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Brennstoffregeleinrichtung für Heißstrahltriebwerke, insbesondere
zum Vortrieb von Luftfahrzeugen Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffregeieinrichtung
für Heißstrahltriebwerke, insbesondere zum Vortrieb von Luftfahrzeugen, bestehend
aus einem Verdichter, Brennkammern und einer den Verdichter antreibenden Gasturbine
mit anschließenderRückstoßdüse, und betrifft dieRegelung der Kraftstoffzufuhr.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, die Kraftstoffzuteilung bei Heißstrahltriebwerken
der genannten Art in Abhängigkeit von der Drehzahl durch einen Drehzahlregler zu
regeln, wobei der Regler, in ebenfalls bereits vorgeschlagener Weise, mit einem
den Kraftstoffüberlauf regelnden Arbeitskolben ausgerüstet ist, der hydraulisch
über ein Öl-
polster mit einem Rückführkolben gekuppelt ist. Zum Stillsetzen
des Triebwerkes ist ein Absperrschieber mit Sicherheitsventil vorgesehen, der gleichzeitig
mit dem Drehzahlregler oder für sich allein von Hand eingestellt wird.
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Wie die Erfahrung im Flugbetrieb gezeigt hat, wird ein Strahltriebwerk,
welches vorübergehend mit kleineren Drehzahlen betrieben werden soll, wo also der
Pilot »Gas wegnimmt«, durch den Fahrtwind mit einer größeren Drehzahl. als dem »Gaswegnehmen«
entspricht, durchgedreht, so daß der Drehzahlregler in diesem Fälle die Tendenz
hat,. die Kraftstoffmenge noch weiter zu verkleinern und die Gefahr entsteht, daß
die zur Aufrechterhaltung der
Verbrennung in den Brennkammern notwendige
Mindestkraftstoffmenge .unterschritten wird, die Brennkammern also auskühlen und
die später (beim Angriff oder beim Steigflug) erforderliche Wiederbeschleunigung
nicht oder nicht ' rasch genug gelingt. Um dieser Gefahr zu. begegnen, ist es notwendig,
den Drehzahlregler unter den genannten Verhältnissen auszuschall'ben. Die gleiche
Forderung kann auch aus anderen betrieblichen Gründen gestellt werden.
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Ein Teil der Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei Heißstrahltriebwerken
der genannten Art den Einfluß des Drehzahlreglers auf die Kraftstoff-. züteilung
auszuschalten, sobald eine durch die Auslegung des Triebwerkes und den jeweiligen
Flug-und Betriebszustand bedingte Mindestdrehzahl (im folgenden kurz »Grenzdrehzahl«
genannt) erreicht oder unterschritten wird.
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Mit der Lösung dieser Aufgabe stellt sich aber sofort ein weiteres
Problem ein: Beim Wiedereinschalten des Drehzahlreglers, wenn das Triebwerk sich
wieder über die Grenzdrehzahl beschleunigen soll, entsteht die Gefahr, daß der Drehzahlregler
eine unzulässig große Kraftstoffmenge einregelt, welche das Überschreiten der Treibmittel-Höchsttemperatur
und die Zerstörung der Gasturbinenbeschaufelung zur Folge hätte- Der weitere Teil
der Aufgabe der Erfindung bestehtdaher darin., den.Übergang der Regelung bei niedrigem
Drehzahlbereich in die Regelung bei, hohem Drehzahlbereich kontinuierlich, d.' h.
so zu gekalten, daß dabei keine unzulässig große, spontane Änderung der Kraftstoffmenge
auftritt.
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Diese kombinierte Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem Heißstrahltriebwerk
der erwähnten Art dadurch gelöst, daß der Absperrschieber eine die Kraftstoffmenge
bestimmende, gegebenenfalls regelbare Drosselstelle enthält und daß der Überlauf
des Kraftstoffes bei Drehzahlen oberhalb der »Grenzdrehzahl« vom Drehzahlregler,
unterhalb der Grenzdrehzahl hingegen von einem Kraftstoffstrom gesteuert wird, der
durch das Sicherheitsventil bestimmt wird, das in diesem Falle als Differenzdruckregler
der Kraftstoffdrücke; vor und hinter dem Absperrschieber wirkt, wobei gleichzeitig
der Einfluß des Drehzahlreglers auf den Überlauf des Kraftstoffes unwirksam gemacht
ist. Unter der Grenzdrehzahl wird dabei die kleinste Drehzahl imArbeitsbereich des
I)rebzähl@regters verstanden. Diese ist bedingt durch die Auslegung des Triebwerkes
und ändert sichjenachdenaugenblicklichen Betriebsbedingungen des Heißstrahltrieb-,verkes
und den Flugbedingungen des Luftfahrzeuges (Flug in Bodennähe; Flug in großer Höhe
usf.).
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß zwecks
Ausschaltung des Drehzahlreglers unterhalb der Grenzdrehzahl die Ölpolsterkammer
über den Steuerkolben des Sicherheitsventils entlastet wird. Es ist ferner noch
vorteilhaft, daß die Durchflußöffnung durch den Absperrschieber unterteilt ist,
wobei der eine Teil als kalibrierte Leerlaufdüse ausgebildet ist, die zweckmäßig
einstellbar oder regelbar ist.. Durch die Erfindung 'wird der Vorteil erreicht,
daß bei Heißstrahltriebwerken mit drehzahlgeregelter Kraftstoffmengensteuerung während
des Fluges die Unterkühlung der zeitweilig gedrosselten Heißstrahltriebwerke mit
Sicherheit vermieden und damit die gewünschte Wiederbeschleunigung in jedem Augenblick
gewährleistet ist und ferner, daß der Übergang .von dem Betrieb von. unterhalb der
Grenzdrehzahl zu dem Betrieb oberhalb der Grenzdrehzahl stoßfrei, d. h. ohne schädigende
Kraftstoffanreicherung erfolgt: In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung wesenhaft dargestellt. Es zeigt Abb. i die Regeleinrichtung beim_ Betrieb
des Heißstrahltriebwerkes oberhalb der renzdrehzahl und Abb.2 die gleiche Einrichtung
beim Betrieb unterhalb der Grenzdrehzahl.
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' Das von der Öldruckpumpe i gelieferte Drucköl gelangt über die Druckleitung
2 in das Steuerkolbengehätise 3 und von da über die Bohrung q. einer Steuerkolbenhülse
5 in die Ringnut 6 eines Steuerkolbens 7. Der Steuerkolben 7 ist auf einem Spurlager-8
gelagert und wird von den Hebeln 9 der Reglergewichte io mitgenommen. Er dreht sich
also mit der gleichen Drehzahl wie die Welle 11, die in Wirkverbindung mit
der Gasturbinenwelle des Heißstrahltriebwerkes steht. Außerdem kann er noch entsprechend
den Ausschlägen der Reglergewichte eine Längsbewegung entgegen dem Druck einer Druckfeder
12 ausführen, deren Gegenlager durch eine verstellbare Platte 13 gebildet
wird. Die Ringnut 6 ist in der Weise bemessen, daß die Druckleitung 2 in jeder Stellung
des Steuerkolbens in sie mündet und daß im Beharrungszustand die Druckleitungen
i4., 15, welche in der Hülse durch Bohrungen i6, 17 fortgesetzt werden,
gerade verschlossen werden.
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Die Hülse 5 steht auf der einen Stirnseite unter dem Druck einer Druckfeder
18; ihre andere Stirnseite stützt sich auf einen Rückführungshebel i9 ab, der um
einen festen Drehpunkt 2o drehbar ist und von der Kolbenstange 2-i eines noch näher
zu beschreibenden Rückführungskolbens 22 bewegt wird. Der Rückführungskolben 22
sitzt mit dem Arbeitskolben 23 gemeinsam in einem Zylinder 2q.. Seine Kolbenstange
2 1 gleitet dichtend in einem Gehäuse 25, welches in den Ölsumpf 26 übergeht und
in welches eine Ölzuleitung z7 und eine noch näher zu beschreibende Verbindungsleitung
28 münden. Die Kolbenstange 21 besitzt eine Ringnut 29, in welche in jeder Stellung
des Rückführungskolbens die erwähnte Verbindungsleitung 28 mündet und welche so
bemessen ist, daß sie die Ölleitung 27 gerade abschließt, wenn der Beharrungszustand
erreicht ist. Die Kolbenstange 2i trägt außerdem 'noch eine mechanische 'Hubbegrenzung
30; eine' zweite Hubbegrenzung 31 befindet sich im Innern des Zylinders 2q.. Die
Kolbenstange des Arbeitskolbens 23 ist als Ventil 32 ausgebildet und steuert den
Überlauf des bei 33 eintretenden und sich indie Leitungszweige 34 und 35 verteilenden
Kraftstoffes in die Überlaufleitung 36. Die Form des Ventilkegels 32
und
die Wege s und s' des Rückführungskolbens bis zu den Anschlägen sind so gewählt,
daß durch die spontane Bewegung des Arbeitskolbens immer nur ein gewisser Prozentsatz
der den Einspritzdüsen zugeführten Kraftstoffmenge plötzlich geändert wird.
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Zwischen den beiden Kolben 22 und 23 ist ein Ölpolster 37 eingeschlossen,
das über eine Leitung 38 mit der Ringnut 29 der Rückführungs-Kolbenstange 21 in
Verbindung steht, und zwar gedrosselt durch den Steuerkolben 7. Zu diesem Zweck
besitzt die Steuerkolbenhülse 5 zwei Bohrungen 39 und 4o, die im Beharrungszustand
mit den Mündungen der Leitungen 38 und 28 bündig verlaufen, und der Steuerkolben
einen Schlitz 41, der als dämpfende Unterbrecherdrossel ausgebildet ist.
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Die Abzweigleitung 35 aus der Kraftstoffzuleitung 33 führt zu den
Einsp@ribzdüsen 42 unter Zwischenschaltung eines Absperrschiebers 43, welcher dichtend
in einer Hülse 44 gleitet und über irgendeine Einrichtung von Hand eingestellt
werden kann. Der Absperrschieber 43 besitzt eine Ringmit 46, die so breit ist, daß
sie die in der Hülse 44
angeordnete Leerlaufdüse 47 und Hauptdüse 48 gegebenenfalls
auch gemeinsam öffnen kann.
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An den Ventilkegel ,32 schließt sich eine Verlängerung 49 an, die
in einen Kolben 5o ausläuft, der in einem Zylinder 5 i dichtend gleitet. Der Zylinder
5 i geht in einen geschlossenen Druckraum 52 über, von welchem eine Verbindungsleitung
53 in einen noch, näher zu beschreibenden Druckdifferenzregler führt. Der Kolben
5o wird von einer Druckfeder 54 im Sinne des Schließens des.Überlaufventils 32 beaufschlagt.
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Der bereits erwähnte Druckdifferenzregler besteht aus einem in einem
Gehäuse 55 dichtend gleitenden Kolben 56, der auf der einen Stirnseite untA-r dem
Druck einer Druckfeder 57 steht, die in einer Erweiterung 58 des Gehäuses 55 untergebracht
ist. Die andere Stirnseite des Kolbens 56 steht über die Impulsleitung 59 mit der
Abzweigleitung 35 in Verbindung; der erweiterte Druckraum 58 ist über eine Impulsleitung
6o mit der Leitung 45 hinter dem Absperrschieber verbunden. In das Gehäuse 55 münden
seitlich eine von der Lei' tung 38 abzweigende Nebenleitung 61 mit einem Ablauf
62 zum Ölsumpf, ferner die bereits erwähnte Verbindungsleitung 53 und eine
Leitung 63, die in die Überlaufleitung 36 führt.
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Der Steuerkolben 56 besitzt zwei Ringnuten 64, 65, die so bemessen
sind, daß der Steuerkolben 56 in der einen Lage (Abb. i) die Leitungen 53 und 63
über die erste Ringnut 64 zusammenfaßt, während er die Nebenleitung 6i abschließt,
und daß der Steuerkolben in der anderen Lage (Abb. 2) über die zweite Steuernut
65 die Leitungen 61 und 62 zusammenfaßt, während er nunmehr die Leitung 53 von der
Leitung 63 abschließt und teilweise oder völlig mit der Impulsleitung 59 verbindet.
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Die Wirkungsweise ist folgende: Beim Betrieb. oberhalb der Grenzdrehzahl
ist die Reglerfeder 12 entsprechend der gewünschtenDrehzahl vorgespannt, und der
Kraftstoffüberlauf 32 wird in bekannter Weise durch den als Isodromregier ausgebildeten
Drehzahlregler 9, io usf. gesteuert. Im Beharrungszustand, wenn also das Heißstrahltriebwerk
mit der gewünschten Drehzahl umläuft, steht die von den Reglergewichten io dem Steuerkolben
7 aufgedrückte Komponente der Fliehkraft mit der Federkraft der Druckfeder 12 im
Gleichgewicht. Die Druckleitungen 14 und 15 werden von dem Steuerkolben 7 abgeschlossen.
Die von der Ölpolsterkammer 37 in die Ringnut 29 führende Leitung 38, 28 ist in
dieser Stellung ebenfalls abgeschlossen, so daß das Ölpolster blockiert ist. Auch
die. von dieser Verbindungsleitung abzweigende Nebenleitung 61 wird durch den Steuerkolben
56 des Sicherheitsventils verschlossen gehalten. Der Druck des Kraftstoffes vor.
dem Absperrschieber 43 ist in diesem Falle kleiner als die Summe aus dem Federdruck
der Sicherheitsventilfeder 57 plus dem durch die Leitung 6o übermittelten Druck
des Kraftstoffes hinter dem Absperrsdhi@eber 43. Auf den Arbeitskolben 23 mit dem
Überlaufventil 32 wirkt allein der Drehzahlregler ein.
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Soll nunmehr die Drehzahl des Triebwerkes unter die Grenzdrehzahl
des Reglers herabgesetzt, d. h. »Gas weggenommen« werden; so wird durch den Piloten
der Absperrschieber 43 im Sinne einer Verkleinerung der durchgesetzten Kraftstoffmenge,
in der Zeichnung nach oben (Abb. 2), verstellt, wobei, wenn Absperrschieber 43 und
Verstellplatte 13 miteinander gekuppelt sind, auch die Reglerfeder 12 entsprechend
verstellt werden kann. Durch die dann wirksamen Querschnitte im Absperrschieber
sinkt der Druck hinter dem Absperrschieber« stärker ab als im Normalzustand. Der
Druck vor dem Absperrschieber ist nunmehr größer als die Summe aus Druck hinter
dem Absperrschieber plus Sicherheitsventilfederdruck"57,was wiederum zur Folge hat,
daß nunmehr der Kolben 56 des Sicherheitsventils nach unter gedrückt wird.
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Hierdurch geschieht zweierlei: i. wird die Nebenleitung 61 geöffnet,
so daß das Ölpolster 37 über die Leitung 38 abfließen kann, wodurch die hydraulische
Kupplung des Arbeitskolbens 23 mit dem Drehzahlregler gelöst wird; 2. tritt Kraftstoff
unter den Kolben 5o des Überlaufventilkegels, der nunmehr gemeinsam mit der Druckfeder
54 die Steuerung der überlaufenden Kraftstoffmenge übernimmt. In diesem Betriebszustand
wirkt das Sicherheitsventil als Differenzdruckregler (Differenz aus dem Druck vor
dem Absperrschieber und dem Druck hinter dem Absperrschieber) und hält - bedingt
durch die Auslegung - das Überlaufventil in einer Stellung, die der jetzt gewünschten
Drehzahl des Triebwerkes entspricht.
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Soll nunmehr das Triebwerk wieder über die Grenzdrehzahl, also in
den Drehzahlregler-Bereich hinein beschleunigt werden, so wählt der Pilot die neu
gewünschte Drehzahl indem er »Gas gibt« und vergrößert den Durchtrittsquerschnitt
des Absperrschiebers 43. Gleichzeitig kann er auch die Spannung der Reglerfeder
12 entsprechend vergrößern. Dadurch ändert sich wieder der Druckunterschied
zwischen
dem Druck vor und hinter dem Absperrschieber in, -der Weise, daß nunmehr wieder
der Sicherheitsventil-Kolben 56 in die Anfangslage zurückkehrt. Hierdurch wird wiederum
zweierlei erreicht: i. wird nach dem Abschließen der Nebenleitung 61 das Ölpolster
37 wieder aufgefüllt, weil nämlich gleichzeitig mit dem Niedergehen des Rückführungskolbens
22 bis zum Aufsitzen des Anschlages 3o die Steuerkante 66 den Zufluß aus der Ölleitung
27 (die praktisch mit der Druckleitung :2 identisch sein kann) freigelegt hat, wodurch
das .t51 aus der Leitung 27 über die Ringnut 29, die Verbindungsleitung 28, die
dämpfende Drosselstelle 39 und Leitung 38 der ölpolsterkammer zufließt; 2. wird
der Druckraum 52 unterhalb des Kolbens 5o über die Rücklaufleitung 53, 63 in den
Überlauf 36 entlastet. Damit hat der Drehzahlregler die Regelung der Kraftstoffmenge
wieder aufgenommen, und zwar unter Vermeidung unzulässiger sprunghafter Zustandsänderungen
im Betrieb des TT:iebwerkes, insonderheit ohne unzulässig große Kraftstoffanreicherungen.
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Die Düsen 47, 48 in der Absperrschieberhülse 44 und die Feder 57 des
Sicherheitsventils sind so ausgelegt, daB plötzliche Drehzahlsteigerungen innerhalb
des Reglerarbeitsgebietes (d. h. also in dem Gebiet oberhalb der Grenzdrehzahl)
kein Ansprechen des Sicherheitsventils in dem oben ge--schilderten Sinne verursachen.
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Es ist selbstverständlich auch möglich, die Aufteilung der geförderten
Kraftstoffmenge ' auf die Verbrauchsleitung 35 und auf die Überlaufleitung 36 durch
eine Steuerung in der Verbrauchsleitung vorzunehmen. In diesem Falle würde der Überlauf
indirekt gesteuert sein.