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Regeleinrichtung für Gasturbinentriebwerke Die Erfindung bezieht sich
auf eine Regeleinrichtung für Gasturbinentriebwerke und insbesondere auf eine Sicherheitsvorrichtung
für das Inbetriebhalten dieser Regeleinrichtung nach dem Ausfall eines ihrer Bestandteile.
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Es sind bereits Regeleinrichtungen für Gasturbinentriebwerke mit der
Brennstoffmenge als Stellgröße sowie mit der Turbinenaustrittstemperatur und der
Turbinendrehzahl als Regelgrößen bekannt, bei denen die Temperaturregelabweichung
elektrisch am Ausgang eines Verstärkers als Gleichstrom dargestellt wird, dessen
Polarität der Richtung der Regelabweichung entspricht, und bei denen die Drehzahlregelabweichung
elektrisch in Form eines Gleichstroms gebildet wird, dessen Polarität der Richtung
der Regelabweichung entspricht; dabei ist eine Schaltung vorgesehen, welche die
beiden Gleichstromregelabweichungen vergleicht und bei verschiedener Polarität diejenige
Regelabweichung auf das Stellglied schaltet, welche die Brennstoffmenge verringert,
und bei gleicher, die Brennstoffmenge verringernder Polarität die größere Regelabweichung
auf das Stellglied schaltet sowie bei gleicher, die Brennstoffmenge vergrößernder
Polarität die kleinere Regelabweichung auf das Stellglied schaltet.
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Bei Reglern mit der Turbinenaustrittstemperatur und der Drehzahl als
den beiden voneinander unabhängigen Regelgrößen kann der Fall eintreten, daß der
Temperaturregelteil der Vorrichtung ausfällt. In diesem Falle würde bei negativer
Drehzahlregelabweichung, d. h. bei Istdrehzahlen unter dem Sollwert der Drehzahl,
nicht mehr geregelt werden können, weil infolge Fehlens einer Temperaturregelabweichung
ein Aufschalten der negativen Drehzahlregelabweichung auf das Stellglied unmöglich
ist.
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Aufgabe der Erfindung ist, diesen Nachteil zu vermeiden und bei Ausfall
des Temperaturreglers die Funktionsfähigkeit des Drehzahlreglers zu erhalten.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß eine Spannungsduelle
von einer die Brennstoffmenge vergrößernden Polarität mit dem Ausgang des Verstärkers
über einen Widerstand verbunden ist, der mit einem oder mehreren mit dem Innenwiderstand
des Verstärkers parallel geschalteten Widerständen einen Spannungsteiler bildet,
so daß beim Ausfall des Verstärkers an seinem Ausgang ein Gleichstrom mit einer
die Brennstoffmenge vergrößernden Polarität erzeugt wird.
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Die Erfindung ist nachfolgend an Hand der Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigt Fig.l eine schematische Darstellung mit Blockschaltbild, aus welcher die
allgemeine Anordnung des Gasturbinentriebwerks, der Brennstoffzuführungseinrichtung
und der elektronischen Regelvorrichtung für die letztere ersichtlich ist, und Fig.2
eine gegenüber Fig.l mehr ins einzelne gehende schematische Darstellung des Vorverstärkers
mit der Rückkopplung zur Temperaturregelabweichungsschaltung und der Grenzwert-Brückenregelschaltung
mit den dazugehörigen Schaltplänen.
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In Fig. 1 ist mit 10 ein Gasturbinentriebwerk bezeichnet, welches
von beliebiger bekannter Konstruktion sein kann und beispielsweise einen Verdichter
aufweisen kann, welcher durch eine Lufteintrittsöffnung Luft aufnimmt und diese
unter Druck in eine Brennkammer fördert, in welcher Brennstoff verbrannt wird. Die
Verbrennungsprodukte werden aus der Brennkammer einer Gasturbine zugeführt, welche
den Verdichter antreibt. Das aus der Turbine austretende Gas verläßt das Triebwerk
durch eine Ausströmdüse. Der Verdichter kann entweder als Radial-oder als Axialverdichter
ausgebildet sein. Ein Teil der Turbinenleistung kann für den Antrieb einer Luftschraube
verwendet werden.
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Die Brennstoffzufuhr wird wahlweise entweder durch ein drehzahlabhängiges
oder durch eintemperaturabhängiges Regelsystem geregelt. Der Flugzeugführer stellt
an einem Drehzahlwähler 48 einen Drehzahlsollwert ein. Das vom drehzahlempfindlichen
Regelsystem ausgehende Signal wird in der Grenzwert-Brückenschaltung mit einem vom
temperaturempfindlichen
Regelsystem kommenden Signal verglichen;
das sich hieraus ergebende Signal wird dazu verwendet, um das die Brennstoffzufuhr
zum Triebwerk regelnde Ventil einzustellen.
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Wie in Fig. 1 gezeigt ist, wird von einem Generator 12, welcher ein
von der Turbine angetriebener Wechselstromgenerator sein kann, ein Drehzahlsignal
abgenommen und einem drehzahlempfindlichen Kreis 14 zugeführt. In diesem wird eine
der Drehzahl-Regelabweichung proportionale Spannung erzeugt. Diese Spannung ist
Null, wenn die Turbine mit Solldrehzahl läuft, positiv, wenn sie mit Überdrehzahl
und negativ, wenn sie mit Unterdrehzahl läuft. Das Drehzahlregelabweichungssignal
wird der Grenzwert-Brückenschaltung 18 zugeführt.
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Ein Temperatursignal wird von in der Ausströmdüse angeordneten Thermoelementen
20 der Temperatur-Regelabweichungsschaltung 22 zugeführt, wo es mit einer festen
Spannung verglichen und in ein Temperaturregelabweichungssignal umgewandelt wird.
Letzteres wird im Vorverstärker 24 verstärkt und über die Leitung 26 dem Spannungsteiler
16 und der Grenzwert-Brückenschaltung 18 zugeführt. Das verstärkte Temperaturregelabweichungssignal
ist Null, wenn die Turbine mit Solltemperatur arbeitet, positiv, wenn die Turbine
mit Übertemperatur und negativ, wenn sie mit Untertemperatur läuft. In der Grenzwert-Brückenschaltung
18 wird das am größten positive bzw. das am wenigsten negative der Drehzahl-und
Temperatursignale für die Übertragung zum Hauptverstärker 28 ausgewählt, in welchem
es verstärkt und sodann durch die Leitung 31 der Magnetspule 30 zugeführt wird.
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Die Magnetspule 30, welche sich normalerweise in Mittellage befindet
oder um ein geringes in der einer Brennstoffdrosselung entsprechenden Richtung verschoben
ist, jedoch von einem negativen Signal in die eine Richtung und von einem positiven
Signal in die entgegengesetzte Richtung bewegt werden kann, betätigt ein Ventil
32, welches die Menge des von der Brennstoffzuführung 34 zu den Brennstoffdüsen
36 strömenden Brennstoffs steuert. Die Brennstoffanlage umfaßt eine Brennstofförderpumpe
38, welcher ein druckbetätigtes Überströmventi140 zugeordnet ist, das dazu dient,
ein gleichbleibendes Druckgefälle durch das Drosselventil42 aufrechtzuerhalten.
Das Ventil 32 leitet entweder hohen oder niedrigen Druck in das Innere der Druckdose
44; dadurch wird das Ventil 42 in Richtung auf seine Schließ- oder öffnunsstellung
zu bewegt und die Brennstoffzufuhr zu den' Brennstoffdüsen 36 geregelt. Die Bewegung
des Ventils in seine Schließstellung kann durch einen Anschlag 43 begrenzt werden,
um eine Mindestbrennstoffmenge zu gewährleisten.
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Im drehzahlempfindlichen Kreis 14 wird eine Brükkenschaltung verwendet,
um eine durch den vom Flugzeugführer betätigten Wählhebel 48 gewählte konstante
Spannung mit der von einem Drehzahlgeber 12 erzeugten Spannung zu vergleichen; das
sich hierbei ergebende Signal wird gleichgerichtet, um ein Drehzahlregelabweichungssignal
zu erhalten, welches den Leitungen 50 und 52 zugeführt wird. Der Strom für den Betrieb
der verschiedenen elektronischen Geräte wird normalerweise vom Generator 12 über
einen Stromversorgungskreis 54 üblicher Ausführung geliefert, welcher neben anderen
Spannungen auch eine Vorspannung von -13 Volt in die Leitung 56 und eine stabilisierte
Spannung von +85 Volt in die Leitung 85 abgibt. Während des Startvorganges wird
dem Stromversorgungsteil jedoch durch die Leitung 60 eine 400periodige Wechselspannung
von einer nicht zur Anlage gehörigen Stromquelle aus zugeführt. Wenn die Turbine
und somit auch der Generator 12 eine vorher festgelegte Drehzahl erreicht, betätigt
die über den Relaisgleichrichter 62 und die Relaisspule 64 wirkende Generatorspannung
den Kontaktarm 66, um die 400periodige Wechselstromquelle abzuschalten und den Generator
12 an den Stromversorgungsteil anzuschließen.
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Die Temperaturregelabweichungsschaltung und der Zerhacker 74 vergleichen
das Thermoelementsignal mit einem Sollwert, welcher feststehend sein oder nach Belieben
verändert werden kann. Das Temperatursignal kann mittels eines Gegenkopplungskreises
einen Ausgleich zur Berücksichtigung der zeitlichen Nacheilung des oder der Thermoelemente
erfahren.
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Die vom Thermoelement den Zerhackerkontakten 76 und 78 zugeführte
Temperaturregelabweichung ist bei Untertemperatur positiv und bei Übertemperatur
negativ. Bei Verwendung eines veränderlichen einstellbaren Sollwertes kann ein Signal,
welches gewöhnlich positiv ist, dem Schwingkontakt 79 des Zerhackers 74 zugeführt
werden, um die Amplitude des von letzterem erzeugten Rechteckimpulses zu verändern.
Der Schwingkontakt 82 des Zerhackers 80 ist mechanisch so mit dem Zerhackerschwingarm
79 synchronisiert, daß Signale, die bei 76 und 78 positiv sind, in der Leitung 26
eine negative, einer Untertemperatur entsprechende Spannung erzeugen, während an
den Kontakten 76 und 78 negative Spannungen in der Leitung 26 positive, einer Übertemperatur
entsprechende Spannungen erzeugen.
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Die Temperaturregelabweichung auf der Leitung 26 wird durch die Leitung
29 den Widerständen 130 und 132 des Spannungsteilers 16 zugeführt. Ein Teil der
Temperatu.rregelabweichung wird über die Leitung 142 zur Grenzwert-Brückenschaltung
abgezweigt. In der Grenzwert-Brückenschaltung verbindet ein nicht dargestellter
Gleichrichter die Leitung 142 mit der Masse und begrenzt jede in dieser Leitung
auftretende negative Temperaturregelabweichung auf einen geringen Wert, und zwar
auf annähernd 1 Volt. Ein Teil der Temperaturregelabweichung wird von einem Punkt
zwischen den Widerständen 130 und 132 über die Leitung 146 zum Kontakt 148 des Zerhackers
71 abgezweigt und ferner über die Leitung 150 in die Grenzwert-Brückenschaltung
eingeführt, von welcher er selektiv der \Zagnetspule zugeführt wird.
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Die Drehzahlregelabweichung wird durch die Leitung 52 dem Kontakt
162 des Zerhackers 71 zugeführt. Diese Drehzahlregelabweichung wird über die Leitung
164 in die Grenzwert-Brückenschaltung eingeleitet, von welcher aus es selektiv der
Magnetspule zugeführt wird. Die vom drehzahlempfindlichen Kreis auf die Leitung
50 gegebene Drehzahlregelabweichung wird für Schaltzwecke der Grenzwert-Brückenschaltung
zugeführt.
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Die der Grenzwert-Brückenschaltung durch die Leitungen 164 und 150
zugeführten Drehzahl- und Temperaturregelabweichungen werden Gleichrichtern zugeleitet,
die das eine oder das andere von ihnen als das zum Hauptverstärker und von dort
zur Magnetspule zu übertragende Signal auswählen. Die Drehzahlregelabweichung gibt
auf Leitung 164 einen Rechteckimpuls. Die Temperaturregelabweichung gibt auf Leitung
150 ebenfalls einen Rechteckimpuls.
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Die Drehzahl- und Temperaturregelabweichungen sind so gewählt, daß,
wenn sie der Grenzwert-Brükkenschaltung zugeführt werden, eine Überdrehzahl oder
eine Übertemperatur durch ein positives Signal
angezeigt wird, während
im Gegensatz hierzu ein Untertemperatur- oder Unterdrehzahlsignal negativ ist. Das
Drosselventi142 muß zum Schließen ein positives Signal von der Grenzwert-Brückenschaltung
erhalten, wodurch die Brennstoffmenge verringert und die Cberdrehzahl oder die Übertemperatur
beseitigt wird. Zum Öffnen des Drosselventils müssen der ?Magnetspule 30 von der
Grenzwert-Brückenschaltung zwei negative Signale, und zwar sowohl für Drehzahl als
auch für Temperatur zugeführt werden. Wenn eines der Signale, beispielsweise das
Temperatursignal, Null, d. h. weder positiv noch negativ, und das andere, nämlich
das Drehzahlsignal, negativ ist, wird die 11agnetspule nicht betätigt und somit
die Stellung des Drosselventils nicht verändert. Im praktischen Betrieb ist die
Magnetspule so leicht vorgespannt, daß bei einem Nullsignal das der Magnetspule
betätigte Ventil um ein Geringes in Richtung der Schließstellung verschoben wird;
bei Nullsignal bewegt sich also das Drosselventil langsam in Richtung auf seine
Schließstellung, um schließlich seine der Mindestbrennstoffmenge entsprechende Stellung
zu erreichen. Ein solcher Betriebszustand wäre gegeben, wenn der Thermoelementverstärker
ausfallen und das Triebwerk auf Unterdrehzahl abfallen würde. Es wäre in diesem
Falle unmöglich, die Brennstoffmenge zum Zwecke einer Drehzahlerhöhung zu verstärken,
da jede Betätigung des Drehzahlwählhebels zur Erhöhung der Drehzahl lediglich ein
weiteres Unterdrehzahlsignal zur Folge hätte, so daß das Nullsignal der Temperaturregelung
weiterhin vorherrschend und eine Bewegung des Drosselventils verhindern würde. Gemäß
der Erfindung wird das Entstehen eines solchen Betriebszustandes dadurch verhindert,
daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die bei Versagen des Thermoelementverstärkers
selbsttätig ein Untertemperatursignal gibt. So lange beide Signale negativ sind,
wird die Magnetspule im Sinne einer Verstärtung der Brennstoffmenge betätigt, bis
eines der beiden Signale Null oder positiv wird und die Brennstoffmenge zu verringern
beginnt.
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Der Thermoelementverstärker 24 ist ein kapazitiv gekoppelter Widerstandsversärker
mit vier im Gegentakt geschalteten Röhren, und es läßt sich mit ihm eine Gesamtverstärkung
bis zu 5000 erzielen. Ein Gegenkopplungspfad ist über die Leitung 220 an die Ausgangsleitung
26 angeschlossen und führt einen Teil des Ausgangs des Verstärkers zu dessen Eingangsseite
zurück. Eine Schaltung dieser Art hat die Eigenschaft, daß sie für eine an einer
anderen Stelle des Systems auftretende N acheilung einen Ausgleich schafft. Im vorliegenden
Fall gleicht sie die Nacheilung des Thermoelements aus. Wenn daher die Temperatur
in der Ausströmdüse ansteigt, beginnt das Thermoelement ein stärkeres Signal zu
erzeugen, welches dem Thermoelementverstärker zugeführt, von diesem verstärkt und
als Gegenkopplung zum Eingang zurückgeführt wird, wobei jedoch auf Grund des Kondensators
222 die volle Wirkung der Gegenkopplung nicht sogleich in Erscheinung tritt, da
der Kondensator erst aufgeladen werden muß, bevor die volle Spannungserhöhung in
den Verstärker rückgespeist werden kann, um hierdurch dessen Ausgang wieder zu verringern.
Diese Nacheilung in der Rückspeisung wirkt sich in derselben Weise wie eine Temperaturerhöhung
aus, obwohl der Thermostat in diosem Augenblick keine derartige erhöhte Temperatur
anzeigt.
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Die gleiche Gegenkopplung wird verwendet, um im Fall eines Versagens
des Thermoelementverstärkern eine negative Vorspannung zu liefern. Eine Verbindung
wird von der eine Spannung von -13 Volt abgebenden Anzapfung des Stromversorgungsteiles
über einen verhältnismäßig großen Widerstand 224 zur Ausgangsleitung 26 geführt.
Dieser Widerstand, der beispielsweise 1'/a Megohm haben kann, ist an den Ausgangskreis
26 angeschlossen. Der Ausgangskreis 26 wird durch den Zerhackerarm 82 über die Widerstände
226 und 228, die beispielsweise Widerstände von 150 Kiloohm sein können, periodisch
geerdet. Die Ausgangsleitung ist ferner über die Widerstände 130 und 132 im Spannungsteiler
mit Masse verbunden, wobei diese Widerstände insgesamt 1 Megohm haben können. Außerdem
ist auch noch der Innenwiderstand des Vorverstärkers vorhanden, so daß der Widerstand
vom Anschlußpunkt 230 der eine Spannung von -13 Volt führenden Leitung und der Ausgangsleitung
26 zur Masse so gering ist, daß lediglich ein kleiner Teil der -13 Volt am Anschlußpunkt
230 ankommt. Während das Betriebes des Thermoelementverstärkers ist der effektive
Innenwiderstand desselben verhältnismäßig niedrig, und zwar auf Grund der durch
die Leitung 220 und über die Widerstände 232 und 234, welche annähernd 2 Megohm
haben können, erfolgenden Rückspeisung zur Eingangsseite des Verstärkers. Diese
Rückspeisung oder Gegenkopplung ist so gestaltet, daß lediglich etwa ein Zehntel
des normalen Verstärkerausgangs aufrechterhalten wird, wobei die Gegenkopplung den
Ausgang um etwa 90% verringert. Hierdurch ergibt sich ein effektiver Innenwiderstand,
der so niedrig ist, daß während des Betriebes des Verstärkers am Anschlußpunkt 230
annähernd '/,.Volt oder noch weniger von der -13-Volt-Spannung ankommt. Die Wirkung
dieser geringen Spannung ist vernachlässigbar und kann durch entsprechende Einstellung
des Thermoelements ausgeglichen werden.
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Sollte jedoch der Verstärker entweder durch fehlerhaftes Arbeiten
oder Hängenbleiben der Schwingkontakte 79, 82 oder durch Ausfall der Verstärkerröhren
oder eines anderen Teils der Schaltung versagen, so würde sich der Innenwiderstand
des Verstärkers beträchtlich erhöhen. Falls der Schwingkontakt 82 an seinem Gegenkontakt
festschweißen sollte, wäre selbstverständlich ein Masseschluß über die Widerstände
226 oder 228 und auch über die Widerstände 130 und 132 gegeben. Sollte der Schwingkontakt
in seiner normalen Stellen stehenbleiben, so wäre die einzige Masseverbindung über
die Widerstände 130 und 132. Der tatsächliche Innenwiderstand des Verstärkers würde
unendlich groß, und die Gegenkopplung würde unwirksam werden, da der Vorverstärker
keinen Rechteckimpuls zu verstärken hätte, wenn der Schwingkontakt versagen sollte;
im Fall eines Versagens des Verstärkers selbst würde keine Verstärkung und somit
auch keine Gegenkopplung stattfinden. Bei fehlender Gegenkopplung würden die Widerstände
130 und 132 und möglicherweise auch die Widerstände 226 und 228 als der im wesentlichen
einzige Innenwiderstand zwischen dem Anschlußpunkt 230 und Masse wirken, so daß
ein wesentlicher Teil der -13 Volt in der Ausgangsleitung 26 auftreten würde, Dieser
Teil würde sich der 1-Volt-Grenze der Grenzwert-Brückenschaltung nähern oder sie
überschreiten und somit ein negatives Signal in der Thermoelement-Eingangsleitung29,142
und in der Grenzwert-Brückenschaltung erzeugen.
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Es ist somit ersichtlich, daß die Erfindung einen Sicherheitskreis
für den Thermoelementverstärker vorsieht, welcher bei Ausfall des letzteren oder
bei
Versagen der Zerhacker 74, 80 ein negatives Untertemperatursignal
liefert.
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Die Erfindung wurde an Hand einer Ausführungsform beschrieben, bei
welcher das rechnerisch größte, d. h. das größte positive oder das kleinste negative
Signal als das Regelsignal im Übergangskreis verwendet wird, wobei die Überdrehzahl-
und Übertemperatursignale positiv sind. Die Schaltung kann jedoch auch so gestaltet
sein, daß das rechnerisch kleinste Signal als Regelsignal verwendet wird, wobei
dann die Überdrehzahl- und Übertemperatursignale negativ sind.