DE2557596C3

DE2557596C3 - Einrichtung zum Fördern von Brennstoff bei einer Gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE2557596C3
Application number: DE2557596A
Authority: DE
Inventors: Leon David Rancho Palos Verdes Calif. Lewis
Original assignee: GARRET Corp LOS ANGELES CALIF US
Current assignee: GARRET Corp LOS ANGELES CALIF US
Priority date: 1974-12-24
Filing date: 1975-12-20
Publication date: 1981-04-16
Also published as: DE2557596B2; US3985468A; DE2557596A1; SE415848B; SE7514366L; IT1052849B

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 N_s 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

i^ri 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

Patentansprüche:

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.