DE928264C

DE928264C - Brennstoffspeise- und Leistungssteuer-Einrichtung fuer Gasturbinen, Strahltriebwerkeu. dgl.

Info

Publication number: DE928264C
Application number: DEB10647A
Authority: DE
Original assignee: Bendix Aviation Corp
Current assignee: Bendix Aviation Corp
Priority date: 1944-10-09
Filing date: 1950-09-30
Publication date: 1955-05-26

Description

Brennstoffspeise- und Leistungssteuer-Einrichtung für Gasturbinen, Strahltriebwerke u. dgl.

Die Erfindung betrifft Bren:nstofspei@se- und

Leis,tungsis;bau,eir-E.in,richtungen für Gasturb,i-nen,

Strahlltriebweirke und ähnliche Kraftanlagen zur

Ausnutzung jener Energne, diie durch Verbrennung

mit vorv erdichteter Luft erzeugt wird; siie Ist ins-

besondere für Sbralhltr,ieb-wie!rk@e für Flugzeuge

geeignet, bei denen diie Luft in einer Kammer eines

Triebgasierzeug°ns verdichtet wird. An dkser Stelle

wird d;i@e Luft durch die Verbrennung des Brenn-

stoffes erwärmt, und die Luft und die Verbrennungs-

produlcte werden durch eine Turbine gelei:tet, wm

einen Kompressor anzutreiben, und werden .dann

durch eine Riiclcstoßdüs,e 'hineingedrückt, um das

Flugzeug anzutreiben. D,i,e Erfindung ist außerdem

insbesondere für Kraftanlagen für Flugzeuge ge-

eignet, hei denen eine Gasturbine den Propeller dets

Flugzeuges antreibt und zusätzlich einen Kom-

presso@r antreiben kann, der Luft zu einem Treib-

gaseirzeuger fördert, und bei denen auch,di,e Abgase

der Turbine durch eine Realetionsdüse austreten

und dabei einen den Propeller unterstützenden

Vortri-db ergeben.

Bei einer Gasturbiiienan;lage mit einem dyn.am:iseli

arbeitenden, von der Turbine angetriebenen Ver-

dichter ändiert sich bvi gegehener Dichte der ein-

tretenden Luft,das Luftgewicht unigefäh,r li-neav mit

der Dr@eihzahl, der Ver.dlichterd,rucle u,ngefä"li,r qua-

dratisch mit der Drehzahl und die Verdichter-

leiisituing ungefähr mit der dritten Potenz ;der Dx:eh-

z2iih,l. Beim Steuern der Leisitu:ng durch Ändern der

Bre:nnsto:ffz,ufuhr än:diert sich diese ungefähr mit dier

dritten Potenz der Drehzahl, .so daß für eirre ge-

gebene B;r ennstoffzufuhr die Tumbiinienidireihz:ahl ,sich

so lange ändert (wächst oder abnimmt), biis die

Drehzahl ,im Hiniblick auf die zu ihr gehörende

Leiieitunig im Einklang mit der gegeiben:enBmemnstoff-

zuf.uhr steht.

Eine äußerst einfache Leiistu:ngssteuer-Aaord-

aung für Gasturbinen und Strahilantriebe kann

daduirch geschaffen werden, daß eiiin Leistunigs-

steuerhebel oder ein Quadrant mit ei.niem Regerl-

omgan in der B,rennstoffärd:er,lie@itung verbunden

wird. Bei :einer :derartigen Anordnung bewegt der

Pilot den Steuerhebel :oder den Quadranten nach

vorwärts. oder rückwärts, "um eine ausgewälhlte

Drehzahl zu erhalten, woraufhin die Maschine ihren

Lauf beschleunigt oder verzögert, und: zwar auf eine

Drehzahl, diiie de,ni Ausmaße der Erenmtoffzufu-r

entspricht, die von dem Hebel oder dem Qiuiadranten

eingestellt ist. Eine andere verhältnismäßig ein-

fache Anordniu:ng kann erhalten werden., Indem

antr iebismäß.ig ein maschinenangetriebener Regler

finit dien

in der Weise veribiun,d@en wiird,

daß der Regler für die Hand vo,rgewähltie oder

eingeisteldite Beeninstoffmenge oder Drehzähl einen

Gleichigewichtszus,tand erreicht. Wäihreirnä :derartige

Vorrichtungen den Vorteil dieir Einflachheit haben,

besteht die Gefahr, .daß wühreind der Beschleunigung

eine derart heiße Flamme erzeugt wird, daß die

ß:rennerroh,re ausgeglüht oder diie Turhinen-

schiaufeln beschädigt werden, während, beim Ver-

zögern (Dirosseln) die Gefahr besteht, d:aß das

Brenn stoffluftverihältinis bis zum Auslöschen der

Brenniet absirslzit. Wird der die Brennetoffzufuihr

behernischienide Drosiselquerischnitt sp:riunghaft ver-

gr öß,ert, so'vermögen die unilaufende n Masch:inien-

teile wiegen ihrer Masseniträgheit s,i,ch nicht gleich-

falls sprunghaft ziu beschleunigen und die

zugeführte Brennstoffmenge isst wesentlich größer

als jener Wert, :de-r für die Luftmenge erforderlich

ist, :diie zu den Brennern im Verhältnis zu der Ma-

scli:iiienrdreihza'h,l zugeführt wird, nu rd als eine Folge

li,iervon wird eine äußerst beiße Flamme erzeugt,

die nicht nur dazu neigt, die Lebensdauer der

U2us:chiirne und der Kraftanlage zu schädigen und

zu verlcürzien, sondern diie auch eine B,re:nnistoff-

verschwendunig darstellt. Andererseits hält die

Maisohine zeitweilig, wenn der Querschnitt des

IZ,eaelo-rga:n,s plötzlich vermindiert und die Bremm-

stoffmenge dementsprechend verringert wiird, ihre

Drehzahl infolge ihrer Massenträgheit,' und

das Brennstoffluftverhältnis wird so mager, daß

die Ausbreitung der Flamme verhindert wird,

was sich in einem Versagen des Brenners aus-

wirkt.

Weiiter wird erfindungsgemäß dafür gesorgt, d:aß

Diidhbeänidierunigen der eiinbretend ienLuft unabhängig

von der Art der jeweils benutzten Leistungs-

steuerung berücksichtigt werden; dennbeiAbnahme

der Dichte genügt weniger Brennstoff für den

Antrieb der Turbine und des Verdichters mit

gegebener Drehzahl: Wird also bei Abnahme der

D:iclhbe diiie Brennstoffmenge nicht vermindert, so

wii:ndi :d,as Brennstof£luftve@rhältnis noch ungünstiger

und der Gefahr einer überhitzung des Treibgas-

erzeiugeris noch mehr Vorschub geleiiistet.

Eine Aufgabe der Erfirndiung besiteht diarin, eine

Brennistoffspeise- und Leistungssteuer-Einrichtung

für Kriatanliaigen der gekennzeichneten Art zu

sohaffen, bei der die Brenn@stoffmienge auf einfache

Weise diurch eiirren Hebel oder eiinen Quadranten

gesteuert werden kann, der

.mit einem

Ventil veribundien ist, um den Regelquerschnitt edier

den Brennistoffdiruck zu verändern, oh-nie Gefahr

einer überhitzung des Treibgaserzeugers beim

Beschlejunigen oder ein Versagen der Brenner beim

Verzögern (Diroisseln).

Eine andere Aufgabe besteht diarin, eine Brenn-

stoffzufuhr- und Leistungssteuer-Einrichtung fiiir

Kraftanlagen ,der gekennzeichneten Art zu sdhaffen,

bei der die Brennstoffmenge im Verhältnis zu der

Maschinendrehzahl be,i allen Stellungen. des Lei-

s.tungs@s@teuerihebels aufrechterhalten wird.

Andere Aufgaben schließen ein: Es soll eine

oib:ere Grenze nach Maßgabe einer Beschleun:igungs-

oder B:rennsitoffz,ufuhr@lmrve rnich,t überschritten

wenden, diami;t die Temperatur der expandierten

Gase iinnerhalb einfies vorgegebenen Si:dherheits-

bereidhes verbleibt. Sinngemäß sohl eine untere

Grenze nadh Maßgaibe von Verzögerungskurven

eingehalten werden, damit ei-nie ausreichende

F1aimmenauis:breiitungsgeschwirrdigkeit gewahrt

li@leiiilyt und idie Brenner gegen Auslöschen geschützt

sind.

Eiire Voirrichtun g zu dem ge@kennizeüchnieten

Zwecke, die eine bestimmte elastische Versorgung

an flüssigem Drennstoff zu einem B:ren :reit in rich-

tigem Verhältnis zu der in dem Brenner wer dichteten

Luft und in Übereinstimmung mit dien Lei.stungs-

anforderuinigen edier bei allen Stellungen eines

Le,iistu,ngs,s:teweriheibiels sich@erstelleri wied. -

Eine Voir,ridhtung der gekennzeichneten Art, bei

der flüssiger Brennstoff zu einem Brenner im Ver-

hältnis ziu dien Leistungsanfarderu.ngen der Ma-

scihiineoihne B.renai;s,toffvergeud,ung dosiert zugeführt

wied, während gleichzeitig ein genügender Breani-

stoff sidhergeistellt wird, um eine Flammen-

ausbreitung bei geringer Leiistung und bei Ein-

stellungen des Steuerhebels auf Leerlaufdrehzahlen

sicherzustellen.

Eine Brennstoffspeise- und Leiistungss teuer-

Ei-nrichbung, inis:bes:andere für Strahltri!elrwerlce

und Gasturbinen, bei dem eine Steuerung der Lei-

stung durch Regelung de:r Zufuhr an flüssige-,in

13,rennstoff erlangt werden kann, ohnie .diaß eine

Einstellung der Luftzufuhr der Auspuffgase oder

anderer Faktoren erfarderlidli iis.t, die sich in einem

zeitweiligen Verlust an Lei:s-tung a.uiswi,rlze,n

lzönnten.

Eiire Brennstoffzufuhr- und Leiistu:ngssteuei--

Ginvichtumg für Flugzeitigstraliilantriebsmotore

oder Gasturbinen, die ein bestimmtes Brennisto:ff-

Luftvierhäl,tnis in dem Brennt:r bei sich verändernden

Luftdichten und daher bei sich verändern:dien Höhen

und Temperaturbedingungen aufrechterhalten werden.

Einre Vorrichtung der gekennzeichneten Art, die verhältnismäßig einfach im Aufbau und in der Wickunsgsweise ist; und um auf andere Weise die Brenastoffzufuhrcharakteristike:n der Kraftanslagen Zu verbessern, die die Energie der expand-iesrten Gasse durch die Hinzufügung durch Brennstoff und die Verbrennung in einem Brenner oder einer Verbrennungskammer ausnutzen.
Die vorstehenden und andere Aufgabeln und Vorteile der Erfindung ergeben ssich gensauer aus der nachfolgenden Beschreibung, die in Verbindung mit den Zeichnungen zu verstehen i,st. In ihnen stellt dar Fig. i einen im wesentlichen zentrischen Längsschnitt durch ein Strahltriebwerk, das eine Bren,nstoffzufuhsr- oder Kraftsteuservorrichtung in Überei,nstimmunsg mit der Erfindung einsehsließst, Fing. 2 einen mehr ins einzelne gehenden, bis zu einem gewissen Ausmaße schemati,saen Schnitt durch eine Brensnsstßffspei,se- und Leistu.ngssteuereinheit, Fig.3 eine Kurvenschar zur Erläuterung der Arbeitsweise der Vorrichtung, Fig. 4 ,esine Kurvenschar zum Vergleich mit derjenigen der Fig. 3 zum Verdeutlichen der Unte@rschiedse in 4er Arsbseitsweissse zwischen der hierin offenbartenVorrichtung und denjenigen .dies Standes der Technik, bei denen dde Leistung gesteuert wird erstens dusrrh eine unmittellbare han:d:be.tätigte Verh,in,dung mit einem Brennstoffventil ohne barometrische Korrektur und zweitens durch ein Rückstellen eines Reglers, der arbeftsmäßisg mit einem Brennstoffventil verbunden ist auch ohne baroinebrische Korrektur, Fig.5 einen ,bis zu einem gewissen Ausmaße schematischen Sehni,tt durch eine andere Ausfüshru:ngsforin dser Brennstoffspeise- und Leistungssteuereinheit, Fing. 6 eine Kurvenschar zur Verdeutlichung der Arbeitsweisse der in Fig. 5 gezeigten Vorrichtung. In Fing. i isst ein Flugzeugtriebwerk mit io bezeichnet; in ihm ist beispielsweise mittels eines Ringes ii und mittels Haltern 12 ein Strahltriebwerk oder eine. Kraftmaschine gelagert, die allgemein mit 13 bezeichnet ist und ein äußeres Geh=äuse 14 einschließt, das sich an seinem vorderen Ende nasch außen erweitert oder zu einem Trichter ausgebildet ist, um seinen Lufteinlaß 15 zu begrenzen, und des an seinse@m hinteren Ende kurvenförmig abgebogen ist, um eine Rückstoßdüse 16 zu bilden. Ein Rotationsluftkosmpressor 17 drückt Luft in ein ringförmiges Kopfstück 18, dass sie zu einer Mehrzahl von auf de.rn Umfange im Ahsta.nde angeordneten zvlindrischenBrennerkammern i9 leitet, die Brenner 20 mit Lufteinla,ßlöchern 2o' in ihren Umfangswänden enthalten. Die Brenner 2o fördern in einen Sammelring 21, der dsise heiße Luft und die Verbrennungsprodukte durch einen Satz Leitschaufeln 22 gegen die Laufschaufeln 23' eines Tusrbsinenläufesrs 23 leitet. Die Turbine 23 und der Luftkompressor 17 .s:ind auf einer gemeinsamen Welle 24 angeordnet, die in einem Lager 24 gelasgert ist. Die in .den Einlaß 15 eintretende Luft wird von -dem Kompressor angesaugt, der dlie Luft in diie Kammer 18 und die Treibgaserzeusger i9 und vorn dort durch die Löcher 20' in ctie: Brenner 2o fördert, wo Wärme .durch die Verbrennung des Brennstoffes zugesetzt wird. Die expandierte Luft und die Verbrennungsprodukte strömen gegen die Schaufeln 23' der Turbine 23, um den Kompressor anzutreiben, und entweichen dann durch die: Rücks.toß:düsse 16 unter Vosrtriebserzeugung in die Atmosphäre. Wenn gewünscht, kann ein Antrieb des Flugzeuges auch durch einen Propeller bewerkstelligt werden, dessen Antrieb von einer vorderen Verlängerung der Welle 24, vorzugsweisse über ein zweckmäßiges Untersetzungsgetr.iebe, abgenommen wird.
In der Fig. 2 ist d,ie Brennstoffspeise- und Leis,tungssteusersei.nheit gezeigt, die allgemein mit 25 bezeichnet ist und die den Strom des flüssigen Brenastoffes zu den Brennern 2o regelt; sie weist ein Geihättse 25' auf, -das mixt einer Brennsstoffeinlaßle:iitung 26 versehen isst, in der eine maschinellangetriebene Brennstoffpumpe 27 angeordnet ist, die Brennistoff aus einer Versorgungsquelle, beispielsweise einen nicht gezesigtenBrennsstoffbehälter, saugt und ihn unter Druck zu einer Kammer 28 fördert. Ein üherdiruckventil 29 steuert einen Ausslaß 30 zu einem Kanal 3d, der zum Einlaß (Niederd,rucks:eite) der Pumpe zurückführt. Das Ventil ist an einer Membran 31 angeordnet, deren Kammer 32 einte Schliie13fed-e.r 33 aufnimmt. Die Kammer 32 wird vom Brennstoffdruck am Reglerausgang oder all der Einspritzdüse mittels einer Leitung oder eines Kanals 34 heaufschlasgt. Die wirksame Fläche der M@esmiri-ail 31 ist vorzugsweise im wesentlichen die gleiche wie diejenige des Ventils 29, und daher wird der Brennstoffdruck in der Kammer 28 auf einem gleichbleibenden Wert über d'em Druck des geregelten Brenilstoffes oder der Einspritzdüse gehaltnen, wie er durch d,ie Kraft der Felder 33 bestimmt ist.
Brensnetoff voll der Kammer 28 strömt :durch einen Dusrchlaß 35 in die Kammeer D für :den im-,geregelten Brennstoff Brennstoff und von dort über einen Kanal 36 zu einer Regelöffnung 37 sowie weiter durch einen Kanal 38, der in eine Leitung 68 (Fig. i) zu einem Verteilerrohr 69 einsm:ündet. An dsiesess sind über Leitungen 70 Einsp,ri,tzdüse,it 71 für die Brenner angeschlossen. Der Durchlaß 35 wird voll einem Tellerventil 39 gesteuert, das eine Spindel 39' hesitzt, die arbeitsmäßig mit den Mesmbratien 4o und 4i verbunden ist, die bewegbare `@7äirde für die Kammer C für den geregelten Brennstoff, die Differentialsteuerkam.mer A und für die: Kammer D für den ungeregelten Brennstoff bilden. Die Fläche des Regelquerschnittes 37 wird durch eine Nadel 42 geregelt, die auf eine noch zu beschreibende Weise gesteuert wird.
Ein hait.al 43 führt von der Kammeer C zu einer Zentrifugalpumpenka.mmer 44, wobei die letztere mit der Kammer A über einen Kanal 45, eine Offnung mit veränderlichem Ouerschnitt, und einen KaniaJ47 in Verbindung steht. Ein Zen:trifüga.lp@umpe:ni@äufer 48 ist auf einer Walle 49 angeordnet, die in Anbni,ab.sba.etri:eibevc,rlri(rnduing mit der Welle 24 für die Turbine und den Kompressor steht, wie .in Fiig. i dargestellt ist. Infollge@dessen wird der Läufer 48 in direkter Bezidhu:ng zu der Drehzahl der @ur@binre unid des Koimpr,esso-ps angetrieben und wird bei einer -gegebenen Fläche der Öffnung 4.6 einiem DiffeT'eiizd1ruck zwischen der Kammer C und A erzeugen, der dem Quadrat dieser Drehzahl und dem Quadrat der Maschinendrehzahl proportional ist, wobei witer dem Wort »MasChiirne:«, wie es im nachfolgenden gebraucht wird, die Kraftanlage einschließlich der Turbine und des Kompressors verstanden wird.
Ein Kanal 50 mit einer Drossel 51 verbindet die Kammer A mit dem Kanal 38 für den geregelten Brennstoff.
Die Membranen 4o und 41 können die gleiche wirksame Fläche besitzen, und eine Feder 52, die sich gegen eine Einstellschraube 53 legt, steht mit dem rückwärtigen Endabschnitt der Spindel 39' des Tellerventils in Verbindung und dient zum Einstellen des wirksamen Differenzdruckes über die Membran 4o und daher über die Regelöffnung 37 innerhalb bestimmter Grenzen mit Bezug auf den Differenzdruck über die Membran 41. Diese Feder stellt eine Konstant. dar, die sich in Übereinstimmung mit den Anforderungen von verschiedenen Typen von Maschinen oder Gasturbinen an den Leerlauf brennstoff oder den Brennstoff bei niedriger Drehzahl verändern kann; sie kann dazu dienen, den wirksam-°n Differenzdruck zu verändern, der von der Pumpe oder dem Läufer 48 erzeugt wird.
Der Regeldifferenzdruck kann abhängig von der Höhe oder der Luftdichte mittels einer Dose 54 berichtigt werden, die auf D'ruc'k- und Temperaturänderungen anspricht und an einer Stelle angeordnet ist, wo sie der Luft ausgesetzt ist, die zu der Maschine oder zu der Atmosphäre strömt. Vorzugsweise ist sie an einer Stelle angeordnet, wo sie der Staudruckwirkung ausgesetzt ist, die sich als Folge der Vorwärtsbewegung dies Flugzeuges während des Fluges ergibt. Eine Nadel 55 ist mit dem bewegbaren Ende der Kapsel 54 verbunden und erstreckt sich in die Öffnung 56 hinein, um die wirksame Fläche. dieser letzteren und damit den wirksamen Differenzdruck über die Membran 41 und so auch den Differenzdruck über die Membran 4o und die Regelöffnung 37 zu verändern.
Von der Welle 49 wird ein Fliehkraftpendal 56 mit Gewichten 56' angetrieben, die an einer Muffe angreifen, die vers.chlebbar auf einer im Durchinesser abgesetzten Verlängerung dieser Welle angeordnet ist. Ein Hebel 58 ist bei 59 schwenkbar gelagert; und an seinem einen Ende ist dieser Hebel mit einer kugelköpfigen Gabel 6o versehen, die in eine ringförmige Aussparung eingreift, die in dem äußeren Ende der Nadel 42- vorgesehen ist, und an seinem entgegengesetzten Ende ist der Hebel 58 mit einer anderen Gabel 61 versehen, die in eine ähnliche Aussparung eingrieift, die in einer Verstärkung der Muffe' 57 vorgesehen ist. Ein einziger Leistungssteüerhebel6.z steht über ein°n Lenker 63 und einen Winkelhebel 64 mit dem äußeren freien Ende der Feder 65 in Verbindung, die sich an ihrem inneren Ende gegen das angrenzende Ende der Muffe 57 legt. Die voll zu.rückgezo.-genen und vorbewegten Stellungen des Hebels 62 (und daher der Nadel 42) können endgültig durch einen Quadranten 62' bestimmt werden, was auch für die Zwischensbellun.gen dieses Hebels und der ?N adel gilt.
Die Arbeitsweise ist, allgemein betrachtet, wie folgt: Die Anlage kann z. B. mittels eines elektrischen Startermotors angefahren wurden, der eine Antriebsverbindung mit der Hauptantriebswelle besitzt, um den Brenn.eir zu starten und die Turbine auf eine Drehzahl zu bringen, wo sie sich ohne äußere Hilfe beschleunigen wird. Die Regelvorrichtung wird gewöhnlich mit Brennstoff gefüllt sein. Sollte sie aber leer sein, dann -wirkt auf die Membranen 40 und 41 kein Diffeirenzdruck, und die Feder 52 hält das Ventil 39 offen. Wenn die BrennstOffPuinp!e 27 anläuft, werden sich die Kammern D, C und A nacheinander füllen, und Brennstoff wird auch durch die Leitungen 38 und 68 zu dem Verteilerring 69 und von dort durch die Brennstoffleitungen 70 zu den Brenneedüsen 71 strömen. Für den Leerlaufbereich wird der Differenzdruck über die Membranen 4o und 41 einen geringen Wert haben; wobei das Ventil 42 genügend offen ist, um ausreichend Brennstoff hindu,rchströmen zu lassen, um die Flammenausbreitung in den Brenner i9 aufrechtzuerhalten.
Die Drehzahl der Zentrifugalpumpe 48 steht in einem gegebenen Verhältnis zur Drehzahl von Turhine und Verdichter. Für einen gegebenen Querschnitt der Regelöffnung 37 und der Öffnung 46 für die Steuerung der- Höhe oder der Luftdichte wird sie einen Differenzdruck zwischen den Kammern C und A erzeugen-, der dem Quadrat der Maschinendrehzahl proportional und bestrebt ist, das Ventil 39 zu öffnen. Wenn sich das Ventil 39 öffnest, erhöht sich der Druck in der Kammer D, bis der DifeTen2-druck über die Membran. 4o der Kraft auf die Membran 41 das Gleichgereicht hält. Unter der Annahme, daß die Membranen 4o und 41 eine gleiche wirksame Fläche haben, wird der Druck in der Kammer C ausbalanciert sein, und irgendeine Veränderung des Druckes in der Kammer A wird den Differenzdruck über die Membran 41 verändernund demgemäß den Druck in der Kammer D erhöhen oder vermindern.
Der Differenzdruck zwischen den Kammern D und C wird über die Regelöffnung 37 gelegt, und da dieser Differenzdruck im wesentlichen dem Quadrat der Maschinendrehzahl proportional ist, werden für irgendeine gegebene Stellung der Nadel 4z die Geschwindigkeit und daher das Gewicht der Brennstoffströmung durch die Öffnung proportional der Quadratwurzel dieses Differenzdruckes oder direkt der Drehzahl sein.
Der Differenzdruck über die Regelöffnung 37 erzeugt eine Kraft auf die Membran 40, die bestrebt ist, das Ventil 39 zu schließen, während die Zentrifugalpumpe 4.8 eine Kraft auf die Membran .41t erzeugt, die bestrebt ist, daß Ventil zu öffnen, und für irgendeine gegebene Stellung der Nadel 42 werden diese eiinander entgegenwirkenden Kräfte ausgeglichen., so, daß die Brennstc-ftzufuhr in unmittelbarer Beziehung zu der -i#,laschinendr,ehzahl steht. Wenn die Nadel 4.? zurückgezogen wird, ist der Differenzdruck über die Membran .4o bestrebt, sich zu vermindern. Das Ventil 39 bewegt sich in seine o:ffe.neStellung, um denDifferenzdruck wieder aufzub !a:uen, und die Brennstoffzufuhr zu. den Brennern wird erhöht, worauf die Maschine oder Turbine die Drehzahl erhöht, wodurch der Regeldifferenzdruck und die Brennstoffströmung weiter erhöht werden. Dies setzt sich fort, bis eine- Gleichgewichtsdrehzahl erreicht ist, wie sich weiter unten klarer durch die Beschreibung der Fi.g. 3 ergeb°n wird. Eine Bewegung der Nadel 4.2 nach innen oder in eine Richtung, um di-e Speiseöffnung 37 einzuschnüren, erhöht zeitweilig den Differenzdruck über dieser Meml:-raii, worauf sich das Ventil 39 in seine geschlossene Stellung bewegt, um die Brennstoffströmung zu vermindern, und die, Turbinen- oder Maschinendrehzahl wird vermindert @verden, bis ein Gleichgewichtspunkt erreicht ist.
Um die Maschine zu beschleunigen, wird der Leistungs.steuerhebel 62 in eine Richtung bewegt, um die Feder 65 zusammenzudrücken und die Muffe 57 nach aufwärts oder einwärts auf der Welle 49 zu bewegen, woraufhin die Nadel 42 die! Regelöffnung 37 vergrößert, das Fliehkraftpendel56 zurückgestellt wird und die Pendelgewichte 5.6' zeitweilig ihren Anschlag vermindern. Die Brennstoffströmung zu den Brennern wird nun erhöht, und die Maschine beschleunigt sich bis zu einem Punkte, bei dem der Regler einen ausgeglichenen Zustand erreicht, der mit seiner eingestellten Stellung übereinstimmt; aber während dieses Beschleunigungszeitraumes werden sich der Regeldruck oder der Differenzdruck und daher die Brennstoffmenge- im wesentlichen im Verhältnis zu der Maschinendrehzahl erhöhen, wie dies auch mit der Luftmenge der Fall sein wird, die zu den Brennern gefördert wird.
Die Kurvenschar der Fig. 3 verdeutlicht die Beschleunigungs- und Verzögerungscharalctexistiken der Einrichtung der Fig. z, und zwar stellt die Kurve a. die ' Brennstoffzufuhr dar, die für eine stetige Drehzahl erforderlich ist, d. h. die Brennstoffmenge je Zeiteinheit, mit der der Brennstoff zugeführt werden würde, um die Maschine a,uf eine Höchstdrehzahl oder irgendeine gegebene Drehzahl bei einer gegebenen Luftdichte zu bringen. Die gestrichelte Kurve, b stellt die Fördermenge der Brennstoffpumpe dar. Die strichpunktierten Kurven stellen die Brennstoffmenge in Abhängigkeit von der Drehzahlcharakteristik der Einrichtung der Fig. 2 für verschiedene Einstellungen des Nad:elventils .i? dar, woll:ei auf jeder Kurve das ungefähre Brennstoff luftverhältnis angegeben ist, das sich z. B. bei der Meereshöhendichte engehen würde und auch die ungefähren Temperaturen, die durch das Brennstoffluftv erhältnis erzeugt werden. Es sei nun angenommen, daß die Maschine. finit der Drehzahl c arbeitet und der Pilot die V°ntilnadel 4.2 biS zu einem Punkte zurückzieht, der die Drehzahl d erzeugen wird; dann würde die Brennstoffzufuhr während dieses Beschleunigungszeitraumes den Pfeilen e von c bis d folgen. Die anfängliche. Erhöhung der Brennstoffströmung, die von den senkrechten Pfeilen dargestellt "wird, ergibt sich als ein Ergebnis der Vergrößerung der wirksamen Fläche der Regelöffnung 37, bei der dann bestehenden Drehzahl. Wenn sich die Drehzahl erhöht, wird sich die Brennstoffströmung in geradlinigem Verhältnis mit der Drehzahl erhöhen, bis ein Gleichgewichtszustand ])"ei d erreicht ist. Während dieses, Beschleunigungszeitraumes erreicht die Brennstoffmenge keine derartige Größe, die schädlich--Temperaturen erzeugen konnte. Wenn nun der Pilot seinen Leistungssteuerlrebel bis zu der ursprünglichen Einstellung zurückzieht, wird die Brennstoffströmung den Pfeilen f von d zurück nach c folgen. Während dieser Verzögerung wird die Brennstoffmenge genügend hochgehalten, um einen Ausfall des Brenners zu verhindern.
Bei einer Abnahme der Dichte der zu der Maschine strömend-in Luft ist weniger Brennstoff erforderlich, um die, Turbine und den Kompressor bei einer gegebenen Drehza'lil anzutreiben, und wenn dies nicht korrigiert wird, wird das B.rennstoffluftverhältniswährend der Beschleunigung weiter vermindert werden, und bei großen Höhen werden sich höhere Temperaturen als unter entsprechenden Bedingungen auf Meereshöhe ergeben. Nach Fig. z worden Schwankungen deir- Luftdichte berücksichtigt, indem eine Abnahme der Dichte, eine Ausdehnung der Dose 54, also Minderung des Durchlasses 46 sowie eine Druckabnahme in der Kammer A für eine gegebene NTaschinendrchzahl und Größe der Regelöffnung bewirkt. Das Brennstoffventil 39 will sich schließen, so daß der Regeldifferenzdruck und damit auch die zu den Brennern geförderte Brennstoffmenge abnimmt. Demgemäß wird mit der Einrichtung nach Fig. 2 ein sich als Folge einer Beschleunigung ergebender Temperaturanstieg nicht durch einte Vergrößerung der Höhe oder eine Abnahme dür Luftdichte verschlimmert werden, da die Brennstoffzufuhr im Verhältnis zu dem Gewicht der durch den Kompressor gepumpten Luft vermindert wird.
Fig.4 verdeutlicht, wie die Kurve a. (der für eine stetige Drehzahl erforderliche Brennstoff) bei großen Höhen, z. B. 13 500 m, gesenkt wird. Ohne eine Kompens,a,fion der Dichte wird die Gefahr einer Überhitzung als einem Ergebnis der erhöhten Brennstoffzufuhr ohne: gleichzeitige Erhöhung der Maschinendrehzahl oder Angleichung der Maschinendrehzahl und der Stellung des Leistungshebels oder Ouadranten größer. Diese' Figur schließt auch Pfe:i.llurven' ein, die eine Beschleunigung sowohl durch eine alleinige Re:glersteuerung gemäß dem Stande der Technik als auch durch eine direkteVerbindung zwischen dem Dross-e hebet und dem Dosierventil mit einem Reg!-er oder ohne einen Regler zum Aufrechterhalten eines Gleichgewichtes bei einer gegebenen Brennstoffzuführauswahl darstellen. Die gestrichelten Pfeilkurven bei e' zeigen, wie die volle Fördermenge der Brennstoffpumpe, wenn ein das Brennstoffventil steuernder Drehzahlregler so gestellt ist, um von c nach d zu beschleunigen., zu der Pumpe gefördert wird und Brennstoff in starkem Ausmaße außerhalb des Verhältnisses zu der gepumpten Luft zugeführt werden wird, wodurch eine intensive Hitze in dem Brenneu erzeugt wird.
Die gestrichelte Pfeilkurve e" zeigt das Ausmaß der Brennstoffzufuhr -#v"ährend der Beschleunigung mit einem direkt verbundenen Hebel. In diesem Augenblick ist das Brennstoffluftverhältnis nicht so außerhalb des richtigen Verhältnisses als mit eiirrer Re;glersteuerung allein, es is-t aber noch so-, daß eine intensive Hitze in dem Brenner insbesiondere während des anfänglichen Teiles der Beschleunigungsperiode erzeugt wird. Bei beiden Arten der Steuerung nach Fig. 4 sinkt die Verzögerungskurve unter die normale Brennstoffzufuhr für eine stetige Drehzahl mit einer sich daraus ergebenden Gefahr für ein Versagen des Brennars. .
Die in Fig.5 gezeigte Brennstoffregel und Leistungssteuereinheit i io weist ein zweckmäßiges Gehäuse auf, in dem eine Brennstoffpumpe i i i amgeordnet ist, die Brennstoff von einer zweclemäßigen Quelle, z. B. einem nicht gezeigten Brennstofftank, über eine Brennstoffleitung 112 saugt und ihn zu der ungeregelten Brennstoffkammer D durch einen Ventilkanal oder eine Öffnung i 13 drückt, die durch ein Tellerventil 114 gesteuert wird, dessen Spindel 114' mit den Mittelplatten der Membranen i 15 und i 16 verbunden ist.
Ein Überdruckventil i 17 steuert den Umleitungskanal 118 und den Kanal 118', der zu der Einlaßseite der Pumpe i i i zurückführt; dieses Ventil ist an einer Membran. i ig angeordnet, deren Kammer i 2o mit der Kammer D über eine Leitung 121 verbunden ist, wobei das Ventil 117 durch eine Feder 122 in seine geschlossene Stellung gedrückt wird. Die wirksame Fläche der Membran 1i9 ist im wesentlichen die gleiche wie diejenige des Ventils 117, und daher wird der Druckabfall üben- den Kanal i 13, der durch die Stärke der Feder 122 bestimmt ist, immer im wesentlichen konstant sein. Da der Druckabfall über den Kanal 113 im Wesentlichen konstant gehalten wird, kann die Kraft auf die Spindel 114', die durch den Differenzdruck über das Tellerventil 114 bewirkt wird, durch mechanische Mittel, beispielsweise .eine Feder 1:2:2',. die sich gegen eine Einstellschraube 123 legt, oder ein wenig über- oder unterkompensiert werden, falls dies gewünscht sein sollte. Ungeregelter Brennstoff von dar Kammer' D strömt durch eine verhältnismäßig große Öffnung 124 in die Regelkammer 125 und von dort durch die Regelöffnung 126, die durch das 'Reglerventil 127 gesteuert wird, das mit dem- Membran z28 verbunden ist und durch eine Feder 129 in der Kammer 130 in die geschlossene Stellung gedrückt wird. Falls gewünscht, kann ein Anschlag vorgesehen «-erden, um zu verhindern" daß das Ventil 127 die Öffnung 126 vollständig schließt, was bewirken könnte, daß das Ventil festsitzt.
Der Differenzdruck über, die Membran 128 wird im Verhältnis zur Luftdichte mittels eines Nadelventils i31 verändert, das mit einer Dose z32 verbunden ist, die von, Druck- und Tempe raturänderung,en abhängig und in einer Kammer 133 angeordnet- ist, die mit der Atmosphäre: bei 134 verbunden ist oder, falls gewünscht, mit irgendeinem anderen Bezugsdruck, beispielsweise dem Kraftanlagenlufteinlaß, verbunden sein kann. Die Nadel 131 steuert den Umleitungskanal 135, der den Kanal 136 von. der Kammer 125 mit dem Kanal 137 verbindet" der zu der Kammer 130 führt. Die Kammer 13o hat eine mit der Kammer C mittels eines Kanals 138, der eine: kalibrierte Einschnürung oder eine Ablaßöffnung 138' mit bestimmtem Strömungsdurchflußvermögen darin besitzt.
Bei den normalen barometrischen Höhen und Temperaturen für Meereshöhe ist die Fläche des Umleitungskanals 135 mit Bezug auf die Anzapföffnung i38' derart, daß die letztere von größter Wirkung ist, aber da die Dichte der Luft abnimmt, dehnt sich die Dose- 132 aus, und der Querschnitt des Ventils 131 erhöht sich, und die Wirkung der Anzapföffnung 138' nimmt ab. Die Art, mit der dies die Brennstoffströmung in Beziehung zur Luftdichte regelt wird vollständiger in der Beschreibung der Arbeits:w,leis-e der Vorrichtung erklärt werden.
Flüssiger Brennstoff, der durch die Regelöffnung 126 strömt, tritt bei seinem Wege zu den Brennereirispritzdüsen in die Förderleitung 139 ein., die eine Fortsetzung :des Brennstoffkanals oder der Leitung 112 bildet; er füllt auch die Kammer C und dann die Kammer A, wobei die letztere in gesteuerter -Verbindung mit dem Kanal 139 mittels des Kanals i4o steht, der eine Mehrzahl von Abzweigleitungen besitzt, die sich zur Ventilkammer 141 öffnen und mit Anzapfdüsen 142, 143 und 144 für bestimmte Durchflußmengen versehen sind. Im Abstand voneinander angeordnete Kanäle 145 und 146 und ein Kanal oder ein: Durchtritt 147 verbinden diese Ventilkammer mit der Druck- oder Förderleitung 139- Ein Ventil in der Form eines Kolbens 148 ist in der Kammer 141 geführt und mit Steuerkolben 149 und i5o versehen, die Anzapfungen 143 und 144 abdecken oder freigeben sollen. Der Kolben 148 wird auf eine noch zu beschreibende Weise betätigt.
Ein Kanal 151 führt von der Kammer C in die Pumpenläuferleammer 152, die mit der Kammer D durch eine Einschnürung 153 in Verbindung steht. Ein Zentrifugalpumpenläufer 154 ist auf einer Welle 155- angeordnet, die in Antriebsgetriebeverbindung mit der Turbinen- und Verdichterwelle 24 steht (Fig. i).
So wird der Pumpenläufer 154 in unmittelbarer Beziehung zu der Turbinen- und Kompressordrehzahl angetrieben und wird einen Differenzdruck zwischen der Kammer C und dem Umfang 152' der Pu,mpenläuferkammer 152 proportional zu dem Oüadrat dieser Drehzahl oder dem Ouadrat der Maschinendrehzahl erzeugen, wobei das Wort »Maschine« hierin der Bedeutung einer Kraftanlage gebraucht ist, die die Turbine und den Kompressor einschließt; und da diese Anordnung derart ist, daß die Drücke in den Kammern A und B gleich oder proportional sind, wird sich der Differenzdruck zwischen den Kammern D und C wie das Ouadrat der Maschinendrehzahl ändern.
Auf der Welle 155 befestigt und mit ihr sich drehend ist ein Regler 156, der Gewichte 156a einschließt, die auf W.inkelfhebel i 56b wirken, um die Stellung einer Muffe 157 zu steuern, die gleitbar auf der Welle angeordnet ist. Ein Hebel 158 ist drehbar bei 159 gelagert, und das eine Ende dieses Hebels ist mit einem Kugelkopf oder einem Lager 16o versehen, das mit einer Aussparung in Eingriff kommt, die in dem sich nach außen erstreckenden Ende des Ventilkolbens 148 vorgesehen ist, und das entgegengesetzte Ende dieses Hebels ist gegabelt und kommt mit einer Nut 161 in Eingriff, die durch im Abstand voneinander angeordnete Kragen gebildet ist, die auf der Muffe 157 vorgesehen sind.
Ein einziger Leistungssteuerhebel 162 steht über einen Lenker 163 und einen Winkelhebel 164 mit dem äußeren freien Ende einer Feder 165 in Verbindung, die sich mit ihrem inneren Ende gegen das angrenzende Ende der Muffe 157 legt.
Wenn man nun zu der Arbeitsweise der Brennstoffzufuhr-und Leistungssteuervorrichtung kommt, die in Fig. 5 gezeigt ist, kann die Maschine oder Kraftanlage auf irgendeine bekannte Weise angelassen werden, z. B. durch einen elektrischen Startermotor mit einer Getriebeverbindung mit der Hauptantriebswelle, um den Brenner anzulassen und die Turbine auf eine Geschwindigkeit zu beschleunigen, von .der sie sich ohne äußere Hilfe beschleunigen wird. Die Reglereinheit würde gewöhnlich mit Brennstoff gefüllt sein; wenn man aber annimmt, daß sie leer ist, wird der Differenzdruck über die Membranen 115 und 116 Null sein, und wenn die Brennstoffpumpe i i i startet, werden sich die Kammern D, C und A nacheinander füllen, und Brennstoff wird auch durch die Leitung 139 und das Kopfstück 18o zu den betreffenden Spritzdüsen 166 strömen, und eine Förderung zu dem Brenner beginnt. Für den Leerlaufleistungsbereich wird der Differenzdruck über die Membran i 15 bei einem Geringstwert liegen, und daher wird der Regeldruck derart sein, daß gerade genug Brennstoff gefördert wird, um eine Flammenausbreitung in dem Brenner aufrechtzuerhalten. Die anfängliche Brennstoffladungkann durch einen. Zündstromkreis; eine Zündflamme oder auf irgendeine bekannte Weise gezündet werden.
Der Zentrifugalpumpenläufer oder die Zentrifugalpumpe 154 arbeitet mit einem festen Drehzahlverhältnis mit Bezug auf die Drehzahl der Turbine und des Kompressors, und daher wird sie einen Differenzdruck zwischen der Kammer C und der Umfangskammer 15ä erzeugen, der im wesentlichen dem Ouadrat der Turbinen- oder Maschinendrehzahl proportional ist, und wenn der Druck in der Kammer A gleich demjenigen bei 152' ist, .dann wird der Differenzdruck zwischen den Kammern A und C, der auf die Membran 116 wirkt, das Ventil 114 so steuern, daß der Differenzdruck zwischen den Kammern D und C im wesentlichen proportional dem Ouadrat der Maschinendrehzahl sein wird. Die Membranen i 15 und 116 besitzen vorzugsweise eine gleich große wirksame Fläche, wodurch der Druck in der Kammer C mit Bezug auf die Kammern A und D ausgeglichen sein wird, und irgendeine Druckveränderung in der Kammer A wird den Differenzdruck über die Membran verändern und wird dementsprechend den Druckabfall über das Ventil erhöhen oder vermindern. Wenn der Druck in der Kammer A erhöht wird, wird sich das Ventil 114 in seine offene Stellung bewegen und die Brennstoffmenge erhöht, und wenn dieser Druck vermindert wird, wird sich dieses Ventil in seine geschlossene Stellung bewegen, wodurch die Brennstoffmenge verkleinert wird. Der Differenzdruck zwischen den Kammern D und C beaufschlagt die Regelöffnung 126. Da dieser Differenzdruck dem Quadrat der Maschinendrehzahl proportional ist und da die Geschwindigkeit der Strömung durch die Öffnung 126 der Quadratwurzel dieses Differenzdruckes folgt, wird die Geschwindigkeit der Strömung der Drehzahl direkt proportional sein.
Die Fläche der Dosieröffnung 126 ist einer Veränderung durch die Nadel 127 ausgesetzt, deren Stellung durch den Differenzdruck über die Membran 128 bestimmt ist; und da dieser Differenzdruck demjenigen zwischen .den Kammern D und C oder über die Membran 115 proportional ist, werden die Stellung der Nadel und daher der Regelquerschnitt 126 und .die Brennstoffmenge eine Funktion der Maschinendrehzahl ;bilden. Dadurch, daß .die Kontur des Nadelventils 127 in zweckmäßiger Weise abgewandelt wird, kann die Menge .durch die Öffnung 126 hindurch .proportional der dritten Potenz der Maschinen- oder Turbinendrehzahl gemacht werden, und in der Tat kann die Kontur so ausgeführt werden, daß irgendeine andere Art einer Brennstoffmengenkurve in Abhängigkeit von der Drehzahl erzeugt wird. Vorzugsweise wird die Kontur der Ventilnadel so ausgebildet, daß eine Kurve erzeugt wird, .die der dritten Potenz der Maschinendrehzahl proportional ist.
Um die Maschine zu beschleunigen oder, auf andere Weise ausgedrückt, die Drehzahl der Turbine zu erhöhen und die Schubkraft an der Rückstoßdüse des Flugzeuges zu vergrößern, wird der Leistungssteuerhehel in einer Richtung bewegt, um die Feder 165 zusammenzuidrücken und die Muffe 157 nach aufwärts zu drücken, wie in: Fig. 5 gezeigt ist, lvodurch das Kolbenventil iq.8 nach unten bewegt und der Strömungsquerschnitt der Anzapfung 143 gegebenenfalls bis auf.Null vermindert wird. Dies wird sich,iiz einer Druckerhöhung in der Kammer A und daher in der Kammer D auswirken, wodurch der Regeldifferenzdruck oder der Förderdruck und die Brennstoffmenge zu dem Brenner erhöht wird. Wenn sich die Drehzahl der Turbine bis zu einem Punkte erhöht, wo die Kraft der Reglergewichte 156d mit der neuen Einstellung der Feder 165 im Gleichgewicht steht, wird sich das Kolbenventnl 148 aufwärts bewegen und den Kanal 143 freigeben. Irgendeine Neigung der Turbine, sich von einer gegebenan. Drehzahl bei einer gegebenen Einstellung der Feder 165 und daher des Leistungssteuerhe'bels zu verändern, wird sich unmittelbar in einer Korrektur durch das Kolbenventil 148 auswirken.
Um mit der Leistung herabzugehen und die Drehzahl dementsprechend zu vermindern, wind der Leistungssteuerhebel in eine Richtung 'bewegt, um die Spannung auf der Feder 165 zu lösen, die Muffe 157 wird sich dann nach unten und das Kolbenventil1158 aufwärts bewegen, wodurch der Kanal 148 freigegeben wird; darauf wird der Druck in der Kammer A vermindert werden, wodurch der Regeldifferenzdruck vermindert wird, und die geregelte Brennstoffmenge wird auch zu gering werden, um die Leistung zu erzeugen, die gefordert wird, um die Maschine bei der vorherigen Einstellung laufen zu lassen, und die Drehzahl wird vermindert werden, bis die Reglergewichte die neue Federeinstellung im Gleichgewicht halten und-sich das Kolbenventil. 148 nach unten bewegt, wodurch der Kanal 144 abgesperrt wird..
Während irgendeine Änderung der Gesamtfläche der Kanäle 142, 143 und 144 den Wert des Druckabfalles über das Ventil 114 herabsetzt, bleibt der Differenzdruck zwischen den Kammern A und C eine Funktion des Quadrates der Drehzahl des Pumpenläufers 154 und daher der Turbinen- oder Maschinendrehzahl. Die Querschnitte der Kanäle 143, 142, 144 und 153 können nach Maßgabe der Brennstoffkurven (für Beschleunigung und Verzögerung) sowie nach Maßgabe der Luftzufuhr in dem Sinne ausgelegt werden, daß Einhaltung einer oberen Grenze für Flammentemperatur und Drehzahl und einer unteren Grenze für Gemischabmagerung gewährleistet ist, und zwar unabhängig davon, ob die willkürliche Leistungsänderung langsam oder sprunghaft vorgenommen wird.
In Fig. 6 ist ein Versuch gemacht worden, um in Form eines Diagramms die B,ren,nstoff- und Luftströmungscharakteristiken eines Strahltriebwerkes darzustellen, die mit einer Brennstoffzufuhr- und Steuervorrichtung in Übereinstimmung mit der Erfindung ausgerichtet ist. Die obere Kurve E zeigt das Gewicht der Luft an, die von dem Kompressor bei einer bestimmten Höhe (z. B. bei dem normalen barometrischen Druck und der Temperatur entsprechend der Meereshöhe) gefördert wird, und zwar in Abhängigkeit von der Maschinendrehzahl in einem Bereiche von Null Ibis zu roooo Umdr./min.
Es kann angenommen werden, daß diese Kurve fest ist, wobei die Luft, die bei einer bestimmten Höhe gefördert wird, im Zusammenhang hiermit fest oder für jede Maschinendrehzahl bestimmt ist. Die Kurve F stell die Brennstoffmenge je Zeiteinheit in Kilogramm je Stunde dar, die erforderlich ist, um die Maschine bei verschiedenen Drehzahlen laufen zu lassen. Diese Kurve ist gleichfalls ein unzertrennliches Charakteristikum; und eine Aus-Wahl einer gegebenen Brennstoffströmung wird bewirken, daß sich die Maschine bis zu einer Drehzahl beschleunigt oder verzögert, die derjenigen entspricht, wo die Brennstoffströmung erhalten wird, und die Luft, die zu der Maschine gefördert wird, ist in entsprechender Weise bestimmt. Für jede normarle Arbeitsweise mit stetiger Drehzahl ist der Luftverbrauch sehr stark im Überschuß im Vergleich zu demjenigen, der für die Verbrennung des zugeführten Brennstoffes gebraucht wird, und die Temperatur der verbrannten Gase folgt dem Ausmaß des zugeführten Brennstoffes.
Die Kurve G stellt die Regelcharakteristik der Steuerung nach Fig. 5 für verschiedene Maschinendrehzahlen dar, wenn :das VeGtil 148 genügend unten ist, um die Kanäle 143 und 144 zu schließen. Diese Kurve kann zum Zweck der besseren Erläuterung als die »Beschleunigungskurve« bezeichnet werden, da sie über den Drehzahlbereich eine Brennstoffmengencharakteristik vorsieht, die ein -wenig größer ist als die notwendigerweise bestehende Anforderung ain Brennsto@ffstnömung für einen Gleichgewichtsbetrieb der Maschine, und da sie daher bewirken wird, daß die Maschine sich beschleunigt. Unter diesen Betriebsbedingungen ist die Brennstoffmenge zudem Brenner durch den Regler derart festgelegt, daß sie der Kurve G folgt. Dies verhindert, daß das Gemisch ibei irgendeiner Drehzahl zu reich wird, eine Bedingung, die sonst sehr stark die Gastemperaturen an den Turbinenschaufeln infolge unternormaler Luftströmung erhöhen würde, während darauf gewartet wird, daß die Turbine ihre Drehzahl erhöht, nadhdem die Brennstoffströmung plötzlich erhöht worden ist.
Die Kurve H stellt die Regeldharakteristiken der Steuereinheit nach Fig.5 für verschiedene Maschinendrehzahlen dar, wenn das Ventil 148 genügend hochgeschoben ist, um die Kamäle 143 und 144 zuöffnen. Diese Kurve kann zum Zwecke der besseren Erläuterung als die »Verzögerungshüllkurve« bezeichnet werden, da sie über den Drehzahlbereich eine Brennstoffmengencharakteristik vorsieht, die ein wenig kleiner ist als die notwendigerweise sich ergeibende. Brennstoffmengenanforderung für einen Gleichgewichtsbetrieb der Maschine, und -da sie daher bewirken wird, daß die Maschine sich verzögert. Unter diesen Betriebsbedingungen ist die Bremistoffströmung zu den Brennern durch den Regler derart festgelegt, daß sie der Kurve H folgt. Dies verhindert, daß das Gemisch zu mager wird, um eine Flammenausbreitung während der Verzögerung aufredhtzuerhalten, wie es der Fall sein würde, wenn darauf gewartet wird, d'aß sich die Turbinendrehzahl vermindert, wenn die Brennstoffströmung plötzlich herabgesetzt worden. ,ist.
Während des Gleichgewichtsbetriebes -wird ..der Regler 156 das Ventil 148 zwischen einer StePlun g, bei der die beiden Kanäle 143 und 144 geschlossen Bind, und einer Stellung halten, 'bei der die beiden Kanäle offen sind, und wird so die notwendige Brennstoffmenge für einen Gleichgewichtsbetrieb auswählen. Um die Vorteile besser darzustellen, die sich aus einer gesteuerten Beschleunigung und Verzögerung ergeben, kann ein Vergleich mit einer Vorrichtung durchgeführt werden, bei dem die Brennstoffzufuhr einfach durch ein Nadelventil oder ein Drosselventil geregelt wird, das von Hand betätigt wird. Mit einer derartigen Steuerung würde die Brennstoffmenge, wenn die Maschine stetig bei 4ooo Umdr./min arbeitete, derjenigen bei dem Punkte r entsprechen, und die Luftströmung würde derjenigen bei dem Punkte s entsprechen. Wenn nun die Brennstoffdrossel his; zu einem Punkte vorwärts bewegt würde, der dem Brennstoff entspricht, der für einen Betrieb von gooo Umd.r./min erforderlich ist, würde sich die Brennstoffströmung sogleich auf den höheren Wert vergrößern, der durch den Punkt t dargestellt .ist, und würde dann konstant bleiben, da die Maschine ihre Drehzahl erhöht, bis sich ein Betrieb bei 6 :ein Punkte ergäbe, der dem Punkte is entspricht. Wenn sich die Maschinendreh-zahl erhöhte, würde die Luftströmung entlang der Kurve E von s bis v größer werden. Während dieses Zeitraumes würde der Luftüberschuß, der mit den Verbrennungsprodukten in der Verbrennungskammer gemischt ,,würde, so unzulänglich sein, daß die Temperatur der Gase, die die Schaufeln des Turbiinenrades 23' erreichten, größer sein würde als die höchste Sicherheitsgrenze, und die Turbinenschaufeln würden sich schnell verzögern.
Andererseits, wenn die Maschine bei der Bedingung u arbeiten würde und die Brennstoffdrossel geschlossen wäre, um bis zu r zu verzögern, würde die Brennstoffströmung sich fast augenblicklich auf den Punkt w vermindern, die hohe Luftströmung würde aber aufrechterhalten werden, bis die Trägheit und die Reibung der Maschine das Absinken der Drehzahl erlaubten. So würde das Gemisch äußerst mager sein, und die Brennerflamme würde wahrischeinlich verlöschen.
Mit der Art der Brennstoffzufuhr- und Steuervorrichtung, die hier offenbart worden ist, steht die Brennstoffzufuhr in Beziehung zu der Drehzahl, und da das Gewicht der strömenden Luft sich mit der Drohzahl verändert, wird die Brennstoffzufuhr niemals mehr als um einen bestimmten Betrag größer oder kleiner sein als der Wert für den Gleichgewichtsbetrieb, wodurch verhindert wird, daß das Brennstoffluftverhältnis übermäßig reich oder übermäßig mager wird.. So wird die Feder 165, wenn der Hebel 162 beim Betrieb mit 4ooo Umdr./min nach rechts in eine Stellung entsprechend einem Betrieb von gooo Umdr./min bewegt wird, zusammengedrückt, dielen Hebel 158 entgegen dem Uhrzeigersinn herumdreht und das Ventil 148 nach unten bewegt, um die Kanäle 143 und 14q. zu schließen. Die Pumpenmenge springt vom Punkte r aufwärts zur Kurve G und bewegt sich danach entlang der Kurve G vorwärts, wenn sich die Maschine beschleunigt. Wenn sich die Maschinendrehzahl 9ooo Umdr./min nähert, werden die Reglergewichte 156a heg innen, die Kraf t der Feder 165 zu überwinden. Das Ventil 148 wird sich allmählich nach aufwärts bewegen, um einen genügenden Teil der Kanäle 43 und 144 freizulegen, um die Brennstoffmenge von der Kurve G zu einem Punkte u zu vermindern, wenn eine Maschinendrehzahl von gooo Umdr./min erreicht wird.
Wenn derHebel r62 nuii auf seine4ooo-Umdr./min-Stellung zurückgeführt wird, gestattet die verminderte Kraft der Feder 165, daß die Reglergewichte nach außen fliegen, wodurch das Ventil 148 nach oben bewegt wird, um die Kanäle 143 und 144 aufzudecken. Dies bewirkt, daß die Brennstoffmenge vom Punkte u zu einem Punkte unmittelbar unter ihm auf der Kurve H fällt, wonach die Brennstoffmenge sich entlang der Kurve H weiterbewegen wird, wenn ;die Maschine mit der Drehzahl abfällt. Wenn eine Drehzahl von 4000 Umdr./min erreicht wird, werden die Gewichte 156a abfallen, wodurch das Ventil 148 nach unten bewegt und ein genügender Teil der Kanäle 143 und 144 abgesperrt wird, wodurch die Brennstoffmenge beim Punkte r ausgewählt wird, wenn eine Drehzahl von 4ooo Umdr./m,in erreicht ist. Es ist offenbar, daß an Stelle der Kanäle 143 und 144 ein einziger Kanal benutzt werden könnte.
Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß die erfindungsgemäße Steuerung für die Beschleunigung und die Verzögerung Brennstoffkurven vorsieht, die sich nach einer Funktion der Drehzahl verändern, welche die der Anlage eigentümliche Charakteristik der Brennstoffmenge in Abhängigkeit von der Drehzahl der Kraftanlage für einen Gleichgewichtsbetrieb einhüllen und eine drehzahlabhängige Einrichtung und eine Handsteuerung zum Auswählen entweder der Beschleunigungs- oder der Verzögerungseinhüllkurve oder irgendeine Bedingung der Brennstoffmenge zwischen ihr hindurch einschließt, um eine gesteuerte Beschleunigung oder Verzögerung sowohl wie einen Gleichgewichtsbetrieb zu erhalten. Da bei der erfindungsgemäßen Einrichtung der Differenzdruck über die Mündung 126 das Nadelventil 127 betätigt, verändert das letztere die Mündungsfläche nach einer Funktion der Drehzahl, wobei jede gewünschte Drehzahlcharakteristik in Abhängigkeit von der Brennstoffmenge für die Beschleunigungs- und Verzögerungsei.nhüllkurven erlangt werden kann. Sie können so gemacht werden, um sich mit,dem Quadrat oder mit der dritten oder irgendeiner anderen Potenz der Drehzahl zu verändern, oder sie können gemacht werden, um sich längs einer unregelmäßigen Kurve zu verändern, so daß die besten Bedingungen des gesamten Brennstoflluftverhältnisses für eine beste Beschleunigung oder Verzögerung für irgendeine Kraftanlage ausgewählt werden können, die eine bestimmte Brennstoffmengencharakteristik in Abhängigkeit von der Drehzahl für eine Gleichgewichtsbedingung besitzt.
Es ist zu bemerken, daß der Regler nur über einen verhältnismäßig kleinen Drehzahlbereich zu arbeiten braucht, wodurch der Regler empfindlicher und genauer bei der Ausführung seiner Funktion gemacht wird als es der Fall wäre, wenn der Regler gezwungen ist, über einen verhältnismäßig großen Bereich zu arbeiten. Wenn die Regelvorrichtung bei einer Maschinen oder Kraftanlage verwendet wird, die mit sich verändernden Luftdichten arbeitet, wird auch die Brennstoffmenge eine Funktion der hindurchströmenden Luftmenge werden. In der - Stellung der Kapsel 132, die in Fig. 5 gezeigt ist, ist angenommen, daß die Luftdichte diejenige ist, die auf Meereshöhe besteht, wobei der Kanal 135 bis zu einem Punkte eingeschnürt ist, bei dem die Anzapföffnung 138' die größte Wirkung besitzt. Der Kanal 135 wird jedoch, wenn die Dichte der Luft abnimmt und die Kapsel sich ausdehnt, vergrößert, und die Wirkung der Anzapfung 138 nimmt ab, wodurch der Druck in der Kammer 130 ansteigt und der Differenzdruck über die Membran 128 abnimmt, wodurch die Fläche der Öffnung bei 126 sich vermindert und das Gemisch abmagert. Durch eine richtige Größe der Einschnürung 138' und der Kontur der Nadel 131 kann jede gewünschte Brennstoffströmung mit Bezug auf Dichteänderungen erlangt werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Vorrichtung zum Steuern der Brennstoffzufuhr zu einer Kraftmaschine, insbesondere zum Brenner einer Gasturbine, durch eine Regeldrossel in Abhängigkeit von zwei Variablen, nämlich dem Drosseldurchflußquerschnitt und dem Druckabfall über der Drossel, dadurch gekennzeichnet, daß von zwei Drehzahlgebern (auf Drehzahländerungen ansprechende Steuervorrichtungen) der erste (39, 41; 114, 116) zum Ändern .der einen Variablen im Sinne einer Brennstoffzunahme bei Anstieg der tatsächlichen momentanen Drehzahl vorgesehen ist, während der zweite (56, 56'; 156, 156a) auf eine willkürlich (62, 162) wählbare Solldrehzahl einzustellen ist und mit dem ersten im Sinne einer selbsttätigen Einhaltung der gewählten Solldrehzahl- zusammenarbeitet.
2. Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch ge- kennzeichnet, daß die Brennstoffmenge von der Luftmenge abhängig ist, ,indem eine auf Schwankungen der Luftdichte ansprechende Vorrichtung (46, 54; 131, 132) eine der beiden Variablen steuert.
3. Yörrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß in den Brennstoffstrom ein Steuerventil (39, 114) eingeschaltet ist, das den Druckabfall - über der Regeldrossel (37, 126) drehzahlabhängig beherrscht und das von einem auf die tatsächliche momentane Drehzahl ansprechenden Drehzahlgeber (48, 154) selbsttätig verstellt wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Momentandrehzahl abhängige Drehzahlgeber (48, 154) eine Druckdifferenz erzeugt, mit der eine druckempfindliche Steuereinheit (40, 41; 1 15, 116) beaufschlagt ist, die auf das Steuerventil (3g, 114) in Öffnungsrichtung einwirkt und die außerdem mit dem Druckabfall über der Regeldrossel beaufschlagt ist, und zwar in Schließrichtung des Steuerventils, so daß der Druckabfall über der Regeldrossel eine Funktion der Drehzahl ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Steuerventil (39, 114) in Öffnungsrichtung eine Feder (52, r22') angreift und bei kleinen Differenzdrücken an der druckempfindlichen Einheit (40, 41; 115, 116) das Steuerventil zum Durchlaß einer für Leerlaufdrehzahlen ausreichenden Brennstoffmenge öffnet.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Membran (41, 116) mit dem von einer als Drehzahlgeber für die Momentandrehzahl dienenden Pumpe (48, 154) erzeugten Druckanstieg beaufschlagt ist und eine Steuerkammer (A) abschließt, die über eine Drossel (51, 142, 143, 144) an den Brennstoffstrom hinter der Regeldrossel (37, 126) angeschlossen ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche i bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die auf Dichteschwankungen der Luft ansprechende Vorrichtung den über dem Steuerventil (39, 4 erzeugten Druckabfall verändert. B.
Vorrichtung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerdruckkammer (A) mit dem .
Austritt der Pumpe (48) über einen Kanal (45, 47) verbunden ist, der einen dichteabhängig gesteuerten Durchlaß (46) aufweist. g.
Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeie'hnet, daß die Regeldrossel (37, 42) zur willkürlichen Drehzahländerung an ein Stellglied (62) angeschlossen ist und der Solldrehzahlgeber, der an der Regeldrossel angreift, von dem Stellglied (62) auf eine gewählte Solldrehzahl eingestellt werden kann. io.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Brennstoff unter Druck dem Steuerventil. (39, 40) zuführende Brennstoffspeisepumpe (27, 111) mit einem Nebenschlußkanal (30', 1i8') und einem Überströmventil (29, 117) versehen ist, das in Schließrichtung entweder mit dem hinter der Regeldrossel (37, 42) oder mit dem hinter dem Steuerventil (114) herrschenden Steuerdruck und einer .im wesentlichen konstanten Federkraft (33, 122) belastet ist. i i: Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzufuhr zwischen einer vorgegebenen oberen Beschleunigungsgrenze und/oder einer vorgegebenen unteren Verzögerungsgrenze mittels einer Vorrichtung (141 bis i5o) veränderlich ist, die von einer Vorrichtung (156, 15611) drehzahlabhängig gesteuert wird.
12. Vorrichtung nach Anspruch i i, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (141 bis 15o) ein Ventil (148) aufweist, (das die vom Steuerventil (114, 116) geschaffene Druckdifferenz steuert und mit dem Drehzahlgeber (156, 156a) sowie mit dem Stellglied (162) verbunden ist, das zum Einstellen des Drehzahlgebers und des Ventils dient.
13. Vorrichtung nach Anspruch 6, 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, ,daß das Ventil (148) Durchlässe (143, 144) von der Steuerdruckkammer (A) zum Brennstoffstrom hinter der Regeldrossel (127) steuert. -14..
Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Regelquerschnitt (126) beherrschende Drossel (127) von einer Vorrichtung (128) im Sinne einer Vergrößerung des Regelquerschnittes bei Drehzahlanstieg gesteuert wird.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche i bis 4 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die auf Schwankungen der Luftdichte ansprechende Vorrichtung (131 und i32) die Stellung der Regeldrossel (127) verändert.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (128) mit einem druckempfindlichen Glied versehen ist, das mit der Regeldrossel (127) verbunden sowie mit dem dichteabhängig geänderten Druckabfall über der Dosierdrossel beaufschlagt ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die @dichteabhängige Vorrichtung (131, 132) ein Ventilglied aufweist, das auf Änderungen des Luftdruckes und/oder der Temperatur anspricht und einen Durchlaß in einem Nebenschluß (136, 137) zur Regeldrossel (127) steuert.