DE1162638B - Steuerungsanordnung fuer ein Gasturbinen-Strahltriebwerk - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES MjWWt PATENTAMT Internat. Kl.: F 02 k

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 46 g-8/06

Nummer: 1 162 638

Aktenzeichen: P 24209 I a / 46 g

Anmeldetag: 8. Januar 1960

Auslegetag: 6. Februar 1964

Die Erfindung betrifft eine Steuerungsanordnung für ein Gasturbinen-Strahltriebwerk ohne Nachverbrennung, in der eine Steuerung zur Änderung des Strahldüsenquerschnittes zwecks Schubänderung und eine z. B. auf die Kraftstoffzuteilung wirkende Regeleinrichtung zum Regeln der Triebwerksdrehzahl auf einen im wesentlichen konstanten Wert vorgesehen _.. sind.

Bei bekannten Gasturbinen-Strahltriebwerken der obenerwähnten Art, die für Untersehall-Fluggeschwindigkeiten bestimmt sind, sind die Steuerung des Strahldüsenquerschnitts und die Regeleinrichtung zum Konstanthalten der Triebwerksdrehzahl miteinander gekoppelt, und die Schubänderung erfolgt in einem großen Teil des Arbeitsbereiches des Triebwerkes durch willkürliche Regelung der Kraftstoffzuteilung und damit der Triebwerksdrehzahl. Bei einer Erhöhung des Schubes wird zunächst die Triebwerksdrehzahl auf volle Drehzahl gebracht und dann der Düsen-Ausströmquerschnitt verringert.

Diese für Betrieb bei Unterschall-Fluggeschwindigkeit geeignete Steuerung ist für Strahltriebwerke, die für Überschall-Fluggeschwindigkeit ausgelegt sind, wenig geeignet, da sie eine verwickelte Steuerung für die jeweils notwendige Anpassung des Lufteinlasses erfordern würde. Bei Triebwerken für Überschallgeschwindigkeit sind bekanntlich die Auslegungsbedingungen für den Lufteinlaß sehr kritisch, da der Einlaß speziell den in Frage kommenden Überschallgeschwindigkeiten der in den Einlaß einströmenden Luft angepaßt werden muß. Ein solcher Einlaß muß weiterhin für besondere Zusammenhänge von Betriebsbedingungen bemessen werden. Es ist daher allgemein üblich, bei Triebwerken für Überschallgeschwindigkeiten dem Einlaß eine veränderbare Gestalt zu geben, so daß er sich nicht nur unterschiedlichen Geschwindigkeiten der einströmenden Luft — wie sie bei voneinander abweichenden Fluggeschwindigkeiten auftreten —, sondern auch Änderungen in den Betriebsbedingungen des Strahltriebwerkes, insbesondere einer Änderung des Luftdurchsatzes durch das Triebwerk, anpassen läßt.

Wenn man nun die Steuerungsanordnung in an sich bekannter Weise so ausbildet, daß über einen weiten Betriebsbereich die Drehzahl des Triebwerkes gesteuert und nur in einem anderen Betriebsbereich der Schub durch Steuerung des Strahldüsenquerschnitts geändert wird, so ergibt sich eine komplizierte Ausbildung des Lufteinlasses und der zu seiner Anpassung an die jeweils vorliegenden Betriebsbedingungen notwendigen Vorrichtungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerungsanordnung für ein Gasturbinen-Strahltriebwerk

Anmelder:

Power Jets (Research and Development)

Limited, London

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Beetz, Patentanwalt,

München 22, Steinsdorfstr. 10

Als Erfinder benannt:
Dennis Hainsworth Mallinson,
William Gerald Eric Lewis,
Michael Vaughan Herbert, Pyestock,
Farnborough, Hampshire (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 8. Januar 1959 (Nr. 739)

Steuerungsanordnung für ein Gasturbinen-Strahltriebwerk zu schaffen, bei dem Änderungen des Antriebsschubes die geringste Wirkung auf den Luftmassenstrom im Einlaß der Maschine haben. Auf diese Weise wird es möglich, die Änderung der Abmessungen des Einlasses weitgehend von der Steuerung des Triebwerkes selbst zu trennen, so daß das Problem der gegenseitigen Anpassung von Triebwerk und Einlaß wesentlich vereinfacht wird.

Bei der erfindungsgemäßen Steuerungsanordnung für ein Gasturbinen-Strahltriebwerk ohne Nachverbrennung, in der eine Steuerung zur Änderung des Strahldüsenquerschnittes zwecks Schubänderung und eine z. B. auf die Kraftstoffzuteilung wirkende Regeleinrichtung zum Regeln der Triebwerksdrehzahl auf einen im wesentlichen konstanten Wert vorgesehen sind, ist die genannte Aufgabe im wesentlichen dadurch gelöst, daß bei dem mit für Überschall-Einströmgeschwindigkeit ausgelegtem Lufteinlaß und für Überschallflug ausgelegter Strahldüse versehenen Triebwerk die Steuerung zur Änderung des Düsenquerschnittes und die Regeleinrichtung zum selbsttätigen Regeln der Triebwerksdrehzahl auf einen über zumindest einen Teil des Flugzustandbereiches des Triebwerkes konstanten Wert unabhängig voneinander sind.

Der Durchlaßquerschnitt der Schubdüse wird dabei durch eine willkürlich zu betätigende »offene«

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3 4

Steuerkette gesteuert, während die Drehzahl des F i g. 2 eine Blockschemadarstellung eines Steue-

Maschinensatzes des Triebwerkes durch einen ge- rungssystems für das Strahltriebwerk gemäß Fig. 1,

schlossenen Regelkreis geregelt wird. Auf diese wobei »Flußlinien«, die lediglich Steuerungssignale

Weise wird der Masaenfluß bzw. der Luftdurchsatz oder -größen übertragen, mit einfachen Linien dargedurch das Triebwerk unabhängig von der Steuerung 5 stellt sind, während »Flußlinien«, die Brennstoffleitun-

des Schubes konstant gehalten, so daß der Einlaß gen darstellen, mit doppelten Linien gezeichnet sind,

des Triebwerkes nur noch den Änderungen der Flug- F i g. 3 ein Diagramm der Maschinencharakteristik,

geschwindigkeit angepaßt werden und gegebenenfalls das den Übergangszustand oder die Übergangsbedin-

kleine Änderungen in dem Durchsatz bei Übergangs- gungen zeigt, die bei einer Veränderung des Schubes bedingungen, beispielsweise einer schnellen Erhö- io auftreten,

hung des Schubes, zulassen muß. Die Auslegung des F i g. 4 eine Blockschemadarstellung einer etwas

Einlasses und seiner Einstellvorrichtung wird da- abweichend ausgeführten Steuerungsanordnung, die

durch ganz wesentlich vereinfacht. aber in wesentlichen Teilen der Anordnung gemäß

Es ist an sich nicht mehr neu, bei Gasturbinen- F i g. 2 entspricht,

Strahltriebwerken ohne Nachverbrennung die Kraft- 15 F i g. 5 ein Diagramm der Maschinencharakteristik, Stoffzuteilung in Abhängigkeit von der Drehzahl zu das die Betriebsbedingungen der Steuerungsanordsteuern und den Schubdüsenquerschnitt zur Ände- nung gemäß Fig. 4 darstellt, rung des Schubes zu steuern. Es wird aber keine F i g. 6 ein Blockschema, das noch eine weitere abSteuerung auf konstante Drehzahl vorgenommen; geänderte Steuerungsanordnung darstellt, die in ihren eine Änderung des Schubdüsenquerschnitts verfolgt 20 Grundzügen der Anordnung gemäß Fig. 4 entspricht, den Zweck, die höchste Temperatur in der Maschine F i g. 7 und 8 je eine graphische Darstellung der zu begrenzen, aber nicht den Schub zu verändern. Zusammenhänge zwischen einer Änderung des Quer-Man hat vor allem nicht daran gedacht, die Trieb- schnittes der Strahldüse und der Maschinendrehzahl, werksdrehzahl durch eine Regelung konstant zu hai- wie sie bei einer typischen Ausführungsform der vorten, die unabhängig von der Steuerung des Schub- 25 liegenden Erfindung vorgesehen werden, düsenquerschnitts ist. Fig. 9 eine schematische Darstellung einer der

Auch bei anderen Vorschlägen zur Auslegung möglichen Ausführungsformen der Brennstoff-Menähnlicher Steuerungen ist zwar auf die Möglichkeit genregelung bei der erfindungsgemäßen Steuerungseiner Steuerung mit veränderlichem Düsenquerschnitt anordnung.

und konstanter Drehzahl hingewiesen; diese Vor- 30 Die Fig. 1 zeigt eine schematische Längsschnittschläge zielen aber auf Regler ab, die jeweils eine darstellung eines Gasturbinen-Strahltriebwerkes ohne »gekoppelte« Regelung der Kraftstoffzufuhr zu dem zusätzliche Heizung, das für einen Flugbetrieb mit Triebwerk und der Einstellung des Düsenquerschnitts Überschallgeschwindigkeit ausgelegt ist. Das Triebentsprechend dieser Kraftstoffregelung durchführen, werk weist einen Einlaß 1 auf, durch den ein Luftwomit ganz eindeutig eine Abhängigkeit zwischen 35 strom in der Richtung des Pfeiles S mit Überschall-Düsenquerschnitt und Reglereinstellung gegeben ist, geschwindigkeit eintritt, einen Axialkompressor 2, die bei der Steuerungsanordnung gemäß der Erfin- ein Brennkammersystem 3 und eine Axialturbine 4, dung absichtlich — über zumindest einen wesent- die in Richtung des Luftstromes hintereinander anlichen Teil des Flugzustandbereiches des Trieb- geordnet sind. Das Brennkammersystem 3 wird mit werkes — vermieden wird. 40 Brennstoff Q_F gespeist, die Turbine 4 treibt den

Infolgedessen kann bei der erfindungsgemäßen Kompressor 2 über eine Welle 5 an und liefert einen

Steuerungsanordnung die Einstellung des Mechanis- Abgasstrom heißer Gase, der durch eine konvergent-

mus für das Anpassen des Lufteinlasses des Trieb- divergente Düse 6 als Vortriebsstrahl austritt. Unter

werkes an unterschiedliche Flugbedingungen im den oben bereits erwähnten Betriebsbedingungen

wesentlichen in Abhängigkeit von der Fluggeschwin- 45 werden der Turbineneinlaß und die Strahldüse 6 ge-

digkeit, jedoch unabhängig von der Steuerung des drosselt. Der engste Durchlaßquerschnitt A^x der

Düsenquerschnitts und der Regelung der Triebwerks- Strahldüse 6 ist derart ausgebildet, daß seine Größe

drehzahl sein. geändert werden kann.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung Die Buchstaben T und P in der F i g. 1 geben die hält die Regeleinrichtung für die Triebwerksdrehzahl 50 jeweils an den betreffenden Stellen herrschende diese nur oberhalb eines bestimmten Wertes der Temperatur und die Drücke an, wobei die Zahlen-Kompressor-Einlaßtemperatur konstant, während sie indizes dieser Buchstaben auf die jeweiligen Meßin an sich bekannter Weise unterhalb dieses Wertes stellen hinweisen, die in Richtung des Strömungsdie Drehzahl des Triebwerk-Maschinensatzes auf flusses durch das Strahltriebwerk wie folgt hintereinen Wert einstellt, bei dem der Parameter N/ff,, 55 ein anderliegen: in dem N die Triebwerksdrehzahl und T₁ die Korn- -, __ Komnj-ecsorejniaß pressor-Einlaßtemperatur bedeuten, konstant ist. , ₌ Kompressorauslaß

Die Regelung oder Steuerung der Triebwerksdreh- 3 ₌ Turbineneinlaß

zahl erfolgt — wie üblich — durch Beeinflussung der 4--= Turbinenauslaß'

Brennstoffzufuhr zu d«n Strahltriebwerk 60 _{5 = er Ouersch}'_{nitt der} Strahldüse.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einiger In dem folgenden Text werden zur Bezeichnung Ausführungsbeispiele, die in der Zeichnung ver- der Temperaturerhöhung in dem Kompressor und anschaulicht sind; es zeigt des Temperaturabfalles in der Turbine die Symbole

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines 65 JT₁₂ und AT_9i benutzt, während Q den Luft-

Flugzeug-Gasturbinen-Strahltriebwerkes, in die die massenfluß durch das Triebwerk und Q_F die Brenn-

Bezeichnungen für die Temperaturen und Drücke stoffmenge bezeichnen, die dem Triebwerk zugeführt

innerhalb des Triebwerkes eingezeichnet sind, wird.

In dem Blockschema der Fig. 2 ist (oben in der Mitte) der Piloten-Steuerhebel 11 dargestellt, der zur Einstellung des Antriebsschubes dient. Dieser Hebel 11 ist über einen Begrenzungsschalter 12 mit einer Betätigungsvorrichtung 13 für die Strahldüse verbunden; diese Betätigungsvorrichtung dient dazu, den Querschnitt A^x der engsten Stelle der Strahldüse des Strahltriebwerkes 14 zu ändern. Um einen größeren Schub zu erhalten, wird der engste Querschnitt der Düse verkleinert, während für die Erzeugung eines kleineren Schubes die Düse weiter geöffnet wird. Der Begrenzungsschalter 12 begrenzt die Wirkung des Piloten-Steuerhebels 11 in der Weise, daß für irgendeinen gegebenen Wert der Kompressoreinlaßtemperatur T₁ ein unterer Grenzwert des Querschnittes y4* festgelegt ist; zu diesem Zweck wird eine Steuergröße bzw. ein Signal Al, das proportional diesem kleinsten Querschnitt ist, in den Begrenzungsschalter 12 durch einen Funktionsgenerator 15 eingespeist, der selbst durch ein Signal gesteuert wird, das proportional zu dem jeweiligen Wert der Temperatur T₁ ist. Diese Anordnung soll ein Schwingen oder »Pumpen« des Kompressors vermeiden oder — mit Ausnahme der Übergangszustände — unzulässig hohe Werte der Turbineneinlaßtemperatur T₃ verhüten. Die Art und Weise der Veränderung des Signals A\ mit der Temperatur T₁ wird unten noch näher erläutert.

Während Änderungen des Schubes durch Regelung oder Einstellung des Düsenquerschnittes A^x bewirkt werden, wird die Drehzahl JV des Strahltriebwerkes 14 auf einen im wesentlichen konstanten Wert durch selbsttätige Änderung der Brennstoffzufuhr Q₁. zu dem Triebwerk geregelt. Unter Niederdruck befindlicher Brennstoff (vgl. den Pfeil F) wird einer Pumpeneinheit 16 zugeführt, die eine bestimmte Brennstoffmenge Q_P in die Brennkammer des Strahltriebwerkes 14 einspeist. Die Pumpe kann von dem Triebwerk 14 mit der Triebwerkdrehzahl JV angetrieben werden oder mit einer Drehzahl, die proportional zu der Triebwerkdrehzahl JV ist. Ein der jeweiligen Maschinen- oder Triebwerkdrehzahl JV proportionales Signal wird dauernd einem »Fehleroder Korrekturgerät« 17, d. h. einem selbsttätig den Soll- mit dem Istwert vergleichenden Gerät zügeführt, das mit einem konstanten Vergleichssignal JV^ gespeist wird, dessen Wert proportional derjenigen Drehzahl ist, auf welche das Triebwerk geregelt werden soll. In dem selbsttätigen Korrekturgerät 17 werden die beiden Signale JV und N_R miteinander verglichen; die jeweils ermittelte Differenz AN wird benutzt, um die Leistung der Pumpe derart zu verändern oder zu berichtigen, daß die Differenz A JV verringert wird bzw. die beiden miteinander zu vergleichenden Signale auf gleiche Werte gebracht werden. Die Korrektur erfolgt derart, daß bei einem positiven Differenzsignal AN (d.h. wenn JV größer ist als JVfl) die zugeführte Brennstoffmenge verringert und im umgekehrten Falle die Brennstoffmenge erhöht wird.

Ein Signal, das proportional dem Kompressoreinlaßdruck P₁ ist, kann ebenfalls der Pumpenanordnung 16 zugeführt werden, um die dem Triebwerk zugeführte Brennstoffmenge in Abhängigkeit von Änderungen der Flughöhe selbsttätig zu regeln.

Die Ubergangszustände, welche normalerweise auftreten — oder auftreten können — wenn der Schub geregelt wird, weichen von den oben erwähnten Betriebsbedingungen ab und sollen nun unter Bezugnahme auf das die Charakteristik des Strahltriebwerkes darstellende Diagramm der F i g. 3 beschrieben werden. In dieser Figur ist das Kompressordruckverhältnis P₂ZP₁ als Funktion des dimensionslosen Massenflusses Q ■ YT₁ZP₁ aufgetragen. Die Linie 21 ist die Grenzlinie, bei der der Kompressor anfängt zu »pumpen«.

Wenn das Strahltriebwerk auf dem Punkt α arbeitet, der sowohl auf der einem bestimmten Wert von A^x entsprechenden Linie 22 als auch auf einer besonderen NZfT₁ -Linie 24 liegt und der Steuerhebel des Piloten m einem Sinne bewegt wird, der einer Vergrößerung des Querschnittes A^x der Schubdüse entspricht, um den Schub bei einer bestimmten Höhe und Fluggeschwindigkeit zu verringern, bleiben die Temperaturen T₂ und T₃ momentan konstant, während der Luftdurchfluß Q ebenfalls konstant bleibt, da zunächst keine Drehzahländerung des Triebwerkes eintritt und die räumlichen Abmessungen des Einlasses gleichbleiben. Weil der wahre dimensionslose Massenfluß für die Vorschubdüse unter Drosselbedingungen

Q-It,

A*-P₅

konstant ist und auch der Luftfluß Q unverändert bleibt, ist Yf₅ZP₅ proportional zu A^x. Da T₅ nicht wesentlich anwachsen kann, wenn A^x vergrößert wird, muß P₅ fallen, und P₄ fällt entsprechend. P₃ wird jedoch momentan konstant gehalten, weil die Düsen der Turbine gedrosselt sind und einen konstanten Querschnitt aufweisen; ^f₃ ist proportional zu P₃. Daher erhöht sich das Druckverhältnis PJP₁ der Turbine, und es tritt momentan ein Überschuß an Turbinendrehmoment auf, das die Drehzahl der Turbine in dem Betriebspunkt α zu erhöhen sucht. Wenn — wie oben bereits erwähnt — die Brennstoffpumpe der Turbine mit der Turbinendrehzahl oder einer dieser Drehzahl proportionalen Drehzahl angetrieben wird, ergibt sich eine geringe Vergrößerung der dem Triebwerk zugeführten Brennstoffmenge Qp, da ein neuer Gleichgewichtspunkt b bei einem etwas höheren Kompressordruckverhältnis P₂ZP₁ erreicht wird. An diesem Betriebspunkt b wird jedoch ein Korrektursignal, und zwar ein positives AN, der Brennstoffpumpe 16 zugeführt, und der Brennstoffzufluß Q_F wird infolgedessen verringert. Der Düsenquerschnitt bleibt ungeändert und momentan fallen T₃, T₄ und T₅ längs der Linie b-c ohne jede Änderung der Turbinendrehzahl ab; der Punkt c liegt auf der gleichen

JV" + A N _ . . „.
-Linie 23,

Ι/τ,

die dem verringerten Druckverhältnis entspricht.

Da der Einlaß immer noch den Massenfluß der Luft auf den Wert Q konstant hält (es wird vorausgesetzt, daß keine wesentliche Änderung der Fluggeschwindigkeit erfolgt), ist P₃ proportional zu γτ₃, während der Druck P₂, der als proportional zu P₃ angesehen werden kann, und das Kompressordruckverhältnis bis zum Punkt c fallen.

Nun ist Δ T_SA/T_S mit A^x konstant (unter Drosselungsbedingungen) und A T₁₂ ist konstant mit JV, so daß ZlT₃₄ relativ zu /IT₁₂ vom Punkt & bis zum Punkt c abfällt. Die Leistungs-Unausgeglichenheit zwischen A T„. einerseits und A T₁ „ anderseits führt

^L3,4

1,2

zu einem Abfall der Turbinendrehzahl. Infolgedessen bewegt sich der Betriebspunkt von c zu dem Punkt d auf der ursprünglichen N/y T₁ -Linie 24, während der Brennstoffzufiuß konstant bleibt (abgesehen von einer geringen Verkleinerung der Brennstoffmenge, die auf das Sinken der Pumpendrehzahl zurückzuführen ist). Der Punkt d wird der neue Gleichgewichtspunkt für den neuen Wert Λ*.

Jeweils entsprechend der Reaktionsgeschwindigkeit der unterschiedlichen Elemente des Regelsystems kann der ideale Regelweg a —*■ b -> c ->- d nach einer Wellen- oder Bogenlinie verlaufen, es können aber auch mehrere zyklische Vorgänge erforderlich werden, um den Gleichgewichtszustand im Lauf der Turbine bei dem Wert A^x zu erreichen.

Wenn eine Erhöhung des Schubes erzielt werden soll, erfolgen die Betätigung der einzelnen Organe und die Auswirkungen in umgekehrter Richtung, was sich sinngemäß aus der Darstellung in Fig. 3 ergibt. Der erste Übergang auf eine niedrigere TV JZT₁-Linie kann gegebenenfalls den Einlaß unterkritisch werden lassen; wenn dies nicht zulässig ist, muß bei der Auslegung des Einlasses für normalen Betrieb eine entsprechende Stabilitätssicherheit oder ein Stabilitätsüberschuß (überkritische Bedingung) vorgesehen werden, so daß der Einlaß nicht unter den kritischen Wert absinkt, wenn der Schub erhöht wird.

Obwohl es im allgemeinen ausreicht, das Triebwerk über ungefähr den gesamten Betriebsbereich auf konstante Drehzahl Af einzuregeln, kann es bei einigen Anwendungsweisen der vorliegenden Erfindung notwendig sein, z. B. beim Flug mit geringen Geschwindigkeiten und in großen Höhen, d. h. bei verhältnismäßig niedrigen Werten von T₁, den Parameter NZyT₁ im wesentlichen konstant zu halten und eine Änderung von N zuzulassen. Eine derartige Änderung kann notwendig werden, um ein Pumpen des Kompressors oder eine zu hohe Gastemperatur zu vermeiden. Eine Steueranordnung, die in dieser Weise arbeitet, ist in Fig. 4 veranschaulicht; diejenigen Steuerelemente dieser Figur, die den Elementen der F i g. 2 entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Ein der Turbinendrehzahl proportionales Signal N wird einem den WeTtNZfT₁ ermittelnden Meßgerät 18 zugeführt, dem außerdem ein zu dem Wert T₁ proportionales Signal zugeleitet wird; das resultierende Signal, das proportional zu dem augenblicklichen Wert von Nf]IT₁ ist, geht in ein Korrekturgerät 19. Ein Signal (N/yT₁)_R, das proportional zu dem erforderlichen oder gewünschten konstanten Wert von NJyT_x ist, wird ebenfalls dem Korrekturgerät zugeführt und die beiden Signale werden in diesem Gerät miteinander verglichen. Das Korrektursignal A(NZfT₁) wird einem Kontakt eines Umschalters 20 zugeleitet. Der andere Kontakt dieses Schalters erhält das Korrektursignal A N von dem Korrekturgerät 17, wie es in der F i g. 2 bereits dargestellt ist. Mit Hilfe des Umschalters 20 kann nun entweder die Δ N-Korrektur oder das Korrektursignal Δ (N/y T₁) der Pumpe zugeleitet werden, um die Brennstoffzufuhr Q_P zum Triebwerk entsprechend zu regeln.

Wie aus der F i g. 4 hervorgeht, wird ein Signal N/yT, auch für die Betätigung des Umschalters 20 benutzt.

Die Arbeitsweise der Steuerungsanordnung gemäß F i g. 4 wird durch die Diagrammdarstellung der Fig. 5 deutlich, die ein ähnliches Diagramm enthält wie die Fig. 3. Die Grenzlinie26 bezeichnet diejenige Linie, bei der ein »Pumpen« des Kompressors einsetzt, die den normalen Arbeitsbereich des Trieb-Werkes begrenzende Linie ist mit 27 bezeichnet. Bei den kleinstzulässigen Werten von A^x wird das Triebwerk längs der Linie 27 betrieben, und zwar bis zu einem Punkt Λ', der einem maximalen Grenzwert N,yt[ entspricht; die Größe (N/yf~j)_K wird durch

ίο die Linie 28 dargestellt. Im Betriebe wird der Umschalter 20 (in Fig. 4) in seine normale Stellung gebracht, in der er das zIN-Signal der Pumpe zuführt, so daß die Turbinendrehzahl N konstant gehalten wird. Wenn der Grenzwert von N ] T₁ erreicht wird,

schaltet das NlyT₁ -Signal den Umschalter 20 um, so daß von diesem Punkt ab das Δ (N/ ft] )-Signal der Pumpe zugeführt wird und das Triebwerk von nun an auf einen konstanten Wert von NZfT₁ geregelt wird. Sobald NIyT₁ unter diesen Grenzwert ab-

ao fällt, wird der Umschalter 20 wieder zurückgeschaltet und die Drehzahl des Triebwerkes wieder auf einen konstanten Wert N geregelt.

In einer abweichenden und bevorzugten Ausführungsform der Steuerungsanordnung werden die Regelung auf konstantes N und konstantes N/y'T₁ vereinigt, wie es die Fig. 6 zeigt. In dieser Figur sind wiederum Elemente, die denen der F i g. 2 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In dieser Ausführungsform der Erfindung ist das Bezugssignal N_K, das dem Korrekturgerät 17 zugeführt wird, seinerseits mit der Kompressoreinlaßtemperatur T₁ über den unteren Teil des Bereiches dieser Temperatur veränderlich. Ein dem Wert T₁ proportionales Signal wird in einen Funktionsgenerator 31 hineingegeben, und das resultierende ^-Signal wird über einen Wählschalter 32 dem Korrekturgerät 17 zugeleitet. Für einen Betrieb bis zu dem Grenzwert (NZyT₁)K entsprechend Fig. 5 ist das Signal N_R konstant, so daß das Triebwerk mit konstanter Drehzahl betrieben bzw. auf konstante Drehzahl geregelt wird. Bei Weiten der Größe NZy¹T₁, die unter diesem Grenzwert liegen, d. h. bei niedrigen Werten von T₁, wird das aus dem Funktionsgenerator 31 stammende Ausgangssignal N_R geändert, so daß es mit T₁ derart veränderlich ist, daß die Drehzahl N des Maschinensatzes so geregelt wird, daß NIfT₁ auf dem erforderlichen Grenzwert konstant bleibt.

Durch Betätigung des Umschalters oder Wählschalters 32 kann der Pilot irgendeines aus einer größeren Zahl von Referenzsignalen N_Rv N_R2, N_R;{, N_Ri in das Korrekturgerät 17 hineingeben, und zwar unabhängig von dem Wert der Temperatur T₁. Auf diese Weise kann für das Rollen am Boden und den Platzverkehr eine niedrigere Maschinensatzdrehzahl gewählt werden, indem der Arm des Wählschalters 33 in eine Stellung gebracht wird, wie sie beispielsweise gestrichelt dargestellt ist. Der Steuerhebel 11 des Piloten wird dann ebenfalls als das den Schub regelnde Steuerorgan benutzt.

Wenn es darum geht, den Maschinensatz warmlaufen oder nach dem Betrieb noch auslaufen zu lassen, kann es notwendig werden, einen Wert der kleinsten Schubdüsenquerschnittsöffnung A^x einzustellen, der von demjenigen Wert abweicht, der von dem Signal A\ am Ausgang des Funktionsgenerators 15 abhängt. Diese Forderung kann erfüllt werden, indem man dem Begrenzungsschalter 12 ein Signal A% zuführt, das dem erforderlichen kleinsten Wert

9 10

von A^x entspricht, wobei dieser Wechsel durch Be- Die F i g. 8 zeigt die Änderung der Drehzahl N des

tätigen des Umschalters 34 erfolgt. Der Wählschalter Triebwerkes (in Prozenten dargestellt), die durch die

32 und der Schalter 34 sind gegeneinander verriegelt, Änderung des Ausgangssignals N_R des Funktions-

was durch die strichpunktierte Linie 35 angedeutet generators 31 in F i g. 6 gegeben ist. Für Werte von

ist, um die Möglichkeit zu vermeiden, daß ein Be- 5 T₁, die überhalb des Wertes beim Start (288° K)

zugs- oder Referenzsignal wie z. B. N_Rl gewählt liegen, ist dieses Signal konstant, und die Drehzahl-

wird, ohne ein entsprechendes und geeignetes Signal des Triebwerkes wird auf einem konstanten Wert ge-

A% einzustellen. halten, der durch die Linie E-F gegeben ist. Bei

Die Möglichkeit für das Wählen einer geeigneten niedrigeren Werten von T₁ muß die Triebwerksdreh-Bezugsdrehzahl, wie z.B. N% oder N%₃ usw., die io zahliV in Übereinstimmung mit der KurveE-G geunabhängig von T₁ ist, kann auch bei den Ausfüh- ändert werden, so daß NIfT₁ konstant gehalten wird, rungsformen der Erfindung vorgesehen werden, wie Der Funktionsgenerator 31 ist nun so ausgelegt, daß sie in den F i g. 2 und 4 dargestellt sind. er ein Signal liefert, das proportional zu den Weiten

Die F i g. 6 zeigt außerdem einen weiteren Funk- von N ist, die durch die gesamte Kurve G-E-F dar-

tionsgenerator 36, dem ein Signal zugeführt wird, 15 gestellt sind.

welches proportional zu der Mach-Zahl der Flug- Die Signale in den Fluß- oder Wirkungslinien, die

geschwindigkeit ist (M00), und das seinerseits ein in die Blockschemata der Fig. 2, 4 und 6 einge-

Signal erzeugt, welches dem Steuermechanismus für zeichnet sind, können elektrische, pneumatische oder

die Anpassung des Einlasses 37 zugeführt wird, um hydraulische Steuergrößen sein; elektrische Signale

die Gestaltung dieses Einlasses, d. h. das Verhältnis 20 werden jedoch in vielen Fällen aus Zweckmäßigkeits-

des Einlaßquerschnittes zu dem kleinsten Durchlaß- gründen vorgezogen.

querschnitt oder die Freigabe von Abströmöffnungen In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfinder Mach-Zahl anzupassen. Die Steuerung des Ein- dungsgemäßen Steuerungsanordnung wird beispielslasses ist vollkommen getrennt von der Steuerung weise die Betätigungsvorrichtung 13 für die Einsteides Triebwerkes, da das Anpassen des Einlasses an 25 lung der Strahldüse des Triebwerkes durch einen die Fluggeschwindigkeit den Zweck hat, Abweichun- elektrischen Motor angetrieben, der durch eine Begen von den kritischen Flugbedingungen, wie sie bei wegung des Piloten-Steuerhebels 11 seinerseits in Übergangszuständen entstehen (beschrieben bei der Gang gesetzt wird. Das Signal T₁ wird von einem Erläuterung der Fig. 3) gering zu halten. Bei den Thermoelement oder einer ähnlichen Vorrichtung Ausführungsbeispielen der Fig. 2 und 4 wird 30 am Einlaß des Kompressors geliefert und verstärkt, die Einlaßgestalt in ähnlicher Weise ebenfalls un- bevor es dem Funktionsgenerator 15 zugeführt wird; abhängig von der Steuerung des Triebwerkes ge- dieser Generator erzeugt ein elektrisches Ausgangssteuert, signal, das seinerseits die Einstellung eines An-

Bei den beschriebenen Steuerungsanordnungen ist schlages in dem Begrenzungsschalter auslöst, das die

es an sich nicht notwendig, irgendeine temperatur- 35 effektive Bewegung des Steuerhebels begrenzt,

begrenzende Vorrichtung vorzusehen, d. h. eine Vor- Die veränderliche Strahldüse mit änderbarem eng-

richtung, die den Wert der Turbinentemperaturen T₃ stern Düsenquerschnitt kann eine Düse irgendeiner

oder T₄ begrenzt. bekannten Konstruktion sein; eine geeignete Aus-

Die durch den Funktionsgenerator 15 erzwungene führung einer solchen Düse ist in der britischen

Begrenzung des kleinsten Wertes A^x wird der jeweils 40 Patentschrift 788 359 beschrieben,

vorliegenden Triebwerksausbildung und deren beab- Der Maschinensatz 14 treibt einen Generator,

sichtigter Anwendung angepaßt. Ein die erforder- dessen der Drehzahl proportionale EMK einem

liehen Änderungen erläuterndes Beispiel ist in der Korrekturgerät 17 zugeführt wird, um das iV-Signal

graphischen Darstellung F i g. 7 gezeigt, in der zu bilden, während das Bezugssignal N_R durch eine

der Grenzwert des Düsenquerschnittes A ^X _L (in Pro- 45 Stromquelle mit konstanter Spannung gegeben ist.

zenten angegeben) über der absoluten Kompressor- Die Differenz der beiden Spannungen ergibt das

einlaßtemperatur T₁ aufgetragen ist. Die Kurve A-B AiV-Korrektursignal.

zeigt die Grenze, die in dem Temperaturbereich von Eine gut geeignete beispielhafte Ausführungsform dem Wert beim Start (hier angenommen als 288° K der Pumpe und der zu ihr gehörenden Steuerorgane oder 15° C) nach oben eingehalten werden muß, und 50 ist in der F i g. 9 dargestellt. Die Pumpe 41 ist eine man sieht, daß dieser Grenzwert mit der Temperatur bekannte Pumpe mit veränderbarem Hub, die einen zunimmt, aber die Zunahme sich verkleinert. Wenn Rotor 42 aufweist, der auf einer Welle 43 sitzt. In — wie in der Darstellung der Fig. 2 — NhIY₁ sich den Rotor sind eine größere Zahl von Tauchkolben über denjenigen Wert erhöhen kann, der beim Start 44 eingebaut, deren Hub durch Änderung der Einvorhanden ist, d. h. wenn keine Begrenzung von 55 stellung einer Taumelscheibe 45 geändert wird. Die NI^T₁ vorhanden ist, wird der Grenzwert von A^x Einstellung der Taumelscheibe 45 wird durch die jebei niedrigen Temperaturen durch die Kurve A-C weilige Stellung eines Servokolbens 46 bestimmt, der dargestellt; diese Begrenzung ist notwendig, um ein über ein Servoventil 47 gesteuert wird.
»Pumpen« zu vermeiden. Wenn andererseits NIfT₁ Der Brennstoff wird der Pumpe über eine Leitung auf den Startwert begrenzt ist, wie in den Ausfüh- 6° 48 zugeführt und durch eine Druckleitung 49 von rungsbeispielen der Fig. 4 und 6, wird der Grenz- der Pumpe weiterbefördert. Der unter Überdruck wert A^x durch die Linie A-D dargestellt, d. h., er stehende Brennstoff wird von der Leitung 49 über bleibt bei Temperaturen, die unterhalb des Start- eine Leitung 50 zwecks Benutzung als Servofiüssigwertes liegen, konstant. Das durch den Funktions- keit zu dem Servoventil geleitet, während Ablaufgenerator gegebene Steuersignal ist dann proportional 65 leitungen 51 von dem Servoventil zurück zu dem zu Werten von A^X _L, wie sie durch den Linienzug Zulauf des Brennstoffes, d. h. in die Leitung 48 C-A-B oder D-A-B gegeben sind, je nachdem in führen. Das Servoventil ist so an die Leitungen angewelcher Weise die Regelung erfolgt. schlossen, daß über die Rohre 52 und 53 Flüssigkeit

auf jede der beiden Seiten des Servokolbens 46 geleitet werden kann.

Die Welle 43 der Pumpe wird entweder unmittelbar von dem Maschinensatz des Triebwerkes angetrieben oder durch einen Motor, der seinerseits von dem Generator gespeist wird, der auch das iV-Signal an das Korrekturgerät 17 liefert. Die Lage des Servoventil wird durch ein Solenoid 54 bestimmt, dessen Wicklung durch das A iV-Korrektursignal gespeist wird. Wenn der Wert JiV gleich Null ist, be- ίο findet sich auch das Servoventil in der dargestellten Nullstellung, wobei der Servokolben 46 und die Taumelscheibe 45 in einer Einstellung gehalten werden, bei der eine bestimmte Menge der Brennstoffzufuhr Q_F eingehalten wird. Bei einem positiven oder negativen A N-Korrektursignal bewegt sich das Servoventil in einem geeigneten Sinne, um Servoflüssigkeit durch die Leitungen 52 und 53 fließen zu lassen, die den Servokolben 46 verstellt und die Neigung der Taumelscheibe derart verändert, daß die ao Menge des geförderten Brennstoffes Q_F in einem korrigierenden Sinne verändert wird und die Drehzahl des Maschinensatzes des Triebwerkes auf den gewünschten Wert kommt; danach kehrt das Servoventil wieder in seine Nullstellung zurück.

Die Brennstoffdruckleitung 49 ist auch mit der Brennstoffzuführleitung 48 durch eine Überlaufleitung 55 und ein Überlaufventil 56 verbunden. Dieses Ventil wird durch ein Solenoid 57 gesteuert, dem ein elektrisches Signal zugeführt wird, das proportional zu dem WeTtP₁ ist. Dieses Signal wird von einem auf Druck empfindlichen Organ an der Einlaßseite des Kompressors abgenommen.

Es dürfte klar sein, daß das //-Signal auch benutzt werden könnte, um das Überlaufventil 55 zu steuern und das P^Signal für die Steuerung des Servoventils 47; es könnten auch beide Signale zusammen für die Steuerung des Servoventils verwendet werden. Bei der Verwendung einer Pumpe mit konstanter Förderleistung könnten auch die beiden Signale AN und P₁ benutzt werden, um ein Überlauf- oder Rücklaufventil in geeigneter Weise zu steuern.

Die oben beschriebenen unterschiedlichen Ausführungen der Pumpenregelung sind sämtlich bei allen drei dargestellten Ausführungsbeispielen der Steuerungsanordnung verwendbar. Bei der Anordnung gemäß Fig. 4 kann das NZ][T₁ -Meßgerät 18 so ausgeführt sein, wie es in der britischen Patentschrift 759 261 beschrieben ist; der temperaturempfindliche Widerstand ist in dem Kompressoreinlaß angeordnet, um das Tj-Signal zu liefern, und das iV-Signal wird von einem Generator abgenommen, den der Maschinensatz antreibt. Die elektrische Spannung des Meßgerätes 18 wird mit einer konstanten Spannung verglichen, die proportional zu dem Wert [Nj]JT₁)R ist, und die Differenz dient zur Betätigung des Umschalters 20. Dieser wird in einem Sinne gesteuert, daß er von dem AN- zu dem /!(AVyr^-Signal übergeht mit Hilfe eines Relais, das durch einen Wert des W]/7^-Signals gesteuert wird, welches den Wert (N₁^f₁)R um einen Betrag übersteigt, der größer ist als diejenige Abweichung, die während eines normalen, im Zusammenhang mit der Erläuterung der F i g. 3 beschriebenen Übergangszustandes eintreten kann. Eine Zeitverzögerung ist in dem Relaisstromkreis vorgesehen, um ein »Schwingen« des Umschalters 20 zu verhindern. Der Umschalter kann wahlweise auch in Abhängigkeit von einem positiven

j/rJ-Signal gesteuert werden, das größer ist als der normale Übergangswert.

In dem Beispiel gemäß F i g. 6 ist das Tj-Signal, das dem Funktionsgenerator 31 zugeführt wird, die verstärkte Spannung eines Thermoelementes am Kompressoreinlaß und der Funktionsgenerator erzeugt ein elektrisches Signal, das sich mit der Temperatur 7'j ändert, beispielsweise wie es oben bei der Erläuterung der F i g. 8 beschrieben wurde.

Die Signale N_Rv N_K.₂, N_Rs, N_Ri und die A%-Signale werden aus Stromquellen konstanter Spannung entnommen.

Die Steuerungsanordnungen und Arbeitsweisen der Anordnungen, wie sie oben beschrieben wurden, sind lediglich als ausgewählte beispielhafte Anwendungen der Erfindung bei einem »einwelligea« Maschinensatz anzusehen, wie er in F i g. 1 dargestellt ist, sie könnten aber unter entsprechender Änderung auch für »zweiwellige« Maschinensätze, d. h. ein Doppel-Verbund- oder »By-passe-Gasturbinentriebwerk angewendet werden.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Steuerungsanordnung für ein Gasturbinenstrahltriebwerk ohne Nachverbrennung, in der eine Steuerung zur Änderung des Strahldüsenquerschnittes zwecks Schubänderung und eine z. B. auf die Kraftstoffzuteilung wirkende Regeleinrichtung zum Regeln der Triebwerksdrehzahl auf einen im wesentlichen konstanten Wert vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem mit für Überschall-Einströmgeschwindigkeit ausgelegtem Lufteinlaß (1) und für Überschallflug ausgelegter Strahldüse (6) versehenen Triebwerk die Steuerung (11, 12) zur Änderung des Düsenquerschnittes (A^x) und die Regeleinrichtung (17) zum selbsttätigen Regeln der Triebwerksdrehzahl (N) auf einen über zumindest einen Teil des Flugzustandbereiches des Triebwerkes konstanten Wert unabhängig voneinander sind.

2. Steuerungsanordnung nach Ansprach 1 für ein Triebwerk, das einen selbsttätig einstellbaren Mechanismus für das Anpassen des Lufteinlasses an unterschiedliche Flugbedingungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung dieses Mechanismus (37) in Abhängigkeit von der Fluggeschwindigkeit unabhängig von der Steuerung des Düsenquerschnittes (A^x) und der Regelung der Triebwerksdrehzahl (N) ist (Fig. 6).

3. Steuerangsanordnung nach Ansprach 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (17) für die Triebwerksdrehzahl diese nur oberhalb eines bestimmten Wertes der Kompressor-Einlaßtemperatur (T₁) konstant hält und in an sich bekannter Weise unterhalb dieses Wertes die Drehzahl (N) des Triebwerk-Maschinensatzes auf einen Wert einstellt, bei dem der Parameter NI]JT₁ konstant ist.

4. Steuerungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung zwei Korrekturgeräte (17, 19) enthält, von denen das erste (17), dem Mittel für das Zuführen eines der momentanen Maschinensatzdrehzahl (N) proportionalen Signals und eines der erforderlichen konstanten Drehzahl (N_R) proportionalen Referenzsignals zugeordnet sind, ein dieser Diffe-

renz der zugeführten Signale proportionales Fehlersignal (JN) bildet, das zweite (19), dem Mittel zugeordnet sind, die diesem Korrekturgerät ein dem Momentanwert des Parameters NZYf₁ entsprechendes sowie ein dem erforderlichen konstanten Wert von NZY₁ entsprechendes Referenzsignal (NZfY₁) _I{ zuführen, ein Fehlersignal A(NZyT₁) erzeugt, das proportional zu der Differenz der ihm zugeführten NZyY₁ -Signale ist, sowie eine Schaltvorrichtung (20) aufweist, die es gestattet, wahlweise eines der beiden Differenzsignale einer im Sinne einer Verringerung der jeweiligen Differenz wirkenden Stellvorrichtung (16) für die Kraftstoffzuteilung zuzuleiten, und die unterhalb eines maximalen Grenzwertes des Parameters NIyY₁ betätigt ist, um der Stellvorrichtung das Fehlersignal des ersten Korrekturgerätes, oberhalb dieses Wertes das des zweiten Korrekturgerätes zuzuführen (Fig. 4).

5. Steuerungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung ein Korrekturgerät enthält, dem Mittel zur Speisung des Korrekturgerätes mit einem der Momentandrehzahl des Maschinensatzes proportionalen Signal und einem Referenzsignal zugeordnet sind, das über einen Teil des Betriebsbereiches des Maschinensatzes proportional zu der gewünschten konstanten Drehzahl des Maschinensatzes ist, während es bei niedrigen Werten der Kompressoreinlaßtemperatur (T₁) derart von der Maschinensatzdrehzahl N abhängig ist, daß der Parameter (NZyT₁) im wesentlichen konstant bleibt, und Mittel zur Weiterleitung eines der Differenz der erwähnten Signale proportionalen Signals an eine Stellvorrichtung für die Brennstoffzufuhr, die durch das Differenzsignal in der Weise gesteuert wird, daß die Brennstoffzufuhr und damit die Drehzahl des Maschinensatzes in einem Sinne geregelt wird, der die Differenz verringert.

6. Steuerungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Begrenzungsvorrichtung (15), die in der Lage ist, in an sich bekannter Weise eine unterste Grenze für die Einstellung des engsten Durchlaßquerschnitts (A^x) der Strahldüse (6) in Abhängigkeit von der Kompressoreinlaßtemperatur (T₁) zu bestimmen.

7. Steuerungsanordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Mittel, die es gestatten, die Begrenzungsvorrichtung (15) umzuschalten, um eine untere Grenze für den Durchlaßquerschnitt (A^x) der Strahldüse (6) unabhängig von der Kompressor-Einlaßtemperatur (T₁) festzulegen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 899 299;
schweizerische Patentschrift Nr. 286 977;
britische Patentschriften Nr. 788 359, 759 261;
Zeitschrift für Flugwissenschaften, 5. Jahrgang, H. 7 (Juli 1957), S. 198 bis 204.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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