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Einrichtung zur Regelung von Flugmotoren mit Abgasturbolader Die Erfindung
bezieht sich auf eine Einrichtung zur Regelung von Flugmotoren mit Abgasturbolader.
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Es sind bereits Regeleinrichtungen für mit Abgasturbinen ausgerüstete
Höhentriebwerke vorgeschlagen worden, bei denen der vom Flugzeugführer bediente
Leistungshebel sowohl mit einem Wählhebel zur Veränderung der Grundeinstellung des
Ladedruckreglers als auch mit einer in ,der Ladeleitung angeordneten Drosselklappe
verbunden ist, während der Arbeitskolben des La.dedruckreglers einerseits ebenfalls
mit der Drosselklappe in der Ladeleitung, andererseits mit einer die Beaufsch.lagung
der Abgasturbine regelnden Vorrichtung, beispielsweise mit einer Drosselklappe zur
Regelung des Abgasdrucks in der Auslaßleitung des Motors, in Verbindung steht. Dabei
erfolgt die Verbindung des Reglerkolbens mit den Drosselklappen in .der Ladeleitung
und in .der Auslaßleitung durch Schleppgestänge in der Weise, daß zwei streng voneinander
getrennte Regelbereiche entstehen, indem, von ;der Leerlaufstellung ausgehend, zunächst
die Drosselklappe in der Ladeleitung voll geöffnet wird, während die Drosselklappe
in der Auslaßleitung in ihrer ursprünglighen, voll geöffneten Stellung verharrt,
und erst im darauffolgenden zweiten Regelbereich die Drosselklappe in der Auslaß.leitung
mehr und mehr geschlossen und damit die Beaufschlagung der Abgasturbine verstärkt
wird, während nunmehr die Drosselklappe in der Ladeleitung in voll geöffneter Stellung
verharrt.
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Diese Art der Regelung hat jedoch den Nachteil, daß im zweiten Regelbereich,
in welchem die
Leistungsregelung allein durch Verändern der Turbinenbeaufschlagung
erfolgt, wegen der Trägheit der umlaufenden Massendes Abgasturboladers ein starkes
Pendeln der Leistung auftritt. Durch die Erfindung wird dieser Nachteil beseitigt,
ohne daß auf die Erfüllung der Forderung, ein Drosseln der Ladeluft weitgehend zu
vermeiden; verzichtet wird.
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Die Erfindung besteht darin, daß :der Arbeitskolben des Ladedruckreglers
einerseits spielfrei mit der Drosselklappe in der Ladeleitung verbunden ist, so
daß der volle Weg :des Arbeitskolbens der vollen Drosselklappenöffnung entspricht,
:andererseits unter Einschaltung eines ,gewissen Spiels mit .dem Steuerkolben eines
Servomotors in Verbin.dun@ steht, dessen Arbeitskolben auf ein in ider Auslaßleitung
des Motors angeordnetes Abb :laseventil zur Regelung des Abgasdrucks vor :der Turbine
wirkt, wobei der Steuerkolben des Servomotors durch sich an einem festen Teil :der
Einrichtung abstützende Federn für gewöhnlich in seiner unwirksamen Mittelstellung
gehalten wird und seine Verbindung mit dem Reglerkolben des Ladedruckreglers so
ausgebildet ist, daß dabei der durch das Spiel im Verbindungsgestänge ermöglichte
Bereich freier Deweglichkeit -der Drosselklappe in der Nähe der vollen Drosselklappenöffnung
liegt.
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Bei der Einrichtung gemäß der Erfindung kann der Leistungshebel im
Gegensatz zu dem obererwähnten älteren Vorschlag zwangsläufig mit dem Wählhebel
des Ladedruckreglers verbunden -,verden, so daß sich der am Ladedruckregler eingestellte
Sollwert des Ladedrucks beim Bewegen des Leistungshebels aus der Leerlauf- in .die
Vollaststellung kontinuierlich erhöht und einer bestimmten Stellung des Leistungshebels
auch immer ein ganz bestimmter Ladedruck entspricht.
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Auch kann bei Anwendung der Erfindung die Anordnung trotz einteiliger
Ausbildung g der Drossel-'klappe in der Ladeleitung so getroffen werden, daß der
Flugzeugführer beim Bruch :der Membrandose des Ladedruckreglers die Drosselklappe
mittels des Leistungshebels in jede gewünschte Stellung bringen kann, indem die
durch eine Feder im öffnungssinn belastete Drosselklappe sowohl mit dem Reglerkolben
,des La-dedruckreglers als auch mit dem Leistungshebel durch je ein Totganggestänge
verbunden ist, wobei die Hebellänge, mit welcher die Verbindung zwischen der Drosselklappe
und dem Leistungshebel an letzterem angreift, so gewählt ist, daß sich die Drosselklappe
bereits vollständig öffnen kann, wenn sich der Leistungshebel annähernd in seiner
mittleren Stellung befindet.
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Da, sich der Arbeitskolben ,des Ladedruckreglers beim Bruch der Reglerdose
in diejenige Endstellung bewegt, in welcher er auf das Ab'blaseventil im Schließungssinn
einwirkt, und: der Abgasturbolader bei vollständig geschlossenem Abblaseventil unter
Umständen eine zu hohe Drehzahl annehmen kann, ist .gemäß einer weiteren Ausbildung
der Er= findung der Steuerzylinder des Servomotors für die Einstellung des Abblaseventils
längs verschietblich gelagert und mit der Muffe eines von dem Abgasturbolader angetriebenen
Drehzahlreglers verbünden, so daß der Drehzahlregler bei einer Erhöhung der Laderdrehzahl
über die höchstzulässige Drehzahl hinaus durch Verschieben ,des Steuerzylinders
der auf ein Schließen .des Abblaseventils hinwirkenden Bewegung des in dem Steuerzylinder
gleitenden Steuerkolbens entgegenwirkt.
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In der Zeichnung zeigt A ibbb. I eine Ausführungsform der Erfindung
in wesenhafter Darstellung, Abb. 2 ein Schaubild zur Erläuterung der dämpfenden
Wirkung der Gestä geverbindung auf die Regelung.
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In Abb. r bedeutet 3 .die vom Ladegebläse zu den Motorzylindern führende
Einlaßleitung, die von der verdichteten Ladeluft in Richtung :des Pfeiles q. durchströmt
wird. 5 ist d ie einteilige Drosselklappe, auf deren Drehachse der zweiarmige Hebe16
befestigt ist. An dem oberen Arm dieses Hebels greift eine Zugfe-der7 an, die auf
die Drosselklappe :ständig im Öffnungssinn einwirkt. Bei ganz geöffneter Drosselklappe
liegt der obere Arm des Hebels 6 an dem festen Anschlag 8 an.
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Es bedeutet ferner 9 :die von .den Motorzylindern zu der das Ladecgebläse
antreibenden Abgasturbine führende Auslaßleitung, :durch welche -die Abgase in Richtung
des Pfeiles ro strömen. In einer Seitenkammer r z :der Auslaßleitung ist ein sogenanntes
Abb:laseventil 12- angeordnet, an dessen Sitz sich eine ins Freie führende Rückstoßdüse
13 anschließt. je nach der Stellung des Ventils 12 wird eine .mehr oder weniger
große Menge der anfallenden Abgase ins. Freie abgeblasen und dadurch die Beaufschlagung
der Albgasturbine geregelt.
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Die Regelung des in der Einlaßleitung 3 herrschenden Ladedrucks erfolgt
.also einerseits unmittelbar durch die Drosselklappe 5, andererseits mittelbar durch
Idas Abblaseventil i2 über die Regelung der Drehzahl des Abgasturboladers. Beide
Regelorgane erhalten ihre Impulse von einem Ladedruckregler 1q., ider in bekannter
Weise als Wahlregler ausgebildet ist, indem die über eine Verbindungsleitung 15
vom Ladedruck hinter der Drosselklappe 5 beaufschlagte Membrandose 16 des Reglers
hinsichtlich ihrer Grundeinsteldung von einem Nocken 17 beeinflußt werden kann,
:der mit dem Wählhebel 18 fest auf einer gemeinsamen Welle zg angeordnet .ist. Der
Wählhebel ist durch die Stange 2o zwangsläufig mit dem vom Flugzeugführer bedienten
Leistungshebel 21 verbunden.
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Der Reglerkolben 22 des Ladedruckreglers steht nach einer Seite hin
durch das Gestänge 23 mit ,dem unteren Arm des Stellhebels 6 :der Drosselklappe
5, nach der anderen Seite hin über das GestänIge 24, 25, 26, 27 und :die Winkelhebel
28, 29 mit dem Steuerkolben 30 eines Servomotors 31 in Verbindung, dessen
Axtbeitskolben 32 über die Stange 33 -das Abblaseveritil 12- einstellt.
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Das Gestänge-23 ist zwar aus Gründen, die später ersichtlich werden,
an seiner Anlenkstelle an den Hebel 6 mit einer Schleife 34. versehen, doch wirkt
der Arbeitskolben 22, solange der Ladedruckregler ordnungsmäßig arbeitet, spielfrei
auf die Drosselklappe
5 ein, da die @ed:r 7 den Anlenkpunkt 35
des Hebels 6 ständig gegen das innere Ende der Schleife 34 zieht, so daß der _ gesamte
Hub des Arbeitskolbens einer vollständigen Öffnungsbewegung der Drosselklappe entspricht.
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Dagegen ist in der Verbindung zwischen dem Arbeitskolben 22 und dem
Steuerkolben 30 ein gewisser Totg.ang eingeschaltet, indem der Kopf 36 .des
Gestängeteiles 25 mit einem bestimmten Spiel nach beiden Seiten in den ihn umgreifenden
Kopf 37 des Gestängeteiles 26 eingesetzt ist. Dabei wird der Kopf 37 ,durch zwei
sich an festen Teilen der Einrichtung abstützende Federn 38, 39, solange über den
Gestängetei125 keine Verstellkräfte auf ihn ausgeübt werden, in einer Stellung gehalten,
die der dargestellten unwirksamen Stellung des Steuerkolbens 30 entspricht.
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Durch das zwischen den Gestängeteilen 36, 37 nach beiden Seiten hin
vorhandene Spiel ist .dem Arbeitskolben 22 des Reglers die Möglichkeit gegeben,
die Drosselklappe innerhalb des Bereiches ß frei zu bewegen, ohne daß dabei der
Steuerkolben 3o aus seiner unwirksamen Stellung verschoben wird. Kleine Abweichungen
von .dem am Regler gewählten Ladedruck werden also vom Regler zunächst durch Verändern
der Drosselstellung ausgeglichen, und erst wenn ,der Bereich freier Beweglichkeitder
Drosselklappedazu nicht mehrausreicht, erfolgt eine Grobregelung durch Verändern
der Einstellung des Abblaseventils 12 über ..den Servomotor 31. Dabei ist die Länge
der einzelnen Cestängeteile zu beiden Seiten des Arbeitskolbens 22 ,so abgestimmt,
daß sich :die Drosselklappe 5 und damit ihr freier Bewegungsbereich in der Nähe
der vollen Drosselklappenöffnung befindet, wenn der Steuerkolben 30 in seiner
unwirksamen Mittelstellung steht und damit in der Grobregelung auf der Abgasseite
ein gewisser Beharrungszustand erreicht ist.
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In dem Schaubild der Abb. 2 ist die Wirkung der Regeleinrichtung auf
das Abblaseventil 12, im Verhältnis zu der jeweiligen Stellung der Drosselddappe
5 bzw. des Reglerkolbens 22 dargestellt. Auf der Grundlinie .des Schaubildes ist
die jeweilige Drosselklappenöffnung in Prozenten des vollen Öffnungsquerschnitts
einbetragen, darüber der entsprechende Bewegungszustand ,des Abblaseventils. Die
Strecke b stellt den neutralen Bereich dar, in welchem die Drosselklappe 5 um den
Winkel ß frei beweglich ist und der Steuerkolben 30 in seiner unwirksamen
Mittelstellung verharrt, wobei der Punkt M der in Abb. i gezeichneten Drosse,lklappenstellung
entspricht. Innerhalb des Bereichs b befindet sich das Abblaseventil 12 in Ruhe.
In dem davor liegenden Bereich a wird der Steuerkolben 30 von dem Reglerkolben 22
entgegen der Wirkung der Feder 38 einwärts bewegt und dadurch .das Abblaseventil
12 weiter geöffnet, um eine Verringerung der Drehzahl des Abgasturboladers und damit
eine Herabsetzung des Ladedrucks in der Einlaßleitung 3 zu erreichen. In dem dahinterliegenden
Bereich c wird der Steuerkolben 30 gegen die Wirkung der Feder 39 nach außen
bewegt und dadurch ein Schließen des Abblaseventils, d. h. eine Erhöhung des Ladedrucks
bewirkt.
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Es wird also durch die beschriebene Einrichtung folgernde Regelung
erreicht: Bei kleinen Lasten, d. b. wenn sich der Leistungshebel 21 näher der Leerlaufstellung
Zia befindet und die Membrandose 16 des Reglers durch .den Nocken 17 nur eine geringe
Vorbelastung erfährt, bewegt sich,dieDrosselklappe 5 unter dem Einfluß des Reglerkolbens
22 zwischen den Punkten 0 und A des Schaubildes und der Steuerkolben 30 zwischen
seiner innersten Stellung und der gezeichneten Mittelstellung, so daß also das Abblaseventil
12 voll geöffnet ist.
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Wird der Leistungshebel zwecks Erhöhung der Motorleistung weiter in
Richtung -auf die Vollast-Stellung erb bewegt und !die Vorbelastung der Membrandose
16 dadurch entsprechend erhöht, so öffnet der Reglerkolben 22 die Drosselklappe
über den Punkt A hinaus, wobei sich zwischen den Punkten A und B der Drosselklappenöffnung
an der Stellung des Steuerkolbens 30 und damit an der geöffneten Stellung
desAbblaseventils nichts ändert, da sich auf diesem Wege das .Spiel 2s in dem Gestänge
25, 26 auswirkt. Erst beim weiteren Öffnen der Drosselklappe über den Punkt B hinaus
wird der Steuerkolben 30 aus seiner Mittelstellung nach außen verschoben
und nunmehr das Abbl.aseventil mehr oder weniger geschlossen, bis .die hierdurch
bewirkte Erhöhung der La-derdrehzahl und damit des Ladedrucks eine Rückführung des
Steuerkolbens 30 in seine Mittelstellung und ein Stehenbleiben des Abblaseventils
in der gerade erreichten Stellung bewirkt, wobei die Drosselklappe in .die Stellung
B zurückkehrt.
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Infolge der Trägheit der umlaufenden Massen des Turboladers wird nun
im allgemeinen die tatsächlich eingetretene Veränderung des Abblaseventilquerschnitts
größer sein als die zur Erzeugung des am Regler neu eingestellten Ladedrucks erforderliche
Ouerschnittsänderung, so ,daß eine unerwünschte weitere Erhöhung des Ladedrucks
auftreten würde, wenn der Abgasturbolader bis auf die durch den neuen Regelquerschnitt
ermöglichte Drehzahl beschleunigt ist. Dieser Steigerung des Ladedrucks wird nun
zuerst durch Schließen der Drosselklappe von B auf A entgegengewirkt,
wobei der 30 zunächst in seiner Mittelstellung verharrt, da sich nunmehr
.das Spiel 2s in dem Verbindungsgestänge in umgekehrter Richtung als vorher auswirkt.
Reicht das Schließen der Drosselklappe von B auf A hierzu noch nicht aus, so wird
beim Unterschreiten .des Punktes A das Abblaseventil wieder etwas geöffnet, indem
der Steuerkolben 3o aus seiner Mittelstellung nach innen bewegt wird. Dieses Spiel
wiederholt sich so lange, bis die Drosselklappe innerhalb ihres freien Bewegungsbereichs
A-B (,ß) zur Ruhe kommt. Im praktischen Betrieb ist dies nach einigen geringen Schwankungen
des Ladedrucks bereits geschehen. In .gleicher Weise erfolgt die Regelung auch,
wenn der tatsächliche Ladedruck infolge einer Änderung des äußeren Luftdrucks von
dem am Regler eingestellten Solldruck abzuweichen beginnt.
Durch
die Schaffung des freien Bewegungsbereichs der Drosselklappe und die gleichzeitige
Betätigung von Drosselklappe und Abblaseventil in dem an den freien Bewegungsbereich
anschließenden Bereich wird also eine wirksame Dämpfung der Regelung erzielt. Dabei
hat .die gemeinsame Betätigung von A,bblaseventil und Drosselklappe dile Wirkung
einer pneumatischen Rückführung, indem z. B. bei geänderter Ladedruckwahl d lie,
von Odem Steuerkolben 30 freigegebenen überströmquer-~schnitte durch die
gleichzeitige Bewegung der Drosselklappe verkleinert werden., so daß hierdurch die
Gefahr einer Überregelung von vornherein ver-%ingert wird.
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Beim Bruch bzw. beim sonstigen Undichtwerden der Membrandose 16 füllt
sich diese mit Ladeluft und dehnt sich dementsprechend aus. Die Folge .davon .ist,
.daß der Reglerkolben 22 die Drosselklappe 5 vollständig öffnet und sie in dieser
Stellung stehenläßt. Um auch in diesem Falle die Motorleistung von Hand beeinflussen
zu können, ist am äußeren Ende des Gestänges 23 die Schleife 34 vorgesehen und,der
untere Arm -des Drosselklappen- . hebels 6 mit dem Leistungshebel 21 durch eine
Stange 40 verbunden, .die an dem Leistungshebel ebenfalls mittels einer Schleife
41 angelenkt ist. Der Abstand des Anlenkungspunktes 42 von dem Schwenkpunkt 43 des
Leistungshebels ist dabei so gewählt, daß die Drosselklappe durch den Regler 14
bereits vollständig geöffnet werden kann, wenn sich. der Leistungshebel in der gezeichneten
mittleren Stellung befindet. Das Arbeiten des Reglers wird also in den praktisch
vorkommenden Stellungen des Leistungshebels durch dessen Verbindung mit .der Drosselklappe
nicht 'behindert. Dagegen kann beim Aussetzen des Reglers die Drosselklappe durch
den Leistungshebel in jede gewünschte Stellung gebracht werden, wenn :dieser zwischen
den Stellungen 2i und 2i11 bewegt wird, wobei das äußere Ende der Schleife 41 ständig
an dem Anlenkungspunkt 42 anliegt.
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Eine weitere Folge etwaiger Umdichtigkeit der Membrandose 16 ist,
daß der Steuerkolben.30 in diesem Falle von dem Reglerkolben 22 in seine äußere
Endstellung bewegt und das Ab'blaseventil 12 dadurch vollständig geschlossen wird,
so daß der Abgasturbolader leicht eine unzulässig hohe Drehzahl annehmen .könnte.
Dieser Gefahr wird durch einen von der Turbinenwelle aus - angetriebenen Drehzahlregler44
vorgebeugt, dessen Muffe45 über den Winkelhebel 46 und die Stange 47 mit dem längs
verschieblich indem Gehäuse des Servomotors 31 angeordneten Steuerzylinder 48 verbunden
ist. Die Anlenkung des Steuerzylinders an ,den Drehzahlregler erfolgt in der Weise,
daß bei einer Erhöhung der Drehzahl des Abgasturboladers über die zulässige Höchstdrehzahl
hinaus der Steuerzylinder nach einwärts verschoben wird. Dadurch wird hinsichtlich
'der Freigabe der überströmquerschnitte iah Steuerzylinder dasselbe erreicht, als.
wenn der Steuerkolben 3o im ruhenden Zylinder in entgegengesetzter Richtung, d.
h. ebenfalls nach innen, verschoben worden wäre. Infolgedessen wird das Abblaseventil
wieder geöffnet und dadurch die Drehzahl des Turboladers auf das zulässige Maß gesenkt.
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Diese Grenzdrehzahlregelung ist auch für den Betrieb (des Motors oberhalb
der Volldruckhöhe von Bedeutung, wo der am Ladedruckregler eingestellte Solldruck
ebenfalls eine Erhöhung der Laderdhehzaihhl über das zulässige Maß hinaus erfordern
könnte. In diesem Falle verhindert der Drehzahlregler eine derartige Drehzahlerhöhung
und sorgt gleichzeitig durch Einhalten der höchstzulässigen Drehzahl dafür, daß
der jeweils größtmögliche Ladedruck erzielt wird.