DE1041737B

DE1041737B - Method and device for power control of gas turbines, e.g. B. Propeller turbine engines

Info

Publication number: DE1041737B
Application number: DEB40308A
Authority: DE
Original assignee: BMW Triebwerkbau GmbH
Current assignee: BMW Triebwerkbau GmbH
Priority date: 1956-05-19
Filing date: 1956-05-19
Publication date: 1958-10-23

Description

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.Method and device for power control of gas turbines, e.g. B. Propeller Turbine Engines The performance characteristics of a normal PTL engine has a curve for full load, which is shown in Fig. 1, with increasing Flight altitude the performance decreases. Recently, however, performance characteristics have been sought as shown schematically in Fig. 2, i.e. a characteristic in the case of a, larger area. the altitude from zero to the size of the achievement remains constant. This happens for the following reasons: The PTL engine is mostly designed for a great flight altitude, because that is where the greatest economic efficiency is achieved will. The ground performance as it is without performance limitation according to the dashed line Lines of Fig. 2 would then be general in modern aircraft designs much bigger than she z. B. for starting. are required, which is known to be the Start requires the greatest effort. To an unnecessarily heavy reduction gear to avoid for the propeller, but at the same time an economical one at high altitude To develop power, a limitation of the power of the PTL engine is necessary, from the ground up to a certain height. The limitation must be automatic take place in order to exclude transmission overloads due to possible operating errors by the pilot.

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.If one also considers the performance curve of a non-performance-limited PTL engine depending on the outside temperature to, the in the characteristic shown in Figure 3. Here, too, is the very strong increase in performance, when you get into the area of lower temperatures, because of the increasing weight of the gearbox undesirable. The drop in performance at higher outside temperatures to, z. B. in summer, on the other hand, noticeably worsens the take-off of the aircraft. For these reasons it is a characteristic according to Fig. 4 is desired,, where alsc at all outside temperatures a constant performance is sought.

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.As is well known, the power limitation is related to the flight altitude and the temperature in the engines used so far so that the The torque transmitted to the propellers is measured mechanically and as a pulse quantity is used for power limitation. As is known, the speed is always at kept constant at a certain throttle position via the propeller control, so that the torque is a measure of the output. The measurement of the torque takes place in such a way that the supporting force occurring between. the gearbox and one arm stationary gear wheel is passed over oil cushions, whose. pressure then a measure for the torque is. This mechanical measurement of the torque however, is disadvantageous in that it has a relatively large constructive Requires effort, which causes costs and additional weight.

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.There are also gear types for propeller turbine engines, such as B. Differential gear according to Fig. 5 for very high performance. That a light and therefore represent a favorable design in which a mechanical measurement of the torque in the way described above is not possible because there is no opposite because there is a fixed gear wheel housing. A torque measurement would have to be carried out here via an existing deformation (twisting) of the shaft between the gearbox and the compressor be made, which, however, would be very difficult and a major constructive one Would require effort.

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.The invention has set itself the task with simple means the desired performance characteristics: to be realized. The invention works from the well-known limitation of the maximum permissible power of gas turbines with mechanical power output, e.g. B. of propeller turhines drive, verke the conventional design in which the compressor and turbine are arranged on a common shaft that drives the reduction gear for the propeller or propellers, whereby by influencing the machine, z. B. the propeller or propellers the speed is controlled or kept constant in the sense that within, a limited flight altitude range, the performance at different airspeeds held constant or approximately constant. being outside of the limited Flight altitude range, for example, depending on the maximum amount of fuel supplied from the Total pressure and the total temperature upstream of the compressor is set in such a way that that overheating of the turbine is avoided.

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.The inventive method. is characterized in that within of the limited flight altitude range, the amount of fuel with falling external pressure and possibly with an increasing difference between the total pressure and the static pressure Pressure is reduced. The facility for carrying out the procedure according to the The invention consists of a tracery for the static external pressure (e.g. a vacuum box or cans) and from a. # - Ieß-tv Erk for measuring the difference between the Total pressure and static pressure, e.g. B. a measuring box, the inside with the total pressure and is externally applied with the static pressure. The two tracery connected to each other, e.g. B. be connected in series and on a common Encoder or control element, to regulate the necessary to keep the power constant Acting amount of fuel, the other measured or controlled variables, z. B. Temperature and total pressure, are switched off or only come into operation as soon as they are compared to the invention. Controlled variables - static external pressure and difference between the total pressure and the static external pressure - a lower maximum Specify the amount of fuel than the latter.

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.It is thus known according to the invention control devices that the fuel throughput as a function of the respective total pressure and the total temperature affect and which apply to flight conditions in which the services are below the maximum permissible gear load are, designed according to the requirement, constant Maximum temperature at constant speed, assigned to another control device, z. B. consisting of tracery (measuring boxes), the respective static external pressure and the difference between the total pressure and the static external pressure - both Sizes measured in the free. Atmosphere - measure. Both the known Control devices as well as the invention cooperate so that always the smaller value of the amount of fuel that is fed to the engine, i.e. the values both in terms of the maximum permissible temperature and in terms of the maximum permissible transmission stress are still justifiable. The partial loads will be in a manner known per se with the help of the gas lever by simultaneous lowering the fuel consumption and the regulated engine speed are set (s. Fig. 8). So there is between the throttle setting and the engine speed a fixed relationship through the speed controller.

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.The mode of operation of the proposed device for power limitation is as follows: The fuel pump A supplies fuel to the throttle point C, the differential pressure regulator B keeping a certain pressure difference at the variable throttle C constant. As a result, the amount of fuel supplied to the drive unit is only dependent on the cross-sectional area at the throttle C. The vertical movement of the plate D is given by the quantities p. g, to ges in an; effected in a known manner and in the case of power limitation additionally by p. and pog "- p. The horizontal displacement of the plate E is carried out by adjusting the throttle lever and causes the fuel quantity and the speed to be reduced when partial loads are set. The throttle C can, for example, be designed as a rotary valve. In the normal operating range (without power limitation), the can package F sets a cross-sectional area proportional to the pressure poges at the throttle C. The fuel quantity is corrected by tog "with the aid of the tracery G and the cam H by shifting the pivot point of the rod I. With These two control devices would produce too high outputs near the ground (Fig. 1). According to the invention, this is to be prevented by the suggestion, specifically by the control device K, in that the maximum amount of fuel is determined as a function of p. and pog "-po is limited (Fig.7). When the control device K comes into action, the point L touches the rod I and the point M lifts off. The control device K for power limitation exists in the case shown here (Fig. 9) only of two firmly connected can packages. One can package Ml consists of evacuated cans (vacuum cans) and causes a reduction in the amount of fuel as a result of the change in flight altitude [Fig. 7; El, (potv - po) ]. The second can package M2 is pressurized internally with the total pressure poge @ and externally with the static pressure po and causes a reduction in the amount of fuel as the airspeed increases [K2, (po ges - Po) according to Fig. 7] Constants K1 and K2) the control according to the invention can be designed in such a way that the maximum power of the engine remains almost constant over a large height and speed range (Fig. 2) In the case of engines, the influence of Po ges - Po can be neglected, so that the can package M2 can then be omitted.

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).The performance characteristics on the floor according to Fig. 4 are automatically reached, because the control device K, the maximum amount of fuel in the event of a change the outside; temperatu, r to keeps constant. This generally results in an approximate constant performance. In this case, the total temperature in front of the turbine increases with increasing outside temperature. With little power limited turbine engines it can then happen that at an outside temperature which is still below the highest possible value is on the ground, the maximum total temperature in front of the turbine is achieved. At even higher outside temperature values, the control device would then G would take effect again and the power would drop again (Fig. 3).

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.In the case of partial trucks, there are characteristics as in Fig. 2 and 4 with correspondingly reduced performance. The deviations from the course of the constant However, performance increases in general. But this has practically no meaning, since all partial loads are smaller than the highest permissible power.

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.Fig. 9 shows only one embodiment of a combination of the subject matter of the invention, namely the control device K with other known Control or regulating devices, namely the. Control devices G and F and one Propeller control, whereby the known control and regulating devices through other equivalent devices producing the same effect., replaced or one or the other facility could cease to exist. The subject of the invention could also z. B. be combined with control devices, which are not atmospheric Use outside temperature toges as a measure (like device G), rather in Work or not depending on the gas temperature before entering the turbine to the. external atmospheric pressure pog, s measure (like the device F) but den Use the pressure of the combustion air after the compressor as a measured value.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Procedure for limiting the maximum permissible Power for gas turbines with mechanical power output, e.g. B. Propeller turbines, engines, when your compressor and turbine are arranged on a common shaft, with Speed control or keeping the speed constant by influencing the driven machine, z. B. the propeller or propellers in the sense that within a limited Altitude range, the performance at different flight speeds is constant or kept approximately constant; being outside the limited flight altitude range the maximum amount of fuel supplied as a function of the total pressure, for example and the total temperature upstream of the compressor is set so that overheating the turbine is avoided, characterized in that, ß within: the limited Flight altitude range, the amount of fuel with falling external pressure and possibly decreases as the difference between the total pressure and the static pressure increases will.

2. Device for performing the method according to claim 1, characterized by. a, measuring mechanism for the static external pressure (e.g. a vacuum box or boxes) and through a. additional measuring mechanism for measuring the difference between the total pressure and static pressure, e.g. B. a load cell, the inside with the total pressure and the static pressure is applied to the outside.

3. Device according to claim 1 and 2, characterized in that both measuring mechanisms (Mt, M2) are connected to one another, z. B. are connected in series and on a single genre encoder or control element (L) to regulate the necessary to keep the performance constant. Fuel quantity act, the other measured or controlled variables, z. B. Temperature and total pressure are switched off, or only come into operation as soon as they are opposite the intended controlled variables - static external pressure and difference between, the total pressure and the static external pressure - specify a lower maximum fuel quantity than the latter. Publications considered: German Patent Specifications No. 868 808, 851426.