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Vorrichtung zur gesteuerten Verzögerung eines Gasturbinen-Triebwerks
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur gesteuerten Verzögerung eines
einen Gaserzeugerteil und eine von diesem mechanisch getrennte Arbeitsturbine enthaltenden
Gasturbinen-Triebwerks und betrifft eine derartige Vorrichtung mit einem Brennstoffregelventil,
das durch eine aus zwei mittels Federkraft miteinander gekuppelten Teilen bestehende
Schwenkwelle betätigt wird, deren Antriebsteil unter dem Einfluß einer Betriebsgröße
des Triebwerks steht.
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Bei derartigen Triebwerken wird üblicherweise die Brennstoffmenge
bei der Verzögerung in Abhängigkeit von der Drehzahl der Kompressorantriebsturbine
und vom Kompressoreintrittsdruck geregelt. Gelegentlich erweist es sich als zweckmäßig
oder notwendig, die Temperatur am Lufteinlaß als weiteren Kennwert für die während
der Verzögerung erforderliche minimale Brennstoffmenge heranzuziehen. Dabei ist
die Brennstoffregelvorrichtung bei normalem Betrieb abhängig von der Einstellung
von Anschlagelementen, welche durch die verschiedenen Regelzweige in Abhängigkeit
von den Betriebskenngrößen verstellt werden, welche den Öffnungsgrad des in Öffnungsrichtung
federbelasteten Brennstoffregelventils begrenzen. Dabei besteht jedoch die Gefahr,
daß einige dieser Regelzweige den Verdichter zu stark verzögern, wenn keine Verzögerungsbegrenzung
vorgesehen ist. Es werden daher bereits Vorrichtungen verwendet, um die Wirkung
dieser Regelzweige zu übersteuern. Derartige bekannte Übersteuervorrichtungen sind
jedoch sehr komplizierte Mechanismen mit einer Anzahl von Nockenscheiben zur Regelung
der Verzögerung.
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Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, eine Anordnung
zu schaffen, die auf eine sehr einfache Weise durch nur eine übersteuerungsverbindung
die Verzögerung entsprechend regelt. Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht,
daß eine begrenzte Drehung der Verstellwelle unabhängig von ihrem Antriebsteil möglich
ist, daß -die Feder zur Kupplung der beiden Wellenteile in Schließrichtung des Brennstoffventils
wirkt, und daß zur Begrenzung der Schließbetätigung dieses Ventils am Verstellteil
der Welle in radialem Abstand von deren Drehachse ein einstellbarer Anschlag für
einen Hebel angeordnet ist, der die Drehung des Verstellteils in Ventilschließrichtung
begrenzt und dessen Stellung mittels eines unter dem Einfluß der Drehzahl des Gaserzeugerteils
stehenden Steuerglieds veränderbar ist.
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Derartige »Schleppverbindungen« sind an sich bekannt. So ist eine
Anordnung bekannt, bei der Brennstoffregelventil von einer Schwenkwelle verstellt
wird, die mit einer getrennten Schwenkwelle über einen Nocken und eine Torsionsfeder
federnd verbunden ist. Die Schleppverbindung dient jedoch bei dieser bekannten Anordnung
lediglich dazu, die Anlage des Nockenfolgeglieds an der Leitkurve der Nocke sicherzustellen.
Durch diese bekannte Nockenanordnung erfolgt auch nicht eine direkte Verstellung
des Regelorgans in Abhängigkeit von einer Betriebsgröße, sondern sie löst lediglich
eine Axialverstellung des Drosselnockenstücks aus, um eine Anpassung des Einflußgrads
der Handverstellung an die entsprechende Betriebsgröße zu erreichen. Diese bekannte
Anordnung dient also auch zur Lösung einer anderen Aufgabe als gemäß der Erfindung.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird vorzugsweise eine exzentrisch
ausgebildete einstellbare Buchse zur Lagerung des Hebels verwendet. Ferner kann
ein Anschlag für den Hebel zur Begrenzung der Höchstdrehzahl des Gaserzeugerteiles
vorgesehen sein. Dabei ist vorzugsweise ein die Stellung des Anschlags für den Hebel
in Abhängigkeit von der Brennstofftemperatur änderndes Glied angeordnet.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen an Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk mit einer schematisch angedeuteten
Brennstoffsteuerung; die
F i g. 2 und 2 A zeigen perspektivische
Darstellungen der Brennstoffsteuerung gemäß der Erfindung; F i g. 3 zeigt die Draufsicht
eines Teils der Vorrichtung gemäß F i g. 2; F i g. 3 A zeit eine abgeänderte Form
des Anschlags zur Begrenzung der Bewegung des Verzögerungsbegrenzungshebels und
zur Bildung eines Ausgleichs für die Brennstofftemperatur; F i g. 3 B zeigt die
exzentrische Lagerung für den Verzögerungsbegrenzungshebel; F i g. 4 zeigt einen
Schnitt nach der Linie 4-4 in F i g. 3. Das in F i g. 1 dargestellte Gasturbinentriebwerk
2 enthält eine Turbine 3, welche den Luftkompressor 4 antreibt, um
komprimierte Luft für eine ringförmige Brennkammer 5 zu erhalten, welcher der Brennstoff
aus den Düsen 6 vom Brennstoffeinlaß 70 zugeführt wird. Die aus der
Verbrennung entstehenden heißen Gase dienen dazu, die Arbeitsturbine 7 sowie
die Kompressorantriebsturbine 3 anzutreiben. Die von der letzteren mechanisch getrennte
Arbeitsturbine 7 dient zum Antrieb des Propellers 13 über das Untersetzungsgetriebe
15 und über eine entsprechende Antriebswelle. Die Brennstoffregelvorrichtung ist
bei 11 schematisch angedeutet.
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Gemäß F i g. 1 wirken verschiedene Betriebskenngrößen auf die Brennstoffregelvorrichtung
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ein, nämlich die Drehzahl der Kompressorantriebsturbine 3 bei
138, die Drehzahl der Arbeitsturbine 7
bei 176, die Lufteinlaßtemperatur
bei 152 und der Lufteinlaßdruck bei 162.
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Gemäß F i g. 2 dient das Brennstoffregelventil 54 zur Bemessung der
Menge des von der Brennstoffquelle 52 kommenden und zu dem Einlaß 68, 70 des Triebwerks
strömenden Brennstoffs durch die Längsbewegung der Ventilstange 110. Das
Ventil 54 ist durch eine Feder 125 in Richtung der Öffnungsstellung (nach
rechts, F i g. 2) beaufschlagt. Durch eine Bewegung der Ventilstange 110
nach rechts wird die Brennstoffmenge erhöht, während durch eine Bewegung in der
anderen Richtung entgegen der Wirkung der Feder die Brennstoffmenge verringert wird.
Die Ventilstange 1l0 wird durch eine Schwenkwelle 124 mit Hebeln 181, 128,
156 betätiat, die der Drehzahl der Arbeitsturbine und der Drehzahl der Kompressorantriebsturbine
zugeordnet sind. Die Federn 125 und 126 wollen die Schwenkwelle
124 im Uhrzeigersinn drehen und das Ventil 54
öffnen. Dieser Drehung
der Schwenkwelle 124 wirken die Hebel 181, 128 und 156 entgegen.
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Die Veränderungen des Lufteinlaßdrucks werden auf die Schwenkwelle
mittels des Arms 160 übertragen, der durch eine druckempfindliche Einrichtung
162a bewegt wird. die über eine Servoeinrichtung 164 die Rolle
158 zwischen den parallelen Hebeln 112, 122 einstellt. Zur Einstellung
der maximalen und der minimalen Brennstoffmenge sind Anschläge 123 und 121
vorgesehen.. Ebenso werden Änderungen der Drehzahl der Arbeitsturbine auf die Schwenkwelle
durch den Hebel 181 über die Servoeinrichtung 179, 180, 184 übertragen,
welche durch den von der Arbeitsturbine abhängigen Regler 176
betätigt wird.
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In Abhängigkeit von der Drehzahl der Kompressorantriebsturbine wird
der Regler 138 betätigt, welcher über die Servoeinrichtung 140, 143
und über die Verbindungseinrichtung 141 eine Stange 134 antreibt.
Die Stange 134 bewegt sich bei Erhöhung der Drehzahl der Kompressorantriebsturbine
3, 4
nach rechts (s. Pfeil) und bei Verringerung der Drehzahl nach links.
Diese Längsbewegung wirkt auf den Hebel 146, der wiederum die Servoeinrichtung 132
betätigt, um über die Stange 130 den Hebel 128 und somit die Schwenkwelle
124 und das Ventil 54 in Abhängigkeit von der Drehzahl der Kompressorantriebsturbine
einzustellen.
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Veränderungen der L ufteinlaßtemperatur werden durch den Nocken
148 berücksichtigt, der auf der Stange 134 drehbar gelagert ist. Die Nockenflächen
148a und 155 berücksichtigen die Temperatur bei Veränderungen der Drehlage des Nockens
in Abhängigkeit von einem Temperaturglied (F i g. 2 A) mit dem Fühler
152, mit der Druckdose 150 und der Verbindungseinrichtung
154 a, 154 c. Wenn eine Verzögerung durch eine Steuerung
erfolgen soll, welche die Schwenkwelle 124 entgegen dem Uhrzeigersinn drehen
will, z. B. durch eine Einstellung der Stangen 130 oder 180, entsteht
dadurch ein Drehmoment auf dem Schwenkwellenteil 124 b entgegen dem Uhrzeigersinn.
Der Schwenkwellenteil 124 b, welcher von dem Schwenkwellenteil
124 a
durch eine Feder 170 a getrennt ist, kann eine Drehbewegung nicht
ausführen, da ein Verzögerungsbegrenzungshebe1166, der in Berührung mit dem Vorsprung
168 auf dem Nocken 148 steht, diese Bewegung verhindert. Dadurch wird
die übersteuerung, die durch die Feder 170a zwischen den beiden Teilen
124 a und 124 b der Schwenkwelle möglich ist, hervorgerufen.
Infolgedessen wird das Schließen des Ventils 54 durch eine außergewÖhnliche
Drehung des Schwenkwellenteils 124 b entgegen dem Uhrzeigersinn nicht ein
schnelleres Schließen des Ventils 54 bewirken als dies durch eine Verringerung
der Drehzahl der Kompressorantriebsturbine möglich ist, da sich der auf der Stange
134
gelagerte Nocken 148 in Abhängigkeit von dieser Drehzahl bewegt.
Diese Verringerung wird durch die anfängliche Schließbewegung des Schwenkwellenteiles
124 a erreicht, welche auf Grund des Abstandes des Anschlags 519 (F
i g. 2, 3) von dem Hebel 166 möglich ist. Infolgedessen wird die Verzögerung
in einem Ausmaß eingestellt, das für die Verlangsamung der Kompressorantriebsturbine
zulässig ist. Der Anschlag 516 (F i g. 3) ist gleichfalls dafür vorgesehen,
um die minimale Brennstoffmenge einzustellen. die durch eine maximale Bewegung des
Hebels 166 zulässig ist. Die Wirkung der Veränderungen des Einlaßluftdrucks
wird der Verzögerungssteuerung durch die Verbindungseinrichtung 160,
158,
122, 112 als Steuerkonstante eingeprägt.
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Die Vorrichtung zur Erreichung der Verzögerungsbegrenzung gemäß der
Erfindung ist gegenüber den bekannten Vorrichtungen erheblich vereinfacht. Erreicht
wird dies durch die Aufteilung der Schwenkwelle 124 in zwei Teile, nämlich
in den Teil 124 b zum Empfangen der Impulse für die Verringerung der Kraft
und in den zweiten Teil 124 a, der unmittelbar zur Betätigung
des Brennstoffregelventils 54 mit der federnden übersteuerungsverbindung
170 a zwischen den beiden Teilen 124 a und
124 b
verbunden ist. Der Verzögerungsbegrenzungshebel 166, welcher
der Drehzahl der Kompressorantriebsturbine folgt, ist durch den Anschlag
519 mit dem Teil 124 a so verbunden, daß seine Ventilschließbewegung
durch Steuerung durch die Drehzahl der Kompressorantriebsturbine begrenzt wird.
Der Hebe
1166 verhindert, daß das Brennstoffregelventil zu schnell
geschlossen wird, auch wenn ein solches Schließen durch die den Schwenkwellenteil
124 b beeinflussenden Steuerungen an sich veranlaßt würde. Der erste Schwenkwellenteil
124 a, welcher durch Veränderungen des Einlaßdrucks beeinflußt wird, betätigt
das Ventil 54, während der Schwenkwellenteil 124 b durch andere Steuerfunktionen
betätigt wird. Die federnde Verbindung zwischen den beiden Teilen 124
a, 124 b sorgt bei normalem. konstantem Betrieb und bei normaler
Beschleunigung für eine gleichmäßige Drehung zwischen den beiden Schwenkwellenteilen.
Die Unterteilung in die Wellenteile 124 a und 124 b und die dazwischen
vorgesehene, federnde Verbindung machen es möglich, auf den ersten Wellenteil
124 a eine unabhängige Begrenzungskraft auszuüben, damit die Auswirkung der
Drehung des zweiten Abschnitts 124 b, welche durch die Drehzahl der Kompressorantriebsturbine
im Verzögerungsfall bestimmt wird, begrenzt wird. Auf diese Weise wird sichergestellt,
daß das Triebwerk nicht zu rasch verzögert wird.
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Der Vorsprung 168, auf welchen der Verzögerungsbegrenzungshebe1166
einwirkt, kann mit einer Nockenfläche 168 a (F i g. 3) versehen sein, welche eine
Änderung der Einlaßtemperatur zuläßt, die auf das System durch die Drehung des Nockens
148 ausgeübt wird. Die Temperaturvorspannung erfolgt durch die bogenförmige Einstellung
des Nockens 148 mit Hilfe der in der F i g. 2 A gezeigten Einrichtung.
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In F i g. 3 sind Einstellmittel gezeigt, welche das Steuersystem an
Änderungen in den Anforderungen an einzelne Triebwerke ohne größere Abänderungen
in der Vorrichtung anpassen. Diese Einstellungen werden durch einen Exzenter an
dem schwenkbar gelagerten Ende eines exzentrischen Lagers 166 b
ermöglicht.
Zum Beispiel kann das Hebelverhältnis des Verzögerungsbegrenzungshebels 166 durch
die Einstellung des exzentrischen Lagers 166 b an dem Hebel 166 geändert
werden (F i g. 3 B). Außerdem wird eine Einstellung durch den Anschlag
516 vorgenommen, durch den eine untere Grenze gesetzt werden kann. welche
lediglich durch den Druckverstärker 164 bei Verzögerung der Brennstoffströmung beeinflußt
wird. Eine Abänderung des Anschlags 516 a ist in der F i g. 3 A gezeigt,
in der eine temperaturempfindliche Einrichtung 516 b auf dem Ende des Anschlags
516 a vorgesehen ist, um eine höhere, minimal zulässige Brennstoffmenge für
die Verzögerung der Kompressorantriebsturbine dann zu erhalten, wenn der Brennstoff
kalt ist, was bei niedrigen Triebwerksgeschwindigkeiten wichtig sein kann. Die Einrichtung
516b ist in diesen Fällen so angeordnet, daß sie auf die Temperatur des Brennstoffes
anspricht, welcher dem Triebwerk zugeführt wird, d. h. die wirksame Lage des Anschlags
516 a wird mit der Brennstofftemperatur geändert. Eine Einstellschraube 170b dient
als Verbindung zwischen den Schwenkwellenteilen 124 a und 124 b für
die Drehrichtung der Schwenkwelle, durch welche die Brennstoffmenge erhöht wird.
Es ergibt sich somit eine Einstellung zwischen den beiden Teilen der Schwenkwelle,
um das relative Betriebsverhalten der Steuereinrichtungen, welche die beiden Wellenteile
beeinflussen, zu ändern. Eine solche Einstellung macht es möglich, die Bewegung
des Nockens 148 im Verhältnis zu der Einrichtung einzustellen, die sich mit
dem Druck ändert, da sich die Vorrichtungen auf den gegenüberlegenden Seiten der
Übersteuerungsfeder 170 a und der Einstellschraube 170 b
befinden.
Durch die verschiedenen Einstellungen können verschiedene Abänderungen in dem Steuersystem
ohne Umbau seiner Teile erhalten werden.
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Obgleich der Druck und die Temperatur der Einlaßluft des Kompressors
oder der Kompressorantriebsturbine bei der beschriebenen Ausführungsform dazu benutzt
werden, um einen Ausgleich herbeizuführen, ist es auch möglich, daß dieser Druck
und diese Temperatur durch einen anderen charakteristischen Druck oder eine Temperatur
im Triebwerk, z. B. durch den Druck und die Temperatur in der Brennkammer oder in
dem Zwischenstufenkompressor oder in der Zwischenstufenturbine ersetzt werden.