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Reglervorrichtung für Gasturbinen-Strahltriebwerke Bei Gasturbinen-Strahltriebwerken
für den Flugzeugantrieb hat man zusätzliche Reglervorrichtungen vorgeschlagen, die
auf die Temperatur der durch die Schubdüse strömenden Gase ansprechen. Man strebte
damit eine Änderung der Brennstoffmenge an, die durch den Drosselhebel oder einen
anderen Hauptbrennstoffregler eingestellt wird; diese Änderung tritt ein, wenn die
Gastemperatur in der Schubdüse von der Temperatur abweicht, für die der Hauptbrennstoffregler
eingestellt ist. :Ulan versucht dabei, die Schubdüsentemperatur auf einem im wesentlichen
konstanten Wert zu halten, der der Einstellung des Hauptbrennstoffreglers entspricht,
selbst wenn atmosphärische (Druck und Temperatur) oder andere Bedingungen vom Normalzustand
abweichen. Das kann beispielsweise während ausgedehnter Probeläufe auf dem Versuchsstand
oder bei Flugzeugen auftreten, wenn beim Flug in einer gegebenen Höhe die - Umgebungstemperaturen
sich ändern, z. B. wenn kalte oder warme Stürme durchflogen werden, oder wenn in
verschiedenen Höhenlagen geflogen oder stark gestiegen oder gedrückt wird, und schließlich
auch beim Start, wenn die maximale Leistung sichergestellt sein muß.
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Wenn nun ohne eine zusätzliche Reglereinrichtung die Brennstoffzufuhr
bei allen atmosphärischen und sonstigen Verhältnissen konstant bliebe, so
könnte
unter gewissen Bedingungen die Temperatur der Gase und damit auch der Turbinenschaufeln
gefährliche Werte erreichen, so daß der Maschinenanlage ernsthafter Schaden drohen
würde; unter anderen Umständen aber könnte auch die Leistung der Maschinenunzulässig
abfallen.
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` Als Reglervorrichtungen dieser Art kennt man Thermostaten verschiedener
Bauweise, wärmeempfindliche Einrichtungen, meistens in Gestalt einer Anzahl von
Thermoelementen, die parallel geschaltet in der Schubdüse angeordnet sind. Sie liegen
damit an einer Stelle, die von der heißen Eintrittszone des Gasstromes in die Turbine
relativ weit entfernt ist. Schon aus dieser größeren Entfernung von der Stelle,
wo sich die Temperaturschwankungen der Brenngase am stärksten und unter Umständen
gefährlichsten auswirken, ergibt sich eine große Trägheit der Regelvorrichtung;
dazu kommt der Umstand, daß die Schubdüsenternperatur nicht in jedenn Fall in einem
genauen augenblicklichen Verhältnis zur Temperatur der Turbinenschaufeln steht,
weil sich die Gase von dem Augenblick des Verlassens der Turbine bis zu dem Zeitpunkt
ihrer Einwirkung auf die Thermoelemente schon abkühlen; und schließlich haben die
Thermoelemente selbst eine relativ große Trägheit. Thermostaten der gebräuchlichsten
Art, in der Schubdüse angeordnet, können also nicht als vollwertige Regler angesehen
werden, wenn es sich darum handelt, die den Turbinenschaufeln zuzuführende Brennstoffmenge
augenblicklich dem Bedarf anzupassen und insbesondere zu erreichen, daß beim Erreichen
einer oberen. Grenztemperatur der Schaufeln die Zuflußmenge verringert wird, um
die Temperatur von ihrer gefährlichen Höhe herunterzubringen.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ohne Rücksicht auf irgendwelche
Betriebszustände, die sonst die Leistung ändern wurden, für einegegebene Einstellung
des Hauptbrennstoffreglers die Arbeitstemperatur der Turbine bei einem einstellbaren
Wert zu halten. Weiterhin will die Erfindung sicherstellen, daß die Turbine .nicht
gefährlich hohen Temperaturen ausgesetzt wird, d. h. eine empfindlichere Regelung
schaffen, um die Schaufeltemperatur besonders bei Höchstleistung der Turbine genauer
begrenzen zu können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß als wärme-
oder strahlungsempfindliche Einrichtung für die Steuerung der Vorrichtung zur Brennstoffregelung
eine von den Turbinenschaufeln unmittelbar beeinflußte trägheitsfreie fotoelektrische
Zelle benutzt wird, die in Zeitintervallen der Größenordnung von Millisekunden oder
weniger anspricht, so daß auch bei Einstellung des Hauptbrennstoffreglers auf maximale
Leistung die zugeführte Brennstoffmenge niemals einen Wert erreichen, kann, bei
dem die Temperatur der Turbinenbeschaufelung einen festgelegten. sicheren Grenzwert
überschreiten würde.
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Erfindungsgemäß> ist also die Turbine mit einer Reglereinrichtung
,ausgestattet, die für höhere Temperaturen als die bekannten Schubdüsenthermo,-staten
eingerichtet ist,- unmittelbar den Turbinenschaufeln zugeordnet ist und auf Temperaturänderungen
der Schaufeln in kürzesten Zeitintervallen anspricht, also nicht Sekunden braucht
wie ein Thermoelement, sondern Zeitintervalle der Größenordnung von Millisekunden
oder noch weniger. Für eine solche Aufgabe kommt nur eine fotoelektrische Zelle
in Betracht, insbesondere eine Sperrschichtzelle, die selbst eine EMK zu liefern
imstande ist.
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In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise dargestellt.
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Fig, i ist die Ansicht einer Gasturbine in teilweisem Schnitt mit
einer fotoelektrischen Zelle, die so angeordnet ist, daß sie einen mit der Temperatur
in gesetzmäiß@igem Zusammenhang stehenden Energiebetrag von dem ersten feststehenden
Schaufelkranz der Turbine empfängt; Fig.2 veranschaulicht ein Schaltbild für einen
an eine derartige Zelle angeschlossenen Verstärker, wenn eine Zelle Verwendung findet,
die zu ihrem Betrieb eine Hilfsspannung erfordert; die Fig. 3 und q. veranschaulichen
zwei verschiedene Wege, wie Zelle und Verstärker nach Fig. 2 dazu benutzt werden
können, die Turbine zu regeln; Fig.5 zeigt eine Abänderungsmöglichkeit zu Fig. q..
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In Fig. i ist die fotoelektrische Zelle i i wenigstens gegenüber einem
der Schaufelkränze 12 (nur eine Schaufel des ersten feststehenden Schaufelkranzes
ist in Fig. i angedeutet) so angeordnet, daß das von dem Schaufelkranz ausgestrahlte
sichtbare und infrarote Licht auf die Zelle fällt. Die Zelle kann zu diesem Zweck
in einem Gehäuse 13 an einem Ende eines Metallrohres i¢ angeordnet sein, das beispielsweise
ein auf der Innenwandung goldplattiertes Kupferrohr ist. Mit seinem anderen Ende
ist dieses Rohr an einem Turbinenanschluß 15 befestigt, der mit dem ersten feststehenden
Schaufelkranz ausgerichtet liegt. Das Rohr enthält vor der Zelle ein Fenster 16,
welches die Turbinengase abhält. Natürlich ist die Zelle durch das Gehäuse
13 gegen Licht von außen geschützt und im übrigen so angeordnet, daß die
von den Schaufeln ausgestrahlte Lichtenergie von der konkaven Kathodenfläche 17
aufgefangen wird.
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Das Gehäuse 13 wird mittels einer Stütze 18 von einer Platte ig an
der Außenseite des Verdichters getragen, an den die Verbrennungskammern 2o angeschlossen
sind, von denen nur eine gezeichnet ist.
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In der Praxis wird man zweckmäßig wenigstens zwei solcher Zellen i
i und Rohre 13 parallel zueinander und in einem gewissen Abstand voneinander
anordnen für deuFall, daß eine derZellen ausfallen sollte.
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Infolge der hohen Umgebungstemperaturen der Zellen kann es notwendig
werden, diese zu kühlen. Zu diesem Zweck kann das Metallrohr 14 von einem Rohr 22
umgeben sein, dem an einem Ende von einer geeigneten Stelle Kühlluft vom .Verdichter
zugeleitet wird, während das andere Ende 24 dieses Rohres die Luft in den nicht
gezeichneten Auspuffkonus der Turbine austreten läßt. _
Zur Ausnutzung
der Energie der Zelle i i wird die EMK der Zelle durch eine Bezugsspannung eines
Temperaturwählers 26 kompensiert, der mechanisch mit dem Hauptbrennstoffregler bzw.
dem Drosselventil so verbunden ist, daß er in Abhängig-],zeit von dessen Verstellung
eingestellt wird. Der Wähler 26 wird in. Fig. 2 aus zwei Widerständen und einem
damit in Reihe geschalteten Potentiometer 27 gebildet.
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Es ist ferner erforderlich, den Stromkreis mit einer stabilisierten
Speisespannung zu versorgen. 28 ist die Umrißlinie eines bekannten Spannungsstabilisators,
der von einer 24-Volt-Batterie 2g gespeist wird. Der Stromkreis schließt ein Paar
stromabhängige Widerstände 3o mit großem Temperaturkoeffizienten , sowie die üblichen
Widerstände ein.
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Außerdem ist ein Verstärker vorgesehen; der in bekannter Weise ein
Röhren- oder magnetischer Verstärker sein kann und dessen Umrißlinie in Fig. 2 teilweise
durch die strichpunktierte Linie 31 angedeutet ist.
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Der Ausgang des Spannungsstabilisators 28 ist bei 33 an ein Ende des
benachbarten Widerstandes des Temperaturwählers 26 und bei 34 an das andere Ende
des Temperaturwählers angeschlossen, außerdem an den Verstärker 31 mit Hilfe des
Leiters 35. Außerdem ist der Schleifer 36 des Potentiometers a7 durch den Leiter
38 sowohl mit der Kathode 17
der Zelle i i wie auch mit dem Verstärker verbunden.
Die Anode derZelle i i ist mit dem Spannungsstabilisator bei 39 verbunden,
und zwar vor dem verstellbaren Widerstand 39a, der eine Feinein-Stellung für den
Wähler 26 gestattet. In dein Schaltbild der Fig. 3 sind der Spannungsstabilisator
28 und der Verstärker 31 in dem Block 283i vereinigt. Der Temperaturwähler 26 ist
für sich an= geordnet. Der Schleifer 36 des Widerstandes wird durch einen Arm 4o
verstellt, der durch eine Stange 41 mit dem nicht gezeichneten Hauptbrennstoffreglerorgan
verbunden ist. Die Stange 4i kann außerdem durch einen Arm 42 einen Hauptreglerkasten
43 betätigen. Diesem Kasten strömt durch eine Leitung 46 Brennstoff von der Brennstoffpumpe
44 zu, die durch eine Saugleitung 45 ansaugt. Aus dem Reglerkasten 43 fließt der
Brennstoff über eine Leitung 47 zu einem Verteiler 48, von dem über Rohrleitungen
49 die üblichen Brennstoffdüsen für die Brennkammern versorgt werden. Im Nebenschluß
zu dem Reglergehäuse 43 ist eine Brennstoffleitung 5o vorgesehen, die durch ein
Ventil 5 i erfindungsgemäß gesteuert wird.
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In der gezeichneten Anordnung ist angenommen, daß der benötigte Brennstoffverbrauch
für die Höchstleistung der Maschine beispielsweise go Volumeinheiten pro Zeiteinheit
unter tropische Flugbedingungen ist, während in der Arktis der erforderliche Brennstoffverbrauch
unter den gleichen Bedingungen beispielsweise i3o Volumeinheiten pro Zeiteinheit
betragen soll. In-gemäßigten Zonen wird der Höchstverbrauch an irgendeiner Stelle
zwischen diesen beiden Extremen liegen. Der Reglerkasten 43 ist deshalb so eingestellt,
daß er beispielsweise im Höchstfall go Volutneinheiten pro Zeiteinheit liefert,
während das Ventil 51 in völlig geöffneter Lage die fehlenden 4o Volumeinheiten
passieren läßt, die zusammen mit der Hauptmenge von go Volumeinheiten eine mögliche
Gesamtmenge von 13o Volumeinheiten pro Zeiteinheit ergeben.
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In Fig. 3 wird das Ventil 51 in an sich bekannter Weise mit Hilfe
eines elektrischen Servomotors betätigt, der von dem Wechselstromausgang 53 des
Verstärkers 31 angetrieben wird.
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Der Wechselstrom ist proportional dem Betrag, um den die-Negativspannung
an derKathode 17 die Positivspannung überwiegt, die der Temperaturwähler z6 liefert.
Der Strom wird auf ein Paar sich gegenüberliegender Statorwicklungen 54 des Motors
gegeben. Mit diesen Wicklungen arbeitet ein zweites Paar sich gegenüberliegender
Wicklungen 55. zusammen, die rechtwinklig zu den Wicklungen 54 liegen und von einer
konstanten Wechselspannungsquelle 56 erregt werden. Der Motor besitzt ferner eine
Rückkopplungsgenerator--,N.icklung 57, die durch Leitungen 58 mit dem Verstärker
31 verbunden ist, wo der Strom in bekannter Weise gleichgerichtet und gesiebt
werden muß, so daß der Ausgangsstrom der Drehrichtung und Geschwindigkeit des Servomotors
proportional wird. Wie ersichtlich, dient die Generatorwicklung dazu, die Regelung
zu stabilisieren und ein Flattern des Ventils 51 zu verhindern.
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In dem gezeichneten Ausführungsbeispiel treibt der Rotor 6o über ein
schematisch bei 61 angedeutetes Untersetzungsgetriebe mit einer Untersetzung im
Bereich von etwa 4ooo : i ein Ritzel 62, das mit einer Zahnung 63 am Schaft des
Ventils 5 i im Eingriff steht. Eine Überlastungskupplung 64 zwischen Motor und Ventil
sorgt dafür, daß der Motor nicht stehenbleibt, wenn das Vetil das Ende seines Hubes
erreicht.
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Die Arbeitsweise ist wie folgt: Wenn durch Störung des Gleichgewichtes
ein Signal auf den Verstärker gegeben wird, so wird der Ausgangsstrom der einen
Phase (Wicklung 54) des Zweiphasen-Servomotors zugeleitet, dessen andere Phase (Wicklung
55) ständig mit voller Spannung erregt ist.
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Größe und Richtung der Regelphase hängen von der Größe dieses Signals
und davon ab, ob es oberhalb oder unterhalb der Normaleinstellung liegt. Der Motor
wird je nachdem in der einen oder anderen Richtung umlaufen.
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Jeder Einstellung.des Brennstoffhauptregelorgans entspricht eine entsprechende
Einstellung des Temperaturwählers 26 und des Reglerkastens 43. Das Ventil 51 wird
sich öffnen, so daß die dem Verteiler 48 zuströmende Brennstoffmenge sich zusammensetzt
aus. dem Brennstoff, der durch den Reglerkasten 43 strömt, und aus dem Brennstoff,
der über die Nebenleitung 5o zuströmt, bis die Schaufeltemperatur einen bestimmten
Wert erreicht, je nach der Einstellung des Hauptbrennstoffreglerorgans.
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Wenn die Maschine mit geringster Leistung arbeitet und das Hauptreglerorgan
für den Brennstoff
z. B. auf höchste Leistung umgestellt wird, wird
zunächst der Ausgangsstrom des Temperatur-Wählers 116 über dem Ausgangsstrom der
Zelle i i liegen, so daß der Motor durch den Verstärker angetrieben wird und das
Ventil 5 i so weit öffnet, d11& dem Verteiler 48 die erforderliche Brennstoffmenge
zufließen kann, um die Betriebszustände auszugleichen. Jede Neigung einer Erhöhung
der Schaufeltemperatur infolge der Erhöhung der Eintrittstemperatur wird infolgedessen
die Brennstoffzufuhr drosseln, um ausgeglichene Betriebszustände aufrechtzuerhalten.
Das heißt mit anderen. Worten, sollte die Schaufeltemperatur versuchen, über den
zulässigen Wert zu steigen, und damit Veranlassung geben, daß der Ausgangsstrom
der Zelle Übergewicht über den Ausgangsstrom des Temperaturwählers 26 gewinnt, wird
die Drehrichtung des Motors umgedreht werden und momentan die Brennstoffzufuhr herabsetzen,
und umgekehrt.
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Infolgedessen wird bei jeder Einstellung des Hauptbrennstoffregelorgans
eine bestimmte Temperatur schnell erxeicht und an der Turbinenbeschaufelung aufrechterhalten
werden, wobei der tatsächliche Betrag des zugeführten Brennstoffs entsprechend automatisch
verstellt wird ohne Rücksicht auf die Einlaßbedingungen.
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Wie ohne weiteres ersichtlich ist, kann man den Ventileinlaß 65, statt
ihn über die Leitung 66 mit der Rohrleitung-46 zu verbinden, auch zum Ventilauslaß
machen. Die Rohrleitung 66 wird- dann, wie durch die strichpunktierten Linien 67-in
Fig. 3 angedeutet, an die Saugseite 45 der Brennstoffpumpe 44 angeschlossen.
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Die Anschlüsse an der Eintrittseite des Verstärkers werden dann vertauscht,
so daß das Ventil 51 als Überströmventil wirkt. In diesem Fäll wird der Reglerkasten
43 so eingestellt, daß er je Zeiteinheit den Höchstbetrag von 130 Volumeinheiten
zu liefern, verrriag, wie er beispielsweise für Höchstleistung unter arktischen
Bedingungen verlangt wird, wobei dann das Ventil 5 i normalerweise ganz geschlossen
bleiben würde. Würde aber bei solcher Anordnung die Schaufeltemperatur einen bestimmten
zulässigen Höchstwert überschreiten, so -würden die fotoelektrischen Zellen ii ansprechen
und die Öffnung des Ventils 51 einleiten, so daß ein Teil des von dem Reglerkasten
43 durchgelassenen Brennstoffs über das Ventil 51 zur Saugleitung 45 der Brennstoffpumpe
über die Nebenschlußleitung 50 und die Leitungen 66 und 67 zurückströmen
könnte. Unter tropischen Bedingungen könnte bis zu einem Höchstbetrag von 40 Volumeinheiten
je Zeiteinheit auf diese Weise zurückgeleitet werden.
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Die in Fig. 4 dargestellte Regeleinrichtung entspricht im wesentlichen
der der Fig. 3, jedoch wird an Stelle eines Wechselstrom-Servomotors ein Gleichstromsolenoid
benutzt. Die der Fig. 3 entsprechenden Teile der Fig. 4 tragen die gleichen Bezugszeichen.
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Gemäß Fig. 4 liefert der Verstärker 31 innerhalb des Blocks 22831
eine- Gleichspannung über die Leiter 7o an eine Solenoidwicklung 71, deren Kern
72 durch eine leichte Feder 73 gegen einen Hebel 74 gedrückt wird. Das andere Ende
des Hebels ist drehbar mit einem Halbkugelventil 5i11 verbunden, das durch eine
Feder 75 in Schließstellung gedrückt wird, aber durch Erregung des Solenoids geöffnet
werden kann. Die Wandung 76 der Kammer, in welcher das Ventil 5111 angeordnet ist,
wird an der Durchtrittsstelle des Hebels 74 durch eine elastische Membran gebildet
oder kann sich in anderer Weise den Bewegungen des Hebels anpassen.
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Wenn die von der Zelle ii aufgenommene Strahlungsenergie unterhalb
des Energiebetrages liegt, der der Einstellung des Temperaturwählers 26 entspricht,
wird das Ventil 5i11 durch das Soleno-id 71 geöffnet werden, um eine bestimmte Brennstoffmenge
zur Erreichung des Gleichgewichtszustandes durchtreten zu lassen und umgekehrt.
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Es sei darauf hingewiesen, daß im Fall eines Ausfalls des elektrischen
Systems die Feder 75 das Ventil 5,a schließt und so den Höchstbrennstoffbetrag auf
9o Volumeinheiten je Zeiteinheit begrenzt, was auch unter arktischen Bedingungen
gerade noch für normale Reisegeschwindigkeit ausreicht.
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Natürlich kann man die Nebenschlußleitung 5o und das Ventil 5111 auch
so ausbilden, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, d. h. als Überströmventil. Die Arbeitsweise
dürfte ohne weiteres aus der vorangegangenen Beschreibung der Fig. 3 und 4 klar
sein. In Fig. 5 sucht die Feder 75 das Ventil siaz zu öffnen, während das Solenoid
71 bestrebt ist, es zu schließen. Bei einem Ausfall der elektrischen Einrichtungen
würde sich das Ventil infolgedessen vollständig öffnen und 4o Volumeinheiten zurücklaufen
lassen, so daß wiederum nur eine Höchstmenge von go Volumeinheiten der Antriebsturbine
zufließen kann.