verbindung. Aufgabe des Nadelventils 52 ist es nun, in der Leitung 58 einen ganz bestimmten konstanten Druck aufrecht zu erhalten, mit dessen Hilfe weiter unten beschriebene Steuerorgane betätigt werden. Dies geschieht, indem dann, wenn der Druck im Zylinderraum 57 ausreichend hoch ist, um die Kraft der Feder 4-8 zu übersteigen, das Nadelventil 52 stärker schließt, andererseits aber bei einem Druckabfall in der Leitung 58, der sich dem Zylinderraum 57 mitteilt, wieder Öffnet usw.

Wie bereits erwähnt, ist die Förderkapazität der ölpumpe 32 größer als der Maschinenverbrauch. Die überschießende ölmenge fließt durch eine Rücklaufleitung 60 zur Einlaßseite der ölpumpe 32 zurück, wobei Verbindungen zwischen der Druckleitung 3^ und der Rücklaufleitung 60 durch Überlaufleitungen 62 und 64 bestehen, in die Rücklaufventile 66 und 67 gelegt sind. Jedes der letztgenannten Ventile weist einen derart geformten, z.B. abgeschrägten, Ventilkörper 68 bzw. 69 auf, daß die Größe der Durchflußöffnung von der Stellung des Ventilkörpers abhängt. ■ .··

Die Stellung des Ventilkörpers 68 des Ventils 66 wird gesteuert durch einen Servozylinder 70, dessen Aufgabe es ist, bei gleichmäßiger Fahrt die Drehzahl des Verdichters konstant zu halten. Die Fahrgeschwindigkeit bestimmt sich nach der Stellung eines vom Fahrer bedienten, in seiner Gesamtheit mit 72 bezeichneten Gashebels, über den der Servozylinder 70 in. einer Richtung vorbelastet werden kann. . ---·.

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Im Servozylinder 70 ist ein Membrankolben 74 angeordnet, an dem der Ventilkörper 68 befestigt ist. Durch den Membrankolben 74- wird das Gehäuse 76 des Servozylinders 70 in eine obere und untere Kammer 78 bzw. 80 unterteilt. Die Ausgangsstellung des Membrankolbens 74- wird bestimmt durch eine Druckfeder 81, welche bestrebt ist, das Rücklaufventil 66 zur Überlauf leitung 62 hin möglichst weit zu öffnen, so. daß das in die Druckleitung 34 geförderte öl über die Rücklaufleitung 60 wieder zur Einlaßseite der Pumpe 32 zurückfließt.

Die untere Kammer 80 des Servo Zylinders 70 wird beaufschlagt durch einen variablen Druck, der von einem geschwindigkeitsabhängigen, allgemein mit 82 bezeichneten Druckerzeuger aufgebaut wird. Der letztere kann z.B. in einfachster Ausführung aus einem Zentrifugal-Druckregulator bestehen, der seinen Antrieb von der Verdichterwelle 16 (Fig. 1) ableitet und in seiner Druckleitung 84 einen Ausgangsdruck erzeugt, der mit ansteigender Drehzahl des Verdichters entlang einer parabolischen Kurve wächst. Derartige Druckerzeuger sind bereits bisher bei selbsttätig gesteuerten Antrieben in Gebrauch, bei denen ein hydraulisches Drucksignal Veränderungen der Motor- oder Fahrzeuggeschwindigkeit anzeigt. In die Leitung 84 ist eine Blende 86 gelegt, welche die Erzeugung eines konstanten Druckes gestattet und außerdem, wie weiter unten zu zeigen sein wird, eine Modifizierung des Druckes vor der Blende erlaubt.

Der Gegendruck gegen eine Aufwärtsbewegung des Membrankolbens 74 wird mittels des Gashebels 72 gesteuert. Als Ausgangsdruck dient der ,konstante Druck in der Leitung 58, von welcher eine Zweigleitung 90 zum Servozylinder 70 führt. Die an den letzteren weitergeleitete Druckhöhe wird(mittels eines Ventils 92 eingestellt, das einen drehbaren, federbe«

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lasteten Ventilkörper 92 aufweist, welcher durch Federbelastung die Tendenz hat, den Durchfluß von Drucköl von der Leitung 58 zur Leitung 90 auf ein Minimum zu beschränken (Leerlauf) und in der anderen Extremstellung (Vollgas) eine freie Verbindung zwischen den beiden genannten Leitungen herstellt. Außerdem kann eine nicht gezeigte weitere Stellvorrichtung am Ventil 92, 93 angreifen, welche bei Betätigung das Ventil über die Leerlaufstellung hinaus in eine solche Stellung zu bringen vermag, in welcher der öldurchfluß von der Leitung 58 zur Leitung 90 vollkommen blockiert ist, so daß die Druckfeder 81 des Servozylinders 70 das ^Rücklaufventil 66 in die vollständig geöffnete Öl-Rücklaufstellung bewegt. Auf diese Weise läßt sich im Notfall der Brennstofffluß zur Brennkammer schlagartig stoppen.

Die Bedienung des Steuerventils 92, 93 vom Gashebel 72 aus erfolgt im Beispielsfall über eine Gelenkverbindung 9^ "und einen Stößel 95» der auf der Unterseite des Gashebels, beispielsweise in der Form eines herkömmlichen Pedals 96» ansetzt. Das Pedal 96 ist mit seinem einen Ende 98 verschwenkbar am Fahrzeugkörper angelenkt und in Richtung zur Ruhestellung hin federbelastet. Die Ruhestellung entspricht der Einstellung des Motors auf Leerlauf. Bei einem allmählichen Niedertreten des Pedals 96 öffnet das Steuerventil 92, 93 kontinuierlich die Verbindung zwischen den Leitungen 58 und 90, bis am Ende in der Kammer 78 des Servozylinders 70 der Höchstdruck erreicht ist, welcher der Maximal vom Fahrer gewünschten Leistung entspricht.

Soweit bisher beschrieben, ist erkennbar, daß der Druck der unteren Kammer 80 des Servozylinders 70 von der Drehzahl des Verdichters abhängt, wobei steigender Druck in der Kammer 80 zum zunehmenden öffnen des Rücklaufventile 68 und gleich-

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zeitiger Beschränkung des Brennstoffflusses zur Brennkammer führt. Dadurch wird die Geschwindigkeit auf einem an dem Gashebel 72 eingestellten Niveau stabilisiert. Der Gashebel 72 wirkt auf der anderen Seite als Steuerorgan zur Beschleunigung des Fahrzeuges, denn in^dem über ihn und das Steuerventil 92, 93 der Druck in der oberen Kammer 78 des Servozylinders 70 vergrößert wirdj schließt man die Überlaufleitung 62, so daß mehr Brennstoff zur Brennkammer 26 gefördert wird und die Maschine beschleunigt.

In die zum Servo zylinder 70 führenden Druckleitungen, und zwar sowohl auf Seiten des drehzahlgesteuerten als auch, auf Seiten des willkürlich gesteuerten Druckes, können weitere Steuerorgane angreifen, um entweder verschiedene unerwünschte Betriebszustände der Maschine zu berücksichtigen oder den Änderungen der Umgebungstemperatur, d.h. der Temperatur der durch den Verdichter angesaugten Luft, Rechnung zu tragen. Beispielsweise kann, wie gezeigt, von der Leitung eine Nebenleitung 100 mit einem einstellbaren Nadelventil abzweigen. Mit dem Nadelventil 102 kann ein Servomotor verbunden sein, der das Ventil Öffnet und somit den Druck in der Leitung 90 verringert, wenn eine bestimmte Fahrzeughöchstgeschwindigkeit überschritten, wird.. Der Druckabfall in der Leitung 90 teilt sich der Kammer 78 des Servozylinders 70 mit, so daß verstärkt Brennstoff durch das Rücklauf ventil 66, 68 aus der Brennstoffleitung abgezweigt wird. Indem weniger Brennstoff zur Brennkammer gelangt, verringert sich die Geschwindigkeit auf einen bestimmten Höchstwert. In der gleichen Weise können mit dem Nadelventil 102 auch andere Steuerservos verbunden sein, die auf die Geschwindigkeit weiterer Maschinenteile ansprechen. -

Ähnlich, wie vorstehend beschrieben, setst auch an der Leitung 84- zur Kammer 80 des Servozylinders 70 eine überlauf-

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leitung 106 an, deren Durchfluß über ein Nadelventil 104-steuerbar ist. Das Nadelventil 104- wird betätigt durch einen Temperaturfühler 108, der beispielsweise am Einlaß des Verdichters für die Gasturbine angebracht ist und die Temperatur der angesaugten Luft mißt. Temperaturänderungen' der Umgebungsluft bringen bei feststehenden Einlaßdüsen 50 der Turbine auch Änderungen der Betriebstemperatur der Turbine mit sich (vgl. Fig. 5)» was auf eine Vergrößerung bzw. Verringerung der Drehzahl der Maschine, Änderungen in Dichte und Volumen usw. der Luft und des Gases zurückzuführen ist und sich wieder als geänderter Rückdruck usw. auf den Verdichter auswirkt. Es ist deshalb wünschenswert, daß die Veränderungen des Brennstoffflusses, durch welche die Gastemperatur und die Verdichterdrehzahl beeinflußt werden, noch unter Berücksichtigung der Änderungen der Umgebungstemperatur modifiziert werden. Zu diesem Zweck zieht der Temperaturfühler 108 das Nadelventil 104- aus der Überlaufleitung 106, wenn die Umgebungstemperatur ansteigt. Dies hat zur Folge, daß das maximale Druckniveau in der Druckleitung 84- und der Kammer 80 gesenkt wird, wodurch bei gleicher Gaspedalstellung die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer verstärkt wird.

Soweit bisher beschrieben, wird die Geschwindigkeit der Maschine durch .die Beeinflussung der Brennstoffzufuhr in Abhängigkeit von der Verdichterdrehzahl und der Gaspedalstellung gesteuert. Es wurde jedoch bereits oben "erwähnt, daß es, um den wirtschaftlichsten Betrieb und den höchsten Gesamtwirkungsgrad zu erreichen, erstrebenswert ist, die Turbine zu jeder Zeit, außer unter bestimmten Betriebsbe-, dingungen, z.B. im Leerlauf, bei der höchstzulässigen Temperatur arbeiten zu lassen. Diese höchstzulässige Betriebstemperatur wird bestimmt, einerseits durch die Materialkonstanten der für die Turbine verwendeten Werkstoffe, zum

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anderen dadurch, daß Pumperscheinungen des Verdichters vermieden werden müssen. .

Es ist allgemein bekannt, daß bei konstanter Drehzahl des Verdichters die Einlaßdüsen der Turbine, mit denen die Betriebstemperatur gesteuert wird, nur bis zu einem bestimmten Maße geschlossen werden können, damit nicht, verursacht durch ein kontinuierlich wachsendes spezifisches Volumen, der steigende Rückdruck einen augenblicklichen Rückfluß der komprimierten Luft zum Verdichter bewirkt, so daß Pumpeerscheinungen auftreten. Es ist bei einer bestimmten Anlage also jeweils einer bestimmten Verdichterdrehzahl eine ber stimmte Betriebstemperatur der Turbine zugeordnet, oberhalb welcher im Verdichter Pumperscheinungen auftreten* Der funktionale Zusammenhang geht am besten aus Fig. 3 hervor, wo eine Kurve a die obere Temperaturgrenze für die Betriebstemperatur der Turbine im Hinblick auf die Drehzahl des Verdichters anzeigt und gleichzeitig durch eine gerade Linie b angegeben ist, welche Höchsttemperatur wegen einer sonst auftretenden unzulässigen Werkstofferwärmung einzuhalten ist. Die Betriebstemperatur der Turbine sollte also stets unterhalb des Kurvenzuges b-a-b bleiben, sich wegen des Wirkungsgrades aber möglichst eng an diese Kurven anlegen, wobei jeweils die niedrigere maßgebend ist. Wird beispielsweise mit halber Höchstgeschwindigkeit gefahren, so ist aus Fig. 3 zu entnehmen, daß die Betriebstemperatur höchstens und gleichzeitig möglichst auf dem Niveau 110 liegt. Im Leerlaufbereich dagegen beschränkt die höchstzulässige Werkstofferwärmung di« Betriebstemperatur nach oben. In diesem Fall läge die Temperatur, welche zu Pumperscheinungen im Verdichter führt, noch höher. Wie später noch zu zeigen sein wird, gilt Fig. 3 nur für gleichmäßigen Fahrbetrieb. KurzzeitigeGeschwindigkeitsänderungen bringen Besonder-

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heiten mit sich, die sich ebenfalls bei dem erfindungsgemäßen Steuersystem berücksichtigen lassen.

Die vorstehenden theoretischen Erwägungen zeigen die Notwendigkeit einer direkten Steuerung bzw. Regelung der Betriebstemperatur der Turbine, um sowohl während der gleichmäßigen wie auch während der beschleunigten Fahrt eine zu starke Erwärmung zu vermeiden, welche zum Pumpen des Verdichters bzw. zur Zerstörung der Turbinenteile wegen Überhitzung und Materialermüdung führen würde. Bei dem erfindungsgemäßen Steuersystem ist deshalb eine Einrichtung vorhanden, welche für jede Drehzahl des Verdichters die zugeordnete maximale Betriebstemperatur der Turbine anzeigt. Diese Temperatur wird mit der tatsächlich vorhandenen und gemessenen Betriebstemperatur verglichen und die Abweichung wird als Regelsignal zur Betätigungseinrichtung für die Verstellvorrichtung der Einlaßdüsen 30 geleitet, so daß durch deren öffnen bzw. Schließen die Betriebs-temperatur auf das optimale Niveau angehoben bzw. abgesenkt wird. Diese Regelung vermeidet Pumperscheinungen im Verdichter und die Überhitzung von Turbinenteilen.

Die Temperatur-Regeleinrichtung umfaßt in Fig. 2 einen Umformer 110, der auf der Basis der Verdichterdrehzahl (das Maß dafür ist der Druck in der Leitung 84), korrigiert durch die Berücksichtigung der Umgebungstemperatur, ein Drucksignal erzeugt und an die Leitung 112 weitergibt, dessen Stärke der der jeweiligen Drehzahl des Verdichters entsprechenden Betriebstemperatur der Turbine analog ist, bei welcher gerade noch kein Pumpen des Verdichters auftritt. Das Drucksignal liegt also je nach der Verdichterdrehzahl gemäß Fig. 3 auf der Kurve a. Zusätzlich wird in einer Leitung 113 ein Drucksignal erzeugt, dessen Stärke der

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hochstzulässigen Betriebstemperatur der Turbine im Hinblick auf die Werkst off erwärmung analog ist· Dieses Drucksignal liegt gemäß Fig. 3 auf der Linie b.

Beide vorgenannten Drucksignale werden auf ein Umschaltventil 114 gegeben, welches derart konstruiert ist, daß der jeweils niedrigere Druck an einen Servozyiinder 116 weitergeleitet wird. Der letztere vergleicht das Drucksignal mit der ebenfalls in Druck umgesetzten tatsächlich gemessenen Betriebstemperatur. Die Messung erfolgt über einen Temperaturfühler 117» wobei ebenfalls eine Korrektur durch die Berücksichtigung der Temperatur, der Umgebungsluft vorgenommen wird. Der Druckunterschied zwischen den die bezeichneten Temperaturen repräsentierenden Drücken wird zur Steuerung eines Ventils benutzt, welches den Flüssigkeitsdruck in einer an die Leitung 58 angeschlossenen Leitung 120 reguliert. Der Druck in der Leitung 120 dient einerseits dazu, über einen Servomotor 122 die Einlaßdüsen 30 der Leistungsturbine zu verstellen, und andererseits dazu, über einen Servozyiinder des Rücklauf ventile 67 dieses während der Beschleunigung zu beeinflussen.

Es ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäße Hegel einrichtung für die Betriebstemperatur der Turbine nicht nur auf die Stellung der Einlaßdüsen, sondern auch auf die Brennstoffzufuhr einwirkt. '

Im einzelnen baut sich der vorgenannte Hegelkreis wie folgt auf: Von der Leitung 84, deren Druck der Drehzahl des Verdichters entspricht, zweigt eine Leitung 130 zum Druckumformer 111 ab. Dieser besteht aus einem Ventilgehäuse 132 mit einer Mittelbohrung 134 und mit Anschlüssen 136, 138 und 140. Die Anschlußleitungen 136 und Ϊ38 zweigen von der

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einlaßseitigen Leitung 1JO ab, während die Anschlußleitung 140 eine Sammelausläßleitung darstellt, die zu der obengenannten Leitung 112 führt. In der Wickelbohrung 134- sitzt dichtend aber verschieblich ein Ventilkörper 142, der an einem Membrankolben 144 befestigt ist. Der letztere unterteilt das ihn aufnehmende Zylindergehäuse 146 in eine Kammer 148 niedrigen und in eine Kammer 150 hohen Drucks. Eine Federbelastung 162 versucht,den Membrankolben in seine mit bezug auf Fig. 2 rechte Stellung zu drücken. Die Kammer 148 ist über eine Leitung 152 an den Ladedruck angeschlossen, während die Kammer 150 Anschluß hat an die Leitung 136.

Der Ventilkörper 142 weist eine Reihe von mit Zwischenabstand angeordneten Kolbenabschnitten 154 auf, zwischen denen Ringkanäle 156 verschiedener Breite in axialer Richtung bestehen, die über Kanäle 158 in die auslaßseitige Anschlußleitung 140 münden. Einlaß- und Auslaßseite des Druckumformers kommunizieren über eine Anzahl einstellbarer Nadelventile 160, wobei einlaßseitig der konstante Druck der Leitung 158 anliegt.

Jedes der Nadelventile 160 wird einzeln eingestellt und somit der Durchfluß durch die Ringkanäle 156 gesteuert, so daß man am Ende in den Leitungen 140 und 112 jeweils dasjenige eine höchstzulässige Temperatur repräsentierende Drucksignal erhält, welches einer bestimmten Drehzahl des Verdichters, die sich durch die Stellung des Ventilkörpers 142 ausdrückt, zugeordnet ist. Die Druckumformung geschieht im einzelnen in der Weise, daß bei einer Druckänderung in den Anschlußleitungen 136 und 138 sich der Ventilkörper und der Membrankolben 144 unter Berücksichtigung auch der Federkraft 162 verschieben und dadurch einer oder mehrere der Ringkanäle 156 ganz oder teilweise zur Flucht gebracht wercPmit den durch die Nadelventile 160 gesteuerten Durch-

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flußöffnungen der Kanäle 158, die in die Anschlußleitung münden. Das an die Anschlußleitung 140 gelangende Drucksignal zeigt die höchstzulässige Betriebstemperatur der Turbine an, bei welcher im Verdichter, noch keine Pumperscheinungen auftreten, und zwar jeweils in Abhängigkeit von der Drehzahl des Verdichters, die ihrenAusdruck findet im Öldruck der Leitung 130.

Der Druck in der Leitung 140 überträgt sich auf das selbstgesteuerte Umschaltventil 114, welches jeweils den niedrigeren zweier einlaßseitig angelegten Drücke an die Auslaßseite weitergibt. Das Umschaltventil 114 weist einen Ventilkörper 164 auf, dessen axiale Stellung im Ventilgehäuse sich nach dem Verhältnis der Drücke in den Leitungen 112 und 113 richtet. Die letztere erhält ihren Druck von der Leitung 58 her, allerdings gesteuert durch eine Blende 170. Der Druck in der Leitung 113 liegt konstant bei einem Niveau, welches analog ist der maximal zulässigen Temperatur der Turbinenteile im Hinblick auf deren physikalische Eigenschaften. Dieser Druck wirkt auf die mit bezug auf Fig. 2 rechte Kolbenseite des Ventilkörpers 164. Es ist offensichtlich, daß jeweils der höhere der beiden in den Leitungen 112 bzw· 113 herrschenden Drücke den Ventilkörper 164 zur Gegenseite hin verschiebt, so daß dieser die Leitung mit dem niedrigeren Druck mit der Auslaßleitung 168 verbindet. Dieses relativ niedrigere Drucksignal entspricht für eine bestimmte Verdichterdrehzahl genau der in Fig. 3 dargestellten höchstzulässigen Betriebstemperatur, die sowohl unterhalb der Kurve a, als auch unterhalb der Linie b liegen muß·

Das Drucksignal der Leitung 112 kann noch durch irgendeine gewünschte weitere Einflußgröße modifiziert werden, und swar mit Hilfe einer einstellbaren Blende oder Drossel 172, die einen Ablauf von der Leitung 112 zur Kammer 148 steuert. In

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ähnlicher Weise kann auch der Druck in der Leitung 113 noch beeinflußt werden durch Änderung der Umgebungstemperatur, wobei ebenso wie im Falle der Leitung 136 ein durch den Temperaturfühler 108 gesteuertes Anzapfventil 174- vorgesehen sein kann. Die Schließ- bzw. Öffnungsstellung des Anzapfventils 174- beeinflußt dann den Druck in den Leitungen und 113» indem die Verbindung zur Kammer 148 mehr oder weniger blockiert bzw. geöffnet wird.

Das von dem Umschaltventil 114 kommende Drucksignal gelangt über die Leitung 168 zu dem als Vergleichsorgan ausgebildeten Servozylinder 116. Dieser besteht aus einem Zylindergehäuse 180, welches durch einen Membrankolben 182 in zwei Kammern 178 und 184 unterteilt ist. Der Membrankolben 182 ist fest verbunden mit dem Ventilkolben 186 des Steuerventils 118, welches die Verbindung zwischen den Leitungen 158 und 120 mehr oder minder freigibt.

Während die Kammer 178 an der Leitung 168 liegt, erhält die Kammer 180 ihren Druck über eine Leitung 190 von einem temperaturgesteuerten Druckumformer 192. Der letztere besteht aus einem Temperaturfühler 194, der in den Gasstrom der Turbine hineinragt, z.B. am Einlaß der Verdichterturbine. Je nach der dort gemessenen Temperatur wird dann in dem Umformer 192 der über eine Zweigleitung 195 anliegende Druck der Leitung 58 entsprechend gedrosselt, so daß das Drucksignal in der Leitung 190 der momentanen Betriebstemperatur analog ist« Auch dieses Drucksignal könnte durch Berücksichtigung der Umgebungstemperatur nochmale korrigiert werden, was durch ein Anzapfventil in einer abzweigenden Leitung 196 angedeutet ist, welches durch den Temperaturfühler 108 gesteuert wird*

Im Sesros^lLinder 116, 18© wls-i. das die gemessene Betriebe-■feepasatiij? ?ep?Isentlere&&6 Drucksignel in des? Leitung 190

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mit dem die höchstzulässige und gleichzeitig Solltemperatur repräsentierenden Drucksignal in der Leitung 168 verglichen. · Die Druckdifferenz wirkt über den Membrankolben 182 auf das Steuerventil 118 und führt zu einer Vergrößerung oder Ver- * kleinerung des Druckes in der Leitung 120. Die letztere steht über eine Drossel 197 mit der Einlaßleitung 33 der ölpumpe 32 in Verbindung, wodurch eine Isolierung beider Leitungen voneinander erreicht wird. Von der Drossel 197 aus gesehen stromaufwärts zweigt von der Leitung 120 eine Leitung 198 ab, die zu einem Ventil 200 führt, welches jeweils den höchsten Druck einer Reihe von Einlaßleitungen durchläßt. Weiterhin zweigt oberhalb der Drossel 197 von der Leitung 120 eine Leitung 202 ab, die zum Servozylinder 12⁴I- des Rücklauf venti Is 67 führt.

Das Ventil 200 besteht aus einem Gehäuse 206 mit einer Kammer 208, die über eine Leitung 210 mit einem Betätigungsservo der Verstelleinrichtung der Einlaßdüsen 30 ia Verbindung steht« Einlaßseitig sind an die Kammer 208 Tier Anschlußleitungen 214-, 216, 218 und 220 angelegt, von denen die erste Anschluß hat an die Leitung 198, während die restlichen irgendwelche anderen gewünschten Steuerleitungen repräsentieren,, In der Mündung jeder der Anschlußleitungen-an das Ventil 200 sitzt ein Rückschlagventil, welches nur öffnet, wenn der Druck in der Anschlußleitung größer ist als in der Kammer 208· Die Bewegungsrichtung der Verstelleinrichtung der Einlaßdüsera, ist so gewählt, daß die letzteren desto weiter öffnen^ J® stärker der Druck in der Leitung 210 ist. Das öffnen ä®s Einlaßdüsen bewirkt dann wieder ein Absenken der Betriebs^ temperatur. - .

Gleichzeitig und entsprechend wie d©r Leitung Verstelleinrichtung der EinlaBdüsen 30 teilt in.der Leitung 120 auch der Leitung 202 mit· Uta©

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zunächst zu dem Rücklauf ventil 66, dessen Ventilkörper im Bereich der Anschlußstellen der Leitung 202 einen in bestimmter Stellung des Ventilkörpers eine Verbindung darstellenden Ringkänal 221 bildet. Die Verbindung über den Hingkanal 221 ist jedoch nur geöffnet, solange beschleunigt·, wird und das Ventil 66 die entsprechende Stellung einnimmt. Nur dann gelangt der Öldruck über die Leitung 202 weiter zum Servozylinder 124 des RücklaufventiIs 67.

Der Servozylinder 124 besteht aus einem Membrankolben 222, der das Zylindergehäuse 224 in eine durch einen Ladedruck oder den Umgebungsdruck beaufschlagte Kammer 226 und eine Kammer 228 unterteilt, an die die Leitung 202 angeschlossen ist. Fest mit dem Membrankolben 222 verbunden ist der Ventilkörper 69t Eine Druckfeder 230 zeigt das Bestreben, das Rücklaufventil 67 in diejenige Extremstellung zu verschieben, bei welcher die Überlaufleitung 64 geschlossen ist.

Wenn der Ventilkörper des Rücklaufventils 66 in seine mit bezug auf Fig. 2.untere Stellung verschoben wird, was mehr dem Betriebszustand der Beschleunigung als dem gleichmäßiger Fahrt entspricht, gibt der Ringkanal 221 die Verbindung der Leitung 202 zum Servozylinder 124 frei. Dadurch wird der Membrankolben 222 angehoben und die Brennstoffzufuhr und damit auch die Betriebstemperatur der Turbine mittels des Rücklauf ventile 67 gesteuert.

Die Leitung 202 weist eine Zweigleitung 232 auf, die zu dem bereits erwähnten Anzapfventil 174 an der Leitung 113 führt, deren Druck ein Maß für die metallurgisch vorgegebene Temperaturgrenze ist. Während der Beschleunigung vertragen die Turbinenteile kurzzeitig eine stärkere Erwärmung, als unter ■Dauerbelastung zulässig wäre. Diese Tatsache findet dadurch

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Berücksichtigung in dem erfindungsgemäßen Steuersystem, daß während der Beschleunigung der Steuerdruck in der Leitung 232, durch die Steuerung des Ventils 174-, ^-^{en Dl>}uck iⁿ cLer Leitung 113 erhöht. . .

Die vorstehend geschilderte Erhöhung der Betriebstemperatur während der Beschleunigung ist auch aus thermodynamischer Sicht zulässig, denn das öffnen der Einlaßdüsen 30 während der Beschleunigungsphase unter gleichzeitiger Beibehaltung der Betriebstemperatur durch verstärkte Brennstoffzufuhr bringt immer noch eine Erhöhung des Grenzwertes mit sich, bei dem Pumperscheinungen im Verdichter auftreten₉ weil nunmehr bei gleichem Temperaturniveau der Verdichter ein größeres Luftvolumen liefert. Zu bemerken ist, daß die während der Beschleunigung weit geöffneten Einlaßdüsen der Leistungsturbine nicht nur eine höhere Betriebstemperatur ohne Pumpen des Verdichters erlauben, sondern gleichzeitig auch ein stärkerer Druckabfall an der Verdichterturbine auftritt, was eine noch bessere Beschleunigung zur Folge hat. Der Luftstrom nimmt zu, dadurch wiederum auch die Brennstoffzufuhr, und das hat wieder Bückwirkungen auf die Verdichterdrehzahl.

übei* den Servozylinder 70 findet auch eine Steuerung des Rücklaufventils 66 und damit der Leitungsverbindung 202 über den Ringkanal 221 während der Fahrtverzögerung statt«, In diesem Fall befindet sich das Gaspedal 96 entweder in der dem Leerlauf entsprechenden Ruhestellung oder es ist in der die Leitungsverbindung 58/90 vollständig blockierenden Extremstellung eingerastet« In beiden Fällen drückt die Feder 81 den Membrankolben 74 in eine mit bezug auf Fig. 2 obere Stellung und stellt dadurch über den Hingkanal 221 eine Verbindung zwischen der Leitung 202 und einer Leitung 250 her. Die letztere erhält ihren Druck von der Leitung 58₉ reguliert durch eine Blende oder Drossel Fo 7878 /27.3.1969 0 0 9 8 3 5/1101

252 und weiterhin durch ein ebensolches Steuerorgan 254· in einer Zweigleitung 255» die Anschluß hat an die Einlaßleitung 33 der ölpumpe 32. Das Drucksignal wird an eine Leitung 256 weitergegeben, die beispielsweise an die Anschlußleitung 216 des Ventils 200 in der Steuerleitung 210 zur Verstelleinrichtung der Einlaßdüsen 30 Anschluß hat.

Die beschriebene Schaltung bewirkt bei der Verzögerung der Fahrt, wenn also die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer ganz oder zum wesentlichen Teil gestoppt ist, was normalerweise wegen der niedrigen Betriebstemperatur ein sehr schwaches Drucksignal in der an das Steuerventil 118 angeschlossenen ' Leitung 198 und damit eine Schließbewegung der Einlaßdüsen zur Folge hätte, wenn allein die Leitung 198 an das Ventil 200 angeschlossen ware, daß über die Leitungen 250 und 256 und die Anschlußleitung 216 ein höherer Druck an das Ventil 200 gelangt. Durch den höheren Druck in der Leitung 210 wird die Verstelleinrichtung der Einlaßdüsen 30 sozusagen über die Betriebstemperatur der Turbine "getäuscht", so daß die Einlaßdüsen in einem bestimmten Grade offenbleiben und einen Betrieb ohne Pumperscheinungen im Verdichter gewährleisten.

Die Betriebsweise des vorstehend mit seinen Einzelheiten beschriebenen erfindungsgemäßen Steuersystems ist wie folgt: j Es sei zunächst angenommen, daß die Anlage außer Betrieb ist. In diesem Zustand arbeitet weder die ölpumpe 32 noch der durch die Drehzahl des Verdichters gesteuerte Druckerzeuger 82, und der Höchstdruck in den Steuerleitungen liegt auf dem Niveau eines Ladedrucks oder auf dem Niveau der Einlaßleitung 33 der Pumpe 32. Dementsprechend drückt die Feder 81 den Membrankolben T^ im Servozylinder 70 zusammen mit dem Ventilkörper 68 nach oben und öffnet dadurch die Überlauf leitung 62 vollständig«, Andererseits drückt die Feder 230 im Servozylinder 124 den Ventilkörper 69 ganz

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nach, unten, so daß die Überlauf leitung 64 abgeschlossen ist. Die Mindestdruckventile 36 und 38 sind geschlossen und verhindern so einen Rückfluß des Brennstoffs von der Brennkammer her. Das Gaspedal 96 befindet sich in Leerlaufstellung.

Wenn dann die Maschine mittels eines nicht gezeigten Anlassers gestartet wird, werden der Verdichter und die Verdichterturbine so stark in Drehung versetzt, wie es zum Zünden der Maschine notwendig ist. Gleichzeitig mit dem Anlauf des Verdichters liefert auch die ölpumpe 32 unter zunehmendem Druck Brennstoff an die Leitung 3^· Bis der Öldruck beispielsweise 7at erreicht, bleibt das Mindestdruckventil 36 geschlossen. In dieser Zeitspanne wird Brennstoff unter Druck zur Regulatoreinrichtung 44 gefördert. Sobald dort der Differenzdruck der Federn 48 und 50 überwunden wird, bildet sich in der Anschlußleitung 58 ein konstanter Druck aus, der an die durch das Gaspedal gesteuerte Leitung 90 sowie an die Leitungen 113» 210, 195 und 250 weitergeleitet wird.

In Leerlaufstellung des Gaspedals 96 genügt der Druck in der Leitung 90 "und der Kammer 78, um den Membrankolben 74 und den Ventilkörper 68 niederzudrücken, so daß die Überlaufleitung 62 geschlossen ist. Ungefähr gleichzeitig überwindet nunmehr auch der Druck in der Leitung 34 die Schließwirkung der Mindestdruckventile 36 und 38, und es wird Brennstoff zur Brennkammer 26 gefördert.

Gleichzeitig arbeitet auch bereits der durch die Drehzahl des Verdichters gesteuerte Druckerzeuger 82, und der Druck in der Leitung 84 steigt in bekannter Weise entlang einer parabolischer Kurve an. Dieser Druck widersetzt sich nunmehr

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zusammen mit der Feder 81 der nach abwärts gerichteten Druckkraft auf den Membrankolben 7^, welche auf" den Druck in der Leitung 90 und der Kammer 78 zurückzuführen ist. !Tunmehr führt d.er Ventilkörper 68 seine die Überlaufleitung 62 mehr oder minder öffnende Steuerbewegung aus. Zeitlich gesehen ' ■ war also zu Beginn das Rücklaufventil 66 geschlossen, so daß, gesteuert durch das Rücklaufventil 67 zur Aufrechterhaltung des Betriebs, genügend Brennstoff zur Brennkammer fließen konnte. Dann stellt sich die Leerlaufdrehzahl ein, wozu das Ventil 66 öffnet und das Ventil 67 schließt.

Betrachtet man die Drehzahlsteuerung allein, so bewirkt, wenn die Verdichterdrehzahl kleiner ist als es die Stellung des Gaspedals 96 verlangt, der nach abwärts gerichtete Differenzdruck in der Kammer 78, daß die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer vergrößert wird und in der Folge der Verdichter schneller läuft. Wenn sich dann die Verdichterdrehzahl dem richtigen Wert nähert, wird der Ventilkörper 68 zunehmend nach oben gedrückt, es fließt dadurch mehr Brennstoff über die Überlaufleitung 62 ab, so daß weniger zur Brennkammer gelangt, bis sich ein Gleiehgeiflciits zustand einstellt, bei welchem gerade die der Leerlaufstellung des Gaspedals entsprechende Brennstoffmenge an die Brennkammer gelangt. Es ist offensichtlich, daß bei einer Abweichung der Drehzahl des Verdichters- von dem durch die Stellung des Gaspedals bestimmten Optimalwert, das Rücklaufventil 66 eine entsprechende Steuerbewegung ausführt, um den Verdichter in dem gewünschten Maße zu beschleunigen bzw. langsamer laufen zu lassen.

In diesem Zeitpunkt gelten die Bedingungen für gleichmaßigen Lauf. Dementsprechend läßt das Rücklaufventil 66 je nach Steuerstellung einen gewissen Überlauf von Brennstoff zu,

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während gleichzeitig durch den Ventilkörper desselben Ventils die Leitung 202 unterbrochen ist und dadurch eine Steuerung auch über das Rücklauf ventil 67 verhindert wird. Parallel zur Drehzahlsteuerung arbeitet die Temperaturregelung, um ein Ansteigen der Betriebstemperatur der Turbine auf einen unzulässig hohen Wert zu vermeiden. Das geschieht in der Weise daß das der Drehzahl des Verdichters entsprechende Drucksignal in der Leitung 130 auf die Stellung des Ventilkörpers 142 des Druckumformers 111 einwirkt, ihn mit bezug auf Fig. 2 nach links verschiebt und dadurch einen gewissen Druckmittelfluß von der Leitung 58 über die Nadelventile 160 und die■Ringkanäle 156 zur Auslaßleitung 140 freigibt. Nun wirken sowohl der Druck in den Leitungen 140/112 als auch der Druck in der Leitung 113 auf den Ventilkolben 164 des Umschaltventils 114. Der letztere wird durch den stärkeren Druck zur Gegenseite hin verschoben, so daß eine Verbindung zwischen der einlaßseitigen Leitung 112 bzw. 113 mit dem niedrigeren Druck und der Auslaßleitung 168 des Umschaltventils 114 hergestellt wird. Dieses ausgewählte schwächere Drucksignal wird über die Leitung 168 dem Servozylinder 116 mitgeteilt, an dem über die Leitung I90 auf der Gegenseite des Membrankolbens 182 auch ein der tatsächlich gemessenen Betriebstemperatur entsprechender Druck anliegt. Wenn,nun die Ist-Temperatur der Soll-Temperatur entspricht, verharrt das Steuerventil 118 in seiner Stellung, und somit ändert sich auch nichts an der Einstellung der Einlaßdüsen 30. Wenn andererseits die gemessene Betriebstemperatur niedriger oder höher ist als sie sein sollte, so bewirkt der Servozylinder 116 eine Steuerbewegung des Ventils 118, die zu einer entsprechenden Druckänderung in der Leitung 120 führt, wodurch die Stellung der Einlaßdüsen 30 korrigiert wird.

Vorstehend ist die Regelung während gleichmäßiger Fahrbedingungen beschrieben worden. Nachstehend seien nun die

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Verhältnisse während der Beschleunigung geschildert. Es wird davon ausgegangen, daß das Gaspedal 96 aus seiner Leerlaufstellung in die Vollgasstellung niedergedrückt ist. Das plötzliche öffnen des Ventils 93 verstärkt sofort den Druck in der Leitung 90 und der Kammer 78, so daß der Membrankolben 74- und der Ventilkörper 68 niedergedrückt werden und die Überlaufleitung 62 verschlossen wird. Dadurch vergrößert sich sofort die zur Brennkammer gelangende Brennstoffmenge, die Betriebstemperatur der Turbine steigt und die Verdichterdrehzahl wird beschleunigt. Nun tritt allerdings die Regelwirkung des erfindungsgemäßen Systems in Erscheinung: Die höhere Verdichterdrehzahl bringt einen stärkeren Druck in äer,Leitung 84 und in der Kammer 80 mit sich, wodurch allmählich der Membrankolben 7^ gegen den Druck in der Kammer 78 nach oben gedrückt wird, so d,aß weniger Brennstoff zur Brennkammer gelangt.

Bei starkem Brennstoffzufluß zur Brennkammer spricht wegen der sofort ansteigenden Betriebstemperatur auch der Temperaturfühler des Temperatur-Druckumformers 192 an. Gleichzeitig führt der verstärkte geschwindigkeitsabhängige Druck in der Leitung 130 dazu, daß der Druckumformer 111 das Drucksignal in den Leitungen 14-0, 112 verstärkt. Dieses Drucksignal wird dann mit dem die physikalischen Werkstoffeigenschaften berücksichtigenden Drucksignal der Leitung im Umschaltventil 114 verglichen, und das schwächere Drucksignal an die Kammer 178 des Servozylinders 116 weitergegeben.

Wenn nun das Drucksignal in der Leitung 190 stärker ist als das die Solltemperatur repräsentierende Drucksignal in.der Kammer 178, wird der Ventilkörper 186 des Steuerventils 118 mit bezug auf Fig. 2 nach rechts verschoben und öffnet da-

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durch die Verbindung zwischen .den Leitungen 58 und 120 sowie den Zweigleitungen 198 und 202 der letzteren weiter. In der Folge steigt der Druck in der Leitung 120 sofort an, pflanzt sich über das Ventil 200 fort und wirkt gemäß Fig. 4 in der Richtung auf die Einlaßdüsen 30 der Leistungsturbine, daß diese weiter öffnen, was einen Temperaturabfall nach sich zieht. Da sich während der Beschleunigungsphase das drehzahlgesteuerte Rücklaufventil 66 in derjenigen Stellung befindet in welcher der Ringkanal 221 die Leitung 202 öffnet, wirkt deren erhöhter Druck auf den Membrankolben 222 des Servo» Zylinders 144. Ist nun dieser Druck hoch genug, um die Kraft der Feder 2JO zu überwinden, so wird der Membrankolben 222 und mit ihm der Ventilkörper 69 angehoben und dadurch die Überlaufleitung 64 allmählich geöffnet.

Es läßt sich also festhalten, daß in dem Fall, wo die gemessene Betriebstemperatur höher liegt als erwünscht und der momentanen Verdichterdrehzahl entspricht, sowohl die Einlaßdüsen der Leistungsturbine geöffnet werden als auch die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer gedrosselt wird, so daß die Betriebstemperatur sofort auf das gewünschte Maß abfällt.

Wenn sich andererseits ein Betriebszustand einstellt, bei welchem die Betriebstemperatur der Turbine niedriger als entsprechend dem Druck in der Leitung 168 vorgesehen ist, wird der Ventilkörper 186 des Steuerventils 118 nach links gezogen, so daß sich der Druck in den Leitungen 198 und ermäßigt, was ein entsprechendes Schließen der Einlaßdüsen und eine verstärkte Brennstoffzufuhr zur Brennkammer zur Folge hat, da das Rücklaufventil 67 die Überlaufleitung 64 weiter abschließt. Somit steigt die Betriebstemperatur der Turbine in dem gewünschten Maße an..

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Wie bereits oben erwähnt, ist es sowohl unter Berücksichtigung der metallurgischen als auch der thermodynamisehen Bedingungen möglich, während der Beschleunigung das die Solltemperatur repräsentierende Drueksignal in der Leitung 168 kurzfristig zu verstärken, so daß die höchste erreichbare Temperatur etwas oberhalb der Kurven a und b in Fig. liegt. TJm dies zu erreichen, wird der Druck der Leitung über die Leitung 232 an das Anzapfventil 174 gelegt, das den Druck in der Leitung 113 steuert. Das Drucksignal von der Leitung 202 her führt zu einer Druckvergrößerung in der Leitung 113«

Während der Dauer der Beschleunigung wird durch den wachsenden Druck in der Kammer 80 der Ventilkörper 68 allmählich angehoben, bis die Verdichterdrehzahl auf den gewünschten Wert kommt. In diesem Moment schließt der Ventilkörper des Rücklaufventils 66 die Verbindung der Leitung 202 über den Ringkanal 221, so daß der Servozylinder 124 in seiner Aus- · gangsstellung stillgelegt wird. Für das Steuersystem gelten nunmehr wieder die Bedingungen wie bei gleichmäßigem Fahrbetrieb.

Aus dem Vorstehenden wird klar, daß nach jeder Einstellung des Gaspedals ein entsprechender Anpassungsvorgang stattfindet, bis sich die zu der jeweiligen Pedalstellung gehörigen Verhältnisse für gleichmäßige. Fahrt eingestellt haben. Es sollte bemerkt werden, daß auch während der Anpassungszeit die Brennstoffzufuhr und die Betriebstemperatur der Turbine die jeweils richtigen Werte annehmen, so daß ohne Überhitzung der Turbinenteile und unter Vermeidung vom Pumperscheinungen im Verdichter z.B. eine größtmögliche Beschleunigung erreicht wird.

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Weiterhin sollte Beachtung finden, daß sich auch die Temperatur der Umgebungsluft in geringfügigen Änderungen des sonst erhaltenen Steuerdrucks niederschlägt, so daß auch diesem Einfluß auf die Betriebstemperatur sowie das Verdichterverhalten Rechnung getragen ist.

Während der Fahrtverzögerung, wenn das Gaspedal in seine Leerlaufstellung zurückgenommen ist und das Fahrzeug ausläuft, ist es erwünscht, die Brennstoffzufuhr vollkommen abzustellen. Die Zurücknahme des Gaspedals aus einer Fahrtstellung in die Leerlaufstellung führt zu einem plötzlichen Absinken des Druckes in der Kammer 78. Die Feder 81 und der geschwindigkeitsabhängige Druck in der Kammer 80 können also den Ventilkörper 68 nach oben verschieben und die Überlaufleitung 62 vollständig öffnen. Dadurch wird die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer abgeschnitten. Das Anheben des Ventilkörpers 68 bringt es mit sich, daß gleichzeitig über die Leitung 250 ein Drucksignal zur Anschlußleitung 216 des Ventils 200 gelangt, welches selbsttätig die Einlaßdüsen 30 offenhält und Pumpen des Verdichters verhindert. Hätte man nicht diese letztere Steuerungsmaßnahme vorgesehen, so würde der nach dem Abschließen der Brennstoffzufuhr auftretende plötzliche Temperaturabfall in der !Turbine, der ja gemessen und als Drucksignal auf den Servozylinder 116 gegeben wird, dazu führen, daß dort das Schließen der Einlaßdüsen angezeigt wird um die Betriebstemperatur wieder auf den für gleichmäßige Fahr bedingungen geltenden Wert anzuheben«, Die Verstelleinrichtung der Einlaßdüsen wird also durch das über den Anschluß 216 .in das Ventil 200 eingeleitete Drucksignal "getäuscht".

Der Fall, daß die Brennstoffzufuhr abgeschnitten wird₉ tritt auch auf, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit einen vorbestimmten Höchstwert übersehreitet. Diesmal wird das einstellbare Nadel-

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ventil 102 an der durch das Gaspedal beeinflußten Steuerleitung 90 geöffnet, so daß bei Überschreiten der vorbestimmten Fahrzeughöchstgeschwindigkeit Druckmittel über die Zweigleitung 100 abfließt und der Druck in der Leitung 90 sinkt. Es ist klar, daß anstelle des geschwindigkeitsgesteuerten Nadelventils 102 oder neben diesem weitere, durch andere noch zu berücksichtigende Einflußfaktoren gesteuerte Ventile, Blenden od.dgl. angeordnet sein können.

Es ist ersichtlich, daß durch die Erfindung ein Steuersystem geschaffen wurde, welches eine direkte Temperaturregelung sowohl bei gleichmäßigem Fahrbetrieb als auch während der Beschleunigung gestattet, in der Weise, daß zu jeder Verdi chterdrehzahl die jeweils optimale Betriebstemperatur eingeregelt wird. Natürlich sind abweichend von dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Vielzahl von in den Rahmen der Erfindung fallenden Inderungen und Hinzufügungen möglich. So müssen z.B. nicht unbedingt die Drucksignale in den Leitungen 113 thvI I90 im Hinblick auf die Temperatur der Umgebungsluft korrigiert sein. Es handelt sich in diesem Fall um Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung, die auch durch andere Maßnahmen ersetzt sein können. Man könnte z.B. auch die Berücksichtigung der Temperatur der Umgebungsluft ganz entfallen lassen. Ebenso ist es auch möglich, nur eines der genannten Drucksignale im Hinblick auf die Umgebungstemperatur zu korrigieren.

Patentansprüche /

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Claims

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Patentansprüche

1 .J Steuersystem für Gasturbinen mit rotierendem Verdienter j Brennkammer, einem mit verstellbaren Einlaßdüsen versehenen Leistungsturbinenteil und einer Pumpe, welche Brennstoff über Zwischenleitungen unter Druck zur Brennkammer fördert, gekennzeichnet durch ein Rücklaufventil (66, 68) in den Zwischenleitungen (3^-)» welches den zur Brennkammer (26) geleiteten Brennstoff unter dem Einfluß der Differenz von gegeneinanderwirkenden Steuerkräften (74, 78, 80) bemißt, die in Abhängigkeit einerseits der Drehzahl des Verdichters (10), andererseits eines willkürlich betätigbaren Steuerventils (93) erzeugt sind.

2. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß die Steuerkräfte als hydraulische Druckkräfte (78, 80) erzeugt sind, welche gegenüberliegende Seiten eines am Ventilkörper (68) des Rücklaufventils (66) befestigten Membrankolbens (74-) beaufschlagen.

3. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in Abhängigkeit von der Drehzahl des Verdichters (10) erzeugte Steuerkraft "(80) dem Einfluß eines auf die Temperatur der Umgebungsluft ansprechenden Steuerorgans (108) unterliegt.

4. Steuersystem nach Anspruch 1, gekenn ζ ei ch-» net durch eine Regeleinrichtung für die Betriebstemperatur der Turbine (14, 18), wobei ein hydraulischer Druck (112, 178), welcher der einer bestimmten Drehzahl des Verdichters (10) zugeordneten Sollbetriebstemperatur der Turbine (14, 18) entspricht, und ein hydraulischer Druck

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(184) analog der Istbetriebstemperatur der Turbine gegenüberliegende Seiten eines Membrankolbens (182) beaufschlagen, der mit dem Ventilkörper (186) eines Steuerventils (118) in der Druckölleitung (120, 210) zur Verstelleinrichtung (122) der Einlaßdüsen (30) verbunden ist.

5. Steuersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß das als Funktion der Drehzahl des Verdichters (10) herzustellende Drucksignal (112, 178) in einem als Druckumformer ausgebildeten Ventil (111) erzeugbar ist, dessen Durchflußöffnung (158, 160) je nach der A Stellung seines drehzahlgesteuerten Ventilkörpers (142) ausgelegt ist.

6. Steuersystem nach Anspruch 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet , daß das als Funktion der Drehzahl des Verdichters (10) erzeugte Drucksignal (112, 178) in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur der Turbine modifizierbar ist (Ventil 172).

7. Steuersystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das der Istbetriebstemperatur der Turbine analoge Drucksignal (184) in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur modifizierbar ( ist.

'8. Steuersystem nach einem der Ansprüche 4 bis 7» da durch gekennzeichnet, daß durch den Druck in der Druckölleitung (120) hinter dem Steuerventil (118) ein weiteres steuerbares Rücklaufventil (67) in der Brennstoffleitung (34) dann in Öffnungsrichtung des Rückflusses beeinflußbar ist, wenn das erste Rücklaufventil (66) in seiner Stellung während des Beschleunigens eine Verbindungsleitung (202, 221) freigibt und der Druck in der Ver-

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bindungsleitung (202) .einen bestimmten Mindestwert (230) übersteigt.

9· Steuersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das willkürlich betätigbare Steuerventil (93) vollständig schließbar ist und dann während des Betriebs der Membrankolben (7^) das Rücklaufventil (66) ganz öffnet, so daß die Förderung von Brennstoff zur Brennkammer aufhört.

£ 10. Steuersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein bei Überschreiten einer bestimmten Fahrtgeschwindigkeit öffnendes Rücklaufventil (100, 102) an der das willkürlich betätigbare Steuerventil (93) enthaltenden Druckölleitung (90).

11. Steuersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeic line t, daß das als Funktion der Drehzahl des Verdichters (10) erzeugte .Drucksignal (112) auf einen Maximalwert begrenzt ist.

P 12. Steuersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzei chn e t , daß das als Funktion der Drehzahl des Verdichters erzeugte Drucksignal (112) und ein der höchstzulässigen Werk-! stofferwärmung der Turbine entsprechendes Drucksignal (113) zu einem durch diese beiden Drücke selbst gesteuerten Umschaltventil (114) geleitet sind, welches nur das jeweils schwächere Drucksignal (112 bzw. 113) zur Beaufschlagung des Membrankolbens (182) weiterleitet.

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