DE1963432C3

DE1963432C3 - Regeleinrichtung für eine Gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE1963432C3
Application number: DE1963432A
Authority: DE
Inventors: Hermann Dr. 8000 Muenchen Hagen
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1969-12-18
Filing date: 1969-12-18
Publication date: 1979-03-22
Also published as: DE1963432B2; US3777479A; DE1963432A1; SE368443B; GB1338766A; FR2031052A5

Description

25

gewählt wird, wobei Ki eine Konstante ist.

5. Rsgeleinrichtung nach Anspruch I, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen ersten Regelkreis für die Querschnittseinstellung und ferner einen zweiten Regelkreis für die Gaserzeugerdrehzahl (n\) aufweist, wobei der erste Regelkreis Meßstellen für die Meßgrößen pbi, q_u T₀, und pbj, Geräte (43, 46, 47) zur Bildung der beiden Gesamtausdrücke der beiden Seiten der Gleichung bzw. zweier ihnen proportionaler Signale und einen Funktionsgenerator (44) zum Vergleich der Signale aufweist und ein Differenzsignal derselben über ein Steuer- und Stellgerät (73, 73a, b, 74,75,78a, 78b, 78, 79,82) zur Querschnittseinstellung benutzt wird.

6. Regeleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Funktionsgenerator (44) zwei parallel durchströmte Vergleichsmeßstrecken (63, 64) jeweils mit einem vom linken bzw. rechten Gesamtausdruck abhängigen, schiebergesteuerten Durchflußquerschnitt (F\, F₁), einer stromabwärts folgenden Drossel (66,70) und einer dazwischenliegenden Druckmeßstelle (68, 72) aufweist, wobei die beiden an den beiden Drucknießstellen (68, 72) abgegriffenen Drücke die beiden genannten Signale darstellen.

7. Regeleinrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein von einem Differenzdruck dieser Drücke steuerbares und dadurch eine von eiwem Gaserzeugerdrehzahlregler (54) kommende Brennstoffmenge in eine Teilmenge für die Brennkammer (10) und eine abzuführende Teilmenge aufteilendes Steuergerät (130, 130a, b, 132) und ein von der zweitgenannten Teilmenge durchströmtes und betätigtes Stellgerät (134, 136, 137, 142) Tür ein Ventil (138) zum zumindest teilweisen Absperren einer Druckleitung (140), die von einer (68) der beiden Druckmeßstellen (68, 72) zum Steuergerät (73, 73a, b, 74, 75) des im Anspruch 5 genannten Steuer- und Stellgeräts (73... 82) führt

8. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 5. dadurch gekennzeichnet, daß sie zum Vergleich der beiden Gesamtausdrücke der beiden Seiten der Gleichung eine Brückenschaltung aufweist.

verwendet wird, wobei mit 91 der Staudruck, mit pbi der Gesamtdruck und mit T₀1 die absolute Temperatur, jeweils vor dem Verdichter, mit pt» der zwischen Verdichter und Turbine gemessene Gesamtdruck und mit x,y,..., a,ö,.., aß,... und k konstante Werte bezeichnet sind.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die vereinfachte Gleichung

<l\ Pm =

verwendet wird.

3. Regeleinrichtung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktion ί(Τ_ηι) unterhalb einer bestimmten Temperatur 7öi einer Konstanten gleichgesetzt wird.

4. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine von einer bestimmten Umgebungstemperatur Ton ausgehende, lineare Temperaturfunktion

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs I.

Im folgenden bedeuten ρ Druck (bar), q Staudruck (bar), n\ Drehzahl des Gaserzeugers und m der Nutzturbine (U/min), G/. Luftdurchsatz (kg/s), N Leistung (kW), B Brennstoffverbrauch oder -menge

is (kg/h) und TTemperatur (K), und bei den Fußzeichen bedeuten 00 Umgebungszustand, 01 Gesamt- und I statischer Zustand vordem Verdichter einschließlich am Verdichtereintritt, 02 Gesamt- und 2 statischer Zustand nach dem Verdichter einschließlich am Verdichteraustritt, 03 Gesamtzustand zwischen dem Verdichter und der Gaserzeugerturbine einschließlich am Eintritt derselben und 04 Gesamtzustand nach der Gaserzeugerturbine einschließlich am Austritt derselben, wobei es sich jeweils um das tatsächlich Gemessene

4) handelt; das Fußzeichen rel bedeutet relativ, und die nachgesetzte Null bei den Fußzeichen 010,030,10u. dgl. bedeutet, daß die betreffende Größe auf den Normaltag (1,013 bar bei 288 K in Meereshöhe) bezogen ist.

Bei der bekannten Regeleinrichtung der genannten

,ο Art (US-PS 33 16 713) braucht man relativ viel Meßgrößen. Des weiteren werden dort Meßgrößen verwendet, auf die Veränderungen der Gasturbinenanlage im Lauf der Zeit stark verändernd einwirken, so z.B. die Druckdifferenz pm-po\, die sich durch

v, Verschmutzung des Verdichters beträchtlich verändern kann, und die Druckdifferenz [Xn — pi = q2, die ebenfalls durch Verschmutzung einer Änderung unterliegt. Es muß dort eine bestimmte Beziehung oder Funktion zwischen dem Druckdifferenzenverhältnis

_

P»2 - Pl

und der korrigierten Gaserzeugerdrehzahl

to »ι

vorermittelt und zwischengeschaltet, d. h. dieses Druck-

differenzenverhältnis als Funktion von

— Nun ist aber notwendig,

im mittleren

«ι

J*«jrJ*!L ₌ f ( "'
Pin - Pi >· I Tin

vorgegeben werden. Dann ist es mit Hilfe der genannten Querschnittseinstellung möglich, die Betriebspunkte einzustellen, die diese vorgegebene Funktion erfüllen. Aus dieser Gleichung ist übrigens die relativ große Meßgrößenanzahl ersichtlich. In einem anderen Fall ist bei dieser bekannten Regeleinrichtung die Meßgrößenanzah! noch größer.

Aufgabe gemäß der Erfindung ist es, die anfangs genannte Regeleinrichtung so zu verbessern, daß man mit weniger Meßgrößen für die mathematische Gleichung auskommen kann und gleichzeitig diese Gleichung eine größere Unempfindlichkeit gegenüber Veränderungen der Gasturbinenanlage gewährleistet.

Diese Aufgage wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst

Die dortige Gleichung enthält weniger Meßgrößen, wobei noch die Funktion f(To\) lediglich einen Korrekturfaktor darstellt und dabei im allgemeinen nur eine Konstante oder eine lineare Funktion ist. Es handelt sich fast ausschließlich um Meßgrößen von vor dem Verdichter. Die Meßgrößen unterliegen Veränderungen der Gasturbinenanlage weniger bzw. die Verarbeitung der Meßgrößen ist unempfindlicher gegenüber solchen Veränderungen. Die Regeleinrichtung ist relativ leicht erstellbar und nicht besonders aufwendig, insbesondere wenn sie elektronisch arbeitet, und sie altert nicht stark. Dennoch ergibt sich eine genaue und schnelle Regelung, und zwar auch bei instationären Betriebsfällen. Die schnelle Regelung ergibt sich durch die verwendeten Drücke. Dazu kommt noch, daß die den Ähnlichkeitsgesetzen entsprechende Gleichung gut geeignet ist, die Betriebslinie oder die Beschleunigungsgrenze so zu legen, daß die Pumpgrenze mit Sicherheit vermieden wird. Die Gleichung ist eine Gleichgewichtsbedingung bzw. Regelfunktion, ein Regelgesetz, die bzw. das ohne Zwischenschaltung einer Funktion zur Regelung bzw. zur Erzielung der Betriebslinie bzw. einer Regelkurve und bei der Beschleunigungsbegrenzung verwendet wird.

Im folgenden sind das Zustandekommen, Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wiedergegeben.

Eine thermedynamische Berechnung hat ergeben, daß für eine Betriebslinie, die einer Kurve

I"·' = konstant

'Ol

nahekommt, clic Funktion

/tu

= konstant

zutrifft, wobei es sich zur Berücksichtigung der Pumpgrenze empfiehlt, den Exponenten 2 durch λ zu ersetzen; <x weicht aber nicht stark von 2 ab. Durch Umformung erhält man die Gleichung bzw. Regelfunktion

Drehzahlbereich zu vermindern, um der Pumpgrenze nicht zu nahe zu kommen. Andererseits wird man bestrebt sein, ψ^ bei Teillast und damit bei abgesenkter Drehzahl n\ etwa so hoch zu halten wie bei der Vollastdrehzahl Πι,. Die Betriebslinie wird daher etwas durchgebogen, um der Pumpgrenze nicht zu nahe zu

ίο kommen. Zur besseren Anpassung an die Betriebsbedingungen ist die Gleichung bzw. Regelfunktion

</i(-vpm

pm + ■ ■ ■) = K{ap,u+hp,;₃ + ...) (I)

noch besser geeignet. Da die Regelfunktionen I und II jeweils eine eindeutige Kurve im Verdichterkennfeld festlegen, ergibt sich aus der thermodynamischen Ähnlichkeit eine Betriebslinie, durch die sich Toi in

Abhängigkeit von 7öi und von

I Tn₁

and-

i An =

HD

Für einen festgehaltenen Wert von n\ nimmt bei Unterschreiten eines bestimmten 7opWerts auch T_ai im ganzen Betriebsbereich ab. Andererseits würde Toi mit zunehmender Temperatur 7öi ansteigen. 7Ö3 darf aber einen Höchstwert nicht überschreiten. Deshalb wird die Betriebslinie mit steigender Temperatur 7oi dadurch zunehmend verschoben, daß die Gleichungen bzw. Regelfunktionen I und II durch eine Funktion f(Ta\)

jo korrigiert werden, und zwar so, daß sich die Gieichung bzw. das Regelgesetz gemäß dem Anspruch I und die demgegenüber vereinfachte Gleichung bzw. das ihm gegenüber vereinfachte Regelgesetz gemäß dem Anspruch 2 ergeben. Oft genügt es, die letztgenannte

J5 Gleichung bzw. das letztgenannte Gesetz zu verwenden. Ferner genügt es, bezüglich der Funktion f(T₀\) gemäß dem Anspruch 3 vorzugehen. Andererseits ist es vorteilhaft, f(T₀\)~K2 T₀\ für Ansaugtemperaturen zu wählen, die einen bestimmten Ausgangswert über-

■lo schreiten, bzw. gemäß dem Anspruch 4 vorzugehen, wobei nur positive Werte von 7ii — 7io gelten.

Der Anspruch 5 zeigt, wie man vorteilhafterweise vorgehen kann, um die Gleichung bzw. das Regelgesetz zu verwirklichen und über die Querschnittseinstellung

4> die Betriebslinie einzustellen. Der Aufwand dafür ist nicht erheblich. Auch beim Funktionsgenerator nach Anspruch 6 handelt es sich um eine relativ einfache Bauart. Das im Anspruch 5 genannte Differenzsignal kann bei stationären Betriebsfällen, aber auch bei instationären Betriebsfällen und bei Leistungsänderung dazu dienen, die Quersdinittseinstellung zu ändern. Das Kennzeichen des Anspruchs 7 zeigt ein baulich relativ einfaches Beispiel dafür, wie von der Gleichung bzw. dem riegcigesetz her zur Begrenzung oder Regelung der Beschleunigung vorgegangen wird, d. h. wie die Gleichung dazu dient, in Abhängigkeit von ihr bzw. ihren Meßgrößen bei einem insbesondere schnellen Beschleunigen die höchstzulässige Brennstoffmenge einzuregeln und darüber hinaus die Querschnittseinstellung passend zu beeinflussen. — Bei all diesen Bauarten ergibt sich auch eine genaue und schnelle Regelung bzw. eine genaue Begrenzung. — Für all dies oder für die Regeleinrichtung können mechanische, elektronische, hydraulische oder pneumatische Geräte und/oder

b5 Bauelemente und/oder Kombinationen davon herangezogen werden. — Der Einfachheit, Genauigkeit und Schnelligkeit der Regelung dient auch besonders die Bauart gemäß dem Anspruch 8.

Cs ist also ein Regelgesetz für die Betriebslinie vorgegeben, und es wird noch kurz auf folgende weitere, z. B. bei einem Zweiwellentriebwerk genannter Art zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs auftretende Zusammenhänge verwiesen. Im zugehörigen Betriebskennfeld ist ein stationärer Betriebspunkt durch ri\ und Π2 und die Querschnittseinstellung gegeben. Durch das Regelgesetz ist jeder Drehzahl n\ eine bestimmte Querschnittseinstellung zugeordnet. Somit kann der Gaserzeuger nur noch durch die Wahl von n\ beeinflußt werden. Fs soll dann n^ im Betriebsbereich je nach n_t in einem bestimmten Drehzahlbeieich gehalten werden. Zwischen ri\ und n> soll eine untere und obere /uorrlniingsgrenzc festgelegt sein. Im höchsten Getriebegang wird die obere Di eh/.ahigreii/.e der hüchsl/.ulässigcn Fahrgeschwindigkeit entsprechen. Es wird daher eine die Fahrgeschwindigkeit begrenzende />rBegreni/iinp vorgesehen. Auf das .Sinnen und Bremsen wird später eingegangen. Auf die Beschleunigungsregelung ist schon oben eingegangen, aber wichtig ist noch, daß diese Regelung vom spezifischen Gewicht des Brennstoffs unabhängig ist. Ferner sei vermerkt, daß bei der Zweiwellenanlage die Betriebslinie nach dem Regelgesetz mit Hilfe der Brennstoffzumessung und des Leitapparats eingestellt wird, aber in ähnlicher Weise auch die Betriebslinic eines Gasturbinenstrahltriebwcrks mit oder ohne Nachverbrennung mit Hilfe der querschnittsveränderlichen Schubdüse nacli dein Regelgesetz eingestellt werden kann. Auch kann das Regelgesetz im genannten Sinne und mit den gleichen Wirkungen und Vorteilen für eine Einwellcngasturbinc mi; Wcllenleistungsentnahme angewendet werden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, und zwar für ein Zwciwcllcngasturbincntriebwerk zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs.

F i g. 1 zeigt ein Diagramm, bei dem auf der Abszisse der relative Drosselquerschnitt (FnAw des verstellbaren Leitapparats der Nutzturbine dieses Triebwerks und auf der Ordinate die relative auf den Normaltag bezogene Leistung (Nn)_n-I aufgetragen sind und in dem Kurven einiger relativer konstanter Größen, u. a. relativer konstanter Temperatur (To)o)_ri·;. und Betriebslinien

= konst.
ί/ιΛ·ι

für verschiedene λ und die Pumpgrenze eingezeichnet und die betreffenden Zusammenhänge zu erkennen sind. Dabei ist

^Λ»ι

ΙίΚ)(%).

und Gleiches gilt für sämtliche anderen genannten relativen Größen. So ist z. B.

Fig.2 zeigt dieses Gasturbinentriebwerk mit den Meßstellen für die Meßgrößen und mit der Regeleinrichtung;

F i g. 3 zeigt ein Blockschaltbild der Regeleinrichtung; eo

F i g. 4a bis 4c zeigen schematisch die Regeleinrichtung im einzelnen, wobei es sich um eine mit hydromechanischer Wirkungsweise handelt, und Fig. 4a enthält auch noch das Gasturbinentriebwerk, aber in gegenüber F i g. 2 vereinfachter Darstellung; „5

Fig. 5 zeigt schematisch einen Multiplikator der Regeleinrichtung, links in einem Längsschnitt und rechts in einem Schnitt V- V;

F i g. 6 zeigt schematisch eine Schiebereinrichtung der Regeleinrichtung, links in einem Längsschnitt und rechts in einem Schnitt Vl-Vl;

Fig. 7 zeigt ein charakteristisches Verdichtcrkcnnfeld;

Fig. 8 zeigt den instationären Verlauf des Drosselquerschnitts F/jin Abhängigkeit von n>.

Gemäß Fig. I handelt es sich bei den Kurven relativer konstanter Größen außer um die relativer konstanter Temperatur (Tmn)_n-i um eine Kurve relativer konstanter Temperatur (TnMt)_n-I, Kurven relativen konstanten spezifischen Brennstoffverbrauchs (BZN)_n/ und Kurven relativer konstanter Drehzahl (η-Λ,-,-ι. Die Betriebslinien sind strichpunktiert dargestellt und gehen vom gleichen Vollastpunkt A aus. Die Betriebslinie für den Exponenten λ = 2,15 deckt sich im oberen Drehzahlbereich fast genau mit der Kurve konstanter Temperatur (Tnu,)_rci= 100% und crwini dort auch einen günstigen Verlauf des spezifischen Brennstoffverbrauchs (BZN)_n-I. Die Pumpgrenze wird vermieden. Mit einer Regcüunktion gemäß der Gleichung I kann man noch anpassungsfähiger sein, wenn man mit der Betriebslinie der letztgenannten Temperaturkurve näher kommen will. Über die Verhinderung eines Ansteigens von 7iu und die Einführung der Funktion f(Tnt) ist oben schon berichtet worden. Darüber hinaus ist es manchmal von Vorteil, einen Temperu'iurtühler vorzusehen, der dann, wenn durch Undichtheit oder Abblasung von Luft zwischen Verdichter und Gaserzeugerturbine die eingestellte Höchsttemperatur im Betriebsbereich überschritten wird, die Uetriebslinic zu einer niedrigeren Durchschnittstemperatur verschiebt.

Das Gasturbinentriebwerk gemäß F i g. 2 weist einen Gaserzeuger mit einem Radialverdichter 3 und einer Gaserzeugerturbine 5 auf gemeinsamer Welle 4 und eine Nutzturbine 18 mit einem verstellbaren Eintrittsleitapparat 17 auf. Die in einen Einlaufe einströmende Luft durchströmt den Radialverdichter 3, einen Leitapparat 7 und einen von der Welle 4 aus über ein Getriebe

9 angetriebenen Regenerativwärmetauscher 8 — siehe die Pfeile 13 und 14 —, wonach sie in eine Brennkammer

10 strömt, der über eine Düse 11 von der Regeleinrichtung 12 Brennstoff zugeführt wird (siehe die gestrichelte Linie). Die die Brennkammer 10 verlassenden Gase durchströmen hintereinander — siehe die Pfeile 16 und 20 — die Turbinen 5 und 18 und zur Erwärmung der Luft den Wärmetauscher 8. An der Welle 21 ist ein Impulsgenerator 22 eingebaut, mit dem die Drehzahl n₂ abgenommen wird, die dann der Regeleinrichtung 12 zugeführt wird.

Zum Betrieb der Regeleinrichtung 12 mit dem Regelgesetzt werden der Regeleinrichtung 12 die Meßgrößen pm. p\. Pos und, für den Korrekturfaktor f(T₀\), Tot zugeführt. Die betreffenden Messungen erfolgen durch eine Drucksonde 23 und eine Sonde 24, wobei sich der Staudruck q\=pot—p\ ergibt, und durch ein Widerstandsthermometer 27, in allen drei Fällen am bzw. im Einlauf 6. und durch eine Drucksonde 25 am Eintritt der Gaserzeugerturbine 5. — Die Zuführung der Drehzahl Πι zur Regeleinrichtung 12 erfolgt über ein Getriebe 26. über das auch der Antrieb einer Brennstoffpumpe 30 erfolgt. — Mit den Pfeilen 55 und 97 sind ein Gaspedal bzw. Gashebel und ein Bremspedal angedeutet. Ferner wird der Leitapparat 17 von der Regeleinrichtung 12 aus über ein Versteügerät 29 mit Kraftverstärkung verstellt.

Das Blockschaltbild gemäß Fig.3 läßt einen ersten Regelkreis für die Querschnittseinstellung beim Leitap-

parat 17 und einen zweiten Regelkreis für n\ bzw. B erkennen. — Beim ersten Regelkreis befinden sich am Gasturbinentriebwerk die Mestellen für die eben genannten Meßgrößen. In einem Multiplikator 43 wird mit q\ und pot der Gesamtausdruck der linken Seite der Gleichung b2:w. ein ihm proportionales, erstes Signal gebildet, und in einem Steuergerät 46 zur Erzeugung

d. dgl. und einem Multiplikator 47 wird mit pm gegenüber

und T₀] der Gesamtausdruck der rechten Seite der Gleichung bzw. ein diesem proportionales, zweites Signal gebildet, das dann in einem Funktionsgenerator 44 mit dem ersten Signal verglichen wird. Das resultierende Differenzsignal wird zu einem Steuerimpuls 50 benutzt, der, in einem Verstärker 51 verstärkt, zur Verstellung des Leitapparats 17 benutzt wird. Diese Verstellung sorgt für die Einregelung des Betriebspunkts, der dem eingegebenen Regelgesetzt entspricht. — Mitunter kann T₀₄ als weiterer Korrekturfaktor herangezogen bzw. durch ein entsprechendes Signal das zweite Signal geändert werden. — Beim zweiten Regelkreis wird ein «i-Signal 53 in einem Drehzahlregler 54 mit einem vom Gaspedal 55 eingestellten Wert verglichen, was zur Zumessung einer entsprechenden Brennstoffmenge B führt. Zusätzlich wird der Drehzahlregler 54 in bestimmten Arbeitsbereichen von der zusätzlich gemessenen Drehzahl n₂ beeinflußt. Insbesondere wird die Drehzahl n₂, falls sie einen bestimmten Wert übersteigt, dazu benutzt, ri\ zurückzunehmen.

Gemäß F i g. 4a bis 4c wird - siehe den Pfeil 60 flüssiger Brennstoff aus einem nicht dargestellten Behälter den beiden Regelkreisen zugeführt. Der erste Regelkreis kann auch mit öl statt mit Brennstoff und getrennt vom zweiten Regelkreis betrieben werden, was aber gemäß F i g. 4a bis 4c nicht der Fall ist. Beim ersten Regelkreis wird der flüssige Brennstoff durch eine Pumpe 61 über ein Filter 62 zwei Vergleichsmeßstrekken 63 und 64 zugeführt, die vom Brennstoff parallel durchströmt werden. Ein Überdruckventil 65 dient der Absicherung des Systems. Eine Leitung 64a mit einem Überdruckventil 90 verbindet die Brennstoff-Zuleitung 48 zur Pumpe 61 mit dem Ausgang der Vergleichsmeßstrecken 63 und 64. Der Ausgang der Vergleichsmeßstrecken 63 und 64 ist über eine Leitung 64b, der Eingang über eine Leitung 76 mit einem Steuerzylinder 73 wie dargestellt verbunden. Die Vergleichsmeßstrekken 63 und 64 weisen zwei Durchflußquerschnitte Fi und F₂ auf, die in Abhängigkeit von den beiden genannten Gesamtausdrücken, die im Multiplikator 43 und im Gerät 46,47 gebildet werden, durch Schiebereinrichtungen 67 und 71 gesteuert werden. Stromabwärts folgen eine Drossel 66 und eine justierbare Drossel 70. Dazwischen befinden sich zwei Druckmeßstellen 68 und 72, und die beiden dort abgenommenen Drücke stellen die beiden genannten Signale dar und wirken über zu den Enden des Steuerzylinders 73 führende Leitungen 140 und 135 auf die Endstirnflächen des Steuerkolbens 73a, b. Diese Drücke sind dann gleich, wenn Fi und F₂ gleich oder auf ein bestimmtes Verhältnis einjustiert sind. Ist im Fall der vereinfachten Gleichung

Qi Pm /(Toi )pb3

= konst.,

so kann der Regelkreis über eine Abgleichung der Drücke ins Gleichgewicht gebracht werden. Es wird z. B. bei zu kleinem Querschnitt

der Druck an der Meßstelle 68 kleiner als der Druck an der Meßstelle 72. Der betreffende Differenzdruck lastet auch auf dem durch Federn 74 und 75 abgestützten Steuerkolben 73a, b und verschiebt als Steuerimpuls diesen gegen die Feder 74, so daß von zwei in das in

ίο Fig.4a linke und rechte Ende eines Stellzylinders 78 führenden Leitungen 783 und 78£> c'in Leitung 78a freigegeben wird und der Brennstoff über die Leitung 76, eine anschließende, axial mittlere Ringnut des Steuerkolbens 73a, b und die Leitung 78a in den

r, StellzylinHer 78 gedrückt wird, dessen Stellkolben 79 nach rechts verschoben wird. Über ein Gestänge 80 wird der Leitapparat 17 etwas mehr geöffnet, wodurch sich über das Verhalten des Triebwerks der Durchsatz und damit der Staudruck q\ erhöht. Damit vergrößert sich Fi, und der Druck an der Meßstelle 68 steigt. Erst bei abgestimmten Drücken ist der Regelvorgang beendet. Bei Drucklosigkeit im Zylinder 78 sorgt eine Feder 82 für das volle öffnen des Leitapparats 17. — Evtl. wird folgende Temperaturkorrektur durchgeführt:

2ϊ Wenn Tn einen bestimmten Wert überschreitet, wird von einem Meßgerät für Γ03 ausgehend eine bleibende Verschiebung einer Ausgangsbasis 93 für die Steuerung von F₂ vorgenommen.

Beim Starten des Triebwerks wird die Brennstoffzufuhr zum Steuerzylinder 73 durch ein Steuerventil 85 verhindert, das erst oberhalb der Leerlaufdrehzahl geöffnet wird. Betätigt wird es elektrisch von einem Magneten 86, der von einem Schalter 87, der bei Leerlaufstellung des Gaspedals 55 automatisch einschalig tet, ausgelöst wird. Zum Bremsen des Kraftfahrzeugs bzw. der Nutzturbine 18 werden die Schaufeln des Leitapparats 17 über ihre Volloffenstellung hinaus in eine Lage verstellt, in der die anschließenden Laufschaufeln entgegen der Drehrichtung angeströmt werden. Zu diesem Zweck wird nach dem Schließen des Steuerventils 85 ein Ventil 95 geöffnet, und der Brennstoff bringt dann den Stellkolben 79 in eine extrem rechte Lage. Betätigt wird das Ventil 95 von einem Magneten 96, der vom Bremspedal 97 aus eingeschaltet wird.

Die Brennstoff- bzw. Leistungsregelung wird über den Drehzahlregler 54 in Verbindung mit der beschriebenen Verstellschaufelregelung bewirkt. Es ist eine zusätzliche Pumpe 101 mit einem Filter 102 in einer Leitung 60a vorgesehen, die zum Drehzahlregler 54 führt. Dieser bemißt den Brennstoff, der dann durch eine I eitung 118 zur Düse 11 strömt. Zur Pumpe 101 gehört noch ein Überdruckventil 103. Ein Differenzdruckventil 1C4 in einer Leitung 60Λ hält den Differenzdruck zwischen vor und nach dem Drehzahlregler 54 konstant.

Die Spannung der Feder 108 des in Fig.4b, c als Fliehkraftregler ausgebildeten Drehzahlreglers 54 wird vom Gaspedal 55 über ein Gestänge 109 eingestellt, wodurch also praktisch eine Drehzahl bzw. die Leistung gewählt wird Es sind dann noch ein Überdrehzahlschutz 110 für m mit einem Brennstoffbypass 112 zum Abstellen des Triebwerks vorgesehen und ferner Anschläge 114 und 115 zum Einstellen einer Minimal- und Maximalbrennstoffmenge und ein Überdrehzahlregler 116 für ih, der brennstoffmengenvermindernd auf den Drehzahlregler 54 einwirkt— In der Leitung 118 befinden sich ein Steuerzylinder 130 und ein Dränageventil 119 mit einer Dränageleitung 122, das bei kleinem Brennstoffdruck, kurz vor einem Triebwerksstillstand,

den Brennstoffzutritt zur Düse 11 schließt. Der Absicherung der Brennstoffanlage dient noch ein elektrisch betätigtes Ventil 123, das einen Bypass 124 nur dann geschlossen hält, wenn die Brennstoffanlage »Strom hat«.

Gemäß F i g. 5 handelt es sich um einen Multiplikator für den linken Ge*nmtausdruck der Gleichung. Der Multiplikator weist zwei quer zueinanderliegende Faltebälge 151 und 157 in je einer mit poi beaufschlagten Druckkammer 150 bzw. 161 auf; der Faltenbalg 151 ist mit pi beaufschlagt, und der Faltenbalg 157 ist evakuiert (p=Q). Die beiden Einfachpfeile deuten die Zuführung der Drücke poi und p\ an. Der Multiplikator weist ferner zwei durch die Faltenbäge 151 unH 157 in Richtung der Doppelpfeile quer zueinander, aneinander entlang bewegbare Schieber 154 und 159 mit Fenstern 156 und 160 zur Bildung eines veränderlichen Durchflußquerschnitts (entsprechend Fi) auf. Die Faltenbälge 151 und 157 sind jeweils in Richtung der zugehörigen Doppelpfeile federbar. Die Schieber 154 und 159 befinden sich in der Vergleichsmeßstrecke 63. Der Schieber 159 ist an einer in der Vergleichsmeßstrecke 63 feststehenden, mit einer großen Öffnung versehenen Platte 149 entlang bewegbar. Durch die Form der Fenster 156 und 160 — siehe die gebogene Steuerkante 162 — sind Korrekturen zur Erzielung des linken Gesamtausdrucks der Gleichung möglich.

Die Schiebereinrichtung gemäß F i g. 6 ist ein Teil eines Geräts oder Multiplikators für den rechten Gesamtausdruck der Gleichung und besteht aus einer in ω der Vergleichsmeßstrecke 64 feststehenden Platte 137' und einem Schieber 134', der durch in Kammern befindliche Faltenbälge (abgebrochen dargestellt) in Richtung des Doppelpfeiles 106 an der Platte 137' entlang bewegbar ist. Bei den Faltenbälgen handelt es ü sich, was der Einfachheit halber nicht dargestellt ist, um zwei hintereinanderliegende oder -geschaltete Faltenbälge, die von pt» und einem Tm entsprechenden Druck beaufschlagt sind. Diese Faltenbälge sind in der eben genannten Richtung federbar. Die Platte 137' und der Schieber 134' weisen Fenster 138' und 135' mit divergierend und dabei exponentiell verlaufenden Steuerkanten 163', 164' zur Bildung eines veränderlichen Durchflußquerschnitts 139' (entsprechend F₂) auf.

Für instationäre Betriebsfälle ist ein Zusammenwirken des Brennstoffsystems mit dem Leitschaufelverstellsystem erforderlich. Wenn man von einem Betriebspunkt mit kleiner Last schnell auf größere Last übergehen will, muß man zuerst bei möglichst offenem Leitapparat 17 mit Brennstoffüberschuß beschleunigen. Diese Brennstoffzufuhr darf nur bis zu der durch das Regelgesetz vorgeschriebenen Betriebslinie gesteigert werden. Gleichzeitig ist der Leitapparat 17 offen zu halten und sein Drosselquerschnitt erst zu verringern, wenn die gewünschte Drehzahl erreicht ist

Dazu sind ein Steuergerät mit dem Steuerzylinder 130 und einem Steuerkolben 130a, b und ein Stellgerät mit einem Stellzylinder 134 und einem Stellkolben 137 vorgesehen (Fig.4b). Die Stellung des Steuerkolbens 130a, b hängt vom Differenzdruck der Drücke an den Meßstellen 68 und 72 ab. Bei einer durch das Gaspedal 55 ausgelösten Beschleunigung wird vorübergehend eine Brennstoffmenge durch den Drehzahlregler 54 zugemessen, die eine zu hohe Betriebstemperatur verursachen könnte. Angezeigt wird dies durch einen überhöhten genannten Difturenzdruck. Dieser beeinflußt jetzt auch das Brennstoffsystem, und zwar wirkt er auf den Steuerkolben 130a, b. Überwiegt der Druck an der Meßstelle 72, so strömt aus dem Steuerzylinder 130 von der in ihn eingeströmten Brennstoffmenge eine Teilmenge zur Düse 11 hin und die andere Teilmenge über eine Steuerkante 132 und eine Leitung 133 dann durch den Stellzylinder 134 hindurch ab. Die zweitgenannte Teilmenge erzeugt je nach Einstellung einer Drossel 136 einen Differenzdruck am Stellkolben 137, der dadurch gegen eine Feder 142 nach links verschoben wird, wodurch über ein Ventil 138 die Leitung 140 teilweise oder ganz geschlossen wird. So wird der von der Meßstelle 68 kommende Druck entsprechend gehindert, auf den Steuerkolben 73a, b einzuwirken. In der Leitung 140, die über eine einstellbare Drossel 141 mit der Brennstoffeintrittsseite verbunden ist, entsteht somit ein geringer Druck. Dieser veranlaßt den Steuerkolben 73a, b, den Leitapparat 17 zu öffnen. Der Leitschaufelregler bzw. der erste Regelkreis wird also vom Drehzahlregler 54 bzw. vom zweiten Regelkreis überspielt.
Im Verdichterkennfeld gemäß Fig. 7, gemäß dem es

sich um das Verdichterdruckverhältnis .T_t- ¹^'² über

Pm

dem korrigierten Luftdurchsatz

C₁. I T_n,

An
für verschiedene korrigierte Gaserzeugerdrehzahlen

=. = konstant
I Toi

handelt, liegt ein Teillastbetriebspunkt C bei einer gegenüber dem Vollastbetriebspunkt A etwas abgesenkten Drehzahl. L» ist beim Teillastbetriebspunkt C

'οι

ungefähr gleich hoch wie beim Vollastbetriebspunkt A — siehe die Kurve

^ = konst. .

'(Il

und dementsprechend muß der Verdichter durch den Verstelleitapparat (Drosselquerschnitt Fd_c) stark gedrosselt sein (Teillastbetriebspunkt C). Durch A und C verlaufend sind die Drosselquerschnittskurven Fp_A. = konst. und Fd_c= konst. eingezeichnet

Bei der Lastzunahme soll nun der Brennstoffdurchsatz zuerst zunehmen und der Verstelleitapparat geöffnet werdea Zweckmäßigerweise öffnet man auf einen Drosselquerschnitt, der größer ist als der, der der Vollast (Drosselquerschnitt F_DA) zugeordnet ist — siehe Fig.8. Γ03/Τ01 soll dabei etwa konstant bleiben. Dann steht der Leistungsüberschuß voll zum Beschleunigen des Gaserzeugers zur Verfügung. Erst wenn die gewünschte Drehzahl, z. B. die Vollastdrehzahl, erreicht ist, sollte Fd verringert werden. Gemäß F i g. 4a bis 4c wird dieses öffnen des Verstelleitapparats bei stark zunehmender Drehzahl erreicht, und es hält so lange an, bis die Drehzahl nicht oder nur mehr geringfügig ansteigt Fecund Fda gehören zu den Drehzahlen n\_c und ni_A. — Auch ist der Verstelleitapparat sowohl beim Anlauen als auch bis zur Leeriaufdrehzahl oder sogar darüber hinaus in geöffneter Stellung zu halten.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentnnsprücbe:

1. Regeleinrichtung für eine insbesondere einen Abgas-Verbrennungsluft-Wärmetausciier aufweisende Gasturbinenanlage mit einem einen Verdichter und eine Turbine aufweisenden Gaserzeuger, der von einer Baugruppe mit veränderlicher Drosselwirkung, z. B. bei einer Zweiwellengasturbinenanlage von einer Nutzturbine mit einem verstellbaren Leitapparat oder bei einem Gasturbinenstrahltriebwerk von einer querschnittsveränderlichen Schubdüse, gefolgt ist, wobei die Betriebslinie des Gaserzeugers durch die Querschnittseinstellung der Baugruppe von einem Regelkreis her passend ?u jeder Drehzahl eingestellt und die Beschleunigung begrenzt wird und dafür eine mathematische Gleichung verwendet wird, bei der ein Ausdruck von Druckkenngrößen einer Funktion der absoluten Temperatur vc> dem Verdichter gleichgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichung