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Verfahren und Einrichtung zur Leistungsregelung von Gasturbinen, z.
B. Propellerturbinentriebwerke Die Leistungscharakteristik eines normalen PTL-Triebwerkes
hat für Vollast einen Verlauf, der in der Abb. 1 dargestellt ist, wobei mit zunehmender
Flughöhe die Leistung sinkt. Neuerdings strebt man jedoch Leistungscharakteristiken
an, wie sie schematisch in der Abb. 2 dargestellt sind., also eine Charakteristik,
bei der über einen, größeren Bereich. der Flughöhe von Null an die Größe der Leistung
konstant bleibt. Dies geschieht aus folgenden Gründen.: Das PTL-Triebwerk wird meistens
für eine große Flughöhe ausgelegt, weil dort die größte Wirtschaftlichkeit erreicht
wird. Die Bodenleistungen, wie sie sich ohne Leistungsbegrenzung nach den gestrichelten
Linien der Abb. 2 ergeben würden, sind bei modernen Flugzeugentwiirfen dann im allgemeinen
viel größer, als sie z. B. für das Starten. benötigt werden, wobei bekanntlich der
Start die größte Leistung erfordert. Um nun ein unnötig schweres Untersetzungsgetriebe
für die Luftschraube zu vermeiden, gleichzeitig jedoch in großer Flughöhe eine wirtschaftliche
Leistung zu entwickeln, ist eine Begrenzung der Leistung des PTL-Triebwerkes erforderlich,
und zwar vom Boden bis zu einer bestimmten Höhe. Die Begrenzung muß dabei automatisch
erfolgen, um Getriebeüberlastungen durch etwaige Bedienungsfehler des Piloten auszuschließen.
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Betrachtet man außerdem den Leistungsverlauf eines nicht leistungsbegrenzten
PTL-Triebwerkes in Abhängigkeit von der Außentemperatur to, so ergibt sich die in
der Abb.3 dargestellte Charakteristik. Auch hier ist der sehr starke Leistungsanstieg,
wenn man in den Bereich tiefer Temperaturen kommt, wegern des zunehmenden Getriebegeweichtes
unerwünscht. Der Leistungsabfall bei höheren Außentemperaturen to, z. B. im Sommer,
verschlechtert den Start des Flugzeuges dagegen merklich. Aus diesen Gründen ist
eine Charakteristik nach Abb. 4 erwünscht, ,,wobei alsc bei allen Außentemperaturen
etwa eine konstante Leistung angestrebt wird.
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Bekanntlich wird die Leistungsbegrenzung in bezug auf die Flughöhe
und die Temperatur bei den bisher verwendeten Triebwerken so durchgeführt, daß das
an die Luftschrauben übertragene Drehmoment mechanisch gemessen wird und als Impulsgröße
für die Leistungsbegrenzung benutzt wird. Die Drehzahl wird bekanntlich stets bei
einer bestimmten Gashebelstellung über die Luftschraubenregelung konstant gehalten,
so daß das Drehmoment ein Maß für die IAistung ist. Die Messung des Drehmomentes
erfolgt dabei so, daß die auftretende Abstützkraft zwischen. dem Getriebegehäuse
und einarm stillstehenden Getrieberad über Ölpolster geleitet wird, deren. Druck
dann ein, Maß für das Drehmoment ist. Diese mechanische Messung des Drehmomentes
ist jedoch insofern nachteilig, als sie einen verhältnismäßig großen konstruktiven
Aufwand erfordert, der Kosten und Mehrgewicht verursacht.
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Außerdem gibt es Getriebebauarten für Propellerturbinentriebwerke,
wie z. B. Differentialgetriebe nach Abb. 5 für sehr hohe Leistungen., die eine leichte
und daher günstige Bauart darstellen, bei denen eine mechanische Messung des Drehmomentes
auf die oben beschriebene Art deswegen nicht möglich ist, weil hier kein gegenüber
denn Gehäuse feststehendes Getrieberad vorhanden ist. Hier müßte eine Drehmomentmessung
über eine vorhandene Deformation (Verdrehung) der Welle zwischen Getriebe und Verdichter
vorgenommen werden, was jedoch wiederum sehr schwierig wäre und einen, großen konstruktiven
Aufwand erfordern würde.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, mit einfachen Mitteln
die erwünschten Leistungscharakteristiken: zu verwirklichen. Die Erfindung geht
aus von der bekannten Begrenzung der höchstzulässigen Leistung von, Gasturbinen
mit mechanischer Leistungsabgabe, z. B. von Propeller-Turhinen-Trieb-,verke der
üblichen Bauart, bei denen Verdichter und Turbine auf einer gemeinsamen Welle angeordnet
sind, die das Unters-etzu;ngsgetriebe für die Luftschraube bzw. Luftschrauben antreibt,
wobei durch Beeinflussung der Arbeitsmaschine, z. B. der Luftschraube oder Luftschrauben
die Drehzahl in dem Sinne geregelt oder konstant gehalten wird., daß innerhalb,
eines begrenzten, Flughöhenbereiches die Leistung bei unterschiedlichen Fluggeschwindigkeiten
konstant oder annähernd konstant gehaltem. wird, wobei außerhalb des begrenzten
Flughöhenbereiches die zugeführte maximale Kraftstoffmenge beispielsweise in Abhängigkeit
vom
Gesamtdruck und von der Gesamttemperatur vor dem Verdichter so eingestellt wird,
daß eine Überhitzung der Turbine vermieden, wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren. ist dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb
des begrenzten Flughöhenbereiches die Kraftstoffmenge mit sinkendem Außendruck und
gegebenenfalls mit steigender Differenz zwischen dem Gesamtdruck und dem statischen
Druck vermindert wird. Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der
Erfindung besteht aus einem Maßwerk für den statischen Außendruck (z. B. eine. Vakuumdose
oder -dosen) und aus einem .#-Ieß-tv erk zur Messung der Differenz zwischen dem
Gesamtdruck und dem statischen Druck, z. B. eine Maßdose, die innen mit dem Gesamtdruck
und außen mit dem statischen Druck beaufschlagt wird. Dabei können die beiden Maßwerke
miteinander verbunden, z. B. hintereinandergeschaltet sein und auf ein gemeinsattes
Geber- oder Steuerglied, zur Regelung der zur Konstanthaltung der Leistung erforderlichen
Kraftstoffmenge wirken, wobei die anderen Meß- oder Regelgrößen, z. B. Temperatur
und Gesamtdruck, ausgeschaltet sind oder nur dann in Tätigkeit treten, sobald sie
gegenüber den erfindungsgemäßen. Regelgrößen - statischer Außendruck und Differenz
zwischen dem Gesamtdruck und dem statischen Außendruck - eine niedrigere maximale
Kraftstoffmenge angeben als die letzteren.
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Es wird also nach der Erfindung bekannten Steuereinrichtungen, die
den Kraftstoffdurchsatz in Abhängigkeit von dem jeweiligen Gesamtdruck und der Gesamttemperatur
beeinflussen und die für Flugzustände gelten, in denen die Leistungen unter der
höchstzulässigen Getriebebelastung liegen, ausgelegt nach der Forderung, konstante
Höchsttemperatur bei konstanter Drehzahl, eine weitere Steuereinrichtung zugeordnet,
z. B. bestehend aus Maßwerken (Maßdosen), die den jeweiligen statischen Außendruck
und die Differenz zwischen dem Gesamtdruck und dem statischen Außendruck - beide
Größen gemessen in der freiem. Atmosphäre - messen. Dabei müssen sowohl die bekannten
Steuereinrichtungen als auch die erfindungsgemäßen so zusammenwirken, daß stets
der kleinere Wert der Kraftstoffmenge, dem Triebwerk zugeführt wird, also die Werte,
die sowohl von Seiten der höchstzulässigen Temperatur als auch hinsichtlich der
höchstzulässigen Getriebeheansp.ruchung noch vertretbar sind. Die Teillasten werden
in an sich bekannter Weise mit Hilfe des Gashebels durch gleichzeitige Absenkung
des Brennstoffverbrauches und der geregelten Triebwerksdrehzahl eingestellt (s.
Abb. 8). Es besteht also zwischen der Gashebeleinstellung der Triebwerksdrehzahl
durch den Drehzahlregler ein fester Zusammenhang.
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Die Wirkungsweise der vorgeschlagenen Einrichtung zur Leistungsbegrenzung
ist nun, folgende: Die Kraftstoffpumpe A führt der Drosselstelle C Kraftstoff zu,
wobei der Differenzdruckregler B eine bestimmte Druckdifferenz an der veränderlichen
Drossel C konstant hält. Dadurch ist die dem Triebtverk zugeführte Kraftstoffmenge
nur noch von der Ouerschnittsfläche an der Drossel C abhängig. Die senkrechte Bewegung
der Platte D wird durch die Größen p. g, to ges in an; sich
bekannter Weise bewirkt und bei Leistungsbegrenzung zusätzlich durch p. und pog"
- p. bewirkt. Die horizontale Verschiebung der Platte E wird durch die Verstellung
des Gashebels vorgenommen und verursacht die Absenkung der Kraftstoffmenge und der
Drehzahl bei der Einstellung von Teillasten. Die Drossel C kann z. B. als ein Drehschieber
ausgebildet sein. Im normalen Betriebsbereich (ohne Leistungsbegrenzung) wird durch
das Dosenpaket F eine dem Druck poges proportionale Ouerschnittsfläche an der Drossel
C eingestellt. Die Korrektur der Kraftstoffmenge durch tog" erfolgt mit Hilfe des
Maßwerkes G und des Nockens H durch Verschiebung des Drehpunktes der Stange I. Mit
diesen beiden Steuereinrichtungen würden sich in Bodennähe zu hohe Leistungen ergeben,
(Abb. 1). Dies soll erfindungsgemäß durch den, Vorschlag, und zwar durch die Steuereinrichtung
K verhindert werden, indem die maximale Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von p. und
pog"-po begrenzt wird (Abb.7). Tritt die Steuereinrichtung K in Aktion, so berührt
der Punkt L die Stange I, und der Punkt M hebt ab. Die Steuereinrichtung
K zur Leistungsbegrenzung besteht in dem hier gezeigten Fall (Abb.9) lediglich aus
zwei miteinander fest verbundenen Dosenpaketen. Das eine Dosenpaket Ml besteht aus
evakuierten. Dosen (Vakuumdosen) und bewirkt eine Verminderung der Kraftstoffmenge
infolge der Änderung der Flughöhe [Abb. 7 ; El, (potv - po) ] . Das
zweite Dosenpaket M2 wird innern mit dem Gesamtdruck poge@ und außen mit dem statischen
Druck po beaufschlagt und bewirkt eine Verminderung der Kraftstoffmenge bei Zunahme
der Fluggeschwindigkeit [K2, (po ges - Po) nach Abb. 7] . Durch; entsprechende
Dimensionierung der Dosen (Wahl der Konstanten K1 und K2) kann die erfindungsgemäße
Steuerung so. ausgelegt werden, daß die Höchstleistung des Triebwerkes über einen
großen Höhen- und Geschwindigkeitsbereich armnähernd konstant bleibt (Abb. 2). Es
kann aber auch in manchen Fällen bei Triebwerken der Einfluß von Po ges
- Po vernachlässigt werden, so daß danndas Dosenpaket M2 fortfallen kann.
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Die Leistungscharakteristik am Boden nach Abb. 4 wird automatisch,
erreicht, da, die Steuereinrichtung K die maximale Kraftstoffmenge bei Änderung
der Außen;temperatu,r to konstant hält. Dabei ergibt sich im allgemeinen eine annähernd
konstante Leistung. Die Gesamttemperatur vor der Turbine erhöht sich in diesem Falle
mit steigernder Außentemperatur. Bei wenig leistungsbegrenzten Turbinentriebwerken
kann es dann vorkommen, daß bei einer Außentemperatur, welche noch unterhalb des
höchstmöglichen Wertes am Boden liegt, die maximale Gesamttemperatur vor der Turbine
erreicht wird. Bei noch höheren Außentemperaturwerten würde dann die Steuereinrichtung
G wieder wirksam werden, und die Leistung würde wieder abfallen (Abb. 3).
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Bei Teillastern, ergeben sich Charakteristiken wie in Abb.2 und 4
bei entsprechend verringerten Leistung,. Die Abweichungen von dem Verlauf der konstanten
Leistung werden jedoch im allgemeinen größer. Dies hat aber praktisch kaum Bedeutung,
da alle Teillasten kleiner sind als die höchste zulässige Leistung.
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Die Abb. 9 zeigt lediglich, ein Ausführungsbeispiel einer Kombination
des Erfindungsgegenstandes, nämlich der Steuereinrichtung K mit anderen bekannten
Steuer- bzw. Regeleinrichtungen, nämlich den. Steuereinrichtungen G und F und einer
Luftschraubenregelung, wobei die bekannten Steuer- und Regeleinrichtungen durch
andere äquivalente Einrichtungen, die dieselbe Wirkung hervorbringen., ersetzt werden
oder die eine oder andere Einrichtung fortfallen könnte. Der Erfindungsgegenstand
könnte auch z. B. mit Steuereinrichtungen kombiniert werden,, welche nicht die atmosphärische
Außentemperatur toges als Maßwert benutzen (wie die Einrichtung G), sondern
in
Abhängigkeit von der Gastemperatur vor Eintritt in die Turbine arbeiten oder nicht
dem. atmosphärischen Außendruck pog,s messen (wie die Einrichtung F), sondern den
Druck der Verbrennungsluft nach dem Verdichter als Meßwert gebrauchen.