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Vorrichtung zur Brennstoffmengen- und Leistungsregelung für Gasturbinen
und ähnliche Kraftanlagen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Brennstoffmengen-
und Leistungsregelung für Gasturbinen und ähnliche Kraftanlagen, die die Kraft oder
Energie ausnutzen, die durch die Verbrennung und Expansion von Gasen in einer Brennkammer
erzeugt werden, der ein Gas, im allgemeinen Luft, unter Druck durch einen Kompressor
zugeführt wird, der durch die Turbine angetrieben wird.
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Wenn Gasturbinen in Fahrzeugen, z. B. Flugzeugen, benutzt werden,
sollte der Pilot oder die Bedienungsperson in der Lage sein, die ausgewählten Geschwindigkeiten
und Belastungen zu erhöhen oder zu verringern, indem auf eine zweckmäßige Leistungsregelvorrichtung
eingewirkt wird, ohne gefährlich hohe Temperaturen in der Brennkammer zu erzeugen,
ohne ein Pumpen des: Kompressors hervorzurufen oder als Folge eines Versagens des
Brenners die Maschine abzuwürgen. Um für die Beschleunigung die größtmöglichste
Leistung verfügbar zu haben, ist es wünschenswert, so viel Brennstoff, wie die trennkammer
ohne überhitzung verbrauchen können, zuzuführen, jedoch ist bei Maschinen mit bestimmten
Charakteristiken die Temperatur nicht die einzige Begrenzung, die beachtet werden
muß, da der Kompressor bestrebt sein wird, unstabil zu werden und sogar bei gewissen
Maschinendrehzahlen zu pumpen, wenn nicht ein bestimmtes Brennstoff-Luft-Verhältnis
aufrechterhalten wird. Für Maschinen mit bestimmten Charakteristiken ist diese Pumpgrenze
in den
Fig. 3, 4, 6 und 7, die die Brennstoffmengenzufuhr in Abhängigkeit
von der Maschinendrehzahl zeigen, angedeutet. Wenn einmal diese Grenze bekannt ist,
kann ein Überschreiten vermieden werden, indem man die Menge des zugeführten Brennstoffes
genau zumißt, und die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Mittel
vorzusehen, wodurch diese Regelung selbsttätig erreicht wird, während gleichzeitig
eine größtmöglichste Beschleunigung durch den Piloten oder eine Bedienungsperson
hervorgerufen werden kann. Eine andere Aufgabe besteht darin, eine Brennstoffmengen-
und eine Leistungseinrichtung Gasturbinen besser anzupassen, die bestimmte Charakteristiken
besitzen.
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Die vorstehenden und anderen Aufgaben und Vorteile ergeben sich klarer
auf Grund der nachfolgenden Beschreibung, die in Verbindung mit den Zeichnungen
zu verstehen ist. In ihnen stellt dar Fig. i eine teilweise durchbrochene Seitenansicht
einer Gasturbinenpropellermaschine, die mit einer Vorrichtung. zur Brennstoffmengenregelung
in Übereinstimmung mit der Erfindung versehen ist, Fig. 2 einen schematischen Schnitt
durch die Vorrichtung zur Brennstoffmengenregelung, Fig. 3 und 4 Kurven zur Verdeutlichung
der Arbeitsweise der Vorrichtung zur Brennstoffmengenregelung der Fig. 2, Fig. 5
einen Schnitt ähnlich der Fig. 2 durch eine abgeänderte Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 6 und 7 Kurven zur Erläuterung der Arbeitsweise der Vorrichtung nach der Fig.
5.
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Unter Bezugnahme zuerst auf Fig. i weist die Maschine im allgemeinen
einen Kompressor io auf, der als Axialkompressor dargestellt ist und Luft in ein
ringförmiges Kopfstück i i drückt, von dem aus sie zu einer Mehrzahl von ringförmig
im Abstand voneinander angeordneten Brennkammern 12 geleitet wird, von denen jede
ein Flammrohr 13 enthält, das Lufteinlaßlöcher in seinen Wandungen besitzt, durch
welche wenigstens ein Teil der Luft für die Zumischung zum Brennstoff geführt wird,
um eine Verbrennung zu erzeugen. Die Flammrohre 13 fördern in einen Sammlerring
14, der angeordnet ist, um die heiße Luft und die Verbrennungsprodukte durch einen
Satz von stationären Leitschaufeln 15 gegen die Schaufeln 16' eines Turbinenläufers
16 zu leiten. Die Turbine 16 treibt den Strömungskompressor io an, und diese Teile
können auf einer gemeinsamen, nicht gezeigten Welle angeordnet sein oder können
antriebsmäßig durch eine Getriebeeinrichtung miteinander verbunden sein. Die Turbine
ist zusätzlich dazu, daß sie den Kompressor antreibt, geeignet, einen Propeller
17 anzutreiben, der mit Propellerflügeln r7' versehen ist, die auf an sich bekannte
Weise für eine veränderliche Steigung vorgesehen - und mit einer zweckmäßigen Einrichtung
18 zum Verändern der Steigung einschließlich eines Steuerhebels ig versehen ist,.
mit dem ein Lenker 2o verbunden ist, der so dargestellt ist, daß er sich nach rückwärts
zu einem Getriebekasten 21 erstreckt, der eine zweckmäßige Einrichtung zum Zusammenfassen
der verschiedenen Maschinensteuerungen in Abhängigkeit von einem einzelnen Hebel
22 in sich aufnimmt, der mittels eines Lenkers 23 mit einem Leistungssteuerhebel
24 für den Piloten verbunden ist. Die Getriebeeinrichtung bildet keinen Teil der
vorliegenden Erfindung; sie ist einfach zur Erläuterung gezeigt als eine Zubehöreinrichtung
für Maschinen dieser Art. Der Kompressor io ist in einem Gehäuse: 25 angeordnet,
und vor diesem Gehäuse ist ein sich keglig nach außen. öffnender Lufteinlaß oder
eine Haube 26, die sich in Richtung der Flugzeugbewegung öffnet. Der bei 27 angedeutete
Teil schließt ein Untersetzungsgetriebe zwischen dem Turbinen- und dem Propellerantrieb
ein. Wie zu ersehen ist, wird ein Teil der Energie, im allgemeinen der größere Teil,
der sich aus der Verbrennung und der Expansion der vorverdichteten Luft und des
Brennstoffes ergibt, zum Antrieb des Propellers benutzt, während der Rest als Strahlantrieb
in einem Reaktionsrohr ausgenutzt wird, das in einem Schwanzstück 28 angeordnet
ist.
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Die Erfindung betrifft vorzugsweise eine Vorrichtung zur Brennstoffmengenregelung,
die schematisch in Fig. 2 gezeigt ist, wobei die Hauptteile der Vorrichtung in einem
Gehäuse angeordnet sind, das in Fig. i allgemein mit 3o bezeichnet ist, wo die Einheit
in der Nähe des Getriebekastens angeordnet und mit einem Steuerhebel 31 versehen
ist, der mit diesem Kasten über einen Lenker 32 in Verbindung steht. Auf diese Weise
können sowohl die Brennstoffmengen-zufuhr als auch die Propellersteigung mittels
eines einzigen Hebels 24 geregelt werden. Offenbar könnte der Hebel 31 unabhängig
von der Propellersteigung gesteuert werden, oder er könnte als die einzige Leistungsregelung
.dienen, falls dies gewünscht oder für zweckmäßig gehalten wird.
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Die Vorrichtung umfaßt in der Hauptsache einen Reglerabschnitt oder
einen Reglerkörper, der allgemein mit 33 bezeichnet und in Kammern 34 und 35 durch
eine Membran 36 unterteilt ist. Ein Reglerventil 37 ist mit der Membran 36 mittels
einer Stange 38 verbunden, an der ein mit Nuten versehenes Glied 39 zu einem
Zweck befestigt ist, der weiter unten beschrieben werden wird. Eine Feder 4o ist
in der Kammer 35 angeordnet und stützt sich mit ihrem inneren Ende gegen die Membran
36; sie bildet einen Minimumzumeßförderdruckregler insofern, als sie den Mindestwert
des Zuineßdruckes bei Maschinendrehzahlen bestimmt, die so niedrig sein können,
daß sie sonst eine Unstabilität des Reglers hervorrufen würden.
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Brennstoff wird unter Druck dem Regler über eine Leitung 41, 41' zugeführt,
in der zweckmäßige Mittel zum Unterdrucksetzen des Brennstoffes, z. B. eine maschinengetriebene
Brennstoffpumpe 42, angeordnet sind, wobei die Leitung 41' in einer ringförmigen
Ventilkammer 43 endet. Der Zuführdruck P1 wird auf einen bestimmten Wert über dem
gemessenen Brennstoffdruck P4 mittels eines Umgehungsventils 45 gehalten, das den
Rückfluß des Brennstoffes von der Leitung 41' über eine Leitung 46 und eine Ventilkammer
47 zu der ringförmigen
Kammer 48 und der Leitung 49 zurück zu der
Leitung 41 steuert oder zurück zu der Einlaßseite oder der Niedrigdruclcseite der
Pumpe 42. Die Stange des. Ventils 41 ist mit einer ;Membran so verbunden, deren
eine Seite eine Kammer 51 besitzt, die mit der Druckquelle über eine Leitung 52
verbunden ist und deren entgegengesetzte Seite eine Kammer 53 aufweist, die mit
dem gemessenen Brennstoffdruck P4 über Kanäle 54 und 55 verbunden ist. Der Brennstoffversorgungsdruck
PI
wird daher auf einem konstanten Wert oberhalb des Brennstoffzumeß- oder
-ausströmdüsendruckes P4 gehalten, wie er durch die Spannung der Feder 56 bestimmt
ist. Ein Sicherheits- oder Höchstdruckablaßventil ist mit 58 bezeichnet; es ist
vorgesehen, um einen gefährlichen Druck in der Vorrichtung z. B. als Folge der Tatsache
zu verhindern, daß die Brennstoffströmung zu den Brennkammern plötzlich abgesperrt
ist, während die Maschine weiterläuft. Ein Steuerungsabschnitt oder ein Steuerungskörper
ist allgemein mit 6o .bezeichnet. Er enthält einen Geschwindigkeitsmeßregulator
6,1, der Fliehkraftgewichte 6@i' trägt, und einen Speiseventilregulator 62, der
Fliehkraftgewichte 62' trägt, wobei beide Regulatoren in dem dargestellten Beispiel
auf einer gemeinsamen Welle 63 angeordnet sind, die auf ihrem äußeren Ende mit einem
Zahnrad 64 versehen ist, das geeignet ist, von der Maschine angetrieben zu werden.
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Die Drehzahlmeßgewichte 61' sind antriebsmäßig mit dem Reglerventi137
mittels eines Gleitlagers 65, das geflanschte Enden 65' und 65" besitzt, und mittels
eines Hebels 66 verbunden, der drehbar bei 67 gelagert ist, wobei sein äußeres Ende
mit dem Glied 39 auf der Ventilstange 38 in Eingriff kommt. Wenn die Welle 63 gedreht
wird, werden die Regulatorgewichte 61', die über den Hebel 66 und das Joch 39 wirken,
eine Kraft auf die Membran 36 in einer Richtung ausüben, um bestrebt zu sein, das
Ventil 37 zu öffnen. Wenn sich dieses Ventil öffnet, erhöht sich der Differenzdruck
über die Membran 36 und ist bestrebt, das Ventil zu schließen. Der resultierende
Differenzdruck, der so über die Membran 36 aufgebaut wird, ist dem Quadrat der Maschinendrehzahl
proportional.
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Eine Brennstoffspeise- oder -zumeßeinschnürung ist mit 69 bezeichnet;
ihre Fläche wird durch ein Brennstoffspeise- oder -drosselventil7o gesteuert, das
mit einer Stange 71 versehen ist, die an ihrem inneren Ende ein Drucklager 72 trägt,
dessen äußerer Bereich 72' mit den inneren Enden der drehbar gelagerten R bulatorgewichte
62' in Eingriff kommt. Eine Regulatorfeder 73 umschließt die Ventilstange 71, und
ihr inneres Ende legt sich gegen ein Drucklager oder eine Druckplatte 74, die von
der genannten Stange getragen ist und deren äußeres Ende eine Kontaktplatte 75 aufnimmt.
Ein Hebel 76 ist auf einer Welle 77 befestigt, die drehbar in dem Gehäuse der Einheit
angeordnet ist und auf deren äußerem Ende der Drossel- oder Steuerhebel 31 befestigt
ist. Wenn die Hebel 31 und 76 entgegen dem Uhrzeigersinn herumgedreht werden, wird
die Regulatorfeder73 zusammengedrückt, das Ventil 70
wird geöffnet, und gleichzeitig
werden die Regulatorgewichte 62 nach innen gebracht, worauf die Strömung
des Brennstoffes zu der Maschine erhöht wird und die letztere ihre Geschwindigkeit
vergrößert, bis ein. Gleichgewichtszustand erreicht ist, wie wohl von jedem Fachmann,
der mit diesem besonderen Zweig der Technik vertraut ist, verstanden wird. Eine
Verminderung des Druckes auf die Regulatorfeder erzeugt die entgegengesetzte Wirkung.
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Die Kammer 34 steht mittels eines Kanals 78 mit der Regulatorkammer
79 in Verbindung, und die letztere ist mit der Kammer 8o verbunden, in der das Ventil
7o angeordnet ist. Wenn das Ventil 70
geöffnet wird, wird der Brennstoff über
das Ventil in die ringförmige Ventilkammer 81 in gemessenen Mengen zugeteilt,. und
von dort fließt der Brennstoff über den Kanal 82 zu der Brennstoffzumeßleitung 8,2"
(s. Fig. i) und dem Verteilerring 83. Von diesem Verteilerring führen einzelne Brennstoffleitungen
84 den Brennstoff zu den einzelnen Einspritzdüsen 95 der Flammrohre 13. Diese Düsen
können von irgendeinem zweckmäßigen Typ sein, der geeignet ist, unter Druck zu öffnen
und Brennstoff in die Verbrennungskammern zu spritzen oder zu zerstäuben.
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Ein Brennstoffabsperrventil 86 ist gewöhnlich in der Leitung 82 angeordnet,
um die Strömung des Brennstoffes zu der Maschine vollständig abzusperren, wenn die
letztere stillgesetzt wird.
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Da eine Gasturbine dazu neigt, weniger Brennstoff für eine gegebene
Drosseleinstellung zu verbrauchen, wenn die Dichte der Luft mit Änderungen in der
Höhe abnimmt, ist es wünschenswert, für einen Ausgleich der Dichte der Luft zu sorgen.
Dies wird durch einen Luftdichtekreis bewerkstelligt, der eine Steueranzapfung 9o
zwischen den Kammern 34 und 35, einen Kanal 9@i, eine Kammer 92, eine Ventilkammer
93 und einen Kanal 94 aufweist, der in der Brennstoffzumeßleitung 82 endet. Eine
Ventilöffnung 95 ist zwischen den Kammern 92 und 93 angeordnet und wird von einem
profilierten Nadelventil 96 gesteuert, das mit einer Stange 96' versehen ist, die
mit einer Gleitstange 97 verbunden ist, die ihrerseits: mit dem bewegbaren Ende
einer Membramdose oder Balges 98 verbunden ist, der vorzugsweise derart belastet
ist, um auf Änderungen sowohl des Druckes als auch derTemperatur anzusprechen, und
der an einer Stelle angeordnet ist, wo er dem Druck am Eintritt in den Kompressor
ausgesetzt ist. Die Art, in der dieser Luftdichtekreis arbeitet, wird vollständiger
in der Beschreibung der Arbeitsweise auseinandergesetzt werden.
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Um ein Überschreiten der Pumpgrenze zu vermeiden, ist ein profiliertes
Nadelventil ioo vorgesehen und mit einer Membran ioi verbunden, die auf ihren gegenüberliegenden
Seiten Kammern io2 und 103 besitzt, die in Verbindung mit der Kammer 34 bzw. 35
(P2- und P3-Drücke) über Kanäle io@4 und io5 stehen. Die Membran ioi steht auf der
Rückseite unter der Wirkung einer Feder 1o6, die mittels einer Schraube 10,7 einstellbar
ist, die auf ihrem inneren Ende mit einem Halter io8 im Eingriff steht, auf den
sich die Feder legt. Die Nadel
ioo steuert einen Kanal iö9, der
die Druckzuführleitung i i o von der ringförmigen Ventilkammer i i i trennt. Der
Brennstoff von der Kammer i i i strömt über den Kanal 112 zu dem Kanal 55 und von
dort zu der Brennstoffzumeßleitung 82. .
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Arbeitsweise Im allgemeinen wird ein elektrischer Startermotor benutzt,
um die Maschine anzudrehen, während gleichzeitig Brennstoff zu den Brennkammern
geleitet und gezündet wird, und das Andrehen wird fortgesetzt, bis die Maschine
eine sich selbst erhaltende Drehzahl erlangt. Um die Strömung des Brennstoffes durch
die Regelvorrichtung zu beschreiben,-kann angenommen werden, daß letztere in Bodennähe
leer ist, in welchem Fall der Differenzdruck über die Membran 36 im wesentlichen
Null- sein würde, und das Reglerventil 37 würde unter dem Einfluß der Leerlauffeder
qo offen sein. Wenn das Drosselventil 70 in seiner Leerlaufstellung und seiner
teilweise geöffneten Stellung ist und die Maschine angedreht wird, wird der Brennstoff
durch die Leitung 44 ¢i' und über das Reglerv entil 37 zu der Kammer 34. strömen,
von der er durch den Kanal 78 und die Kammer 79 über das Ventil 70 und dann
durch die Leitung oder .den Kanal 82 und die Brennstoffzumeßleitung 82' zu dem Verteilerring
83 (Fig. i) ,strömt, und von dort strömt er zu der Einspritzdüse über die einzelnen
Brennstoffleitungen 8q.. Eine begrenzte Menge von Brennstoff wird auch durch die
Steuerdüse 9o zu der Kammer 35 des Reglers und von dort durch den Kanal g i, die
Öffnung 95 - und den Kanal 94 zu der Leitung oder den Kanal 82 strömen.
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Da die Welle 63, die die Drehzahlmeßgewichte.6i trägt, in Abhängigkeit
von der Maschinen- oder Turbinendrehzahl angetrieben wird, werden diese Gewichte
eine Kraft auf die Membran 36 in einer Richtung ausüben, bei der sie bestrebt sind,
das Reglerventil 37 zu öffnen. Wenn sich jedoch dieses Reglerventil öffnet, baut
sich ein Druck in der Kammer 34 auf und wirkt auf die Membran 36 in einer Richtung,
die dahin wirkt, das Ventil 37 zu schließen, wobei der resultierende Differenzdruck
proportional zu dem Quadrat der Maschinendrehzahl ist. Die Feder q.o hat eine geringe
Wirkung auf den Differenzdruck über dien Membran 36 bei Brennstoffströmungen über
der Leerlaufdrehzahl; ihr Zweck besteht hauptsächlich darin, den Geringstwert des
Meßförderdruckes über das Regulatorventi17o bei Drehzahlen festzulegen, die so gering
sein können, daß sie eine Unstabilität der Steuerung hervorrufen könnten. Der Differenzdruck
über die Membran 36 wird auf das Regulator- oder Drosselventil 70 gelegt,
und da dieser Differenzdruck im wesentlichen dem Quadrat der Maschinendrehzahl für
irgendeine gegebene Stellung des Reglerventils 70 und der Luftdichtenade196
proportional ist, werden die Geschwindigkeit und daher die Menge des Brennstoffdurchsatzes
durch das Ventil 7o der Quadratwurzel dieses Differenzdruckes oder unmittelbar der
Maschinendrehzahl proportional sein. Eine Bewegung des Regulätorventils
70 in eine Richtung, um die Fläche der durch das Ventil gesteuerten Zumeßöffnung
zu erhöhen; vermindert den Druckabfall über die letztere und vermindert daher den
Druckabfall über die Membran 36, worauf sich das Reglerventil auf seine offene Stellung
zu bewegt, die Zufuhr des Brennstoffes zu den Brennkammern erhöht wird und die Maschine
ihre Drehzahl vergrößert, bis die Regulatorgewichte 62' die Einstellung der Regulatorfeder
73 ausgleichen und ein Gleichgewichtszustand erreicht ist. Eine Bewegung des Regulatorventils,
70 in einer Richtung, um die zugeführte Brennstoffmenge zu vermindern, erhöht
den Differenzdruck über die Membran 36, worauf sich das Reglerventil 37 auf seine
geschlossene Stellung zu bewegt, die Brennstoffzufuhr zu den Brennkammern, verringert
und die Turbinen-oder Maschinendrehzahl vermindert wird, bis ein Gleichgewichtszustand
erreicht ist.
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Während der Beschleunigung oder Verzögerung werden sich der Meßdruck
oder der Differenzdruck und daher die Menge des zugeführten Brennstoffes erhöhen
und vermindern als eine Funktion der Maschinendrehzahl, wie es auch die Menge der
zu den Brennkammern gelieferten Luft tun wird.
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Bei einer Abnahme in der Dichte der zu der Maschine strömenden Luft
ist weniger Brennstoff erforderlich, um die Turbine und den Kompressor bei einer
gegebenen Drehzahl anzutreiben, und wenn nicht die größte Menge von zu der Maschine
gefördertem Brennstoff bei einer Beschleunigung entsprechend vermindert wird, wird
man viel höhere Temperaturen während der Beschleunigung in der Höhe erhalten, als
es in Bodenhöhe unter ähnlichen Maschinenbedingungen der Fall wäre, und zwar mit
Rücksicht auf das extrem reiche Brennstoff-Luft-Verhältnis. Es, kann für eine Maschine
der hierin beschriebenen Art angenommen werden, daß die Menge an zugeführtem Brennstoff,
die erforderlich ist, um eine gegebene Drehzahl aufrechtzuerhalten, ungefähr unmittelbar
mit der Dichte der eintretenden Luft veränderlich ist. a Wenn ein Pilot oder eine
Bedienungsperson sorgfältig den Leistungssteuerhebel während der Beschleunigung
bedienen und das Regulatorventil 7o auf eine Weise einstellen würde, daß. sich die
Menge an zugeführtem Brennstoff in unmittelbarem Verhältnis zu der Maschinendrehzahl
erhöhte, wäre ein Ausgleich mit Rücksicht auf die Änderungen der Dichte der Luft
durch Regeln des Differenzdruckes. über das Regulatorventil nicht notwendig, aber
die Steuerung würde dann so empfindlich sein, daß sie praktisch unbrauchbar wäre;
und dies trifft auch zu für die Verzögerung. Bei Gasturbinenmaschinen für Flugzeuge
ist es wiederum wünschenswert, eine verhältnismäßig hohe Leerlaufdrehzahl zu haben,
um sich gegen einen Maschinenausfall in der Luft zu sichern, und dies setzt in entsprechender
Weise den Bereich der Bewegung des Regulatorventils herab und erhöht die Empfindlichkeit
zwischen den? Einstellungen für die niedrige und die hohe Leistung.
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Die Regelanordnung zur BerücksichtigunL der Luftdichte arbeitet auf
die folgende Weise:' Eine Verminderung in der Dichte der eintretenden` Luft r
bewirkt
eine Verlängerung des Balges 98 und eine Vergrößerung in der Fläche der Mündung
95, während eine Erhöhung der Luftdichte die entgegengesetzteWirkunghat.
Für eine gegebene-Maschinen-oder Turbinendrehzahl wird der Differenzdruck über die
Meßdruckreglermembran 36 konstant sein, und daher wird die Strömung durch die Steuerdüse
go konstant bleiben. Der gesamte Brennstoffdurchsatz durch die Düse go wird durch
die Öffnung g5 gehen, und daher wird sich der Druckabfall über die letztere umgekehrt
wie das Quadrat ihrer Fläche verändern.; und für eine festgelegte: oder gegebene
Stellung der Nadel 96 (konstante Dichte) wird der Druckabfall über die Öffnung
95 proportional dem Druckabfall über die Steuerdüse go sein. Die Summe des
Druckabfalls über die Öffnung 95 und des Druckabfalls über die Membran 36 oder die
Düsego ist gleich dem Druckabfall über das Regulatorventil 70, und bei einer gegebenen
Luftdichte wird der gesamte Abfall dem Quadrat der Maschinendrehzahl proportional
sein. Wenn die wirksame Fläche der Mündung 95 vergrößert wird, wird seich
eine entsprechende Abnahme in dem Druckabfall über diese Öffnung und eine Abnahme
in dem Druck über das Regulatorventil 70 ergeben, was sich in einer Verminderung
der Strömung des Brennstoffes zu den Brennkammern für eine gegebene Stellung des
letzteren Ventils auswirken wird. So wird, wenn das Regulatorventil7o zum Zweck
einer Beschleunigung in der Höhe geöffnet wird, weniger Brennstoff zu den Brennkammern
geleitet werden, als es bei einer ähnlichen Stellung dieses Ventils auf Bodenhöhe
oder irgendeiner niedrigeren Höhe der Fall wäre. Indem man in zweckmäßiger Weise
die Dichtenadel 96 profiliert, kann eine im wesentlichen vollständige Kompensation
der Dichte erlangt werden. Dieser Vorteil ergibt sich nicht nur während der Beschleunigung
und der Verzögerung, sondern der Dichtekreis wird auf einer gegebenen Maschinen-
oder Turbinendrehzahl bei allen Höhen für irgendeine gegebene oder festgelegte Stellung
des Leistungssteuerhebels 24 oder des Drosselhebels 31 gehalten.
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Nunmehr sei die Arbeitsweise des Kreises zum Vermeiden des Pumpens
der Maschine beschrieben; hierbei ist zu bemerken, daß die Membran ioi parallel
zu der Reglermembran 36 liegt, und daher wird diese Membran ioi auch in Abhängigkeit
von der Maschinendrehzahl verstellt werden. Die Feder l o6 kann so eingestellt werden,
daß der Differenzdruck auf der Nadel ioo bei ausgewählten Maschinendrehzahlen wirksam
werden wird. Die Nadel ioo, die mit der Membran ioi verbunden ist, steuert die Fläche
der Öffnung iog, deren Hochdruckseite mit dem Druckabfall verbunden ist, der durch
das Umgehungsventil 45 aufrechterhalten wird. Diese gibt eine konstante Strömung
für eine gegebene Nadelstellung unabhängig von den Höhenänderungen. Wenn die Maschinendrehzahl
einen der rtigen Wert erreicht, daß der Differenzdruck über die Membran ioi bewirken
wird, daß die Nadel ioo die Öffnung iog öffnet, wird sich ein Bret:nstoffdurchsatz
durch diese Öffnung und von dort über die Kanäle 112 und 55 zu dem gemessenen Brennstoffkanal
82 ergeben. Dieser Brennstoffdurchsatz ist zusätzlich zu dem zugemessenen über das
Regulatorventil7o vorgesehen und wird automatisch ein- und ausgeschaltet werden.
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Wenn von fehlerhafter Arbeitsweise in einer Gasturbinenmaschine abgesehen
wird, kann im allgemeinen gesagt werden, daß sich die Luftzufuhr im wesentlichen
linear mit der Maschinendrehzahl ändert; und um eine konstante Temperatur an dem
Turbineneinlaß aufrechtzuerhalten, sollte sich auch der Brennstoffdurchsatz im wesentlichen
linear mit der Maschinendrehzahl ändern. In der Praxis ist festgestellt worden.,
daß eine Maschine, die einen Zentrifugalkompressor benutzt, enger an linearen Charakteristiken
für die Luft- und die Brennstoffströmung haften. wird als eine Maschine, die einen
Axialkompressor benutzt.
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In den Diagrammen der Fig. 3, 4, 6 und 7 stellen die Ordinaten
a bzw: ä die in der Zeiteinheit zugeführte Brennstoffmenge dar und
die Abszissen b bzw. b' die Maschinendrehzahl. Das Verhältnis des Ordinatenmaßstabes
zum Abszissenmaßstab hängt noch von der Größe der Maschine ab, und deshalb sind
keine Maßstäbe eingetragen. Die Kurve i24 bzw. 12q.' stellt die Pumpgrenze und die
strichpunktierte Linie 116 bzw. 116' die höchste Förderleistung der Brennstoffpumpe
42 dar. Es sei angenommen, daß die Maschine bei einem Punkt 117 arbeitet und der
Pilot das Regulatorventil7o genügend öffnet, um bis zum Punkt i 18 zu beschleunigen;
dann wird der Brennstoff, der während dieser Beschleunigungszeit zugeführt wird,
den Pfeilen von 117 bis i ig bis auf der 700'-C-Temperaturlinie 121 folgen und wird
in im wesentlichen linearer Beziehung zu der Maschinendrehzahl bis zum Punkt i2o
fortgesetzt werden. Die anfängliche Ausnahme in der Strömung, die durch die vertikalen
Pfeile dargestellt ist, ergibt sich als ein Ergebnis der Zunahme in der wirksamen
Fläche des Regulatorventils bei der dann vorhandenen Drehzahl. Bei dem Punkt i2o
wird das Ventil ioo wirksam, und die Kurve i22 wird zu der Kurve 121 hinzugefügt,
indem eine Erhöhung in der Temperatur in den Brennkammern bis zu beispielsweise
820°'C bei 118 erzeugt wird, bei der angenommen werden kann, daß sie noch unter
der Purnpgrenze bei der bestehenden Maschinendrehzahl für die besondere, der Betrachtung
unterworfenen Maschinentype ist, während gleichzeitig eine gute Beschleunigung sichergestellt
ist. In Fig. 4 entsprechen die Kurven denen der Fig. 3 mit Ausnahme davon, daß die
Maschine in diesem Augenblick bei einer beträchtlichen Höhe arbeitet, beispielsweise
1o 700;m, und die Brennstoffmenge, die für die gleiche Drehzahl wie in Fig.3 erforderlich
ist, ist viel geringer. Hier kann sich eine unkompensierte Hinzufügung für die Beschleunigung
(Kurve bei 122) als vorteilhaft für bestimmte Maschinentypen wegen der Tatsache
erweisen, daß ein Pumpen durch die Temperatur beeinflußt wird und die Neigung zum
Pumpen sich mit Abnahme der atmosphärischen Temperatur erhöht, und um eine gegebene
Drehzahl oder Leistung aufrechtzuerhalten,
sollte die Menge an zugeführtem
Brennstoff erhöht werden, wenn die Temperatur der eintretenden Luft abfällt. So
ist in Fig.4 die prozentuale Hinzufügung, die von der unkompensierten Kurve r22
dargestellt wird, größer in der Höhe als in Bodennähe, da der kompensierte Brennstoff,
der durch die Kurve i2,i dargestellt wird, viel kleiner ist. Die Kurve 121 könnte
z. B. kompensiert werden, um 700°C bei großen Höhen und 785°C in Bodennähe zu geben,
und in jedem Augenblick könnte die Erhöhung in der Temperatur, die ,sich von der
Hinzufügung der Kurve 122 ergibt, netto 820°C für die obere Beschleunigtingsgrenze
sein. Offenbar kann die Nadel ioo derart profiliert werden, um verschiedene Abwandlungen
für die Kurve 122 zu . ergeben.
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Die Fig. 5 erläutert, wie die Brennstoffmengenregelvorrichtung der
Fig.2 abgewandelt werden kann, um eine Kompensation der Dichte für den hinzugefügten
Beschleunigungsbrennstoff zu erhalten. Bei dieser Figur sind den Teilen, die denen
der Fig.2 entsprechen, gleiche Bezugszeichen gegeben worden. Der Unterschied liegt
in dem Anreicherungs-Beschleunigungs-Brennstoff-Kreis am unteren rechten Teil der
Fig. 5. Die Nadel 130, die der Nadel loo der Fig.2 entspricht, steuert eine veränderliche
Öffnung 131 und ist mit einer Membran 132 verbunden, deren gegenüberliegende Seiten
Kammern 133 und 134 besitzen, wobei die Kammer 133 mit der Reglerkammer
34 über einen Kanal 135
und die Kammer 134 mit der Kammer 35 dieses Reglers
über einen Kanal 136 verbunden sind. Die Membran i32 ist auf der Rückseite durch
eine Feder 137 unterstützt, die sich auf einem Teller oder einem Anschlag
i38 abstützt, der einstellbar mittels einer Schraube 139 ist. Die Mündung
131 steuert die Verbindung zwischen der Kammer 133
und einem Kanal 140, der
mit dem Kanal 55 in Ver= Bindung steht, der zu der Brennstoffzumeßleitung und dem
Kanal 82 führt. Die größte Offenstellung der Nadel 130 ist einstellbar durch ein
Kontaktglied 141 bestimmt, das geeignet ist, mit einem einstellbaren,Anschlag 142
in Eingriff zu kommen.
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Die Fig. 6 und 7 verdeutlichen die Arbeitsweise der Brennstoffmengenregelvorrichtung
der Fig.5. In diesem Fall sind den Kurven, die denen der Fig. 3 und 4 entsprechen,
gleiche Bezugszeichen mit Ausnahme eines Striches ('), der hinzugefügt -vordren
ist. Diese Figuren erläutern einen Zustand, bei dem die Pumpgrenze eire Absinken
in der Brennstoffmengenzufuhr in dem mittleren Drehzahlbereich erfordert. Es ist
zu sehen; daß die Brennstoffmengenzufuhr von der Kammer 34 über den Kanal 135 und
die Kammer 133 und über die Öffnung 131 kompensiert wird mit Rücksicht auf Änderungen
in der Dichte auf die gleiche Weise, wie eine Kompensation mit Rücksicht auf den
Druckabfall über das Regulatorventil 70 erreicht worden ist. Mit anderen
Worten: dehnt sich der Balg98, wenn das Flugzeug an Höhe gewinnt, aus, wodurch die
Fläche der Öffnung 95 vergrößert und der Druck über das Regulatorventil
70 verringert wird, während gleichzeitig der Druck über das Nadelventil 130
vermindert wird, so daß sich .der hinzugefügte Deschleunigungsbrennstoff mit den,
Änderungen in der Dichte verändert. Das Profil der Nadel i30 bestimmt die Pfeillinie
zwischen den Punkten i20' und 123. Bei 123 würde das Ventil 130 wegen des Kontaktgliedes
41, das mit dem Anschlag i42 in Eingriff kommt, nicht länger öffnen. Wenn dann eine
konstante Regulatorventilfläche und eine konstante Fläche für das Ventil r30 angenommen
wird, würde sich das Zumessen von Brennstoff von i23 bis zu i i8' bei größter Drehzahl
fortsetzen.
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Bei der Vorrichtung nach Fig. 5 ist die prozentuale Wirkung des Ventils
i 3o die gleiche sowohl bei Meereshöhe oder in Bodenhöhe als auch in größeren Flughöhen.
Diese Art der Regelung kann zweckmäßiger für Maschinen sein, die gewisse Charakteristiken
haben. Das Profil der Nadel 130 und die Einstellung der Feder 137 bestimmen
die Wirkung des Profils auf die Gesamtbrennstoffzufuhr, die durch die Kurve i22'
dargestellt ist.
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Obwohl nur zwei Ausführungsformen der Erfindung schematisch erläutert
und beschrieben worden sind, können gewisse Abänderungen der Teile in der Form und
der Anordnung zueinander ausgeführt werden, wie sie durch die Anforderungen der
Praxis und die tatsächliche Verwendung bestimmt werden.