DE3223165A1 - Temperatur- sowie temperatur- und druckabhaengiger stellantrieb - Google Patents

Description

Temperatur- sowie temperatur- und druckabhängiger

Stellantrieb

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Stellantriebe und betrifft insbesondere einen Stellantrieb, der eine vorbestimmte Zeitverzögerung erzeugt, bevor er ein gesteuertes Teil automatisch in eine Ausgangsstellung zurückstellt, aus der er es zuvor verstellt hat.

Es ist ein übliches Ziel bei der Konstruktion, beispielsweise von Hochleistungsgasturbinentriebwerken, die Leistung von in diesen vorhandenen Axialverdichtern unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu optimieren. Ein Verfahren zum Erreichen dieses Ziels besteht darin, Verdichter mit einer Reihe von winkelverstellbaren Leitschaufeln vorzusehen. Wärend des normalen Triebwerksbetriebes wird der Winkel dieser Leitschaufeln gemäß einem vorbestimmten Plan entsprechend der Drehzahl, dem Schub oder anderen Triebwerksbetriebs-

Parametern eingestellt, um die Verdichterleistungsfähigkeit zu optimieren.

Außer zum Optimieren der Verdichterleistungsfähigkeit kann das öffnen der winkelverstellbaren Leitschaufeln benutzt werden, um verschiedene Triebwerksbetriebsparameter zu steuern, wie beispielsweise die Turbineneinlaßtemperatur stromabwärts des Verdichters, die Abgastemperatur und die Fandrehzahl. Beispielsweise ist es allgemein erwünscht, die Winkelstellung der verstellbaren Leitschaufeln während der Triebwerksbeschleunigung und während der Ausbildung der Schubabgabe zu steuern. Die normale Art und Weise des Vergrößerns der Schubabgabe eines Gasturbinentriebwerks besteht darin, die dem Verbrennungssystem zugeführte Brennstoffmenge zu vergrößern. Die hohe Brennstoffzufuhr, die zum Beschleunigen des Triebwerks erforderlich ist, führt zu einer Zunahme des Verbrennungsdruckes in dem Brenner. Diese wiederum verkleinert die Luftströmung an der Rückseite des Verdichters und kann zu einem Drosselungszustand mit Strömungsabriß an den Leitschaufeln führen, wodurch die über diese hinweggehende Luftströmung turbulent wird, was eine geringere Luftströmung und eine Verringerung des Druckverhältnisses und demgemäß einen Verlust an Triebwerksleistung mit sich bringt.

Zum Vermeiden des oben erwähnten nachteiligen Zustands kann die Winkelstellung der Leitschaufeln eingestellt werden. Wenn die Winkelstellung nicht eingestellt wird, kann beim Erreichen einer gewünschten Triebwerksdrehzahl die Temperatur des in die Turbine eintretenden Gases die Turbinenentwurfsgrenze übersteigen und zu einer beträchtlichen Verringerung der Lebensdauer des Turbinentriebwerks führen. Dieses Turbinenübertemperaturproblem kann minimiert werden, indem die Winkelstellung verändert wird, um die öffnung der winkelverstellbaren Leit-

schaufeln zu reduzieren oder zu schließen. Die Turbinenübertemperatur dauert jedoch normalerweise nur eine kurze Zeitspanne, zum Beispiel ungefähr 30 s. Es ist deshalb erwünscht, einen Stellantrieb vorzusehen, der die Leitschaufeln für diese kurze Zeitspanne verstellen und anschließend die Leitschaufeln automatisch in ihre normalen Stellungen zurückstellen kann.

Ein Stellantrieb zum Einstellen der Winkelstellung von Leitschaufeln ist in der US-PS 3 628 329 beschrieben. Diese US-Patentschrift, auf die hier Bezug genommen wird, beschreibt einen auf die Triebwerkstemperatur ansprechenden Stellantrieb zum Positionieren eines gesteuerten Teils, um ein Korrektursignal zum Einstellen der winkelverstellbaren Leitschaufeln während Triebwerkstemperaturübergangszuständen zu erzeugen, wobei das Korrektursignal beim Zurückkehren des Stellantriebs in einen Nullzustand, der bei der Triebwerkstemperaturstabilisierung auftritt, im wesentlichen null wird.

Dieser bekannte Stellantrieb enthält eine massive Stange, die koaxial innerhalb einer perforierten Büchse mit Abstand von dieser angeordnet und mit ihren Enden an entsprechenden Enden derselben starr befestigt ist. Im Betrieb wird Verdichterzwischenstufenheißluft mit der Stange und der Büchse in Berührung gebracht, was zur Folge hat, daß die Stange und die Büchse sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten thermisch ausdehnen. Während vorübergehenden Änderungen der Verdichterzwischenstufenlufttemperatur ist eine relativ unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen der Stange und der Büchse vorhanden. Diese Wärmeausdehnungsdifferenz wird benutzt, um das gesteuerte Teil zum vorbestimmten Positionieren der Verstelleitschaufeln zu positionieren. Nach dem Verstreichen einer endlichen Zeitspanne werden die Temperaturen der Stange und der Büchse gleich, und die Wärmeausdehnungsdifferenz

wird im wesentlichen null, wodurch die Leitschaufeln automatisch in eine normale Position zurückggestellt werden.

Dieser bekannte Stellantrieb kann außerdem benutzt werden, um das thermische Ubergangsverhalten des Triebwerks zu kompensieren, das, wenn es nicht kompensiert wird, dazu führen kann, daß die Fandrehzahl über- oder unterschwingt und daß die Abgastemperatur überschwingt, nachdem eine neue Fandrehzahl auf der Triebwerkssteuertafel eingestellt worden ist. Insbesondere w,ird während des Betriebes des Gasturbinentriebwerks der Gashebel von einer niedrigeren Fandrehzahleinstellung, wie beispielsweise der Leerlaufeinstellung, auf eine gewünschte Fandrehzahl verstellt, und das Triebwerk wird dann zum Beschleunigen veranlaßt. Aufgrund der dem Triebwerk eigenen thermischen Eigenschaften kann die Istfandrehzahl beispielsweise am Anfang die Solldrehzahleinstellung überschwingen und nach einer relativ kurzen Zeitspanne auch die Solldrehzahleinstellung unterschwingen. Diese überschwing- und Unterschwingdrehzahlfehler können zu einer Verkürzung der Triebwerkslebensdauer aufgrund einer sich dadurch ergebenden Triebwerksübertemperatur führen und verhindern, daß die Schubabgabe des Triebwerks den erwarteten Abgabewert bei einer bestimmten Gashebeleinstellung erreicht. Der letztgenannte Gesichtspunkt kann wichtig sein, wenn das Triebwerk ein Flugzeug antreibt und eine Startschubabgabe genau aufrechterhalten werden muß. Der bekannte Stellantrieb kompensiert diese Drehzahlfehler, und die Erfindung stellt demgegenüber eine Verbesserung dar, indem sie für ein besseres Zeitverhalten und eine bessere Kompensation von Drehzahl- oder Temperaturfehlern, insbesondere von anfänglichen Überschwingfehlern, sorgt.

Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Stellantrieb zu schaffen, der ein besseres Zeitverhalten hat, d.h. schneller anspricht.

Weiter soll ein verbesserter Stellantrieb geschaffen werden, der nach dem Abfühlen der Temperatur ein Element entsprechend positioniert und anschließend das Element nach einem vorbestimmten Zeitintervall in dessen ursprüngliche Stellung zurückstellt.

Ferner soll ein verbesserter Stellantrieb geschaffen werden, insbesondere zum Verstellen von Flugzeuggasturbinentriebwerksleitschaufeln auf die Verdichterlufttemperatür hin und zum anschließenden Zurückstellen der Leitschaufeln in ihre ursprüngliche Stellung nach einem vorbestimmten Zeitintervall.

Die Erfindung schafft, kurz gesagt, einen Stellantrieb zum Positionieren eines steuerbaren Elements, der ein erstes und ein zweites wärmeausdehnbares Teil hat, von denen das erste Teil an einem Ende an einem Tragteil und am anderen Ende an einem Ende des zweiten Teils starr befestigt ist. Vorrichtungen sind vorgesehen, die eine Fluidströmung so leiten, daß sie mit beiden ausdehnbaren Teilen in Berührung kommt. Vorrichtungen zum Drosseln der Fluidströmung, die mit einem der Teile in Berührung ist, in einer ersten Betriebsart sind vorgesehen und bewirken, daß die anfängliche relative Wärmeausdehnungsdifferenz zwischen den beiden Teilen vergrößert wird. Die Vorrichtungen ermöglichen außerdem eine relativ ungedrosselte Strömung des Fluids in einer zweiten Betriebsart zum Verkleinern der relativen Wärmeausdehnungsdifferenz. Auf diese Weise werden das Zeitverhalten und das Kompensationsvermögen des Stellantriebs verbessert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 in Teilseitenansicht und teilweise im

Schnitt einen Stellantrieb nach der Erfindung ,

Ά-

Fig. 2 in einer vergrößerten Teilseitenansicht

das Auslaßende des Stellantriebs von ■ Fig. 1,

Fig. 3 eine Teilseitenansicht des Betätigungsen

des des Stellantriebs von Fig. 1 und

Fig. 4 ein Schema eines Gasturbinentriebwerks-

einlaßleitschaufelsteuersystems, in welchem der Stellantrieb nach der Erfindung benutzt wird.

Ein Stellantrieb nach der Erfindung ist in den Figuren dargestellt und insgesamt mit 10 bezeichnet. Der Stellantrieb

10 enthält ein langgestrecktes inneres Teil in Form einer massiven Stange 11, die von einem inneren Gehäuse in Form einer hohlzylindrischen Büchse 12 umgeben ist. Die Stange

11 und die Büchse 12 sind ihrerseits von einem äußeren Gehäuse in Form eines hohlzylindrischen Wärmeschildes 13 umgeben. Der Wärmeschild 13 und die Büchse 12 begrenzen einen im Querschnitt ringförmigen äußeren Strömungsdurchlaß 14 für eine Primärfluidströmung darin, und die Büchse 12 und die Stange 11 begrenzen einen im Querschnitt ringförmigen inneren Strömungsdurchlaß 15 für eine Sekundärfluidströmung darin.

Der Wärmeschild 13 hat an einem Ende ein Anschlußstück 16, das mit einem radialen Einlaß 17 eine öffnung für den Eintritt von Fluid, wie beispielsweise Heißluft, in das Innere des äußeren Durchlasses 14 des Stellantriebs 10 bildet. Die Büchse 12 ist unperforiert, mit Ausnahme von mehreren in umfangsmäßigem Abstand angeordneten Einlaßlöchern 18 unmittelbar neben dem Einlaß 17 für den Durchtritt eines Teils der Luft aus dem Einlaß 17 zu dem inneren Durchlaß 15.

Gemäß der deutlicheren Darstellung in Fig. 3 ist der Wärmeschild 13 mit einem Flansch 20 versehen, an welchem ein U-förmiger Winkel 21 befestigt ist. Der ü-förmige Winkel 21 hat zwei parallele Schenkel 22 und 23 und einen diese miteinander verbindenden Stegteil 24. Die Schenkel 22 und 23 sind mit öffnungen 25 bzw. 26 versehen, die in Fig. 1 dargestellt und ungefähr in der Mitte von deren Länge angeordnet sind, um ein freies Ende der Stange 11 aufzunehmen. Das freie Ende der Stange 11 erstreckt sich frei durch die öffnungen 25 und 26 in den Schenkeln 22 bzw. 23 und ist an dem Schenkel 22 mit Hilfe eines Gewindeteils 27 und einer Mutter 28 befestigt. Die öffnung 26 in dem Schenkel 23 ist so bemessen, daß sie zusätzlich ein zylindrisches Flanschende 30 der Büchse 12 aufnehmen kann/ mit dem sie so zusammenwirkt, daß dieses darin abgedichtet und verschiebbar ist.

Gemäß Fig. 1 ist eine Lager- und Dichtungsanordnung 31 auf der Stange 11 zwischen der inneren Fläche 32 des Flanschendes 30 der Büchse 12 und der äußeren Fläche der Stange 11 befestigt. Die Lager- und Dichtungsanordnung 31 wird an einer Axialbewegung längs der Stange 11 mittels eines an dieser vorgesehenen Flansches 33 und durch Berührung mit dem Schenkel 22 des Winkels 24 gehindert. Die Lager- und Dichtungsanordnung 31 ist so bemessen, daß sie mit der inneren Fläche 32 des Flanschendes 30 in Gleitberührung ist, um eine Relativbewegung der Stange 11 und der Büchse 12 zuzulassen und gleichzeitig eine Fluidleckage aus dem Stellantrieb 10 zu verhindern.

Gemäß Fig. 1 sind die rechten Enden der Stange 11 und der Büchse 12 starr miteinander verbunden, an einer Trennbewegung gehindert und so bemessen, daß sie in dem Wärmeschild 13 einen Längsgleitsitz haben.

In Fig. 2 ist das Auslaßende des Stellantriebs 10 ausführlicher gezeigt. Die Stange 11 ist mit einem Flanschendteil

versehen, der mit einem Flanschendteil 35 der Büchse 12 abdichtend zusammengepaßt ist. Ein mit Lappen versehenes ringförmiges Sicherungsblech 36 aus Metall ist koaxial um die Stange 11 angeordnet und befindet sich zwischen dem Flanschendteil 35 und einem Ende eines hohlzylindrischen Ventilgehäuses 37. Das Gehäuse 37 ist auf den Endteil 34 der Stange 11 aufgeschraubt und drückt das Sicherungsblech 36 gegen den Flanschendteil 35 der Büchse 12, der seinerseits gegen den Flanschendteil 34 der Stange 11 drückt und dadurch eine starre Verbindung und einen dichten Sitz ergibt. Der dichte Sitz verhindert eine Leckage der Sekundärfluidströmung aus dem inneren Durchlaß 15.

Das Ventilgehäuse 37, welches die Enden der Stange 11 bzw. der Büchse 12 starr miteinander verbindet, ist verschiebbar und koaxial und mit radialem Abstand in dem äußeren Gehäuse 13 gelagert, um eine Axialbewegung der Stange 11 und der Büchse 12 zu gestatten. Erreicht wird das durch Verwendung einer Ringdichtung 38, die in der inneren Fläche des äußeren Gehäuses 13 befestigt ist und abdichtend an einen ringförmigen Flanschteil 40 des Ventilgehäuses 37 anliegt, der zwischen dessen entgegengesetzten Enden angeordnet ist. Die Dichtung 38 verhindert eine Leckage der Primärfluidströmung aus dem äußeren Kanal 14.

Mehrere eine vorbestimmte Größe aufweisende, in gegenseitigem Umfangsabstand angeordnete und sich axial erstreckende Drosselbohrungen 41 (von denen in Fig. 2 nur eine gezeigt ist) sind in dem Flanschteil 40 des Ventilgehäuses 37 vorgesehen, um einen gesteuerten Auslaß für die Primärfluidströmung über einen axialen Auslaß 42 des Stellantriebs 10 und aus dem äußeren Durchlaß 14 zu schaffen. Das Steuern der durch den äußeren Durchlaß 14 hindurchgehenden Primärfluidströmung ist eine Möglichkeit des Steuerns der Menge an auf die Büchse 12 übertragener Wärme, um dadurch deren Tempera-

tür und Ausdehnungsgeschwindigkeit festzulegen. Je schneller sich die Büchse 12 in Längsrichtung ausdehnt, um so schneller wird im Betrieb der Stellantrieb 10 ansprechen, wie im folgenden ausführlich erläutert. Demgemäß können zusätzliche Drosselbohrungen (nicht gezeigt) in dem Wärmeschild 13 bei Bedarf vorgesehen werden, um die Primärfluidströmung weiter zu steigern und dadurch das Ansprechen des Stellantriebs 10 weiter zu beschleunigen.

Zwei einander rechtwinkelig schneidende und sich radial erstreckende Bohrungen 43 sind in dem Flanschende der Stange 11 vorgesehen und stehen mit einer sich axial erstreckenden Bohrung 44 darin in Verbindung, um einen Auslaß für die Sekundärfluidströmung aus dem inneren Durchlaß 15 zu schaffen. Die Bohrungen 43 und 44 bilden einen Durchlaß, der Fluid aus dem inneren Durchlaß 15 in einen zylindrischen Hohlraum 45 des Ventilgehäuses 37 leitet, welches einen Ventilsitz 46 hat, der eine axiale Auslaßöffnung für den Durchtritt der Sekundärfluidströmung aus dem Hohlraum 45 und dem inneren Durchlaß 15 aufweist.

Innerhalb des Hohlraums 45 ist ein Tellerventil angeordnet, das ein (aus Darstellungsgründen in teilweise geöffneter Stellung gezeigtes) Verschlußstück 47, eine Schraubenfeder 48 und eine Mutter 49 aufweist. Das Verschlußstück 47 hat einen Kopfteil in Form eines Ventiltellers an einem Ende, der außerhalb des Gehäuses 37 angeordnet ist und mit dem Ventilsitz 46 zusammenwirkt, und einen Schaftteil, der sich in Längsrichtung von dem Ventilteller aus in den Hohlraum 45 erstreckt. Die Schraubenfeder 48 des Tellerventils ist über dem Schaftteil des VerschlußStückes 47 und zwischen der Rückseite des Ventilsitzes 46 und der Mutter 49 angeordnet, welch letztere auf den Schaftteil des VerschlußStückes 47 aufgeschraubt ist, um die Feder 48 zusammenzudrücken und so den Ventilteller in eine geschlossene Stellung an dem Ventilsitz 46 zu ziehen.

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Das Ventilverschlußstück 47 verhindert den Durchtritt der Sekundärfluidströmung durch den inneren Durchlaß 15 während einer ersten Betriebsart bei niedrigen transienten Triebwerksrotordrehzahlen, wenn der Druck des Sekundärfluids nicht ausreicht, um die Kraft der Feder 48 zu überwinden. Das Verhindern oder Drosseln der Sekundarfluxdströmung durch den inneren Durchlaß 15 ist eine weitere Möglichkeit zum Festlegen des Zeitverhaltens des Stellantriebs 10.

Wenn das Erhitzen der Stange 11 durch die Sekundärfluidströmung verzögert wird, wird deren Längsausdehnung in bezug auf die Ausdehnung der Büchse 12 verzögert. Auf diese Weise wird die Ausdehnungsdifferenz zwischen der Stange 11 und der Büchse 12 vergrößert, wodurch sich eine kürzere Ansprechzeit ergibt. Während einer zweiten Betriebsart, die auftritt, wenn die Rotordrehzahl einen vorbestimmten Zwischenwert erreicht, welcher beispielsweise angegeben werden kann, wenn der Druck des Sekundärfluids einen entsprechenden vorbestimmten Wert erreicht, werden jedoch Kräfte, die auf das Verschlußstück 47 aufgrund der an diesem auftretenden Druckdifferenz einwirken, bewirken, daß das Verschlußstück 47 öffnet, wodurch Sekundärfluid gestattet wird, relativ ungedrosselt durch den inneren Durchlaß 15 zu strömen, um die Stange 11 zu erhitzen, damit diese sich ausdehnt und dadurch die Büchse 12 zurückzieht.

Zum Begrenzen des Ausmaßes, in welchem das Verschlußstück 47 öffnen und dadurch die Durchflußmenge an Sekundärfluid in dem inneren Durchlaß 15 steuern kann, ist ein Hubbegrenzungsteil 50 fest oder einstellbar mit dem äußeren Gehäuse 13 und innerhalb desselben in einem vorbestimmten Abstand von dem Ventilteller des Verschlußstückes 47 verbunden. Das Hubbegrenzungsteil 50 ist eine Scheibe mit mehreren in gegenseitigem Umfangsabstand angeordneten und sich axial erstrekkenden Löchern. Diese Löcher gestatten einen im wesentlichen

ungedrosselten Durchtritt von Fluid an dem Auslaßende des Stellantriebs 1Q. Das Hubbegrenzungsteil 50 ist ungefähr in dem erwähnten vorbestimmten Abstand zum Steuern der Sekundärfluidströmung in irgendeinem Triebwerk angeordnet, um das dem Triebwerk eigene thermische übergangsverhalten zu kompensieren, das, wie oben erwähnt, zu vorübergehenden unterSchwingfehlern führen kann.

Gemäß den Fig. 1 und 3 ist eine Vorrichtung vorgesehen zum Koppeln der Ausgangsbewegung des Stellantriebs 10 mit einem Element, dessen Position gesteuert werden soll, wie beispielsweise ein Steuerseilschutzrohr 51-.Eine solche Vorrichtung kann die Form von zwei zusammenwirkenden Hebeln 52 und 53 haben, die an dem Winkel 21 durch einen Stift 54 angelenkt sind. Die Betriebsstellung der Hebel 52 und 53 wird durch zwei zusammenwirkende Stifte 55 und 56 gesteuert, die sich durch die Hebel 52 bzw. 53 und außerdem durch das Flanschende 30 der Büchse 12 erstrecken. Die Bewegung der Hebel 52 und 53 wird mit dem Seilschutzrohr 51 geeignet gekoppelt, beispielsweise auf die in Fig. 3 gezeigte Weise. Somit führt eine Axialbewegung der Büchse 12 zu einer Axialbewegung des Seilschutzrohres 51, wobei das Ausmaß der Bewegung des Seilschutzrohres 51 von der Lange der Hebel 52 und 53 abhängt.

Die Axialbewegung der Büchse 12 wird folgendermaßen hervorgerufen: Verdichterzwischenstufenheißluft wird über die in dem Wärmeschild 13 gebildete öffnung 17 in das Innere des Stellantriebs 10 geleitet. Wenn das Ventilverschlußstück 47 während der ersten Betriebsart geschlossen ist, bildet die Heißluft eine Primärluftströmung, die nur durch den ringförmigen äußeren Durchlaß 14 hindurchgeht. Wenn die Primärheißluft über die Büchse 12 hinweggeht, verursacht sie eine Wärmeausdehnung derselben. Aufgrund der Tatsache, daß die Büchse mit der Stange 11 an dem Auslaßende des Stellantriebs fest verbunden ist, führt diese Wärmeausdehnung zu einer Bewegung

des Flanschendes 30 in Fig. 1 nach links. Diese Bewegung ruft eine entsprechende Bewegung der Stifte 55 und 56 hervor und bewirkt somit das Verschwenken der Hebel 52 und 53. Dieses Verschwenken erfolgt bei Betrachtung aus der in Fig. 3 gezeigten Richtung im Gegenuhrzeigersinn. Das Verschwenken führt seinerseits zu einer Bewegung des Seilschutzrohres 51 nach links. Die Bewegung des Seilschutzrohres 51 könnte selbstverständlich mit irgendeinem Element gekuppelt werden, dessen Position gesteuert werden muß.

Während der ersten Betriebsart während der das Ventilverschlußstück 47 geschlossen ist, ist die Sekundärluftströmung in dem inneren Durchlaß 15 gedrosselt, und deshalb erfährt die Stange 11 im wesentlichen keine Wärmeausdehnung, die die Wirkung des Ausdehnens der Büchse 12 kompensieren oder aufheben würde. Unter diesen Bedingungen ist die Ansprechzeit des Stellantriebes 10 am kürzesten.

Während der zweiten Betriebsart, während der der Druck der Verdichterzwischenstufenheißluft einen vorbestimmten Wert erreicht, wird dadurch eine ausreichende Kraft auf das Ventilverschlußstück 47 ausgeübt, um die Kraft der Feder 48 aufzuheben und das Ventilverschlußstück 47 zu öffnen. Wenn das Ventilverschlußstück 47 öffnet, geht ein Primärströmungsanteil der Heißluft durch den äußeren Durchlaß 14 und ein Sekundärströmungsanteil der Heißluft durch den inneren Durchlaß 15 hindurch.

Der Stellantrieb 10 ist, wie oben erwähnt, so ausgelegt, daß er die Bewegung eines Elements hervorruft, wenn ein gewisser Zustand in dem Gasturbinentriebwerk auftritt, und das Element automatisch zurückstellt, nachdem eine gewisse Zeit verstrichen ist. Das Zurückstellen des Seilschutzrohres 51 ergibt sich aufgrund der Ausdehnung der Stange 11, die die Büchse 12 zurückzieht. Die Sekundärströmung von Heißluft in

dem inneren Durchlaß 15 führt nicht nur zu einer Längsausdehnung der Büchse 12, sondern auch zu einer Zunahme der Temperatur und somit der Länge der Stange 11 . Aufgrund der Tatsache, daß die Stange 11 mit dem Winkel 21 fest verbunden ist, kann sie sich in Fig. 1 nur nach rechts ausdehnen. Als Ergebnis der festen Verbindung zwischen der Stange 11 und der Buche 12 an dem Auslaßende des Stellantriebs 10 bewirkt die Ausdehnung der Stange 11 nach rechts eine Rechtsbewegung und ein Zurückziehen der Büchse 12.

Weiter ist die Endposition des Flanschendes 30 der Büchse 12 die Summe der durch die Ausdehnung der Büchse 12 hervorgerufenen Linksbewegung und der durch die Ausdehnung der Stange 11 hervorgerufenen Rechtsbewegung. Die Linksbewegung ist nicht notwendigerweise gleich der Rechtsbewegung; sollten jedoch die Stange 11 und die Büchse 12 aus dem gleichen Material oder aus zwei Materialien, die gleiche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, bestehen und dieselbe effektive Länge haben, so wird die Endposition des Flanschendes 30 mit dessen Ausgangsposition vor dem Temperatureinfluß der durch den Stellantrieb 10 hindurchgehenden Heißluft übereinstimmen. Der Stellantrieb 10 kann deshalb ein sich selbst auf null einstellender Stellantrieb sein, der ein Element in Abhängigkeit von der Temperaturänderung eines Fluids positioniert und, nachdem seine Einzelteile ein Wärmegleichgewicht erreicht haben, das Element im wesentlichen in dessen Ausgangsstellung zurückstellt oder -zieht.

Die relative Wärmeausdehnungsdifferenz zwischen der Büchse 12 und der Stange 11 und somit die Ansprechzeit des Stellantriebs 10 ist zu vielen Variablen proportional, wie der Fluidströmungstemperatur, dem Druck und der Strömungsgeschwindigkeit, der Dicke der Teile und den Wärmeübertragungseigenschaften der Teile. Beispielsweise können die Einlaß- und Auslaßöffnungen für den inneren und den äußeren

Durchlaß so bemessen werden, daß dadurch die Größe des Durchsatzes jeder Öffnung gesteuert wird. Typischerweise ist der Durchsatz in dem äußeren Durchlaß 14 ungefähr das Zehnfache des Durchsatzes in dem inneren Durchlaß 15 und führt zu einer stärkeren Erwärmung der Büchse 12 gegenüber der Stange 11.

Darüber hinaus kann die Büchse 12 aus einem Rohr dünnen Querschnittes, beispielsweise mit einer Dicke von 0,51 mm (20 mil) hergestellt werden. Aufgrund dieses dünnen Querschnittes und weiter aufgrund der hohen Geschwindigkeit der über dessen Umfang hinwegströmenden Primärheißluft wird sich die Büchse 12 fast gleichzeitig mit dem Einleiten der Heißluft inden Stellantrieb 10 ausdehnen. Aufgrund seiner größeren Dicke (relativ zu der der Büchse 12) und aufgrund der Tatsache, daß das Ventilverschlußstück 47 während der ersten Betriebsart am Anfang in einer geschlossenen Stellung ist, wird die Ausdehnung der massiven Stange 11 der Ausdehnung der Büchse 12 beträchtlich nacheilen.

Gemäß Fig. 4 wird nun die Verwendung des hier beschriebenen Stellantriebs bei einem Flugzeuggasturbinentriebwerk 60 erläutert. Fig. 4 zeigt in Form eines Blockschaltbildes diejenigen Teile eines Steuersystems für das Gasturbinentriebwerk 60, die benutzt werden, um die Stellung von Verdichtereinlaßleitschaufeln 61 zu regulieren und dadurch den Betrieb eines Axialverdichters 62 zu optimieren, der normalerweise in einem solchen Gasturbinentriebwerk benutzt wird. Das Drehen der Leitschaufeln um eine radiale Achse in einem solchen Verdichter ist eine bekannte Technik zum Steuern der Luftströmung, um den Verdichterbetrieb zu optimieren.

Die verschiedenen Leitschaufeln 61, die üblicherweise in mehreren Stufen angeordnet sind, sind vorzugsweise untereinander verbunden, so daß sie durch einen hydraulischen

Stellantrieb 63 über eine geeignete mechanische Verbindung gleichzeitig gedreht werden können. Eine Steuereinheit 64, die einen Computer und zum Teil eine Servoeinrichtung enthält, bildet Bedarfssignale, gemäß welchen Hydrauliköl über Leitungen 65 oder 66 zugeführt wird, um den Stellantrieb zu betätigen und die Leitschaufeln 61 entsprechend zu bewegen. Ein Positionsrückführsignal wird durch eine mechanische Verbindung oder ein Rückführseil 67 geliefert, welches ein Eingangssignal an einem Integrator einer Leitschaufelrücks tellvorrichtung 68 erzeugt, die eine Ausgangswelle 69 hat. Die Ausgangswelle 69 überträgt das Rückführsignal zu der Steuereinheit 64, um das Bedarfssignal zu null zu machen, wenn die Leitschaufeln 61 in ihre passenden Stellungen gedreht worden sind.

Das oben beschriebene System ist für den normalen Triebwerksbetrieb ausreichend. Es gibt aber gewisse Bedingungen, die eine Korrektur der Winkelstellung der Leitschaufeln erfordern, welche durch die Steuereinheit 64 nicht ohne weiteres vorgenommen werden kann. Eine dieser Bedingungen beinhaltet einen Gashebelimpuls oder eine Triebwerksbeschleunigung, bei der die Triebwerksfluiddrücke beträchtlich zunehmen. Wenn eine neue größere Gashebelstellung eingestellt wird, beispielsweise wenn der Gashebel aus einer Leerlaufstellung in eine Startstellung verstellt wird, beschleunigt der Fan schnell auf eine entsprechende gewünschte größere Fandrehzahl. Aufgrund des dem Triebwerk eigenen thermischen Übergangsverhaltens wird die Fandrehzahl die Sollstartfandrehzahl zuerst überschwingen und dann unterschwingen, was außerdem dazu führen kann, daß die Abgastemperatur überschwingt und eine gewünschte Triebwerksschubabgabe bei der Startgashebeleinstellung nicht erreicht wird. Wenn ein solcher Zustand vorhanden ist, ist es erwünscht, daß die Leitschaufeln 61 schnell in eine geschlossenere Stellung gedreht werden, um die Lufteinströmung in den Verdichter 62 zu re-

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duzieren und dadurch das Überschwingen der Fändrehzahl zu kompensieren. Die Leitschaufeln 61 müssen dann in eine weniger geschlossene Stellung geöffnet werden, um das sich anschließende Unterschwingen der Fandrehzahl zu kompensieren, und zwar bis zu einem Zeitpunkt, in welchem die Wärmeübergangszustände des Triebwerks abgeklungen sind und sich die /erdichterzwischenstufentemperaturen stabilisiert haben.

Damit eine solche Kompensation bei der Luftansaugung stattfinden kann, kann ein Stellantrieb 10 der hier beschriebenen Art vorgesehen werden, um, einen Leitschaufelpositionsfehler in dem Rückführseil 67 zu berücksichtigen. Anschlußstück 16 des Stellantriebs 10 wird über eine Leitung 70 mit einer Heißluftquelle, z.B. einer der·letzten Stufen des Verdichters 62, verbunden. Auf diese Weise bewirkt eine Zunahme der Temperatur und des Druckes der Luft innerhalb des Verdichters 62, daß der Stellantrieb 10 auf die oben beschriebene Weise betätigt wird.

Während der ersten Betriebsart des Stellantriebs 10 wird sich im wesentlichen nur die Büchse 12 aufgrund der Zunahme der Temperatur der Verdichterluft, die als Primärstrom in dem äußeren Durchlaß 14 strömt, ausdehnen. Die Ausdehnung der Büchse 12 wird eine Bewegung der Hebel 52 und 53 und des Seilschutzrohres 51 bewirken, welch letzteres das Rückführseil 67 enthält, und zum Nachstellen des Rückführseils 67 führen.

Aufgrund der Tatsache, daß sich während der ersten Betriebsart im wesentlichen nur die Büchse 12 ausdehnt, hat der Stellantrieb 10 eine relativ kürzere Ansprechzeit als dann, wenn der Stange 11 gestattet würde, sich ebenfalls auszudehnen und dadurch die Büchse 12 zurückzuziehen. Durch dieses relativ schnelle Ansprechen wird das anfängliche Überschwingen der Fandrehzahl genauer kompensiert. Das Zurück-

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stellen bewirkt, daß die Steuereinheit 64 den hydraulischen Stellantrieb 63 aktiviert, der seinerseits die Leitschaufeln 61 in eine geschlossenere Stellung verstellt. Nach einem kurzen Zeitintervall erreicht jedoch der Druck der Verdichterzwischenstufenluft den vorbestimmten Wert und bewirkt, daß das Tellerventil in dem Stellantrieb 10 öffnet und dadurch der Luftsekundärströmung gestattet, durch den inneren Durchlaß 15 hindurchzugehen, um die Stange 11 zu erwärmen. Das Ausdehnen der Stange 11 bewirkt das Zurückstellen des Rückführungsseils 67 in dessen Ausgangsposition, was wiederum bewirkt, daß die Leitschaufeln 61 wieder geöffnet werden. Auf diese Weise werden das Fandrehzahlüberschwingen und -unterschwingen aufgrund des Gashebelimpulses oder der Triebwerksbeschleunigung effektiv minimiert, und zwar ohne die Notwendigkeit, dem Gesamtsteuersystem komplizierte elektrische oder elektromechanische Einrichtungen hinzuzufügen.

Es ist zwar nur eine Ausführungsform des Stellantriebs nach der Erfindung dargestellt und beschrieben worden, es ist jedoch klar, daß im Rahmen der Erfindung Änderungen möglich sind. Beispielsweise kann das Ventilverschlußstück 47 durch einen temperaturabhängigen Balg oder durch einen auf den Fluiddurchsatz ansprechenden Stellantrieb betätigt werden, der bewirkt, daß das Ventilverschlußstück 47 bei einem vorbestimmten Wert der Temperatur oder des Durchsatzes öffnet, der einer vorbestimmten Triebwerkszwischendrehzahl entspricht. Allgemein gesagt, das Verzögern des Durchgangs der Fluidströrnung in dem äußeren Durchlaß 14 oder dem inneren Durchlaß 15 kann mit verschiedenen Ventilvorrichtungen erreicht werden, die auf Triebwerksbetriebsparameter ansprechen, wie die Rotordrehzahl, die Fluidtemperatur und den Fluiddurchsatz, um nur einige zu nennen.

Leerseite

Claims (8)

1. Ansprüche :

   (i^3Temperaturabhängiger Stellantrieb, gekennzeichnet durch: ein Tragteil (21);

   zwei gegenseitigen Abstand aufweisende, wärmeausdehnbare Teile (11, 12)»die sich in Parallelausrichtung in Längsrichtung erstrecken, wobei eines der ausdehnbaren Teile mit einem Ende mit dem Tragteil starr verbunden und mit dem entgegengesetzten Ende mit einem entsprechenden Ende des anderen ausdehnbaren Teils verbunden ist; Vorrichtungen (14, 15), die eine Fluidströmung mit beiden ausdehnbaren Teilen (11, 12) in Berührung bringen; und eine Vorrichtung (46, 47, 48) zum Drosseln der Strömung des Fluids, das mit einem der ausdehnbaren Teile in Berührung ist, in einer ersten Betriebsart, und zum Ermöglichen einer relativ ungedrosselten Strömung des Fluids, das mit demselben in Berührung ist, in einer zweiten Betriebsart;

   wo^bei das eine ausdehnbare Teil sich in Längsrichtung in einer Richtung während der ersten Betriebsart ausdehnt und sich das andere ausdehnbare Teil in Längsrichtung in einer

   entgegengesetzten Richtung während der zweiten Betriebsart ausdehnt, um das eine ausdehnbare Teil zurückzuziehen.
2. 2. Temperatur- und druckabhängiger Stellantrieb, gekennzeichnet durch:

   ein Tragteil (21) ;

   zwei in gegenseitigem Abstand angeordnete wärmeausdehnbare Teile (11, 12), die sich in Parallelausrichtung in Längsrichtung erstrecken, wobei das eine ausdehnbare Teil mit einem Ende mit dem Tragteil starr verbunden und mit dem entgegengesetzten Ende mit einem entsprechenden Ende des anderen ausdehnbaren Teils verbunden ist; Vorrichtungen (14, 15), die eine unter Druck stehende Fluidströmung mit beiden ausdehnbaren Teilen (11, 12) in Berührung bringen; und

   eine auf Druck ansprechende Vorrichtung (46, 47, 48), die die Strömung des Fluids, die mit dem einen ausdehnbaren Teil in Berührung ist, in einer ersten Betriebsart drosselt, in der der Druck des Fluids unter einem vorbestimmten Wert ist, und eine relativ ungedrosselte Strömung des Fluids, das mit diesem in Berührung ist, in einer zweiten Betriebsart ermöglicht, in welcher der Druck des Fluids über dem vorbestimmten Wert liegt;

   wobei das eine ausdehnbare Teil sich in Längsrichtung in einer Richtung während der ersten Betriebsart ausdehnt und sich das andere ausdehnbare Teil in Längsrichtung in entgegengesetzter Richtung während der zweiten Betriebsart ausdehnt, um das eine ausdehnbare Teil zurückzuziehen.
3. 3. Stellantrieb, der auf die Temperatur und den Druck eines Fluids anspricht, gekennzeichnet durch:

   ein äußeres Gehäuse (13), das einen Fluideinlaß (17) und einen Fluidauslaß (42) hat;

   ein wärmeausdehnbares inneres Gehäuse (12) mit einem Fluideinlaß (18) und einem Fluidauslaß (44), das koaxial verschiebbar in dem äußeren Gehäuse (13) und mit radialem

   Abstand von diesem angeordnet ist, um dadurch einen ringförmigen äußeren Durchlaß (14) für Fluid von dem Einlaß (17) zu dem Auslaß (42) des äußeren Gehäuses (13) zu bilden;

   ein wärmeausdehnbares langgestrecktes Teil (11), das koaxial in dem inneren Gehäuse (12) und mit radialem Abstand von diesem angeordnet ist, um dadurch einen ringförmigen inneren Durchlaß (15) für Fluid zwischen dem Einlaß (18) und dem Auslaß (44) des inneren Gehäuses zu bilden; Vorrichtungen (27, 28, 33) zum Verhindern der Axialbewegung eines Endes des langgestreckten Teils (11) und zum Zulassen der Axialbewegung relativ zu dem entsprechenden Ende des inneren Gehäuses (12);

   eine Vorrichtung (34, 36, 40), die das andere Ende des langgestreckten Teils (11) mit dem entgegengesetzten Ende des inneren Gehäuses (12) verbindet; Vorrichtungen (17, 18) zum Einleiten einer unter Druck stehenden Fluidströmung in beide Durchlässe (14, 15); eine auf Druck ansprechende Vorrichtung (46, 47, 48), die die Strömung des Fluids durch den inneren Durchlaß (15) in einer ersten Betriebsart drosselt, in der der Druck des Fluids unter einem vorbestimmten Wert liegt, und eine relativ ungedrosselte Strömung des Fluids durch den inneren Durchlaß (15) in einer zweiten Betriebsart gestattet, in der der Druck des Fluids über dem vorbestimmten Wert liegt;

   wobei das innere Gehäuse (12) sich in Längsrichtung in einer Richtung während der ersten Betriebsart ausdehnt und das langgestreckte Teil (11) sich in Längsrichtung in entgegengesetzter Richtung während der zweiten Betriebsart ausdehnt, um das innere Gehäuse (12) zurückzuziehen.
4. 4. Stellantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das langgestreckte Teil (11) und das innere Gehäuse (12) im wesentlichen die gleiche effektive Länge haben und aus Mate-

   rialien bestehen, die im wesentlichen dieselbe Wärmeausdehnungszahl haben, wodurch die Längsausdehnung des inneren Gehäuses (12) im wesentlichen gleich der Längsausdehnung des langgestreckten Teils (11) während der zweiten Betriebsart und nach einer vorbestimmten Zeitspanne ist.
5. 5. Stellantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die auf Druck ansprechende Vorrichtung (46, 47, 48) ein Ventil ist, das in dem Auslaß des inneren Gehäuses (12) angeordnet ist und sich in Längsrichtung in dem äußeren Gehäuse (13) erstreckt.
6. 6. Stellantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil einen in Längsrichtung beweglichen Ventilkopf (47) und ein durchlöchertes Teil (50) aufweist, welches quer in dem Auslaß des äußeren Gehäuses (13) und vorbestimmt positioniert angeordnet ist, um die Bewegung des Ventilkopfes und dadurch den Durchsatz des Fluids in dem inneren Durchlaß (15) zu steuern.
7. 7. Stellantrieb zum Positionieren eines steuerbaren Elements in einem Steuersystem eines Gasturbinentriebwerks (60) , das einen Axialverdichter (62) und verstellbare Leitschaufeln (61) hat, wobei der Stellantrieb auf die Temperatur und den Druck des in dem Verdichter strömenden Fluids anspricht, gekennzeichnet durch:

   ein zylindrisches äußeres Gehäuse (13), das einen Fluideinlaß (17) und einen Fluidauslaß (42) hat; ein wärmeausdehnbares zylindrisches inneres Gehäuse (12), das koaxial und verschiebbar und mit radialem Abstand in dem äußeren Gehäuse (13) gelagert ist, um dadurch einen ringförmigen äußeren Durchlaß (14) für Fluid von dem Einlaß (17) zu dem Auslaß (42) des äußeren Gehäuses zu bilden, wobei das innere Gehäuse (17) nicht durchlöchert ist, mit Ausnahme wenigstens eines Einlaßloches (18) an dem Einlaß (17) des äußeren Gehäuses (13) zum Empfangen

   eines Teils des in das äußere Gehäuse eintretenden Fluids, und einen axialen Auslaß zum Abgeben des Fluids hat; eine wärmeausdehnbare massive Stange (11) die koaxial und in radialem Abstand in dem inneren Gehäuse (12) angeordnet ist, um dadurch einen ringförmigen inneren Durchlaß (15) zu bilden, der Fluid von dem Einlaßloch (18) in dem inneren Gehäuse (12) empfängt und das Fluid zu dem axialen Auslaß des inneren Gehäuses leitet, wobei die Stange ein erstes Ende hat, das an dem entsprechenden Ende des äußeren Gehäuses starr befestigt ist, und ein zweites Ende, das an einem entsprechenden Ende des inneren Gehäuses starr befestigt ist;

   eine Vorrichtung (51, 52), die das entgegengesetzte Ende des inneren Gehäuses (12) mit dem steuerbaren Element verbindet und eine Relativaxialbewegung zwischen dem inneren Gehäuse und der Stange gestattet; und ein druckbetätigtes, federbelastetes Tellerventil, das in dem axialen Auslaß des inneren Gehäuses (12) angebracht ist und die Fluidströmung in dem inneren Durchlaß (15) während einer ersten Betriebsart drosselt, in der der Druck des Fluids unter einem vorbestimmten Wert liegt, und eine relativ ungedrosselte Fluidströmung durch den inneren Durchlaß (15) in einer zweiten Betriebsart gestattet, in der der Druck des Fluids über dem vorbestimmten Wert liegt;

   wobei das innere Gehäuse (12) sich in Längsrichtung in einer Richtung während der ersten Betriebsart ausdehnt, um das steuerbare Element zu betätigen, und die Stange (11) sich in Längsrichtung in entgegengesetzter Richtung während der zweiten Betriebsart ausdehnt, um das innere Gehäuse und das steuerbare Element zurückzuziehen.
8. 8. Temperaturabhängiger Stellantrieb für ein steuerbares Element, gekennzeichnet durch:

   ein zylindrisches äußeres Gehäuse (13), das einen Fluideinlaß (17) und einen Fluidauslaß (42) hat; ein wärmeausdehnbares zylindrisches inneres Gehäuse (12), das verschiebbar und in radialem Abstand in dem äußeren Gehäuse (13) gelagert ist, um dadurch einen ringförmigen äußeren Durchlaß (14) für Fluid von dem Einlaß (17) zu dem Auslaß (42) des äußeren Gehäuses (13) zu bilden, wobei das innere Gehäuse nicht durchlöchert ist, mit Ausnahme von mehreren in gegenseitigem Umfangsabstand angeordneten Einlaßöffnungen (18) an seinem einen Ende zum Empfangen eines Teils des Fluids von dem Einlaß (17) des 'äußeren Gehäuses (13), und einen axialen Auslaß an seinem entgegengesetzten Ende zum Abgeben des Fluids hat; · eine wärmeausdehnbare Stange (11), die koaxial und mit radialem Abstand in dem inneren Gehäuse angeordnet ist, um dadurch einen ringförmigen inneren Durchlaß (15) für über die Einlaßöffnungen (18) empfangenes Fluid zu bilden und das Fluid zu dem axialen Auslaß (44) des inneren Gehäuses (12) zu leiten, wobei die Stange ein erstes Ende hat, das an einem Ende des äußeren Gehäuses starr befestigt ist, und ein zweites Ende, das am entgegengesetzten Ende des inneren Gehäuses befestigt ist; und eine Vorrichtung (51, 52), die das eine Ende des inneren Gehäuses (12) mit dem steuerbaren Element verbindet und eine Relativaxialbewegung zwischen dem inneren Gehäuse und der Stange gestattet;

   wobei das innere Gehäuse (12) sich in Längsrichtung in einer Richtung ausdehnt, um das steuerbare Element zu betätigen, und die Stange (11) sich in Längsrichtung in entgegengesetzter Richtung ausdehnt, um das innere Gehäuse und das steuerbare Element zurückzuziehen.