-
Brennstoffregelanlage Die Erfindung betrifft eine Brennstoffregelanlage
für ein Doppelwellen-Gasturbinentriebwerk für Flugzeuge.
-
Diese Doppelwellen-Gasturbinentriebwerke weisen einen Niederdruckkompressor
mit einer Turbine, die als Rotor ausgebildet sind, und einen Hochdruckkompressor
mit einer Turbine, die als zweiter Rotor ausgebildet sind, auf, wobei der gesamte
durch das Triebwerk hindurchführende Luftstrom oder ein Teil desselben nacheinander
durch den Niederdruckkompressor, den Hochdruckkompressor, die Brennkammern, die
Hochdruckturbine und die Niederdruckturbine strömt. Das Drehzahlverhältnis zwischen
den beiden Rotoren ist bei jeder besonderen Einstellung der Betriebsbedingungen
konstant, jedoch findet mit einer Veränderung der Betriebsbedingungen auch eine
Veränderung in der Drehzahlbeziehung zwischen den beiden Rotoren statt.
-
Bei diesen Triebwerken ist es bekannt und allgemein üblich, beide
Rotoren mit einem Drehzahlregler zu verbinden, von denen der eine auf eine gewünschte
Drehzahl einstellbar ist, um hierbei die Brennstoffzufuhr zu den Einspritzdüsen
der Brennkammern zu regeln, während der andere Regler verhindert, daß der ihm zugeordnete
Rotor eine maximale Drehzahl überschreitet. Hierbei zeigt eines der bekannten Triebwerke,
daß der auf eine gewünschte Drehzahl einstellbare erste Regler mit dem Hochdruckrotor
verbunden ist, während er bei einem anderen bekannten Triebwerk mit dem Niederdruckrotor
in Triebverbindung steht. In beiden Fällen spricht der zweite Regler nur auf eine
maximale Drehzahl an, um die Brennstoffzufuhr bei Erreichen derselben zu drosseln.
Dieser Fall kann dann eintreten, wenn der erste auf eine gewünschte Drehzahl einstellbare
Regler aus irgendeinem Grunde ausfällt.
-
Diese bekannten Brennstoffregelanlagen weisen verschiedene Nachteile
auf, denn wenn der auf eine gewünschte Drehzahl einstellbare Regler ausfällt, erhöht
sich die Drehzahl des ihm zugeordneten Rotors in nicht geregelter Weise, wobei diese
Drehzahl erst beim Ansprechen des zweiten Reglers für die maximale Drehzahl begrenzt
wird. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß der erste auf eine gewünschte
Drehzahl einstellbare Regler nicht über den ganzen Drehzahlbereich des ihm zugeordneten
Rotors genau arbeiten kann, da die meisten Drehzahlregler Fliehkraftregler sind,
bei denen die Regelkraft proportional zum Quadrat der Drehzahl ist.
-
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung ist darin zu
sehen, bei einer Brennstoffregelanlage eines Doppelwellen-Gasturbinentriebwerks
für Flugzeuge, bei der ein mit der einen Welle verbundener Regler und ein mit der
anderen Welle verbundener, auf eine gewünschte Drehzahl einstellbarer Drehzahlregler
die Brennstoffzufuhr zum Triebwerk regelt, mit Sicherheit zu vermeiden, daß sich
die Drehzahl bei Ausfall eines der Drehzahlregler ungeregelt bis zu einer maximalen
Drehzahl erhöhen kann. Es soll eine Brennstoffregelanlage geschaffen werden, bei
der der eine Regler sofort die Funktion des anderen Reglers übernimmt, wenn dieser
ausfallen sollte, so daß es zu keiner Zeit zu ungeregelten Drehzahlerhöhungen kommen
kann.
-
Diese Aufgabenstellung wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß beide
Regler als auf eine gewünschte Drehzahl einstellbare Drehzahlregler ausgebildet
sind und je eine Einstellvorrichtung aufweisen, wobei beide Einstellvorrichtungen
so miteinander verbunden sind, daß die Drehzahleinstellung beider Regler gleichzeitig
durch eine einzige Betätigungsvorrichtung einstellbar ist.
-
Diese Anordnung ermöglicht eine wirksame Regelung über den ganzen
Drehzahlbereich, bei der bei Ausfall des einen Reglers sofort der andere Regler
dessen Funktion übernimmt. Bei dieser Ausbildung im weitestgefaßten Sinn der Erfindung
muß die Brennstoffzufuhrregelung nicht unbedingt genau übet' den ganzen Drehzahlbereich
erfolgen, da, wie schon erwähnt, bei der Verwendung von Fliehkraftreglern sich die
Regelkraft im Quadrat zur Drehzahl ändert.
-
Zur Vermeidung dieses Mangels sieht eine bevorzugte Ausführungsform
des Gegenstandes der Erfindung vor, daß die Einstellvorrichtung für die beiden Drehzahlregler
so angeordnet ist, daß der eine Drehzahlregler über einen Teil des Triebwerkdrehzahlbereiches
und
der andere Drehzahlregler über den anderen Teil des Triebwerkdrehzahlbereiches wirksam
ist. Hierbei ist es zweckmäßig, daß der höhere Drehzahlbereich des Triebwerkes durch
den mit dem Niederdruckrotor verbundenen Drehzahlregler geregelt wird.
-
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung
in Verbindung mit den Zeichnungen eines Beispiels hervor.
-
F i g. 1 ist eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Brennstoffregelanlage
eines Doppelwellentriebwerkes; F i g. 2 und 3 sind graphische Darstellungen, die
das Verhältnis zwischen den Hochdruck- und Niederdruckrotordrehzahlen und die entsprechenden,
durch Handsteuerung ausgeführten Reglereinstellungen zeigen; F i g. 4 ist eine Abwandlung
der in der F i g. 1 gezeigten Brennstoffregelanlage.
-
In der F i g. 1 ist ein Doppelwellentriebwerk schematisch dargestellt
und besteht aus einem Niederdruckrotor mit einem Kompressor l., einer Turbine 2
und einer Verbindungswelle 3, einem Hochdruckrotor mit einem Kompressor 4, einer
Turbine 5 und einer koaxial um die Welle 3 angeordneten Verbindungshohlwelle 6 sowie
Brennkammern 7, die zwischen dem Hochdruckkompressor und der Turbine 5 angeordnet
sind. Die beim Kompressor 1 in das Triebwerk eintretende Luft strömt nacheinander
durch den Kompressor 4, die Brennkammern 7, die Turbine 5 und die Turbine 2 zu einem
Schubrohr B. Dies ist die einfachste Grundform eines Doppelwellentriebwerkes, jedoch
ist die Erfindung ebenso auf ein Doppelwellentriebwerk anwendbar, bei dem ein Teil
der in dem Kompressor komprimierten Luft unmittelbar zur Turbine 2 oder zum Schubrohr
8 geführt wird. In dem Beispiel der Erfindung sind die Brennkammern 7 je mit einer
überlaufdüse 9 ausgestattet. Diese überlaufdüsen sind von bekannter Bauart, bei
der flüssiger Brennstoff unter Druck durch ein Rohr 11 zu den tangentialen Einlässen
einer Wirbelkammer geführt wird, von wo ein Teil des Brennstoffes aus der Düsenmündung
ausgespritzt und der verbleibende Teil des Brennstoffes einer Überlaufmündung des
überlaufrohres 12 zugeführt wird. In diesem besonderen Beispiel wird die Regelung
des aus der Düse gespritzten Brennstoffes durch ein überlaufventil 13 bewirkt, welches
den Überlauf von der Düse 9 zu einer Niederdruckzone einstellt und dadurch die Einspritzmenge
regelt. Zur Heranführung des Brennstoffes unter Druck an die Düsen 9 ist eine Pumpe
14 vorgesehen, die von dem Hochdruckrotor angetrieben wird und vorzugsweise
aus einer Verdrängungspumpe konstanter Förderleistung besteht. Dieser Pumpe wird
normalerweise der Brennstoff durch eine mit dem Brennstoffbehälter verbundene Niederdruckpumpe
über ein Rohr 15 zugeführt.
-
Der mit dem Hochdruckrotor 4, 5, 6 verbundene Drehzahlregler regelt
dessen Drehzahl in Abhängigkeit von dem zwischen der Zufuhr- und Rücklaufleitung
11 und 12 der überlaufdüse 9 auftretenden Druckabfall.
-
Die Brennstoffregelanlage enthält ein überlaufventil 16 und einen
Drehzahlregler 1.7, wobei das L;berlaufventil aus einem Gehäuse 18 besteht, das
eine Kammer 19 einschließt, welche durch ein Rohr 21. eine Rückverbindung mit dem
Eimaß 15 der Pumpe 14 aufweist. Der Ventilkörper 13 des Ober-Laufventils 16 steuert
gemäß seiner Stellung den Durchfluß vom Raum 22 in die Kammer 19, wobei der Raum
22 mit der von den Düsen kommenden überlauf leitung 12 verbunden ist. Der Ventilkörper
13 wird mittels eines Hilfskolbens 23 verstellt, welcher in einem Hilfszylinder
24 gleitend angeordnet ist. Brennstoff unter Pumpendruck wird durch das Rohr
25 auf eine Seite des Zylinders 24 geführt; von der Leitung 25 besteht eine Verbindung
über die Einschnürung 26 mit der gegenüberliegenden Seite des Zylinders 24. Von
dieser gegenüberliegenden Seite des Zylinders 24 erstrecken sich zwei Rohrleitungen
27 und 28, wobei der Gesamtdurchfluß in diesen Rohren den Druckabfall infolge
des Durchflusses durch die Einschnürung 26 und somit die Drücke auf den gegenüberliegenden
Seiten des Kolbens 23 bestimmt. Das Rohr 27 erstreckt sich in die Kammer 19 zu einem
Halbkugelventil 29, welches von einem schwenkbar in der Kammer 19 angeordneten Hebel
31 gehalten wird. Der Hebel 31 wird so geschwenkt, daß er die Öffnung
des überlaufventils während der Beschleunigung des Triebwerkes begrenzt, um den
Zutritt einer übermäßigen Brennstoffmenge zum Triebwerk -zu verhindern, die ein
Pumpen des Kompressors verursachen würde. Dazu wird auf den Hebel 31 eine
Kraft im Sinne einer Ventilschließung ausgeübt, und zwar durch zwei Bälge 32 und
33, von denen der Balg 32 in Verbindung mit dem Enddruck des Kompressors 4 steht
und der Balg 33 entleert ist. Der auf die Bälge übertragenen Kraft wird durch die
Zusammenpressung einer Feder 35, welche zwischen dem Hebel 41 und einer Verlängerung
des Ventilkörpers 13 des überlaufventils 16 wirksam ist, entgegengewirkt. Bei jeder
Bewegung des Ventilkörpers 13, welche ein übermäßiges Einspritzen von Brennstoff
in das Triebwerk verursachen könnte, bewirkt die Zusammenpressung der Feder 35,
daß das Halbkugelventil 29 geöffnet wird, so daß der Druck unter dem Kolben 23 absinkt
und der Ventilkörper 13 in Öffnungsrichtung gedrückt wird, wodurch eine Verminderung
der den Düsen zugeführten Brennstoffmenge herbeigeführt wird. Um sicherzustellen,
daß stets ein ausreichender Druck in dem Auslaß der Pumpe 14 vorhanden ist, um den
Kolben 23 zu betätigen, ist in dem Ausgang der Pumpe 14 ein Druckventil 36
vorgesehen, welches einen auf den Kolben 23 wirkenden Mindestdruck sicherstellt.
-
Der Drehzahlregler 17 besteht aus einem eine Kammer 37 einschließenden
Gehäuse, in der ein schwenkbar gelagerter Hauptsteuerhebel 38 angeordnet ist, der
mittels eines Halbkugelventils 39 einen Durchfluß von der Rohrleitung
28 her steuert. Auf den Hebel 38 wirken in Ventilöffnungsrichtung zwei Druckpolster
41 und 42 ein, welche jeweils durch Rohre 43 und
44 mit der Rücklaufleitung 12 und der Zufuhrleitung 11 der überlaufdüsen
9 verbunden sind. Das Rohr 43 weist eine Drosselvorrichtung 45
auf,
deren Zweck später erläutert wird. Der durch die Druckpolster 41 und 42 ausgeübten
Kraft wirkt die Spannung einer Feder 46 entgegen, wobei die Spannung der Feder durch
einen von einem äußeren Hebel 48 betätigten Nocken 47 eingestellt wird. Durch Verstellung
der Spannung der Feder 46 wird das Triebwerk so lange beschleunigt oder verlangsamt,
bis die Federspannung durch die von den Druckpolstern 41 und 42 aufgebrachte,
der Drehzahl des Hochdruckrotors proportionale Kraft ausgeglichen ist. Infolge der
zur Aufrechterhaltung einer gewünschten
Drehzahl bei großen Flughöhen
erforderlichen Verminderung besteht normalerweise die Neigung, daß sich die Drehzahl,
die einer bestimmten Einstellung des Hebels 48 entspricht, ändert. Um diese Schwankungen
auszugleichen, sind zwei entsprechend entleerte, dem atmosphärischen Druck ausgesetzte
Bälge 49 und 51 vorgesehen, welche auf den Hebel 38 einwirken. Innerhalb einer anderen
Kammer 52 des Drehzahlreglers 17 ist ein Flieggewichtsregler 53 vorgesehen,
welcher in mechanischer Antriebsverbindung mit dem Niederdruckrotor 1, 2, 3 steht.
Die durch den Regler 53 infolge des Umlaufs erzeugte Kraft wird durch die Stange
54 auf den schwenkbar gelagerten Hebe155 übertragen, wobei dieser Kraft die Spannung
einer Feder 56 entgegenwirkt. Die Spannung dieser Feder wird mittels eines Nockens
57 eingestellt, welcher von einem außerhalb der Einheit angeordneten Hebel58 betätigt
wird. Der Hebe155 betätigt ein Halbkugelventil 59, durch welches Flüssigkeit aus
dem mit dem Druckpolster 41 verbundenen Rohr 43 abgeführt wird. Wenn der Niederdruckrotor
seine Drehzahl übermäßig erhöht, wird der Hebel 55 gehoben, um das Halbkugelventil
59 zu öffnen und einen Durchfluß durch das Rohr 43 zu gestatten. Dieser Durchfluß,
welcher durch die Einschnürung 45 hindurchführt, vermindert den auf das Druckpolster
41 ausgeübten Druck und verursacht somit eine öffnung des Halbkugelventils 39, um
den Druck unter Kolben 23 zu senken und die COffnung des überlaufventils 13 zu vergrößern
und dadurch die dem Triebwerk zugeführte Brennstoffmenge zu vermindern. Bei diesem
Betrieb führt der Drehzahlregler 53 ein sogenanntes »Angleichen« des Betriebes des
Hochdruckrotorreglers durch.
-
Die beiden Hebel 48 und 58 sind durch eine Stange 61 gelenkig miteinander
verbunden, so daß sie gleichzeitig mittels eines von Hand zu betätigenden Steuerhebels
62 verschwenkt werden können, der mit dem der Stange 61 verbunden ist. Der Steuerhebel
62 ist so beweglich, daß er auf eine beliebige Drehzahl zwischen der Leerlauf- und
der Höchstdrehzahl eingestellt werden kann. Um die Form der Nocken 47 und 57 zu
erläutern, wird jetzt auf die in den F i g. 2 und 3 gezeigten graphischen Darstellungen
Bezug genommen. Bei einem Doppelwellentriebwerk der dargestellten Art laufen die
beiden Rotoren mit verschiedener Drehzahl um, und es tritt infolge der Betriebsbedingungen,
wie beispielsweise der Umgebungstemperatur und des infolge der Vorwärtsgeschwindigkeit
im Einlaß des Triebwerkes reduzierten Staudruckes eine Veränderung in den Beziehungen
zwischen diesen Drehzahlen auf.
-
In der F i g. 2 ist die Niederdruckrotordrehzahl gegenüber der Hochdruckdrehzahl
aufgetragen, und die Kurven A und B zeigen die mögliche Veränderung
in den Beziehungen zwischen den beiden Rotordrehzahlen. Die Kurve A zeigt die Beziehung
zwischen den Rotordrehzahlen bei Langsamflug und tropischer Temperatur, während
die Kurve B das Verhältnis Schnellflug und niedriger Außentemperatur zeigt.
-
In der F i g. 3 sind die von den Nocken 47 und 57 bestimmten Drehzahleinstellungen
des Drehzahlreglers gegenüber der Winkelstellung des Handhebels 62 aufgetragen,
wobei die Stellung »0« dem Leerlauf und die Stellung »100%« der Höchstleistung entspricht.
Die Kurve C bezieht sich auf die Drehzahleinstellungen des Niederdruckrotors, während
die Kurve D sich auf Drehzahleinstellungen des Hochdruckrotors bezieht. Diese beiden
Kurven C und D können zu einer Kurve vereinigt werden, die in der F i g. 2 mit E
bezeichnet ist, vorausgesetzt, daß die Stellung des Handhebels auf dieser Kurve
angegeben ist. Die Stellung, bei welcher die Kurve E die Kurve B schneidet, stellt
den Punkt der Übernahme vom Hochdruckrotorregler auf den Niederdruckrotorregler
unter den Betriebsbedingungen der Kurve B dar, und es ist ersichtlich, daß dies
bei einer Stellung des Handhebels von etwas über 30% stattfindet. Bei den Betriebsbedingungen,
die in der Kurve A dargestellt sind, bildet der Schnittpunkt mit der Kurve E die
Übernahmestellung, und es ist hier ersichtlich, daß diese Übernahme etwa bei einer
Stellung des Handhebels von 701/o stattfindet. Wie bereits erwähnt, findet bei Rotordrehzahlen
oberhalb dieser übernahmestellung die Steuerung durch den Niederdruckrotorregler
statt, während sie unterhalb dieser Stellung durch den Hochdruckrotorregler durchgeführt
wird.
-
In der F i g. 4 ist eine unterschiedliche Brennstoffregelanlage gezeigt,
bei welcher die Regler unabhängig voneinander wirksam sind, wobei die Anordnung
im übrigen die gleiche wie die mit Bezug auf die F i g. 1, 2 und 3 beschriebene
ist. Das Halbkugelventil 39
gemäß der F i g. 1 ist mit dem Rohr 28 verbunden,
um den Kolben 23 zu betätigen, jedoch ist jetzt das durch den Drehzahlregler des
Niederdruckrotors gesteuerte Halbkugelventil 59 ebenfalls mit dem Rohr 28 verbunden,
um den Kolben 23 unmittelbar zu betätigen.
-
Bei diesen beiden Beispielen war die Verbindung der beiden Drehzahlregler
derart, daß der Drehzahlregler des Hochdruckrotors in dem niedrigen Drehzahlbereich
die Regelung übernimmt, wobei bei der mittleren Drehzahl ein Wechsel stattfindet,
so daß der Drehzahlregler des Niederdruckrotors die Regelung bei höheren Drehzahlen
ausführt. Es liegt jedoch innerhalb des Bereiches der Erfindung, Anordnungen so
zu treffen, daß ein Drehzahlregler, beispielsweise für den Hochdruckrotor zur Regelung
des gesamten Drehzahlbereiches herangezogen wird, wobei dann der Drehzahlregler
des Niederdruckrotors jeweils so eingestellt wird, daß seine Reglung auf eine etwas
höhere Drehzahl als der Drehzahlregler des Hochdruckrotors eingestellt ist. Diese
Anordnung stellt sicher, daß beim Eintreten irgendwelcher unerwarteter Umstände
mit Bezug auf den Drehzahlregler des Hochdruckrotors, welche einen übermäßigen Anstieg
seiner Drehzahl veranlassen würde, der Drehzahlregler des Niederdruckrotors bei
einer sehr geringfügig höheren Drehzahl wirksam wird. Diese und die vorstehend beschriebene
Anordnung der F i g. 1 und 4 ergibt im Falle eines Brechens der Niederdruckrotorwelle,
was bei einer einfachen Drehzahlregelung eine übermäßige Drehzahlsteigerung der
Turbine 2 zur Folge haben würde, eine sichere und bessere Regelung wie auch im Falle
eines Bruches in den Brennkammern 7, was den Niederdruckrotor ebenfalls veranlassen
würde, seine Drehzahl übermäßig zu steigern.
-
Der weitere Bereich dieser Erfindung ist nicht auf eine Anordnung
beschränkt, bei welcher die Drehzahleinstellungen der beiden Drehzahlregler von
einer einzigen Steuerung aus eingestellt werden. Es ist bei vielen Doppelwellentriebwerken
empfehlenswert, eine Möglichkeit vorzusehen, so daß für jeden Rotor eine getrennte
Drehzahlregelung ausgeübt werden kann.