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Gleichdrehzahlregler in der Brennstoffzufuhranlage eines Gasturbinentriebwerks
Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichdrehzahlregler in der Brennstoffzufuhranlage
eines Gasturbinentriebwerks, deren Brennstoffregelventü über eine hydraulische Abflußdrosselsteue..rung
mittels eines von der Triebwerkswelle angetriebenen Drehzahlmeßwerks mit von Hand
wählbarem Sollwert gesteuert wird.
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Es ist bereits ein Gleichdrehzahlregler für ein Gasturbinentriebwerk
bekannt. Dieser Regler ist mit einem Brennstoffregelventil ausgerüstet, das über
eine hydraulische Abflußdrosselsteuerung gesteuert wird, welche ein druckgesteuertes
und mit Stellkolben versehenes Hebelsystern aufweist. Bei einer Drehzahländerung
des Triebwerks, die von einem mittels der Triebwerkswelle angetriebenen Drehzahlmeßwerk
festgestellt wird, kommt das Hebelsystein aus dem Gleichgewicht. Damit ändert sich
wiederum der Brennstoffdurchfluß am Regelventil, und das Triebwerk wird selbsttätig
wieder in die Ausgangsdrehzahl zurückgeführt.
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Ein derartiger isochroner Regler weist jedoch einen beträchtlichen
mechanischen Aufwand in Form von Hebeln, Fühlern und Gliedern auf. Darüber hinaus
hat der bekannte Regler eine recht lange Ansprechzeit und ist seine Stabilität nicht
recht befriedigend.
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Es sind auch sogenannte proportionale Regler bekannt, die bei einer
Veränderung der Maschinenbelastung eine gewisse Drehzähländerung zulassen. Diese
Regler, die mit einem einstückigen Regelkolben ausgerüstet sind, haben den Vorteil
einer kurzen Ansprechzeit und einer guten Stabilität.
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Beispielsweise bei elektrischen Stromerzeugungsanlagen, bei denen
mehrere Generatoren parallel geschaltet sind, ist es wünschenswert, eine isochrene
Regeleinheit einzusetzen, um Belastungsschwankungen ohne Drehzahländerung abfangen
zu können. Andererseits können jedoch während anderer BetriebszeitenDrehzahlschwankungen
durchaus zulässig sein, wobei dann die Verwendung eines Proportionalreglers, der
keinem so großen Verschleiß unterworfen ist, günstiger sein kann.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Gleichdrehzahlregler zu schaffen,
der die Vorteile eines isochron,en Reglers und eines proportionalen Reglers miteinander
vereinigt.
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Die gestellte Aufgabe ist bei einem Gleichdrehzahlregler in der Brennstoffzufuhranlage
eines Gasturbinentriebwerks dadurch gelöst, daß gemäß der Erfindung die Mündung
der Abflußdrossel durch einen Stafenkolben längsverschiebbar ist, der in der Kammer
mit der kleinen Kolbenfläche vom Abflußdruck in der zwischen großem Kolbenstück
und kleinem Kolbenstück gelegenen Kammer von etwa konstantem Steuerflüssigkeitsdruck
und in der Kammer mit der großen Kolbenfläche von einem aus diesem Druck über eine
feste Durchflußdrossel abgeleiteten Druck beaufschlagt wird, dessen Größe von der
Stellung einer durch den Drehzahlregler verstellbaren Abflußdrossel bestimmt wird.
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Beim Gleichdrehzahlregler nach der Erfindurtg wird eine isochrone
Regelung mit einem einstückigen, als Stufenkolben ausgebildeten Kolben -eines Proportionalreglers
erzielt womit der Regler stabiler arbeitet und einfacher ausgebildet ist als der
bekannte Gleichdrehzahlregler. Der Kolben berichtigt dabei kleine Drehzahlfehler,
während das Hauptteil des Reglers für die Berichtigung der großen Fehler verantwortlich
ist.
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Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist am Einlaß
der Kammer mit der großen Kolbenfläche eine an sich bekannte einstellbare, die Verstellgeschwindigkeit
des Kolbens bremsende Drossel angeordnet. Mit dieser Drossel läßt sich die Ansprechgeschwindigkeit
des Reglers bzw. die Rückregelzeit den gegebenen Verhältnissen anpassen.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Durchflußdrossel
durch ein handbetätigtes Glied absperrbar und damit der Kolben stillsetzbar.
Auf
diese Weise kann der Gleichdrehzahlregler nach der Erfindung ohne Mühe in einen
proportionalen Regler umgewandelt werden.
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Schließlich ist nach einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung des
Reglers nach der Erfindung mit einem schwenkbaren Hebel, an dessen einem Ende ein
eine Abflußdrossel beeMussendes Glied angebracht ist und an dessen anderem Ende
zur Messung des Dr-ehzahl-Istwerts Fliehgewichte und in entgegengesetzter Richtung
zur Eingabe des Drehzahl-Sollwerts eine Feder verstellbarer Vorspannung über eine
schwenkbare Platte und eine Rolle mit änderbarem wirksamem Hebelarm angreifen, der
Hebel als Winkelhebel ausgebildet, der zwei die Abflußdrosseln heeinflussende Platten
trägt. Bei diesem Aufbau wird insgesamt nur ein Fühler zur Nachregelung des Brennstoffflusses
benötigt. Dieser Aufbau zeichnet sich damit durch seine besondere Einfachheit aus.
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Die Erfindung wird an Hand des in der Zi,>ichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt einen Gleichdrehzahlregler nach der Erfindung
im Schnitt; F i g. 2 und 3 zeigen Betriebskennlinien des Reglers nach
der Erfindung.
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Der in F i g. 1 dargestellte Regler 76 dient der Bemessung
des aus einer Leitung 80 in eine zu einem Turbinentriebwerk führenden Leitung
68 geförderten Brennstoffs. Die Fördermenge ist dabei abhängig von der Triebwerksdrehzahl
und der Stellung eines Wählhebels 84.
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Der Regler 76 weist ein Gehäuse 94 auf, in dem eine erste.
Kammer 96 und eine zweite Kammer 98
ausgebildet ist. In der Kammer
96 befindet sich ein Flichkraftregler mit an einem Bügel 104 angeordneten
Gewichten 100. über eine Welle 82 ist der Fliehkraftregler mit der
Triebwerkswelle verbunden. Werden die Gewichte 100 beim Umlaufen ausrinandergedrückt,
dann drücken an ihnen vorgesehene Vorsprünge 106 einen Bund 108 einer
Stange 110 nach oben. Die Stange 110 ist an einem Hebel 112 befestigt,
welcher bei 114 drehbar gelagert ist und zwei Schenkel 116 und
118 aufweist, die in einem etwa rechten Winkel zueinander angeordnet sind.
Die gegenseitige Winkellage der Schenkel 116 und 118
ist jedoch unwesentlich.
Eine der Kraft der Gewichte 100 entgegenwirkende Kraft wird von einer Feder
120 erzeugt, die, zwischen Haltern 122 und 124 eingesetzt ist, wobei der Halter
124 bei 126 am Gehäuse 94 drehbar befestigt ist.
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Diese. zweite Kraft wird über eine mittels der Schraube
92 verstellbare Rolle 128 gleichfalls auf den Hebel 112 übertragen.
Der bei 130 drehbar gelagerte Wählhebel 84 drückt gegen den Halter 122, so
daß ,die auf den Hebel 112 nach unten wirkende Kraft unmittelbar von der Hebelstellung
abhängig ist. Durch die Hebelstellung wird vom Bedienungsmann die gewünschte Turbinendrehzahl
eingestellt.
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Der Schenkel 118 ist mit Ventilplatten 132, 134 versehen.
Im Gehäuse 94 ist eine längsverschiebbare Abflußdrossel 136 angeordnet, die
sich in der Nähe der Ventilplatte 132 befindet. Die Lage der Ab:ffußdrossel
gegenübcr der Platte bestimmt den wirksamen Durchflußquerschnitt und somit die Geschwindigkeit,
mit welcher der Brennstoff aus den Leitungen 68 und 80 hinter der
Drossel 70 abgelassen wird; durch den Durchflußquerschnitt wird aber wieder
die Größe des Druck P" in den Leitungen 68 und 72 be' stimmt der über
eine Membran 56 und eine Stange 58
die Regelung der Brennstoffzufuhr
zum Triebwerk bewirkt.
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In der im Gehäuse 94 gebildeten zweiten Kammer 98 ist ein Stufenkolben
138 gelagert. Der Kolben 138
besteht dazu aus einem Kolbenstück 140
mit großem Durchmesser und einem Kolbenstück 142 mit einem kleinen Durchmesser,
die mittels einer Stange 144 miteinander verbunden und so angeordnet sind, daß drei
Kammern 146, 148 und 150 innerhalb der Kammer 98 gebildet werden.
In die, Kammer 150 gelangt unter dem verhältnismäßig niedrigen Druck
PO stehender Brennstoff, der sich auch in der Rückflußleitung 86 und der
Kammer 96 befindet; dieser Druck wirkt auf das Kolbenstück 142 in Aufwärtsrichtung.
über die Leitung 64 wird der verhältnismäßig hohe Druck PR in die Kammer 148 zwischen
den Kolbenstücken 140 und 142 eingelassen; er bildet eine nutzbare Kraft
[PR - (A 140 # A 142)1 3
wobei A die Fläche
der entsprechenden Kolbenstücke, die durch Indexzahlen bezeichnet sind, darstellt.
Auch diese Kraft ist bestrebt, den Kolben 138
nach oben zu schieben, da PO
verhältnismäßig klein und Pg verhältnismäßig konstant gewählt sind.
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Zum überleiten von Brennstoff aus der Kammer 148 zur Kammer 146 dient
eine Leitung 152, die eine Drossel 154 aufweist. Durch eine Änderung der
von der Leitung 152 auf der Abströmseite der Drossel 154 abgelassenen Brennstoffmenge
kann der Druck Pz in der Kammer 146 auf jeden beliebigen Wert innerhalb der Grenzen
von PR bis PO geändert werden. Auf der Abströrnseite schließt sich an die Drossel
154 eine Leitung 156 an, deren anderes Ende mit einer festen Abflußdrossel
158 verbunden ist. Diese ist in unmittelbarer Nähe der Ventilplatte 134 angeordnet
und bildet mit ihr eine veränderliche Abflußdrossel, die unterschiedliche Brennstoffmengen
aus der Leitung 156 ablassen und dadurch den Wert des Drucks P_7 ändern kann.
In der Leitung 152 ist auf der Abströmseite der Verbindung der Leitungen
152 und 156 eine durch die Schraube 88 einstellbare öffnung
vorgesehen; sie bewirkt eine Begrenzung der Geschwindigkeit, mit welcher der Brennstoff
in die Kammer 146 einströmen kann.
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Der Brennstoffdruck Pz hat einen Wert, welcher dem Wert der nach oben
gerichteten Kraft genau entspricht; der P_7-Wert beim Kräftegleichgewicht wird dabei
als »Null«-W#ert bezeichnet. Jeglicher Wert von Pz, der größer ist als dieser Null-Wert,
hat eine Abwärtsbewegung der Kolben zur Folge. Je
größer die Abweichung des
Werts Pz vom Null-Wert ist, um so schneller bewegt sich der Kolben. Mittels der
Schraube 88, die den Durchfluß zur Kammer 146 begrenzt, kann dabei die Verstellgeschwindigkeit
bestimmt werden. Eine zweite Drosselschraube, 90 ist in der Leitung
152 hinter der Verbindung zwischen den Leitungen 152 und
156 vorgesehen. Ist die durch die Schraube 90 einstellbare Öffnung
weit geöffnet, dann hat die, Schraube keinen Einfluß auf die Anlage, und es liegt
isochroner Betrieb vor. Ist die öffnung jedoch geschlossen, dann sperrt die Schraube
den Durchfluß des Brennstoffs durch die Drossel 154. Der Druck PZ gleicht sich dann
dem durch die Leitung 156 herangeführten Druck P, an, und es herrscht proportionale
Betriebsweise. Der Kolben 138 verschiebt sich dann in seine äußerste obere
Stellung und bleibt ungeachtet der Bewegung des Ventüabschnitts 134 in dieser Stellung.
F
i g. 2 zeigt einige Betriebskennlinien bei über der Drehzahl N aufgetragenem
Brennstoffdurchfluß Wf. Die Kurven 160 und 162 stellen maximal und
minimal zulässige Brennstoffmengen für die Beschleunigung bzw. Verzögerung des Triebwerks
dar. Die Kurven 164, 166, 168 und 170 zeigen verschiedene Regelkurven.
Die Kurve 172 zeigt einen Betrieb im Gleichgewicht bei gegebener Triebwerksbelastung
und gegebenen Umgebungsbedingungen und gibt die, zur Aufrechterhaltung der gleichmäßigen
Drehzahl erforderliche Brennstoffmenge an. Die Kurve 174 zeigt schließlich den Brennstoffdurchfluß
bei einer gleichbleibenden Drehzahl, der durch eine Änderung der Turbinenbelastung
oder der Umweltbedingungen verursacht ist. Für den Betrieb des Reglers nach der
Erfindung wird zunächst angenommen, daß die Belastung des Triebwerks und die Bedingungen
der umgebenden Luft gleichbleiben. Die Reglereinstellungen entsprechen dann annähernd
der in F i g. 2 gezeigten, abgesehen von der Stellung der Schraube
90,
die die Leitung 152 verschließt, wodurch der Kolben 138
eine konstante Stellung am äußersten oberen Ende seines Bewegungsbereichs einnimmt.
Unter den angenommenen Betriebsbedingungen wird die Reglerbetriebskennlinie durch
die Kurve 168 dargestellt, welche die Kurven 168 und 172 in
gegebenen Punkten schneidet. Außerdem wird das von den Flichgewichten
100 auf den Hebel 112 einwirkende Moment durch das von der Feder 120 erzeugte
Moment ausgeglichen, so daß der Hebel 112 stillsteht und den Druck P., in der Leitung
68 hält. Der Druck P., wirkt auf die Membran 56 mit einem Wert ein,
der erforderlich ist, um die erforderliche Brennstoffmenge aufrechtzuerhalten.
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Wenn die Triebwerksbelastung erhöht oder die Bedingung der Umgebungsluft
verändert wird, dann gibt die Kurve 174 den Brennstoffdurchfluß wieder. Die Turbinendrehzahl
und die Kraft der Gewichte 100 sinkt, da für die Aufrechterhaltung der gleichbleibenden
Drehzahl auf der Kurve 174 zu wenig Brennstoff herangeführt wird. Sobald die auf
den Hebel 112 von den Gewichten 100 ausgeübte Kraft aber absinkt, bewegt
sich der Hebel 112 im Uhrzeigersinn und fährt die Ventilplatte 132 näher
an die Abflußdrossel 136 heran und erhöht somit den Brennstoffdurchfluß zum
Triebwerk. Die Drehzahl sinkt weiter ab und der Brennstoffdurchfluß steigt weiterhin
an, bis sich die Anlage auf dem neuen Gleichgewichtspunkt B, der durch die überschneidung
der Kurven 168 und 174 gebildet ist, stabilisiert. Es ist zu beachten, daß
innerhalb des gesamten durch die Kurve 168 gebildeten Bereichs eine Drehzahländerung
erforderlich ist, um eine Änderung der Brennstoffmenge hervorzubringen, weshalb
diese Regelung als proportionale Regelung bezeichnet wird.
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Durch Verstellen der Schraube 92 kann die Rolle 128
um ein gewisses Ausmaß nach rechts oder links verschoben werden, womit sich die
Neigung der Regelkurve erhöht oder verringert. Man kommt auf diese Weise z. B. zur
Kurve 166, in welcher der größere wirksame Hebelarrn für die von der Feder
120 ausgeübte Kraft die Steilheit der Regelkurve vermindert. Ein Wechsel von der
Kurve 172 für gleichbleibenden Betrieb auf die Kurve 174 und damit vom Punkt
A zum Punkt C bewirkt damit eine größere Drehzahländerung auf der
Regelkurve 166 als bei der Kurve 168, wo die Änderung zwischen den
Punkten A und B liegt. Wird, mittels der Schraube 90 die einstellbare
Öff-
nung geöffnet, dann tritt ein Regelbetrieb entsprechend der Kurve 164
ein. Eine Änderung im Gleichgewichtszustand bewirkt dabei keine Drehzahländerung,
womit also auf einen isochronen Betriebszustand übergegangen ist. Es wird angenommen,
daß am Punkt A der Kurve 172 Gleichgewicht herrscht. Die einander
entgegenwirkenden Kräfte der Gewichte 100
und der Feder 120 sind wiederum
im Gleichgewicht, der Druck P., reicht aus, um den durch die Ordinate des Punktes
A dargestellten erforderlichen Brennstoffdurchfluß aufrechtzuerhalten, und
der Druck Pz hat seinen Null-Wert erreicht, wobei der Kolben 138
stillsteht.
Wenn dieser Gleichgewichtszustand dann in die Kurve 174 verwandelt würde, dann würde
die Drehzahl absinken, da der Brennstoffdurchfluß am Punkt A kleiner ist
als der zur Aufrechterhaltung der gleichen Drehzahl bei neuen Gleichgewichtspunkt
D
erforderliche, welcher durch den Schnittpunkt der Kurven 164 und 174 gebildet
ist. Infolge eines augenblicklichen Drehzählabfalls und einer Verminderung der auf
die Gewichte 100 einwirkenden Zentrifugalkraft dreht sich der Hebel 112 im
Uhrzeigersinn und leitet gleichzeitig folgende zwei Tätigkeiten ein: die Ventilplatte
132 bewegt sich näher an die Abflußdrossel 136 heran; es steigt damit
der Druck P" und erhöht sich der Brennstoffzufluß zum Triebwerk. Außerdem nähert
sich die Ventilplatte 134 der Abflußdrossel 158; dadurch steigt der Druck
Pz über seinen Null-Wert hinaus und der Kolben 138 beginnt sich nach unten
zu bewegen. Diese Abwärtsbewegung des Kolbens 138, die durch das Gestänge
151 übertragen wird, verstellt die verschiebbare Abflußdrossel
136 nach rechts und vermindert damit zusätzlich den Durchtrittsquerschnitt,
wodurch der Druck P, eine weitere Erhöhung erfährt. Der Kolben 138 bewegt
sich weiter, bis der Druck P_7 wieder seinen Null-Wert erreicht, was nur in einer
Stellung der Ventilplatte 134 möglich ist; somit kehrt der Hebel 112 in seine Ausgangsstellung
zurück, und im Punkt D herrscht wieder dieselbe Drehzahl wie im Punkt
A.
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Wenn es erwünscht ist, ein Triebwerk mit einer anderen als der durch
die Punkte A oder B angegebenen Drehzahl zu betreiben, dann kann der Wählhebel
84 so eingestellt werden, daß er eine andere Kraft als die von der Feder 120 aufgebrachte
auf den Hebel 112 ausübt. So wird beispielsweise zur Einstellung einer tieferen
Triebwerksdrehzahl der Wählhebel 84 im Uhrzeigersinn bewegt; die Feder 120 kann
sich dann ausdehnen und die auf den Hebel 112 einwirkende Kraft vermindern. Dadurch
bewegt sich der Hebel 112 entgegen dem Uhrzeigersinn und vermindern sich die Drücke
Pz und P, was eine Verminderung der Brennstoffmenge und somit der Drehzahl zur Folge
hat. Die Drehzahl nimmt ab, bis die von den Gewichten 100 erzeugte Kraft
auf den Punkt abfällt, wo sie mit der neuen geringeren Federkraft im Gleichgewicht
ist, beispielsweise bis zum Punkt E
der Kurve 170. Die neu eingeregelte
Drehzahl ist dann diejenige, die durch den Punkt E dargestellt ist.
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F i g. 3 zeigt in einer graphischen Darstellung die Betriebskennlinie
des Reglers, wobei die Triebwerksdrehzahl N über der Zeit T aufgetragen ist.
Die Kurve 178 zeigt diese Beziehung bei proportionalem Betrieb. Wenn bei
der Zeit Ti das Triebwerk eine plötzliche Be,lastungszunahme erfährt, dann sieht
der Regler während des Zeitraums Ti_T 2 eine vermehrte Brennstoffzugabe vor, die
sich im. Zeitpunkt T2 stabilisiert
hat. 1nfolge, der bereits erwähnten
Drehzahländerung findet jedoch die, Stabilisierung bei einer etwas niedrigeren Drehzahl
-entsprechend der Abweichung der Kurve 178 von der gestrichelten Linie statt.
Die Kurve 180 zeigt die Drehzahl der Zeit bei isochroner Arbeitsweise, wenn
die durch die Schraube 90 verschließbare Leitung 152 geöffnet ist. Es ist
ersichtlich, daß zu einer Stabilisierung von T, nach T., eine größere Zeit erforderlich
ist, jedoch keine Veränderang der Drehzahl stattfindet. Die bei der Stabilisierung
verstreichende Zeit kann durch Einstellung der Schraube 88 verändert werden.
Beispielsweise kann bei einer Einstellung, in der die Schraube den Durchfluß des
Brennstoffs zwischen der Kammer 146 und der Leitung 152 micht drosselt, das
Verhältnis der Drehzahl zur Zeit der Kurve 182 entsprechen, bei der eine
Stabilisierung im Zeitabstand T, bis T4 stattfindet.