DE2014162A1

DE2014162A1 - Brennstoffregelanlage für Gasturbinenstrahltriebwerke

Info

Publication number: DE2014162A1
Application number: DE19702014162
Authority: DE
Inventors: David John Duffield Derbyshire Hawes (Großbritannien). P F02f 1-42
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1969-03-27
Filing date: 1970-03-24
Publication date: 1970-10-01
Also published as: GB1296986A; DE2014162B2; US3621655A; FR2039869A5; DE2014162C3

Description

PATENTANWÄLTE

DIPL-ING. CURT WALLACH DIPL.-ING. GÜNTHER KOCH 2014162 DR. TINO HAIBACH

8 MÜNCHEN 2, "24. März 1970 UNSER ZEICHEN: 12 545 -

Rolls-Royce Limited, Derby, Derbyshire, England. Brennstoffregelanlage für Gasturbinenstrahltriebwerke

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffregelanlage für Gas-

turbinenstrahltriebwerke und zwar insbesondere, aber nicht ^

I ausschließlich für ein Nachbrennersteuersystem eines Gastur- * binenstrahltriebwerks, das mit einer bezüglich des Querschnitts verstellbaren Schubdüse ausgestattet ist.

Die Erfindung geht aus von einer. Brennst off regelanlage für ein Gasturbinenstrahltriebwerk mit einer Brennstoffpumpe und einem logischen System mit geschlossener Schleife und ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Proportionalverstärker vorgesehen ist, dessen Ausgang die Fördermenge der Brennstoffpumpe einstellt, wobei der Eingang des Proportionalverstärkers eine Funktion des Strahlrohrdruckes und wenigstens eines Kompressordruckes ist. -

Vorzugsweise ist der Eingang eine Funktion der Differenz zwi-. sehen dem Strahlrohrdruck und einem variablen Bezugsdruck, wobei letzterer als Komponente den besagten Kompressordruck enthält und eine Rückkopplung, die vom Ausgang des Proportionalverstärkers gesteuert wird. ■ ·

Die Brennstoffpumpenfördermenge kann durch ein Drosselventil gesteuert werden, welches durch einen Kolbenantrieb betätigt wird, der mit dem Ausgang des Proportionalverstärkers verbunden

201 A 1 62

1st,und daß die Bewegung des Kolbenantriebs den Bezugsdruck: ändert.

Vorzugsweise wird der Bezugsdruck in einer Spaltstufe erzeugt, deren Eingänge Funktionen des atmosphärischen Druckes, des Niederdruckkompressor-Förderdruckes und des Hochdruckkompressor-Förderdruckes sind, wobei eine öffnung vorgesehen ist, deren Fläche durch eine sich verjüngende Nadel gesteuert wird, welche am Kolben des Kolbenantriebes befestigt ist und sich mit diesem bewegt.

Die Brennstoffpumpe ist vorzugsweise antriebsmäßig mit einer ^ Luftturbine verbunden, deren Luftzufuhr durch das Drosselventil ■ gesteuert wird.

Die Brennstoffregelanlage gemäß der Erfindung jst vorzugsweise für den Nachbrenner eines Triebwerks bestimmt, dessen Abgasdüse eine verstellbare Querschnittsfläche besitzt und es kann eine Düsenquerschnittsfläehensteuervorrichtung vorgesehen werden, die einen Nachbrennerzündfühler aufweist.

Der Fühler kann vorzugsweise ein monostabiler Fluidic-Verstärker sein.

Der Fühler vergleicht zweckmäßigerweise jeweils Funktionen des ^ Strahlrohrdruckes und eines Bezugsdruckes, der seinerseits eine Funktion wenigstens eines Kompressordrucks ist, wobei der Ausgang die Öffnungsbewegung und die Schließbewegung der oder jeder Schubdüse steuert.

Vorzugsweise wird der zuletzt erwähnte Auslaß einem Fluidic-Gatter zugeführt, um die oder jede Schubdüse zwischen den Stellungen "Düsen schließen", "Dü&en voröffnen" und "Düsen öffnen" zu bewegen.

Q09840M521

Zweckmäßigerweise ist jedes Gatter monostabil.

Der zuletzt erwähnte Bezugsdruck kann in einer Spaltstufe erzeugt werden, deren Eingänge Punktionen des atmosphärischen Drucks,des Niederdruekkompressorspeisedrueks und des Hochdruckkompressorspeisedrucks sind.

Vorzugsweise ist der stabile Ausgang des Fühlers an den Eingang des Proportionalνerstärkers angeschlossen und die Anordnung ist derart getroffen, daß vor Zündung des Nachbrenners der stabile Ausgang das Strahlrohrdruckeingangssignal nach dem Verstärker überholt, Jedoch wird dieser stabile Ausgang vom Eingang des Proportionalverstärkers abgeschaltet, sobald der Nachbrenner ^ gezündet ist. "

Die Erfindung betrifft auch ein Gasturbinenstrahltriebwerk mit einem Brennstoffsystem vorstehender Bauart.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Die.einzige Figur der Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung der Brennstoffregeleinrichtung gemäß der Erfindung.

Die Brennstoffregelanlage für das nicht-dargestellte Gasturbinen-, triebwerk umfaßt eine Brennstoffpumpe 10, die antriebsmäßig mit einer Luftturbine 11 verbunden ist und eine Niederdruckbrennstoff- ä einlaßleitung 12 und eine Hochdruckbrennstofförderleitung 13 besitzt. Die Brennstoffregelanlage ist vorzugsweise für den Nachbrenner des Triebwerkes bestimmt und die Brennstoffauslaßleitung 13 wird demgemäß mit einer Nachbrennerspeiseringleitung über ein Hochdruckventil Ik und ein Druckventil 15 verbunden.

Die Luftturbine 11 kKxgfc empfängt ihre Luft über ein Einlaßrohr 20, das im Betrieb mit Kompressorluft gespeist wird. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung besitzt das Gas-

009840/T521

20U162

turbinenstrahltriebwerk in Strömungsrichtung hintereinander einen Niederdruckkompressor, einen Hochdruckkompressor, eine Hauptverbrennungseinrichtung, eine Hochdruckturbine, eine Nirierdruckturbine, einen Nachbrenner und wenigstens eine Schubdüse, die in an sich bekannter Weise mit Mitteln zur Änderung der Querschnittsfläche ausgestattet ist.

Demgemäß wird das Einlaßrohr 20 mit Hochdruckkompressorluft gespeist, die im folgenden als P,-Luft bezeichnet wird. Im Rohr 20 liegt ein Luftdrosselventil 21, das normalerweise, wie weiter unten beschrieben, geschlossen ist und dieses Ventil 21 ist nebengeschlossen durch eine Zweigleitung 22 mit einer festen . Durchgangsöffnung 2j5. Das Luftdrosselventil 21 weist einen Steuerantrieb mit einem Kolben 45 auf, der in einem Zylinder 46 gleitet und im einzelnen weiter unten beschrieben wird. Stromunterseitig der Verbindung von Abzweigrohr 22 und Hauptrohr 20 ist ein Absperrhahn 24 in das Rohr 20 eingeschaltet. Dieser Absperrhahn 24 wird durch einen' Motor 26 betätigt, der seinerseits durch eine elektrische Schaltung erregt wird, die zwei Schalter S. und S₂ aufweist, die in Reihe zueinander geschaltet sind und an eine Hochspannungsklemme 27 angeschaltet sind. Der Schalter S, ist ein Nachbrennerwählschalter, der vom Plugzeugführer betätigbar ist, während der Schalter S₂ vorteilhafterweise, aber nicht notwendigerweise vorgesehen ist und durch ein Drehzahlsignal des Triebwerks betätigt wird.

Wenn einmal der Absperrhahn 24 geöffnet ist, tritt P,-Luft durch das Rohr 20 und den Nebenschluß oder das Abzweigrohr 22 nach der Luftturbine 11 hindurch, so daß die Brennstoffpumpe 10 angetrieben wird. Gleichzeitig strömt P.,-Luft durch eine "Düsenvoröffnungs"-Leitung 62, die mit einem Fluidic fco in Verbindung steht, um die Düse vorzuöffnen, wie dies in einzelnen weiter unten beschrieben wird. Die Leitung &2 besitzt eine Abzweigleitung 99, in der ein Absperrhahn 9& für das Hochdruckbrennstoffdrosselventil 14 angeordnet ist und demgemäß wird P,-Luft dem Absperrhahn 98 zugeführt,

OQ 98AO/1521

sobald der Absperrhahn 24 geöffnet ist.

Wenn die Pumpe 10 anläuft, dann steigt der Brennstoffdruck im Rohr 13 genügend an, um das Druckventil 15 zu öffnen,und eine geringe Brennstoffströmung gelangt nach den Leitungen der Nachbrenneranordnung und strömt in das Strahlrohr, wobei der Brennstoff durch eine kontinuierlich brennende Hilfsflamme gezündet wird. Dadurch wird ein Ansteigen des Strahlrohrdruckes bewirkt, der hier als Pg-Druck bezeichnet werden soll. Der Druck Pg wird durch eine Brennstoffsteuerstufe 30 und eine Zündfühlervorrichtung 60 festgestellt.

Zuerst soll die Brennstoffsteuerstufe beschrieben werden, die I genauer als Druckverhältnissteuerstufe bezeichnet werden könnte. Sie besteht aus einem Fluidic mit geschlossener Schleife, bestehend aus zwei Pluidic-Proportionalverstärkerm 31 und 32, diein Reihe hintereinander geschaltet sind. Der erste Proportionalverstärker 31 besitzt zwei Steueröffnungen, von denen die eine mit dem Strahlrohrdruck Pg über eine Leitung 33 verbunden ist, die ein Einwegeventil 34 enthält, wobei die andere Steueröffnung mit einem variablen Bezugsdruck P verbunden ist, wie dies im einzelnen weiter unten beschrieben wird. Der Eingang des Proportionalverstärkers 31 wird von P^-Luft gebildet, die über eine Leitung 35 angeliefert wird, in welcher ein fester. Widerstand 36 eingebaut ist. ~ ' ' -

Das Bezugsdrucksignal F wird in einer mit drei öffnungen versehenen Stufe.40 erzeugt, deren Eingänge über eine Leitung 39 mit einstellbarem Ventil 41 mit atmosphärischem Druck (P_Q-Luft) bzw. über vom Niederdruckkompressor über eine Leitung 42 mit festem Widerstand gelieferte Luft P₂ bzw. mit P^-Luft gespeist werden, die über eine Leitung 43 angeliefert wird, die ebenfalls einen festen Widerstand enthält. Außerdem ist die Stufe 40 mit einer öffnung 4? versehen, in der eine sich verjüngende Nadel 44 gleitbar beweglich ist, die fest mit dem Kolben 45 verbunden

009840/1521

ist. Die öffnung 47 steht mit der Außenluft in Verbindung. Wenn die Nadel 44 sich nach links, gemäß der Zeichnung bewegt, dann wird das Drosselventil 21 in seine Schließstellung überführt.

Der zweite Proportionalverstärker 32 empfängt P^-Luft über ein Nebenschlußrohr 49* das mit dem Rohr 35 stromoberseitig des festen Widerstandes 36 in Verbindung steht und die Steueröffnungen des Verstärkers 32 sind jeweils an den Ausgang des Verstärkers 31 angeschaltet. Der Ausgang des Verstärkers 32 kann nach der einen oder anderen Seite des Kolbens 45 über entsprechende Rohre 51 und 52 gelegt werden.

Die in der öffnung 47 bewegliche Nadel 44, die mit dem Kolben 45 verbunden ist und sich demgemäß mit diesem bewegt, stellt eine Lagerückkopplung von dem Steuerkolbenantrieb des Luftdrosselventils 21 dar. Wenn der Strahlrohrdruck Pg größer ist als der Bezugsdruck P wird das Drosselventil 21 in die Schließstellung überführt und umgekehrt.

Ein Fluidic-System wird ebenfalls zur Steuerung der Öffnungsund Schließbewegung der Schubdüse des Gasturbinentriebwerks benutzt und dieses Steuersystem wird nunmehr beschrieben. Das Herz dieses Systems ist ein Zündfühler 60, der von einem monostabilen Fluidic-Verstärker gebildet wird. Den Störöffnungen dieses Verstärkers 60 wird der Strahlrohrdruck Pz- über eine Leitung 6l zugeführt, die ein Rückschlagventil 62 enthält, während ein Bezugsdruck P ' der anderen Steueröffnung zügeführt wird. Der Verstärker 60 empfängt P,-Luft von der Leitung 20 über eine Abzweigleitung 64.

Um den Bezugsdruck P ' zu erzeugen, ist eine zweite Spaltstufe 65 vorgesehen, die drei Leitungen 66,67*66 mit festen Widerständen darin besitzt, die mit P_Q-Luft, P-,-Luft bzw. Pg gespeist werden.

00 98AO/1521

20H162

Der normale bzw. stabile Ausgang des monostabilen Verstärkers 60 wird über eine Leitung 70 mit einem Rückschlagventil 71 ·■ der Leitung 33zugeführt.

Wenn im Betrieb der Strahlrohrdruck Pg größer ist als der Bezugsdruck P ' schaltet der Ausgang des monostabilen Verstärkers 60 von der Leitung 70 auf die Leitung 75 um und dies ist die "Düsenöffnungs"-Leitung. Dieser Ausgang wird außerdem über eine Leitung 76, die mit der Leitung 75 in Verbindung steht und ein Rückschlagventil 77 enthält, der Pg-Lufteingangsleitung zugeführt, so daß die Düse in Offenstellung "verriegelt" wird. Das Drucksignal in der Leitung 75 wird einer Steueröffnung eines weiteren monostabilen Fluidic-Verstärkers 80 zugeführt, dessen andere Steueröffnung über eine Leitung 8l mit der P_Q-Luft " verbunden 1st. Die Eingangsleitung 82 des Verstärkers 80 steht, wie bereits erwähnt, direkt mit der Leitung 20 stromoberseltig der Lufturbine 11 in Verbindung und führt im Betrieb demgemäß F-,-Luft. Die normale oder stabile Ausgangsleitung 83 des monostabilen Verstärkers 80 gelangt nach dem Kolbenantrieb £Si^rden Kolbenantrieben, die die Querschnittsfläche der Düse steuern, um letztere vorzuöffnen. Wenn jedoch In der Leitung 75 ein Drucksignal vorhanden ist, dann wird der Druck darin größer als jener in der Leitung 81 und der monostabile Verstärker 80 wird auf seine andere Ausgangsleitung 84 geschaltet, die mit den Kolbenantrieben der Düse verbunden ist, um letztere zu öffnen.So wirkt der monostabile Verstärker 80 als Gatter. M

Um die Düse zu schließen, 1st ein weiterer monostabiler Verstärker 90 vorgesehen, der drei Steueröffnungen aufweist, von denen eine mit der P₀-Luft über eine Leitung 91 in Verbindung steht, während die anderen beiden Offnungen,die auf die P_Q-öffnung hin gerichtet sind, mit den Leitungen 92 bzw. 93 verbunden sind, die mit den Leitungen 84 bzw. 83 in Verbindung stehen. Der Eingang der Stufe 90 wird von P,-Luft über eine Leitung 94 gebildet.

•A

00 98A071521

20U162

Die monostabile Einrichtung 90 wirkt als Gatter und wenn weder das "Düsenvoröffnungs"- oder das "Püsenöffnungs"-Signal vorhanden ist, dann ist der Ausgang der Stufe 90 mit den Kolbenantrieben der Düse über eine "Düsenschließ"-Leitung 96 verbunden, um die Düse zu schließen, während dann, wenn die Signale 92 und 93 vorhanden sind, der Ausgang der Stufe 90 nach einer Ausgangsleitung 97 gelangt, die z.B. mit der Atmosphäre in Verbindung stehen kann oder in anderer Weise so ausgebildet sein kann, daß sie keine Wirkung auf die Düse ausübt.

Die Anordnung der Ventile 7I in der Leitung 70 und 34 in der Leitung 33 ist derart, daß vor vollständiger Zündung bzw. Anschaltung des Nachbrenners der Ausgang des Zündsensors, d.h. des mono-

»rohr
stabilen Verstärkers 60 das Stram/lruck-Pg-Signal in der Leitung 33 übertrifft, was bewirkt, daß die Luftdrossel 21 geschlossen wird. Sobald die Zündung im Nachbrenner jedoch erfolgt, tritt das umgekehrte auf und die Steuerstufe 30 steht unter der Steuerung des Luftdrosselventils 21.

Wenn das ^MDüsenvoröffnungsⁿ-Signal erforderlich ist, dann wird festgestellt, daß diesesSlgnal stromunterseltig des Absperrhahnee 24 abgenommen wird und daher bewegt sich die Düse in ihre ^HVoröffnungsⁿ-Stellung, sobald der Absperrhahn 24 geöffnet wird. Während des Betriebs des Nachbrenners wird daher die Brennstoffströmung durch die Steuerstufe 30 über ein Luftdrosselventil 21 gesteuert, um die Triebwerksdruckverhältnisse auf vorbestimmten ™ Werten zu halten.

Beim Abstellen des Nachbrenners wird der Absperrhahn 24 durch die Stufe 30 geschlossen, was zur Folge hat, daß die Turbine 11 sich verlangsamt und ebenso die Brennstoffpumpe 10. Dabei schließt sich außerdem der Hochdruckbrennstoffabsperrhahn 14. Sobald der Absperrhahn 24 geschlossen ist, wird P^-Luft aus der Leitung 64 entfernt und demgemäß auch von dem Zündsensor 60,

009840/1521

■ - 9 ■- - . . 20 K162

so daß das Ausgangsnormal auf die stabile oder normale Leitung 70 geschaltet wird, wodurch sowohl die "Düsenöffnungs"- und "Düsenvoröffnungs"-Signale von dem monostabilen Verstärker oder Gatter 80 ausgelöscht werden. Dies bedeutet wiederum, daß der Druck aus den Leitungen 92 und 93 abgelassen ist und demgemäß der monostabile Verstärker bzw. das Gatter 90 in den stabilen Zustand bzw. den Zustand für "Düsenschließung" zurückkehrt.

Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich, daß durch die Erfindung eine genaue und relativ einfache Brennstoffzuführungseinrichtung geschaffen wird, bei der die Zahl der sich bewegenden Teile auf ein Minimum vermindert ist und wobei keine' Ventile er- ,,

forderlich sind, um einen äußeren Antrieb zu erhalten. ^

Pat entansprüehe:

QO9840/1521

Claims

Patentansprüche :

Brennstoffregeleinrichtung für ein Gasturbinenstrahltriebwerk mit einer Brennstoffpumpe und einem Fluidic-System mit geschlossener Schleife, dadurch gekennzeichnet, daß ein Proportionalverstärker (31,32) vorgesehen ist, dessen Ausgang die Fördermenge der Brennstoffpumpe steuert,und daß der wirksame Eingang des Verstärkers eine Funktion des Strahlrohrdruckes (Pg) und wenigstens eines Kompressordrucks (P₂,P^) ist.
2. Brennstoffregelanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der wirksame Eingang eine Funktion der Differenz zwischen dem S£rahlrohrdruek (Pg) und einem variablen Bezugsdruck (P ) ist und daß der Bezugsdruck als Komponente den Kompressordruck und eine Rückkopplung enthält, die durch den Ausgang des Proportionalverstärkers (31,32) gesteuert wird.
3. Brennstoffregelanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffpumpenfördermenge durch ein Drosselventil (21) gesteuert wird, das durch einen Kolbenantrieb (45) betätigt wird, der an dem Ausgang angeschlossen ist,und daß die Bewegung des Kolbenantriebes den Bezugsdruck (P ) verändert.
4. Brennstoffregelanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugsdruck (P ) in einer Spaltstufe (40) erzeugt wird, deren Eingänge Funktionen des atmosphärischen Druckes (Pq), des Niederdruckkompressorp-Förderdruckes (P₂) und des Hochdruckkompressor-Förderdruckes (P^) sind_/und daß eine öffnung (47) vorgesehen ist, deren Querschnittsfläche durch eine sich verjüngende Nadel (44) gesteuert wird, die am Kolben (45) des Kolbenantriebes festgelegt ist, um sich mit diesem zu bewegen.

009840/1521 ·/·
5· Brennstoffregelanlage nach den Ansprüchen 3 oder h, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffpumpe (10) antriebsmäßig mit einer Luftturbine (11) verbunden ist, deren Luftzufuhr durch das Drosselventil (21) gesteuert wird.
6. Brennstoffregelanlage nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie für den Nachbrenner des Triebwerks vorgesehen ist.
7* Brennstoffregelanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

daß das Triebwerk wenigstens eine Schubdüse mit veränderbarem ,

Querschnitt aufweist und daß das Steuersystem für die Verände- ' rung dee Düsenquerschnitts einen Nachbrennerfühler (60) besitzt.
8. Brennstoffregelanlage nach Anspruch?, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler ein monostabiler Fluidic-Verstärker (6o) ist.
9· Brennstoffregelanlage nach den Ansprüchen 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler (60) die Funktionen des Strahlrohrdruckes (Pg) und eines Bezugsdrucks (Ρ_χ ^!) vergleicht, was wiederum eine Funktion von wenigstens einem Kompressordruck (Pp,P^) &

und daß der Ausgang das Offnen bzw. Schließen der Schubdüse steuert. .
10. Brennstoffregelanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der zuletzt erwähnte Ausgang einem Fluidic-Gatter (80,9Q)-■ zugeführt wird, um die oder jede Düse zwischen der "Düsenschließ"-, "Düsenvoröffnungs¹*- und^llDüsenöffnungs·¹-Stellung zu bewegen.

009840/1521

" ¹² " 20H162
11. Brennstoffregelanlage nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet ,
daß jedes Gatter (80,90) monostabil ist.
12. Brennstoffregelanlage nach den Ansprüchen 9 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,

daß der zuletzt erwähnte Bezugsdruck (P') in einer Spaltstufe (65) erzeugt wird, deren Eingänge Punktionen von atmosphärischem Druck (Pq), von Niederdruckkompressorspeisedruck: (Pg) und von Hochdruokkompressorspeisedruck (P,)
■ sind.

13· Brennstoffregelanlage nach den Ansprüchen 9 bis 12,
dadurch gekennzeichnet ,

daß der stabile Ausgang des Fühlers (60) an den Eingang des Proportionalverstärkers (31,32) angeschlossen ist und daß die Anordnung derart getroffen ist, daß vor Zündung des Nachbrenners der stabile Ausgang das Strahlrohrdruckeingangssignal nach dem Proportionalverstärker (31,32) übertrifft, wobei jedoch nach Zündung des Nachbrenners der stabile Ausgang von den Eingang des Proportionalverstärkers (31,32) abgeschaltet wird.

009840/1521