DE1050125B

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Publication number: DE1050125B
Application number: DENDAT1050125D
Authority: DE
Publication date: 1959-02-05

Description

DEUTSCHESGERMAN

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.The invention relates to a control device for a combustion turbine engine, which is a Turbine-compressor unit and a so-called free turbine includes. So the engine shows Unit with an air compressor, which supplies air to one or more combustion chambers, the Combustion products emerging from the combustion chambers pass a turbine, the rotor of which with is mechanically connected to the rotor of the air compressor in order to drive the air compressor. Further the engine has a second turbine called a free turbine, which is also operated by the Combustion products is flowed through and the useful power is removed. The invention relates to thereby a control device for a combustion turbine engine of the aforementioned Type in which the free turbine or power turbine serves to drive a propulsion screw and / or to drive a rotary wing system of an aircraft.

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.In such engines, the control unit normally includes a speed controller for the free turbine, which changes the blade pitch of the propulsion screw and / or the rotary vane system as the manipulated variable and is connected to the fuel quantity adjustment device, which regulates the power of the engine by changing the fuel quantity. In each position of the control device, the fuel quantity set by the fuel quantity adjustment device and thus also the speed of the turbine-compressor unit caused by it and the speed of the free turbine are matched approximately in such a way that the free turbine under all operating conditions with a certain Speed and net power works. A hand lever is of course provided in order to set and change the fuel supply by hand. By setting a certain amount of fuel, the speed of the free turbine is changed, so that its speed controller changes the blade pitch of the propeller or rotary wing system accordingly and so the engine adapts to certain flight conditions.

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 nichtIn the case of a helicopter in which the free turbine drives the rotary wing or wings, the control device comprises Means with which the angle of attack of the rotary blades and the amount of fuel are set at the same time is regulated. In the case of a propeller, when the useful power changes, the number of revolutions also increases and blade position changed. In both cases, the speed of the propeller or the rotary hill should be when flying at low power or while idling, e.g. B. when the plane goes down, be about the same as the full load speed, so as not to affect the rotating masses in the event of a go-around

Regeleinrichtung für ein Verbrennungsturbinentriebwerk mit einem Turbinen-Verdichter-Aggregat und einer freien TurbineControl device for a combustion turbine engine with a turbine-compressor unit and a free turbine

Anmelder: D. Napier & Son Ltd., LondonApplicant: 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. 2Representative: Dr.-Ing. F. Wiiesthoff, Dipl.-Ing. G. Puls and Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. Ε. Mr. v. Pechmann ₁ Patentanwälte, Munich 9, Schweigerstr. 2

Beanspruchte Priorität: Großbritannien vom 7. Mai 1954Claimed priority: Great Britain 7 May 1954

Reginald Henry Douglas Chamberlin, London, ist als Erfinder genannt wordenReginald Henry Douglas Chamberlin, London, has been named as the inventor

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.having to accelerate. During idling or at part load, however, the amount of fuel is reduced, and the turbine-compressor unit therefore works with a relatively low Speed or with the idle speed.

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.The object of the invention is to create an arrangement in which the risk of accidents is reduced or off, which occurs when the engine is in flight, e.g. B. during landing, while idling works and suddenly a significant amount of power is required but is not immediately available.

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 desFor this purpose, the control device for a combustion turbine engine has a turbine-compressor unit and a free turbine having a propeller and / or a rotary vane system an aircraft drives, according to the invention, an auxiliary control device with two responsive to speed Devices, one of which on the speed of the free turbine and the other on the Speed of the turbine-compressor unit responds, the opposite acting on a link attack, the position of which is thus a function of the difference between the two speeds and the fuel quantity adjustment device influenced so that when the compressor speed drops below a 'assigned to the torque speed of the free turbine Setpoint, the amount of fuel is increased beyond the set value so that the speed of the

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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.Compressor unit remains approximately the same as the assigned setpoint. By the auxiliary control device So the speed of the rotor of the turbine-compressor unit is close to that speed at which it runs during normal stable horizontal flight or when the The turbine draws a considerable amount of power.

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.If during the approach to landing, in which the propeller or the rotary wing system only one consumes little or no power, suddenly one of the engine when the aircraft takes off high performance is required, e.g. B. in the case of an incorrect estimate of the distance to the ground, this works Door compressor unit already at a speed that corresponds to operation under load. Consequently stands in the case of need, when the full load fuel quantity is supplied, immediately without any significant Delay full load available. The delay caused by the start-up of the turbine-compressor unit, d. H. which would result from its acceleration is avoided.

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.In an engine which drives the rotary wing sy star of a helicopter, the auxiliary control device therefore stops the speed of the turbine compressor unit during partial load operation or of idling within a narrow range close to the speed for stable level flight or, if necessary, close to full load or overload speed for high-speed or climb flight.

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.The additional fuel consumption due to the inventive design of the control device in Compared to previously known arrangements is small, since it is only that fuel consumption that the rotors of the turbine and compressor run at a higher speed with practically no load has to hold.

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.The ones that respond to the speeds of the rotors of the turbine-compressor unit and the free turbine Devices can be designed and arranged in the most varied of ways. A functional one Training results when a fluid pressure generator is selected for them.

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.The invention is explained in more detail below with reference to a schernaiti see drawing of an embodiment. The drawing illustrates an engine in which the free turbine drives a propeller.

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.In the illustrated embodiment, the engine comprises an air compressor A with a rotor A1. The compressor conveys air into a combustion chamber or a series of combustion chambers B. The combustion products emerging from the combustion chambers flow through a turbine unit, which consists of a turbine rotor C, which drives rotor A 1 of compressor A , and a free turbine, whose rotor D via a toothed gear El, ET. a propeller E drives. Two centrifugal pumps F and G are driven by the rotors D and Al, C , which act as pressure generators and convey a liquid. The pressure sides of these centrifugal pumps are each connected to the auxiliary control device by lines F1 and Gl.

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-The auxiliary control device H comprises a housing with a chamber / at one end in which a transverse membrane / 1 is arranged, the center of which is connected to a valve actuating rod / 2 which is passed through an end wall of the chamber /. On the side of the membrane facing away from the rod / 2, one end of a spring R3 acts, the other end of which is at the outer end

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.wall of the chamber / supports. The lines Fl and Gl are connected to the chamber / on the opposite sides of the membrane / 1, so that the membrane is exposed to the difference in the pressures prevailing in the lines Fl and Gl. This pressure difference is in turn a function of the difference in the speeds of the centrifugal pumps F and G. The rod / 2 actuates the valve slide K of a servo device, the other end of which is loaded with a spring Kl , which constantly presses it against the end of the rod / 2. The slide K controls a pressure medium to or from a servo cylinder J / with a servo piston M1, on which a spring Af 2 acts in one direction. The Servokolbcn M1 is connected by its piston rod and a connecting rod M 3 M 4 connected to one end of a lever 7V, whose function is explained below.

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.A movement of the valve slide K from the neutral position (see drawing) to the left causes a pressure medium to be conveyed from the line L into the right end of the cylinder M , while the pressure medium contained in the left end of the cylinder M can escape. If, on the other hand, the slide K »5 moves to the right from the neutral position shown in the drawing, the pressurized fluid is fed to the left end of the cylinder M , and the fluid contained in the right end of this cylinder can escape. The lever N is hinged at a point VI located between its ends by means of a slot guide on the control lever O of a fuel pump O 1, which supplies fuel to the combustion chambers B of the engine, in order to regulate the speed and / or the power output of the engine, while the other End of the lever N is connected to a control rod P, which is operated by hand and also adjusts a propeller regulator Q , the setting of which determines the speed at which the free turbine D is maintained by the propeller E. When the control rod P is operated, not only is the setting of the controller Q changed, but the setting of the fuel pump control lever O is also changed accordingly. A rod R which can be operated by a lever R 1 extends through the right end of the chamber /. This lever is in turn actuated by a control rod R2 , so that the control rod R, which engages the center of the diaphragm / 1, cancels the effect of the different pressures on both sides of the diaphragm and moves the valve slide X in the direction in which the piston is moving M 1 is moved all the way to the left and the fuel supply to the combustion chambers B is reduced. With this device R, Rl, R2, R3 , the auxiliary control device H can temporarily, for. B. when starting or stopping the engine.

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 BewegungAssuming that during operation with the auxiliary control device H , the disconnection device R, Rl, R2 is not in operation, then falls when at a certain speed of the free turbine D and thus also of the propeller E, the speed of the turbine-compressor unit drops below the setpoint, the pressure on the right side of the diaphragm / 1 compared to the pressure on the left side of the diaphragm, as a result of which the valve slide K can move to the right under the action of the spring K 1. As a result, the pressure medium is introduced into the left end of the cylinder M and moves the piston M1 to the right, which thus moves

Claims

of the lever O to the right. As a result, the fuel supply is increased and thus prevents any further decrease in the speed of the unit A 1, C. In the exemplary embodiment described, the disconnection device Rlj R2 acts mechanically on the auxiliary control device H. The auxiliary control device H can, however, also be switched off by means of an electrical control device which the piston M1 and / or the lever N is actuated. This electrical control device for its part can also be switched off again. When the engine is started, the switch-off device Rj Rlj R2 is in operation in order to render the auxiliary control device H ineffective. If the engine has reached the normal operating state, then the switch-off devicei ?, Rl, R2 is put out of operation so that the auxiliary control device can be activated at any point in time, for example before take-off or during the approach to landing or at any other desired time Time. By appropriately setting the respective load on the springs i? 3 and Kl, the pressure difference on the diaphragm / 1 and thus also the difference in the speeds of the rotor system A1, C and the rotor D, at which the valve slide K is activated, can move of the KolbensMl cause can be changed. The fact that the free turbine Dj, which drives a propeller E in the embodiment described, can also drive the rotary wing of a helicopter, has already been mentioned, but is not specifically shown in the drawing. Patent claims:

1. Control device for a combustion turbine engine with a turbine-compressor unit and a free turbine, in which the compressor turbine and the free turbine in the gas

current one behind the other and the free turbine drives a propeller and / or a rotary wing system of an aircraft and in which a speed controller is provided for the free turbine, which changes the blade pitch of the propeller as the manipulated variable and is connected to the fuel quantity adjustment device, characterized by an auxiliary control device (H. ) with two speed responsive devices (F _j G), one of which (G ) responds to the speed of the free turbine (D) and the other (F) to the speed of the turbine-compressor unit (Al, C) that act in opposite directions on a member (/, K) , the position of which is therefore a function of the difference between the two speeds and influences the fuel quantity adjustment device (oil) in such a way that when the compressor speed drops below one of the torque speeds of the free turbine (D) assigned setpoint, the amount of fuel is controlled beyond the set value so that the speed of the Ver Denser unit (Al, C) remains approximately the same as the assigned setpoint.

2. Control device according to claim 1, characterized in that the devices (F, G) responsive to the speeds of the two turbines are designed as fluid pressure generators.

3. Control device according to claim 1 or 2, characterized by a device (R, Rl, i? 2, i? 3) for temporarily switching off the auxiliary control device (H), for. B. during starting or shutdown of the engine or during idling.

Considered publications:
German Patent No. 868,808;
Swiss Patent No. 266 733;
French Patent No. 972,422;
U.S. Patent No. 2,603,063.

1 sheet of drawings