DE2104782B2 - Regelvorrichtung fuer eine gasturbinenantriebsanlage - Google Patents
Regelvorrichtung fuer eine gasturbinenantriebsanlageInfo
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Description
eine Einrichtung aufweist, die auf die Stellung eines Pilotenhandgriffs (21) anspricht.
5. Regelvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Einrichtung
weiterhin auf andere Parameter der Triebwerksanlage anspricht, so auf die Gesamttemperatur (Tn) der
Luft am Eintritt des Verdichters (3,4).
6. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die auf das
Fehlersignal ansprechende Einrichtung zum Steuern der Änderung des Querschnitts (S) der Schubdüse
(10) eine Einrichtung (84), die auf die augenblickliche Stellung der Kraftwaage (U) anspricht, und eine
Einrichtung (E, 95, 88) aufweist, um in Funktion des Fehlersignals das Hebelverhältnis der Kraftwaage
(U) zu ändern.
bestimmt ist, einen vorbestimmten gewünschten Wert beibehält.
2. Regelvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung um ein Ist-Signal in
Funktion der Größe gemäß dem Ausdruck
40
zu erzeugen, eine Einrichtung, um ein Soll-Signal
Γ £ T
U P* -Ps, J
45
als Funktion des genannten vorbestimmten gewünschten Wertes zu erzeujgen, eine Recheneinrichilung,
um ein Fehlersignal als Funktion des Unterschiedes von
_ r c γ
uη. -ρ* J
zu erzeugen, und durch eine Einrichtung die auf das Fehlersignal anspricht, um die Änderung des
Querschnitts von der Schubdüse (10) zu steuern.
3. Regelvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen des ist-Signals als Funktion des Ausdrucks
3. Regelvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen des ist-Signals als Funktion des Ausdrucks
55
f>o
eine Kraftwaage (U) mit veränderbarem Hebelver- f\s
hältnis, die einer ersten Kraft in Funktion der Brennstoffmenge (C) und einer zweiten Kraft in
Funktion des Druckunterschiedes (ßP54-Ps7) unter-Die
Erfindung bezieht sich auf eine Regelvorrichtung für eine Gasturbinenantriebsanlage gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
Es ist bekannt, daß für eine gegebene Drehzahl des Verdichters zwischen dem Querschnitt der Rückstoßdüse
und der Gastemperatur am Eintritt der Turbine ein Verhältnis besteht, welches es ermöglicht, eine Temperaturregelung
durch Einwirkung auf den Düsenquerschnitt hervorzurufen. Eine solche Regelung ermöglicht
insbesondere die bedeutenden Änderungen zu kompensieren, denen die Gastemperatur unterworfen wird,
wenn die äußeren Bedingungen — beispielsweise die Geschwindigkeit und die Flughöhe eines durch eine
Gasturbine angetriebenen Luftfahrzeuges — sich ändern, und sie ermöglicht es weiterhin, diese
Temperatur auf einem Wert zu halten, der, um einen guten Wirkungsgrad zu erhalten, so hoch wie möglich
ist, jedoch mit dem Wärmeverhalten der Schaufeln der Turbine verträglich ist.
Trotzdem ergeben sich Schwierigkeiten, wenn durch direkte Messung die Gastemperatur am Eingang der
Turbine genau bestimmt werden soll, und zwar Schwierigkeiten, die sich insbesondere aus der Nichtgleichförmigkeit
des Wärmefeldes und aus der Wärmeträgheit des Fühlers ergeben. Es sind auch schon
verschiedene Vorrichtungen vorgeschlagen worden, bei denen diese direkte Messung durch eine indirekte
Messung ersetzt ist, die durch Verarbeitung des Signals dargestellt ist, welches die Augenblickswerte verschiedener
Faktoren berücksichtigt, welche diese Temperatur gemäß einem theoretischen oder experimentellen
Verlauf beeinflussen können.
Die Erfindung bezieht sich auf eine solche Vorrichtung und sie geht von einer Vorrichtung gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 aus.
Bei einer bekannten Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 (GB-PS 6 41690)
bestehen verschiedene Nachteile hinsichtlich der Steue-
rung der den Querschnitt der Rückstoßdüse ändernden Einrichtung. Zunächst ist die Genauigkeit der Regelung
der Temperatur der Verbrennungsgase am Turbineneintritt vergleichsweise ungenau, was dazu führt, daß
der Sicherheitsbereich groß sein muß, woraus sich wiederum niedrigere Maximahemperatur, niedrigerer
Wirkungsgrad und höherer Brennstoffverbrauch ergeben. Weiterhin ergibt sich bei Anwendung auf eine
Zweikreis-Gasturbinenantriebsanlage vergleichsweise große Empfindlichkeit gegenüber der Abnahme von
Luft für den zweiten Kreis. Dies führt dazu, daß sich die Temperatur der Verbrennungsgase am Turbineneintritt
in Funktion der für den zweiten Kreis abgenommenen Luftmenge vergleichsweise stark ändert. Schließlich
ergibt sich bei Anwendung auf eine Gasturbinenantriebsanlage
mit Nachverbrennung eine vergleichsweise geringe Empfindlichkeit hinsichtlich des Ansprechens
beispielsweise auf Laständerungen der Nachverbrennung. Dies führt zu einem Verlust an Beschleunigungsvermögen,
was selbstverständlich unerwünscht ist.
Es ist auch eine Regelvorrichtung bekamt (GB-PS 8 96 013) mit welcher der Querschnitt der Rückstoßdüse
beim Arbeiten mit Nachverbrennung derart geändert werden soll, daß gleiches Druckverhältnis an der
Turbine und demgemäß gleiche Drehzahl der Antriebsanlage aufrechterhalten wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Regelvorrichtung der einleitend genannten Art so auszuführen, daß bei
einer Gasturbinenantriebsanlage mit Nachverbrennung größere Empfindlichkeit und Genauigkeit hinsichilich
der Steuerung der den Querschnitt der Rückstoßdüse ändernden Einrichtung geschaffen ist, wobei solche
mechanischen und thermischen Zustände vermieden werden sollen, die das Verhalten der Antriebsanlage und
ihre Lebensdauer beeinflussen könnten, beispielsweise die Störungen, wie Änderungen der atmosphärischen
Bedingungen oder Änderungen der Flughöhe oder der Fluggeschwindigkeit des Luftfahrzeuges, denen sie
unterworfen ist. Gelöst wird diese Aufgabe bei einer Regelvorrichtung der eingangs angegebenen Art
erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1.
Durch die Erfindung werden mehrere Vorteile erzielt. Insgesamt kann nunmehr die Temperatur der Verbrennungsgase
am Turbineneintritt genauer gesteuert werden, so daß der obenerwähnte Sicherheitsbereich
kleiner gemacht werden kann, so daß höhere Maximaltemperatur, höherem Wirkungsgrad und niedrigerer
Brennstoffverbrauch erhalten werden.
Weiterhin sind in erwünschter Weise die Änderungen der Temperatur der Verbrennungsgase am Turbineneintritt
in Funktion von der für den zweiten Kreis abgenommenen Luftmenge gering, und außerdem ist
schnelles Ansprechen auf das Zünden der Nachverbrennung und auf Laständerungen der Nachverbrennung
erhalten, so daß optimales Beschleunigungsvermögen gegeben ist.
Weitere Merkmale der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen unter Schutz gestellt.
Alisführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung erläutert
Fig.1 ist eine sehr vereinfacht gehaltene Ansicht einer Antriebsgasturbinenanlage, die mit einer Regelvorrichtung
gemäß der Erfindurg ausgerüstet ist,
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung der Regelvorrichtung,
Fig. 3 ist eine in vergrößertem Maßstab gehaltene
Ansicht eines Teiles der F i g. 2.
In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 allgemein eine
Antriebsgasturbinenanlage bezeichnet, die einen Turboreaktor einfachen A.üfbaus aufweist, der für den
Vortrieb eines Luftfahrzeuges, beispielsweise eines ^ Flugzeuges, bestimmt ist. Der Turboreaktor bzw. das
Turboreaktionstriebwerk weist hinter eir.em Lufteintritt 2 einen Verdichter mit einem Niederdruckteil 3 und
einem Hochdruckteil 4, eine Verbrennungskammer 5, eine Turbine mit einer Hochdruckstufe 6 und einer
ίο Niederdruckstufe 7, einen mit Brennern 9 ausgerüsteten
Nachverbrennungskanal 8 und eine Schubdüse 10 für die Verbrennungsgase auf, die von der Turbine kommen
und in dem Nachverbrennungskanal 8 gegebenenfalls wiedererhitzt werden.
I^ Mittel, beispielsweise Klappen 11, ermöglichen eine
Änderung des Austrittsquerschnitts S der Schubdüse 10. Wie es bekannt ist, kann die Schubdüse 10 mit einer
ringförmigen sekundären konvergenten-divergenten Verkleidung 12 zusammenarbeiten, die in regelbaren
Sekundärklappen 13 endigt. Die Verbrennungskammer wird mit vom Verdichter 3, 4 kommender Luft und mit
Brennstoff versorgt, der mittels einer Pumpe 14 über Leitungen 15 und 16 und Einspritzorgane 17 zugeführt
wird. Eine zwischen den Leitungen 15 und 16
2ί angeordnete Einrichtung 18 ermöglicht die Bemessung
der mit Cbezeichneten effektiven Brennstoffmenge, die in die Verbrennungskammer 5 eintritt. Die Einrichtung
18 kann vorteilhaft eine Bemessungsöffnung mit änderbarem Querschnitt aufweisen, der eine Einrich-
\o tung zugeordnet ist, um den Druckabfall des Brennstoffes
quer über diesen Querschnitt konstant zu halten.
Das Turboreaktionstriebwerk 1 kann ein Triebwerk mit Einkanalslrcmung oder Zweikanalströmung sein,
was durch die Darstellung einer in unterbrochenen Linien angedeuteten Abzweigleitung 19 symbolisiert ist,
die vom Austritt des Niederdruckteiles 3 des Verdichters ausgeht und es ermöglicht, einen Teil der vom
Niederdruckteil 3 des Verdichters gelieferten Luftmenge abzuzweigen.
Ein Steuerhandgriff 21, der von dem Piloten bedient werden kann, ermöglicht es diesem, die Belastung der
Triebwerksanlage kontinuierlich zu ändern. Diesem Steuerhandgriff 21 ist eine mit R bezeichnete Regelvorrichtung
zugeordnet, die den eigentlichen Gegenstand der Erfindung bildet.
Die Regelvorrichtung reagiert zu diesem Zweck auf verschiedene Signale und ändert als Folge zwei
Steuergrößen, die durch die Brennstoffmenge C, welche in die Verbrennungskammer 5 eingespritzt ist, und
durch den Querschnitt 5 der Schubdüse 10 dargestellt sind. Diese Signale umfassen insbesondere Signale,
weiche den statischen Druck PH am Verdichteraustritt,
den statischen Druck P57 der Gase am Turbinenaustritt,
die Drehzahl N des Verdichters 3, 4 und die Gesamttemperatur Tti der Luft am Verdichtereintritt
darstellen, und Signale, welche die Stellung des Steuerhandgriffs 21 darstellen.
Nachstehend wird in Verbindung mit den F i g. 2 und 3 die Regelvorrichtung R gemäß der Erfindung beschrie-
(10 ben.
Der Brennstoffkreislauf weist, wie oben bereits erwähnt, zwischen der Pumpe 14 und den Einspritz:organen
17 eine Einrichtung 18 zum Bemessen der effektiven Brennstoffmenge C auf, welche in die Verbrennungsgas
kammer 5 eingeführt wird. Diese Einrichtung 18 umfaßt eine Bemessungsöffnung 30, deren freigelegter Querschnitt
sich in Funktion der Stellung eines Schiebers 31 vorzugsweise linear ändert, der mit einem Servokolben
32 verbunden ist. Eine Einrichtung, beispielsweise ein nicht dargestelltes Regelventil, ermöglicht es, den
Druckabfall des Brennstoffes an der Bemessungsöffnung 30 derart konstant zu halten, daß die Brennstoffmenge
C ihrerseits eine lineare Funktion der Stellung des Servokolbens 32 ist.
Die Regelung der Brennstoffmenge ist mittels eines Kräfteausgleichs erhalten, der durch einen Hebel L
dargestellt ist, der an einem festen PunktOangelenkt ist.
An seinem Ende L\ dieses Hebels L wirkt in einem Abstand a von der Anlenkstelle Oeine Kraft, die in einer
Einrichtung hervorgerufen ist, welche eine Dose 33, in der Vakuum vorhanden ist, und eine Dose 34 aufweist,
die dem statischen Druck /% der Luft am Verdichteraustritt
unterworfen ist. Die genannte Kraft ist somit dem Absolutdruck P54 proportional. Das andere Ende L1 des
Hebels L schwingt geringfügig zwischen zwei Punkten oder Spitzen 35, 36 und moduliert durch seine
Bewegung oder Verschiebung die in zwei Kammern 37 und 38 herrschenden Drücke in dem einen oder in dem
anderen Sinn. Die beiden Kammern 37,38 sind jeweils durch die gegenüberliegenden Flächen des Servokolbens
32 begrenzt und jede wird mit unter Druck stehendem Brennstoff versorgt.
Der Servokolben 32 ist mittels einer Feder 39 mit einem Hebel 40 verbunden, der an einer festen Stelle 41
angelenkt ist. Eine Rolle 42 kann sich zwischen dem Hebel L und dem Hebel 40 verschieben, ohne daß sie
aufhört, sich an den beiden Hebeln L, 40 abzustützen, und zwar unabhängig von der Stellung des Hebelendes
L2 zwischen den Steuerstellen 35, 36. Da die Verschiebung
des Hebels L sehr gering ist, kann angenommen
werden, daß diese Verschiebung zur Bewegungsrichtung des Servokolbens 32 rechtwinklig erfolgt.
Die Rolle 42 ist mit ei'! er Schubstange 43 verbunden,
die an einem Ende eines Hebels 44 angelenkt ist, der um einen festen Punkt 45 schwenkbar angebracht ist. Das
andere Ende des Hebels 44 stützt sich unter der Wirkung einer Feder 44a auf einem Nocken 47 ab, der
sich mit einer Welle 48 dreht.
Es kann somit zwischen der Winkelstellung der Welle 48 und der Stellung der Rolle 42, wobei diese Stellung
durch den Abstand b definiert werden kann, in welchem die Rolle 42 sich von dem Anlenkpunkt O befindet, eine
Entsprechung hergestellt werden.
Die Feder 39 übt auf den Hebel 40 und die Rolle 42 eine Kraft F aus, die zu der Spannung der Feder 39
proportional ist. Wenn mit sder Querschnitt der Dosen
33 und 34 bezeichnet wird, nimmt der Hebel L im Gleichgewicht eine Winkelstellung ein, die durch
folgende Gleichung gegeben ist:
Sa =
Hieraus wird
~ s' b ■
Die Größen a und ssind konstruktive Konstanten, so
daß sich ergibt, daß das Verhältnis -μ— einzig eine
Funktion des Abstandes b ist, d. h. einzig eine Funktion der Stellung der Rolle 42 ist. Für einen gegebenen
Abstand b der Rolle 42 ist demgemäß das Verhältnis ^- konstant. Der Hebel L und die Rolle 42 bestimmen
auf diese Weise ein Kräftegleichgewicht mit einem Multiplikationsverhältnis, das in Abhängigkeit von der
Winkelstellung der Welle 48 variabel ist.
Wenn die Feder 39 derart gewählt wird, daß ihre
Spannung sich linear mit ihrer Verlängerung ändert,
d. h. mit der Verschiebung des Servokolbens 32, sind die Größen Fund Cproportional und es kann somit für eine
gegebene Winkelstellung der Welle 48
--— = constant
geschrieben werden. Diese Winkelstellung kann durch
is einen Fühler 49 festgestellt werden, der ein Signal,
beispielsweise ein elektrisches Signal in Funktion dieser Winkelstellung und demgemäß in Funktion des Wertes
des Verhältnisses -5— erzeugt, der ihm entspricht.
Zwei Steuerungen, und zwar eine automatische und eine Handsteuerung ermöglichen es, die Winkelstellung
der Welle 48 zu ändern.
Die automatische Steuerung umfaßt im wesentlichen einen Motor 50, beispielsweise einen Elektromotor, der
über Zahnräder 51, 52 und einen Drehmomentbegrenzer 53 mit der Welle 48 gekuppelt ist.
Die Handsteuerung umfaßt einen Hebel 54, der einerseits über eine auskuppelbare Kupplungseinrichtung
55 und Kegelzahnräder 56,57 mit der Welle 48, und andererseits mittels eines Gestänges 58, 59 mit dem
Steuei handgriff 21 gekuppelt ist
Die auskuppelbare Kupplungseinrichtung 55 umfaßt insbesondere eine von dem Hebel 54 angetriebene
Antriebswelle 60 und eine sich mit dem Zahnrad 56 drehende Abtriebswelle 61. Die Antriebswelle 60 ist mit
einem Teil 62 verbunden, in welchem Finger 63 verschiebbar angebracht sind, deren jeder eine Schulter
64 darbietet. Die Abtriebswelle 61 ist mit einer Platte 65 verbunden, in der Ausnehmungen 66 gebildet sind,
deren Form der Form der Finger 63 entspricht. Die letzteren können zwei Stellungen einnehmen, nämlich
eine aktive oder Einkupplungsstellung, in der sie in die Ausnehmungen 66 derart eintreten, daß eine Kupplung
zwischen der Antriebswelle 60 und der Abtriebswelle 61 gewährleistet ist, und eine unwirksame Stellung oder
Entkupplungsstellung, in der sie unter der Wirkung von Rückführfedern 67 ins Innere des Teiles 62 verschwinden.
Jede Schulter 64 kann dem Druck eines Steuermedi-
so ums unterworfen werden, welches in eine Kammer 68
der Kupplungseinrichtung 55 eingelassen werden kann. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist dieses
Steuermedium durch unter Druck stehenden Brennstoff dargestellt, der stromauf der Bemessungseinrichtung 18
mittels einer Leitung 69 abgenommen ist, in welcher ein Absperrorgan in Form eines Elektromagnetventils 70
angeordnet ist. Das Ventil 70 ist gewöhnlich unter der Wirkung des in der Leitung 69 herrschenden Brennstoffdruckes
geschlossen, es öffnet jedoch, wenn sein
fio elektrischer Stromkreis 70a erregt wird.
Beim normalen Arbeiten befindet sich nur die automatische Steuerung 50 bis 53 in Wirkung und die
Kupplungseinrichtung 55 ist ausgekuppelt. Die Handsteuerung 54 bis 57 ist eine HilfsSteuerung, deren
hs Verwendung später erläutert wird.
Die automatische Steuerung 50 bis 53 bildet einen Teil eines ersten Regelsystems, in welchem die Steuergröße
oder der Regelparameter durch das Verhältnis
I 1 U4 (UZ KV
p~ (dessen Wert durch die Stellung der Rolle 42, d. h.
durch die Winkelstellung der Welle 48 gegeben ist) dargestellt ist und in welchem die Größe des Austritts
oder der geregelte Parameter die Drehzahl N des Verdichters ist.
Eine Rechenvorrichtung £", beispielsweise eine
elektrische oder elektronische Vorrichtung, empfängt zu diesem Zweck ein erstes Signal in Funktion der
tatsächlichen Drehzahl N des Verdichters, die mit einem geeigneten Tachometer festgestellt ist, und ein zweites
Signal, welches eine gewünschte Solldrehzahl N* darstellt, die durch die Winkelstellung des Steuerhandgriffs
21 angezeigt und gegebenenfalls durch andere Parameter korrigiert ist wie die Gesamttemperatur Ta ,5
der Luft am Verdichtereintritt, um beispielsweise die Flughöhe zu berücksichtigen. Die Vorrichtung E
erzeugt ausgehend von diesen Signalen ein Drehzahlfehlersignal AN = N-N*, welches über den Elektromotor
50 die Winkelstellung der Welle 48 steuert, und zwar proportional zu
enthalten ist, worin A eine Konstante ist, oder in einem Integral in einer Zeit t entsprechend
I N ■ d t.
worin μ eine andere Konstante ist.
Ein Gegenreaktionssignal in Funktion des augen-
C
blicklichen Wertes des Verhältnisses -p- , welches von
blicklichen Wertes des Verhältnisses -p- , welches von
dem Fühler 49 festgestellt ist, kann ebenfalls in den Rechner ^eingegeben werden.
Solange der Drehzahlfehler ΔΝ vorhanden ist, versetzt der Motor HQ die Welle 48 in Drehung, die über
den Nocken 47 und die Hebel 44 und 43 eine Verschiebung der Rolle 42 hervorruft. In der Gleichge-
C
wichtsstellung ist das Verhältnis p an die gewünschte Drehzahl angepaßt und der freigelegte Querschnitt der Bemessungsöffnung 30 bewirkt eine öffnung, die geeignet ist, die dieser Drehzahl entsprechende Brennstoffmenge Chindurchtreten zu lassen.
wichtsstellung ist das Verhältnis p an die gewünschte Drehzahl angepaßt und der freigelegte Querschnitt der Bemessungsöffnung 30 bewirkt eine öffnung, die geeignet ist, die dieser Drehzahl entsprechende Brennstoffmenge Chindurchtreten zu lassen.
In bekannter Weise können nicht dargestellt Beschleunigungs- und Verzögerungsanschläge in der
Rechenvornchtung E vorgesehen sein, um den Wert
von -p— in Funktion von Parameters wie der Drehzahl
N oder dem Gesamtdruck der Luft am Verdichtereintritt Pn zu begrenzen.
Wenn die HilfsSteuerung 54 bis 57 in Betrieb gesetzt
wird, wird ihre Wirkung mit Bezug auf die Wirkung der automatischen Steuerung 50 bis 53 überwiegen, und
zwar zufolge des Vorhandenseins des Drehmomentbegrenzers 53, dessen Einstellung entsprechend berechnet
ist.
Zu dem ersten Regelsystem gemäß vorstehender Beschreibung fügt sich ein zweites Regelsystem hinzu, in
welchem die Steuergröße oder der Regelparameter durch den Querschnitt Sder Düse 10 dargestellt ist, und
in welchem der geregelte Parameter gemäß einem
Merkmal der Erfindung durch eine besondere Austrittsgröße dargestellt ist, die durch den Ausdruck
definiert ist, in welchem Cdie in die Verbrennungskammer
5 eingespritzte Brennstoffmenge, P54 den statischen
Druck der Luft am Verdichteraustritt, P57 den statischen
Druck der Verbrennungsgase am Turbinenaustritt, und β einen numerischen Koeffizienten darstellt, der kleiner
als 1 ist.
Es ist gefunden worden, daß diese Größe eine indirekte außerordentlich genaue Darstellung der
Temperatur T,5 der Verbrennungsgase am Turbineneintritt
darstellt, d. h. einer Temperatur, welche das nachstehend beschriebene Regelsystem unter allen
Arbeitsbedingungen der Triebwerksanlage auf einem optimalen Wert zu halten sucht, bei welchem keine
Gefahr besteht, das Wärmeverhalten der Turbinenschaufeln zu beeinträchtigen.
Ein Kraftausgleich, der durch einen Hebel U mit veränderbarem Multiplikationsverhältnis oder Übersetzungsverhältnis
dargestellt ist, der um einen festen Punkt O\ angelenkt ist, ermöglicht die Erzeugung eines
Signals in Funktion der Größe
Auf ein Ende U\ dieses Hebels U wirkt in einem Abstand a\ von dem Anlenkpunkt O\ eine Kraft, die in
einer Einrichtung erzeugt ist, die zwei gegenüberliegende Dosen gleichen Querschnitts aufweist, nämlich eine
erste Dose 80, die dem Druck P57 unterworfen ist, und
eine zweite Dose, die einem geringem Druck β P54
unterworfen ist. Dieser letztere Druck wird ausgehend von dem Druck P54 in einer Reduktionseinrichtung
erzeugt, die eine Kammer 82 aufweist, welche einerseits mit dem Verdichteraustritt über eine Drosselstelle K,
die vorzugsweise einstellbar ist, und andererseits über eine Drosselstelle M die beispielsweise eine feste
Verengung ist, mit der Atmosphäre (in der der Druck P0
herrscht) in Verbindung steht.
Das andere Ende Lk des Hebels U arbeitet mit einem Stößel 83 zusammen, der einen Teil einer Servosteuerung
84 bildet, die zum Regein des Querschnitts 5 der Düse 10 bestimmt ist und deren Einzelheiten in F i g. 3
dargestellt sind.
Der Servokolben 32, der einen Teil der Bemessungseinrichtung 18 für den Brennstoff bildet, stößt über eine
Feder 85 einen Hebel 86 zurück, der an einem festen Punkt 87 angelenkt ist Eine Rolle 88 kann sich zwischen
dem Hebel U und dem Hebel 86 verschieben, ohne aufzuhören, sich an den beiden Hebeln U und 8(
abzustützen, und zwar unabhängig von der Stellung des Endes U2 des Hebels U, welches mit dem Stößel 83
zusammenarbeitet
Die Rolle 88 ist mit einer Schubstange 89 verbunden die an einem Ende an einen Hebel 90 angelenkt ist
welcher um einen festen Punkt 90a schwenkbar angebracht ist. Das andere Ende des Hebels 90 stützt
sich unter der Wirkung einer Feder 91 an einem Nocken 92 ab. der sich mit einer Welle 93 dreht. Wie im Fall des
Hebeis L kann auf diese Weise eine Entsprechung zwischen der Winkelstellung der Welle 93 und der
709 519/19f
Stellung der Rolle 88 hervorgerufen werden, einer Stellung, die durch den Abstand b\ definiert werden
kann, in welchem die Rolle 88 sich von dem festen Punkt O\ befindet.
Die Feder 85 übt auf den Hebel t/über den Hebel 86 und die Rolle 88 eine Kraft F, aus, die wie die auf den
Hebel L ausgeübte Kraft F der Brennstoffmenge C proportional ist.
Im Gleichgewichtszustand nimmt der Hebel U eine
Winkelstellung ein, die durch die nachstehende Gleichunggegeben
ist:
= F1 ■ /),.
worin s, den Querschnitt der Dosen 80 und 81 darstellt.
Aus dieser Gleichung ergibt sich
Da die konstruktiven Größen «, und .S1 konstant
sind, ergibt sich, daß der Ausdruck
einzig eine Funktion des Abstandes b\ ist, der durch die Stellung der Rolle 88 definiert ist. Der Heue! t/und die
Rolle 88 bestimmen auf diese Weise ein Kräftegleichgewicht mit veränderbarem Multiplikationsverhältnis in
Funktion der Winkelstellung der Welle 93. Da die Größen Fi und Cproportional sind, kann schließlich für
eine gegebene Winkelstellung der Welle 93 geschrieben werden
-iP ^
= constant.
Diese Winkelstellung kann mittels eines Fühlers 94 festgestellt werden, der ein beispielsweise elektrisches
Signal in Funktion dieser Winkelstellung und demzufolge in Funktion des Wertes der Größe
der ihr entspricht, erzeugt. Dieses Ist-Signal wird in die Rechen vorrichtung E eingegeben, wo es mit einem
zweiten Soll-Signal verglichen wird, welches einen gewünschten Wert
£. T
-ι J
dieser Größe darstellt, einen Wert, der durch die Winkelstellung des Pilotensteuerhandgriffs 21 angezeigt
ist, gegebenenfalls wie zuvor korrigiert, beispielsweise in Funktion von Tr2, derart, daß eine im
wesentlichen konstante Temperatur T15 erhalten wird.
Ein Fehlersignal
Ein Fehlersignal
I ^r
vird, dann erzeugt und in einen Motor 95, der jeispielsweise ein Elektromotor ist, gesendet, der sich
Ireht, bis durch die Stellung der Rolle 88 dieses
7ehler-Signal annulliert ist. Das Gleichgewicht des
Hebels U ist auf diese Weise bewirkt und de Düsenquerschnitt S, der durch den Stößel 83 gesteuer
ist, ist dann derart, daß die Größe
(und damit die Temperatur 7",5) konstant auf den
angezeigten Wert gehalten ist.
Nachstehend wird an Hand der F i g. 2 und 3 die Servosteuerung 84 beschrieben, die zur Regelung de:
Düsenquerschnitts dient. Die Servosteuerung 84 ist eine hydraulische zweistufige Steuerung, und als Arbeitsmittel
wird wenigstens für die erste Stufe der unter hoherr Druck stehende Brennstoff in der Leitung 15 verwendet
der mittels einer Hochdruckleitung 100 abgenommen ist.
Der Stößel 83, der mit der durch den Hebel L dargestellten Kraftwaage zusammenarbeitet, ist mit
einem ersten Schieber 101 verbunden, welcher sich in einem Zylinder 102 verschiebt, der in einem zweiten
Schieber 103 gebohrt ist. Der Schieber 101 begrenzt im Zusammenarbeiten mit dem Zylinder 102 drei Kammern
iO4,105,106. Die äußeren Kammern 104 und 106
sind unter sich mittels eines Durchganges 107 und mit einem Niederdruckraum BP verbunden. Die mittlere
Kammer 105 befindet sich mit einer Hochdruckquelle HP über die Hochdruckleitung 100 in Verbindung. Der
Schieber 103 weist eine Schulter 108 auf, die einen Kolben bildet, der sich in einem Zylinder 109 verschiebt.
Der Kolben 108 begrenzt im Zusammenarbeiten mit dem Zylinder 109 zwei Kammern 110, 111, die mittels
eines entsprechenden Durchganges 112 bzw. 113 mit einer öffnung 114 bzw. 115 in Verbindung stehen, die in
der Wand des Zylinders 102 gebildet sind. Der mit dem Schieber 101 verbundene Stößel 83 ist unter der
Wirkung einer Feder 116 dauernd in Berührung mit dem
Hebel ^/gehalten.
Von der Kammer 110 geht eine Leitung 117 aus, die in
einem Absperrorgan 118 (Fig.2) mündet, welches hydraulisch betätigt ist. Das Absperrorgan 118 umfaßt
einen Schieber 119, der in Schließrichtung der Wirkung
einer Feder 120 und in Öffnungsrichtung der Wirkung des Druckes eines Steuermediums unterworfen ist. Das
Steuermedium kann vorteilhaft unter hohem Druck stehender Brennstoff sein, der mittels einer Leitung 121
zwischen dem Absperrorgan 70 und der abkuppelbaren Einrichtung 55 abgenommen ist. Bei der in Fig.2
dargestellten Stellung ist das Absperrorgan 70 geschlossen. Das Absperrorgan 118 ist demgemäß gleichfalls
geschlossen, weil es nur der Wirkung der Feder 120 unterworfen ist.
Der Schieber 103 verschiebt sich in einem Zylinder 122, mit welchem er zusammenarbeitet, um drei
Kammern 123, 124 und 125 zu begrenzen. Die beiden äußeren Kammern 123,125 stehen über Leitungen 126,
127 mit dem Niederdruckraum in Verbindung, während die mittlere Kammer 124 über eine Leitung 128 mit der
Hochdruckquelle HPm Verbindung steht. In der Wand des Zylinders 122 gebildete öffnungen 129, 130' stehen
über eine Leitung 131 bzw. 132 mit den beiden Kammern wenigstens einer doppelt wirkenden Druckvorrichtung
133 in Verbindung, die dazu bestimmt ist, die Klappen 11 der Düse 10 zu betätigen. Mit 133a ist
das bewegliche Organ oder die Schubstange der Druckvorrichtung 133 bezeichnet.
Bei der in Fig.3 wiedergegebenen Darstellung
befindet sich der Schieber 101 in einer mittleren
/ ÖZ
Stellung, in der er die Öffnungen 114,115 versperrt. Der
Kolben 108 und demgemäß der Schieber 103 nehmen gleichfalls eine mittlere Stellung ein, in welcher die
öffnungen 129, 130 versperrt sind, wodurch die Schubstange 133a der Druckvorrichtung 133 und damit
die Klappen 11 in einer Stellung unbeweglich gemacht sind, die einen gewissen Querschnitt von der Düse SO
bestimmt.
Im Fall von Ungleichgewicht cKt Kräftewaage U
wirkt der Stößel 83 in dem geeigneten Sinn auf den Schieber 101 ein, wodurch eine Verschiebung des
Schiebers 103 im gleichen Sinn mit einer Geschwindigkeit hervorgerufen wird, die eine Funktion der Stellung
des Verteilers 101 mit Bezug auf die öffnungen 114,115
ist, d. h. eine Funktion des Ausmaßes des Ungleichgewichts der Kräftewaage U, wobei die mittlere Stellung
des Schiebers 101 der Unhieweglichkeit des Schiebers 103 entspricht (System mit Integralverhalten). Das von
der Leitung 128 kommende Druckmittel tritt dann in die eine oder die andere der beiden Kammern der
Druckvorrichtung 133 ein, um die gewünschte Änderung des Düsenquerschnitts Shervorzurufen.
Die für die Servosteuerung 84 der Düsenklappen 11
beschriebene Arbeitsweise erfolgt nur in dem Fall, in welchem die Leitung 117 abgesperrt ist, d. h. in dem Fall,
in welchem das Absperrorgan 118 sich in geschlossener
Stellung befindet. Im gegenteiligen Fall steht die Leitung 117 über eine Leitung 134 mit dem Niederdruckraum
BP derart in Verbindung, daß der Schieber 103 gemäß F i g. 3 links anschlägt. Die Klappen 11
nehmen dann ihre Stellung vollständiger öffnung ein, in welcher der Düsenquerschnitt Sseinen maximalen Wert
hat, und zwar unabhängig von der Stellung der Kräftewaage U.
Beim normalen Arbeiten erzeugt die Rechenvorrichtung E gleichzeitig ein erstes Fehlersignal ΔΝ und ein
zweites Fehlersignal
Das erste
automatisch den Wert des
steuert
C
Regelparameters γ derart, daß eine Drezahlregelung
Regelparameters γ derart, daß eine Drezahlregelung
bewirkt wird, während das zweite Signal auf den Düsenquerschnitt S derart einwirkt, daß eine Regelung
der Temperatur 7*,5 erhalten wird, die durch den
Ausdruck dargestellt ist
C
Die Wahl dieses Ausdrucks zum Darstellen der Temperatur T,s gemäß einem Merkmal der Erfindung ist
vorteilhaft, weil ermöglicht ist, daß gleichzeitig die Genauigkeit der Regelung und die Empfindlichkeit der
Regelung verbessert sind, insbesondere bei der Zündung der Nachverbrennung. Die Regelung des Düsenquerschnitts
5 beim Beschleunigen, insbesondere beim
Arbeiten mit Nachverbrennung, erfolgt viel schnelle; wobei außerdem Störungen der Drehzahl verringer
sind. Außerdem ist die Bildung von eventuelle; Änderungen der Reynoldszahl der Strömung oder de
Abnahmen von Luft oder Leistung (beispielsweise in Fall eines Turboreaktionstriebwerkes mit Zweikanal
strömung durch die in rig. I dargestellte Abnahmelei
lung 19) stark vermindert.
Im Fall des Versagens der Rechenvorrichtung Eode:
des Versagens irgendeines Elementes des Systems zui Regelung der Temperatur durch Einwirkung auf der
Düsenquerschnitt Sist gemäß einem anderen Merkma
der Erfindung eine Sicherheitsregelung vorgesehen, die
auf direkter Handsteuerung des Verhältnisses y- be
Zu diesem Zweck bewirkt der Pilot das öffnen des Absperrorgans 70 durch Erregen des elektrischen
Stromkreises 70a. Der von der Leitung 69 kommende unter Druck stehende Brennstoff steuert dann einerseits
das Bewegen der Kupplungseinrichtung 55 in die eingekuppelte Stellung, und andererseits über die
Leitung 121 das öffnen des Absperrorgans 118.
Zufolge des Einkuppeins der Kupplungseinrichtung 55 werden die Bewegungen des Pilotensteuerhandgriffs
21 direkt auf die Welle 48 übertragen. Es ist auf diese Weise dem Piloten möglich, innerhalb gewisser
Grenzen, die durch die Verschiebung des Handgriffs 21 bestimmt sind, und ohne aus dem Bereich stabilen
Arbeitens der Triebwerksanlage herauszukommen, den
Wert des Verhältnisses „ zu ändern.
Jedem dieser Werte dieses Verhältnisses, die mit sehr großer Präzision erzeugt werden können, entspricht ein
Arbeitspunkt mit einer Temperatur 7%, die auf einem
Sicheiheitswert annähernd konstant gehalten wird. Es ist zu verstehen, daß der Drehmomentbegrenzer 53 so
ausgelegt ist, daß die Einwirkung des Piloten die Einwirkung der automatischen Steuerung 50 bis 53
überläuft.
Außerdem führt das öffnen des Absperrorgans 118 dazu, daß die Klappe 11 der Schubdüse 10 in ihre
Stellung maximaler öffnung gebracht und gehalten wird. Diese Ausführung stellt eine Sicherheitsmaßnahme
dar, die es, wenn die Sicherheitsregelung sich in Wirkung befindet, ermöglicht, unerwünschte Änderungen
der Temperatur 7~,5 als Folge von Änderungen, die
von dem Düsenquerschnitt Snicht gesteuert werden, zu
verhindern.
Es wird auf diese W-. ".r- unter Verwendung gewisser
Elemente einer vorher bestehenden automatischen Steuerung und ohne anderweitiges Komplizieren der
Triebwerksanlage als durch Hinzufügung einfacher Organe (abkuppelbare Einrichtung 55, Absperrorgane
70 und 118, Drehmomentbegrenzer 53) eine Sicherheitssteuerung erhalten, die besonders sicher (Direktsteuerung
oder -betätigung) und wirksam ist Diese Sicherheitssteuerung könnte im übrigen gegebenenfalls
eine automatische Temperatursteuerung anderer Art, als sie hier beschrieben worden ist, ergänzen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- 782Patentansprüche:1. Regelvorrichtung für eine Gasturbinenantriebsanlage, die einen Verdichter, eine mit vom Verdichter kommender Luft und mit Brennstoff gespeiste Verbrennungskammer, eine Turbine, die mit von der Verbrennungskammer kommenden Verbrennungsgasen gespeist wird, und eine Schubdüse für die von der Turbine kommenden Verbrennungsgase aufweist, mit einer Einrichtung zum Andern des Querschnitts der Schubdüse, wobei diese Einrichtung zur Regelung der Temperatur der Verbrennungsgase am Turbineneintritt in Funktion der die Verbrennungskammer speisenden Brennstoffmenge und einer Gasdruckdifferenz gesteuert V1 ird, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Gasdruckdifferenz in an sich bekannter V/eise zwischen den mit einem konstanten Verkleinerungsfaktor (ß) multiplizierten statischen !Druck (P14) der Luft am Austritt des Verdichters (3, 4) und dem statischen Druck (P^1) der Verbrennungsgase am Austritt der Turbine (6,7) gebildet wird und derart mit der die Verbrennungskammer (5) speisenden Brennstoffmenge (C) zusammenwirkt, daß die die Temperatur (T^) der Verbrennungsgase am Turbineneintrit't darstellende Austrittsgröße, die durch die Ausdruckworfen ist, und eine Einrichtung (94) aufweist, um ein Signal in Funktion des genannten Hebelverhältnisses zu erzeugen.4. Regelvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen des Soll-Signals
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2166771A DE2166771C3 (de) | 1970-02-04 | 1971-02-02 | Notsteuerung für eine Regelvorrichtung für ein Strahltriebwerk |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR7003923A FR2079536A5 (de) | 1970-02-04 | 1970-02-04 | |
FR7003923 | 1970-02-04 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2104782A1 DE2104782A1 (de) | 1971-08-12 |
DE2104782B2 true DE2104782B2 (de) | 1977-05-12 |
DE2104782C3 DE2104782C3 (de) | 1978-02-16 |
Family
ID=
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
FR2079536A5 (de) | 1971-11-12 |
GB1338671A (en) | 1973-11-28 |
DE2104782A1 (de) | 1971-08-12 |
US3719047A (en) | 1973-03-06 |
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Legal Events
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8328 | Change in the person/name/address of the agent |
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