DE976959C

DE976959C - Brennstoffregeleinrichtung fuer Gasturbinentriebwerke, insbesondere zum Antrieb von Luftschrauben veraenderlicher Blattsteigung fuer Flugzeuge

Info

Publication number: DE976959C
Application number: DEB10517A
Authority: DE
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1948-08-10
Filing date: 1950-09-30
Publication date: 1964-09-17

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffregeleinrichtung für Gasturbinentriebwerke, insbesondere für solche, deren Drehzahl und Leistung starken Veränderungen unterworfen ist, wie z. B. Gasturbinentriebwerke zum Antrieb von Luftschrauben veränderlicher Blattsteigung für Flugzeuge.

Um das insbesondere beim Beschleunigen des Triebwerks leicht eintretende »Pumpen« des Verdichters sowie einen unzulässigen Anstieg der Turbineneintrittstemperatur und der Turbinendrehzahl zu verhindern, weisen solche Regeleinrichtungen ein Brennstoff-Hauptregel ventil auf, das von Hand einstellbar ist und dessen veränderliche Öffnung durch eine Nockenanordnung übersteuert werden kann, die mittels eines Drehzahlreglers von der Drehzahl und mittels eines Temperaturfühlers von der Eintrittstemperatur des Verdichters abhängig ist. Es ist bereits vorgeschlagen worden, eine Nockenvorrichtung für die Begrenzung der Öffnung des Brennstoff-Hauptregelventils in Abhängigkeit von der Drehzahl und der Lufteintrittstemperatur am Verdichter vorzusehen. Bei einer bekannten Bauart steuert eine Vorrichtung in Abhängigkeit der Drehzahl die Winkeleinstellung eines dreidimensionalen Nockens, und eine von der Verdichtereinlaßtemperatur abhängige bewegliche Nockenrolle wirkt mit dem Nocken für bestimmte

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Werte dieser Temperatur und der Drehzahl zusammen, um ein Widerlager, mit welchem es mit dem Brennstoff-Hauptregelventil verbunden ist, einzustellen.

Bei dieser Ausführung wird das Brennstoff-Hauptregelventil während des Trägheitszustands nur durch einen Nocken betätigt, der durch einen Hebel in seiner Winkelstellung beweglich ist und welcher mit einer Nockenrolle zusammenwirkt, die ίο in Abhängigkeit der Verdichtereinlaßtemperatur eingestellt wird und mit der Nockenrolle des Begrenzungsnockens zur Einstellung des Brennstoff-Hauptregelventils verbunden ist. Hierbei wird die Drehzahlregelung nur durch Einstellung der Steigung der Blätter der Luftschraube erhalten, die von dem Triebwerk angetrieben wird. Bei einer Überdrehzahl des Triebwerks, die beispielsweise bei Nachlassen der maximalen Leistung eintritt oder wenn die Luftschraube eine feststehende Steigung aufweist, muß sehr sorgfältig auf die Begrenzungswirkung dieser Nockenvorrichtung geachtet werden. Diese Nockenvorrichtung hat auch den Brennstoffzufluß zu begrenzen, um ein Ansteigen der Temperatur über ein unzulässiges Maß hinaus zu verhindern, da eine solche Temperatur für die Turbine schädlich ist und ein Pumpen des Verdichters zur Folge haben kann. Um diese verschiedenen Forderungen zu erfüllen, muß die Nockenoberfläche derart bestimmt sein, daß sie den Brennstoffzulaß immer unter der maximalen Grenze hält, wodurch die erzielbare Leistung vermindert wird und die Beschleunigung nur langsam stattfinden kann.

Die Regeleinrichtung gemäß der Erfindung erfüllt alle diese Forderungen dadurch, daß ein erster Nocken der Anordnung kraftschlüssig mit einem Stellkolben verbunden ist, der entgegen der Wirkung einer Feder über Leitungen vom Strömungsmitteldruck beaufschlagt wird, der von einer mit dem Triebwerk fest verbundenen, als Drehzahlregler wirkenden Zentrifugalpumpe erzeugt wird, daß am ersten Nocken ein zweiter Nocken angelenkt ist, der unter dem Einfluß einer Meß- und Übertragungseinrichtung für die Verdichtereintrittstemperatur mittels eines Gestänges die Wirkverbindung, die vom ersten Nocken über eine Rolle und einen Winkelhebel in bezug auf die Stellung des Brennstoff-Hauptregelventils besteht, aufheben und übernehmen kanh.

Diese Ausführung ist dadurch besonders vorteilhaft, daß die Nockenvorrichtung die Brennstoffbegrenzung nur während der Beschleunigung bewirkt. Die Nockenfläche kann so bestimmt werden, daß bei Erfüllung dieser Forderungen der Brennstoffzufluß ziemlich genau der Menge entspricht, die für den Betrieb jedes Triebwerkes bei maximaler Temperatur erlaubt ist, ohne daß die Gefahr des Pumpens für den Verdichter besteht. Die Leistung des Triebwerks ist daher die größtmögliche, und die Beschleunigung erfolgt außerordentlich schnell.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Regeleinrichtung die Nockenstellüng in Abhängigkeit von den Regelgrößen einstellt, während die Nockenrolle ihre Stellung nicht verändert, sondern nur der Nockenoberfläche folgt und die Veränderung auf das Brennstoff-Hauptregelventil überträgt. Hierdurch wird eine sehr große Genauigkeit in der Regelung selbst erzielt, weil keinerlei Schwankungen in der Bewegung der entsprechenden Steuervorrichtung oder anderer Ventile bestehen.

Weitere Eigenschaften der Erfindung gehen aus der Beschreibung sowie der Zeichnung eines Ausführungsbeispiels hervor. Es zeigt

Fig. ι eine Seitenansicht eines die Luftschraube eines Flugzeugs antreibenden Gasturbinentriebwerks, das mit einer erfindungsgemäßen Brennstoffregeleinrichtung ausgerüstet ist,

Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch die B rennstoff regeleinrichtung,

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung der Nockenvorrichtung in Seitenansicht,

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Nockenvorrichtung der Fig. 3 und

Fig. S einen Schnitt entlang der Linien V-V der Fig. 4.

Nach Fig. 1 weist das Gasturbinentriebwerk einen Verdichter 10 auf, der Luft in eine ringförmige Kammer 11 drückt, aus der die Luft in mehrere ringförmig im Abstand voneinander angeordnete Brennkammern 12 geleitet wird, von denen jede ein Rohr 13 enthält, das in seinen Wänden Lufteinlaßlöcher aufweist, durch die wenigstens ein Teil der geförderten Luft eingeführt wird, die sich dann für die Verbrennung mit dem Brennstoff vermischt. Aus den Rohren 13 strömt das Gas über einen Verteilerring 14 durch einen Satz feststehender Leitschaufeln 15 zu den Laufschaufeln 16' einer Turbine 16. Diese treibt den Verdichter 10 und eine Luftschraube 17 mit Blättern 17' veränderlicher Steigung an.

Der Brennstoff tritt gemäß Fig. 2 in die Brennstoffregeleinrichtung über eine Leitung 31 ein, in der eine Brennstoffpumpe 32 angeordnet ist, die den Brennstoff durch eine Leitung 33 unter Druck zu einer Kammer 34 fördert.

Der hohlzylindrische Kolben eines Regelventils 55 ist gleitbar in einem mit Steueröffnungen versehenen Gehäuse 56 angeordnet; es hat eine Spindel 59, die mit einer Membran 60 verbunden ist, die über einer Kammer 61 liegt. Eine darin angeordnete Feder 62 wirkt in Verbindung mit dem Druck- gegen den Druckp₂ in der Kammer in Richtung des öffnens des Ventils 55.

Die Spannung der Feder 62 ist eine Funktion der Verdichteraustrittstemperatur T_t; das untere Ende dieser Feder legt sich gegen eine Platte 64, die auf einer Stange 65 angeordnet ist, die in eine Zahnstange 65' übergeht; diese steht mit einem Ritzel iao im Eingriff, das mit einem Schneckenrad 6"j fest verbunden ist; dieses wird von einer Schnecke angetrieben, die auf dem Ende einer Welle 69 befestigt ist, die von einem umsteuerbaren Gleichstromelektromotor 70 angetrieben wird; dieser wird durch .eine Schaltung gesteuert, die bei Ver-

änderung der Verdichteraustrittstemperatur T_t und zusätzlich bei Überschreitung der höchst zulässigen Turbineneintrittstemperatur Tß anspricht.

Ein Beispiel für diese Schaltung ist schematisch in Fig. 2 gezeigt. Das Thermoelement 71 wirkt über einen normalerweise ausgeglichenen Elektronenröhrenverstärker auf eine Steuervorrichtung 73, so daß ein Relaisspulenpaar 74 und 75 in Abhängigkeit von der Richtung der Unausgeglichenheit erregt und dadurch einer der beiden normalerweise offenen Relaisschalter j6 und 77 geschlossen wird. Eine Leitung des Thermoelements 71 ist mit einem drehbaren Potentiometerschieber 78 verbunden, der auf einen Widerstand 79 wirkt, der einen Teil eines Bezugsspannungskreises 80 bildet. Wenn der Schalter 76 geschlossen wird (wobei angenommen wird, daß die Turbineneintrittstemperatur unter dem höchst zulässigen Wert liegt), wird die Feldspule 81 erregt, so daß der Motor 70 in der einen Richtung läuft; wenn der Schalter yy geschlossen wird, wird die Feldspule 82 erregt, so daß der Motor in der entgegengesetzten Richtung läuft. In dem gezeigten Beispiel bewirkt die Erregung der Spule 81, daß der Motor 70 in einer Richtung läuft, welche die Stange 65 nach oben bewegt, wodurch mehr Brennstoff zu den Brennern bei einer gegebenen Stellung des Brennstoff-Hauptregelventils 90 geführt wird und die Verdichteraustrittstemperatur wegen höherer Verdichterförderung sinkt. Der Motor 70 hat eine mechanische Verbindung 83 mit dem Schieber 78, um diesen zurückzustellen, wenn der Kreis zu dem Motor geschlossen ist und um die Steuervorrichtung 73 bei der veränderten Einstellung des Regelventils 55 auszugleichen.

Das Thermoelement 72 bildet einen Teil eines Kreises zum Begrenzen der Höchsttemperatur; über einen Verstärker 84 wird eine Relaisspule 85 erregt, wenn die Turbineneinlaßtemperatur T_n einen bestimmten Wert überschreitet, wobei dann diese Spule den normalerweise offenen Relaisschalter 86 schließt und gleichzeitig den normalerweise geschlossenen Schalter 87 öffnet, da eine mechanische Verbindung 88 zwischen diesen beiden Schaltern vorhanden ist. Wenn der Schalter 87 geöffnet wird, wird der Motorkreis zu der Feldspule 81 unterbrochen, und wenn der Schalter 86 geschlossen wird, wird ein getrennter Versorgungskreis zu der Feldspule 82 geschlossen, so daß der Motor 70 in einer solchen Richtung läuft, daß weniger Brennstoff zu den Brennern gefördert wird, wodurch sich die Temperatur am Turbineneinlaß senkt.

Bei der dargestellten Ausführung besteht das Brennstoff-Hauptregelventil 90 aus einem Hohlzylinder, der verschiebbar in einer Büchse 91 gelagert ist. Im Hohlzylinder ist ein zweiter Ventilkörper 92 mit einer Spindel 92' gelagert, an dem eine federbelastete Membran 93 angreift. Diese spricht auf Überdrehzahlen an und arbeitet wie folgt: Brennstoff mit einem Druck, der von dem Regelventil 55 bestimmt wird, strömt von der Kammer 58' durch öffnungen 94 in einen Raum 95, der von dem Hohlzylinder des Ventils 90 und dem Ventilkörper 92 begrenzt ist, und von dort durch öffnungen 96 und 97 in die Kammer 98 für den dosierten Brennstoff, von der er über eine Leitung 99 zu einem Brennstoffverteilerrohr 100 (s. Fig. 1) und zu einer Reihe von Brennstoffeinspritzdüsen 101 strömt, die den Brennstoff in die betreffenden Brennerrohre 13 ausströmen lassen.

Das Brennstoff-Hauptregelventil 90 wird durch eine Feder 102 in seine offene Stellung, d. h. in die Richtung zum Erhöhen der Leistung, gedrückt und kann von Hand mittels eines Bedienungshebels 103, z. B. durch eine Stange 103', eingestellt werden.

Die das Ventil 92 steuernde Membran 93 grenzt zwei Kammern 58' und 104 gegeneinander ab. Eine vom Verdichter angetriebene Zentrifugalpumpe 105 entnimmt den Brennstoff von der Kammer 58' über einen Kanal 106 und drückt ihn über einen Kanal 107 in die Kammer 104. Diese steht mit der Kammer 58' über einen Kanal in in Verbindung, in dem eine Einschnürung 112 vorgesehen ist. Da der Läufer der Pumpe in Abhängigkeit von der Verdichterdrehzahl gedreht wird, erzeugt er an der Membran 93 einen Differenzdruck, der proportional dem Quadrat der Turbinendrehzahl ist; das Ventil 92 wird daher in Abhängigkeit der Verdichterdrehzahl eingestellt.

Der Drehzahlgrenzregler wird mittels eines Hebels 113 verstellt, der bei 114 drehbar gelagert und dessen unteres Ende gegabelt ist und an einer Buchse 115 anliegt, die auf der Ventilspindel 92' gleiten kann und sich gegen das eine Ende einer Reglerfeder 116 legt. An den Stellhebel 113 ist ein Gestänge 113' angeschlossen, das zu dem Kasten 21 (Fig. 1) führt, zu dem auch die Stange 103' des Bedienungshebels 103 geführt ist. Die beiden Stangen 103' und 113' sind damit dem Hebel 22 (Fig. 1) 1°° nachgeschaltet, von dem sie beide über einen in der Führerkanzel angeordneten Hebel 24 beherrscht werden können.

Ein Winkelhebel 120 ist bei 121 drehbar gelagert; einer seiner Arme ist mit einer Rolle versehen, die sich gegen die Stirnwand des Brennstoff-Hauptregelventils 90 legt, während sein anderer Arm mit einer anderen Rolle 121' versehen ist, die sich gegen die Umfangsfläche eines Nockens 122 legt. Wie insbesondere die Fig. 3, 4 und 5 zeigen, ist der Nocken 122 an der einen Seite ein Gelenkpunkt 123 schwenkbar an dem Nocken 124 gelagert und an der anderen Seite ein Punkt 123' schwenkbar mit der Zugstange 126 verbunden, die an dem Hebel 127 angelenkt ist. Der Nocken 124 ist derart mit einem Schlitz versehen, daß die Stange 126 sich in diesem Nocken ungehindert bewegen kann, und zwar entweder, wenn der Nocken 124 durch den damit fest verbundenen Kolben 133 verschoben wird oder sich der Nocken 122 durch eine Verschwenkung des Hebels 127 bewegt. Der Einschnitt in dem Nocken 124 ist so tief, daß bei einer durch den Kolben 133 verursachten Bewegung des Nockens 124 der Nocken 122 vollständig in dem Einschnitt und die Rolle 121' also auf der Fläche des Nockens 124 aufliegt. Durch ein Gleiten der Rolle 121' auf

der Oberfläche des Nockens 124 wird eine lineare Übertragung des Bewegungskolbens 133 erzielt.

Der auf der Achse 128 gelagerte Hebel 127, der durch die Zugstange 126 gelenkig mit dem Nocken 122 verbunden ist, ist über den fest verbundenen Hebel 129 und die angelenkte Stange 130 mit einem temperaturabhängigen Balg 125 kraftschlüssig verbunden. Der Balg 125 steht mittels eines biegsamen Rohres 132 mit dem Temperaturfühler in Verbindung, wobei Balg und Rohr mit einer Flüssigkeit gefüllt sind, die auf Veränderungen der vom Fühler 131 gemessenen Temperatur anspricht. Der Temperaturfühler 131 ist an einem Punkt angeordnet, wo er die Verdichtereintrittstemperatur mißt.

Der Nocken 124 ist mit einem Kolben 133 verbunden, der in einer zylindrischen Kammer 134 von einer Feder 135 belastet wird. Die eine Seite der Kammer 134 steht über Kanäle 136, 137 und 107 mit der Druckseite der Zentrifugalpumpe 105 in Verbindung. Die andere Seite der Kammer 134 ist mit der Kammer 58' durch einen Kanal 138 verbunden, um ein freies Arbeiten des Kolbens 133 sicherzustellen.

Im unteren Leistungsbereich verstellt allein der Pilot den Durchströmquerschnitt am Brennstoff-Hauptregelventil, und zwar unmittelbar mittels des Bedienungshebels 103. Im oberen Leistungsbereich (Stellung des Bedienungshebels 103 in voll ausgezogenen Linien der Fig. 2), in dem die Turbine mit einer Höchsttemperatur arbeitet, wie sie durch die mit dem Regelventil 55 zusammenwirkende Steuervorrichtung 73 eingehalten wird, verstellt der Kolben 133 die axiale Lage des Nokkens 124 in Abhängigkeit der Turbinendrehzahl und bestimmt dadurch die größte Durchströmöffnung des Brennstoff-Hauptregelventils, wobei der Nocken 122 noch in Abhängigkeit der Verdichtereinlaßtemperatur gedreht wird, um den Verdichter außerhalb der Pumpgrenze zu halten.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

ι. Brennstoff regeleinrichtung für Gasturbinentriebwerke, insbesondere zum Antrieb von Luftschrauben veränderlicher Blattsteigung für Flugzeuge, mit einem von Hand einstellbaren Brennstoff-Hauptregel ventil, dessen Öffnung durch eine Nockenanordnung übersteuert werden kann, die mittels eines Drehzahlreglers von der Drehzahl und mittels eines Temperaturfühlers von der Eintrittstemperatur des Verdichters abhängig ist, um ein Pumpen des Verdichters zu vermeiden, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Nocken (124) der Anordnung kraftschlüssig mit einem Stellkolben (133) verbunden ist, der entgegen der Wirkung einer Feder (135) über Leitungen (107, 136, 137) vom Strömungsmitteldruck beaufschlagt wird, der von einer mit dem Triebwerk fest verbundenen, als Drehzahlregler wirkenden Zentrifugalpumpe (105) erzeugt wird, daß am ersten Nocken (124) im Punkt (123) ein zweiter Nokken (122) angelenkt ist, der unter dem Einfluß einer Meß- und Übertragungseinrichtung (131, 132, 125) für die Verdichtereintrittstemperatur mittels eines Gestänges (130, 129/130, 126) die Wirkverbindung, die vom ersten Nocken (124) über eine Rolle (121') und einen Winkelhebel (120) in bezug auf die Stellung des Brennstoff-Hauptregelventils (90) besteht, aufheben und übernehmen kann.
2. Brennstoffregeleinrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß dem Brennstoff-Hauptregel ventil (90) ein Regelventil (SS) vorgeschaltet ist, welches von einer Steuervorrichtung (73) verstellt wird, die im normalen Betrieb von der Verdichteraustrittstemperatur (Γ_;) beeinflußt wird.

3. Brennstoffregeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine von der Temperatur am Turbineneinlaß (T_n) abhängige Vorrichtung die Schließung des Regelventils (55) bewirkt, wenn die Temperatur (T_n) den maximal zulässigen Wert überschreitet.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben des Ventils (55) mit einer Membran (60) verbunden ist, die mit einem Brennstoff-Differenzdruck beaufschlagt wird und an der eine Feder (62) angreift, deren Vorspannung mittels eines Regelmotors (70) durch die über ein Thermoelement (72) von der Turbineneintrittstemperatur (T^) und über ein Thermoelement (71) von der Verdichteraustrittstemperatur (T_t) abhängige Steuervorrichtung (73) verändert werden kann.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchströmquerschnitt des Brennstoff-Hauptregelventils (90) beim Überschreiten eines einstellbaren Verdichterdrehzahlhöchstwertes durch einen zusätzlichen Ventilkörper (92) über eine Spindel (92') mittels einer Membran (93), die von dem von der Zentrifugalpumpe (105) erzeugten Druck beaufschlagt wird, im gesamten Einstellbereich des Hauptventils verkleinert werden kann.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichterdrehzahlhöchstwert durch Vorspannung einer an der Membran (93) angreifenden Feder (116) mittels eines mit dem Bedienungshebel (103) gekuppelten Hebels (113) eingestellt werden kann.

In Betracht gezogene Druckschriften: Zeitschrift »Interavia«, Bd. 1 (1946), Nr.
3, S. 49 bis 54, und Bd. 2 (1947), Nr. 11, S. 35 bis 42;

DVL-Forschungsbericht »Grundlagen der Regelung von Gasturbinentriebwerken für Flugzeuge«, 2. Teilbericht 9. 7. 1943.

In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 909269.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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