DE1601533C - Hydraulische Servo-Verstelleinrichtung für verstellbare Leitschaufeln von Gasturbinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine hydraulische Servo-Verstelleinrichtung mit einem durch den Druck einer Steuerflüssigkeit bewegbaren Stellkolben, mit einem diesen Druck steuernden druckausgeglichenen Steuerventil, mit einem an diesem befestigten Hebel, der über ein an diesem einstellbar befestigtes Druckstück an einem drehbaren Verstellnocken und über ein Rückführungsdruckstück an den Stellkolben hydraulisch nachgiebig angedrückt wird, und mit drehbaren Verstellteilen für den Verstellnocken verstellbarer Leitschaufeln von Gasturbinen, insbesondere der freien Nutzlastturbine von Fahrzeug-Gasturbinenanlagen.

In hydromechanischen Servoeinrichtungen machen sich beim üblichen verhältnismäßig niedrigen Bauaufwand die auf das betätigte Steuerglied einwirkenden Kräfte als beträchtliche Rückwirkungen im Servokreis bemerkbar. Dabei werden auch auf für die Steuerfunktion maßgebende mechanische Gliedar, wie Nocken od. dgl., verhältnismäßig starke Kräfte ausgeübt. Diese sind in zweifacher Hinsicht nachteilig: Einmal ergibt sich eine ziemlich starke Abnutzung und zum anderen kann sich durch die Verformung dieser Glieder eine unerwünschte Abweichung von der gewünschten Steuerkennlinie, ergeben.

Es ist eine hydraulische Servoeinrichtung bekannt, bei der ein Steuerventil von einem schwimmend gelagerten Hebel betätigt wird, der von einem Steuerorgan verstellt wird. Der schwimmend gelagerte Hebel steht außerdem mit einem Stellkolben über eine nockenartige Vorrichtung im Eingriff, über die eine Verstellung des Stellkolbens auf den schwimmend gelagerten Hebel zurückgeführt wird. Es ist ferner eine Servo-Einrichtung für eine Brennstoff-Steuerung einer Gasturbine bekannt, bei der das Steuerventil für den Stellkolben ebenfalls von einem schwimmend gelagerten Hebel betätigt wird, der drehbar in einem Druckstück gelagert, ist, das gegen eine Nockenscheibe anliegt, die ihrerseits von einem Verstellhebel betätigt wird. Eine Rückführung der Verstellung des Stellkolbens erfolgt über einen vom Stellkolben betätigten weiteren Nocken, gegen den ein weiteres Druckstück anliegt, das seinerseits mit dem schwimmend gelagerten Hebel verbunden ist. Schließlieh ist eine hydraulische Servostelleinrichtung bekannt, bei der mit einem druckausgeglichenen Steuerventil ein Hebel verbunden ist, der über ein an diesem einstellbar befestigtes Druckstück an einen drehbaren Verstellnocken und über ein Rückführungsdruckstück an den Stellkolben der Verstelleinrichtung nachgiebig angedrückt wird. Der Verstellnocken wird über drehbare Verstellteile betätigt. Eine derartige bekannte hydraulische Verstelleinrichtung dient zur Verstellung der Leitschaufeln der freien Nutzlastturbine einer Fahrzeug-Gasturbinenanlage.

Bei sämtlichen vorher genannten Einrichtungen treten die oben beschriebenen Nachteile auf. Eine Entlastung der zum Teil erheblichen mechanischen Kräfte und Momente der mechanischen Verstellteile ist nicht vorhanden.

Demgegenüber hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, eine hydraulische Servo-Verstelleinrichtung zu schaffen, bei der die drehbaren Eingangsverstel!- teile mit einer Drehmoment-Entlastung verschen sind.

Bei einer Verstelleinrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die drehbaren Verstellteile an einem mit einem Versteilhebel festverbundenen Ausgleichsnocken eine gegensinnig zur Fläche des Verstellnockens geneigte Nockenfläche aufweist, auf die über ein Ausgleichsdruckstück der vom Steuerventil gesteuerte Druck der Steuerflüssigkeit einwirkt.

Mit Hilfe des Ausgleichsnockens und des Ausgleichsdruckstücks, auf den der Druck der vom Steuerventil gesteuerten Steuerflüssigkeit einwirkt, wird das am Verstellnocken auftretende Moment gerade jeweils aufgehoben. Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung für eine Fahrzeug-Gasturbinenanlage ergibt sich ferner der Vorteil, daß das Gaspedal keine die Betätigung erschwerende Rückstellfeder aufzuweisen braucht. Der Bedienungskomfort eines mit einer Gasturbine ausgerüsteten Fahrzeugs wird daher merklich erhöht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand von Zeichnungen näher erläutert.

F i g. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Gasturbine mit einer hydraulischen Servo-Verstelleinrichtung für die Leitschaufeln einer freien Nutzlastturbine einer Fahrzeug-Gasturbinenanlage;

F i g. 2 zeigt einen Schnitt durch die Servo-Verstelleinrichtung der Anordnung nach Fig. 1;

F i g. 3 zeigt einen Schnitt durch die Einrichtung nach F i g. 2 entlang der Linie III-1II.

Gemäß F i g. 1 weist eine Fahrzeug-Gasturbine 20 ein Gehäuse 22 mit einem Lufteinlaßstutzen 24 und einer Auslaßöffnung 26 auf. Ein Kompressor 28 im Gehäuse 22 komprimiert die vom Einlaßstutzen herangeführte Luft. Die Gasturbine 20 weist ferner in bekannter Weise eine Brennkammer 30, Einspritzdüsen 32 und ein Turbinenrad 34 auf, das mit dem Kompressor 28 über eine Welle 36 verbunden ist. Die Welle 36 ist in Lagern 38 gelagert. Hinter der Turbine 34 befindet sich ein Leitrad 40 mit versteilbaren Leitschaufeln, hinter denen eine freie Nutzlastturbine 42 angeordnet ist. Diese treibt eine Welle 44 an, der zwei Getriebe 46 und 48 nachgeschaltet sind, deren Abtriebswelle 50 nicht gezeigte Räder eines Fahrzeugs antreibt.

Die Leitschaufeln des Leitrades 40 werden von einer hydraulischen Servo-Verstelleinrichtung 60 über ein Ausgangsglied 58 ein strichpunktiert angedeutetes Gestänge 56 und einen Hebel 54 verstellt.

Die Verstellvorrichtung 60 hat einen Einlaß 62, der über eine Leitung 64 mit einer hydraulischen Druckmittelquelle 66 verbunden ist. Eine Hydraulikpumpe 68 ist über ein strichpunktiert angedeutetes Getriebe 70 mit der Welle 36 verbunden. Die Pumpe 68 erzeugt in der Leitung einen Druck P₁. Dieser wird von einem Regelventil 72, das in einer Nebenschlußleitung 74 liegt, konstant gehalten. Die Verstellvorrichtung 60 weist ferner einen Auslaß 76 auf, der über eine Leitung 78 an den Einlaß der Pumpe 68 mit dem Druck P₀ angeschlossen ist. Die Verstellvorrichtung 60 weist einen Steuerhebel 79 auf, der mit einer im Gehäuse 81 der Verstellvorrichtung 60 drehbar gelagerten Welle 80 verbunden ist. Die Verstellvorrichtung erhält ferner ein Signal von einer Zentrifugalpumpe 82, die über eine Leitung 83 den Pumpendruck P₀ eingangs erhält. Der Ausgangsdruck P.j der Pumpe 82 gelangt über eine Leitung 84 zu einem weiteren Einlaß 86 der Verstellvorrichtung 60. Die Pumpe 82 ist über Kegelradgetriebe 48, 90 und eine Welle 88, 90 angetrieben.

Der Steuerhebel 79 ist mit einem nicht gezeigten Gaspedal verbunden. Der Steuerhebl 79 kann um

einen Winkel von 90° geschwenkt werden. Sein Verstellbereich ist durch nicht gezeigte Anschläge be-

grenzt.

Das Gehäuse 81 der Verstellvorrichtung (F i g. 2) besteht einmal aus einem zylindrischen Teil 93, der eine Bohrung 94 aufweist. Durch eine Öffnung 96 erstreckt sich ein Stellglied 58, das in der Bohrung 94 verschiebbar ist. Mit einem Flansch 98 liegt der Zylinderteil 93 an einem zweiten Teil 100 an. Die Befestigung der beiden Teile 93 und 100 erfolgt über Schrauben 102. Ein O-Ring 104 dichtet beide Teile gegeneinander ab. Das Ende des zweiten Teils 100 ist durch einen Deckel abgeschlossen, der eine Öffnung 107 aufweist, durch die die Welle 80 hindurchgeht. Im ,Deckel 106 befindet sich ferner ein Kanal 108. Zwischen dem Deckel 106 und dem Teil 100 befindet sich eine Dichtung 112.

Das Stellglied 58 hat ein fingerhutartiges Endstück 116, das gegen ein Rückführungsdruckstück 118 anliegt. Das Stellglied 58 weist ferner einen Kolben 114 ao • auf. Der Kolben 114 unterteilt' die Bohrung 94 in zwei Kammern 120 und 122, in denen die Drücke P₁ bzw. P_n herrschen. Der Kolben 114 hat eine Kolbendichtung 124. Der Druck P₂ in der Kammer 122 wird von einem Steuerventil 126 gesteuert, das in einer Bohrung 128 des zweiten Teiles 100 verschiebbar angeordnet ist. Das Ventil 126 steuert außerdem den unter dem Druck P., stehenden Flüssigkeitsstrom von der Kammer 122 zum Auslaß 76, an dem der Druck P₀ herrscht. Die Kammer 120 ist über Kanäle 130, 132, eine Ringnut 134, einen Kanal 136 und über eine Ringnut 138 unabhängig von der Stellung des Ventils 126 mit dem Einlaß 62 verbunden. Die Kammer 122 sieht vom Einlaß 62 her unter dem Druck P₁ über die Ringnut 138, wenn das Ventil 126 nach unten verstellt wird. Die Flüssigkeitsströmung geht hierbei durch die Ringnut 140. Über einen Ringkanal 144 ist die Kämmt" i22 außerdem mit dem Auslaß 76, an dem der Druck P₀ herrscht, angeschlossen. Der Ringkanal ist zwischen den Teilen 146 und 148 des Ventils eingeschlossen, jedoch geöffnet, wenn das Ventil 126 aus seiner dargestellten Lage nach aufwärts verstellt wird.

Der Mittelteil des Ventils 126 hat ein balliges Tragglied 150, das ein Hebel 152 umgreift, der zwei parallele Arme, von denen nur der Arm 156 zu sehen ist, aufweist. Durch die freien Enden der Arme geht das Rückführungsdruckstück 118 hindurch, das hier ein Stift ist. Am anderen Ende des Hebels 152 ist ein Druckstück 168 angeordnet, das mit einem Verstellnocken 170 zusammenwirkt. In dieses Ende des Hebels 152 ist ferner eine Kappe 174 eingeschraubt, die durch eine Schraube 176 gesichert ist. Eine Stange 177, die an ihrem oberen Ende eine Kugel 178 trägt, ragt in die Kappe 174 hinein, wobei die Kugel 178 gegen die Kappe 174 anliegt. In einer Hülse 182, die in eine Bohrung 183 eingeschraubt ist, ist eine weitere Kugel 180 gelagert. Die Bohrung 183 und die Hülse 182 bilden Sitze 185 und 184, zwischen welchen die Kugel 180 wandern kann. Die Bohrung 183 steht mit der Öffnung 86 in Verbin-

• dung, an der der Druck P₁ herrscht. Die Bohrung 183 steht ferner mit dem Ringkanal 144, in dem der Auslaßdruck P₀ herrscht, über einen Kanal 186 und mit

; dem Kanal 108 im Deckel 106 in Verbindung. Auf diese Weise liegt an der Kugel 180 eine Druckdifferenz von P₁-P₀, welche nach Erreichen eines vorbestimmten Werts die Kugel !80 gegen den Si¹./. 185 verstellt, wodurch die Stange 177 und dementsprechend auch die Kugel 178 in Richtung auf die Kappe 174 verschoben wird.

Mit Hilfe eines radialen Kanals 188 und eines axialen Kanals 190, die entgegengesetzte Enden des Ventils mit dem Ringkanal 144 verbinden, ist das Ventil 126 druckausgeglichen. Auf das Ende der Bohrung 128 ist ein einstellbarer Stopfen 192 eingeschraubt. Dieser dient als Anschlag für das Ventil 126. An einem Ende des Ventils 126 befindet sich eine Ausnehmung 194, in die eine Druckfeder 196 eingesetzt ist, deren anderes Ende gegen den Stopfen 198 anliegt. Um den Stopfen herum befindet sich ein Stützring 200. Die Feder 196 drückt das Steuerventil 126 nach oben, wodurch das Rückführungsdruckstück 118 im Hebel 152 mit dem Endteil 116 und das Druckstück 168 mit dem Verstellnocken 170 in Berührung kommen.

Der Verstellnocken 170 sitzt auf einer Welle 202, die in dem Teil 100 und dem Deckel 106 gelagert ist. Auf dem Verstellnocken 170 sitzt ein Zahnrad 204, das mit einem Zahnsegment 206 im Eingriff sieht, das seinerseits Teil eines Ausgleichsnockens 208 ist. Der Ausgleichsnocken 208 sitzt am Ende der Welle 80 und kann durch den Steuerhebel 79 verstellt werden. Die Welle 202 greift durch eine segmentartige Öffnung 210 des Ausgleichsnockens 208. Durch diese Öffnung kann der Ausgleichsnocken eine Drehung um mindestens 90° ausführen. Der Ausgleichsnocken 208 trägt an seinem Umfang eine Nockenfläche 212, gegen die ein Ausgleichsdruckstück 214 anliegt. Das entgegengesetzte Ende des Ausgleichsdruckstücks 214 steht mit einer Kugel 216 in Verbindung, die in einer Bohrung 218 verschiebbar ist. Die Bohrung 218 ist an einer Seite mit einem Kanal 200 verbunden, der an der einen Seite mit dem Druck P., beaufschlagt ist. Ein Kanal 222 verbindet die Bohrung 218 an den gegenüberliegenden Seiten der Kugel 216 mit dem Kanal 108, in dem der Druck P₀ herrscht. Das offene Ende der Bohrung 218 ist mittels eines Stopfens 224, der durch einen Sprengring 226 gesichert ist, verschlossen.

Die Nockenflächen des Verstellnockens 170 und des Ausgleichsnockens 208 sind gegensinnig geneigt. Die dadurch hervorgerufenen entgegengesetzten Drehmomente gleichen sich aus. Die Achsen der Druckstücke 168 und 214 schneiden die Achsen der Wellen 202 und 80, auf denen die Nocken 170 und 212 angeordnet sind. Dadurch sind radial auf die Nocken wirkende Kräfte weitgehend ausgeglichen. Die an dem Nocken 170 auftretenden Tangentialkräfte sind jedoch zum Teil erheblich, vor allem wenn das Druckstück eine große Steigung zu überwinden hat. Gegen die Kugel 216 wirkt nun eine Druckdifferenz P.,-P_tl, die entsprechend dem Druck P., in der Kammer 122, der vom Ventil 126 gesteuert wird, wechselt, damit der Kolben 114 in seiner durch den Nocken 170 bestimmten Lage gehalten wird. Der Druck P₂ erreicht einen höheren Wert mit ansteigender Kontur des Nockens 170. Dadurch wird auch die auf den Nocken 170 einwirkende Druckkraft erhöht. Der Stellung des Nockens entspricht jedoch ein Druck P.„ der auf die Kugel 216 einwirkt, wodurch das Ausgleichsdruckstück 214 gegen den Nocken 212 anliegt. Die dadurch hervorgerufene Tangentialkraft bewirkt ein Drehmoment am Nocken 2!2. der weitgehend gleich dem Drehmoment um Nocken !70 ist. Beide Drehmomente sind jedoch

entgegengesetzt gerichtet. Bei diesem Vorgang ist der auf die Kugel 216 wirkende Druck P₂ verhältnismüßig niedrig im Vergleich zum Druck P₁, durch den der Kolben 114 (Fig. 2) nach rechts verschoben wird. Wird jedoch das Gaspedal losgelassen, um eine S Verzögerung zu erreichen, dann nähert sich der Druck P₂. der auf die Kugel 216 wirkt, dem Druck P₁ und bewirkt eine verhältnismäßig große Kraft auf die Nockenfläche 212 über das Ausgleichsdruckstück 214. Dadurch wird ein Moment erzeugt, das das Moment an dem Nocken 170 übersteigt. Auf diese Weise wird auf die Welle 80 und damit auf den Steuerhebel 79 ein Rückstellmoment in Richtung der Leerlaufstellung erzeugt. Bei bekannten Einrichtungen wird die Rückstellkraft von einer Feder erzeugt, so daß beim Betätigen des Gaspedals die Federspannung vom Fahrzeugführer überwunden werden muß. Da im vorliegenden Fall die Rückstellung über den Nocken 212 erfolgt, kann die Feder schwächer ausgebildet werden.

Da die am Nocken 212 erzeugte Druckkraft beim Herunterdrücken des Gaspedals gering ist gegenüber der Druckkraft am Nocken 212 beim Loslassen des Gaspedals, braucht der Fahrzeugführer keine unerwünschte Vorspannung beim Niederdrücken des Gaspedals zu überwinden.

Die Welle 202 ist in einer Sackbohrung des Teils 100 gleitend gelagert, wodurch die Welle 202 und der mit ihr verbundene Nocken 170 mit Hilfe des Ausgleichsnockens 208 zurückgezogen werden kann, wenn der Deckel 106 vom Teil 100 entfernt wird. Auf diese Weise wird zum Auswechseln der beiden Nocken 170 und 208 ein verhältnismäßig geringer Aufwand benötigt.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Hydraulische Servo-Verstelleinrichtung mit einem durch den Druck einer Steuerflüssigkeit bewegbaren Stellkolben, mit einem diesen Druck steuernden druckausgeglichenen Steuerventil, mit einem an diesem befestigten Hebel, der über ein an diesem einstellbar befestigtes Druckstück an einen drehbaren Verstellnocken und über ein Rückführungsdruckstück an den Stellkolben hydraulisch nachgiebig angedrückt wird, und mit drehbaren Verstellteilen für den Verstellnocken verstellbarer Leitschaufeln von Gasturbinen, insbesondere der freien Nutzlastturbine von Fahrzeug-Gasturbinenanlagen, dadurch gekenn zeichnet, daß die drehbaren Verstellteile an einem mit einem Verstellhebel (79) fest verbundenen Ausgleichsnocken (208) eine gegensinnig zur Fläche des Verstellnockens (170) geneigte Nockenfläche (212) aufweisen, auf die über ein Ausgleichsdruckstück (214) der vom Steuerventil (126) gesteuerte Druck (P₂) der Steuerflüssigkeit einwirkt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen