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Brennstoffregeleinrichtung zur Leistungsregelung von Gasturbinentriebwerken
Die Erfindung betrifft eine Brennstoff-Regeleinrichtung zur Leistungsregelung von
Gasturbinentriebwerken, bei der das Brennstoffventil von zwei zusammenwirkenden,
auf den Verdichterenddruck ansprechenden Regelorganen verstellt wird.
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Bei Gasturbinentriebwerken kann sich der Verdichterenddruck bei vorgegebener
Turbinendrehzahl in großem Ausmaß ändern, und zwar als Folge von Änderungen des
Verdichtereinlaßdruckes p. infolge von Staudruckänderungen oder auch in geringem
Maße infolge von schwankenden Verdichtereinlaßtemperaturen To. Aus diesem Grunde
ist es möglich, daß der Verdichterenddruck eine unzulässige Höhe erreicht, obwohl
die Drehzahl innerhalb, zulässiger Grenzen bleibt.
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Die Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Regeleinrichtung,
mit der der Verdichterenddruck unter einem zuvor festgelegten Maximalwert gehalten
wird.
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Bei Regeleinrichtungen zur Leistungsregelung von Gasturbinentriebwerken
ist es bekannt, den Verdichterenddruck zur Regelung insbesondere der Brennstoffzufuhr
auszunutzen. Eine derartige bekannte Regeleinrichtung enthält eine dem Verdichterenddruck
ausgesetzte Druckdose, die über ein Zwischenventil die Öffnungsstellung einer Drosselstelle,
durch die den Triebwerken Brennstoff zugeführt wird, in dem Sinne regelt, daß diese
Drosselstelle mit wachsendem Verdichterenddruck vergrößert wird.
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Eine andere derartige Regeleinrichtung enthält zwei vom Verdichterenddruck
abhängige Regelorgane. Das erste ist mit einem Hebelsystem verbunden, durch das
die Öffnung einer die Brennstoffzufuhr bestimmenden Drosselstelle gleichsinnig mit
der Zu- und Abnahme des Verdichterenddruckes eingestellt wird. Bis zu einem vorbestimmten
Wert des Verdichterenddruckes wirkt aber nur ein bestimmter Bruchteil dieses Druckes
auf das erste Regelorgan ein. Sobald der Verdichterenddruck einen bestimmten Wert
erreicht hat, tritt ein zweites, ebenfalls auf diesen Druck ansprechendes Regelorgan
in Tätigkeit, das bewirkt, daß oberhalb des vorbestimmten Druckwertes das erste
Regelorgan dem gesamten Verdichterenddruck ausgesetzt ist.
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Abweichend von dieser Wirkungsweise arbeiten die beiden auf den Verdichterenddruck
ansprechenden Regelorgane gemäß der vorliegenden Erfindung so, daß das erste Regelorgan
in bekannter Weise die Öffnung des Brennstoffventils steuert, während das zweite
Regelorgan von einem bestimmten Wert des Verdichterenddruckes an ein weiteres Öffnen
des Brennstoffventils und gleichzeitig ein weiteres Ansteigen des Verdichterenddruckes
verhindert. Dadurch wird erreicht, daß der Verdichterenddruck, während die Drehzahl
innerhalb zulässiger Grenzen bleibt, keine unzulässig hohen Werte annehmen und dem
Verdichter keinen Schaden zufügen kann.
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Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe wird vorgeschlagen, daß das zweite
Regelorgan beim Überschreiten eines vorbestimmten Wertes des Verdichterenddruckes
p, über ein Gestänge mit der vom ersten Regelorgan beaufschlagten Übertragungseinrichtung
auf das Brennstoffventil in Eingriff kommt und dadurch dem ersten Regelorgan entgegenwirkt..
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung enthält das zweite Regelorgan
einer Druckdose, deren Innenraum über eine Drosselöffnung mit seinem unter dem Verdichterenddruck
p, stehenden Außenraum in Verbindung steht und über ein durch eine Feder belastetes
Ventil, das sich erst beim Überschreiten, des vorbestimmten Wertes des Verdichterenddruckes
öffnet, mit der Atmosphäre in Verbindung gebracht wird. Die Übertragungseinrichtung
enthält dabei in an sich bekannter Weise einen um eine Achse schwenkbaren Hebel,
der über ein Vorsteuerventil gegen die Kraft der am Ende des Hebels auf je einer
Seite angeordneten Federn den durch Zahnstange und Zahnrad mit denn Brennstoffventil
verbundenen Stellkolben steuert.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung, in welcher ein Ausführungsbeispiel
dargestellt ist. Die Zeichnung zeigt in
Fig. 1 einen Längsschnitt
durch ein mit der erfindungsgemäßen Einrichtung ausgestattetes Gasturbinentriebwerk
und in Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch einen Teil der Regeleinrichtung
des Triebwerks nach Fig. 1.
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In der Fig. 1 ist das mit 10 bezeichnete Gasturbinentriebwerk mit
ringförmig angeordneten Brennkammern 11 versehen, die in einem mit einem Ansaugteil
12 versehenen Gehäuse angeordnet sind. Das Triebwerk umfaßt ferner einen Verdichter
13, der als Axialverdichter dargestellt ist und durch eine Welle 15 von einer Turbine
14 angetrieben wird. Jede Brennkammer ist mit einer Brennstoffdüse 16 versehen,
durch die der unter Druck stehende Brennstoff in der durch die Regeleinrichtung
20 vorbestimmten Menge pro Zeiteinheit über eine Leitung 17, ein Verteilungsrohr
18 sowie jeweils eine Leitung 19 zugeführt wird.
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Die Regeleinrichtung ist in ein Gehäuse 30 eingeschlossen. dem unter
dem Druck p1 stehender Brennstoff durch eine Leitung 32 von einer Pumpe 34 zugeführt
wird. Die Pumpe 34 ist mit einer nicht dargestellten Brennstoffquelle durch eine
Leitung 36 verbunden. Aus der Leitung 32 fließt der Brennstoff zu den Düsen 16 durch
einen Steuerquerschnitt 38, der durch ein Brennstoffventil 40 bestimmt wird, sowie
durch eine Kammer 42, eine Abflußöffnung 44, die Abflußleitung 17, in der der Druck
p2 herrscht, und das Verteilungsrohr 18.
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Das Brennstoffventil 40 ist axial verschiebbar und um seine Achse
drehbar. Es weist eine den Durchfluß steuernde Endfläche 54 auf und ist mittels
einer Ventilspindel 58 mit einem Geschwindigkeitsregler 56 verbunden. Das Ventil
steht außerdem über seine an einem Ende mit einem Zahnrad 66 versehene Spindel 64
mit einer Zahnstange 60 in Verbindung, die mit einem im Zylinder 84 gleitenden Stellkolben
62 verbunden ist.
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Der Zylinder 84 und das Zahngetriebe 60/66 sind in Kammern 86 bzw.
88 angeordnet, die durch eine Verbindungsleitung 90 miteinander und durch eine Leitung
91 mit der Einlaufleitung 36 der Pumpe verbunden sind. Der Kolben 62 bildet an seinem
rechten Ende eine Kammer 92, die am einen Ende des Zylinders 84 mit der Kammer 86
in Verbindung steht und an seinem anderen Ende eine Servodruckkammer, die durch
eine Leitung 98, eine Blende 100 sowie durch Leitungen 102 und 104 mit der Druckleitung
32 der Pumpe und durch die Leitung 104 und einer am Teil 108 des Gehäuses
30 angebrachten Ausströmdüse 106
mit der Kammer 86 in Verbindung steht.
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Eine evakuierte Druckdose 110 ist in einer im oberen Teil des Gehäuses
30 vorgesehenen Druckkammer 112
angeordnet, die mit der Austrittsseite
des Verdichters 13 durch eine Leitung 114 verbunden ist. Die Dose wirkt auf einen
um die Achse 122 drehbaren Hebel 120 ein, der am unteren Ende auf der einen Seite
über eine zwischengeschaltete Kolbenfeder 124 unter dem Einfluß des Kolbens 62 und
auf der anderen Seite unter dem EinfluB einer Rückstellfeder 126 steht. Die Feder
124 gewährleistet eine elastische Kraftübertragung zwischen dem Kolben 62 und dem
Hebel 120. Außerdem ist der Hebel 120 an einem Zwischenpunkt mit einem Vorsteuerventil
128 verbunden. Der Kolben 62 übt über die Feder 124 auf den Hebel 120 eine Kraft
entgegen dem Uhrzeigersinn aus, die dem Druck p, in der Kammer 94 entspricht. Dieser
Stelldruck p, ist von dem vor der Blende 100 herrschenden Druck p1, dem nach der
Ausströmdüse 106 herrschenden Druck p, und von der Stellung des Vorsteuerventils
128 abhängig. Die Feder 126 übt auf den Hebel 120 eine Kraft im Uhrzelgersinn aus,
die das Vorsteuerventil 128 zu schließen und damit das Brennstoffventil 40 zu öffnen
sucht. Sie hat die Aufgabe, die Wirkung des Verdichterenddruckes zu ergänzen, wenn
dieser nur einen kleinen Wert hat. Druckdose 110 übt auf den Hebel 120 eine Kraft
aus, die bei wachsendem Verdichterenddruck im Uhrzeigersinn und bei sinkendem Verdichterenddruck
entgegen dem Uhrzeigersinn gerichtet ist.
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Das Vorsteuerventil 128 ist jeweils dann im Beharrungszustand, wenn
die Summe der Drehmomente auf den Hebel 120, ausgeübt durch die Dose 110, durch
den Kalben 62 und die Feder 126, gleich Null ist. Wenn der Verdichterenddruck aus
irgendeinem Grunde, z. B. einer Verminderung der Flughöhe, größer werden sollte,
nimmt die von der Dose 110 ausgeübte Kraft im selben Verhältnis zu und sucht den
Hebel 120 im Uhrzeigersinn zu drehen. Dadurch wird die wirksame Öffnung an der Ausströmdüse
106 herabgesetzt, was eine Erhöhung des in der Kammer 94 vorhandenen Druckes herbeiführt.
Dies bewirkt eine Bewegung des Kolbens 62 nach rechts, d. h. in der einer erhöhten
Brennstoffzufuhr entsprechenden Richtung.
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Eine Druckdose 130 zur Begrenzung des Verdichterenddruckes ist in
der Kammer 112 an einem Halter 132 befestigt und mittels einer Endscheihe 134 mit
einem um eine Achse 138 schwenkbaren Hebel 136 beweglich verbunden. Die Endscheibe
134 weist eine mit einer Blende versehene Bohrung 140 auf, durch die der Innenraum
142 der Dose mit der Kammer 112 in Verbindung steht. Der Halter 132 enthält einen
Kanal 144, der so lange mittels eines durch die Feder 148 vorgespannten Ventils
146 geschlossen gehalten wird, wie der Verdichterenddruck p, unter einem vorbestimmten
Höchstwert bleibt.
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Im Innenraum 142 und in der Kammer 112 herrscht dann
der gleiche Druck p, Die Federkraft der Dose 130 strebt deshalb danach, den Hebel
136 entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn zu drehen, wodurch ein am Hebel
136 vorgesehener Vorsprung 154 außer Berührung mit einem gegenüberliegenden
Vorsprung 156 am oberen Ende des Hebels 120 gehalten wird.
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Die Wirkungsweise der Einrichtung ist folgende: Die Zeichnung zeigt
die Brennstoff-Regeleinrichtung in einer Stellung, die niedriger Leistung, z. B.
Leerlauf des Gasturbinentriebwerks, entspricht.
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Beim Beschleunigen des Triebwerks steigt der Druck p,; dadurch wird
wird die Druckdose 110 zusammengedrückt, so daß sie versucht, den Hebel 120 im Uhrzeigersinn
zu drehen und das Vorsteuerventil 128 der Ausströmdüse 106 zu nähern. Diese führt
zu einer Erhöhung des den Kolben 62 beaufschlagenden Stelldruckes ps, wodurch die
Belastung der Kolbenfeder 124 erhöht und das Ventil 40 in einer eine Vergrößerung
des Steuerquerschnitts 38 entsprechenden Richtung bewegt wird. Die Kolbenbewegung
setzt sich während der Beschleunigung des Triebwerks fort, bis die Feder 124 so
stark zusammengedrückt worden ist, daß das von ihr um die Achse 122 erzeugte Drehmoment
dem neuen, durch die Einwirkung des Druckes p, auf die Druckdose erzeugten Drehmoment
in Zusammenwirkung mit dem Moment der Rückstellfeder 126 das Gleichgewicht hält.
Dieses neue Gleichgewicht stellt sich entsprechend dem neuen Betriebszustand des
Triebwerks ein.
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Wenn der vorbestimmte Höchstwert des Verdichterenddruckes während
der Beschleunigung des Triebwerks überschritten wird, überwindet die auf die Fläche
des Ventils 146 wirkende Kraft die Spannung der Feder 148 und setzt den Innenraum
142 der Dose
über den Kanal 144 mit der Atmosphäre bzw. der
Einsaugseite des Verdichters in Verbindung. Hierdurch wird der Druck im Innenraum
142 abgesenkt. Die Dose strebt deshalb danach, den Hebel 136 im Uhrzeigersinn
zu drehen und eine Berührung zwischen den Vorsprüngen 154 und 156 herbeizuführen,
wodurch der Hebel 120 von einem Drehmoment beeinflußt wird, das dein vorhandenen
Überdruck proportional ist und dem durch die Dose 110 auf den Hebel 120 einwirkenden
Drehmoment entgegenwirkt. Durch die beschriebene Übertragungseinrichtung wird die
Brennstoffzufuhr zum Triebwerk und dadurch der erhöhte Verdichterenddruck herabgesetzt.
Bei einer Senkung des Verdichterenddruckes bis zum vorbestimmten zulässigen Höchstwert
wird das Ventil 146 wieder geschlossen und der Hebel 136 von der Druckdose 130 in
die gezeichnete Stellung zurückgeführt, wonach die Druckdose 110, der Kolben
62 und die Feder 126 allein die Steuerung der Stellung des Brennstoffventils 40
in Abhängigkeit vom vorhandenen Druck p, übernehmen.