DE3025006A1

DE3025006A1 - Kraftstoffregelsystem fuer eine gasturbinenmaschine

Info

Publication number: DE3025006A1
Application number: DE19803025006
Authority: DE
Inventors: Trevor Stanley Smith
Original assignee: Lucas Industries Ltd
Current assignee: ZF International UK Ltd
Priority date: 1979-07-13
Filing date: 1980-07-02
Publication date: 1981-01-29
Also published as: FR2461104A1; IT8023082A0; FR2461104B1; US4337617A; IT1131851B

Description

- 5 -HOEGER, STELLRECHT & PARTNER

PATENTANWÄLTE UHLANDSTRASSE 14 c D 7000 STUTTGART 1

A 44 147 b Anmelder: Lucas Industries Limited

k - 177 Great King Street

23. Juni 1980 Birmingham B19 2XP

England

Kraftstoffregelsystem für eine Gasturbinenmaschine

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffregelsystem für eine Gasturbinenmaschine mit variabler Dosiervorrichtung und mit Einstelleinrichtungen zum Einstellen eines gewünschten Schubs der Maschine.

Zur Regelung des Schubs von Gasturbinenmaschinen bzw. Triebwerken ist es wünschenswert, wenn das Kraftstoffregelsystem auf Luftdrücke an zwei Stellen des Kompressors der Maschine anspricht unu ausserdem auf die Betriebsstellung einer Schubeinstelleinrichtung, an der der gewünschte Schub eingestellt bzw. ausgewählt werden kann. Ein solches System ist beispielsweise in der Gb-PS 12 31 791 beschrieben.

Aus der genannten Patentschrift ist es bekannt, dafür zu sorgen, dass das Ansprechen des Kraftstoffregelsystems auf die genannten Kompressordrücke mittels einer Anzahl von Luftdruck-Regelventilen bewirkt wird, die auf die genannten Drücke ansprechen und durch die die Luft vom Kompressor hindurchfliesst. Die vom Kompressor angelieferte Luft ist andererseits normalerweise heiß und kann Verschmutzungen enthalten, welche die Wirkung der Luftdruck-Regelventile ungünstig beeinflussen.

Ein weiteres Kraftstoffregelsystem, bei dem der Schub einer Gasturbinenmaschine durch Regelung des Kraft-

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stoffZuflusses in Abhängigkeit von Drücken am Kompressor der Maschine geregelt wird, ist ausserdem in der Gb-PS 14 69 926 beschrieben, aus der deutlich wird, dass die Funktionen,gemäß welchen der Kraftstoffluß von den Kompressordrücken abhängig ist, relativ kompliziert sein können, wobei auch gemäß der zuletzt genannten Patentschrift wieder Luftströme aus dem Kompressor durch eine Reihe von Regelöffnungen fliessen müssen.

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Kraftstoffregelsystem für eine Gasturbinenmaschine anzugeben, bei dem der Kraftstoffzufluß in Abhängigkeit von Luftdrücken an zwei Stellen des Kompressors der Maschine geregelt wird und bei dem auf den Einsatz von Luftdruck-Regelventilen verzichtet werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Kraftstoffregelsystem der eingangs beschriebenen Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass eine erste dreidimensionale Kurvenbahn vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von einem ersten und einem zweiten Luftdruckwert des Kompressors der Maschine beweglich ist, dass die erste Kurvenbahn ein Profil besitzt, welches eine Funktion des ersten und zweiten Druckes für eine Anzahl von entsprechenden gemessenen Werten ist, dass eine zweite dreidimensionale Kurvenbahn vorgesehen ist, die gemeinsam mit der ersten Kurvenbahn beweglich ist und ein Profil aufweist, welches eine Funktion einer Anzahl von gewünschten Kraftstoffzuflußwerten für

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entsprechende gemessene Luftdruckwerte ist, dass ein erster, der ersten Kurvenbahn zugeordneter Kurvenabtaster vorgesehen ist, dass ein zweiter, der zweiten Kurvenbahn zugeordneter Kurvenabtaster vorgesehen ist und dass ein Hebelmechanismus vorgesehen ist, durch den die variable Dosiervorrichtung in Abhängigkeit von den Betriebsstellungen des ersten und zweiten Kurvenabtasters und der Schubeinstelleinrichtungen einstellbar ist.

Der entscheidende Vorteil des Kraftstoffregelsystems gemäß der Erfindung besteht darin, dass keine Notwendigkeit mehr besteht, heisse Kompressorgase durch das. Regelsystem fliessen zu lassen, so dass die verschiedenen Elemente des Systems nicht mehr aus Materialien hergestellt werden müssen, welche der hohen Temperatur der heissen Gase und den schädlichen Einflüssen von in den Gasen enthaltenen Verschmutzungen widerstehen können. Darüberhinaus kann auch auf Kühleinrichtungen verzichtet werden, wie sie bisher in solchen Kraftstoff- bzw. Schubregelsystemen eingesetzt werden. Auf diese Weise ergeben sich beträchtliche Kosten- und Gewichtsersparnisse bei gleichzeitiger Erhöhung der Funktionssicherheit. Ausserdem hat es sich gezeigt, dass der Einsatz dreidimensionaler Kurvenbahnen bzw. Kulissenbahnen eine besonders vorteilhafte Möglichkeit für die Erzeugung der gewünschten Steuerfunktion in Abhängigkeit von zwei Kompressordrücken darstellt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die beiden Kurvenabtaster schwenkbar an einem

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dritten Element des Hebelmechanismus montiert, während mit jedem der Kurvenabtaster ein weiteres Element schwenkbar verbunden ist.

Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn • die zweite Kurvenbahn einer logarithmischen Funktion der gewünschten Werte des Kraftstoffzuflusses entspricht und wenn die Dosiervorrichtung eine öffnung aufweist, deren wirksamer Querschnitt exponentiell veränderbar ist.

Als günstig hat es sich auch erwiesen, wenn Anschlageinrichtungen vorgesehen sind, mit deren Hilfe die Schwenkbewegungen des Hebelmechanismus bei einer Zunahme oder Abnahme des Kraftstoffzuflusses begrenzt werden können.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnunge noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausfuhrungsform eines Kraftstoffregelsystems gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform eines Kraftstoffregelsystems gemäß der Erfindung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Dosiervorrichtung des Systems gemäß Fig. 2;

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Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Pumpenanordnung des Systems gemäß Fig. 2;

Fig. 5 eine Durchflussteuereinrichtung des Systems gemäß Fig. 2, welches der Dosiervorrichtung gemäß Fig·. 3 zugeordnet ist;

Fig. 6 eine Sperrventilanordnung des Systems gemäß Fig. 2;

Fig. 7 eine Steuerdruck-Regeleinrichtung des Systems gemäß Fig. 2, welche der Dosiervorrichtung gem. Fig. 3 zugeordnet ist und

Fig. 8 eine Betätigungsvorrichtung, mit deren Hilfe in Abhängigkeit von einem von der Durchflusssteuereinrichtung gemäß Fig. 3 erzeugten Steuerdruck die eingangsseitigen Leitflügel eines mit dem Kraftstoffregelsystem gemäß Fig. 2 ausgerüsteten Triebwerks verstellbar sind.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 ein Triebwerk 10, dem der Kraftstoff von einer Pumpe 11 über eine Dosiervorrichtung 12 zugeführt wird. Die Dosiervorrichtung 12 besitzt eine öffnung 13 und ein/Stellelement 14. Die öffnung 13 besitzt ein vergrößert herausgezeichnetes Profil 15, so dass eine lineare Bewegung des Stellelements 14 zu einer exponentiellen Änderung des Kraftstoffstroms führt. Das Stellelement 14 spricht auf Änderungen eines Servo-Drucksignals in einer Kammer 16 an, in der das Drucksignal zwischen einer Strömungsdrossel 17 und einem Steuerventil 18

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entsteht, die in Serie zwischen dem Auslass der Pumpe 11 und einer Niederdruckzone 19 liegen. Ein Stellelement 20 für das Steuerventil 18 ist schwenkbar an dem Stellelement 14 montiert und mittels einer Feder 21 in eine Offenstellung vorgespannt.

Ein Kurvenkörper 25 weist eine erste und eine zweite Kurvenbahn 26 bzw. 27 auf, so dass die Kurvenbahnen 26, 27 synchrone Linear- und Drehbewegungen ausführen können. Eine Linearbewegung dec Kurvenkörpers 25 ist mittels eines Kolbens 28 herbeiführbar, der durch einen Kraftstoffdruck betätigbar ist, welcher durch ein Ventil 29 gesteuert wird. Das Ventil 29 steuert den Kraftstoffstrom vom Auslass der Pumpe 11 über eine Strömungsdrossel 30 zu der Niederdruckzone 19. Das Ventil 29 ist mittels eines evakuierten Faltenbalges 31 betätigbar, auf dessen Aussenseite ein am Einlass des Kompressors des Triebwerks 10 wirksamer Druck P1 wirksam ist. Zwischen dem Stellelement des Ventils 29 und dem Kolben 28 ist ferner eine Feder 32 derart angeordnet, dass eine Verstellung des Kolbens 28 zu einer der Richtung dieser Verstellung entgegenwirkenden Änderung des den Kolben beaufschlagenden Kraftstoffdruckes führt.

Eine Drehbewegung des Kurvenkörpers 25 kann durch eine Zahnstangen/Ritzel-Anordnung 33 bewirkt werden, deren Zahnstange durch einen Kolben 34 betätigbar ist, der seinerseits durch einen Kraftstoffdruck betätigbar ist, der vom Auslass der Pumpe 11 über eine Strömungsdrossel 35 und ein Ventil 36 wirksam wird. Das Ventil 36 ist durch einen evakuierten Faltenbalg

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steuerbar, auf dessen Aussenseite ein am Auslass des Kompressors des Triebwerks herrschender Druck P4 wirksam ist. Die Positionierung des Kurvenkörpers 25 erfolgt also in axialer Richtung in Abhängigkeit von dem Druck P1 am Einlass des Kompressors und winkelmäßig in Abhängigkeit von dem Druck P4 am Auslass des Kompressors. Die Kurvenbahn 26 besitzt ein Profil, welches eine logarithmische Funktion eines Produktes des Verhältnisses P4/P1 ist sowie eine Funktion von P1 für eine Anzahl von erfaöten Werten von P1 und P4. Die zweite Hirvenbahn 27 besitzt ein Profil, welches eine logarithmische Funktion des gewünschten Kraftstofflusses für zugeordnete, erfaßte Werte der Drücke P1 und P4 ist.

Der ersten Kurvenbahn 26 ist ein Abtasthebel 40 zugeordnet, während der zweiten Kurvenbahn 27 ein Abtasthebel 41 zugeordnet ist. Die Abtasthebel 40 und 41 sind schwenkbar an zugeordneten Enden eines dritten Hebels 42 angelenkt, welche seinerseits an einem feststehenden Teil der Vorrichtung schwenkbar montiert ist. Der dritte Hebel 42 ist mittels einer Feder 43 im Gegenuhrzeigersinn vorgespannt, während der Abtasthebel 41 mittels einer Feder 44 gegen die zweite Kurvenbahn 27 vorgespannt ist. Das der Kurvenbahn 27 abgewandte Ende des Abtasthebels 41 steht in Eingriff mit dem Stellelement 20 des Steuerventils Ein Vorsprung 45 des dritten Hebels 42 kann in Eingriff mit einem einstellbaren Anschlag 46 für eine Drosselung der Geschwindigkeit gebracht werden, wobei der Anschlag 46 die Verstellung des Hebels 42 und damit diejenige des Abtasthebels 41 in der Richtung begrenzt, in der die Bewegung des Hebels 41 das

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Stellelement 20 so verstellt, dass das Ventil 18 geschlossen wird, was eine entsprechende Verstellung des Stellelements 14 im Sinne einer Verringerung der Kraftstoffzufuhr zu dem Triebwerk 10 zur Folge hat. Ein weiterer einstellbarer Anschlag 47, mit dem der Vorsprung 45 ebenfalls in Eingriff bringbar ist, dient dazu, die Auslenkung des dritten Hebels 42 in der Richtung zu begrenzen, in der ein Anstieg der Kraftstoff zufuhr zu dem Triebwerk 10 herbeigeführt wird.

Eine Einstellvorrichtung 50 ermöglicht die Einstellung eines gewünschten Schubes des Triebwerks 10, wobei der Schub dem Verhältnis P4/P1 proportional ist. Die Einstellvorrichtung 50 weist eine Wählscheibe 51 auf, deren Kurvenbahn durch einen mittels einer Feder 53 federnd gegen die Kurvenbahn vorgespannten Abtasthebel 52 abgetastet wird. Das der ersten Kurvenbahn 26 abgewandte Ende des Abtasthebels 40 ist mittels einer Feder 54 federnd gegen den Hebel 52 vorgespannt. Einer Bewegung des Abtasthebels 52 in Abhängigkeit von der von der Feder 53 erzeugten Federkraft, wirkt ein Anschlag 55 entgegen, der Bestandteil einer elektromagnetischen Stellvorrichtung 56 ist und normalerweise mittels einer Feder 57 gegen eine Anlage 58 vorgespannt ist. Wenn die Stellvorrichtung 56 nicht eingeschaltet ist, wird ein Schwenken des Hebels 52 im Gegenuhrzeigersinn von dem Anschlag 55 begrenzt, so dass der Abtasthebel 52 nicht an der Wählscheibe 51 anliegt, wenn diese sich in ihrer Mittelstellung befindet. Dieser Betriebszustand entspricht einer hohen Leerlauf geschwindigkeit des Triebwerks 10 und einem vorgegebenen Schub. Eine Betätigung der Stellvorrichtung

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entspricht einem Leerlauf des Triebwerks mit niedriger Leistung und läßt den Abtasthebel 52 in Kontakt mit der in der Mittelstellung befindlichen Wählscheibe 51 gelangen.

In Serie zu der Dosiervorrichtung 12 liegt ein Drosselventil 60, welches auf die Differenz des Kraftstoffdrucks am Einlass und am Auslass der Dosiervorrichtung anspricht und ausserdem durch eine Steuervorrichtung 61 betätigbar ist, die durch eine Welle des Triebwerks 10 antreibbar ist. Die Anordnung ist dabei so getroffen, dass das Drosselventil 60 durch Drosseln des Kraftstofflusses zu dem Triebwerk 10 bei einer gegebenen Drehzahl der Triebwerkswf^le eine konstante Druckdifferenz über der Dosiervorrichtung 12 aufrecht erhält. Wenn das Stellelement 14 der Dosiervorrichtung 12 sich einem oberen Ende seines Laufweges ändert, gibt es eine öffnung 62 frei, welche über ein Magnetventil 64 mit einer Niederdruck-Rücklauf leitung 63 in Verbindung steht. Wenn das Magnetventil 64 offen ist, dann bewirkt die Freigabe der Öffnung 62 eine Druckbegrenzung in der Kammer 16 und damit eine Begrenzung der Aufwärtsbewegung des Stellelements 14. Das Ventil 64 kann folglich verwendet werden, um einen minimalen Kraftstoffzufluss zu dem Triebwerk 10 einzustellen. Zwischen dem Drosselventil 60 und dem Triebwerk 10 ist ein Sperrventil 65 vorgesehen. Ausserdem ist ein Überströmventil 66 vorgesehen, über das Kraftstoff vom Auslass der Pumpe 11 zu deren Einlass zurückleitbar ist. Das Überströmventil 66 spricht auf die Druckdifferenz über der Serienanordnung der Dosiervorrichtung 12 und

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des Drosselventils 60 in der Weise an, dass es versucht, diese Druckdifferenz im wesentlichen konstant zu halten. Im Betrieb befinden sich bei gleichmäßig laufendem Triebwerk, d. h. bei einem Triebwerksschub, der etwa dem Schub entspricht, der an der Wählscheibe 51 eingestellt ist, der Abtasthebel 40 und damit auch der dritte Hebel 42 in der eingezeichneten Stellung, während der Vorsprung 45 des Hebels 42 zwischen den Anschlägen 46 und 47 liegt. Die logarithmische Abhängigkeit der gewünschten Kraftstoffmenge wird dabei von dem Kurvenabtaster 41 abgetastet, der über die Steuerung des Steuerventils 18 die Position des Stellelements 14 steuert. Wenn sich dabei das Stellelement 14 in eine Lage bewegt, in der der Kraftstoffzufluss geringer ist als er aufgrund des erfaßten Teilstücks der Kurvenbahn 27 sein sollte, wenn sich also das Stellelement 14 in Fig. 1 zu weit nach oben bewegt hat, dann öffnet das Steuerventil 18, um das Servo-Drucksignal in der Kammer 16 zu verringern, und so ein Absinken des Stellelement 14 in eine Position herbeizuführen, in der der tatsächliche Kraftstoffzufluß dem gewünschten Wert entspricht. Eine entsprechende Korrektur wird dann durchgeführt, wenn der tatsächliche Kraftstoffzufluss über dem gewünschten Wert liegt.

Wenn der gewünschte Wert des an der Wählscheibe 51 eingestellten Verhältnisses P4/P1 grosser ist als dies durch die Lage der Kurvenbahn 26 angegeben wird, dann schwenkt der Kurvenabtaster 40 im Uhrzeigersinn und veranlaßt eine Schwenkung des Hebels 42 im Uhrzeigersinn und damit eine Schwenkung des Abtasthebels 41.

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Damit öffnet aber das Steuerventil 18, so dass das Stellelement 14 in eine neue Gleichgewichtsstellung absinken kann, wobei die Kraftstoffzufuhr und damit der Schub des Triebwerks ansteigen, bis das gewünschte Druckverhältnis P4/P1 erreicht ist. Eine entsprechende Verringerung des Kraftstoffzuflusses wird bewirkt, wenn das durch die Wählscheibe 51 vorgegebene Druckverhältnis P4/P1 kleiner ist als die entsprechenden Messwerte,die sich aufgrund der Stellung der Kurvenbahn 26 ergeben.

Bei einer Betätigung der Wählscheibe 51 zum Erhöhen oder Verringern des Triebwerkschubs wird der Hebel 42 im Uhrzeigersinn bzw. im Gegenuhrzeigersinn gegen den jeweils zugeordneten Anschlag 47 bzw. 46 ausgelenkt, wobei das Ausmaß dieser Schwenkbewegung von dem Betrag abhängig ist, um den sich das an der Kurvenbahn 26 abgetastete Verhältnis P4/P1 von dem Druckverhältnis unterscheidet, welches dem neu vorgegebenen Triebwerkschub entspricht. In den meisten Fällen bewegt sich der Ansatz 45 bei einer Beschleunigung oder Verlangsamung des Triebwerks 10 gegen den zugeordneten Anschlag 47 bzw. 46.

Die Kurvenbahn 26 liefert eine logarithmische Funktion des Verhältnisses P4/P1,und die Wirkungsweise des Hebels 42 ist derart, dass die Betriebsstellung des Abtasthebels 41 und damit die Betriebsstellung des Stellelements 20 des Steuerventils 18 der Summe der logarithmischen Funktionen entspricht, die durch die Kurvenbahnen 26 und 27 vorgegeben werden.

Durch den Anschlag 47 wird die maximale Kraftstoff-

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menge für das Beschleunigen bei den jeweils festgestellten Werten von P4 und P1 vorgegeben. Da die Anschläge 46 und 47 einen vorgegebenen Abstand voneinander haben, hat eine Bewegung des Ansatzes 45 zwischen diesen Anschlägen die Wirkung, dass ein konstanter Wert von der logarithmischen Funktion abgezogen wird, welche von dem Abtasthebel 41 an der Kurvenbahn 27 erfaßt wird. Mit anderen Worten führt also eine Verschwenkung des Hebelansatzes 45 gegen den Anschlag 46 zu einem eine Verlangsamung bewirkenden Kraftstoff luß, welcher einen vorgegebenen Anteil des entsprechenden Kraftstofflusses bei einer Beschleunigung unter den jeweiligen Betriebsbedingungen des Triebwerks ausmacht. Der beschriebene Hebelmechanismus muß also folglich nur eine algebraische Summe liefern, so dass die Notwendigkeit für einen multiplizierenden Mechanismus entfällt. Ausserdem entfällt die Notwendigkeit für eine besondere Kurvenscheibe, welche eine Steuerfunktion für die Abbremsung bzw. Verlangsamung liefert.

Die Exponentialform des Profils 15 der öffnung 13 bewirkt in Verbindung mit den logarithmischen Funktionen,die durch die Kurvenbahnen 26 und 27 vorgegeben werden, dass sich der effektive Durchlassbereich der öffnung 13 linear entsprechend dem gewünschten Kraftstoffluß ändert.

Es ist wünschenswert, dass die Verstärkung des Systems, d. h. dessen Reaktion auf relativ kleine Änderungen der Lage des ersten,stetig arbeitenden Kur venabtasters so groß wie möglich ist, was bei dem

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betrachteten System durch das grosse Hebelübersetzungsverhältnis zwischen dem ersten und dem zweiten Kurvenabtaster erreicht wird. Diese hohe übersetzungsverhältnis eröffnet die Möglichkeit, dass sich der Kurvenabtaster 40 aufgrund von Vibrationen des Triebwerks 10 von dem Kurvenkörper 25 abhebt. Andererseits· führt eine erhöhte Fe "erkraft der Vorspannfeder'unter Umständen zu einem nicht mehr tragbaren Verschließ der zugeordneten Kurvenbahn. Diese Schwierigkeiten werden bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 bis 8 überwunden.

Im einzelnen zeigt Fig. 2 ein Blockdiagr imm des abgewandelten Ausführungsbeispiels, während die Fig. 3 bis 8 einzelne Komponenten desselben zeigen. Dabei ist zu beachten, dass entsprechende Teile in den Figuren 2 bis 8 durchgehend mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind.

Gemäß Fig. 2 wird eine Gasturbine bzw. ein Trieb werk 110 über eine Dosiervorrichtung 112 (Fig. 3), über eine Durchflußsteuereinrichtung 113 (Fig. 5) und eine Sperrventilanordnung 114 (Fig. 6) von einer Pumpenanordnung 111 (Fig. 4) mit Kraftstoff versorgt.

Gemäß Fig. 4 liefert eine Pumpe 115 der Pumpenanordnung 111 Kraftstoff über eine Versorgungsleitung 116 zu der Dosiervorrichtung 112. Gemäß Fig. 3 umfaßt dabei die Dosiervorrichtung 112 ein Dosierventil 117 mit einem Stellelement 118, welches auf einen Steuerdruck in einer Kammer 119 anspricht. Der Druck in der Kammer 119 wird dabei von dem Druck in der Versorgungsleitung 116 über ein Filter 120 (Fig. 4),

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eine Leitung 121, eine Strömungsdrossel 122 und ein Ventil 123 abgeleitet, welches in nachstehend noch zu beschreibender Weise betätigt wird.

An einem dreidimensionalen Kurvenkörper 130 sind eine erste und eine zweite Kurvenbahn 131 bzw. 132 vorgesehen, die gemeinsam zu Linear- und Drehbewegungen antreibbar sind. Linear-Bewegungen des Kurvenkörpers 130 werden mit Hilfe eines Kolbens 133 herbeigeführt, der auf einen Steuerdruck in einer Kammer 134 anspricht, wobei der Steuerdruck der Druck zwischen einer Strömungsdrossel 135 und einem Ventil 136. ist, die hintereinander in einer Leitung 137 zwischen der Leitung 121 und'einer Niedrdruck-Rücklaufleitung 138 liegen. Das Ventil 136 ist dabei durch einen evakuierten Faltenbalg 139 betätigbar, der aussen unter dem Druck P1 auf der Einlasseite eines Kompressors des Triebwerks 110 steht. Zwischen dem Ventil 136 und dem Kolben 133 ist eine Rückstellfeder 148 angeordnet.

Der Kurvenkörper 130 ist mittels einer Zahnstangen/ Ritzel-Anordnung 140 zu einer Drehbewegung antreibbar, wobei die Zahnstange 141 durch einen Kolben antreibbar ist, der auf den Druck in einer Kammer zwischen einer Strömungsdrossel 144 und einem Ventil 145 anspricht, wobei die Strömungsdrossel 144 und das Ventil 145 hintereinander in einer Leitung 146 zwischen der Leitung 121 und der Niederdruck-Rücklauf leitung 138 liegen. Das Ventil 145 ist dabei durch einen evakuierten Faltenbalg 147 betätigbar,

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der auf den Förderdruck P3 des Triebwerkskompressors anspricht und unter der Wirkung einer Rückkopplungs-149 steht, die sich auch an dem Kolben 142 abstützt.

Der Kurvenkörper 130 nimmt also in axialer Richtung eine Position ein, die dem Druck P1 entspricht,und winkelmäßig eine Position, die dem Druck P3 entspricht. Die Kurvenbahn 131 besitzt ein Profil, welches einer logarithmischen Funktion des Terms f (P1)x(P3/P1) entspricht, d. h. also dem Produkt einer Funktion von P1 und dem Verhältnis P3/P1 für eine Vielzahl von gemessenen Werten für P1 und P3. Die Kurvenbahn 132 hat ein Profil, welches eine logarithmische Funktion des gewünschten KraftstoffZuflusses für zugeordnete, gemessene Wert¥^o?3 und P1 ist. Ein Kurvenabtaster für die Kurvenbahn 131 ist an einem Schwenkzapfen 151 angelenkt, der seinerseits angrenzend an ein Ende eines Verbindungshebels 152 montiert ist, dessen anderes Ende an einem Schwenkzapfen 153 gehaltert ist. Das dem Schwenkzapfen 153 abgewandte Ende des Verbindungshebels 152 ist an einem weiteren Schwenkzapfen 154 angelenkt, dessen Abstand von dem Schwenkzapfen 153 etwas grosser ist als der Abstand des Schwenkzapfens 151. Der Schwenkzapfen 154 sitzt an einem Hebel 155, wirkt mit einer als Wählscheibe 156 dienenden Kurvenbahn zusammen, welche zur Einstellung eines gewünschten Schubes des Triebwerks 110 verstellbar ist, wobei der Schub dem Verhältnis P3/P1 proportional ist.

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Das dem Kurvenkörper 130 abgewandte Ende des Kurvenabtasters 150 dient der Steuerung eines Ventils 160, welches in Reihe mit einer Strömungsdrossel 161 zwischen den Leitungen 121 und 138 liegt. Ein Betätigungselement 162 spricht auf den Druck in einer Kammer an, die zwischen dem Ventil 160 und der Strömungsdrossel 161 liegt,und trägt den Schwenkzapfen 153 für den Verbindungshebel 152. Auf dem Schwenkzapfen 153 ist ausserdem ein zweiter Kurvenabtaster 164 montiert, dessen eines Ende an der Kurvenbahn 132 düs Kurvenkörpers 130 anliegt und dessen anderes Ende mit dem Stellelement des Ventils 123 zusammenwirkt. Die Bewegung des Betätigungselementes 162 ist durch einstellbare Anschläge 165 und 166 begrenzt, welche auf die Grenzwerte für die Kräftstoffzufuhr bei Beschleunigung und Abbremsung eingestellt sind.

Wenn im Betrieb die Lage des Kurvenkörpers 130 in Abhängigkeit von den erfaßten Druckwerten P1 und P3 eine solche ist, dass der Kurvenabtaster 150 den richtigen Schub feststellt, der sich aufgrund der Funktion von P3 und P1 ergibt und der dem an der Wählscheibe 156 eingestellten Schub entspricht, dann befindet sich das System im Gleichgewicht und das Betätigungselement 162 nimmt eine stationäre Lage ein. Diese Gleichgewichtslage des Betätigungselements 162 ist aufgrund der logarithmischen Punktionen für die Kurvenbahnen 131 und 132 und des exponentiell verlaufenden Profils der Dosieröffnung 117a des Dosierventils für alle vorgegebenen Schubwerte gleich, vorausgesetzt, dass die ermittelten Werte für P3 und P1 genau dem gewählten Schub entsprechen. In diesem Betriebszustand nimmt der zweite

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Kurvenabtaster 164 eine Lage ein, die dem gewünschten Kraftstoffzufluß für den ausgewählten Schub entspricht und wirkt auf das Ventil 123 ein, um das Stellelement 118 des Dosierventils 117 zu positionieren. Das Stellelement des Ventils 123 wird seinerseits von dem Stellelement 118 getragen und sorgt somit für eine Rückkopplungsverbindung. Auf diese Weise wird erreicht, dass das Stellelement 118 eine Gleichgewichtslage einnimmt, die dem angemessenen Kraftstoffzufluß entspricht.

Wenn die Wählscheibe 156 so verstellt wird, dass ein erhöhter Schub des Triebwerks gefordert wird, dann bewegt sich der zugehörige Kurvenabtaster in Figur 3 im Gegenuhrzeigersinn, wodurch die Strömung durch das Ventil 160 erhöht wird, so dass das Betätigungselement 162 und damit der Schwenkzapfen 153 nach unten gegen den Anschlag 165 bewegt werden. Diese Bewegung des Schwenkzapfens 153 führt zu einer Schwenkbewegung des zweiten Kurvenabtasters im Gegenuhrzeigersinn, wodurch das Ventil 123 geöffnet und das Dosierventil so verstellt wird, dass der Kraftstoffzufluß zunimmt. Die Abwärtsbewegung des Schwenkzapfens 153 verursacht ferner eine Bewegung des Schwenkzapfens 151 im Gegenuhrzeigersinn um den Schwenkzapfen 154, wodurch eine Schwenkbewegung des Kurvenabtasters 150 im Uhrzeigersinn zum Schliessen des Ventils 160 erzwungen wird. Der Verbindungshebel 152 sorgt also für eine Rückkopplung zwischen der Position des Betätigungselements 162 und dem Zustand des Ventils 160, so dass gewährleistet ist, dass die Bewegung des Schwenkzapfens 153 derjenigen am Ventil 160 proportional ist. Da die Bewe-

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gung des Betätigungselementes 162 ein Zeitintegral der Strömung durch das Ventil 160 ist, kann mit der beschriebenen Anordnung eine hohe Verstärkung und ein schnelles Ansprechen auf eine Bewegung des Kurvenkörpers 130 erreicht werden. Der Kurvenabtaster 150 ist mittels einer relativ schwachen Feder 165 gegen die Kurvenbahn 131 vorgespannt, wobei die Feder 165 gleichzeitig eine Schließkraft auf das Ventil 160 ausübt. Die Kraft der Feder 165 ist die einzige Kraft, die von dem Kurvenabtaster 150 auf den Kurvenkörper 130 ausgeübt wird, so dass die auf diesen ausgeübte Kraft stark verringert ist.

Eine Verstellung der Wählscheibe 156 zur Verringerung des Triebwerkschubes .führt zu einer Aufwärtsbewegung des Betätigungselements 162 gegen den Anschlag 166, wodurch das Ventil 123 geschlossen und die Strömung durch das Ventil 117 verringert wird. 3ei jeder Beschleunigung oder Abbremsung wird der Kraftstoffstrom geändert, bis der tatsächliche Schub wieder dem eingestellten Schub entspricht. Da die Lage des Schwenkzapfens 153 der logarithmischen Funktion entspricht, die durch die Kurvenbahn 131 vorgegeben wird, entspricht die Position des Hebels für das Ventil 123 der Summe dieser logarithmischen Funktion und der logarithmischen Rinktion, die durch die Kurvenbahn 132 vorgegeben ist. Bei jeder Beschleunigung oder Abbremsung werden zu der logarithmischen Funktion der Kraftstoffströmung,die von der Kurvenbahn 132 abgeleitet wird, vorgegebene logarithmische Funktionen addiert, die sich aufgrund des Anschlagens des Betätigungselements 162 an dem Anschlag 165 bzw. dem Anschlag 166 ergeben. Es wird

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also die Wirkung erreicht, dass die Kraftstoffzufuhr für den ausgeglichenen Zustand mit einem entsprechenden Beschleunigungs- oder Abbremsungsfaktor multipliziert wird.

Eine von dem Dosierventil 117 ausgehende Auslassleitung 170 steht mit einem Einlass der in Figur 5 gezeigten Durchflussteuereinrichtung 113 in Verbindung. Die Einrichtung 113 weist ein Überströmventil 171 auf, durch welches die der Kraftstoff^ufuhr dienende Leitung 170 mit einer Rückleitung 172 verbindbar ist, welche über die Pumpenanordnung 111 mit dem Einlass der Pumpe 115 in Verbindung steht. Das Überströmventil. 171 besitzt ein Stellelement 173, welches auf den Druck in einer Kammer Ί74 anspricht, wobei dieser Druck sich zwischen einer Strömungsdrossel 175 und einem Ventil 176 aufbaut und über ein Magnetventil 177 freigebbar ist. Das Magnetventil 177 steht unter einer solchen Vorspannung, dass es normalerweise offen ist, solange es nicht erregt ist. In diesem Zustand gestattet es eine Strömung zu und von der Kammer 174. Die Strömungsdrossel 175 und das Ventil 176 liegen in Serie in einer Leitung 178 zwischen der Leitung 121 und der Rücklaufleitung 172. Das Ventil 176 besitzt ein Stellelement 179, welches ausgehend von einer Mittelstellung, die in der Zeichnung gezeigt ist, durch einen Drehmomentenmotor 180 in beiden Richtungen drehbar ist. Die Stellelemente 173 und 179 der Ventile 171 und 176 sind über eine Feder 181 miteinander gekoppelt , welche für eine Gegenkopplung sorgt. Der Drehmomentenmotor 180 spricht auf Signale auf Anschlußleitungen 182 von einem Steuerkreis 183 (Fig. 2) an. Der Steuerkreis 183

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spricht auf übermäßig hohe Drehzahlen N des Triebwerks oder auf eine überhöhte Temperatur T derselben an und liefert Steuersignale, die den Drehmomentenmotor 180 veranlassen, das Stellelement 179 im Uhrzeigersinn zu verdrehen, wodurch das Stellelement 173 derart betätigt wird, dass Kraftstoff aus der Versorgungsleitung 170 in die Rückleitung 172 überströmt. Der Steuerkreis 183 kann in Abhängigkeit von der Triebwerksdrehzahl N und der Triebwerkstemperatur T auch Steuersignale liefern, aufgrund welcher der Motor 180 das Stellelement 179 im Gegenuhrzeigersinn verdreht, wodurch das Stellelement 173 nach oben bewegt wird. Diese Aufwärtsbewegung des Stellelements 173 hat kein überströmen des Kraftstoffs zur Folge, sondern bewirkt ein Verstellen eines Hebels 184 entgegen der Kraft einer Feder 185, so dass ein Schaft 186 nach unten bewegt werden kann. Der Schaft 186 trägt einen Schwenkzapfen 187 für den Hebel 155 (Fig. 3). Die Reaktion des Systems auf den an der Wählscheibe 156 eingestellten Schubwert kann somit in Abhängigkeit von Drehzahl- und Temperaturwerten, die dem Steuerkreis 183 zugeführt werden, "getrimmt" werden.

Die Kraftstoffzuführleitung 170 steht mit der Sperrventilanordnung 114 (Fig. 6) in Verbindung. Die Sperrventilanordnung 114 besitzt ein Sperrelement 190, welches zwischen der Kraftstoffzuführleitung 170 und einer Kraftstoff abgabeleitung 191 liegt.· Das Sperrelement 190 ist mittels einer Feder 192 in seine Schließstellung vorgespannt, wobei die Federkraft so bemessen ist, dass das Sperrelement 190 bei einem angemessenen Kraftstoffdruck in der Leitung 170 in

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seine Offenstellung gedrückt werden kann. Das Sperrelement 190 sorgt also für einen Mindestdruck des Kraftstoffs, der ausreicht, um den Betrieb der verschiedenen Steuersysteme zu gewährleisten, ehe der Kraftstoff an das Triebwerk abgegeben wird. Das Sperrelement 190 ist ausserdem mit einem Kolben 193 verbunden, der von dem Druck zwischen einer Strömungsdrossel 192 und einem Zweiwegeventil 195 beaufschlagt wird. Das Ventil 195 ist in Fig. 6 in der Stellung gezeigt, in der das Triebwerk läuft, wobei auf den Kolben 193 der niedrige Druck in einer Leitung 196 einwirkt. In der zweiten Stellung des Ventils 195 wirkt auf den Kolben 193 der hohe Druck in einer Leitung 197, die mit der Leitung 121 (Fig. 4) in Verbindung steht,und bei dem der. Kolben 193 mit dem Sperrelement 190 nach unten gedrückt wird, um die direkte Verbindung zwischen den Leitungen 170 und 191 zu sperren.

Bei der gezeigten Stellung des Zweiwegeventils 195 kann die Leitung 170 mit der Leitung 191 über einen Strömungspfad in Verbindung stehen, der einen Kanal 200, öffnungen in dem Zweiwegeventil 195, einen Kanal 201 und eine Strömungsdrossel 202 enthält, so dass bei in der Schließstellung befindlichem Sperrelement 190 ein Starten des Triebwerks möglich ist. Der Kanal 201 steht über eine Strömungsdrossel 203 und eine Leitung 204 mit den Zündeinrichtungen des Triebwerks in Verbindung. Die Drossel 203 läßt jedoch keinen Kraftstoffzufluß zu, der für ein Starten des Triebwerks ausreicht. Deshalb ist parallel zu der Drossel 203 ein normalerweise geschlossenes Magnetventil angeordnet, welches während des Startvorgangs für das Trieb-

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werk betätigbar ist.

Die Kraftstoffleitung 191 steht über eine Leitung mit einem oberen Ansaugkanal des Triebwerks 110 und über ein bewichtetes Ventil 207 und eine Leitung 208 -mit einem unteren Ansaugkanal des Triebwerks 110 in Verbindung. Bei der gezeigten Stellung des Zweiwegeventils 195 ist ein Kanal 210 von der Kammer 171 der Durchflussteuereinrichtung 113 (Fig. 5) gesperrt. In der zweiten Stellung des Ventils 195, welche dem Abschalten des Triebwerks entspricht, steht der Kanal 210 mit der Niederdruckleitung 196 in Verbindung, so dass das Überströmventil 171 öffnet und Kraftstoff zum Einlass der Pumpe 115 zurückfliessen kann. Schließlich steht bei der Abschaltstellung des Zweiwegeventils 195 die Kraftstoffleitung 191 mit einer Niederdruck-Rücklaufleitung 211 in Verbindung. Eine elektrische Anzeigeeinrichtung 212 liefert eine Anzeige, wenn sich das Sperrelement 190 in seiner Schließstellung befindet, d. h. wenn der Haupt-Kraftstofffluß zu dem Triebwerk 110 gesperrt ist.

Der Kurvenkörper 130 (Fig. 3) besitzt einen weiteren Bereich 214, welcher mit einem weiteren Kurvenabtaster 215 zusammenwirkt, der gleichzeitig als Bestandteil einer Steuerdruck-Steuereinheit 216 (Fig. 7) gezeigt ist. Die Steuereinheit 216 weist ein Spulensteuerventil 217 auf, welches in axialer Richtung beweglich ist, um einen hohen Druck auf jeweils eine zweier Steuerleitungen 218 bzw. 219 und einen niederen Druck auf die jeweils andere auszuüben. Der hohe Druck wird von dem Druck in einer Leitung 220 abgeleitet, welche mit der Leitung 121 (Fig. 4) in Verbindung steht, während der niedrige Druck von einer

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Leitung 221 abgeleitet wird, welche mit der Niederdruck-Rücklaufleitung 138 (Fig. 3)in Verbindung steht. Das Ventil 217 wird durch einen Steuerdruck in einer Kammer 222 positioniert, der ebenfalls von dem Druck in der Leitung 220 abgeleitet ist und von einem Ventil 223 gesteuert wird, welches ein Stellelement aufweist, welches schwenkbar an der Spule des Ventils 217 montiert ist. Das Stellelement 224 ist an dem einen Ende eines Hebels 225 angelenkt, dessen Schwenkpunkt durch den Kurvenabtasters 215 gebildet wird und der mittels einer Feder 227 entgegen dem Uhrzeigersinn so vorgespannt ist, dass er an einem Kniehebel 226 anliegt.

Die Leitungen 218 und 219 stehen mit einer doppeltwirkenden Kolben-Zylinder-Anordnung in Verbindung, welche eine Betätigungseinrichtung 230 für die einlasseitigen Leitflügel des Kompressors des Triebwerks 110 bildet. Die Lage des Kolbens 231 der Be- :ätigungseinrichtung 230 ist mit dem Kniehebel 226 über ein über Rollen laufendes Kabel 228 verbunden. Wenn man annimmt, dass der Kolben 231 und der Kniehebel 226 zunächst eine stationäre Lage einnehmen, dann führt eine Aufwärtsbewegung des Kurvenabtasters 215 zu einer Schwenkbewegung des Hebels 225 im Gegenuhrzeigersinn, wodurch das Ventil 223 geöffnet wird und eine Aufwärtsbewegung des Ventils 217 unter dem Einfluß des Drucks in der Leitung 220 bewirkt, so dass an die Leitung 219 ein hoher Druck angelegt wird. Die daraus resultierende Bewegung des Kolbens 231 nach links führt zu einer Schwenkbewegung des Kniehebels 226 im Gegenuhrzeigersinn, wodurch der Hebel 225 und das Ventil 217 wieder in

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■Me gazeishüiGte Slaiehgewichtslage surückbewegt werden.

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L e e i te

Claims

HOEGER, STELLRECHT & PARTNER PATENTANWÄLTE UHLANDSTRASSE 14 c · D 7000 STUTTSART 1 A 44 147 b Anmelder:Lucas Industries Limited k - 177 Great King Street 23. Juni 1980 Birmingham B19 2XF England Patentansprüche

1.) Kraftstoffregelsystem für eine Gasturbinenmaschine mit variabler Dosiervorrichtung und mit Einstelleinrichtungen zum Einstellen eines ge-, wünschten Schubs der Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste dreidimensionale Kurvenbahn (26) vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von einem ersten und einem zweiten Luftdruckwert (P1 , P4) des Kompressors de:.- Maschine beweglich ist, dass die erste Kurvenbahn (26) ein Profil besitzt, welches eine FurKtion des ersten und zweiten Druckes (P1, P4' für eine Anzahl von entsprechenden gemessenen Werten ist, dass eine zweite dreidimensionale Kurvenbahn (27) vorgesehen ist, die gemeinsam mit der ersten Kurvenbahn (26) beweglich ist und ein Profil aufweist, welches eine Funktion einer Anzahl von gewünschten Kraftstoffzuflußwerten für entsprechende gemessene Luftdruckwerte (P1, P4) ist, dass ein erster, der ersten Kurvenbahn

(26) zugeordneter Kurvenabtaster (40) vorgesehen ist, dass ein zweiter, der zweiten Kurvenbahn

(27) zugeordneter Kurvenabtaster (41) vorgesehen ist und dass ein Hebelmechanismus (40, 41, 42) vorgesehen ist, durch den die variable Dosiervorrichtung (12) in Abhängigkeit von den Betriebsstellungen des ersten und zweiten Kurvenabtasters (40, 41) und der Schubeinstelleinrichtungen (50) einstellbar ist.

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2. Kraftstoffregelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebelmechanismus (40, 41, 42) derart ausgebildet ist, dass die Betriebsstellung des zweiten Kurvenabtasters (41) gleich der Summe der Funktionen ist, die durch die Profile der ersten und der zweiten Kurvenbahn (26, 27) vorgegeben sind.

3. Kraftstoffregelsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die von der ersten und der zweiten Kurvenbahn (26, 27) vorgegebenen Funktionen logarithmische Funktionen sind.

4. Kraftstoffregelsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die variable Dosiervorrichtung (12) eine öffnung (13) mit einem exponentiellen Profil besitzt, durch welches in Verbindung mit den logarithmischen Funktionen der Kurvenbahnen (26, 27) ein sich linear mit den gewünschten Werten des Kraftstoffzuflusses entsprechend der Form der zweiten Kurvenbahn (27) ändernder Durchflussquerschnitt einstellbar ist.

5. Kraftstoffregelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kurvenabtaster (40, 41) als schwenkbar montierte Hebel ausgebildet sind, dass der Hebelmechanismus einen Hebel (42) aufweist, der die Schwenkachsen der beiden hebeiförmigen Kurvenabtaster (40, 41) miteinander verbindet,und dass die Schwenkachse des ersten Kurvenabtasters (40) durch Betätigung der Schubeinstelleinrichtungen (50) derart verschiebbar ist, dass eine Positionie-

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rung des ersten Kurvenabtasters (40) in Abhängigkeit von dem gewünschten Schub und dem ersten und dem zweiten Druckluftwert herbeiführbar ist.

6. Kraftstoffregelsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch den ersten Kurvenabtaster (40) steuerbares Steuerventil (18) zur Regelung eines Steuerdruckes vorgesehen ist, dass ein in Abhängigkeit von dem Steuerdruck bewegliches Stellelement (14) vorgesehen ist und dass die Schwenkachse des zweiten Kurvenabtasters (41) in Abhängigkeit von den Stellbewegungen des Stellelements (14) verstellbar ist.

7. Kraftstoffregelsystem nach einem der Ansprüche

1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuerventil (18) vorgesehen ist, welches durch den zweiten Kurvenabtaster (41) zur Änderung eines Steuerdrucks betätigbar ist und dass die variable Dosiervorrichtung (12) in Abhängigkeit von diesem Steuerdruck betätigbar ist.

8. Kraftstoffregelsystem nach einem der Ansprüche

1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Uberströmeinrichtungen (66) vorgesehen sind, die in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Wert der Betriebsbedingungen der Gasturbinenmaschine ein tiberströmen von Kraftstoff aus einer die variable Dosiervorrichtung (12) enthaltenden Kraftstoff zuführ leitung ermöglichen.

9. Kraftstoffregelsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Trimmeinrichtungen vorgese-

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hen sind, mit deren Hilfe die Schwenkachse des ersten Kurvenabtasters in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Betriebsbedingung der Maschine verstellbar ist.

10. Kraftstoffregelsystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuerelement vorgesehen ist, welches in Abhängigkeit von dem Betriebszustand der Maschine betätigbar ist, dass das Steuerelement als Überströmventil zwischen der Kraftstoffzuführleitung und einer Niederdruck-Rückführleitung ausgebildet ist und dass das SteueieLement mit dem ersten Kurvenabtaster zur Änderung der Schwenkachse desselben in Wirkverbindung steht.

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