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Brennstoffregeleinrichtung für Gasturbinenanlagen Die Erfindung betrifft
eine Brennstoffregeleinrichtung für Gasturbinenanlagen, mit einem in der Hauptleitung
zwischen einer von der Turbine mit proportionaler Drehzahl angetriebenen Brennstoffpumpe
der Verdrängerbauartund den Br ennerdüsen angeordneten, mit einem Wählhebel versehenen
Drehzahlregelventil und einem. die Pumpe überbrückenden, vom Druckanstieg im Verdichter
gesteuerten Bypassventil.
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Bei Gasturbinenanlagen, die in der üblichen Weise mit einem von einem
Drehzahlsignal gesteuerten Brennstoffregelventil versehen sind, müssen besondere
Vorkehrungen getroffen werden, um bei Beschleunigungen, wenn das Drehzahlregelventil
infolge des großen Unterschieds zwischen Soll- und Ist-Drehzahl weit geöffnet ist,
eine übermäßige Brennstoffzufuhr zu verhindern, weil dadurch Betriebsstörungen,
beispielsweise Pumpen des Verdichters, hervorgerufen werden können.
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Bei den bekannten Brennstoffregeleinrichtungen der eingangs angegebenen
Art sorgt bei voll geöffnetem Drehzahlregelventil das vom Druckanstieg im Verdichter
gesteuerte Bypassventil dafür, daß die zuführbare Brennstoffmenge bestimmte, vom
Druckanstieg im Verdichter abhängige Grenzwerte nicht überschreiten kann. Diese
bekannten Einrichtungen wie auch andere bekannte, beispielsweise mit in Abhängigkeit
von der Verdichterleistung verstellten Anschlägen arbeitende Einrichtungen zur Begrenzung
der Beschleunigungs-Brennstoffzufuhr haben den grundsätzlichen Nachteil, daß sie
keine echte Regelung der Brennstoffzufuhr bei Beschleunigung ermöglichen; sie verstellen
lediglich nach einem festen Zusammenhang das Bypassventil in Abhängigkeit vom Druckanstieg
im Verdichter und wirken somit lediglich als Begrenzer, die auf den jeweils vorliegenden
tatsächlichen Brennstoffdurchftuß nicht ansprechen. Wegen dieser starren Arbeitsweise
ist es bei derartigen Brennstoffregeleinrichtungen erforderlich, zwischen der durch
die Begrenzung festgelegten tatsächlichen Beschleunigungs-Brennstoffzufuhr und der
auf Grund des Betriebsverhaltens der Gasturbine an sich möglichen Beschleunigung-Brennstoffzufuhr
einen verhältnismäßig großen Sicherheitsabstand einzuhalten und somit die erzielbare
Beschleunigung verhältnismäßig stark zu beschränken.
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Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, eine Brennstoffregeleinrichtung
zu schaffen, die bei möglichst einfachem Aufbau eine wirkliche Regelung der Brennstoffzufuhr
auch bei Beschleunigungsvorgängen ergibt und dadurch nicht nur allgemein die Betriebssicherheit
erhöht, sondern auch eine Verkleinerung des genannten Sicherheitsabstands ermöglicht.
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Nach der Erfindung wird diese Aufgabe mit einer Brennstoffregeleinrichtung
der eingangs angegebenen Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß das Bypassventil
eine zur auf den Druckanstieg im Verdichter ansprechenden Stelleinrichtung entgegengesetzt
wirkende, auf den Brennstoffdruck vor dem Brennstoffregelventil ansprechende zweite
Steheinrichtung aufweist.
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Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffregeleinrichtung wird die Tatsache
ausgenutzt, daß der Druck in der Brennkammer im wesentlichen gleich dem Verdichterausgangsdruck
ist, so daß die zwischen der Eingangsseite des Drehzahlregelventils und der Brennkammer
liegende Druckdifferenz zusammen mit den dort vorliegenden Strömungswiderständen
den Brennstoffzufluß zur Brennkammer bestimmt. Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffregeleinrichtung
wird der Brennstoffdruck vor dem Brennstoffregelventil als weiteres, dem Verdichter-Druckanstieg
entgegenwirkendes Steuersignal für das Bypassventil verwendet, so daß letztlich
das Bypassventil gerade vom genannten Druckabfall zwischen der Eingangsseite des
Brennstoffregelventils und der Brennkammer gesteuert wird. Das bedeutet aber, daß
das Bypassventil zwar nach wie vor vom Verdichter-Druckanstieg abhängig bleibt,
jedoch in einer solchen Weise, daß das Gesamt-Steuersignal des Bypassventils einen
unmittelbaren Zusammenhang mit dem tatsächlichen Brennstoffzustrom zu den Brennerdüsen
hat. Dies gilt ganz besonders für Beschleunigungszustände, bei denen das
Brennstoffregelventil
weit geöffnet ist und nur einen vernachlässigbaren kleinen Strömungswiderstand aufweist,
so daß der als Steuergröße für das Bypassventil verwendete Brennstoffdruck vor dem
Brennstoffregelventil etwa gleich dem Brennstoffdruck vor den Brennerdüsen ist.
Da bei Beschleunigung der Strömungswiderstand in der Brennstoffhauptleitung praktisch
konstant, nämlich im wesentlichen nur vom Strömungswiderstand der Brennerdüsen bestimmt
ist, erhält das Bypassventil als Stellgröße ein Signal, das direkt ein Maß für die
Brennstoffzufuhr ist, so daß sich eine echte Regelung der Beschleunigung-Brennstoffzufuhr
mit Hilfe des Bypassventils ergibt. Diese vorteilhaften Wirkungen werden bei der
erfindungsgemäßen Brennstoffregeleinrichtung mit ersichtlich sehr einfachen Maßnahmen
erzielt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen
näher beschrieben, die in der Zeichnung dargestellt sind.
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F i g. 1 ist ein Schnitt durch eine erfindungsgemäße Brennstoffregeleinrichtung;
F i g. 2 zeigt eine abgewandelte Form der Einrichtung; F i g. 3 zeigt eine zweite
abgewandelte Form der Einrichtung; F i g. 4 zeigt eine dritte abgewandelte Form
der Einrichtung.
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Die F i g. 1 zeigt ein Gasturbinentriebwerk 20 mit Verdichter 22,
Lufteinlaß 24, Brennkammern 26, Turbine 28 und Welle 30. Die aus der Turbine abströmenden
Gase können durch eine Leitung 32 zur Atmosphäre hin expandiert werden, wobei die
nicht verbrauchte Energie in Form eines Strahlschubs gewonnen oder als Wärmequelle
in einer Dampferzeugungsanlage od. dgl. verwendet wird; in diesem Fall würde die
Auslaßleitung 32 entsprechend abgewandelt werden. Eine weitere Möglichkeit besteht
darin, die Energie der Turbinenabgase in einer oder mehreren (nicht dargestellten)
Arbeitsturbinen auszunutzen.
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Die Brennstoffregeleinrichtung34 hat ein Gehäuse 36
mit einer
Einlaßöffnung 38, die aus einer nicht gezeigten Quelle mit Brennstoff versorgt wird.
Ferner hat das Gehäuse eine Auslaßöffnung 40, aus der der Brennstoff über
eine Leitung 42 zu den Brennerdüsen 44
in die Brennkammern 26 abgegeben
wird. Diese Düsen 44 sind schematisch als Einschnürungen dargestellt.
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Die Brennstoffeinlaßöffnung 38 ist über eine Leitung 46 mit
dem Einlaß einer von dem Triebwerk angetriebenen Brennstoffpumpe 48 der Verdrängerbauart
verbunden. Vom Ausgang der Brennstoffpumpe 48 zu den Brennerdüsen 44 verläuft
die Brennstoffhauptleitung, die aus einem Kanal 50, einer Kammer 52, einem Drehzahlregelventi154,
einem Kanal 56 und der Leitung 42 besteht und ein Rückschlagventil 60 aufweist.
Eine Öffnung 62 verbindet den Kanal 50 mit einer Bypassleitung 64, die zum Einlaß
der Brennstoffpumpe 46 führt und ein federbelastetes Rückschlagventil 66 enthält.
Ein in dem Kanal 50 vor der Bypassleitung 64 angeordnetes Filter 68 dient zur Filterung
des durch die Brennstoffpumpe 48 geförderten Brennstoffs. Die Brennstoffpumpe
48 wird vom Verdichter 22
über eine aus Welle und Getriebe bestehende
Anordnung 70 angetrieben. Die Pumpe fördert Brennstoff in einer Menge, die eine
Funktion der Verdichterdrehzahl ist. Ein Brennstoffdruckregler 72 bewirkt die Steuerung
der wirksamen Durchflußfläche der Bypassöffnung 62 und somit des Drucks an der Öffnung
54 des Drehzahlregelventils, dem Rückschlagventil 60 und den Brennerdüsen
44 des Triebwerks. Der Regler 72 enthält zwei Steheinrichtungen in Form von
auf Abstand gehaltenen Membranen 74 und 76 verschiedener Flächengröße, die an ihrer
Mitte fest mit den beiden Enden einer Stange 78 verbunden sind. Der äußere Rand
der Membran 74 ist zwischen dem Gehäuse 26 und einem ringförmigen Abstandkörper
80 eingeklemmt. Der äußere Rand der Membran 76 ist zwischen dem Abstandskörper 80
und einer Kappe 82 eingeklemmt. Die Membranen 74 und 76, der Abstandskörper 80 und
die Kappe 82 bilden zusammen zwei Kammern 84
und 86, die über eine
Öffnung 88 im Abstandskörper 80 mit dem atmosphärischen Druck oder Umgebungsdruck
P" und über eine Öffnung 90 in der Kappe 82 bzw. einen Kanal 92 mit dem Verdichterausgangsdruck
P, beaufschlagt werden. Ein auf dem Ende der Stange 78 gebildeter Ventilkörper 94
bildet zusammen mit der Bypassöffnung 62 ein Bypassventil, mit dem der Brennstoffdruck
P, in der Leitung 50 und der Kammer 52 verändert werden kann. Der Ventilkörper 94
wird durch die Kraft einer zwischen der Membran 76 und der Kappe 82 angeordneten
Feder 96 in Richtung auf die Bypassöffnung 62 gedrückt. Der Kraft der Feder wirkt
die Differenz der Kräfte entgegen, die durch den an der Wirkfläche der Membran 74
herrschenden Druckunterschied P,-P" bzw. den an der Wirkfläche der größeren Membran
76 herrschenden Druckunterschied Pc-P" entstehen.
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Der Durchflußquerschnitt des Drehzahlregelventils 54 und somit
der Brennstoffzufluß zum Triebwerk ändert sich als Funktion der Verdichterzahl.
Zu diesem Zweck sind Fliehgewichte 98 als Regler drehbar auf einem Halter
100 angeordnet. Dieser Halter wird in Abhängigkeit von der Verdichterdrehzahl
durch eine mit der Antriebswelle fest verbundene Welle 102 gedreht. Die Reglerfliehgewichte
98 erzeugen eine Kraft, die sich als eine Funktion des Quadrats der Verdichterdrehzahl
ändert. Diese Kraft wird durch Arme 104 auf einen mit einem Flansch versehenen Abschnitt
106 eines ringförmigen Körpers 108 übertragen, der gleitend auf einem
an dem Halter 100 starr befestigten Schaft 110 aufgenommen wird. Der
ringförmige Körper 108 ist in Abhängigkeit von der Ausgangskraft der Reglerfliehgewichte
98 und der ihnen entgegenwirkenden Kraft einer Einstellfeder 112 für die Reglerdrehzahl,
die zwischen dem Abschnitt 106 und einem gleitend in dem Gehäuse 36 angeordneten
rohrförmigen Körper 114 eingesetzt ist, in Richtung auf die Öffnung 54 zu
und von ihr fort beweglich. Die wirksame Durchflußfläche der Öffnung 54 wird durch
die Oberseite des ringförmigen Körpers 108 gesteuert. Eine Mittelöffnung
116 leitet den Brennstoffdruck P2 im Kanal 56 zu einer Bohrung
118, die im ringförmigen Körper 108 gebildet ist, in welcher der Schaft
110
gleitet, und bewirkt dadurch am ringförmigen Körper 108 einen Druckausgleich.
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Ein Mindestbrennstoffdurchfluß zum Triebwerk wird durch eine Öffnung
120 parallel zur Öffnung 54
vorgesehen, so daß bei einer Verminderung
der Triebwerksdrehzahl, wenn die Öffnung 54 geschlossen ist, eine vorbestimmte
Brennstoffmenge die Öffnung 54 umgehen kann, um dadurch eine ununterbrochene Verbrennung
in den Kammern 26 aufrechtzuerhalten.
Eine mit einem federbelasteten
Überdruckventil 123 versehene Leitung 121 verbindet die Leitung 50 mit der Nebenleitung
64.
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Ein Absperrventil 58 ist über eine Stange 124 fest mit
dem einen Drehzahlwählhebel 122 verbunden und drehbar in einer Bohrung 126 angeordnet.
Die Öffnung 128 des Absperrventils 58 ist so geformt, daß sie bei
Bewegung des Drehzahlwählhebels von der abgeschalteten zur Leerlaufstellung fortlaufend
größer wird, so daß sich ein vorbestimmter Brennstoffdurchflußplan zum Anlassen
des Triebwerks ergibt. Zwischen den Stellungen des Drehzahlwählhebels für Leerlauf-und
Höchstdrehzahl bleibt der wirksame Querschnitt der Öffnung 128 konstant.
Ein am Ende des Ventilkörpers des Absperrventils 58 vorgesehener Nocken 130 wirkt
auf den rohrförmigen Körper 114. Wenn durch Drehung des Nockens 130 dieser
Körper 114 nach unten bewegt wird, erhöht sich die Spannung der Reglerfeder
112 gemäß der zunehmenden Drehzahleinstellung des Drehzahlwählhebels
122. Der Nocken 130 ist so geformt, daß zwischen der abgeschalteten
und der Leerlaufstellung des Drehzahlwählhebels 122
die Einstellung der Teile
112 und 114 konstant bleibt.
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Das Rückschlagventil 60 wird durch eine Feder 134 in Schließrichtung
gegen die Mündung 132 gedrückt. Der Brennstoffbedarf eines Gasturbinentriebwerks
schwankt gemäß Veränderungen im atmosphärischen Druck und der Temperatur; es ist
üblich, diese Schwankungen durch eine entsprechende Einstellung der Brennstoffzufuhr
auszugleichen. Zu diesem Zweck ist stromab der Leitung 42 ein nach Flughöhen
kalibriertes einstellbares Ventil 136 vorgesehen.
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Dieses von Hand betätigte Ventil 136 kann gegebenenfalls auch
durch eine selbsttätige, auf Druck und/ oder Temperatur ansprechende Vorrichtung
ersetzt werden, um eine selbsttätige Korrektur des Brennstoffdurchflusses zu bewirken.
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Bei Betrieb im Beharrungszustand mit einer Drehzahl entsprechend einer
frei wählbaren Einstellung des Drehzahlwählhebels nehmen die verschiedenen Elemente
die in der F i g. 1 gezeigten Stellungen ein. Der Durchfluß des Brennstoffs zu den
Brennkammern ist eine Funktion der Querschnitte des Drehzahlregelventils
54 und der Brennstoffdüse 44 gemäß der Einstellung der Reglerfeder
112 und der entgegenwirkenden gleichen Kraft, die durch die Fliehgewichte 98 erzeugt
wird, sowie der Druckdifferenz P,-P, die durch das Bypassventil 94 in Abhängigkeit
vom Druckanstieg P,-P" im Verdichter am Drehzahlregelventil 54 und an der Brennerdüse
44 eingestellt wird.
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Wenn dann der Drehzahlwählhebel122 in eine Stellung für maximale Drehzahl
gedreht wird, wird der Ventilkörper 58 entsprechend gedreht, so daß der Nocken
130 den rohrförmigen Körper 114 gegen die Reglerfeder 112 nach
unten drückt. Dadurch werden der ringförmige Körper 108 und die Fliehgewichte 98
so stark belastet, daß sich das Drehzahlregelventil 54
voll öffnet und die
Brennstoffzufuhr zu den Brennkammern 26 vorwiegend nur noch vom Durchflußquerschnitt
der Brennerdüsen 44 und von der an ihnen stehenden Brennstoffdruckdifferenz
P,-P, abs hängig ist. Da das Rückschlagventi160 und da-Ventil 136 den Brennstoffdurchfluß
nur geringfügig behindern, kann der Brennstoffdruck P, als etwa gleich dem Brennstoffdruck
P, angesehen werden, so daß der Druckabfall an den Brennerdüsen 44 etwa gleich
P,-P, ist. Da das Triebwerk seine Drehzahl in Abhängigkeit von der Zunahme des Brennstoff
durchflusses steigert, nehmen auch der Verdichterausgangsdruck P, und die Drehzahl
der Brennstoffpumpe 48 entsprechend zu. Der Brennstoffdruck P, wirkt auf
die Membran 74 und erzeugt dort eine Kraft, die das Bypassventil 94 von der
Mündung 62
wegdrückt. Entgegengesetzt dazu wirkt die Kraft, die vom Verdichterausgangsdruck
P, an der Membran 76 erzeugt wird. Der atmosphärische Druck Pa, der gleich dem Druck
am Einlaß des Verdichters 22 ist, wird der Kammer 80 zugeführt, die infolge
des Flächenunterschieds der Membranen 74 und 76 eine Kraft erzeugt, die der vom
Druck P, erzeugten Kraft entgegenwirkt. Die Feder 96 dient zur Vorspannung
der Membranen 74 und 76 und bei Nichtvorhandensein eines Druckunterschieds P,-P,
zur Belastung des Bypassventils 94 in Schließrichtung. Bei einer Beschleunigung
des Triebwerks und einer daraus folgenden Steigerung des Verdichterausgangsdrucks
P, wird der freie Querschnitt der Mündung 62 und damit der Durchfluß des
Brennstoffs durch die Bypassleitung 64
fortlaufend durch das Bypassventil94
so eingestellt, daß der Brennstoffdruck PI als Funktion des Verdichterdruckanstiegs
Pe-Pa geregelt wird. Da die Düsen 44 eine konstante Durchflußfläche haben, wird
der Brennstoffdurchfluß durch sie als Funktion des an ihnen stehenden Druckunterschieds
P,-P, verändert. Somit wird während einer Triebwerksbeschleunigung ein vorbestimmter
Brennstoffdurchfluß aufrechterhalten, der sich als Funktion des Verdichterdruckanstiegs
P,-P" ändert.
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Beim Erreichen der gewählten Drehzahl gleicht die Kraft der Fliehgewichte
98 die Kraft der Reglerfeder 112 aus, und der ringförmige Ventilkörper
108 des Drehzahlreglerventils stabilisiert sich. Der Brennstoffzufluß zur
Brennkammer 26 wird somit bei der gewünschten Drehzahl entsprechend der Einstellung
des Drehzahlregelventils 54, 108, dem Querschnitt der Brennerdüsen
44 und dem Druckunterschied PI-P, geregelt. Der Druckunterschied P,-Pe wird
bei der herrschenden gewählten Drehzahl durch den Druckregler 72 entsprechend dem
Verdichterdruckanstieg P,-P" verhältnismäßig konstant gehalten. Das Rückschlagventil
66 im Kanal 64 dient zur Einstellung einer unteren Grenze des Brennstoffdrucks
P, während der Triebwerksbeschleunigung bei in Öffnungsrichtung betätigtem Bypassventil94.
Eine obere Grenze wird dem Brennstoffdruck P, durch das Überdruckventil
123
gesetzt, welches sich bei einem vorbestimmten Brennstoffdruck öffnet und
Brennstoff von der Leitung 50
zur Bypassleitung 64 ableitet.
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Beim Anlassen des Triebwerks ist der Verdichterdruckanstieg P,-P"
etwa Null, und das Bypassventil 94 wird von der Feder 96 geschlossen
gehalten. Ferner ist das Drehzahlregelventil 54 infolge der durch die Reglerfeder
112 entsprechend der Anlaßstellung des Drehzahlwählhebels 122 erzeugten
Kraft voll geöffnet. Die Öffnung 128 im Ventilkörper 58 ist V-förmig,
so daß ihr wirksamer Querschnitt von einem Mindestwert bei in Abschaltlage befindlichen
Drehzahlwählhebel bis zu einem Maximalwert bei Leerlaufstellung des Drehzahlwählhebels
zunimmt. Diese Anordnung sichert ein allmähliches Zunehmen des Brennstoffdurchflusses
beim Vorschieben des Drosselhebels 122 von der Anlaßstelle zur Leerlaufstellung.
Die Öffnung 128 ist in der Abschaltstellung des Drosselhebels geschlossen,
um eine Brennstoffzufuhr zur Brennkammer 26 zu verhindert.
Während
einer Drehzahlabnahme des Triebwerks wird der Brennstoffdurchfluß durch die Öffnung
120
gesteuert, die eine Umgehung des dann geschlossenen Drehzahlregelventils
54, 108 darstellt und genügend Brennstoff durchläßt, um ein Erlöschen der
Flammen in der Brennkammer zu verhindern.
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Die F i g. 2 zeigt eine gegenüber F i g. 1 abgewandelte Ausführungsform
der Brennstoffregeleinrichtung mit hydraulischem Drehzahlregler. Die Teile der F
i g. 2, welche ähnlichen Teilen der F i g. 1 entsprechen, sind mit den entsprechenden
Bezugszeichen versehen.
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Die Brennstoffeinlaß- und -auslaßöffnungen stehen über die Leitung
46, eine vom Triebwerk angetriebene Brennstoffpumpe 48 der Verdrängerbauart,
die Leitung 50, ein Ventil 164, 162, eine Kammer 166, ein zweites
Ventil 178, 174, eine Leitung 170, ein Absperrventil in Form einer in dem Ventilkörper
164 des ersten Ventils gebildeten Öffnung 172 und ein federbeaufschlagtes Rückschlagventi160
miteinander in Verbindung. Der Brennstoffdruckregler 72, der wie bei der Ausführungsform
nach F i g. 1 ein von zwei Stelleinrichtungen 74 und 76 gesteuertes Bypassventi194
aufweist, steuert den Durchfluß des Brennstoffs durch die Bypassleitung 64 in der
in F i g. 1 dargestellten Weise.
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Die beiden in Reihe liegenden Ventile 162, 164 und 168, 174
bilden zusammen das Drehzahlregelventil. Der Ventilkörper 164 des ersten Ventils
ist in eine Bohrung 173 des Gehäuses 36 gleitend eingesetzt und als Funktion der
Stellung des Drehzahlwählhebels 122 drehbar. Die Ventilöffnung 172 bildet ein stromabwärts
vom Drehzahlregelventil liegendes, ebenfalls mit dem Drehzahlwählhebel gekoppeltes
Absperrventil, das bei der dargestellten Lage des Drehzahlwählhebels 122 geschlossen
ist, und ist so ausgebildet, daß es sich zwischen der Anlaß- und der Leerlaufstellung
des Drehzahlwählhebels allmählich öffnet. Zwischen der Leerlaufstellung und der
Einstellung des Drehzahlwählhebels 122 auf maximale Drehzahl ist das Absperrventil
172 voll geöffnet.
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Der wirksame Querschnitt der Öffnung 168 des zweiten Ventils wird
vom Druckabfall am ersten Ventil 162, 164 gesteuert. Zu diesem Zweck ist
der Ventilkörper 174 des zweiten Ventils an einer Federhaltevorrichtung 176 befestigt;
diese ist wiederum fest an einer zwischen der Federhaltevorrichtung 176 und einer
Zwischenlegscheibe 180 eingeklemmten Membran 178 befestigt. Der äußere Rand der
Membran 178 ist zwischen dem Gehäuse 36 und einer Kappe 182 eingespannt. Diese Kappe
182 ist am Gehäuse befestigt, beispielsweise mit einem Federring 184. Die
Membran 178 ist durch eine Feder 186, die zwischen dem Gehäuse 36 und der Federhaltevorrichtung
176 eingesetzt ist, entgegen dem Brennstoff-Druckunterschied zwischen der Brennkammer
166 und einer Kammer 188, die auf der gegenüberliegenden Seite der Membran 178 angeordnet
ist, belastet. Die Kammer 178 ist durch eine Leitung 190 mit der Leitung 50 vor
dem ersten Ventil 162, 164 verbunden. Eine Leitung 192 mit einem durch
eine Feder 196 belasteten Überdruckventil 94 verbindet die Leitung 50 mit der Kammer
166. Das Überdruckventil 194 schützt die Membran 178
bei einer Bewegung
des Ventils 164 in Richtung auf die geschlossene Stellung zu wie auch bei einer
Verminderung der Triebwerksdrehzahl vor einem übermäßigen Druckunterschied P,-P..
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Das erste Ventil 162,168 liegt stromauf vom Bypassventil94
und wird vom gesamten, der Verdichterdrehzahl proportionalen Förderung der Brennstoffpumpe
durchströmt. Bei einer gegebenen Größe der Öffnung 162 ändert sich somit der daran
auftretende Druckabfall Pl-P2 mit dem Quadrat der Verdichterdrehzahl; es ist daher
eine bestimmte Verdichterdrehzahl erforderlich, um an der gegebenen Durchflußfläche
der Öffnung 162 einen bestimmten Druckabfall zu erzeugen.
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Wenn die Durchflußfläche der Öffnung 162 verändert wird, ist
eine entsprechend veränderte Verdichterdrehzahl erforderlich, um einen bestimmten
Druckabfall zu erhalten. Dabei ist die Verdichterdrehzahl der Durchflußfläche der
Öffnung 162 direkt proportional. Die Öffnung 162 ist so geformt, daß ihre wirksame
Fläche sich bei Drehung des Ventilkörpers 164 allmählich ändert, so daß beim Vorschieben
des Drehzahlwählhebels 122 und entsprechendem Drehen des Ventilkörpers 164 ein entsprechend
veränderter Brennstoffzufluß zum Triebwerk erzielt wird.
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Parallel zur Ventilöffnung 168 ist eine Leerlauföffnung 198
vorgesehen. Ein durch eine Feder 202 belastetes Rückschlagventil 200 in der Bypassleitung
64 sorgt für die Regelung des Mindestdurchflusses für den der Beschleunigung dienenden
Brennstoff. Eine zwischen den Kanälen 46 und 50 angeschlossene Leitung
204 enthält ein durch eine Feder 208 belastetes Kugelventil 206. Dieses
öffnet sich bei einem vorbestimmten Maximalbrennstoffdruck P2 und begrenzt dadurch
die Zufuhr von Brennstoff bei Beschleunigungen auf einen vorbestimmten Maximalwert.
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Bei Betrieb im Beharrungszustand bei einer vorbestimmten Drehzahl
nehmen die verschiedenen Elemente der Brennstoffregeleinrichtung 34 die in der F
i g. 2 gezeigten Stellungen ein.
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Wenn dann zur Einleitung einer Beschleunigung der Drehzahlwählhebel122
und damit der Ventilkörper 164 in die Stellung für die Höchstdrehzahl verstellt
wird, laufen nacheinander die folgenden Vorgänge ab: Durch die Vergrößerung der
Öffnung 162 verringert sich der Brennstoffdruck P1 und damit auch die Druckdifferenz
P,-P2, an der Öffnung 162. Dies bringt die Membran 178 in Richtung auf eine Kammer
188 zu aus dem Gleichgewicht und bewegt den Ventilkörper 174 von der Öffnung 168
weg. Der dadurch entstehende erhöhte Brennstoffdurchfluß durch die Öffnung 168 zu
den Brennkammern 26 ruft die Beschleunigung des Triebwerkes hervor; dies ergibt
eine Erhöhung des Verdichterausgangsdruckes P, und der Drehzahl der Brennstoffpumpe
48. Da die gesamte Fördermenge der Pumpe 48 durch die Öffnung
162
strömt und die Öffnung 168 auf ihre größte Fläche eingestellt ist, muß
der Brennstoffdurchfluß in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Triebwerks begrenzt
sein, damit das Triebwerk während einer Beschleunigung nicht zu große Brennstoffmengen
erhält. Aus diesem Grund steuert während einer Beschleunigung des Triebwerks der
Brennstoffdruckregler 72 den Brennstoffdruck P2 als Funktion des Verdichterausgangsdrucks
P, Die Membran 76 der ersten Stelleinrichtung, die auf den Druckanstieg Pe-P" im
Verdichter anspricht, wird durch die zunehmende Verdichterleistung entgegen dem
auf die Membran 74 wirkenden Brennstoffdruck P2 betätigt, und der Ventilkörper 94
des Bypassventils wird demgemäß weiter geöffnet. Dadurch wird der Brennstoffdurchfluß
durch die Öffnung 168 des zweiten Ventils entsprechend vermindert. Es ist zu beachten,
daß die Brennerdüsen 44 der Öffnung 168 nachgeschaltet sind; so daß bei Einstellung
der
Öffnung 168 auf ihre maximale Durchflußfläche während einer Triebwerksbeschleunigung
der Durchflußquerschnitt der Brennerdüsen für die Brennstoffdosierung maßgebend
ist. Da sich der Brennstoff von den Brennerdüsen unter etwa dem Druck P, befindet
(das aus den Ventilen 162, 164 und 168, 174 bestehende Brennstoffregelventil
ist voll geöffnet), wird während der Beschleunigung der Druckabfall P,-P, an den
Brennerdüsen als Funktion des Druckanstiegs Pe-P. im Verdichter durch die Tätigkeit
des Druckreglers 72 gesteuert. Während der Beschleunigung wird durch das Rückschlagventil
200, welches bei nahezu voller Öffnung 62 dem Druck Ps eine untere Grenze setzt,
ein Brennstoffdurchfluß für eine Mindestbeschleunigung aufrechterhalten. Wenn sich
der Verdichter der gewählten Drehzahl nähert, nähert sich der Druckunterschied P,-P,
an der Öffnung 162 dem vorbestimmten Wert, woraufhin sich die Reglermembran 178
und das Ventil 174 auf die Öffnung 168 zu bewegen und dadurch eine entsprechende
Abnahme der Brennstoffzufuhr zum Triebwerk verursachen. Diese Tätigkeit entspricht
der Arbeitsweise der Fliehgewichte 98 bei derAusführungsform nach F i g.
1. Bei der gewählten Verdichterdrehzahl wird der vorbestimmte Druckunterschied P,-P2
erreicht, woraufhin sich die Reglermembran 178 stabilisiert und der Brennstoffdurchfluß
zum Triebwerk so geregelt wird, daß die gewählte Verdichterdrehzahl aufrechterhalten
wird. Der Druckregler 72 hält dann den Brennstoffdruckunterschied P.-Pe gemäß dem
auf ihn übertragenen Druckunterschied P,-Pa auf einem bestimmten Wert.
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Während einer Drehzahlabnahme des Triebwerks wird das zweite Ventil
174, 168 in Abhängigkeit vom Druckunterschied P,-P, an der Reglermembran
178
geschlossen. Die parallel zum zweiten Ventil liegende Leerlauföffnung
198 sorgt für die Aufrechterhaltung mindestens der Leerlaufdrehzahl des Triebwerks
und verhindert ein Verlöschen der Flammen in den Brennkammern.
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Das von Hand betätigte Ventil 136 (nach F i g. 1) oder entsprechende,
selbsttätig auf Druck oder Temperatur ansprechende Vorrichtungen können auch bei
der Brennstoffregeleinrichtung nach F i g. 2 verwendet werden, um eine entsprechende
Korrektur des Brennstoffdurchflusses zu erzielen.
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Die F i g. 3 zeigt die in der F i g. 2 dargestellte Brennstoffregeleinrichtung
teilweise im Schnitt und in einer abgewandelten Ausführungsform, die darin besteht,
daß zur Regelung der Drehzahl einer der Verdichterantriebsturbine nachgeschalteten
(nicht gezeigten) freien Arbeitsturbine eine zweite Regeleinrichtung hinzugefügt
ist. Die Elemente der F i g. 3, die gleichen Elementen der F i g. 2 entsprechen,
sind entsprechend bezeichnet.
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Bei der in der F i g. 3 gezeigten Ausführungsform ist der Ventilkörper
174 fest an einem Hebel 210 befestigt. Der Hebel 210 ist drehbar an einem Ansatz
212 des Gehäuses 36 gelagert und wird durch eine mit der Membran 178 verbundene
Stange 214 gemäß dem an der Membran wirksamen Brennstoffdruckunterschied P,-P, betätigt.
Der Hebel 210 wird durch eine Feder 216 leicht gegen die Stange
214 gedrückt. Der Hebel 210 wird ferner in Abhängigkeit von der Stellung
des Drehzahlwählhebels 218 der freien Arbeitsturbine und deren Drehzahl betätigt.
Zu diesem Zweck ist im Gehäuse 36 eine Stange 220 drehbar gelagert, an deren einem
Ende ein Hebel 222 starr befestigt ist, der auf den Hebel 210 einwirkt; ein am entgegengesetzten
Ende befestigter Hebel 224 wirkt auf eine Membran 226 ein. Der Hebel 224
ist durch eine zwischen dem Hebel 224 und einer in das Gehäuse 36 eingeschraubten
einstellbaren Federhalterung 230 eingesetzte Feder 228 in Richtung auf die
Membran 226 vorgespannt. Die Membran 226 ist einerseits dem in einer
Kammer 232 herrschenden atmosphärischen Druck P6 und andererseits einem in einer
Kammer 234 herrschenden hydraulischen Steuerdruck PH ausgesetzt. Eine Leitung
236 verbindet die Kammer 234 mit einer Flüssigkeitsquelle, z. B. einem Ölbehälter
238, und enthält eine Flüssigkeitspumpe 240 der Verdrängerbauart, die der Brennstoffpumpe
48 ähnelt. Die Flüssigkeitspumpe wird in nicht dargestellter Weise durch
die Arbeitsturbine mit einer der Drehzahl der Arbeitsturbine proportionalen Drehzahl
angetrieben. Der hydraulische Steuerdruck in der Leitung 236 und somit in der Kammer
234 wird in Abhängigkeit von der Stellung des Drehzahlwählhebels 218 der
Arbeitsturbine durch ein Steuerventil 242 verändert, welches in einer hinter
der Pumpe 240 zwischen der Quelle 238 und der Leitung 236 angeschlossenen
Leitung 244 angeordnet ist. Wie bei der Öffnung 162 des Ventilkörpers
164 ändert sich auch hier die Druckdifferenz PH-P6 an der Öffnung
246 des Steuerventils 242 mit dem Quadrat der Drehzahl der Pumpe
240 bzw. der Drehzahl der Leistungsturbine. Zur Erzeugung eines bestimmten
Druckabfalls an einer gegebenen Durchflußfläche der Öffnung 246 ist eine
bestimmte Drehzahl der Arbeitsturbine erforderlich. Größere oder kleinere Durchflußflächen
der Öffnung 246 erfordern entsprechend höhere und niedrigere Drehzahlen der
Pumpe 240, um an der Öffnung 246 einen bestimmten Druckabfall aufrechtzuerhalten.
Wenn daher der Drehzahlwählhebe1218 im Sinn einer Erhöhung der Drehzahl bewegt wird,
vergrößert sich die Durchflußfläche der Öffnung 246 entsprechend, so daß
zur Erzeugung des erforderlichen konstanten Druckabfalls Px-P" eine entsprechend
höhere Drehzahl erforderlich ist.
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Die Drehzahlwählhebel 122 und 218 sind unabhängig voneinander
bedienbar und erzeugen Drehzahl-Sollwertsignale, die sich gegenseitig überspielen
können, d. h. die Drehzahleinstellung, die die geringste Brennstoffmenge erfordert,
ist maßgebend, und der andere Drehzahl-Sollwert bleibt unberücksichtigt. Beispielsweise
nimmt unter der Annahme, daß die Drehzahlwählhebel122 und 218 sich in ihren
der Höchstdrehzahl entsprechenden Stellungen befinden, der Ventilkörper
174 eine Stellung entsprechend der Kraft ein, die durch den vorbestimmten
Druckunterschied P,-P, an der über die Stange 214 und den Hebel 210 auf den
Ventilkörper 174 einwirkenden Membran 1.78 wirksam ist. Auf diese Weise wird die
wirksame Durchflußfläche der Öffnung 168 so geregelt, daß sie den richtigen
Brennstoffzufluß zu den Brennkammern 26 entsprechend der gewählten Höchstdrehzahl
des Verdichters 22 aufrechterhält. Der Hebel 222 wirkt in Abhängigkeit von
dem Druckunterschied PH-P", welcher an der Membran 226 wirksam ist, leicht auf den
Hebel 210 ein, so daß die Stellung des Ventilkörpers 174 auch der gewählten Höchstdrehzahl
der Arbeitsturbine entspricht.
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Es sei jetzt angenommen, daß, ausgehend von einem Beharrungszustand
mit konstanter Drehzahl des Verdichters 22, der Drehzahlwählhebel 218 in eine Stellung
bewegt wird, die einer geringeren Drehzahl der Arbeitsturbine entspricht. Der Ventilkörper
242 wird
entsprechend gedreht und die wirksame Durchflußfläche
der Öffnung 246 vermindert, was wiederum einen Anstieg des Druckunterschieds PH-P"
an der Membran 226 hervorruft. Die Hebel 222 und 224
werden
dann durch die Membran 226 entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht, wobei der Hebel222
den Hebel 210 im Uhrzeigersinn von der Stange 214 fort drückt und damit die Tätigkeit
der Membran 178 übers_pielt. Der Ventilkörper 174 wird in Richtung auf die
Öffnung 168 zu beaufschlagt, und die Abnahme der wirksamen Durchflußfläche
dieser Öffnung vermindert den Brennstoffzufluß zu den Brennkammern 26, was wiederum
eine Verminderung der Drehzahl des Verdichters und der Arbeitsturbine nach sich
zieht. Mit der Abnahme der Drehzahl der Arbeitsturbine nimmt auch die Drehzahl der
Pumpe 240 ab, was eine Verminderung des Druckunterschieds PH-P" an der Öffnung
246 und der Membran 226 zur Folge hat, woraufhin der erforderliche
Druckunterschied PH-Pa wiederhergestellt und die Membran 226 entsprechend stabilisiert
wird, was zu einer Stabilisierung des Ventilkörpers 174 führt. Der Brennstoffzüfluß
zu den Brennkammern 26 wird entsprechend geregelt, und die Arbeitsturbine wird bei
der gewünschten Drehzahl betrieben, während die Verdichterdrehzahl sich in Abhängigkeit
von der Verminderung der Brennstoffzufuhr auf einen Zwischenwert einspielt. Solange
der Drehzahlwählhebel 122 in seiner der Höchstdrehzahl entsprechenden Stellung gehalten
wird, kann mit dem Drehzahlwählhebel218 die Drehzahl der Arbeitsturbine auf jeden
beliebigen Wert innerhalb des Drehzahlbereichs der Arbeitsturbine eingestellt werden.
Der Drehzahlwählhebel122 kann jedoch auch auf eine mittlere Verdichterdrehzahl eingestellt
sein. Dann wird die Drehzahl der Arbeitsturbine entsprechend begrenzt, auch wenn
sich ihr Drehzahlwählhebe1218 in einer Stellung befindet, der einer höheren Drehzahl
der Arbeitsturbine entspricht. In einem solchen Fall ist zu beachten, daß der Hebel
210 von der Membran 178 gemäß dem an ihr anliegenden Druckabfall PI-P2 beaufschlagt
und dadurch die Drehzahl des Verdichters und der Arbeitsturbine entsprechend der
mit dem Drehzahlwählhebel 122 gewählten Drehzahl begrenzt wird. Eine Einstellung
des Drehzahlwählhebels 218
auf eine höhere Drehzahl, als sie mit der durch
die Einstellung des Drehzahlwählhebels 122 bestimmten Brennstoffmenge erreicht werden
kann, führt zu einer Beaufschlagung der Hebel 222 und 224 durch die Membran
226 im Uhrzeigersinn, so daß der Hebel 222 sich aus seinem Eingriff mit dem Hebel
210 löst und dadurch die Einstellung des Drehzahlwählhebels 218
unwirksam
macht.
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Die F i g. 4 zeigt im- Schnitt einen Teil der Brennstoffregeleinrichtung
nach F i g. 2 in einer Abwandlung, die in der Hinzufügung eines auf die Drehzahl
einer nicht gezeigten Ueien Arbeitsturbine ansprechenden Drehzahlgrenzregters
248 besteht. Diejenigen Elemente der F i g. 4, welche ähnlichen Elementen
der F i g. 2 entsprechen, sind entsprechend numeriert.
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Der Drehzahlregler 248 hat ein Gehäuse 250, in welchem
Fliehgewichte 252 schwenkbar auf einem Halter 254 gelagert sind. Dieser wird gemäß
der Drehzahl der Arbeitsturbine über eine Welle 256 in Drehung versetzt. Die Fliehgewichte
252 wirken mit ihren Armen 258 der Kraft einer zwischen einem ringförmigen
Körper 260 und einer in dem Gehäuse 250 eingeschraubten einstellbaren Federhalterung
264 angeordneten Feder 262 entgegen. Ein durch einen Stift 268 drehbar am Gehäuse
250 befestigter U-förmiger Hebel steht an seinem einen Ende mit dem ringförmigen
Körper 260 im Eingriff und trägt an seinem anderen Ende eine Ventilklappe 270. Das
Innere des Gehäuses 250 ist durch eine Öffnung 278 zum atmosphärischen Luftdruck
P. geöffnet. Die Ventilklappe 270 wirkt mit einer Öffnung 276 zusammen, die über
eine Leitung 274 und eine Drossel 272 mit der vom Verdichterausgang kommenden Leitung
92 verbunden ist, und wird normalerweise durch einen federbelasteten Hebel
266 schließend auf die Öffnung 276 gedrückt. Solange die Öffnung 278 durch die Ventilklappe
270 verschlossen ist, wird der jeweils vom Verdichter erzeugte Luftdruck P, über
die Leitung 92 zur Kammer 86 geleitet und die Membran 76 in Abhängigkeit vom Druckanstieg
P,-P. im Verdichter betätigt, wie bereits in Verbindung mit F i g. 1 beschrieben.
Wenn jedoch die Arbeitsturbine eine vorbestimmte höchstzulässige Drehzahl erreicht,
übersteigt die Kraft der Fliehgewichte 252 die Kraft der Feder 262, so daß der ringförmige
Körper 260 sich entgegen der Feder 262 nach oben bewegt, der U-förmige Hebel
266 sich entgegen dem Uhrzeigersinn um den Stift 268 dreht, die Ventilklappe
270 sich öffnet und die vom Verdichter gelieferte Luft durch die Öffnung 276 zur
Atmosphäre (Druck Pa) entweichen kann. Dadurch fällt der Druck Pc in der Kammer
86, der Druckunterschied Po-Pa an der Membran 76 vermindert sich, der Ventilkörper
94 bewegt sich von der Mündung 62
fort, der Bypass-Brennstoffstrom
durch die Öffnung 62 erhöht sich, und der Brennstoffzufluß zu den Brennkammern vermindert
sich entsprechend, so daß die Drehzahl der Arbeitsturbine in der gewünschten Weise
begrenzt wird.