DE2104782C3 - Regelvorrichtung für eine Gasturbinenantriebsanlage - Google Patents

Description

U P* -

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 (Tq) 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)za ändern.

itp* -p*

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

pp* -ρ*

zu erzeugen, eine Einrichtung, um ein Soll-Signal

r £ T

UP* -Ps₁J

als Funktion des genannten vorbestimmten gewünschten Wertes zu erzeugen, eine Recheneinrichtung, um ein Fehlersignal als Funktion des Unterschiedes von

i>p* -

-Γ £ T

up* -β, 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 dit Einrichtung zum Erzeugen des Ist-Signals als Funktion des Ausdrucks

IIP*

C

- P~

eine Kraftwaage (U) mit veränderbarem Hebelverhältnis, die einer ersten Kraft in Funktion der Brennstoffmenge (C) und einer zweiten Kraft in Funktion des Druckunterschiedes φPr₄-Px₇) 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 Wärme- trägheit 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 verschie dener Faktoren berücksichtigt, welche diese Tempera tur gemäß einem theoretischen oder experimentellen Verlauf beeinflussen können.

Die Erfindung bezieht sich auf eine solche Vorrichtung und sie geht von einer Vorrichtung gemäß dem

f>5 Oberbegriff des Anspruchs 1 aus.

Bei einer bekannten Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 (GB-PS 6 41 690) 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 Maximaltemperatur, 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 bekannt (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 hinsichtlich 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, höherer 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.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung erläutert

F i g. 1 ist eine sehr vereinfacht gehaltene Ansicht einer Antriebsgasturbinenanlage, die mit einer Regelvorrichtung gemäß der Erfindung 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 F i g. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 allgemein eine Antriebsgasturbinenanlage bezeichnet, die einen Turboreaktor einfachen Aufbaus aufweist, der für den Vortrieb eines Luftfahrzeuges, beispielsweise eines Flugzeuges, bestimmt ist Der Turboreaktor bzw. das Turboreaktionetriebwerk weist hinter einem Lufteintritt 2 einen Verdichter mit einem Niederdruckteil 3 und einem Hochdruckteil 4, eine Verbrennvuigskammer 5, eine Turbine mit einer Hochdruckstufe 6 und einer

ι ο 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.

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 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 Einrichtung zugeordnet ist, um den Druckabfall des Brennstoffes quer über diesen Querschnitt konstant zu halten.

Das Turboreaktionstriebwerk 1 kann ein Triebwerk mit Einkanalströmung 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, welche den statischen Druck P_H am Verdichteraustritt, den statischen Druck Ps₁ der Gase am Turbinenaustritt, die Drehzahl N des Verdichters 3, 4 und die Gesamttemperatur T_n 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-

iio ben.

Der Brennstoffkreislauf weist, wie oben bereits erwähnt, zwischen der Pumpe 14 und den Einspritzorganen 17 eine Einrichtung 18 zum Bemessen der effektiven Brennstoffmenge C auf, welche in die Verbrennungs-

fi.s 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 PunktO angelenkt ist. An seinem Ende L\ dieses Hebels L wirkt in einem Abstand a von der Anlenkstelle O eine 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 P_H der Luft am Verdichteraustritt unterworfen ist. Die genannte Kraft ist somit dem Absolutdruck P^ proportional. Das andere Ende Li 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 La 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 einer 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 s der Querschnitt der Dosen

33 und 34 bezeichnet wird, nimmt der Hebel L im Gleichgewicht eine Winkelstellung ein, die durch folgende Gleichung gegeben ist:

P₅, sa = Fb.

Hieraus wird

55

Die Größen a und 5 sind konstruktive Konstanten, so daß sich ergibt daß das Verhältnis -p— 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

-5—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 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 Steuerhandgriff 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 Steuermediums 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 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 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

j, (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 E, beispielsweise eine elektrische oder elektronische Vorrichtung, empfängt zu diesem Zweck ein erstes Signal in Funktion der tatsächlichen Drehzahl A/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 der Luft am Verdichtereintritt, um beispielsweise die Flughöhe zu berücksichtigen. Die Vorrichtung E erzeugt ausgehend von diesen Signalen ein Drehzahlfehlersignal ΔΝ = N-N*, welches über den Elektromotor 50 die Winkelstellung der Welle 48 steuert, und zwar proportional zu

= /. 1/V

enthalten ist, worin λ eine Konstante ist, oder in einem Integral in einer Zeit t entsprechend

= //Tl Nd/,

worin μ eine andere Konstante ist Ein Gegenreaktionssignal in Funktion des augen-

blicklichen Wertes des Verhältnisses -p—, welches von

dem Fühler 49 festgestellt ist, kann ebenfalls in den Rechner Eeingegeben werden.

Solange der Drehzahlfehler Δ Ν vorhanden ist, versetzt der Motor 50 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.

In bekannter Weise können nicht dargestellt Beschleunigungs- und Verzögerungsanschläge in der Rechenvorrichtung E vorgesehen sein, um den Wert

von -p— in Funktion von Parameters wie der Drehzahl

N oder dem Gesamtdruck der Luft am Verdichtereintritt P_n 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 5 der 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

fp» -n,

definiert ist, in welchem Cdie in die Verbrennungskammer 5 eingespritzte Brennstoffmenge, Ps₄ den statischen

ίο Druck der Luft am Verdichteraustritt, Ps, 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

ι ς indirekte außerordentlich genaue Darstellung der Temperatur T₁₅ 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 Überset- Zungsverhältnis 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 Ps₇ 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 Uarbeitet mit einem Stößel 83 zusammen, der einen Teil einer Servosteuerung 84 bildet die zum Regeln des Querschnitts S der

_So 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 86 abzustützen, und zwar unabhängig von der Stellung des Endes Lk des Hebels U, welches mit dem Stößel 83 zusammenarbeitet

Die RoQe 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 Hebels L kann auf diese Weise eine Entsprechung zwischen der Winkelstellung der Welle 93 und der

80S 607/184

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 U über den Hebel 86 und die Rolle 88 eine Kraft Fi 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 Gleichung gegeben ist:

worin S₁ den Querschnitt der Dosen 80 und 81 darstellt. Aus dieser Gleichung ergibt sich

-n,

= Si

Da die konstruktiven Größen α, und s, konstant sind, ergibt sich, daß der Ausdruck

einzig eine Funktion des Abstandes b\ ist, der durch die Stellung der Rolle 88 definiert ist. Der Hebel 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 C proportional sind, kann schließlich für eine gegebene Winkelstellung der Welle 93 geschrieben werden

= 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 Rechenvorrichtung E eingegeben, wo es mit einem zweiten Soll-Signal verglichen wird, welches einen gewünschten Wert

UK -f.

dieser Größe darstellt, einen Wert, der durch die Winkelstellung des Püotensteuerhandgriffs 21 angezeigt ist, gegebenenfalls wie zuvor korrigiert, beispielsweise in Funktion von Tt₂, derart, daß eine im wesentlichen konstante Temperatur T₁₅ erhalten wird.
Ein Fehlersignal

wird dann erzeugt und in einen Motor 95, der beispielsweise ein Elektromotor ist, gesendet, der sich dreht, bis durch die Stellung der Rolle 88 dieses Fehler-Signal annulliert ist Das Gleichgewicht des Hebels U ist auf diese Weise bewirkt und der Düsenquerschnitt S, der durch den Stößel 83 gesteuert ist, ist dann derart, daß die Größe

(und damit die Temperatur T₁₅) konstant auf dem angezeigten Wert gehalten ist.

ίο Nachstehend wird an Hand der Fig.2 und 3 die Servosteuerung 84 beschrieben, die zur Regelung des Düsenquerschnitts dient. Die Servosteuerung 84 ist eine hydraulische zweistufige Steuerung, und als Arbeitsmittel wird wenigstens für die erste Stufe der unter hohem Druck stehende Brennstoff in der Leitung 15 verwendet, der mittels einer Hochdruckleitung 100 abgenommen ist.

Der Stößel 83, der mit der durch den Hebel U 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 104,105,106. 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 UO, 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 i/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 HP in 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

6s 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

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 10 bestimmt.

Im Fall von Ungleichgewicht der 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 Unbeweglichkeit 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 Fig.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 Δ N und ein zweites Fehlersignal

Das erste steuert automatisch den Wert des

C
Regelparameters -p— derart, daß eine Drezahlregelung

bewirkt wird, während das zweite Signal auf den Düsenquerschnitt S derart einwirkt, daß eine Regelung der Temperatur T₁₅ erhalten wird, die durch den Ausdruck dargestellt ist

Die Wahl dieses Ausdrucks zum Darstellen der Temperatur T₁₅ 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 schneller, wobei außerdem Störungen der Drehzahl verringert sind. Außerdem ist die Bildung von eventuellen Änderungen der Reynoldszahl der Strömung oder der Abnahmen von Luft oder Leistung (beispielsweise im Fall einas Turboreaktionstriebwerkes mit Zweikanalströmung durch die in Fig. ι dargestellte Abnahmeleitung 19) stark vermindert.

Im Fall des Versagens der Rechen vorrichtung Eoder

ίο des Versagens irgendeines Elementes des Systems zur Regelung der Temperatur durch Einwirkung auf den Düsenquerschnitt S ist gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung eine Sicherheitsregelung vorgesehen, die

auf direkter Handsteuerung des Verhältnisses p~ beruht.

Zu diesem Zweck bewirkt der Pilot das öffnen des Absperrorgans 70 durch Erregen des elektrischen Stromkreises 70a. Der von der Leitung 69 kommende

ίο 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 -p— zu ändern.

Jedem dieser Werte dieses Verhältnisses, die mit sehr großer Präzision erzeugt werden können, entspricht ein Arbeitspunkt mit einer Temperatur Γ,₅, die auf einem Sicherheitswert 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 T,₅ als Folge von Änderungen, die von dem Düsenquerschnitt S nicht gesteuert werden, zu verhindern.

Es wird auf diese Weise 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 (4)

1. Patentansprüche:
2. L 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 Verbren- ι ο nungsgase aufweist, mit einer Einrichtung zum Ändern des Querschnitts der Schubdüse, wobei diese Einrichtung zur Regelung der Tempeiatur der Verbrennungsgase am Turbineneintritt in Funktion der die Verbrennungskammer speisenden Brennstoffmenge und einer Gasdruckdifferenz gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Gasdruckdifferenz in an sich bekannter Weise zwischen den mit einem konstanten Verkleinerungsfaktor (ß) multiplizierten statischen Druck (P_H) der Luft am Austritt des Verdichters (3, 4) und dem statischen Druck (P₁₁) der Verbrennungsgase am Austritt der Turbine (6,7) gebildet wird und derart mit der die Verbrennungskammer (S) speisenden Brennstoffmenge (C) zusammenwirkt, daß die die Temperatur (T₁₅) der Verbrennungsgase am Turbineneintritt darstellende Austrittsgröße, die durch die Ausdruck
3. worfen ist, und eine Einrichtung (94) aufweist, um ein Signal in Funktion des genannten Hebelverhältnisses zu erzeugen.
4. 4. Regelvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen des Soll-Signals