DE2166771A1 - Regelvorrichtung fuer eine gasturbinenantriebsvorrichtung - Google Patents

Description

PATfNTANWAlTE 91RR77T

DR. E. WIEGAND DIPL-ING. W. NIEMANN DR. M. KÖHLER DIPL-ING. C. GERNHARDT

MDNCHEN HAMBURG

2000 HAMBURG 50, ²* ^{Junl 1}975

KDN IGSTRASSE 28 TELEFON': 381233 TELEGRAMME:KARPATENT TELEXr212979 KARP D

W.26609/75 12/Me P 21 66 771.0

Societe Nationale d'Etude et de Construction de Moteurs d'Aviation, Paris. (Prankreich)

Regelvorrichtung für eine Gasturbinenantriebsvorrichtung.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelvorrichtung für eine Gasturbinenantriebsvorrichtung, insbesondere für den Vortrieb von Luftfahrzeugen,durch Reaktion, derjenigen Art, die einen Verdichter, eine Verbrennungskammer, die mit vom Verdichter kommender Luft und mit Brennstoff versorgt wird, eine Turbine, die mit von der Verbrennungskammer kommenden Verbrennungsgasen versorgt wird, und eine Ausstoßdüse für die von der Turbine kommenden Verbrennungsgase aufweist. Die RegeIvo-richtung weist Mittel, um die die Verbrennungskammer versorgende Brennstoffmenge zu bemessen, und Mittel auf, um den Querschnitt der Düse zu ändern.

Die Erfindung bezweckt, bestehende Regelvorrichtungen zu verbessern und zwar sowohl hinsichtlich ihrer An-

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BANKi DEUTSCHE BANK AG, HAMBURG (BlZ 2007000O)₁KONTO NR. ί5/«823 · POSTSCHECK! HAMBURG 14284(5-203

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passungsfähigkeit und ihrer Sicherheit beim Gebrauch als auch hinsichtlich der Leistungen, die sie zu erreichen ermöglicht.

Es ist bekannt, daß für eine gegebene Drehzahl des Verdichters zwischen dem Querschnitt der Ausstoßdüse und der'Gastemperatur am Eintritt der Turbine ein Verhältnis besteht, welches es ermöglichst, eine Temperaturregelung durch Einwirkung auf den Düsenquerschnitt hervorzurufen. Eine solche Regelung ermöglicht insbesondere die bedeutenden Änderungen zu kompensieren, denen die genannte Temperatur unterworfen wird, wenn die äußeren Bedingungen beispielsweise die Geschwindigkeit und die Plughöhe 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.

Für eine solche Regelung werden verschiedene Einrichtungen verwendet, und für die richtige Funktion wird offensichtlich ein gutes Arbeiten einer Vorrichtung zur automatischen Verarbeitung von Signalen, beispielsweise durch elektronische Mittel, verlangt. Unangenehme Folgen, was das Wärmeverhalten der Turbinenschaufeln angeht, können sich demgemäß aus einem eventuellen Versagen dieser Verarbeitungsvorrichtung ergeben.

Die Erfindung sieht demgemäß zum Begrenzen möglicher Schäden entsprechend einem ähnlichen Versagen eine einfache und wirksame Hilfsregelung mit Handbetätigung vor, die im übrigen verwendet werden kann, um eine selbsttätige Temperaturregelung zu unterstützen oder zu ergänzen, und die die Besonderheit bietet, daß als Regel-

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faktor die Bemessung der Brennstoffmenge _Λ mit welcher die Verbrennungskammer versorgt wird, verwendet wird. Gemäß einer Ausführung zur Verwirklichung dieses Merkmals der Erfindung ist eine Einrichtung zum Bemessen der Brennstoffmenge C in Punktion dieser Menge und des statischen Druckes P_o der Luft am Austritt

des Verdichters derart betätigt, daß für eine Austrittsgröße, die durch das Verhältnis C bestimmt ist,

ein vorbestimmter gewünschter Wert beibehalten wird, der mit Hilfe der erwähnten Handhilfssteuerung geändert werden kann. Es ist auf diese Weise möglich, zwischen gewissen Grenzen, die durch das Niederdrücken des Pilotenhandgriffs festgelegt sind, den Wert des Verhältnisses C zu ändern.

Jedem Wert dieses Verhältnisses entspricht demgemäß ein Arbeitspunkt der Gasturbinenantriebsanlage mit einer annähernd konstanten Gastemperatur am Turbineneintritt.

Gem£ß einer vorteilhaften Ausfuhrungsform kann zwischen der Handhilfssteuerung und der Einrichtung zum Bemessen der Brennstoffmenge eine abkuppeHbare Kupplungseinrichtung derart angeordnet werden, daß beim normalen Arbeiten jede Störung zwischen der Handsteuerung und der selbsttätigen Steuerung-vermieden ist. Diese Kupplungseinrichtung kann beispielsweise unter der Wirkung

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eines Steuerdruckmittels in Richtung gegen die eingekuppelte Stellung angetrieben sein, und diese Wirkung ist eine Folge des öffnens eines Absperrorgans, das zwischen einer Quelle des genannten Druckmittels und der Kupplungseinrichtung angeordnet ist.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann eine Einrichtung vorgesehen sein, um die Einrichtung zum Ändern des Düsenquerschnitts in Richtung gegen ihre Stellung vollständiger öffnung anzutreiben, wenn die genannte Kupplungseinrichtung sich in der eingekuppelten Stellung befindet, d. h., wenn die Hilfsregelung sich in Wirkung befindet. Auf diese Weise werden eventuell ungelegene oder unerwünschte Änderungen des Düsenquerschnitts vermieden, die trotz der Benutzung der Hilfsregelung zu einer gefährlichen Erhöhung der Gastemperatur am ,Turbineneintritt führen könnten.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann diese Einrichtung Mittel aufweisen, die auf den Druck des Steuerdruckmittels der Regelungseinrichtung ansprechen, wobei dieser Druck zwischen der Kupplungseinrichtung und dem Absperrorgan abgenommen ist.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung * beispielsweise erläutert.

Fig. 1 ist eine sehr vereinfacht gehaltene Ansicht einer Antriebsgasturbinenanlage, die mit einer Regeleinrichtung 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 Fig. 2.

In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 allgemein eine Antriebsgasturbinenanlage bezeichnet, die einen Turboreaktor einfachen Aufbaus aufweist, der für den Vor-

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trieb eines Luftfahrzeuges, beispielsweise eines Plugzeuges, bestimmt ist. Der Turboreaktor bzw. das Turboreaktionstriebwerk weist hinter einem Lufteintritt 2 einen Verdichter mit einem Niederdruckteil 3 und einem Hochdruckteil 4, eine Verbrennungskammer 5, eine Turbine mit einer Hochdruckstufe 6 und einer Niederdruckstufe 7» einen mit Brennern 9 ausgerüsteten Nachverbrennungskanal 8 und eine Ausstoßdüse 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 Düse 10. Wie es bekannt ist, kann die Düse 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 C bezeichneten effektiven Brennstoffmenge, die in die Verbrennungskammer 5 eintritt. Die Einrichtung 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 werdenkann, ermöglicht es diesem, die Belastung der Trieb-

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Werksanlage kontinuierlich zu ändern. Diesem Steuerhandgriff 21 ist eine mit R bezeichnete Regelvorrichtung zug.e-¹ ordnet, die den eigentlichen Gegenstand der Erfindung bildet. Diese Regelvorrichtung ist dazu bestimmt, für jede Stellung des Steuerhandgriffs 21 optimales Arbeiten der Triebwerksanlage zu gewährleisten und solche mechanische und thermische Zustäde zu vermeiden, die das Verhalten der Triebwerksanlage und ihre Lebensdauer beeinflussen könnten, beispielsweise die Störungen wie Änderungen der atmosphärischen Bedingungen oder Änderungen der Plughöhe oder der Pluggeschwindigkeit des Luftfahrzeuges, denen sie unterworfen ist.

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 S der Düse 10 dargestellt sind. Diese Signale umfassen Insbesondere Signale, welche den statischen Druck P am Verdichteraustritt, den statischen Druck P der Gase am Turbinenaustritt, die Drehzahl N des Verdichters 3j ^ und die Gesamttemperatur T. der Luft

ο am Verdichtereintritt darstellen, und Signale, welche die Stellung des Steuerhandgriffs 21 darstellen.

Nachstehend wird in Verbindung mit den Fig. 2 und 3 die Regelvorrichtung R gemäß der Erfindung beschrieben.

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

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stoffes an der Bemessungsöffnung 30 derart konstant zuhalten, daß die Brennstoffmenge C ihrerseits eine lineare Punktion 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 Punkt 0 angelenkt ist. An seinem Ende Lv, dieses Hebels L wirkt in einem Abstand a von der Anlenkstelle 0 eine Kraft, die in einer Einrichtung hervorgerufen ist, welche eine Dose 33, in der Vakuum vorhanden ist, und eine Dose 3¹J aufweist, die dem statischen Druck P der Luft am Verdichteraustritt unterworfen ist. Die genannte Kraft ist somit dem Äbsolutdruck P proportional. Das andere Ende L₂ 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 4l 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 L~ zwischen den Steuerstellen 3*5, 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

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■"" ti ■*■

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 0 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:

P_s .s.a = F.b
Hieraus wird

^S4

Die Größen a und s sind Konstariten, so daß sich ergibt, daß das Verhältnis F einzig eine Funktion des AbStandes

^S4
b ist, d. h. einzig eine Funktion der Stellung der Rolle 42 ist. Für eine gegebene Stellung der Rolle 42 ist demgemäß das Verhältnis F konstant. Der HebelL und die

^S4

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 F und C proportional und es kann somit für eine gegebene Winkelstellung der Welle 48

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= 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 C 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 ^mifc cte'¹* 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 Antriebswelle 6l. Die Antriebswelle 6Ö ist mit einem Teil 62 verbunden, in welchem Finger 63 verschiebbar angebracht sind, deren jeder eine Schulter 64- darbietet. Die Abtriebswelle öl ist mit einer Platte 65 verbunden, in der Ausnehmungen 66 gebildet sind, deren Form der Form der Finger 63entspricht. 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 6l gewährleistet ist, und eine unwirksame Stellung

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oder Entkupplungsstellung, In der sie unter der Wirkung von Rückführfedern 6j ins Innere des Teiles 62 verschwinden.

Jede Schulter 64 kann dem Druck eines Steuermediums unterworfen werden» welches In eine Kammer 68 der Kupplungseinrichtung 55 einfassen werden kann. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist dieses Steuermedium durch unter Druck stehenden Brennstoff dargestellt, der stromauf der Bemessungseinrichtung l8 mittels einer Leitung 69 abgenommen ist, in welcher ein Absperrorgan in Form eines Elektromagnetventlles 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 itrd.

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 Re^f;elparameter durch das Verhältnis C

(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 H des Verdichters ist.

Eine Rechenvorrichtung E, beispielsweise eine elektrische oder elektronische Vorrichtung, empfängt zu diesem Zweck ein erstes Signal in Punktion der tatsächlichen Drehzahl M des Verdichters, die mit einem geeigneten Tachometer festgestellt -ist* und ein zweites Signal N , welches eine gewünschte Drehzahl darstellt, die durch die Winkelstellung des Steuerhandgriffs 21 angezeigt und ge-

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gebenenfalls durch andere Parameter korrigiert ist wie die Gesamttemperatur T, der Luft am Verdichtereintritt, um beispielsweise die Flughöhe zu berücksichtigen. Die Vorrichtung E erzeugt ausgehend von diesen Signalen ein Fehlersignal /\N = N- N , welc^hes über den Elektromotor 50 die Winkelstellung der Welle 48 steuert, und zwar proportional zu

Si

worin /N eine Konstante ist, oder in einem Integral in einer Zeit t entsprechend

^S4

= Li ( Δ Ν.dt,

eine andere Konstante ist. Ein Gegenreaktionssignal in Funktion des augenblicklichen

WErtes des Verhältnisses C , welches von dem Fühler ^9

^S4

festgestellt ist, kann ebenfalls in den Rechner E eingegeben werden.

Solange der FehlerJ\N vorhanden ist, versetzt der Motor 50 de Welle Ί8 in Drehung, die über den Nocken 47 und die Hebel 44 und 43 eine Verschiebung der Rolle HZ hervorruft. In der Gleichgewichtsstellung ist das Verhältnis C an die gewünschte Drehzahl angepaßt und der

freigelegte Querschnitt der Bemessungsöffnung 30 bewirkt eine öffnung, die geeignet ist, die dieser Drehzahl entsprechende Brennstoffmenge C hindurchtreten zu lassen.

In bekannter Weise können nicht dargestellte Beschleunigungs- und Verzögerungsanschläge in der Rechenvorrichtung E vorgesehen sein, um den Wert von C in Funktion von Para-

meters wie N oder P (Gesamtdruck der Luft am Verdichter-

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eintritt) zu begrenzen.

Wenn die HilfsSteuerung 5^ bis 57 in Betrieb gesetzt wird, wird ihre Wirkung mit Bezug auf die Wirkung der automatischen Steuerung 50 bis 53 überwiegend, 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 S der Düse 10 dargestellt ist, und in welchem der geregelte Parameter gemäß einem Merkmal der Erfindung w durch eine besondere Austrittsgröße dargestellt ist, die durch den Ausdruck

C

³ - P

definiert ist, in welchem C die in die Verbrennungskammer 5 eingespritzte Brennstoffmenge, P den statischen Druck der Luft am Verdichteraustritt, P den statischen Druck

7 der Verbrennungsgase am Türbinenaustritt, und ρ einen numerischen Koeffizienten darstellt, der kleiner als 1 ist.

Es ist gefunden worden, daß diese Größe eine indirekte außerordentlich genaue Darstellung der Temperatur T. 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 Pun&t O₁ angelenkt ist, ermöglicht die Erzeugung eines Signales in Funktion der Größe

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I S₄ S₇

Auf ein Ende U₁ dieses Hebels U wirkt in einem Abstand a₁ von dem Anlenkpunkt 0. eine Kraft, die in einer Einrichtung erzeugt ist, die zwei gegenüberliegende Dosen gleichen Querschnitts aufweist, nämlich eine erste Dose 80, die dem Druck P unterworfen ist, und eine zweite Dose, die einem geringen Druck (^P unterworfen ist. Dieser letztere Druck wird ausgehend von dem Druck P in einer Reduktionseinrichtung erzeugt, die eine Kammer 82 aufweist, welche einerseits mit dem Verdichteraustritt über eine Verengung K, die vorzugsweise einstellbar ist, und andererseits über eine Verengung L, die beispielsweise eine feste Verengung ist, mit der Atmosphäre (in der der Druck P herrscht) in Verbindung steht.

Das andere Ende U_?des Hebels U arbeitet mit einem Stößel 83 zusammen, der einen Teil einer Servosteuerung 84 bildet, die zum Regeln des Querschnitts S der Düse 10 bestimmt ist und deren Einzelheiten in Pig. 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, 86 abzustützen, und zwar unabhängig von der Stellung des Endes U_p des Hebels U, welches mit dem Stößel 83 zusammenarbeitet.

Die Rolle 88 ist mit einer Schubstange 89 verbunden, die an einem Ende an einem Wbel 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 9I 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

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93 und der 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 0 befindet.

Die Feder 85 übt auf den Hebel U über den Hebel 86 und die Rolle 88 eine Kraft P. aus, die wie die auf den Hebel L ausgeübte Kraft P der Brennstoffmenge C proportional ist.

Im Gleichgewichtszustand nimmt der Hebel ü eine Winkelstellung ein, die durch die nachstehende Gleichung gegeben ist:

( ßP_o - P_o ).s.. a. = F. - b. /S₄ s~ 1 1 1 1

worin s^ den Querschnitt'der Dosen 80 und 81 darstellt. Aus dieser Gleichung ergibt sich

Da die Größen a^ und b. konstant sind, ergibt sich, daß der Ausdruck

P.

Ap - ρ
• s₄ s₇

einzig eine Punktion des' Abstandes b,. ist, der die Stellung der Rolle 88 definiert. Der Hebel U und die Rolle 88 bestimmen auf diese Weise ein Kräftegleichgewicht mit veränderbarem Multiplikationsverhältnis in Punktion der Winkelstellung der Welle 93. Da die Größen P₁ und C proportional sind, kann definitiv für eine gegebene Winkelstellung der Welle 93 geschrieben werden

= constant

ÖP - P
« S₄ S₇

Diese Winkelstellung kann mittels eines Fühlers 9^ festgestellt werden, der ein beispielsweise elektrisches Signal in Punktion dieser Winkelstellung und demaufolge in

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Funktion des Wertes der Größe

fp - ρ

der ihr entspricht, erzeugt. Dieses Signal wird in die Rechenvorrichtung E gesendet, wo es mit einem zweiten Signal vergleichen wird, welches einen gewünschten Wert

dieser Größe darstellt, einen Wert, der durch die Winkelstellung des Pilotensteuerhandgriffs 21 angezeigt ist, gegebenenfalls wie zuvor korrigiert, beispielsweise in Punktion von T. derart, daß eine im wesentlichen konstante

Temperatur T 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 Signal'annulliert ist. Das Gleichgewicht des Hebels U ist auf diese Weise bewirkt und der Düsenquerschnitt S, der durch den Stößel gesteuert ist, ist dann derart, daß die Größe

- P

(und definitiv die Temperatur T. ) konstant auf dem angezeigten Wert gehalten ist. ^J

Nachstehend wird an Hand der Fig. 2 und 3 die Servosteuerung 8¹J 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.

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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 IO6 sind unter sich mittels eines Durchganges 107 und mit einem Niederdruckraum BP verbunden. Die mittlere Kammer 105 befindet sich mit der Hochdruckleitung 100 in Verbindung. Der Schieber 103 weist eine Schulter IO8 auf, die einen Kolben bildet, der sich in einem Zylinder IO9 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 Schi&er 101 verbundene Stößel 83 ist unter der Wirkung einer Feder II6 dauernd in Berührungmit dem Hebel U gehalten.

Von der Kammer 110 geht eine Leitung 117 aus, die in einem Absperrorgan II8 (Fig. 2) mündet, welches hydraulisch betätigt ist. Das Absperrorgan 118 umfaßt einen Schieber II9, 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. dargestellten Stellung ist das Absperrorgan 70 geschlossen. Das Absperrorgan II8 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 einem Niederdruckraum in Ver-

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bindung, während die mittlere Kammer 124 über eine Leitung 128 mit.einer Hochdruckquelle HP in Verbindung steht. In der Wand des Zylinders 122 gebildete öffnungen 129, 130 stehen über eine Leitung I3I 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 Stellung, in der er die öffnungen 114, 115 versperrt. Der Kolben IO8 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 Integralansprechen). 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 S hervorzurufen.

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 II8 sich in geschlossener Stellung

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befindet. Im gegenteiligen Fall steht die Leitung 117 über eine Leitung 13^ mit einem Niederdruckraum BP derart in Verbindung, daß der Schieber 103 gemäß Pig. 3 links anschlägt. Die Kappen 11 nehmen dann ihre Stellung vollständiger öffnung ein, in ve Icher der Düsenquerschnitt S seinen maximalen Wert hat, und zwar unabhängig von der Stellung der Kräftewaage U.

Beim normalen Arbeiten erzeugt die Rechenvorrichtung E gleichzeitig ein erstes FehlersignalΔΝ und ein zweites Fehlersignal·

f'^Ps " ^Ps

Das erste steuert automatisch den Wert des Regelparameters

C derart, daß eine DRehzahlregelung bewirkt wird, während P

das zweite SigraL auf den Düsenquerschnitt S derart einwirkt, daß eine Regelung der Temperatur T. erhalten wird,

r—

die durch den Ausdruck dargestellt ist -*

'^Ps₄ - ^Ps₇

Die Wahl dieses Ausdrucks zum Darstellen der Temperatur T, 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 S 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 eines Turboreaktionstriebwerkes mit Zweikanalströmung durch die in Fig. 1 dargestellte Abnahmeleitung 19)stark vermindert.

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Im Pall des Versagens der Rechenvorrichtung E oder des Versagens irgendeines EJementes 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 C beruht.

Zu diesem Zweck bewirkt der Pilot das öffnen des Absperrorganes 70 durch Erregen des elektrischen Stromkreises JOa. 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 C zu ändern.

Jedem dieser Werte dieses Verhältnisses, die mit sehr großer Präzision erzeugt werden können, entspricht ein Arbeitspunkt mit einer Temperatur T, , die auf einem Sicherheit swert annähernd konstant gehalten wird. Es ist zu verstehen, daß der Drehmomentbegrenzer 53 so ausgelegt ist, daß die Einwirkung des Piloten die Einwirkung der automaltischen Steuerung 50 bis 53 überläuft.

Außerdem führt das öffnen des Absperrorgans II8 dazu, daß die Klappe 11 der Düse 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. als Folge von

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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 Ein- ' richtung 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.

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Claims (5)

Patentansprüche 2186771

1. Regelvorrichtung für eine Gasturbinenantriebsanlage derjenigen Art, 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 Düse zum ΑμΒβ^ββη der von der Turbine kommenden Verbrennungsgase aufweist, wobei die Regelvorrichtung eine Einrichtung zum Regeln der der Verbrerinungkammer zugeführten Brennstoffmenge, eine zum Verändern des Querschnitts der Düse zwischen einem größten und einem kleinsten Grenzwert betätigbare"Einrichtung und eine selbsttätige Steuerung zum Betätigen der den Düsenquerschnitt verändernden Einrichtung a.uf weist j um die Temperatur der Verbrennungsgase am Turbineneintritt auf einem vorbestimmten sicheren Wert zu halten, dadurch geke'nnzeichnet, daß die Vorrichtung weiterhin eine normalerweise unwirksame von Hand betätigbare Notsteuerung (5¹I) zum Steuern der die Brennstoffzufuhrmenge regelnden Einrichtung (18), eine Einrichtung (55 - 70) zur Aktivierung der. von Hand bet'itigbaren Not steuerung (5¹O in Fall des Versagens der selbsttätigen Steuerung (E,U,95,88) und eine Einrichtung (118 - 8¹J) aufweist, die im Ansprechen

^509843/0004 BADORlQ₁MA₁.

auf die Aktivierung der von Hand betatigbaren Notsteüerung (54) die den Querschnitt der Düse steuernde Einrichtung (133 - H) betätigt, um die Düse (10) auf ihren maximalen Grenzwert zu öffnen, um die Temperatur (T. ) der Verbren-

. .5

nungsgase am Eintritt· der Turbine (6, 7) auf einem sicheren Wert zu halten.

2. Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Aktivieren der von Hand bet?itigbaren Notsteuerung eine normalerweise gelöste Kupplung (55) zwischen der von Hand betcätigbaren Steuerung (5-¹I) und der Einrichtung (18) zum Regeln der Brennstoffzuf.uhrmenge ' sowie eine Steuereinrichtung (70) zum Ineingriffbringen der Kupplung aufweist.

3. Regelvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung (55) durch Arbeitsmitteldruck betätigt ist und daß die Steuereinrichtung ein Ventil (70) aufweist, das zwischen einer Quelle (15) von unter Druck stehendem Arbeitsmittel und der Kupplung (55) angeordnet ist und in seiner offenen Stellung die Kupplung mit Arbeitsmittel speist.

h. Regelvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zum öffnen der Düse (10) auf ihren maximalen Grenzwert wirksame Einrichtung eine druckempfindliche Einrichtung (118) aufweist, die auf den Druck des unter Druck stehenden Arbeitsmittels stromabwärts des Ventils (70) anspricht.

5. Regelvorrichtung nach einem "der. Ansprüche 1 bis ¹I,

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wobei die Einrichtung zun Regeln der der Verbrennungskammer zugeführten Brennstoffmenge abhängig von der der 'Verbrennungkammer zugeführten Brennstoffmenge (C) und dem statischen Luftdruck (P₅ ) am Verdichteraustritt gesteuert wird, so daß eine Ausgangsgröße, die durch das

C "

Verhältnis ρ bestimmt ist, auf einem vorbestimmten

⁵H ' " ■
Wert gehalten wird,dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeiten der handbetätigbaren Notsteuerung (5²O den genannten Wert modifiziert.

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