DE2426658A1

DE2426658A1 - Leistungsturbinen-duesensteueranordnung

Info

Publication number: DE2426658A1
Application number: DE19742426658
Authority: DE
Inventors: Milton R Adams; Harvey B Jansen
Original assignee: Garrett Corp
Current assignee: Garrett Corp
Priority date: 1973-06-04
Filing date: 1974-06-01
Publication date: 1974-12-19
Also published as: FR2231850B1; SE392321B; SE7407171L; DE2426658C2; US3858390A; FR2231850A1; JPS5022112A; GB1462082A

Description

THE GAESEiDT CORPORATION, 9851-9951 Sepulveda Boulevard, Los Angeles, California 90009,

LeistunKsturbinen-DüsensteueranordmmK.

Zus ammenf as sunp;:

Eine !Fahrzeuggasturbine weist Gaserzeugungs- und Leistungsturbinenabschnitte auf; letztere besitzen Düsenschaufeln, die so einstellbar sind, daß sie Leistungsturbinendrehzahl und die Turbinentemperatur wie auch Leerlauf- und Maschinendrehzahlphasen steuern. Die erfindungsgemäße Anordnung steuert die Einstellung der Düsenschaufeln des Leistungsturbinenabschnittes. Die Anordnung weist einen auf Strömungsmitteldruck ansprechenden Schaufelbetätiger mit einem Servoventil und einer Einstellvorrichtung dafür auf, die auf Strömungsmitteldruck ansprechen, der teilweise durch die Drossel der Maschine und teilweise durch die Betriebsdrehzahl der Gasgenerator- und Leistungsturbinenabschnitte der Maschine gesteuert wird. Die Servoventileinstellvorrichtung ist mit dem Servoventil und dem Schaufelbetätiger über eine Gelenkverbindung verbunden,, die auch auf die Bewegung der Maschinendrosselvorrichtung anspricht. Die Servoventileinstellvorrichtung spricht auf Strömungsmitteldruck an, dessen Aufgabe durch eine Ventilvorrichtung gesteuert wird, welche in Abhängigkeit von Drehzahlen der Gasgenerator- und Leistungs-

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turbinenabschnitte der Maschine betätigt wird.

Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinenmaschine, wie sie zum Antrieb von Fahrzeugen verwendet wird, insbesondere auf Maschinen mit Gasgenerator- und Leistungsturbinenabschnitten und speziell auf e.ine Steueranordnung für die Düsenschaufeln der Leistungsturbinenabschnitte solcher Maschinen. Die Steueranordnung weist eine auf Strömungsmitteldruck ansprechende Betätigungsvorrichtung für die Düsenschaufeln und ein Servoventil auf, cfes mit der Betätigungsvorrichtung und mit der Servoventileinstellvorrichtung gekoppelt ist, wobei letztere eine drosselbetätigte Torrichtung und eine auf Strömungsmitteldruck ansprechende Vorrichtung aufweist. In bezug auf eine Strömungsmitteldruck betätigte Vorrichtung mit Servoventilsteuerung, die teilweise von Hand betätigt wird, kann vorliegende Erfindung in die Klasse der US-Patentschrift 2.929.362 einklassifiziert werden. Die erfindungsgemäße Steueranordnung weist ferner Elemente" auf, die auf Parameter des Maschinenbetriebes ansprechen, damit Steuerfunktionen erhalten werden - vgl. hierzu US-PS 3.155.IO3. In bezug auf die Ausnutzung der Drosselbewegung zur Steuerung wird auf US-PS 3.031.840 hingewiesen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Steueranordnung für die Düsenschaufeln einer Leistungsturbine anzugeben, mit der ein automatischer Betrieb möglich ist und die in der Lage ist, die Düsenschaufeln zu Beginn in eine Stellung zu bringen, die das Anlassen des Gasgeneratorabschnittes der Maschine vereinfacht.

Eine Maschine der eingangs angegebenen Art ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch ein auf Strömungsmitteldruck ansprechendes Düsenbetätigerbauteil, eine Servoventilvorrichtung, die das Aufgeben von Strömungsmitteldruck auf das Betätigerbauteil steuert, eine Servoventileinstellvorrichtung mit einem beweglichen Bauteil, das nachgiebig gegen eine vorbestimmte fiormalstellung vorgespannt ist und das unter Strömungsmitteldruck—.

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•unterschieden an entgegengesetzten Enden verschiebbar ist, eine Verkettungsvorrichtung, die das bewegliche Bauteil der ■Ventileinstellvorrichtung mit der ßervoventilvorrichtung und dem Betätigerbauteil verbindet, ein Element, das einen Teil der Verbindungsvorrichtung und der Drosselvorrichtung der Maschine beaufschlagt, wobei das Element dazu dient, dem Servoventil eine vorbestimmte Bewegung zu erteilen, wenn die Drosselvorrichtung bewegt wird, eine Vorrichtung, die anspricht, wenn die Drehzahl des Gasgeneratorabschnittes unter dnem vorbestimmten Wert liegt, damit ein Strömungsmitteldruck auf ein Ende des Bauteiles aufgegeben wird, um dieses in eine Stellung zu bewegen, in der die Leistungsturbinen-Düsenschaufeln einen Zustand einnehmen, in welchem ein Anlassen der Maschine erleichtert wird, eine Vorrichtung, die anspricht, wenn der Gasgeneratorabschnitt eine vorbestimmte Drehzahl erreich^, um das Aufgeben von Strömungsmitteldruck an ein Ende des Bauteiles zu unterbrechen und eine Bewegung in die Normalstellung zu bewirken, wobei die Bewegung ergibt, daß der Düsenschaufelbetätiger die Düsenschaufeln auf einen Leistungsturbinenantriebswinkel einstellt, eine Vorrichtung, die auf die Leistungsturbinendrehzahl

anspricht, um Druckunterschiede an entgegengesetzten Enden des Servoventileinstellbauteiles zu erzeugen, damit eine Schaufelwinkeltrimmeinstellung im Schauf elbetätiger vorgenommen wird, um die G-asturbineneinlaßtemperatur zu steuern, und eine Vorrichtung, die durch die Drosselvorrichtung betätigbar ist, um die auf die Leistungsturbinendrehzahl ansprechende Vorrichtung unwirksam zu machen.

Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigen:

Pig. 1 eine graphische Darstellung des Düsenschaufelwinkels (/3 ) gegenüber dem Drosselwinkel (oc) zur Darstellung der Turbinendüsenpositionslogik der Anordnung,

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Fig. 2 eine schematische Ansicht einer Kraftmaschine mit Gasgenerator und Leistungsturbinenabschnitten sowie einen Leistungsturbinen-Düsenschaufelsteuersystem gemäß der Erfindung,

Fig. 3 eine schematische Ansicht von Einzelheiten des Mechanismus, der im Steuersystem vorliegender Erfindung verwendet wird, und

Fig. 4-, 5 und 6, 7 Detailschnittansichten, die Teile des Mechanismus in verschiedenen Stellungen während des Betriebes des Systems zeigen.

Die Positionslog/^ik der Leistungsturbinen-Düsenschaufeln ist in Fig. 1 so dargestellt, daß der Schaufelwinkel (Φ) in Abhängigkeit von dem Drosselwinkel (OC) aufgetragen ist* In dieser Fig· I wird die VinkelverSchiebung der Düsenschaufeln durch die vertikale Richtung dargestellt, während die Bewegung der Drossel durch die horizontale Richtung dargestellt wird. Der Bereich der Schaufeleinstellung während der Leistungsturbinenregelung wird durch die Linie A angezeigt. Der Bereich der Droaseleinstellung von Leerlauf bis Maximum wird durch die LinieB angegeben.

Der Buchstabe ¹¹S" bezeichnet eine Stelle zwischen der Länge der Linie A, bei der die Düsenschaufeln so angeordnet sind, daß sie dem Anlauf des Gasgeneratorabschnittes den geringsten Widerstand entgegensetzen. Zu diesem Zeitpunkt nimmt die Droeselvorrichtung eine Position ein, die einen Maschinenbetrieb bei Leerlaufdrehzahl ergibt, und die Gasfeeneratordrehzahl wird Null oder kleiner als die, bei der der Maschinenanlasser unterbricht. Wenn der Gasgenerator die Anlasser-Unterbrechungsdrehzahl erreicht hat, werden die Leistungeturbinen-Düsenschaufeln in eine iia wesentlichen geschlossene Stellung bewegt (angezeigt durch den Buch-? stäben "Ν" in der Nähe des oberen Endes der Linie A in Fig* I),

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damit die Auspuffgase von der Gasgeneratorturbine gegen die Schaufeln der Leistungsturbine gerichtet werden, um deren Drehung zu bewirken. Ist der Anlasser ausgefallen bzw. abgeschaltet, beschleunigt der Gasgenerator weiter, bis eine Drehzahl (etwa 50% <ier vollen Drehzahl) erreicht wird, die durch die Einstellung des Gasgeneratorreglers und der Drosselvorrichtung bestimmt ist. Aufgrund der vergrößerten Winkelstellung der Leistungsturbinen-Düsenschaufeln bewirkt die Beschleunigung des Gasgenerators auch eine Beschleunigung der Leistungsturbine. Zu diesem Zeitpunkt bewirkt ein auf den Regler ansprechender Mechanismus, der der Leistungsturbine zugeordnet ist, daß die Düsenschaufeln gegen die Offenstellung bewegt werden, damit eine Leerlaufdrehzahl der Leistungsturbine erzielt wird, bei der normale Lasten (wie sie z.B. durch Fahrzeugzubehör aufgegeben werden) betrieben werden können.

Die Kraftmaschine ist nunmehr in der Lage, die Leistungsturbine nutzbar zu betmben, die durch die Betätigung der Drosselvorrichtung (Leistungsturbinen-Drosselvorschubbewegung, dargestellt durch + OL ) gesteuert wird, um den auf den Leistungsturbinenregler ansprechenden Mechanismus außer Betrieb zu setzen und eine Leietungsturbinen-Düsenschaufel-Winkeltrimmvorrichtuag in Betrieb zu setzen, mit der der Leistungsturbinen-Düsenschaufelwinkel automatisch über einen Bereich eingestellt wird, der durch den gestrichelten Bereich zwischen zwei geneigten Linien dargestellt ist, die von dem Leerlaufdrosselwinkel zum maximalen Drosselwinkel verlaufen (angezeigt durch die Punkte X und X auf der horizontalen Linie B). Diese Schaufelwinkeltrimmein*ellung begrenzt die lurbineneinlaßtemperatur auf optimale oder sichere Werte während des Betriebes der Leistungsturbine.

Ist es nicht mehr erforderlich, durch die Leistungsturbine Leistung zu erzeugen, wird die Drosselvorrichtung in die Leerlaufstellung zurückbewegt, die automatische Schaufelwinkelvorrichtung wird außer Betrieb gesetzt uid der auf den Leistungsturbinenregler ansprechende Mechanismus erneut in Betrieb

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genommen. Dies hat zur Folge, daß die Leistungsturbinen-Düsenschaufeln über die Startposition auf das entgegengesetzte Ende des Einstelltereiehes (dargestellt durch den Punkt D auf der Linie A) zurückbewegt wErden,wobei die Gase aus dem Gasgenerator direkt gegen die Leistungsturbinenschaufeln in solcher Weise gerichtet werden, daß eine Verzögerung der Leistungsturbine und ein Maschinenbremseffekt auftreten.

Nachdem die Leistungsturbine in genügendem Maße verzögert worden ist, bewegt der auf den Le istungs turbinenregler ansprechende Mechanismus die Leistungsturbinen-Düsenschaufeln in eine Stellung, in der die Leistungsturbine bei Leerlaufgeschwindigkeit gehalten wird, wobei die durch die Zubehörteile aufgegebene Last betrieben wird. Die Maschine wird wiederum in den betriebsbereiten Zustand gebracht und der erneute Vorschub der Drosselvorrichtung leitet eine Wiederholung des vorstehenden Arbeitsspieles ein.

Unter Berücksichtigung vorstehender Ausführungen wird nachstehend das Steuersystem im einzelnen beschrieben.

In Fig. 2 gibt das Bezugszeichen 10 eine Gasturbinenmaschiae an, bei der das Steuersystem nach vorliegender Erfindung Anwendung findet, damit eine solche Maschine für den Betrieb von Automobilen oder anderen Fahrzeugen verwendet werden kann. Die Maschine 10 weist Gasgenerator- und Leistungsturbinenabschnitte 11 und 12 auf. Der Abschnitt 11 umfaßt Kompressor- und Turbinenteile 15 und 14-, die über eine Welle 15 gemeinsam drehbar sind. Der Kompressor 13 führt Luft durch den Einlaß 16 ein und gibt Luft unter Druck durch den Kanal 17 an eine Verbrennungseinrichtung 18, in der sie mit Brennstoff gemischt wird, der über ein Brennstoffsystem 20 zugeführt wird. Das Brennstoff-Luft-Gemisch wird in der Verbrennungseinrichtung 18 verbrannt und über die Leitung 21 zur Turbine 14- geführt, wo eine Drehung der Turbinenkompressorrotoranordnung des Gasgeneratorabschnittes erzielt wird. Die von der Turbine 14- abgegebenen Gase werden über die Leitung 22 in die Leistungsturbhe 25 des Maschinenabschnittes 12 geführt

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und verrichten dort Arbeit, z.B. treiben sie eine Last L durch Drehung der Welle 24 an. Die Arbeitsweise und die Leistung der Leistungsturbine werden teilweise von der Winkelstellung der ■ Leistungsturbinen-Düsenschaufeln (gestrichelte Linien 25 in Fig. 2) gesteuert. Um solche Düsenschaufeln abhängig von der gewünschten Betriebsart der Maschine einzustellen, ist das Turbinendüsensteuersystem nach vorliegender Erfindung vorgesehen worden. Das System ist in Fig. 2 allgemein mit 26 bezeichnet. Aus dieser Fig. 2 ergibt sich, daß eine Stoßstange 27 sich von dem Mechanismus des Steuersystems zum Leistungsturbinenabschnitt erstreckt, wo sie mit einer Zahnstange 28 gekoppelt ist, die mit einem Ritzel JO zusammenwirkt, um die Einstellung der Schaufeln 25 zu bewirken.

Fig. 3 zeigt, daß die Stange 27 mit dem Kolben Jl einerauf Strömungsmitteldruck ansprechenden Düsenschaufelbetätigungsvorrichtung 32 verbunden ist. Eine derartige Betätigungsvorrichtung und andere Teile des Steuermechanismus sind beispielsweise in einem Gehäuse 33 enthalten, das entsprechend den Erfordernissen des Herstellers ausgebildet sein kann. Die Betätigungsvorrichtung 32 spricht auf Strömungsmitteldruck unter Steuerung eines Servoventile« 34- sm., das bei 34A unter Federdruck steht und teilweise durch die Drosselvorrichtung 35 und- die Servoventilpositioniervarrichtung 36 eingestellt wird; letztere Vorrichtung wie auch andere Mechanismen, die weiter unten beschrieben werden, sprechen auf den Strömungsmitteldruck wahrend des Betriebes an. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist die Maschine 10 mit einer Pumpe 37 versehen, die von dem Gasgeneratorabschnitt 11 angetrieben wird und Strömungsmittel durch die Leitung 38 von der ölwanne 40 entnimmt und das System 26 über die Leitung 41 mit unter Druck stehendem Strömungsmittel versorgt.

Zur Einleitung des Betriebes der Maschine 10 ist ein Starfcerüiotor 42 mit einer Antriebsverbindung 43 vorgesehen. In einem Stromkreis 45 mit Batterie 46 und Sicherheitsendschalter 47

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ist ein Starterschalter 44- vorgesehen. Wird der Schalter 44- gedruckt, versetzt der Startermotor 42 die Kompressor- und Turbinenrot or anordnung in herkömmlicher Weise in Drehung. Der Kompressor gibt komprimierte Luft in die Verbrennungseinrichtung und Brennstoff aus dem Brennstoffsystem wird mit der Luft gemischt und verbrannt} die dabei entstehenden heißen Gase strömen zur Turbine und treiben die Turbine an. Wenn die Gasgenerator-Rotoranordnung eine Drehzahl erreicht, bei der der Betrieb sich selbst aufrechterhält (etwa 35% cLer vollen Drehzahl) öffnet ein Fliehkraftregler 48 (Vgl. Fig. 3)> der von dem Gasgenerator angetrieben wird, einen Schalter 50 im Stromkreis 45, wodurch wiederum der Starterschalter 44 geöffnet und der Stromfluß zum Startermotor 42 unterbrochen wird. Der Schalter 50 kann als Gasgeneratorstarteter-Abfallschalter ausgelegt sein. Der Gasgenerator beschleunigt weiter bis auf Leerlaufdrehzahl (etwa 50% der vollen Drehzahl) die durch die Einstellung der Hegler- und Drosselvorrichtung 51 bestimmt ist. Das Brennstoffsystem kann so ausgebildet sein, wie z.B. in der US-Anmeldung 338*022 vom 5· März 1973 beschrieben und dargestellt.

Wie vorstehend bereits erwähnt, weist die Maschine 10 verschiedene erwünschte Betriebsarten auf, bei denen die Düsenschaufeln der Leistungsturbinen unterschiedliche Stellungen einnehmen. Beispielsweise sind ..während der AnI auf phase des Gasturbinenabschnittes die Leistungsturbinen-Düsenschaufeln in ihrer öffenstellung zwischen ihrer vollen Winkeleinstellung, so daß der Gasgeneratorturbinendrehung der geringste Widerstand entgegengesetzt wird. Das Steuersystem nach vorliegender Erfindung bringt die Düsenschaufeln automatisch in eine solche Stellung, wenn die Maschinenanlaufphase eingeleitet wird.

Aus Fig. 3 ergibt sich, daß der Mechanismus des Systems 26 die Betätigungsvorrichtung 32, das Servoventil 34, das den Druck des Strömungsmitteletflusses zur Betätigungsvorrichtung und aus dieser über Kanäle 51 und 52 steuert, den Servoventileinstell-

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korben 36 und eine Kopplungsvorrichtung 53 zur Übertragung der Bewegung von dem Kolben 36 und einem drosselbetätigten Nockenelement 54- zum Servoventil aufweist. Die Verkettungsvorrichtung überträgt ferner eine Bewegung von dem Betätigerkolben 31 zum Servoventil entsprechend der üblichen Rückkopplung.

Die Servoventileinstellvorrichtung 36 ist so ausgebildet, daß der Kolben, der in einer zylindrischen Kammer 55 im Gehäuse 33' verschiebbar angeordnet ist, hohl ist. Ein Ansatz 56 erstreckt sich von dem .Gehäuse in das Innere des Kolbens und ist mit im Abstand versetzten Köpfen 57 und 58 versehen. Zwei Ringe 60 und 61 umgeben den Ansatz 56 zwischen den Köpfen, die Ringe sind an den Enden einer Feder 62 angeordnet, und die Feder drückt die Ringe gegen die Köpfe 57 und 58· ^i^e Innenwand des Kolbens weist Schultern 63 und 64- zum Eingriff mit den Ringen in der Weise auf, daß die Feder nachgiebig der Bewegung des Kolbens aus einer vorbestimmten Normalstellung in der zylindrischen Kammer entgegenwirkt. Die Federanordnung verschiebt den Kolben 36 in eine solche Normalstellung, wenn die Drücke an den Enden des Kolbens abgeglichen sind. Die Anordnung ermöglicht eine Bewegung des Kolbens in der einen oder anderen Richtung in Abhängigkeit von Strömungsmitteldruckunterschieden an den entgegengesetzten Enden. Um den Kolben 36 eine Bewegung zu erteilen, wird Strömungsmittel unter Druck dem einen oder anderem Ende der Kammer 55 über den Kanal 65 oder 66 zugeführt; in diesen Kanälen sind Ventile 67, 68 vorgesehen, die die Verbindung mit der Leitung 4-1 von der Pumpe 37 oder der Leitung 7° zur ölwanne 40 steuern.

Der Kanal 65 steht mit dem oberen Ende der Kammer 55 in Verbindung und führt zu einer Kammer 71? die. das Ventil 67 enthält. Die Leitungen 41 und 70 sind mit der Kammer 7I verbunden, das Ventil 67 ist auf einen Sitz an der Verbindungsstelle mit der Leitung 4-1 über eine Feder 72 vorgespannt. Das Ventil 67 kann . gegen die Kraft der Feder 72 in Eingriff mit einem zweiten Sitz

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verschoben werden, damit die Verbindung zwischen Kammer 71 und Leistung 70 unterbrochen wird. Wenn die Gasgeneratorabschnittsturbine nicht oder mit einer Drehzahl kleiner als der Anlasserabfalldrehzahl umläuft, halten ein unter Federdruck stehender Hebel 73 und der Bolzen 74, der von dem Hebel beaufschlagt wird, das Ventil 6γ gegen den zweiten Sitz, damit ein Fluß von der Kammer 71 zur Wanne verhindert wird. In dieser Stellung ermöglicht das Ventil 67 einen Fluß von der Druckleitung 41 durch den Kanal 65 zum oberen Ende der Kammer 55· Das Aufgeben dss Strömungsmitteldruckes in dieser Weise bewirkt, daß der Kolben 36 sich in einer Richtung nach abwärts bewegt und Strömungsmittel im unteren Ende der Kammer 55 durch den Kanal 66, durch die Ventilkammer 75 zur Leitung 70 über den Sitz 76 abgegeben wird. Das Kugelventil 68 in der Kammer 75 ist normalerweise gegen den Sitz 76 durch eine Feder 77 versetzt, die das Ventil nachgiebig in Eingriff mit einem Sitz 78 hält, der eine mit der Druckleitung in Verbindung stehende Öffnung umgibt.

Die Abwärtsbewegung des Kolbens 36 wird durch die Gelenkverbindung 53 mit dem Servoventil 34- übertragen, wodurch eine Verbindung zwischen der Druckmittelleitung 41 und dem Kanal 52 aufgebaut wird, die zum unteren Ende des Schaufelbetätigers 32 führt. Eine Verbindung wird auch durch das Servoventil zwischen dem oberen Ende des Betätigers 32 über den Kanal 51 und das Innere des Gehäuses 33 und der Leitung 70 aufgebaut. Der Zustrom von Druckmittel zum unteren Ende des Betätigers 32 bewirkt, daß der Kolben 31 sich nach oben verschiebt, diese Bewegung wird über die Stange 27, die Zahnstange 28 und das Ritzel 30 auf die Düsenschaufeln übertragen, damit diese gegen die Offenstellung bewegt werden, in der eine freie Drehung der Gasgeneratorturbine am wenigsten behindert wird. Auf diese Weise wird das Anlassen des Gasgeneratorabschnittes vereinfacht..

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Aufgrund der Gestängeanordnung 53 wird eine Bewegung des Betätigerkorbens 31 in das Servoventil zurückgeführt, wodurch das Servoventil geschlossen und die Betätigerkolbenverschiebung nicht mehr weiter fortgesetzt wird. Der Betätigerkorben bewegt sich solange, wie der Servoventil- Einstellkolben 36 sich verschiebt.

Um die Betätigungsvorrichtung anzuhalten, wenn die Düsenschaufeln in der optimalen Gasgeneratoranlaufstellung sind, führt ein Kanal 80 von einer vorbestimmten Stelle in der Wand der Kammer 55 zu einem "Ventilsitz 81, der in Deckung mit einem Kugelventil 82 steht, welches mit dem Hebel 73 verschiebbar angeordnet ist. Der Sitz 81 mündet in das Innere eines Teiles des Gehäuses 33» das mit der Leitung 70 i¹¹ Verbindung steht. Wenn die Gasgenratorturbinendrehzahl kleiner als die Anlasserabschaltdrehzahl ist, ist das Ventil 82 immer von dem Sitz 81 versetzt. Wenn somit das obere Ende des Kolbens 36 das kammerseitige Ende des Kanales 80 freigibt, wird eine Abwärtsbewegung des Kolbens 36 angehalten und die Leistungsturbinen- Düsenschaufeln werden in der optimalen Stellung für den Gasgeneratorturbinenanlauf gehalten. Wenn die Gasgeneratorturbine eine Anlasserabschaltdrehzahl erreicht hat, verschiebt der Fliehkraftregler 48 den Hebel 73» wodurch das Ventil 82 in Eingriff mit dem Sitz 81 kommt, und der Kanal 80 geschlossen wird. Eine derartige Bewegung des Hebels 73 gewährleistet auch, daß die leder 72 das Ventil 67 so verschiebt, daß eine Verbindung zwischen dem Kanal 65 und der Leitung 70 hergestellt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird das obere Ende der Kammer 55 entlüftet, wodurch der Druck an entgegengesetzten Enden des Kolbens 36 ausgeglichen wird. Ein derartiger Druckausgleich an den Enden des Kolbens 36 ermöglicht, daß die Feder 62 den Kolben in seine normale Stellung verschiebt.. Diese Bewegung bewirkt eine Aufwärtsbewegung des Servoventiles, damit Druckmedium an das obere Ende der Betätigungsvorrichtung 32 geben und das untere Ende belüftet wird, damit eine Verbindung zwischen dem Kanal 52 und der

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Leitung 70 hergestellt wird. Der Kolben 31 bewegt dann die Düsenschaufeln in eine Stellung, in der die Auspuffgase aus der Gasgeneratorturbine gegen die Leistungsturbinenschaufeln gerichtet werden, damit der Leistungsturbine und der Welle 24- eine Drehbewegung erteilt wird.

Bach dem Anlasserausfall beschleunigt sich die Gasgeneratorturbine weiter, bis sie die "Leerlaufdrehzahl" (die etwa 50% der vollen Drehzahl trägt) erreicht hat. Die Drosselvorrichtung fordert während des Startens und zu diesem Zeitpunkt "Leerlauf-Betriebsbedingungen.

Wenn die Maschine in der "Leerlaufphase" arbeitet, kann ein auf den Leistungsturbinenregler ansprechender Ventilmechanismus 83 einen Strömungsmitteldruck auf die Servoventileinstellvorrichtung aufgeben, damit der Betätiger die Leistungsturbinen- Düsenschaufeln in die Offenstellung einstellt, um die Leistungsturbinendrehzahl zu begrenzen. Der Mechanismus 83 weist ein Kugelventil 84· auf, das in einer Kammer 85 an einer Stelle längs des Kanales 65 angeordnet ist. Die Kammer 85 weist Ventilsitze 86 und 87 auf, zwischen denen das Ventil 84- verschäumbar ist. Eine Feder 88 drückt normalerweise das Ventil 84- gegen den Sitz 86, der mit der Druckmittelleitung 4-1 in Verbindung steht. Durch Eingriff des Ventiles 84- mit dem Sitz 86 wird ermöglicht, daß der Kanal 65 eine Verbindung zwischen dem oberen Ende der Kammer 55 und der das Ventil 67 enthaltenden Kammer herstellt. Wenn die Gasgeneratordrehzahl über die Anlasserabschaltdrehzahl gestiegen ist, ist die Kammer 55 üblicherweise mit der Leitung 70 verbunden. Der Mechanismus weist ferner eine Vorrichtung zur Verschiebung des Ventiles 84 entgegen der Kraft der Feder 88 auf, damit Strömungsmittel unter Druck der Kammer 85 und möglicherweise dem oberen Ende der Kammer 55 zur Aufgabe an den Kolben 36 zugeführt wird. Die Lage des Ventiles 84- in bezug auf die Sitze 86 und 87 bestimmt den Druck in der Kammer 85. Um das Ventil 84- in Abhängigkeit von der Drehzahl der Leistungsturbine zu verschieben, ist letztere mit.einem

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Regler 90 versehen, der Strömungsmittel aus der Pumpe 37 zugeführt wird. Eine Strömungsmittelmenge proportional der Drehzahl der Leistungsturbine wird von dem Regler 90 (vgl. Figur 2) über den Kanal 91 an eine Membrankammer 92 (vgl. Figur 3) des Mechanismus 83 geführt. Dieses Druckmedium wird einer Membran 93 aufgegeben, um eine Anpassungsvorrichtung 94- entgegengesetzt zu der Kraft einer Feder 95 zu verschieben. Die Anpassungsvorrichtung enthält einen Kolbenkopf 96» der am Ende einer Stoßstange 97 ausgebildet ist, die axial mit dem Ventil 84 ausgerichtet ist. Eine Feder 98 ermöglicht bei Bedarf eine Relativbewegung zwischen dem Kopf 96 und der. Anpassungsvorrichtung 94-· Wenn die Drosselvorrichtung in "Leerlaufstellung" steht, wird ein ausreichender Strömungsmitteldruck, der der Membran 93 aufgegeben wird, das Kugelventil 84- von dem Sitz 86 zum Sitz 87 bewegen,, wodurch Strömungsmedium unter Druck dem oberen Ende des Kolbens 36 aufgegeben werden kann. Dieser Druck bewegt den Kolben 36 nach abwärts und bewirkt eine Verschiebung des Ventiles 34- und infolgedessen eine Verschiebung der Leistungsturbinenschaufel gegen die Offenstellung , wodurch die Leistungsturbinendrehzahl reduziert wird. Das Ausmaß der Einstellung der Leistungsturbinen- Düsenschaufeln wird offensichtlich durch die Drehzahl der Leistungsturbine bestimmt. Eine Verringerung der Leistungsturbinendrehzahl reduziert den der Membran 93 aufgegebenen Druck, und die Feder 95 kann den Stab 97 nach links verschieben, wie in Figur 3 S^ezeigt, wodurch das Ventil 84 sich auf den Sitz 86 zu und von dem Sitz 87 wegbewegen kann. Diese Bewegung läßt einen Teil des Druckmittels aus dem oberen Ende der Kammer 55 heraus, damit der Kolben 36 sich nach oben bewegen kann, was wiederum das Servoventil nach oben bewegt und eine Abwärtsbewegung der Betätigungsvorrichtung und eine Einstellung der Leistungsturbinen- Düsenschaufeln in Schließrichtung ergibt. Somit wird zusätzliche Energie aufgegeben, damit die Leistungsturbinendrehzahl wiederum erhöht wird.

Der vorbeschriebene Ablauf tritt ein, während die Drosselvorrichtung die "Leerlaufstellung" einnimmt und die Maschine in Leerlauf -

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"betrieb oder in betriebsbereitem Zustand arbeitet.

Wenn eine Antriebskraft ausgeübt werden soll (Maschinenbeanspruclmogs zyklus) wird die Drosselvorrichtung vorgestellt, damit mehr Brennstoff in den Gasgenerator eingeführt wird und er beschleunigt wird. Offensichtlich bewirkt die Zunahme der Gasgenerator- Auspuffgasabgabe, daß der Leistungsturbine mehr Energie zugeführt und sie beschleunigt wird. Um zu verhindern, daß der Mechanismus 83 den Düsenschaufelwinkel aufgrund dieser Leistungsturbinenbeschleunigung verändert, wird die Vorstellbewegung der Drossel über Stäbe und Hebel 99 auf einen Finger 100 übertragen, der den auf den Leistungsturbinenregler ansprechenden Ventilmechanismus 83 außer Betrieb nimmt. Eine Bewegung des Fingers 100 wird über den Bund 101 auf die Stange 97 übertragen, wodurch sie nach links in Figur 3 bewegt wird; dadurch kommt ein Kugelventil 84- in Eingriff mit dem Sitz 86. Eine solche Bewegung des Ventiles 84 legt den Sitz 87 frei und entlüftet den Raum in der Kammer 85 oberhalb des Kolbens 36. Wenn ein solcher Kolben dann nicht seine Normal stellung einnimmt, bewegt er sich automatisch in eine solche Stellung, wodurch die Leistungsturbinen- Düsenschaufeln sich auf diesen Winkel zu bewegen, damit eine maximale Leistung erzeugt wird. Da ein Vorstellen der Drossel die Brennstoffmenge zur Gasgeneratorturbine und damit die Heißgasmenge vergrößert, die dadurch abgegeben wird, können die Leistungsturbinen- Düsenschaufeln in einer Öffnungsrichtung eingestellt werden, damit eine maximale Ausnutzung der Energie möglich ist und verhindert wird, daß zu hohe Temperaturen an der Turbine auftreten. Um dies zu erreichen, ist das ITockenelement 54- so ausgelegt, daß es den Teil 53-A- cLer Gelenkverbindung 53 in Abwärtsbewegung (+ c* ) verschiebt, wobei diese Bewegung über den Teil 53B zum Teil 53G und zum Servoventil 34· übertragen wird. Diese Bewegung gibt ein Druckmedium auf die Unterseite des Kolbens 31 auf, bewirkt eine Aufwärtsbewegung des Kolbens und infolgedessen eine Öffnungsbewegung der Düsenschaufeln. Wie weiter oben ausgeführt, wird die Bewegung des Kolbens 31 über den Gelenkverbindungsteil 53C zum Ventil 34· zurückgeführt, damit das Ventil

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geschlossen und das Aufgeben von Druckmedium auf die Betätigungsvorrichtung unterbrochen wird, wenn die Steuerbewegung der Einstellvorrichtung (entweder Nocken 54 oder Kolben 36 oder beides ) unterbrochen wird.

Die Vorstellverschiebung der Drosselvorrichtung schließt auch einen Schalter 103, der in einen Stromkreis 104 eingeschaltet ist, welcher ein Stromstoßsolenoid IO5 aufweist. Der Anker dieses Solenoids ist mit dem Ventil 68 in der Kammer 75 verbunden. Das Solenoid 105 pulsiert entweder oder "zittert" bei einer Frequenz proportional der Drehzahl der Leistungsturbine, wie sie durch einen Monopolgenerator 102 festgelegt wird, oder proportional der Temperatur der Gase am Turbineneinlaß, wie sie durch eine Abfühl vorrichtung 102A (Figur 2) festgestellt wird. Dieses wMerholte Öffnen und Schließen des Ventiles 68 führt abwechselnd dem unteren Ende der Kammer 55 Druckmedium zu und ab, damit ein gesteuerter Druck auf die Unterseite des Kolbens 36 aufgebracht wird. Da das obere Ende der Kammer 55 nun gelüftet ist, bewegt der dem unteren Ende des Kolbe'ns 36 aufgegebene Druck den Kolben nach oben und bewirkt eine entsprechende Verschiebung des Servoventiles, was eine Abwärtsbewegung des Betätigerkolbens und eine ,Schließbewegung der Leistungsturbinen- Düsenschaufeln zur Folge hat. Eine derartige Verschiebung während des Teildrosselbetriebes ermöglicht einen Turbineneinlaßtemperaturabgleich. Das Ausmaß der Temperaturabgleichbewegung des Kolbens 36 wird durch eine einstellbare AnschlagsclTaube 106 begrenzt, die in die obere Wand der Kammer 55 eingeschraubt ist. Zweck dieser Teildrossel- Turbinentemperatur steuerung ist, die Auspuffgasemissionen zu steuern und Brennstoff zu sparen.

Nach Erfüllung der Leistungsanforderung öffnet die Rückkehr der Drosselvorrichtung in die Leerlaufstellung den Schalter 103 und schaltet das Solenoid 105 ab. Die Feder 77 verschiebt das Kugelventil 68 in Eingriff mit dem Sitz 78 und unterbricht die Zuführung von Druckmedium zum unteren Ende der Kammer 55· Das untere Ende der Kammer wird dann in die Leitung 70 entlüftet. Die Rückführung

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Die Rückführung der Drosselvorrichtung in die Leerlaufstellung bewegt auch den Finger 100 von dem Bund 101 weg, wodurch die Stange 97 das Kugelventil 84 vom Sitz 86 auf den Sitz 87 verschieben kann. Das Druckmedium kann dann dem oberen Ende des Kolbens 36 aufgegeben werden, damit der Kolben nach abwärts bewegt wird; eine derartige Bewegung wird über die Gelenkverbindung 53 auf das Servoventil 34- übertragen. Wie vorstehend erläutert, führt die Abwärtsbewegung des Ventil es 34- Druckmedium an das untere Ende der Betätigungsvorrichtung 32, die eine Aufwärtsbewegung des Kolbens 31 bewirkt. Eine derartige Verschiebung ergibt, daß die Düsenschaufeln sich von der Leistungsturbinen- Antriebsstellung über die volle Offen- oder Startstellung in eine Stellung bewegen, in der die Gase gegen die Leistungsturbinenschaufeln gerichtet sind, damit einer Vorwärtsdrehung ein Widerstand entgegengesetzt wird. Dies ergibt eine Verzögerung der Turbine und ein Bremsen der Maschine. Das Ausmaß der Verschiebung des Kolbens in Abwärtsrichtung zur Erzielung einer Verzögerung und einer Maschinenbremsung wird durch eine Anschlagschraube 107 begrenzt, die einstellbar von der unteren Endwand der Kammer 55 aufgenommen wird. Nach einer Verzögerung der Maschine auf eine Drehzahl, die durch die Einstellung des Reglers 90 und die Kraft der Feder 95 bestimmt wird, wird der Druck des Strömungsmediums, der dem oberen Ende des Kolbens 36 aufgegeben wird, moduliert, damit der Kolben sich zurück in die Kormalstellung bewegen kann. Diese Bewegung stellt die Leistungsturbinen- Düsenschaufeln so ein, daß die Maschine wieder in den Leerlaufbetrieb gebracht wird. Wenn während der Verzögerung Energie plötzlich angefordert wird, kann die Drosselvorrichtung so vorgestellt werden, daß sie die Verzögerung unterbricht und die Düsenschaufeln auf einen Leistungsturbinen- Antriebswinkel einstellt. Das Vorstellen der Drossel schaltet erneut das Solenoid und die Schaufelwinkeltrimmvorrichtung ein. Die Größe des Turbinentemperaturabgleich.es kann dabei durch eine Stellschraube 108 gesteuert werden, die in das Gehäuse 33 in Übereinstimmung mit dem oberen Ende des Gelenkteiles 53B eingeschraubt ist.

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Claims

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Patentansprüche

Steuereinrichtung für die Düsenschaufeln eines Leistungsturbinenabschnittes für eine Maschine mit Gasgenerator- und Leistungsturbinenabschnitten mit Drosselvorrichtungen, gekennzeichnet durch

a) ein auf Strömungsmitteldruck ansprechendes Düsenbetätiger bauteil,

b) eine Servoventilvorrichtung, die das Aufgeben des Strömungsmittel druckes auf das Betätigerbauteil steuert,

c) eine Servoventileinstellvorrichtung mit einem beweglichen Bauteil, das nachgiebig gegen eine vorbestimmte Normalstellung vorgespannt ist und das bei Strömungsmitteldruck-unterschieden an entgegengesetzten Enden verschiebbar ist,

d) eine Gelenkverbindung, die das bewegliche Bauteil der Ventileinstellvorrichtung mit der Servoventilvorrichtung und dem Betätigerbauteil verbindet,

e) ein Element, das einen Teil der Gelenkverbhdung und der Drosselvorrichtung der Maschine beaufschlagt, wobei das Element dem Servoventil eine vorbestimmte Bewegung erteilt, wenn die Drosselvorrichtung bewegt wird,

f) eine Vorrichtung, die anspricht, wenn die Drehzahl

des Gasgeneratorabschnittes unter einen vorbestimmten Wert fällt, damit ein Strömungsmitteldruck auf ein Ende des Bauteiles aufgegeben wird, um letzteres in eine Stellung zu bewegen, in der die Leistungsturbinen-Düsenschaufeln einen Zustand einnehmen, in welchem ein Anlassen der Maschine erleichtert wird,

g) eine Vorrichtung, die anspricht, wenn der Gasgeneratorabschnitt eine vorbestimmte Drehzahl erreicht, um das Aufgeben von Strömungsmitteldruck an ein Ende des Bauteiles

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zu unterbrechen und eine Bewegung in die Normalstellung zu bewirken, wobei die Bewegung bewirkt, daß der Düsenschaufelbetätiger die Düsenachaufelη auf einen Leistungsturbinenantriebswinkel einstellt,

h) eine Vorrichtung, die auf die Leistungsturbinendrehzahl anspricht, um Druckunterschiede an entgegengesetzten Enden des ServoVentileinstellbauteiles zu erzeugen, damit dem Schaufelbetätiger eine Schaufeltrimmeinstellung erteilt wird, um die Gasturbineneinlaßtemperatur zu steuern, und i) eine Vorrichtung, die von der Drosselvorrichtung betätifcar ist, um die auf die Leistungsturbinendrehzahl ansprechende Vorrichtung unwirksam zu machen.
2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Bauteil der Servoventileinstellvorrichtung ein Kolben ist.
3. Steuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben in einer zylindrischen Kammer hin- und herbewegbar ist und daß eine Vorrichtung vorgesehen ist, die Strömungsmittel unter Druck wenigstens einem Ende der Kammer aufgibt und Strömungsmitteldruck von wenigstens einem Ende der Kammer abnimmt, und zwar zu vorbestimmten Zeiten, die durch Leistungsturbinendrehzahlen gesteuert werden.
4. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch

gekennzeichnet, daß die auf vorbestimmte Bewegungen der

¹ echende

Motordrossel vorrichtung anspr jssJartfjcx&tac Vorrichtung, die Strömungsmitteldruck aufgibt und abnimmt, wirksam und unwirksam macht.

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5. Steuereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Federanordnung vorgesehen ist, die den Kolben in die vorbestimmte Normalstellung vorspannt, wenn der Strömungsmitteldruck von den Enden der Kammer abgenommen wird.
6. Steuereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben hohl ist und daß die Federanordnung im Kolben angeordnet ist.
7. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Aufgeben von Strömungsmitteldruck auf ein Ende des beweglichen Bauteiles dann, wenn die Gasgeneratarabschnittdrehzahl unterhalb eines vorbestimmten Wertes liegt, Strömungsmitteldruckeinlaß- und -auslaßkanäle sowie eine Ventilvorrichtung darin aufweist, um die Kanäle in Abhängigkeit von der Drehzahl des Gasgeneratorabschnittes der Maschine zu öffnen und zu schließen.
8. Steuereinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zur Betätigung des Ventiles in den Einlaß- und Auslaßkanälen einen vom Gasgenerator betätigten Regler und eine Vorrichtung zur Übertragung der Bewegung von dem Regler auf die Ventilvorrichtung aufweist.
9. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Leistungsturbinendrehzahl ansprechende Vorrichtung zur Erzeugung von Druckunterschieden an entgegengesetzten Enden des Servoventileinstellbauteiles Strömungsmitteldruckeinlaß- und -auslaßkanäle sowie eine Ventilvorrichtung darin aufweist, um solche Kanäle in Abhängigkeit von der Drehzahl des Leistungsturbinenabsdmittes der Maschine zu öffnen und zu schließen.

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10. Steuereinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zur Betätigung der Ventilvorrichtung in den Einlaß- und Auslaßventilen vorgesehen ist, wobei die Betätigungsvorrichtung einen von der Leistungsturbine betätigten Regler sowie eine vom Regler beeinflußte Vorrichtung zur Betätigung wenigstens eines Teiles der Ventilvorrichtung aufweist.
11. Steuereinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung so ausgelegt^ist, daß sie durch eine vorbestimmte Bewegung der Drosselvorrichtung betätigbar ist, damit die Ventilbdätigsvorrichtung unwirksam gemacht wird.
12. Steuereinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Betätigung der Ventilvorrichtung in den Einlaß- und Auslaßkanälen eine auf Strömungsmitteldruck ansprechende Vorrichtung sowie eine weitere Vorrichtung aufweist, die von dem durch die Leistungsturbine betätigten Regler gesteuert wird, damit der auf Strömungsmitteldruck ansprechenden Vorrichtung ein Strömungsmitteldruck in Abhängigkeit von der Drehzahl des Leistungsturbinenabschnittes der Maschine aufgegeben wird.
13. Steuerenrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrisch ansprechende Vorrichtung vorgesehen ist, um einen weiteren Teil der Ventilvorrichtung zu betätigen.
14. Steuereinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung durch eine vorgegebene Bewegung der Drosselvorrichtung betätigbar ist, um die von dem Leistungsturbinenregler gesteuerte Vorrichtung und die elektrisch ansprechende Vorrichtung unwirksam zu machen.

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15. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung vorgesehen ist, die das Ausmaß der Bewegung des Servoventileinstellbauteiles bei dem Schaufelwinkel trimmeinstellbetrieb begrenzt.

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