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Rückstoßtriebwerke mit durch einen Servobrennstoffdruck gesteuerten
Vorrichtungen Die Erfindung bezieht sich auf Rückstoßtrielr werke, insbesondere
Turbostrahltriebwerke und Turbotriebwerke, mit einer oder mehreren Hilfsvorrichtungen
(Regelvorrichtungen, regelbare Verschlußklappen usw.), welche durch einen hydraulischen
Servodruck gesteuert werden, der von einer Brennstoffzuführleitung des Triebwerkes
geliefert wird. Die Erfindung betrifft im besonderen, jedoch nicht ausschließlich,
die Turbostrahltriebwerke oder Turbotriebwerke mit einer Nachbrenneinrichtung mit
Hilfsvorrichtungen (insbesondere zur Überwachung und Regelung), welche durch einen
hydraulischen Servodruck betätigt werden, der durch Entnahme aus der Hauptbrennstoffleitung
geliefert wird.
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Sie bezweckt insbesondere, derartige Anordnungen so auszubilden, daß
sie besser als bisher den verschiedenen Erfordernissen der Praxis entsprechen und
daß insbesondere die Inbetriebnahme der durch den Servobrennstoffdruck betätigten
Hilfsvorrichtungen
nicht die Hauptbrennstoffzufuhr des Triebwerkes stört.
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Hierfür wird erfindungsgemäß bei den betreffenden Triebwerken der
zur Erzeugung des Servodruckes für die Hilfsvorrichtungen bestimmte Brennstoff nicht
unmittelbar auf der Druckseite der Hauptbrennstoffleitung entnommen, sondern die
Versorgung erfolgt durch Parallelschaltung zu einem Rückstromkreis, welcher seinerseits
parallel zur Brennstoffpumpe liegt und der Brennstoffleitung dauernd eine annähernd
konstante Brennstoffmenge entnimmt, welche vorzugsweise mindestens gleich dem Höchstwert
des Augenblickbedarfs bei Inbetriebnahme der Hilfsvorrichtung ist, und die Brennstoffpumpe
fördert in einem dem Beharrungszustand entsprechenden Betrieb außer der für die
Haupteinspritzung im Triebwerk benötigten Brennstoffmenge auch die annähernd konstante
in den Rückstrom zu liefernde Menge zusätzlich.
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Neben den eingangs erwähnten bekannten Rückstoßtriebwerken ist auch
eine Regeleinrichtung zur Speisung einer Brennkraftturbine mit Brennstoff bekannt,
bei der die Regelung der Einspritzverhältnisse mittels eines Rückstromkreises erfolgt,
dessen Bedarf durch einen Regler gesteuert wird, so daß durch dieses bekannte System
eine dauernde Regelung der Maschine sichergestellt wird. Würde mittels eines solchen
Rückstromkreises eine Hilfsvorrichtung entsprechend der Erfindung gespeist, so würde
sich die Entnahme aus diesem Rückstromkreis auf das Speisesystem auswirken. Dieser
Übelstand wird durch die vorerwähnte Ausbildung nach der Erfindung vermieden, da
hier das Speisesystem so ausgebildet ist, daß es bei normaler Leistung außer der
Kraftstoffmenge, die für die Haupteinspritzung der Maschine benötigt wird, eine
zusätzliche Kraftstoffmenge abgibt, welche vorzugsweise oder mindestens gleich dem
Maximalwert des Augenblickbedarfs an Kraftstoff ist, der benötigt wird, um die Hilfsvorrichtung
zu betreiben. Da-' durch wird der Einfuß der Inbetriebnahme der Hilfsvorrichtung
auf das Speisesystem, durch das der Kraftstoff zugeführt wird, reduziert oder aufgehoben.
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Die Erfindung ist nachstehend in ihrer Anwendung auf ein Turbostrahltriebwerk
mit einer durch einen Servobrennstoffdruck gesteuerten Nachbrenneinrichtung unter
Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.
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Fig. i zeigt schematisch die Hauptzufuhrleitung und die durch einen
Servobrennstoffdruck gesteuerte Nachbrenneinrichtung eines erfindungsgemäßen Turbostrahltriebwerks;
Fig. 2 und 3 zeigen in einem Axialschnitt zwei Vorrichtungen zur Entnahme des Servodrucks
zur Steuerung der Nachbrenneinrichtung, welche in Fig. i nur schematisch dargestellt
sind.
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Die Anordnung ist in ihrer Gesamtheit auf beliebige geeignete Weise
ausgebildet, doch enthält sie u. a., wie schematisch in Fig. i dargestellt, eine
Hauptbrennstoffleitung mit einem Brennstoffbehälter i, wenigstens einer Pumpe 2
und einer Haupteinspritzringleitung 3, sowie eine Nachbrenneinrichtung, welche z.
B. den gleichen Brennstoff wie die Hauptbrennstoffleitung benutzt und z. B. eine
Turbopumpe 4. enthält, welche eine in der Schubdüse des Triebwerks, d. h. hinter
der Haupteinspritzringleitung 3, angeordnete Nachbrenneinspritzringleitung 5 speist.
Ferner ist eine gewisse Zahl von durch einen Servobrennstoffdruck betätigten Hilfsvorrichtungen
zur Betätigung (Ein-oder Ausschaltung) und Regelung der Nachbrenneinrichtung vorhanden,
welche an sich bekannt und in Fig. i bei 6 schematisch dargestellt sind.
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Man hat bereits vorgeschlagen, die der Inbetriebnahme der mit einem
Servobrennstoffdruck arbeitenden Hilfsvorrichtungen entsprechende Brennstoffmenge
unmittelbar auf der Druckseite der Pumpe 2 zu entnehmen. Diese Brennstoffentnahme
erfolgte im allgemeinen über einen Druckminderer, so daß der Wert des Servodrucks
von den Schwankungen des Hauptspeisedrucks unabhängig bleibt.
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Dieses Verfahren weist jedoch gewisse Nachteile auf, da der durch
die Kammern veränderlichen Volumens der Hilfsvorrichtungen 6 verursachte Brennstoffbedarf
Augenblickswerten der Brennstoffmenge entspricht, welche gegenüber der Brennstoffmenge
zur Speisung der Haupteinspritzringleitung 3 durchaus nicht vernachlässigbar sind-.
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Beispielshalber und nur zur Klarstellung der Größenordnung sei angegeben,
daß in dem Sonderfall eines Turbostrahltriebwerks, dessen Hauptzufuhrsystem einen
Brennstoffverbrauch von 25oo 1/h hat, festgestellt wurde, daß die Füllung der Kammern
veränderlichen Volumens der Hilfsvorrichtungen 6 innerhalb einer Sekunde einen momentanen
Brennstoffbedarf hat, der etwa 300 1/h entsprechen würde. Unter diesen Bedingungen
bewirkt, wenn die Haupteinspritzpumpe so ausgebildet ist, daß sie nur etwa eine
dem Verbrauch der Haupteinspritzringleitung im normalen Betrieb entsprechende Brennstoffmenge
fördert, die Brennstoffentnahme für die Hilfsvorrichtungen 6 eine erhebliche Drehzahlabnahme
der Anordnung und somit eine plötzliche Verzögerung der umlaufenden Massen.
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Als Folge davon müßte das Regelsystem der Hauptbrennstoffleitung eingreifen,
um die Leistung der Pumpe zu erhöhen, welche dann eine zusätzliche Brennstoffmenge
liefert, die nicht nur die Erreichung der normalen Drehzahl gestatten würde, sondern
auch, da inzwischen die Periode der Inbetriebnahme der Hilfsvorrichtungen beendet
ist, eine Drehzahlerhöhung bewirken würde, welche nur allmählich durch das Regelsystem
gedämpft werden könnte. Diese Drehzahlerhöhung hätte eine plötzliche Beschleunigung
der umlaufenden Massen zur Folge, und dieser Wechsel von Beschleunigungen und Verzögerungen
der drehbaren Massen bewirkt offenbar beträchtliche innere Ermüdungserscheinungen
derselben.
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Zusammenfassend kann daher gesagt werden, daß die unmittelbare Entnahme
des Servodrucks an der Druckseite einer nicht entsprechend abgeänderten Brennstoffzuleitung
erhebliche gefährliche
Störungen in der Hauptzufuhrleitung des Triebwerks
hervorruft; wobei die Größe dieser Störungen übrigens mit der Flughöhe zunimmt,
da bei einer Zunahme der Höhe die Hauptbrennstoffmenge abnimmt, während der Brennstoffbedarf
für die Inbetriebnahme der Hilfsvorrichtungen unverändert bleibt.
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Erfindungsgemäß wird nun zur Abstellung dieser Nachteile der Brennstoff
zur Herstellung des Servodrucks nicht unmittelbar auf der Druckseite der Pumpe a
entnommen, sondern an einem parallel zur Pumpe geschalteten Rückstromkreis 7.
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Ferner wird die Pumpe so bemessen, daß sie im Beharrungszustand außer
der für die Häupteinspritzringleitung3 benötigten Brennstoffmenge eine durch den
Rückstromkreis 7 strömende zusätzliche Brennstoffmenge liefert.
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Die Anlage wird zweckmäßig so ausgebildet, daß diese zusätzliche Brennstoffmenge
mindestens gleich dem Höchstwert des augenblicklichen P:ennstoffbedarfs ist, welcher
bei Inbetriebnahme der Hilfsvorrichtungen 6 eintritt.
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Diese Inbetriebnahme stört dann die Speisung der Haupteinspritzringleitung
3 nicht, da ja die Entnahme für die von dem Serovdruck betätigten Teile von einer
Brennstoffströmung erfolgt, welche sowieso nicht für die Haupteinspritzringleitung
3 verwendet wird.
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Für die Brennstoffentnahme zur Aufrechterhaltung des Servodruckes
an dem Rückstromkreis 7 wird zweckmäßig eine schematisch in Fig. i durch ein Rechteck
8 dargestellte Vorrichtung verwendet, welche einen Druckminderer enthält, welcher
den Förderdruck der Pumpe a auf einen im wesentlichen konstanten und von den Schwankungen
des Förderdrucks unabhängigen Wert senkt, sowie einen selbsttätigen Verteiler, welcher
auf den Brennstoffbedarf der Hilfsvorrichtungen 6 anspricht und die durch den Rückstromkreis
zurückströmende Brennstoffmenge verringert (oder auch vollständig zu Null macht),
wobei der hierdurch nicht mehr durch den Rückstromkreis zurückströmende Brennstoff
zur Speisung der Kammern veränderlichen Volumens der Hilfsvorrichtungen dient.
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Unter Berücksichtigung der obigen Ausführungen kann die Vorrichtung
8 in der in Fig. a dargestellten Weise ausgebildet werden, wobei der Rückstromkreis
7 an einen mit konstantem Druck arbeitenden Druckminderer angeschlossen ist, welcher
durch einen unter der Einwirkung einer geeichten, zweckmäßig regelbaren Feder io
stehenden Schieber 9 gebildet wird. Ferner wird die Niederdruckkammer i i dieses
Druckminderers durch eine Leitung 12 und eine Drosselstelle 13 mit zwei Kammern
veränderlichen Volumens 14 bzw. 15 in Verbindung gesetzt, welche durch einen Schieber
16 voneinander getrennt sind, welcher unter der Einwirkung einer auf der Seite der
über die Drosselstelle 13 gespeisten Kammer 15 liegenden Feder 17 steht.
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Der Schieber 16 steuert eine Niederdruckrückstromleitung 7a, welche
ebenso wie die Leitung 7 dem Rückstromkreis angehört. Die Kammer 15 steht durch
eine Leitung 18 mit den durch den Servobrennstoff druck zu betätigenden Hilfsvorrichtungen
6 in Verbindung.
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Die obige Anordnung arbeitet folgendermaßen: Wenn die Nachbrenneinrichtung
nicht in Betrieb ist, erfolgt keine Brennstoffentnahme durch die Leitung 18, und
der Schieber 16 nimmt eine Grenzstellung (auf der rechten Seite der Fig. a) ein,
in welcher er einen Brennstoffrückstrom über die Leitung 7, die Kammer i i, die
Drosselstelle 13,. die Kammer 15 und die Leitung 7" herstellt. Bei der Inbetriebnahme
der Nachbrenneinrichtung erfolgt eine Brennstoffentnahme aus der Kammer 15 für die
Hilfsvorrichtungen 6, welche infolge des Vorhandenseins der Drosselstelle 13 zu
einer Drucksenkung in dieser Kammer führt. Der Schieber 16 wird hierdurch allmählich
nach links verschoben, da der in der Kammer 14 herrschende Druck noch nicht von
dieser Brennstoffentnahme beeinflußt wurde. Die Mündung der Leitung 7d wird allmählich
von dem Schieber 16 abgedeckt, wodurch der Brennstoff rückstrom verringert wird,
wobei diese Verringerung bis zur vollständigen Aufhebung des Rückstroms gehen kann.
Nach Stabilisierung der beweglichen Teile der Hilfsvorrichtungen 6 steigt der Druck
wieder allmählich in der Kammer 15 an, die Feder 17 drückt den Schieber 16 nach
rechts zurück, und der Brennstoffrückstrom wird in dem Rückstromkreis wieder hergestellt.
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Die Inbetriebnahme der Nachbrenneinrichtung beeinflußt somit einzig
und allein den Rückstromkreis, während der Hauptzufuhrkreis, der Anordnung gegenüber
der für die Hilfsvorrichtungen erfolgende Brennstoffentnahme unempfindtich bleibt.
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Es ist noch zu bemerken, daß es zur Verkleinerung des Differentials
der zurückströmenden Brennstoffmenge nach der Zeit zweckmäßig ist, den Schieber
16 in der Nähe seiner Steuerkanten am Ende mit Schlitzen oder Einschnitten 16" zu
versehen.
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Ferner kann es zweckmäßig sein, zur Regelung der im normalen Betrieb
zurückströmenden Brennstoffmenge nicht dargestellte Mittel zur Regelung der Einstellung
der Feder 17 vorzusehen.
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Die obige Anlage wird noch zweckmäßig durch. Mittel ergänzt, welche
verhindern sollen, daß der Rückstromkreis 7, 7" die Anlaßzeit der Anlage vergrößert,
d. h. die Zeitdauer vergrößert, welche zur Erreichung des Normalwerts der Brennstoffmenge
in der Hauptzufuhrleitung erforderlich ist.
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Bekanntlich werden ja bei der Stillsetzung eines Turbostrahltriebwerks
im allgemeinen die Speiseringleitungen von Brennstoff entleert, um schädliche Verkokungserscheinungen
in den heißesten Teilen dieser Ringleitungen, insbesondere den Einspritzdüsen, zu
verhindern. Bei der Wiederinbetriebnahme des Turbostrahltriebwerks ist daher eine
gewisse Zeit erforderlich, um den entleerten Teil des Brennstoffkreises von neuem
mit Brennstoff zu füllen, Wobei diese Zeit z. B. größenordnungsmäßig io Sekunden
betragen kann.
Unter diesen Bedingungen wäre es offenbar unzweckmäßig,
beim Anlassen des Turbostrahltriebwerks, d. h. zu einem Zeitpunkt, an welchem der
Hauptzufuhrkreis möglichst schnell gefüllt werden soll, die Speisepumpe oder die
Speisepumpen teilweise in einen Rückstromkreis fördern zu lassen, z B. den obigen
Rückstromkreis 7, 7a.
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Um zu verhindern, daß das Vorhandensein eines derartigen Rückstromkreises
eine Verzögerung bei der Inbetriebnahme des Turbostrahltriebwerks bewirkt, kann
zweckmäßig erfindungsgemäß zwischen der Druckseite der Pumpe 2 und der Vorrichtung
8 zur Entnahme des für die Hilfsvorrichtungen 6 erforderlichen Servodrucks ein Ventil
i9 angeordnet werden, dessen Arbeiten von der Drehzahl des Turbostrahltriebwerks
so abhängt, daß es den unter Druck stehenden Brennstoff erst dann zu der Vorrichtung
8 gelangen läßt, wenn das Turbostrahltriebwerk seine normale Drehzahl erreicht hat,
d. h. wenn der Anlaßvorgang beendet ist.
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Hierzu ist zu bemerken, daß die zeitweilige Außerbetriebsetzung der
Vorrichtung 8 während der Anlaßperiode des Turbostrahltriebwerks keinerlei Nachteil
darstellt, da offenbar eine Inbetriebsetzung der Nachbrenneinrichtung, bevor das
Turbostrahltriebwerk selbst seine normale Drehzahl erreicht hat, nicht in Frage
kommt.
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Das Ventil i9 kann dann von dem die Hauptbrennstoffzufuhr regelnden
Steuerorgan betätigt werden. Es ist jedoch zweckmäßiger, das Ventil i9 so auszubilden,
daß es vollständig selbsttätig arbeitet.
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Dies kann z. B. durch die in Fig. 3 dargestellte Ausbildung erreicht
werden, bei welcher das Ventil einen den Brennstoffzufluß steuernden Schieber 2o
aufweist, welcher auf einer Seite der Einwirkung einer geeichten, vorzugsweise regelbaren
Feder 2i und auf der anderen Seite der Einwirkung eines von der Drehzahl des Turbostrahltriebwerks
abhängenden Servodrucks unterliegt, welcher z. B. durch eine Fliehkraftpumpe erzeugt
wird, die vom Turbostrahltriebwerk angetrieben wird. Dieser Servodruck wird dem
Ventil i9 durch eine Leitung 22 zugeführt.
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Es ist interessant, festzustellen, daß gewisse Turbostrahltriebwerke
für die Hauptbrennstoffzufuhr Pumpen enthalten, welche mit Brennstoff gefüllte,
rädial liegende Hohlräume aufweisen, welche zur Lieferung eines von der Drehzahl
abhängenden Servodrucks besonders zweckmäßig sind (tatsächlich ist dann dieser Servodruck
dem Ouadrat der Drehzahl proportional).
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Ein derartiges Ventil arbeitet dann folgendermaßen: Solange der durch
die Leitung 22 ankommende Servodruck nicht der normalen Drehzahl des Turbostrahltriebwerks
entspricht, wird die entsprechend bemessene Feder 21 nicht genügend weit zusammengedrückt,
und der Schieber 2o nimmt eine Stellung ein, in welcher er die Speisung der Vorrichtung
8 verhindert, welche erst dann möglich wird, wenn dieser Servodruck der normalen
Drehzahl entspricht. Die Einstellung der Kraft der Feder 2i gestattet die Wahl der
Drehzahlbereiche, in welchen der Servodruck zur Betätigung der Hilfsvorrichtungen
freigegeben wird.