DE1050125B - - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für ein Verbrennungsturbinentriebwerk, die ein Turbinen-Verdichter-Aggregat und eine sogenannte freie Turbine umfaßt. Das Triebwerk weist also ein Aggregat mit einem Luftverdichter auf, welcher einer oder mehreren Brennkammern Luft zuführt, wobei die aus den Brennkammern austretenden Verbrennungsprodukte eine Turbine passieren, deren Läufer mit dem Läufer des Luftverdichters mechanisch verbunden ist, um den Luftverdichter anzutreiben. Weiter ist bei dem Triebwerk eine zweite, als freie Turbine bezeichnete Turbine vorhanden, die ebenfalls von den Verbrennungsprodukten durchströmt wird und der die Nutzleistung entnommen wird. Die Erfindung betrifft dabei eine Regeleinrichtung für ein Verbrennungsturbinentriebwerk der vorstehend erwähnten Art, bei der die freie Turbine oder Nutzleistungsturbine dazu dient, eine Vortriebsschraube und/oder ein Drehflügelsystem eines Flugzeugs anzutreiben.

Bei derartigen Triebwerken umfaßt die Regelein-Tiichtunig normalerweise einen Drehzahlregler für die freie Turbine, der die Blattanstellung der Vortriebsschraube und/oder des Drehflügelsystems als die Stellgröße verändert und mit der Brennstoffmengenverstelleinrichtung verbunden ist, die die Leistung des Triebwerks durch Verändern der Brennstoffmenge regelt. Bei jeder Stellung der Regeleinrichtung sind die von der Brennstoffmengenverstellvorrichtung eingestellte Brennstoffmenge und damit auch die durch sie bedingte Drehzahl des Turbinen-Verdichter-Aggregats sowie die Drehzahl der freien Turbine annähernd in einer solchen Weise aufeinander abgestimmt, daß die freie Turbine bei allen Betriebsbedingungen mit einer bestimmten Drehzahl und Nutzleistung arbeitet. Dabei ist selbstverständlich ein Handhebel vorgesehen, um die Brennstoffzufuhr von Hand einzustellen und zu verändern. Durch die Einstellung einer bestimmten Brennstoffmenge wird die Drehzahl der freien Turbine geändert, so daß deren Drehzahlregler die Blattanstellung der Luftschraube oder des Drehflügelsystems entsprechend ändert und so das Triebwerk bestimmten Flugzuständen anpaßt.

Bei einem Hubschrauber, bei dem die freie Turbine den oder die Drehflügel antreibt, umfaßt die Regeleinrichtung Mittel, mit denen gleichzeitig der Anstellwinkel der Drehflügelblätter eingestellt und die Brennstoffmenge geregelt wird. Bei einer Luftschraube wird bei Änderungen der Nutzleistung ebenfalls Drehzahl und Blattanstellung geändert. In beiden Fällen soll die Drehzahl der Luftschraube bzw. des Dreh-Hügels beim Fluge mit geringer Leistung oder während des Leerlaufs, z. B. wenn das Flugzeug niedergeht, etwa gleich der Vollastdrehzahl sein, um bei etwaigem Durchstarten die umlaufenden Massen nicht

Regeleinrichtung für ein Verbrennungsturbinentriebwerk mit einem Turbinen-Verdichter-Aggregat und einer freien Turbine

Anmelder: D. Napier & Son Ltd., London

Vertreter: Dr.-Ing. F. Wiiesthoff, Dipl.-Ing. G. Puls und Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. Ε. Frhr. v. Pechmann₁ Patentanwälte, München 9, Schweigerstr. 2

Beanspruchte Priorität: Großbritannien vom 7. Mai 1954

Reginald Henry Douglas Chamberlin, London, ist als Erfinder genannt worden

beschleunigen zu müssen. Während des Leerlaufs bzw. bei Teillast wird aber die Brennstoffmenge herabgesetzt, und das Turbinen-Verdichter-Aggregat arbeitet daher mit einer verhältnismäßig niedrigen Drehzahl bzw. mit der Leerlaufdrehzahl.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zu schaffen, bei welcher die Unfallgefahr herabgesetzt oder ausgeschaltet ist, die sich ergibt, wenn das Triebwerk im Fluge, z. B. während der Landung, im Leerlauf arbeitet und plötzlich eine erhebliche Leistung benötigt wird, jedoch nicht sofort verfügbar ist.

Zu diesem Zweck besitzt die Regeleinrichtung für ein Verbrennungsturbinentriebwerk, das ein Turbinen-Verdichter-Aggregat und eine freie Turbine umfaßt, die eine Luftschraube und/oder ein Drehflügelsystem eines Flugzeugs antreibt, gemäß der Erfindung eine Hilfssteuereinrichtung mit zwei auf Drehzahl ansprechenden Vorrichtungen, von denen die eine auf die Drehzahl der freien Turbine und die andere auf die Drehzahl des Turbinen-Verdichter-Aggregats anspricht, die entgegengesetzt wirkend an einem Glied angreifen, dessen Lage somit eine Funktion der Differenz der beiden Drehzahlen ist und die Brennstoffmengenverstellvorrichtung so beeinflußt, daß beim Absinken der Verdichterdrehzahl unter einen' der Momentdrehzahl der freien Turbine zugeordneten Sollwert die Brennstoffmenge über den eingestellten Wert hinaus so gesteigert wird, daß die Drehzahl des

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Verdichteraggregats annähernd gleich dem zugeordneten Sollwert bleibt. Durch die Hilfssteuervorrichtung wird also die Drehzahl des Läufers des Turbinen-Verdichter-Aggregats in der Nähe derjenigen Drehzahl gehalten, bei der es während des normalen stabilen Waagerechtfluges bzw. dann läuft, wenn der Turbine eine erhebliche Leistung entnommen wird.

Wenn während des Anfluges zur Landung, bei dem die Luftschraube oder das Drehflügelsystem nur eine geringe oder gar keine Leistung aufnimmt, vom Triebwerk beim Durchstarten des Flugzeugs plötzlich eine hohe Leistung verlangt wird, z. B. bei einer Fehlschätzung der Bodenentfernung, arbeitet somit das Ttirblnen-Verdichter-Aggregat bereits mit einer Drehzahl, die dem Betrieb unter Last entspricht. Infolgedessen steht im Bedarfsfalle, wenn die Vollastbrennstoffmenge zugeführt wird, sogleich ohne wesentliche Verzögerung Vollast zur Verfügung. Die Verzögerung, die sich durch das Hochfahren des Turbinen-Verdichter-Aggregats, d. h. durch dessen Beschleunigung ergeben würde, wird vermieden.

Bei einem Triebwerk, welches das Drehflügel sy stern eines Hubschraubers antreibt, hält daher die Hilfssteuercinrichtung die Drehzahl des Turbinen-Verdichter-Aggregats während des Teillastbetriebes oder des Leerlaufes innerhalb eines engen Bereiches in der Nähe der Drehzahl für den stabilen Waagerechtflug oder gegebenenfalls in der Nähe der Vollast- oder Überlastdrehzahl für Schnell- oder Steigflug.

Der zusätzliche Brennstoffverbrauch durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Regeleinrichtung im Vergleich zu bisher bekannten Anordnungen ist gering, da es sich nur um denjenigen Brennstoffverbrauch handelt, der die Läufer von Turbine und Verdichter praktisch ohne Belastung auf einer höheren Drehzahl zu halten hat.

Die auf die Drehzahlen der Rotoren des Turbinen-Verdichter-Aggregats und der freien Turbine ansprechenden Vorrichtungen können in der verschiedensten Weise ausgebildet und angeordnet sein. Eine zweckmäßige Ausbildung ergibt sich, wenn für sie ein Strömungsmitteldruckerzeuger gewählt wird.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand einer schernaiti sehen Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die Zeichnung veranschaulicht ein Triebwerk, bei welchem die freie Turbine eine Luftschraube treibt.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt das Triebwerk einen Luftverdichter A mit einem Läufer Al. Der Verdichter fördert Luft in eine Brennkammer oder in eine Reihe von Brennkammern B. Die aus den Brennkammern austretenden Verbrennungsprodukte durchströmen ein Turbinenaggregat, das aus einem Turbinenläufer C, der den Läufer A 1 des Verdichters A antreibt, und einer freien Turbine besteht, deren Läufer D über ein ZahnraidgetriebeEl, ET. eine Luftschraube E antreibt. Von den Läufern D und Al, C aus werden zwei KreiselpumpenF und G angetrieben, die als Druckerzeuger wirken und eine Flüssigkeit fördern. Die Druckseiten dieser Kreiselpumpen sind jeweils durch LeitungenFl und Gl mit der Hilfssteuereinrichtung verbunden.

Die Hilfssteuereinrichtung H umfaßt ein Gehäuse mit einer Kammer / an einem Ende, in der eine querliegende Membran /1 angeordnet ist, deren Mittelpunkt mit einer Ventilbetätigungsstange /2 verbunden ist, die durch eine Stirnwand der Kammer / hindurchgeführt ist. Auf die von der Stange/2 abgewandte Seite der Membran wirkt das eine Ende einer Feder R3, deren anderes Ende sich an der äußeren Stirn-

wand der Kammer / abstützt. Die LeitungenFl und Gl stehen mit der Kammer / auf den gegenüberliegenden Seiten der Membran /1 in Verbindung, so daß die Membran dem Unterschied der in den LeitungenFl und Gl herrschenden Drücke ausgesetzt ist. Dieser Druckunterschied ist seinerseits eine Funktion des Unterschiedes der Drehzahlen der KreiselpumpenF und G. Die Stange/2 betätigt den Ventilschieber K einer Servoeinrichtung, dessen andeo res Ende mit einer Feder Kl belastet ist, die ihn ständig an das Ende der Stange /2 andrückt. Der Schieber K steuert ein Druckmittel zu bzw. aus einem ServozylinderJ/ mit einem Servokolben M1, auf welchen in einer Richtung eine FederAf 2 wirkt. Der Servokolbcn M1 ist mittels seiner Kolbenstange M 3 und einer Verbindungsstange M 4 mit einem Ende eines Hebels 7V verbunden, dessen Funktion nachstehend erläutert ist.

Eine Bewegung des Ventilschiebers K aus der neutralen Stellung (s. Zeichnung) nach links bewirkt, daß ein Druckmittel aus der Leitung L in das rechte Ende des Zylinders M gefördert wird, während das in dem linken Ende des Zylinders M enthaltene Druckmittel entweichen kann. Bewegt sich dagegen der Schieber K »5 aus der in der Zeichnung wiedergegebenen neutralen Stellung nach rechts, so wird das unter Druck stehende Strömungsmittel dem linken Ende des Zylinders M zugeführt, und das im rechten Ende dieses Zylinders enthaltene Strömungsmittel kann entweichen. Der Hebel N ist an einem zwischen seinen Enden liegenden PunktVl mittels einer Schlitzführung an dem Steuerhebel O einer Brennstoffpumpe O 1, die den Brennkammern B des Triebwerks Brennstoff zuführt, angelenkt, um die Drehzahl und/oder die Leistungsabgabe des Triebwerks zu regeln, während das andere Ende des Hebels N mit einer Steuerstange P verbunden ist, die von Hand betätigt wird und auch einen Luftschraubenregler Q einstellt, dessen Einstellung die Drehzahl bestimmt, auf welcher die freie Turbine D durch die Luftschraube E gehalten wird. Wenn die Steuerstange P betätigt wird, wird somit nicht nur die Einstellung des Reglers Q verändert, sondern auch die Einstellung des Brennstoffpumpensteuerhebels O wird entsprechend verändert. Durch das rechte Ende der Kammer / erstreckt sich eine Stange R, die durch einen Hebel R1 betätigt werden kann. Dieser Hebel wird seinerseits durch eine Steuerstange R2 betätigt, so daß die Steuerstange R, die an der Mitte der Membran/1 angreift, die Wirkung der unterschiedlichen Drücke zu beiden Seiten der Membran aufhebt und den VentilschieberX in die Richtung bewegt, bei der sich der Kolben M1 ganz nach links bewegt und die Brennstoffzufuhr zu den Brennkammern B vermindert. Mit dieser Vorrichtung R, Rl, R2, R3 kann die Hilfssteuereinrichtung H zeitweise, z. B. bei Anlassen oder Abstellen des Triebwerks, ausgeschaltet werden.

Nimmt man an, daß während des Betriebes mit der Hilfssteuereinrichtung H die Ausschaltvorrichtung R, Rl, R2 nicht in Tätigkeit ist, dann fällt, wenn bei einer bestimmten Drehzahl der freien Turbine D und damit auch der Luftschraube E die Drehzahl des Turbinen-Verdichter-Aggregats unter den Sollwert absinkt, der Druck auf der rechten Seite der Membran /1 im Vergleich zu dem Druck auf der linken Seite der Membran, wodurch sich der Ventilschieber K unter der Wirkung der Feder K1 nach rechts bewegen kann. Dadurch wird das Druckmittel in das linke Ende des Zylinders M eingeleitet und bewegt den Kolben M1 nach rechts, der somit eine Bewegung

Claims (3)

des Hebels O nach rechts hervorruft. Dadurch wird die Brennstoffzufuhr gesteigert und verhindert so jedes weitere Absinken der Drehzahl des Aggregats A 1, C Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wirkt die Ausschaltvorrichtungi?, Rlj R2 mechanisch auf die Hilfssteuereinrichtung H. Die Hilfssteuereinrichtung H kann aber auch mittels einer elektrischen Steuereinrichtung ausgeschaltet werden, die den Kolben M1 und/oder den Hebel N betätigt. Dabei kann diese elektrische Steuereinrichtung ihrerseits auch wieder abgeschaltet werden. Beim Anlassen des Triebwerks ist die Ausschaltvorrichtung Rj Rlj R2 in Tätigkeit, um die Hilfssteuereinrichtung H wirkungslos zu machen. Hat das Triebwerk den normalen Betriebszustand erreicht, dann wird die Ausschaltvorrichtungi?, Rl, R2 außer Betrieb gesetzt, so daß man die Hilfssteuereinrichtung in einem beliebigen Zeitpunkt wirksam werden lassen kann, beispielsweise vor dem Start oder während des Anfluges zur Landung oder zu jedem anderen gewünschten Zeitpunkt. Durch entsprechende Einstellung der jeweiligen Belastung der Federn i?3 und Kl kann der Druckunterschied an der Membran/1 und damit auch der Unterschied der Drehzahlen des Läufersystems Al, C und des Läufers D, bei welchem der Ventilschieber K in Tätigkeit tritt, um eine Bewegung des KolbensMl hervorzurufen, verändert werden. Das die freie Turbine Dj die bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Luftschraube E antreibt, auch den Drehflügel eines Hubschraubers antreiben kann, ist zwar bereits erwähnt, aber nicht eigens in der Zeichnung dargestellt. Patentansprüche:

1. Regeleinrichtung für ein Verbrennungsturbinentriebwerk mit einem Turbinen-Verdichter-Aggregat und einer freien Turbine, bei dem die Verdichterturbine und die freie Turbine im Gas-

strom hintereinanderliegen und die freie Turbine eine Luftschraube und/oder ein Drehflügelsystem eines Flugzeugs antreibt und bei dem ein Drehzahlregler für die freie Turbine vorgesehen ist, der die Blattanstellung der Luftschraube als die Stellgröße verändert und mit der Brennstoffmengenverstellvorrichtung verbunden ist, gekennzeichnet durch eine Hilfssteuereinrichtung (H) mit zwei auf Drehzahl ansprechenden Vorrichtungen (F_j G), von denen die eine (G) auf die Drehzahl der freien Turbine (D) und die andere (F) auf die Drehzahl des Turbinen-Verdichter-Aggregats (Al, C) anspricht, die entgegengesetzt wirkend an einem Glied (/, K) angreifen, dessen Lage somit eine Funktion der Differenz der beiden Drehzahlen ist und di€ Brennstoffmengenverstellvorrichtung (Ol) so beeinflußt, daß beim Absinken der Verdichterdrehzahl unter einen der Momentdrehzahl der freien Turbine (D) zugeordneten Sollwert die Brennstoffmenge über den eingestellten Wert hinaus so gesteuert wird, daß die Drehzahl des Verdichteraggregats (Al, C) annähernd gleich dem zugeordneten Sollwert bleibt.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Drehzahlen der beiden Turbinen ansprechenden Vorrichtungen (F, G) als Strömungsmitteldruckerzeuger ausgebildet sind.

3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (R, Rl, i?2, i?3) zum zeitweiligen Ausschalten der Hilfssteuereinrichtung (H), z. B. während des Anlassens oder Abstellens des Triebwerks oder während des Leerlaufes.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 868 808;
schweizerische Patentschrift Nr. 266 733;
französische Patentschrift Nr. 972 422;
USA.-Patentschrift Nr. 2 603 063.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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