DE2827581C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Brennstoff-Steuereinrich­ tung für ein Gasturbinentriebwerk, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1.

Aus der DE-OS 16 01 604 ist eine Brennstoff-Steuereinrich­ tung für ein Gasturbinentriebwerk bekannt, die in der Kraftstoffzuleitung zwischen der Kraftstoffpumpe und den Brennern des Triebwerks ein Brennstoff-Stellventil enthält. Mit dem Brennstoff-Stellventil wird die Menge des zu den Brennern gelangenden Kraftstoffes dosiert. Zur Betätigung des Brennstoff-Stellventils ist ein Hebelgetriebe vorge­ sehen, das mit dem Schubhebel gekuppelt ist. Außerdem greift in das Hebelgetriebe eine vom Triebwerkseinlaß­ druck gesteuerte Vorrichtung ein, die das Übersetzungs­ verhältnis im Hebelgetriebe zwischen dem Schubhebel und dem Brennstoff-Stellventil verändert.

Zufolge dieser Anordnung folgt die Verstellung des Brennstoff-Stellventils verzögerungsfrei der Verstel­ lung des Schubhebels. Der Pilot muß deswegen bei der be­ kannten Brennstoff-Steuereinrichtung selbst darauf ach­ ten, den Schubhebel nicht zu schnell zu verstellen, da­ mit keine überhöhten Abgastemperaturen entstehen.

Aus der US-PS 33 93 691 ist eine hydromechanische Be­ tätigungseinrichtung für das Brennstoff-Stellventil bekannt. Die unmittelbare Betätigung des Brennstoff- Stellventils geschieht über die Kolbenstange eines Druckmittelzylinders, dessen Kolben eine Drosselbohrung enthält. Die kolbenstangenseitige Zylinderkammer wird über eine Hydraulikleitung mit einem unter einem kon­ stanten Druck stehenden Hydraulikfluid beaufschlagt und strömt durch die Drosselbohrung in dem Kolben in die andere Zylinderkammer. Aus dieser Zylinderkammer kann das Fluid über ein Rohr abströmen, das gegenüber der Kolbenstange mit dem Kolben verbunden ist. Dieses Rohr führt aus der rückwärtigen Zylinderkammer heraus und besitzt an seinem freien Ende einen Ventilsitz für ein Ventilverschlußstück, das über ein Hebelgetriebe von Schubhebel in Richtung auf den Ventilsitz oder von dem Ventilsitz weg bewegt werden kann.

Im stationären Zustand werden die beiden Zylinderkammern des Druckmittelzylinders ständig von dem Hydraulikfluid durchströmt, wobei sich aufgrund des Differenzdrucks an dem Kolben in dem Druckmittelzylinder und dem Spalt zwischen dem Ventilverschlußglied und dem Ventilsitz an dem Rohr ein Gleichgewichtszustand einstellt, der das Brennstoff-Stellventil in der entsprechenden Lage hält.

Zur Vergrößerung der Triebwerksdrehzahl wird das Ventil­ verschlußglied von dem Ventilsitz weg bewegt, so daß auf der der Kolbenstange abliegenden Seite des Kolbens der Druck in der entsprechenden Zylinderkammer praktisch schlagartig zusammenbricht und der volle druck des Hydrau­ likfluids in der kolbenstangenseitigen Zylinderkammer zur Wirkung kommen kann. Der Kolben wird deswegen prak­ tisch verzögerungsfrei der Verstellung des Ventilver­ schlußgliedes folgen. Bei der bekannten Einrichtung hat der Druckmittelzylinder nur den Zweck, aufgrund der Hy­ draulikunterstützung die erforderliche Betätigungskraft am Schubhebel zu verringern. Im übrigen folgt die Ver­ stellung des Brennstoff-Ventils verzögerungsfrei der Schubhebelbetätigung, denn die Drossel in dem Kolben des Druckmittelzylinders ist bei der Verstellung in Richtung auf höhere Drehzahlen wirkungslos. Der Pilot muß auch hier darauf achten, den Schubhebel nicht zu schnell zu verstellen, weil es sonst zu gefährlichen Abgastemperaturen kommen kann.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, eine Brennstoff-Steuereinrichtung zu schaffen, die beim Ausfall insbesondere einer elektronischen Hauptsteue­ rung eine Begrenzung der Verstellgeschwindigkeit des Brennstoff-Stellventls zur Vermeidung einer versehent­ lichen Triebwerksüberlastung vorzusehen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Brennstoff- Steuereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Im normalen Betriebsfall übernimmt es die elektronische Hauptsteuerung, die Verstellung des Brennstoff-Stell­ ventils auf ungefährliche Werte zu begrenzen. Der Pilot ist insoweit entlastet und kann beliebig schnell die Schubhebelstellung verändern, ohne daß es zu gefährlichen Triebwerkszuständen kommen kann. Es ist deswegen beson­ ders gefährlich, wenn die elektronische Hauptsteuerung ausfällt und die Einstellung des Brennstoff-Stellventils mechanisch vom Schubhebel aus vorgenommen wird. Der Pi­ lot hat sich auf die selbsttätige Begrenzung der Ver­ stellgeschwindigkeit eingerichtet. Es ist deswegen von besonderem Vorteil, wenn die Reservesteuereinrichtung ebenfalls den Piloten von der Überwachung der Geschwin­ digkeit entlastet, mit der Änderungen des Brennstoff- Zustroms während des Triebwerksbetriebes ausgeführt wer­ den.

Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand von Unter­ ansprüchen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegen­ standes der Erfindung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine Brennstoff-Steuereinrichtung mit zugeordne­ ter Reservesteuereinrichtung in schematischer Blockdarstellung und

Fig. 2 den hydromechanischen Verstärker und die ver­ stellbare Drossel der Brennstoff-Steuereinrich­ tung nach Fig. 1 in einer schematischen Schnitt­ darstellung.

In Fig. 1 ist in einem Blockschaltbild die neue Brennstoff-Steuer­ einrichtung allgemein mit 30 bezeichnet. Die Brennstoff-Steuerein­ richtung 30 enthält einen ersten elektronischen Brenn­ stoffsteuerungs-Computer 32, der eine Anzahl von Ein­ gangssignalen 34 empfängt, von denen jedes für einen jeweils ausgewählten Betriebsparameter des Triebwerks kennzeichnend ist. Typische solche Parameter umfassen den Bläsereinlaßdruck, die Bläsereinlaßtemperatur, die Bläserdrehzahl, die Läuferdrehzahl, die Verdichterausgangs­ temperatur, die Turbineneinlaßtemperatur und den Schubhebel­ winkel; jeder dieser Parameter kann von dem Computer 32 dazu benutzt werden, ein elektronisches Ausgangssignal 36 abzugeben, das dazu herangezogen werden kann, dem Trieb­ werk in einer ersten Steuerungsweise Brennstoff zuzu­ messen. Eine vollständige Beschreibung des Computers 32 ist für das Verständnis der Erfindung nicht notwendig und deshalb weggelassen.

Die Brennstoff-Steuereinrichtung 30 weist eine mechanische Reservesteue­ rung 38 auf, die dazu benutzt werden kann, die Brennstoff­ versorgung und die jeweilige Stellung veränderlicher Ele­ mente des Triebwerks in Abhängigkeit von der von dem Piloten gewählten Schubhebelstellung so einzustellen, daß eine be­ stimmte Größe des Schubes oder der Drehzahl er­ reicht wird, wobei außerdem die Einstellung in Abhängigkeit von dem die Größe des am Einlaß des Triebwerks herrschenden Gesamtdruckes angebenden Drucksignal 42 (P _{T 2}) erfolgt. Das mechanische Stellungssignal 40 oder α, welches den jeweils gewünschten Prozentwert des maximal möglichen Schubes an­ gibt, wird durch eine geeignete Kopplung entsprechend der von dem Piloten gewählten Einstellung des Schubhebels erzeugt.

Die Signale 40, 42 werden in einen Verstärker und Begrenzer 44 eingespeist, der das Signal 40 verstärkt und außerdem in Abhängigkeit von dem Drucksignal 42 die Geschwindigkeit begrenzt, mit der eine Veränderung des Stellungssignales 40 einem Brennstoff-Stellventil 52 zugeleitet wird. Der Geschwindigkeitsbegrenzer 44 ist deshalb vorgesehen, weil die Beschleunigungsfähigkeit des Triebwerks begrenzt ist und deshalb die Änderungsgeschwindigkeit der Brenn­ stoffzufuhr für das Triebwerk unter bestimmten Grenzwerten liegen muß, um ein Überdrehen oder Übertemperaturen zu vermeiden. Wenn deshalb der Pilot die Schubhebelstellung in dem Flugzeug und damit der Größe des Stellungssignales 40 verändert, begrenzt der Begrenzer 44 die Geschwindig­ keit, mit der die Änderung des verstärkten Signales 40 als Signal 46 (α′) dem Brennstoff-Stellventil 52 des Triebwerks zugeleitet wird. Wie im einzelnen noch erläutert wird, gestattet der Begrenzer 44 bei niedrigen Flughöhen eine raschere Übermittlung von Änderungen des Signales 40 als bei größeren Flughöhen, bei denen die Grenzwerte der maximal zulässigen Beschleunigung niedriger liegen. Diese Merkmale der Erfindung werden im einzelnen noch anhand von Fig. 2 erläutert werden.

Ein Wähler 48 erhält ein elektrisches Ausgangssignal 36 und ein mechanisches Ausgangssignal 46; er gibt ein Brenn­ stoffdosiersignal 50 an das Brennstoff-Stellventil 52 ab, das seinerseits dem Gasturbinentriebwerk Brennstoff mit einem Mengenstrom W _f zumißt. Der Wähler 48 ist, allgemein gesprochen, dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von dem Computerausgangssignal 36 das Brennstoffdosiersignal 50 abzugeben, wenn der primäre elektronische Brenstoffsteue­ rungs-Computer 32 ordnungsgemäß arbeitet. Für den Fall eines fehlerhaften Arbeitens oder Versagens des Computers 32 oder anderer diesem zugeordneter Teile kann der Wähler 48 ein Dosiersignal 50 abgeben, welches im wesentlichen dem von der Reservesteuerung 38 empfangenen mechanischen Ausgangs­ signal 46 entspricht.

Einem zweiten Wähler 53 wird ein mechanisches Ausgangs­ signal 46 zugeleitet. Außerdem empfängt der Wähler ein Steuersignal 54 für die veränderliche Geometrie, welches von einem elektronischen Steuercomputer 56 für die ver­ änderliche Geometrie geliefert wird. Der Computer 56 empfängt außerdem eine Anzahl von Eingangssignalen 58, von denen jedes für einen bestimmten eigenen Betriebs­ parameter des Triebwerkes kennzeichnend ist und dazu dient, verstellbare Konstruktionselemente des Gasturbinen­ triebwerkes, wie etwa die veränderlichen Statoren des Ver­ dichterteils des Triebwerkes oder dem Gasauslaßteil des Gasturbinentriebwerkes zugeordnete verstellbare Düsen zu verstellen. Der Wähler 53 kann ähnlich wie der Wähler 48 wirken. Wenn der Computer 56 ordnungsgemäß arbeitet, gibt der Wähler in Abhängigkeit von dem von dem Computer 56 gelieferten Steuersignal 54 ein für die jeweilige Stellung der veränderlichen Geometrie kennzeichnendes Signal 60 auf ein Steuerventil 61 für die veränderliche Geometrie. Falls der Computer 56 oder ihm zugeordnete Triebwerkteile, wie Triebwerksfühler, nicht ordnungsgemäß arbeiten oder aus­ fallen, kann der Wähler 53 ein Stellungssignal 60 abgeben, das im wesentlichen dem der Hilfssteuerung 38 zugeordneten mechanischen Signal 46 entspricht. Das Steuerventil 61 stellt die verstellbaren Teile des Gasturbinentriebwerkes in die jeweils richtige Stellung β ein.

In Fig. 2 ist die Reservesteuerung 38 schematisch mit mehr Einzelheiten als in Fig. 1 veranschaulicht. Die Reservesteue­ rung 38 weist einen hydromechanischen Verstärker 62 und einen Geschwindigkeitsbegrenzer 64 auf. Der Verstärker 62 ist von bekanntem Aufbau; er ist mit einer Schieberventil- Servoeinheit 65 versehen, die in Strömungsverbindung mit einer Arbeitskolbeneinheit 66 steht. Die Servoeinheit 65 besteht im einzelnen aus einer länglichen Schieberstange 68, auf der eine Anzahl im Abstand angeordneter und im wesent­ lichen im Bereiche eines Endes der Schieberstange 68 vorge­ sehener Steuerflächen 70, 72, 74 größeren Durchmessers angeordnet sind. Die Steuerflächen 70, 72, 74 befinden sich in einer Zylinderkammer 76, die einen Fluideinlaß 78 aufweist, welcher über eine Fluidzufuhrleitung 79 mit einer Quelle eines unter Druck stehenden Hydraulik­ fluids verbunden ist. Außerdem verfügt die Zylinderkammer 76 über zwei Auslässe 80, 82, die ihrerseits mit einem nicht dargestellten Sumpf über eine Leckleitung 84 in Verbindung stehen. Ferner stellt ein Auslaß 86 über eine Leitung 88 eine Verbindung zwischen der Zylinder­ kammer 76 und einer Seite eines Arbeitskolbens 90 her, welcher in einer Zylinderkammer 92 der Arbeitskolbeneinheit 66 verschieblich gelagert ist. Ein Auslaß 94 verbindet da­ neben über eine Leitung 96 die Zylinderkammer 76 mit der zweiten Seite des Arbeitskolbens 90. Der Arbeitskolben 90 ist an einer sich durch die Arbeitskolbeneinheit 66 er­ streckenden Stange 98 befestigt. An einem Ende 100 der Stange 98 ist bei 99 ein Ende 101 eines Teiles 102 eines Eingangshebelgestänges schwenkbar befestigt. Das andere Ende 103 der Stange 98 kann das mechanische Stellungs­ signal 46 auf die Wähler 48, 53 geben. Das Hebelgestänge­ teil 102 ist außerdem an einer Zwischenstelle 104 schwenk­ bar an der Schieberstange 68 der Servoeinheit 65 befestigt, während es an einem an seinem Ende 110 vorgesehenen Gelenk­ punkt 108 mit einem Gestängeteil 106 gelenkig verbunden ist. Der Gestängeteil 106 dreht sich in Abhängigkeit von einer Änderung der Stellung des von der Bedienungsperson zu be­ tätigenden Schubhebels des Triebwerks um die Achse X-X, so daß die jeweilige Winkelstellung α des Gestänge­ teiles 106 das Signal 40 ergibt.

Um mit der Beschreibung der Betriebsweise des Verstärkers 62 fortzufahren, sei darauf hingewiesen, daß dieser in Fig. 2 in seinem Ruhezustand dargestellt ist, d. h. in der Stellung, die er einnimmt, wenn das Triebwerk im Beharrungs- oder Dauerbetriebszustand arbeitet. In diesem Beharrungs­ zustand überdecken die Steuerflächen 70, 72, 74 die Aus­ lässe 80, 82 und den Einlaß 78. Die Mediumskammer 92 ist deshalb von der Mediumsverbindung mit der Mediumszufuhr­ leitung 79 und der Leckleitung 84 abgesperrt. Wenn nun der Pilot des Flugzeugs den von dem Gasturbinentriebwerk abgegebenen Schub verändern will, verstellt er den Leistungs- Hebel in dem Flugzeug, wodurch wiederum die Winkelstellung des Gestängeteils 106 eine Veränderung erfährt und damit eine Änderung des Brennstoffzustroms zu dem Triebwerk erforderlich wird. Wenn beispielsweise ein erhöhter Schub oder Brennstoffzustrom gewünscht werden, so wird das Ge­ stängeteil 106, bezogen auf Fig. 2, im Uhrzeigersinn ver­ dreht. Da die Auslässe 80, 82 in der dem Beharrungszustand entsprechenden Schieberstellung abgesperrt sind, ist der Arbeitskolben 90 hydraulisch ortsfest verriegelt, so daß das Gestängeteil 102 um den Gelenkpunkt 99 verschwenkt wird. Die Verschwenkung des Gestängeteils 102 im Uhrzeigersinn hat zur Folge, daß die Schieberstange 68, bezogen auf Fig. 2, nach rechts verschoben wird, womit eine Strömungsverbindung zwischen dem Einlaß 78 und dem Auslaß 86 hergestellt wird, und somit Druckfluid auf die rechte Seie des Arbeitskolbens 90 gelangt. Gleichzeitig wird eine Verbindung zwischen dem Auslaß 82 und dem Auslaß 94 hergestellt, womit Medium von der linken Seite des Arbeitskolbens 90 in den Sumpf zurück­ strömen kann. Damit bewegt die rechte Seite des Arbeitskol­ bens 90 beaufschlagendes Druckfluid den Arbeitskolben 90 nach links, wobei Druckfluid auf der linken Seite des Arbeitskolbens 90 in den Sumpf gefördert und der Brennstoff­ zustrom zu dem Triebwerk und die jeweilige Stellung ver­ stellbarer Bauteile des Triebwerkes verändert werden. Durch die Bewegung des Arbeitskolbens 90 wird das Gestängeteil 102 um den Gelenkpunkt 108 im Uhrzeigersinn verschwenkt, wobei durch diese Bewegung die Schieberstange so weit nach links geschoben wird, bis die Steuerflächen 72, 74 wieder die Einlässe 78, 82 absperren, womit sich das ganze System wieder in einem Beharrungs- oder Ruhezustand befindet, aber das Gasturbinentriebwerk nunmehr mit einer vergrößerten Schubabgabe arbeitet. Das Maß der Veränderung der Winkel­ stellung des Gestängeteiles 106 bestimmt die Größe der Auswanderung des Arbeitskolbens 90 und damit die Größe der Schubzunahme. Umgekehrt kann eine Verkleinerung des Trieb­ werkschubes dadurch erreicht werden, daß das Gestängeteil 106 im Gegenuhrzeigersinn verdreht wird, womit die Schieber­ stange 68 nach links verschoben und der Arbeitskolben 90 nach rechts bewegt werden.

Außerdem ist ein Begrenzer 64 vorgesehen, um die Ge­ schwindigkeit der Änderung des Brennstoffzustroms zu dem Gasturbinentriebwerk in Abhängigkeit von dem Gesamtdruck P _{T 2} am Triebwerkseingang begrenzt. Die Begrenzung der Geschwin­ digkeit der Änderung des Brennstoffzustroms wird dadurch erreicht, daß die Geschwindigkeit, mit der das Brennstoff- Stellventil 52 eine Änderung des Schubhebelwinkels empfängt oder in anderen Worten die Geschwindigkeit, mit der ein für die Größe einer gewünschten Änderung des Brennstoffzustro­ mes kennzeichnendes Signal von dem Brennstoffregelventil 52 empfangen wird, begrenzt wird. Wie aus Fig. 2 zu ersehen, liegt in der Rückleitung 84 ein eine verstellbare Drossel 112, die die Aufgabe hat, das Abströmen des Hydraulikfluids der Servoeinheit von der Niederdruckseite des Arbeitskolbens 90 aus unter vorübergehenden (transienten) Betriebsbedingungen wahlweise zu drosseln. Wenn deshalb die Winkelstellung des Gestängeteils 106 verändert wird und damit eine gewünschte Änderung der Größe des Brennstoffzustroms zu dem Gasturbi­ nentriebwerk angezeigt wird, begrenzt der Begrenzer 64 den Mengenstrom mit dem Hydraulikfluid aus der Servoeinheit von der Niederdruckseite des Arbeitskolbens 90 abströmen kann. Dadurch wird seinerseits die Geschwindigkeit begrenzt, mit der der Arbeitskolben 90 sich in der Zylinderkammer 92 verschiebt, womit eine entsprechende Begrenzung der Ge­ schwindigkeit erfolgt, mit der die Änderung der Größe des Brennstoffzustroms erfolgt. Die verstellbare Drossel 112 verstellt die veränderliche Mediumsdurchtrittsfläche A ₁ proportional zu dem Gesamteinlaßdruck P _{T 2} des Triebwerks. Wenn P _{T 2} groß ist, wie dies bei Flugbedingungen auf Meeres­ höhe der Fall ist, ist A ₁ groß, womit die Geschwindigkeit der Verschiebebewegung des Arbeitskolbens 90 in der Zylinder­ kammer 92 ebenfalls verhältnismäßig groß ist. Ist anderer­ seits P _{T 2} niedrig, wie dies bei großen Flughöhen der Fall ist, so ist A ₁ klein. Unter dieser Bedingung wird die Ab­ strömung von Medium von der Niederdruckseite des Arbeits­ kolbens 90 gedrosselt, womit sich der Arbeitskolben 90 mit geringerer Geschwindigkeit verschiebt, mit dem Ergebnis, daß sich eine verringerte Geschwindigkeit der Änderung des Brennstoffzustroms zu dem Gasturbinentriebwerk ergibt.

Claims (2)

1. Brennstoff-Steuereinrichtung für ein Gasturbinentriebwerk, mit einem den Brennstoffzustrom zu dem Triebwerk do­ sierenden und von Triebwerksparametern abhängig ge­ steuerten Brennstoffstellventil und einer Einrichtung zur Erzeugung eines für die Größe des jeweils gewünsch­ ten Brennstoffzustromes zu dem Triebwerk kennzeichnen­ den mechanischen Stellungssignales, in dessen Abhängig­ keit dem Triebwerk durch das Brennstoffstellventil Brennstoff zumeßbar ist, wobei zwischen der ersten Einrichtung und dem Brennstoff-Stellventil ein hydro­ mechanisches Übertragungssystem angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reservesteuereinrichtung (38) für das Brennstoffstellventil vorgesehen ist, die ei­ nen hydromechanischen Verstärker (62) aufweist, durch den das Stellungssignal (40, α) verstärkbar ist, daß dem Brennstoffstellventil (52) das verstärkte Signal zugeführt wird, daß der hydromechanische Verstärker (62) über eine erste Leitung (79) mit einer Druckfluid­ quelle und über eine zweite Leitung (84) mit einem Druckfluidsumpf in Verbindung steht, und daß die Reservesteuereinrichtung (38) für den hydromechanischen Verstärker (62) eine Einrichtung (64) zum Begrenzen der Änderungsgeschwindigkeit für das dem Brennstoffstell­ ventil (52) zugeführte verstärkte Signal aufweist, die in einer verstellbaren Drossel (112) besteht, die in der zweiten Fluidleitung (84) liegt und durch die der Mengenstrom des Fluids durch die zweite Leitung (84) begrenzbar ist.

2. Brennstoff-Steuereinrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die verstellbare Drossel (112) in Abhängigkeit von dem Triebwerkseinlaßdruck (P _{T 2}) zu verändern ist.