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Strahltriebwerk, insbesondere Turbostrahltriebwerk mit Nachverbrennung
Die, Erfindung betrifft ein Strahltriebwerk, insbesondere Turbostrahltriebwerk,
mit Nachverbrennung und Brennstoffzufuhr zum Nachbrenner mittels wenigstens einer,
mit einer Druckluftturbine angetriebenen Turbopumpe sowie Regelung der Brennstoffmenge
in Abhängigkeit von dem SetriebsdTuck des Triebwerks und der Schubdüsenaustrittste@mperatu,r.
Bei den bisher bekannten Ausführungen beeinflussen zwei Regelfaktoren, nämlich der
Betriebsdruck des Triebwerks und die Schubdüsenaustrittstemperatur zusammen den
Turbinenteil der Turbopumpe, woraus sich eine verhältnismäßig lange Ansprechzeit
der Regelvorrichtung ergibt.
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Hiervon unterscheidet sich nun dass Strahltriebwerk nach der Erfindung
grundsätzlich dadurch, daß die beiden Regelfaktoren unabhängig voneinander eingesetzt
werden, wobei der Regeldruck auf den Luftstrom der Turbopumpe und die Schubdüsenaustrittstemperatur
auf den Brennstoffstromkreis
einwirkt. Hierbei ist dann unter Regeldruck
entweder der Druck in der Beruhigungskammer des Strahltriebwerks oder der Druck
am Verdiohteraustritt zu verstehen.
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Demzufolge ist die Erfindung in erster Linie gekennzeichnet durch
eine, in Abhängigkeit von dem Druck in der Beruhigungskammer oder dem Austrittsdruck
des Verdichters des Triebwerks arbeitende- Regelvorrichtung zur Regelung des Eintrittsdruckes
der in die Pumpenantriebsturbine eintretenden Druckluft und eine unmittelbar die
von der Twrbopumpe geförderte Brennstoffmenge regelnde, in Abhängigkeit von der
Schubdüsenaustrittstemperatür arbeitende Regelvorrichtung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in dem Brennstoffkreis
hinter der Turbopumpe ein von Einem Verstellmotor gesteuertes Ventil sowie in der
Zone, in welcher die Schubdüsenaustrittstemperatur herrscht, ein el4ktrisches temperaturempfindliches
Glied, z. B. ein Thermoelement, vorgesehen, dessen EMK nach Verstärkung in einem
Verstärker einem Spannungskompensa.tor zugeführt wird, in welchem die thermoe@lektri.sche
EMKgegenüber einer, dem aufrecht7ue,rhaltenden Sollwert der theoretischen Schubdüsenaustritts:temperatur
verhältnisgleichen Gegen-EMK durch vo-mKompens[atoT gelieferte Kompensationsspannungen
kompensiert wird, die dem in jedem Augenblick vorhandenen Unterschied zwischen dem
eingestellten Sollwert derTemperatu.r und der wirklichen Temperatur verhältnisgleich
sind und den Verstellmotor steuern.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung ist vorteilhaft in dem Brennstoffkreis
hinter der Turbopumpe und zweckmäßig vor dem Ventil: das von dem Verstellmotor gesteuert
wird, ein weiteres Ventil vorgesehen, wclohes durch ein von Hand zu betätigendes
Glied verstellt wird und zur Herstellung größerer, den selbsttätigen Regelbereich
übersteigender Änderungen der dem "Nachbrenner zugeführten Brennstoffmenge dient.
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Weiter können im Sinne der Erfindung Mittel zur Außerbetriebsetzung
der auf die gewählte Betriebstemperatur ansprechenden Regelvorrichtung vorgesehen
sein, wobei diese Mittel durch ,- das von Hand zu betätigende Glied, das zur willkürlichen
Regelung der Größe der Nachverbrennung dient, gesteuert "werden.
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Weiter: Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung der in der 7ei:chnung dargestellten Ausführungsbeispiele. Es zeigen
Fig. 1 bis 4 vier schematische Darstellungen von möglichen Ausführungsfarmen eines
Turbostrahltriebwerks mit Nachbrenner und erfindungsgemäßen Regelsystem und Fig.
5 und 6 zwei verschiedene Betriebsstellungen eines mit einem Servomotor ausgezü'steten
Ventils zum Einbau in das erfindungsgemäße Regelsystem.
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Das eigentliche Turbostrahltriebwerk kann mit Ausnahme des Nachbrenners
auf beliebige Weise ausgebildet sein. Es weist vor allen Dingen eine Schubdüse i
auf, welche an ihrem Ende- eine Vorrichturig zur Regelung des Austrittsquerschnitts
für die Gase besitzt. Diese Regelvorrichtung kann z. B. aus Klappen a bestehen,
welche zwei Stellungen einnehmen können, von denen die eine dem größten Austrittsquerschnitt
und die andere dem kleinsten Austrittsquerschnitt entspricht.
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Der Nachbrenner weist mindestens einEinspritzrohr 3 auf, welches zweckmäßig
mitten in der Strömung in der Düse i angeordnet ist und durch eine Turbopumpe d.
-mit Brennstoff gespeist wird.
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Diese Turbopumpe enthält in an sich bekannter Weise einen von einem
Druckgas angetriebenen Turbinenteil und einen z. B. als eine Fliehkraftpumpe" ausgebildeten
Pumpenteil, welcher den Brennstoff zu dem Einspritzrohr 3 fördert.
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In der schematischen Darstellung der Fig. i ist gestrichelt der pneumatische
Kreis der Turbopumpe 4. dargestellt, während der Brennstoffkreis voll ausgezogen
ist, wobei die Pfeile bei beiden Strömungskreisen@die Strömungsrichtung der Strömungsmittel
angeben.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Regelung des Turbinenteils der Turbopumpe
4. ausschließlich mittels des DruckesP1 in der Berwhigungskammer der Vorrichtung
oder des Druckes P2 am Austritt des Verdichters der Vorrichtung.
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Ferner wird durch die gewählteRegeltemperatu:r, z. B. die totale Temperatur
T4, unmittelbar die Brennstoffmenge hinter der Turbopumpe ¢ geregelt. Diese Regelung
erfolgt derart, daß jede Ab-,veichung der totalen Temperatur T4 von dem für diesen
Faktor gewünschten Wert eine entgegengesetzte Änderung der dem Einspritzrohr 3 kugeführten
Brennstoffmenge bewirkt.
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Hierfür kann z. B. die in Fig. i schematisch dargestellte Ausführungsform
benutzt werden, bei -,welcher angenommen. ist, daß der Turbinenteil der Turbopumpe
q. durch unter dem Fnrderdruck des Verdichters stehende Luft angetrieben wird.
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Bei dieser Ausführung erfolgt die Grobregelung durch ein Ventil, z.
B. ein Nadelventil 5, welches in dem Druckluftströmungskreis vor der Turbopumpe
q. angeordnet ist und durch eine unter dem Regeldruck stehende Manometerkapsel6
gesteuert wird, die, den von dem Nadelventil 5 gesteuerten Durchtrittsquerschnitt
verkleinert, wenn derRegeldruck abnimmt und umgekehrt.
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In dem B-rennstö:ffkreis ist -hinter der Turbopumpe q. ein z. B. als
Nade@lventi:l 7 ausgebildetes Ventil vorgesehen.
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In der Zone, in -welcher die Temperatur T4 herrscht, befindet- sich
ein temperaturempfindliehes .elektrisches Glied 8 (Thermaelement), das über :einen
Verstärker 9 auf einen S:pannungskompensator io wirkt, in welchem die thermoelektrische
ET/IK gegenüber der Gegen-EMK, die in einer elektrischen Einstellvorrichtung i i
verhältnisgleich dem auftrechtzuerhaltenden Sollwert der theoiretischen Temperatur
T4 erzewgt wird, durch eine Kompensationsspannung kompensiert wird, die den in jedem
Augenblick zwischen der eingestellten Temperatur T4 und der wirklichen Temperatur
T4 bei tehenden Unterschieden dann verhältnisgleich i s t.
DieseKompensationsspann.ungen
werden auf eine Anordnung zur Steuerung des Nadelventils 7 übArtragen, welche z.
B. durch einen Verstellmotor 12 gebildet werden kann, der .das Nadelventil so steuert,
daß jede von dem Spannungskompem,sater io gelieferte positive Spannung (wi@rkli-cheTemperatur
T4 höher als die eingestellte Temperatur) eine Verringeirung des von dem Nadelventil
gesteuerten Durchtrittsquerschnitts zur Folge hat, während eine von dem Spannungskompensator
gelieferte negative Spannung die umgekehrte-Wirkung hat.
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Eine derartige Vorrichtung zur Regelung der Nachverbrennung arbeitet
genau und schnell, da der Faktor T4 unmittelbar die Brennstoffmenge beeinflußt,
ohne daß erst eine Veränderung der den Turbinenteil der Turbopumpe 4 durchströmenden
Druckluftmenge erfolgt.
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Bei einer derartigen Regelvorrichtung brauchen nur geringe Veränderungen
der 1\Tachverbrennung beiderseits des vorausbestimmten theoretischen Betrages vorgesehen
zu werden, wobei diese übrigens vollständig selbsttätig erfolgenden geringen: Veränderungen
(welche z: B. größenordnungsmäßig plus oder minus 5 % betragen) nur zu Folge haben,
daß die Temperatur T4 im wesentlichen konstant bleibt, damit der Pilot die Nach.veirbrennung
nach Belieben verändern kann.
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Andererseits kann die auf T4 ansprechende Regelung, wie schematisch
in Fig.2 dargestellt, auch einfach außer Betrieb gesetzt werden, indem man den in
dem Speisestromkreis des Verstel-lmotors. 12 vorgesehenen Schalter 16 entweder unabhängig
von dem Glied 15 betätigt, oder aber hiermit so, steuert, daß auf eine Verstellung
des Gliedes 15 aus seiner, der größten Nachverbrennung entsprechenden Lage, selbsttätig
die Öffnung das Schalters 16 erfolgt.
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Eine weitere Lösung, welche gegenüber der vorhergehenden den Vorteil
der Aufrechterhaltung der Temperatur in Abhängigkeit von der Flughöhe aufweist,
bestecht darin, durch das Glied 15, das zur Steuerung der Nachverbrennung dient,
das Betätigungsglied 13 der Vorrichtung i i zur Einstellung der gewünschten Temperatur
T4 zu steuern. In diesem Fall muß die Steuerung so ausgebildet werden, daß, wenn
das von dem Piloten betätigte Glied 15 zwecks Verringerung der Nachverbrennung betätigt
wird, das Betätigungsglied 13 der Einstellvorrichtung i i s4 verstellt wird, daß
die Temperatur T4 sinkt. Ein derartiges Steuersystem ist in Fig. 3 schematisch durch
ein Gestänge 17 dargestellt. Dabei arfolgt bei einer Bewegung in Richtung der Pfeile
eine Verringerung der Nachverbrennung.
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Dabei entspricht jede Stellung des Gliedes 15 der günstigsten Temperatur
T4.
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Bei den obigen Ausführungen war angenommen, daß die Klappen 2 zur
Regelung des Austrittsquerschnitts der Gase zwei Stellungen einnehmen können. Es
liegt hier also eine »Auf-Zu-Regelung« des der Inbetriebsetzung der Nachverbrennung
entsprechenden zusätzlichen Austrittsquerschnitte vor.
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In den Fällen, wo eine stetige Regelung des Austrittsquerschnittes
erwünscht ist, erfolgt die Ausbildeng derairt, daß die Klappen 2 in, einer beliebigen
Zwischenstellung feststellbar sind. Zu diesem Zweck wird die Vorrichtung zur. Betätigung
der Klappen 2 von dem von dem Piloten .zu betätigenden Glied 15 der Nachverbrennzunng
so gesteuert, daß durch die Verringerung der Nachverbrennung eine entsprechende
Verringerung des AustrittsquLrschnitts der Gase stattfindet.
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Eine derartigeSteuerung ist schematisch in Fi:g.4 dargestellt, wo
durch das von dem Piloten hatätigte Glied 15 ein Servomotor 18 zur Betätigung dar
Klappen 2 gesteuert wird.
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Jetzt braucht die Vorrichtung i i zur Einstellung der Temperatur T4
nicht mehr mit Hilfe des von dem Piloten betätigten Gliedes 15 gesteuert zu werden,
so daß durch die- Anpassung des Austrittsquerschnitts an die Stärke der Nachverbrennung
die gleiche eingestellte Temperatur beibehalten wird, was den Vorteil mit sich bringt,
daß die Betriebsbedingungen. vor dem Nachbrenner aufrechterhalten bleiben.
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Wenn die Anlage ein von dem Piloten zu betätigendes Glied 15 zur beliebigen
Einstellung des Nachbrenners aufweist, dann wird zweckmäßig ein Schalter 16" zum
Ausschalten der auf den Faktor T4 ansprechenden Regelvorrichtung vorgesehen, damit
der Pilot sie ausschalten kann, wenn sie gestört ist.
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Bei den obigen Ausführungen und den schematischen Darstellungen war
zur Erleichterung des Verständnisses der Erfindung angenommen worden, daß die meisten
Steuerungen unmittelbar erfolgen. In der Praxis können jedoch zweckmäßig Servomoto,re,
z. B. hydraulische, pneumatische oder elektrisvhe, benutzt werden.
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So können insbesondere hydraulische Sea-va steuerurigen für die in
der Druckluftspeilseleitung der Turbopumpe 4 angeordnete Ventilanoirdnung 5 sowie
für die in der Brennstoff-Förderledtung dieser Turbopumpe angeordneten Ventilanordnungen
7 und 14 vorgesehen werden.
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Wird ein Servomotoir zur Steuerung des von dem Regelfaktoir T4 beeinflußten
Ventils verwendet, dann wird er vorteilhaft so ausgebildet, daß das Ventil allmählich.
in die größte Offenxtellung zurückkehrt, wenn der Pilot die auf T4 ansprechende
Regelvorrichtung durch Öffnung des Schalters 16 außer Betrieb setzt.
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Hierfür kann die in Fig. 5 und 6 dargestellte Ausführungsform benutzt
werden, bei welcher denverstellbare Teil des Ventils 7 einen Kolben i9 trägt, dessen
eine Seite unter Einwirkung einer Feder 2o steht, welche gegen diesen verstellbau-en
Baden -eines Raumes veränderlichem. Volumens 21 drückt, welches durch einen Steuerschieber
22 entweder mit einer Leitung 23 für die Zufuhr von unter Druck (von z. B. 40 leg/cm2)
stehendem Öl edier Brennstoff oderr mit einer Entleerungisleitung 24 in Verbindung
gehraicht worden kann.
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In dem verstellbaren Teil des Ventils 7 ist eine Ausnehmung 25 vorgesehen,
welche über Öffnungen 26 mit dem Raum 21 und über Öffnungen 27 mit der Entleerungsleitung
24 in Verbindung steht.
Die Öffnungen 26 werden durch einen Nachlaufkodben
28 gesteuert, welchew vom. denn auf die von dem Spannungskompen.sator io gelieferten
Spannung ansprechenden Verstedlmotor .betätigt wird.
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Zwischen dein Raum 21 und dem Steuerschieber 22 sitzt in der Speiseleitung
eine Drosselvorrichtung 2g. Der Steuerschieber 22 wird durch-einen elektromagnetischen
Stempel3o betätigt, welcher in dem Steuerstromkreis des Vers.tellmotars.12 liegt.
Dem Kern 31 des Stempels 3o !hält, wenn. er erregt wird, diesen. Steuerschieber
in der Stellung, in der der Raum 21 unter Druck steht (Fig.5). Eine Feder 32 sucht
den Steuerschieber in die auf Fig. 6 dargestellte Stellung zurückzudrücken, in welcher
der Raum 21 mit dem Entleerungskanal 24 veT-bunden ist. -Ein derartiger Servomotor
.arbeitet folgendermaßen: Wenn der Steuerschieber die in Fig. 5 dargestellte Stellung
einnimmt, wird der verstellbare Teil 7 des Ventils durch den Öl- oder Brennstoffdruck
in Schließumgss:t#--l.lung gebracht, bis die Öffnungen 26 durch den Nachlaufkolben
2$ freigelegt werden, wobei jede Veränderung dar Stellung desselben eine entsprechende
Änderung der Stellung des Venflteils 7 zur Folge hat. Sobald der Erregerstromkreis
des Verstellmotors. unterbrechen wird, kommt die Feder 32 zur Wirkung. Der Steuerschieber
22 nimmt dann die auf Eig. 6 dargestellte Stellung ein. Der Raum 21 wird über die
Drosselvorrichtung 2g mit dem Eritlee!rungskanal 24 in Verbindung gesetzt. Die aus
dem Nadelventil 7 und dem Kolben ig gebildete Anordnung wird unter der vereinten
Wirkung des Brennstoffdruckes und der Feder 2o nach recht§ vernstellt. Die hierbei
entwickelte Kraft isst erheblich kleiner als die, welche vorher von. dem Treib-d@ruck
erzeugt wurde, als der Raum 21 mit der Druckleistung 23 in Verbindung stand. Die
in dem Raum 21 enthaltene Flüssigkeit braucht eine gewisse Zeit zur Überschreitung
des kalihrierten Durchlasses 2g, so, daß der verstellbare Teil 7 nur allmählich
sich voll öffnet. Es wird :so eine plötzliche Änderung des Betriebszustandes vermieden,
wenn der Pilot das auf die Temperatur T4 ansprechende Regelsystem ausschaltet.