DE2557596C3 - Einrichtung zum Fördern von Brennstoff bei einer Gasturbinenanlage - Google Patents
Einrichtung zum Fördern von Brennstoff bei einer GasturbinenanlageInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Fördern von Brennstoff bei einer Gasturbinenanlage für
den Antrieb von Kraftfahrzeugen, mit einer ersten, zweiten und dritten drehbaren Welle, wobei die erste
Welle drehbar mit einer ausgewählten Antriebsquelle gekoppelt ist, einem Differentialgetriebe, das mit
entsprechenden Enden der ersten, zweiten und dritten Welle verbunden ist und das von der ersten Welle
antreibbar ist, und einer Hydraulikpumpe mit einer Fördermenge proportional ihrer Drehzahl, wobei die
Hydraulikpumpe durch die dritte Welle antreibbar ist.
Konventionelle Brennstoffördereinrichtungen bestehen aus einer Brennstoffpumpe und einer Vorrichtung
zur Steuerung der Brennstoffabgabe an den Motor. Diese Funktionen werden häufig durch eine Brennstoffpumpe
mit positiver Verdrängung, die über das Motorgetriebe angetrieben wird, ein Durchflußsteuerventil,
das den Brennstoffdurchsatz zum Motor verändert, und ein Druckentiastungsventil, das überschüssigen
Brennstoff zum Pumpeneinlaß zurückführt, erreicht Das herkömmliche hydromechanische Brcnnstoffdurchsatzsteuerventil
ist jedoch sowohl kompliziert als auch aufwendig.
Aus der US-PS 26 69 093 ist eine Einrichtung zum
ίο Fördern von Brennstoff bei einer Gasturbinenanlage
bekannt. Ein Planetengetriebe-Steuermechanismus ergibt eine Leistungsabgabe in Abhängigkeit von der
Turbinendrehzahl und eine Bezugsdrehzahl, die von einem Hydraulikmotor bestimmt wird. Eine von der
Gasturbinenwelle angetriebene Brennstoffpumpe mit veränderlicher Brennstoffördermenge spricht auf einen
Ausgang des Steuermechanismus an. um eine sich ändernde Brennstoffördermenge zur Turbine zu erzielen.
Eine derartige Einrichtung ist ebenfalls kompliziert und mag für die Verwendung in Flugzeugen geeignet
sein, für die sie ausgelegt ist; sie ist jedoch bei der Massenproduktion von Kraftfahrzeugen praktisch nicht
anwendbar.
Des weiteren ist aus der CH-PS 4 08 538 eine Einrichtung zum Fördern von Brennstoff bei einer
Gasturbinenanlage bekannt, die eine Brennstoffpumpe aufweist, deren Fördermenge über die Pumpendrehzahl
geregelt werden kann. Hierbei handelt es sich jedoch um eine herkömmliche Brennstoffsteuerung für Nachbrenner
mit Druckänderungsreglern an Zumeßventilen. Weiterhin ist aus der DE-AS 10 31058 eine
Einrichtung zum Fördern von Schmieröl bei einer Gasturbinenanlage bekannt, bei der die Schmierölpumpe
über ein Differentialgetriebe angetrieben ist. Der Antrieb der Schmiermittelpumpe erfolgt dabei durch
zwei Läufer über das Differentialgetriebe in solcher Weise, daß während eines Anlaufes der Hochdruckrotor
die Pumpe und bei einem Aussetzen der Flamme der mit dem Propeller verbundene Schmiermittelpumpenrotor
die Pumpe antreibt, um eine ausreichende Schmierung zu erhalten.
Schließlich ist aus der US-PS 14 03 658 ein Differentialgetriebe mit einem Getriebeeingang und zwei
Ausgängen bekannt, wobei ein Ausgang mit einer elektrischen Maschine verbunden ist. die als Wirbel
Stromkupplung bzw. als Wirbelstrombremse wirkt, wodurch die Drehzahl des anderen Getriebeausganges
geregelt werden kann.
Ein wesentliches Problem beim Betrieb von mit Gasturbinen angetriebenen Kraftfahrzeugen liegt in
den unterschiedlichen Betriebscharakteristiken der Turbinen im Gegensatz zu herkömmlichen Antrieben.
Für den Betrieb eines mit Gasturbinen angetriebenen Kraftfahrzeuges soll keine größere Erfahrung notwendig
sein als für konventionelle Kraftfahrzeuge, und zweckmäßigerweise sollen die Steuerungs- und Bedienungseigenschaften
für den Fahrer etwa die gleichen sein.
Eines der Hauptziele einer Gasturbinensteueranlage für Kraftfahrzeuge besteht darin. Bedienungseigenschaften
zu erzielen, die ähnlich denen sind, die bei Verbrennungsmotoren auftreten. Hierzu bekannte Vorschläge
haben jedoch meist den Nachteil, daß die Turbinenmotorsteuerung durch das Vorhandensein
zweier Freiheitsgrade, nämlich Brennstoffdurchfluß und Turbinendüsenorientierung bestimmt ist, im Gegensatz
zu dem einzigen Freiheitsgrad bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren.
Die Anforderungen an die Motorsteuerung im stationären Zustand können in zwei Bereiche der
Brenn*.toffdurchsatzregelung und Düseneinstellsteuerung
unterteilt werden, die den beiden Freiheitsgraden entsprechen. Die Forderung reduziert sich auf das ϊ
Eingeben einer bestimmten Brennstoifördermenge und die Einstellung der Düsenposition, um eine optimale
Motorleistung zu erzielen. Die Brennstoffördermenge wird im wesentlichen durch den Fahrer des Fahrzeuges
bestimmt, wobei die Steuerung eine Begrenzungsfunktion in bezug auf den Brennstoffbedarf durch den Fahrer
durchführt. Hierzu kann eine Anordnung mit offener Schieile gewählt werden, wobei die abgegebene
Brennstoffördernenge eine direkte Funktion der Gaspedalstellung ist. Die charakteristischen Eigenschaften
einer regenerierten Maschine sind so beschaffen, daß eine wesentliche Verzögerung zwischen der
Brennstoffdurchsatzstörung und der Erzielung der Drehzahl im stationären Zustand des Gasgenerators
vorhanden ist Da die Gasgeneratordrehzahl direkt auf die Maschinenleistung bezogen ist, kann diese Verzögerung
wesentliche Probleme für den Fahrer ergeben, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit stabilisiert wird.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es somit, das Ansprechen von mit Gasturbinenanlagen betriebenen
Kraftfahrzeugen auf den Brennstoffleitungsdrosselbetrieb zu verbessern.
Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß eine Brems- b/w. Antriebsvorrichtung, die mit der
zweiten Welle mehr oder weniger stark gekoppelt ist, und eine elektrische Steuervorrichtung für den Kopplungsgrad
zwischen der zweiten Welle und der Bremsbzw. Antriebsvorrichtung zur Steuerung der Drehzahl
der dritten Welle und damit der Brennstoffördermenge der Hydraulikpumpe vorgesehen ist.
Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Mit dem erfindungsgemäßen Vorschlag wird erreicht, daß die Brennstoffördermenge in direkter Abhängigkeit
von der Maschinendrehzahl über die Eingangswelle ίο
gesteuert und die Steuerfunktion durch den Steuermechanismus ausgeübt wird, der mit der der Brems- bzw.
Antriebsvorrichtung zugeordneter. Welle gekoppelt ist: dabei wird eine gesteuerte Bremsfunktion, nämlich
entweder ein Bremsen oder ein Beschleunigen erzielt. Die erfindungsgemäße Einrichtung ist besonders einfach
im Aufbau, zuverlässig und wirtschaftlich im Betrieb und hat sich für den Einsatz in mit
Gasturbinenanlagen angetriebenen Kraftfahrzeugen bewährt.
Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen
erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Brennstolfördereinnchtung
gemäß der Erfindung,
Fig. 2 ein kombiniertes schematisches Blockichaltbild
einer abgeänderten Ausführungsform der Einrichtung nach Fig. 1,
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung, un·"!
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Einrichtung 10 mit einer Hydraulikpumpe 12, vorzugsweise einer
Verdrängungspumpe, und einer Brems- bzw. Antriebsvorrichtung 14, die als elektromagnetische Bremse
dargestellt ist, gezeigt; beide sind über ein Differentialgetriebe 16 herkömmlicher Bauart mit einer ersten
Welle 18 (Eingabewelle), einer zweiten Welle 20 und einer dritten Weile 22 (Abgabewelle) gekoppelt. Die
Hydraulikpumpe 12 ist mit einer Zündvorrichtung 24 verbunden, die so ausgelegt sein kann, daß sie den
Bre.instoffdurchfluß direkt beim Durchgang durch die Hydraulikpumpe 12 über Leitungen 25, 26 mißt oder
den Brennstoffdurchfluß als Funktion der Drehung des Läufers der Hydrauükpumpe 12 anzeigt, z. B. mit Hilfe
eines Tachometers. Ein Ausgang der Zündvorrichtung 24 ist als Steuersignaleingang 28 in eine Steuerschaltung
30 gezeigt, die so ausgelegt ist, daß sie den Einfluß der Brems- bzw. Antriebsvorrichtung 14 variiert. Andere
Eingänge 28 können andere Steuerfunktionen ergeben, falls dies erwünscht ist.
In Fig. 2 ist eine spezielle Brennstoffördereinrichtu;ig
100 für eine Gasturbinenanlage gezeigt, bei der ein Differential 102 mit den Enden der entsprechenden
Drehwellen 110,112,114 gekoppelt ist. Das Differential
102 wird von der Welle 110 angetrieben. Die Welle UO soll bei einer Ausführungsform mit der Antriebsgeschwindigkeit
der Turbinenhilfszusatzeinrichiung angetrieben werden, die mit Pfeil ΛΊ bezeichnet ist, obgleich
auch andere Amriebsquellen verwendet werden können.
Die Welle 112 kann durch das Differential 102 angetrieben werden und ist an dem entgegengesetzten
Ende mit einer Wirbelstrombremse 116 bekannter Ausführung verbunden.
Die Welle 114 geht ebenfalls vom Differential 102 aus
und wird in entsprechender Weise von ihm angetrieben. Das entgegengesetzte Ende der Welle 114 ist mit einer
Hydrauükpumpe 118 verbunden, der sie eine Drehbewegung aufgibt. Die Hydrauükpumpe 118 ist eine
Pumpe mit fester Verdrängung und kann eine der üblichen Verdrängungspumpen, z.B. Zahniadpumpen.
Walzenpumpen, Kolbenpumpen und Schaufelpumpen sein.
Die Wirbelstrombremse 116 ist schematisch dargestellt
und weist einen starren Rahmen 120 auf, der auf einer Basis 121 befestigt ist und Erregerspulen 122 und
Spulenanschlüsse 124 besitzt. Ein Rotor 126. der vorzugsweise aus einer Kupferlegierung hergestellt ist,
ist starr mit dem Ende der Welle 112 befestigt, so daß er mit ihr umläuft. Die Erregerspulen 122 sind so
geschaltet, daß sie von einem Steuerstrom aus einer elektrischen Steuerschaltung 130 mit verschiedenen
Eingängen 128 erregt werden. Der Aufbau der Steuerschaltung ist nicht Gegenstand vorliegender
Erfindung. Man hat jedoch festgestellt, daß vorliegende Erfindung vorteilhafterweise mit einer Steuerschaltung
verwendet wird, die den Steuerstrom als Funktion beispielsweise der Drosselslellung, der Umgebungstemperatur,
der Gasgeneratordrehzahl und des Brennstoffdurchsatzes festlegt. Einer der Eingänge 128 ist mit
einem Tachometer 131 verbunden, der die Drehzahl Ns
mißt, nämlich die Drehzahl der Welle 114, die direkt auf
den Brennstoffdurchsatz bezogen ist.
Das Differential 102 weist ein Getriebe auf, das die Hydrauükpumpe 118 als Funktion der Turbinendrehzahl
und der mechanischen Belastung, die durch die Wirbelstrombremse 116 aufgegeben wird, antreibt. Im
Betrieb kann die Welle ItO durch die Turbine mit einer
Drehzahl N\ gedreht werden. Die Welle 112 wird durch
das Differential 102 angetrieben, und die Drehzahl der Welle 112 hängt von der mechanischen Last ab, die der
Welle 112 durch die Wirbelstrombremse 116 aufgegeben wird. Wenn die Maschinendrehzahl beispielsweise
erhöht werden soll, speist die elektrische Steuerschal·
UU tt.,1
tung 130 den Strom in die Wirbelstrombremse 116 ein,
damit die Spulen 112 erregt werden und damit die mechanische Belastung an der Welle 112 erhöht wird.
Das resultierende verzögernde Drehmoment reduziert die Drehzahl /V2 der Welle 112. Die Welle 114 läuft dann
mit einer Drehzahl Λ/j um und spricht auf die neue
Drehzahl der Welle 112 an. Dies erhöht die Brennstoffförderung
von der Hydraulikpumpe 112, indem sie rascher umläuft. Wenn die Motordrehzahl den von der
Bedienungsperson gewählten erhöhten Wert annimmt, wird die Erhöhung von der Steuerschaltung 130
festgestellt, welche eine Verzögerung des Stromes in die Bremse 116 bewirkt, so daß der einwandfreie stetige
Brennstoffdurchsatz durch die Hydraulikpumpe 118 entsprechend der Drehzahl, der Belastung, der Temperatur
und anderer Betriebsbedingungen aufrechterhalten wird.
Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform 140 der
Erfindung, bei der ein Differentialantrieb verwendet wird, bei dem die Steuerung über einen Sirömungsmiitelsteuermechanismus
erreicht wird. Eine derartige Einrichtung vermeidet Fehler elektrischer Systeme und
ergibt eine besonders wirtschaftliche Ausgestaltung durch Verwendung der Schmiersystempumpe.
Eine turbinengetriebene Welle 110 ist so geschaltet, daß sie ein Differential 102 und damit die Wellen 112
und 114 antreibt, die mit dem Differential 102 verbunden
sind. Die Welle 114 ist am entgegengesetzten Ende mit
einer Hydraulikpumpe 118 mit fester Verdrängung verbunden, wie in Fig. 1 gezeigt.
Mit dem entgegengesetzten Ende der Welle 112 ist eine Brems- und Antriebsvorrichtung 142 mit einem
einstellbaren Ventil 144 an ihrem Ausgang verbunden. Die Pumpe 142 kann dabei die Pumpe sein, die
verwendet wird, um Schmieröl zur Turbine in Umlauf zu setzen. Ein Gaspedal 146 ist mechanisch mit dem Ventil
144 verbunden. Die Brems- bzw. Antriebsvorrichtung in Form einer Steuerpumpe 142 führt eine Funktion
ähnlich der der Wirbelstrombremse 116 in der Ausführungsform nach Fig. 2 durch, wobei eine
mechanische Last in Abhängigkeit von einem von außen gesteuerten Eingangssignal verändert wird. Wenn
beispielsweise die Bedienungsperson das Gaspedal 146 ■ drückt, so daß die Motordrehzahl erhöht wird,
verkleinert das Ventil 144 die Ausgangsöffnung der Pumpe 142 und ergibt eine erhöhte Impedanz, die die
Drehung der Pumpe 142 und damit der zugeordneten Welle 112 verlangsamt. Die Drehzahl der Welle 114 und
κι damit die Drehzahl der Hydraulikpumpe 118 wird durch
das Differentialgetriebe 102 entsprechend erhöht.
Fig.4 zeigt eine weitere Ausführungsform 150 der
Erfindung, die einer Abänderung der Anordnung nach F i g. 2 entspricht, mit der Ausnahme, daß anstelle einer
r> Wirbelstrombremse, bei der der Rahmen starr befestigt
ist, eine Wirbelsirom-Brems- bzw. Antriebsvorrichtung
152 verwendet wird. Das Gehäuse der Vorrichtung 152 weist Erregerspulen 154 auf, die über Schleifringe 156
mit einer zugeordneten elektrischen Steuerschaltung 130 verbunden sind. Das Gehäuse der Vorrichtung 152
ist drehbar mit einer Eingangswelle 158 verbunden. Die Welle 158 läuft mit der Drehzahl Λ/, um und kann mit
einer entsprechenden Antriebsquelle gekoppelt sein. Bei einer Ausführungsform kann sie über ein Getriebe
2Ί mit unterschiedlichem Übersetzungsverhältnis mit dem
gleichen Antrieb wie die Welle 110 gekoppelt sein. In
ähnlicher Weise, wie in Verbindung mit der Hinrichtung nach Fig. 1 beschrieben und dargestellt, kann die
Drehzahl der Hydraulikpumpe 118 du'-ch Steuerung der
«ι Vorrichtung 152 aus der elektrischen Steuerschaltung
130 verändert werden.
Auf diese Weise wird die Brennstoffördcrinenge in
direkter Abhängigkeit von der Turbinendrehzahl über die Welle UO gesteuert und die Stcuerfunktion durch
iri den Steuermechanismus ausgeübt, der mit der Welle 112
gekoppelt ist — entweder eine gesteuerte Bremsfunktion, wie in den Fig. 1. 2 und 3 oder eine gesteuerte
Funktion wie in Fig.4, die entweder eine Brems- oder
eine Beschleunigungsfunklion sein kann.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
lsZ^
Claims (6)
1. Einrichtung zum Fördern von Brennstoff bei einer Gasturbinenanlage, mit einer ersten, zweiten
und dritten drehbaren Welle, wobei die erste Welle drehbar mit einer ausgewählten Antriebsquelle
gekoppelt ist, einem Differentialgetriebe, das mit entsprechenden Enden der ersten, zweiten und
dritten Welle verbunden ist und das von der ersten Welle antreibbar ist, und einer Hydraulikpumpe mit
einer Fördermenge proportional ihrer Drehzahl, wobei die Hydraulikpumpe durch die dritte Welle
antreibbar ist, gekennzeichnet durch eine Brems- bzw. Antriebsvorrichtung (14,116; 142, 152),
die mit der zweiten Welle (20, 112) mehr oder weniger stark gekoppelt ist, und eine elektrische
Steuervorrichtung (30, 130) fur den Koppl.ingsgrad
zwischen der zweiten Welle (20,112) und der Bremsbzw.
Antriebsvorrichtung (14, 116, 142, 152) zur Steuerung der Drehzahl der dritten Welle (22; 114)
und damit der Brennstoffördermenge der Hydraulikpumpe (12; 118).
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brems- bzw. Antriebsvorrichtung
(152) eine vierte Welle (158) aufweist, die mit der zweiten Welle (112) durch eine Wirbelstromkupplung
(152) verbunden ist.
3. Finrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine einstellbare mechanische
Impedanz, insbesondere ein Ventil (144), mit dem Ausgang der Brems- bzw. Antriebsvorrichtung (142)
gekoppelt ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (144) mit einem Gaspedal
(146) verbunden ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Drehzahlmeßvorrichtung (131) die Drehzahl (N,) der dritten Welle mißt und das
Meßsignal als Anzeige der Brennstoffördermenge an die Steuervorrichtung (130) gibt.
6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brems- bzw. Antriebsvorrichtung
(116; 152) eine elektromagnetische Kupplung mit einem Rahmenbauteil (120), einem mit der Welle
(112) verbundenen Rotor (126) und einer elektromagnetischen Erregerspule (122) zur Veränderung
des Kopplungsgrades zwischen Rotor (126) und Rahmen (120) ist, und daß die Steuervorrichtung
(130) mit der Spule (122) gekoppelt ist.
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