DE2523078A1 - Regelvorrichtung fuer gasturbinen - Google Patents

Description

Regelvorrichtung für Gasturbinen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelvorrichtung für Gasturbinen mit einem Gasgenerator, bestehend zumindest aus einem Verdichter, einer Brennkammer und einer Verdichterturbine, mit einer nachgeschalteten, im Durchsatz verstellbaren Kraftabnaiune- bzw. Schubeinrichtung, vorzugsweise in Form einer mit einem verstellbaren Leitrad versehenen Nutzturbine, einer in Querschnitt veränderbaren Schubdüse oder eines Verstellpropellers, und mit einem Brennstoffzumeßventil, dessen Zumeßquerschnitt in Abhängigkeit von Zustandsgrößen des Gasgenerators beeinflußt wird.

Eine solche gattungsgemäße Gasturbine wird üblicherweise zum Antrieb von Kraftfahrzeugen vorgeschlagen. Wird auf besonders guten Wirkungsgrad Wert gelegt, so ist auch ein Wärmetauscher eingebaut, mit dem die Abgaswärme zur Aufheizung der Luft vor der Brennkammer ausgenutzt wird.

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Die Leistungsanpassung an die verschiedensten Erfordernisse des Fahrbetriebes erfolgt in der Weise, daß in Abhängigkeit von der Stellung des Fußpedals des Fahrers mit einem Drehzahlregler eine bestimmte Gasgenerator-Drehzahl eingeteilt wird. Zur Aufrechterhaltung eines günstigen Teillastverbrauchas ist es nun erforderlich, auch bei abgesenkten Gasgenerator-Drehzahlen die Temperatur vor der Gasgenerator-Turbine möglichst auf dem Maximalwert zu halten. Es ist bekannt (MTZ 1974, Heft 10, Seite 33?ff), die Turbineneiritrittstemperatur bzw. die Temperatur vor dem Leitkranz des Gasgenerators mit Sen—., soren zu messen und direkt als Regelgröße zu verwenden. Dieses Verfahren hat folgende Schwierigkeit: Die Sensoren sind der höchsten Temperatur von etwa 1000 ° ausgesetzt. Dabei sollen sie eine Lebensdauer von ca. 10.000 Betriebsstunden erreichen. Diese Forderungen sind nur · sehr schwer realisierbar, was insbesondere für die in ^§μ_?, Zukunft zu erwartende wesentliche Temperatursteigerung zutrifft, die z.B. durch Einsatz von Schaufelkühlung ■« oder keramischen Werkstoffen erreichbar ist. Weiterhin

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ORIGINAL INSPECTED

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müssen zur Erfassung eines brauchbaren Mittelwertes der Turbineneintrittetemperatur mehrere Temperaturfühler und ein geeignetes Verfahren zur Mittelwertbildung verwendet werden. Dies ist erforderlich, weil die Temperatur hinter der Brennkammer erfahrungsgemäß relativ große örtliche Unterschiede aufweist. Es handelt sich an dieser Stelle um die ungleichmäßigste Temperatur in der gesamten Gasturbine. Weiterhin müßten zur Verwirklichung einer reinen Temperaturregelung bei stationärem und instationärem Betrieb die Temperaturfühler extrem kleine Meßwertverzögerungen aufweisen. Diese sind mit den heute bekannten Fühlerbauarten bei weitem nicht erreichbar, lim diese Schwierigkeiten zu umgehen, ist ein erheblicher Aufwand erforderlich, der durch Kompensation der FUhlerverzögerung durch Vorhaltglieder, was nur mit elektrischen Mitteln möglich ist, erfolgt. Eine andere Möglichkeit zur schnellen Anpassung der Fühler besteht darin, die Turbineneintrittstemperatur zunächst nur angenähert, z.B. mit einer schnellwirkenden Kraftstoffsteuerung, einzustellen und dann den genauen

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Wert über die Temperaturregelung relativ langsam durch Korrektur (Trimmung) einzustellen«

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden und eine Regelvorrichtung zu schaffen, die ohne die problematischen Temperaturfühler vor der Verdichterturbine bzw. dem Leitkranz auskommt. Dabei soll im wichtigsten Leistungsbereich der Gasturbine mit Hilfe des Kraftstoffdurchsatzes und der Leitradstellung ein möglichst günstiges Verhalten im stationären Betrieb (gute Teillastverbräuche und Verzögern des Gasgenerators) erreicht werden. Weiterhin soll die Regelvorrichtung so ausgebildet sein, daß sie sowohl bei Gasturbinen mit und ohne Wärmetauscher und bei Gasturbinen mit verschiedenartigen Belastungseinrichtungen wie Kraftabnahme- bzw. Schubeinrichtungen verwendet werden kann. Schließlich soll die Regelvorrichtung auch einfach im Aufbau sein.

Gelöst wird die Aufgabe der Erfindung dadurch, daß als Zustandsgrößen für die Verstellung des Brennstoffzumeß-

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ventile die Temperatur am Eintritt in die Brennkammer bzw. am Austritt des Verdichters, der Druck vor der Verdichterturbine und das Stellglied eines willkürlich beeinflußbaren Drehzahlreglers des Gasgenerators dienen und daß die Verstellung des Durchsatzes der Kraftabnahme- bzw. Schubeinrichtung in Abhängigkeit von der Differenz der Heßgröße der Temperatur am Eintritt in die Brennkammer bzw. am Austritt des Verdichters und dun Stellglied des Drehzahlreglers erfolgt. Dabei wird zur Vermeidung der Temperaturfühler vor der Verdichterturbine ein bestimmtes Verhalten der Verdichterturbine bzw. des Leitkranzes hinsichtlich ihres Gasdurchsatzes ausgenutzt. Bei den heute zumindest bei Fahrzeuggasturbinen vorgesehenen Verdichter-Druckverhältnissen kann davon ausgegangen werden, daß der Leitkranz der Verdichterturbine kritisch oder überkritisch arbeitet. Dafür gilt die für die spätere Betrachtung wichtige Ausgangsbeziehung für den Gasdurchsatz:

m 4 *

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Hierin bedeutet:

m , = Gasdurchsatz durch den Leitkranz der Verdi cht erturbine

T » = Gesamttemperatur vor dem Leitkranz der Verdichterturbine

O^ * Gesamtdruck vor dem Leitkranz der Verdichterturbine

A λ - Engste Strömungsfläche des Leitkranzes R » Gaskonstante

36 * Isentropenexponent für die Leitkranzströmung

D.h. also, daß die den Durchsatz kennzeichnende Größe praktisch eine Konstante ist. Auch in den Betriebsfällen (z.B. bei tieferen Gasgeneratordrehzahlen), in denen das

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kritische Druckverhältnie vor dem Leitkranz der Verdichterturbine noch nicht ganz erreicht wird, weicht diese Konstante nur wenig ve* Maximalwert nach der Gleichung 1 ab. So werden z.B. noch 98 % des Maximalwertes erreicht, wenn das Druckverhältnis bereits üb 14,5 % unter dem kritischen Druckverhältnis (= 1,835) liegt. Hierbei ist noch zu beachten, daß bei einem Druckverhältnie von 1 (d.h. 45/5 % unter des kritischen Wert) bereite keine beschleunigte Stöaung mehr vorhanden ist.

Man sieht aus Gleichung 1, daß die Konstante eine Funktion der engsten Ströaungsf lache A ^ und den thermodynaaischen Grüßen ist. A ^ kann als gegebene Konstruktionsgröße betrachtet werden. Bei realen Gasen ist

«4- f (T₄ ^X*). wobei • *·

m g der Kraftstoffdurchsatz,

m k ^der Luftdurchsatz bedeutet.

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Der Einfluß von T ^ auf X^ entfällt bei der im Hauptbetriebsbereich enge»liebten Konstanten Temperatur T ^ volKtttndig. Des Kraftstoffluftverhältnis

j-S hat nur einen sehr schwachen Einfluß auf H4

L
und R. Diese Einflüsse auf die Konstante dürften daher für den praktisch vorkommenden Bereich von °* B vernachlässigbar klein sein. Auch unter der Voraussetzung, daß Gleichung 1 für verlustlose DUsenströmung gilt, diese aber praktisch nicht vorliegt, ergeben sich keine nennenswerten Abweichungen der Konstante K ^.

Betrachtet man nun die Beziehung für den Kraftstoff durcheatz so folgt ι

Gl. 2i m _B . "^L '

Hierin bedeutet:

m _B * Brennstoffdurchsat* m _L * Luftdurchsatz

T λ * Gesamttemperatur vor Leitkranz der Verdichterturbine
^T 3 6 * Gesamttemperatur am Eintritt in die

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^CP ^^T 3.6 " ^T 4) « Mittelwert für die spezifische

n T _ ^ und T ,

BAD ORtGlNAL

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» unterer Heizwert des Brennstoffes s Ausbrenngrad der Brennkammer.

Löst man Gleichung 1 nach dem Luftdurchsatz m _L auf und setzt die so gewonnene Gleichung in Gleichung 2 ein, so folgt:

Gl. 3: m η ■ ^K1'P4' ^Cpfft.*-r-7») * (^T 4~ ^T

6*

Diese Gleichung stellt nun das Gesetz dar, nachdem der Kraftstoffdurchsetz m _ß zugemessen werden muß, um ein konstantes T ₄ aufrecht zu erhalten. Bei näherer Betrachtung zeigt sich, daß dies ein sehr einfach und relativ genau zu verwirklichendes Steuergea&z ist. Man kann es ohne nennenswerte Einbußen an Genauigkeit vereinfacht zu:

G1.4: m _B « K ₂ -^₄' (τ ₄ - T umwandeln.

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Um ein konstantes T ^ zu erreichen, braucht nach der Gleichung den Druck ρ ^ und die Temperaturdifferenz ^T 4 "* ^T 3 6 ^{zu messen 1}^¹*¹ miteinander zu multiplizieren. Dieses einfache Gesetz 1st dadurch möglich, weil auch die Größe

K₂-

praktisch konstant ist. Die Größe mg ist klein gegenüber

1, so daß die auftretenden Änderungen dieser Größen K ₂ nur unwesentlich beeinflussen. Weiterhin ist der Ausbreringrad ,bei modernen Gasturbinenbrennkammern nahezu 1 und

als konstant anzusehen. Auch der untere Heizwert H_u t bei allen infrage kommenden Kraftstoffen praktisch gleich. Die größte Abweichung von einem konstanten Wert von K ₂ ist in der spezifischen WÄrae zu erwarten. Diese hängt aber bei vernachlässigbarem Einfluß des Brennstoff-Luftverhältnisses * B bei konstantem T ^ nur noch vom gemessenen T, ^ ab. Aus diesem Grunde ist es möglich,

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den dadurch entstehenden Fehler in der Brennstoffzumeasung im gesamten möglichen Betriebsbereich durch Wahl eines etwas geänderten Wertes von K ₂ und eines etwas geänderten T , g Einflusses weitgehend auszuschalten.

Die erfindungsgemäße Regelvorrichtung enthält nun als wesentlichen Gedanken die Brennstoffzumeseung nach Gleichung 4 und darüber hinaus das Zusammenwirken dieser Zumessung mit eines Drehzahlregler für den Gasgenerator und einer Leitrad-Verstelleinrichtung.

Handelt es sich um eine Regelvorrichtung für eine Gasturbine, bei der der Gasgenerator zwischen dem Verdichter und der Brennkammer einen Wärmetauscher aufweist, so wird vorgeschlagen, daß als Temperaturzustandsgröße die Temperatur am Austritt des Wärmetauschers bzw. am Eintritt in die Brennkammer dient. Diese Stelle hinter dem Wärmetauscher ist besonders günstig, weil sich dort die Temperatur nur relativ langsam ändert und in großen Bereichen einen konstanten Wert hat.

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Wird die Regelvorrichtung auf eine Gasturbine angewandt, die keinen wärmetauscher hat, kann anstelle der Temperatur hinter dem Wärmetauscher die Temperatur am Verdichteraustritt ermittelt werden. Da sich die Temperatur dort verhältnismäßig schnell ändern kann, wäre wieder ein schnellwirkender Fühler erforderlich, der Jedoch hier wegen der geringeren Temperatur eine höhere Standzeit hat. Um dies zu vermeiden, wird vorgeschlagen, daß als Temperturzustandsgröße eine durch Addition der Temperatur am Eintritt des Verdichters und der Temperaturdifferenz zwischen Verdichteraustritt und -eintritt ermittelte Meßgröße dient, wobei die Temperaturdifferenz durch ein Fliehkraftmeßwerk simuliert ist, dessen Ausgangshub dem Quadrat der Verdichterdrehzahl proportional ist. Dabei greifen der Ausgang des Fliehkraftmeßwerkes und das Geberglied der Temperatur am Verdichtereintritt an den Enden eines Waagebalkens an, an dem der Sunmengeber für die Temperaturzustandsgröße befestigt iet. Diese Simulation der Temperaturdifferenz mittels des Fliehkraftmeßwerkes ist sehr genau

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bei ein- oder mehrstufigen Radialverdichtern mit radialem Schaufelaustritt des Laufrades und hoher Schaufelzahl. Diese Verdichterbauform wird sehr häufig bei kleineren Gasturbinen, die hier hauptsächlich interessieren, angewendet. Die Erklärung hierfür ist in der Tatsache zu suchen, daß die der Luft bei» Durchtritt durch solche Verdichter mitgeteilte Erhöhung der Gesamtenergie dem Quadrat der Drehzahl proportional ist. Dies ergibt sich dadurch, daß die effektive Förderhöhe von einer Kennziffer für die effektive Förderhöhe und dem Umfangsquadrat abhängt. Die Kennziffer für die effektive Förderhöhe ist bei den oben geschilderten Verdichterbauarten nahezu konstant. Für Verdichter, die von der oben definierten Bauart abweichen, ist die Kennziffer zwar nicht mehr genau konstant, es dürfte sich Jedoch in vielen Fällen die beschriebene Einrichtung zur Ermittlung der Temperaturzustandegröße als brai&bare Annäherung für Radialverdichter mit gekrümmten Schaufeln oder für Axialverdichter anwenden lassen. Diese Simulation der Temperaturdifferenz

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ist auch für einwellige Strahltriebwerke ohne Wärmetauscher mit verstellbarer Schubdüse geeignet. Dabei ersetzt die verstellbare Schubdüse die Nutzturbine und das dieser vorgeschaltete Leitrad. Die gleiche TemperatursizBUlation dürft· auch Anwendung finden bei einer Gasturbine ohne wärmetauscher mit Verstellpropeller. Analog dar der Leitradvarstellung einer nachgeschalteten Nutzturblne kann der Anstellwinkel der Luftschraubenblätter verstellt werden. Eine Erhöhung des Anstellwinkels bewirkt eine erhöhte Leistungsaufnahme der Luftschraube und entspricht in der Auswirkung einer Verkleinerung des Leitradwinkels bei der Leitradverstellung.

Zur weiteren Xrläuterung dar Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in der ein Ausführungebeispiel der Erfindung vereinfacht dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 eine Regelvorrichtung gemäß der Erfindung für

einen Gasgenerator und eine nachgeschaltete Nutzturbine, deren Leitrad durch einen Verstellmechanismus verstellbar ist und wobei ein Brennstoffzumeßventil

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vorgesehen 1st, an den als Zustandsgrößen die Temperatur aa Auetritt des Wärmetauschers, der Druck vor einem Leitkranz der Verdichterturbine und das Stellglied eines Drehzahlreglers angreifen.

Fig. 2 Eine erfindungsgeaäBe Vorrichtung, die es ermöglicht, anstelle der stark schwankenden Temperatur am Verdichtereintritt die Temperatur am Verdichteraustritt und eine Simulation der Ttmperaturdifferenz im Verdichter als.Temperaturzustandsgröße bei OaB-tuxUnen ohne Wärmetauscher zu verwenden.

In Fig. 1 ist mit 1 tine Pumpe bezeichnet, die Kraftstoff zu einem Brennstoffzumeßventil 2 fördert. Das Brennstoff zumeöventil 2 hat einen Ventilkörper 3, der verschiebbar und verdrehbar in einer Büchse 4 gelagert ist. Im Ventilkörper 3 und in der Büchse 4 sind Zumeßquerechnitte 3p und 4a von im wesentlichen rechteckigem Querschnitt vorgesehen* Die wirksame öffnung zwischen den beiden Zumeßquerschnitten wird durch Verdrehen und Verschieben des

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Ventilkörpers verändert. Die Verdrehung erfolgt durch einen mit dem Druck ρ ^ vor dem Leitkranz des Gasgenerators beaufschlagten Federbalg 5» der zur Ausschaltung des Kraftstoffdruckes pj„ gegen einen evakuierten Federbalg wirkt. Die axiale Verschiebung des Ventilkörpers erfolgt in Abhängigkeit von der Temperatur T * 5 hinter dem Wärmetauscher bzw. in Abhängigkeit von'der Temperaturzustandegröße , die durch eine später beschriebene Vorrichtung erzeugt wird. Die Temperatur T , ^ wird zu einem Temperaturfühler 6, an dessen Stelle ein Summengeber der noch zu beschreibenden Vorrichtung ggf. verwandt wird, Übertragen, dessen Bewegung über ein federnd gelagertes Rohr 7 und Über «inen federnden Anschlag 8 auf den Ventilkörper 3 Übertragen wird. Am Brennstoffventil 2 wird der Druck mit Hilfe eines Δρ-Reglers 9 konstant gehalten. Damit wird erreicht, daß der der nicht dargestellten Brennkammer Über ein Druckhalteventil 10 zufließende Kraftstoff bei gegebenem spezifischen Gewicht nur noch von der Größe der Zumeßquerschnitte 3a und 4a abhängt. Mit den bisher beschriebenen Elementen wird das Grundprinzip der Kraftstoffzumessung nach der in der Besehrei-

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bung genannten Gleichung 4 verwirklicht. Sie tritt genau genommen in dieser Fora nur während der Beschleunigung des Gasgenerators auf, bei dem keine Beeinflussung des Ventilkörpers in Abhängigkeit der Drehzahl erfolgt.

Zur Drehzahlbeeinflussung ist am Ventilkörper 3 ein Hebel 13 befestigt, d#r in RicHung eines Drehzahlreglers zeigt. Der Drehzahlregler 12 ist in üblicher Weise ausgebildet und von der Gasgeneratorwelle angetrieben. Der Drehaßhlregler 12 weist ein Stellglied 11 auf, welches über eine Feder belastbar ist, deren Vorspannung durch einen willkürlich betätigbaren Vestellhebel 14, der bei Kraftfahrzeugen durch ein Gaspedal ersetzt sein kann, variiert wird. 1st die wirkliche Drehzahl des Gasgenerators kleiner als die durch den VersuLlhebel 14 gewählte Solldrehzahl, so ist das Stellglied 11 voa Hebel 13 abgehoben und beeinflußt den Ventilkörper nicht. Ist die Solldrehzahl erreicht, bo beginnt die Beeinflussung des Vertilkörpers 3 durch das Stellglied 11.

An di· Brennstoffleitung hinter der Pumpe 1 ist eine Steuerleitung angeschlossen, in der ein ρ -Regler 17, eine Ab-

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strömetelle 17a und ein· Blende 17b eingebaut sind. Die Steuerleitung 15 führt zu einem Steuerschieber 16, der einen Steuerkolben 16a beherrscht, welcher die Verstellung des Leitrades vor der Nutzturbine bewirkt. Zwischen Steuerschieber 16 und Steuerkolben 16a ist eine RUckkpplung 16b vorgesehen, die eine proportionale Verstellung des Steuerkolbens entsprechend einer Verschiebung des Steuerschiebers bzw. entsprechend dem Druck in der Steuerleitung bewirkt. An die Steuerleitung 15 ist das Rohr 7 angeschlossen, dessen MUndungsdtise 7a an Anschlag θ Im wesentlichen dichtend anliegt. Der ρ -Regler erzeugt in Verbindung mit der Abströmstelle 17 a und der Blende 17b einen konstanten Servodruck p_· Während eines Beschleunigungsvorganges des Gasgenerators liegt die MUndungsdUse 7a auf dem Anschlag θ auf, da das Stellglied 11 von Hebel 13 abgehoben hat. Die MUndungsdUse des Rohres 7 ist verschlossen. Der Druck Pj₁, der zur Leitradverstellung geleitet wird, 1st dadurch gleich den Servodruck p_. Wie der Fig. 1 zu entnehmen ist, bewirkt ein hoher Druck in der Leitung 15 eine maximale Leitradverstellung /v/max (entsprechend

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einer maximalen Strömungsflache A ^) wogegen ein kleiner Druck ein fjmln bewirkt.

Betrachtet man eine Beschleunigung des Gasgenerators durch eine plötzliche Erhöhung der gewählten Solldrehzahl durch den Verstellhebel 14, so wird das Stellglied 11 des Drehzahlregler· 12 nah oben verschoben und hebt roe Hebel 13 ab. Die Brennstoffzumessung erfolgt nun für konstantes T ^ in Abhängigkeit von ^T 3 5 und ρ ^. Durch die verschlossene MlndungsdUse 7a wird ein hoher Steuerdruck zur Leitradverstellung geleitet und damit pmax eingestellt. Dadurch wird der Gegendruck an der Generatorturbine stark abgesenkt. Dies hat zur Folge, daß aa Rotor des Oasgenerators bei Ta* konstant die höchstmöglichen BeschleunigungSMoaente zur Verfügung stehen und der Gasgenerator daait In der kleinstsöglichen Zeit auf den gewtthlten Sollwert beschleunigt. Ist die gewünschte Solldrehzahl erreicht, so senkt sich das Stellglied 11 auf dan Hebal 13 und bewirkt eine Verschiebung des Ventilkörpers 3 nach unten und damit eine kleine Ver-

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Minderung von T ^. Solange das Spiel s zwischen dem Anschlag und dem Ventilkörper 3 noch nicht zu O geworden ist, wird der Leitradwinkel auf P max gehalten, was der maximalen Durchströmfläche A ^ entspricht. Erst wenn s = O geworden ist, und bei weiter steigender Drehzahl des Gasgenerators die Mündungedüse 7a vom Anschlag 8 abhebt, wird der Steuerdruck gesenkt und die Leitradverstellung in Richtung einer geringeren Durchströmflache abgesenkt. Sinkendes ß senkt aber die Beschleunigungsmomente am Gasgenerator ab, so da£ die Beschleunigung schließlich 0 wird. Eine zu weite Verringerung von ß würde dabei bei dem vorliegenden T ^ der Solldrehzahl Verzögerungemomente erzeugen und damit durch Absenkung der Gasgeneratordrehzahl zu einem Schließen der MUndungsdUse 7e und damit wiederum zu einem Offnen des Leitrades fuhren. Daher stellt sich der stationäre Betriebszustand bei s * 0 und einer sehr kleinen Öffnung der MUndungsdüse 7a ein. Diese öffnung reicht gerade noch aus, im für die gewählte Generatordrehzahl und das gewünschte A . die erforderliche Leitradvereteilung einzustallen* Die gewünschte stationäre Temperatur T ^ *-^ß-t u* »inen kleinen Betrag geringer, als

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die T_emperatur T ^ beim Beschleunigen, weil der Ventilkörper üb den Betreg β und üb den sehr kleinen Öffnungehub der MUndungsdUse 7» weiter unten steht und der zugeaessene Kreftetoffdurchsatz dadurch geringer als beia Beschleunigen ist. Die Größe dieses Teaperaturunterschiedes zwischen Beschleunigung und stationärem Betrieb läßt sich also im wesentlichen durch das Spiel s beeinflussen. Durch diese Regelung kann daher auch überhaupt auf eine solche Temperaturdifferenz verzichtet und β ■ 0 gewählt werden. In diesem Falle würde der federnde Anschlag β entfallen können (Anschlag 8 und Ventilkttper 3 bilden dann eine Einheit).

Man kann sich den RegelVorgang auch in zwei nacheinander ablaufende Teilvorginge vorstellen. Dies ist dann BÖglich, wenn aan sich die Leitradverstellung sehr langsam wirkend vorstellt. Dann würde sich am Ende eines Beschleunigungevorganges des Gasgenerators zunächst durch Eingreifen des Drehzahlreglers ein

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Gleichgewichtszustand einstellen, der zu einer weitgeöffneten Leitradverateilung gehört und durch tiefen Kraftstoffdurchsatz und tiefe Temperatur T ^ gekennzeichnet ist. Durch langsames Schließen des Leitrades wird nun durch den Drehzahlregler ein immer weiter steigender Brennstoffdurchsatz freigegeben und T r steigt so lange an, bis das durch die Kraftstoffzumessung gegebene maximale T ^ erreicht 1st. XIn Überschreiten dieser Grenze wird wieder durch die Umkehr dar Verstelleinrichtung verhindert. Man kann daher die Verstellgeschwindigkeit der Leitradverstellung so groB wählen, daß keine nennenswerten Verzögerungen der vollen Leistungsabgabe auftreten und daß gleichzeitig auch noch ausreichend gedämpfte Regelvorginge erzielbar sind.

Grundsätzlich ließe sich auch die Drehzahlregelung mit einem Drehzahlregler ausfuhren, der direkt auf die Verstelleinrichtung einwirkt. Eine solche Verstellung würde Jedoch wesentlich langsamer wirken als die Verstellung

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eines kleinen Iraftstoffventilkörpers. Daher wird bei der vorgeschlagenen Regelvorrichtung ein wesentlich kleineres überechwingen der Drehzahl als bei direkter Regelung der Leitradverstellung erreicht. DarUber hinaus wird bei willkürlicher Betätigung eines bei Kraftfahrzeuggasturbinen vorgesehenen Bremshebels (willkürliche p-Vergrößerung) ein Durchgehen des Gasgenerators ohne zusätzlichen Aufwand vermieden.

Bs sei bezüglich Anlage 1 noch gesagt, daß es sich hier lediglich um eine schematische Darstellung handelt. Durch die Andeutung von bestimmten konstruktiven Ausführungen soll nur das vorgeschlagene Prinzip erläutert werden. Bei einer Verwirklichung dieser Regelung wird man die günstigste Ausführung der Ilemente noch ermitteln müssen. So wird man z.B. die Ilemente 9, 10 und 17 wahrscheinlich nioht al· eingeläppte Steuerschieber ausführen, sondern mit Federbälge und Prallplattenventile. Obwohl grundsätzlich auch eine elektrische Ausführung mOglioh ist, erscheint es doch im vorliegenden Falle vorteilhaft, die Regelung in hydromechanischer Bauweise auszuführen.

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Zusätzlich zu den bereite angeführten Vorteilen, sei noch auf folgendes hingewiesen:

Die vorgeschlagene Regelung geht von der gleichmäßigen Temperatur T , g im Heißteil der Turbine aus, die sich außerdem wegen der Wärmekapazität des Wärmetauschers auch noch am langsamsten ändert. Man kann daher mit einem, zur besseren Mittelwertbildung möglichst lang ausgeführten, mechanisch wirkenden Einzelfühler für die Temperatur T , ^ auskommen, der wegen des wesentlich tieferen Temperaturniveaus hinsichtlich der Lebensdauer unproblematisch und auch noch genügend schnell ist.

Die vorgeschlagene Regelung ermöglicht unter allen Betriebsbedingungen die größtmögliche Beschleunigung des Gasgenerators im Rahmen der thermodynamischen Grenzen der Gasturbine. So wird z.B. die Beschleunigungsverminderung mit steigender Höhe automatisch und ohne TurblnenUberhitzung in richtiger Weise geregelt. Die optimale Ausnutzung der Beschleunigungsfähigkeit der Gasturbine 1st wichtig, weil die Gasturbine hierin hin-

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sichtlich dem sonst bei Kraftfahrzeugen Üblicherwelse verwandten Dieselmotor normalerweise unterlegen ist.

Die Regelung läßt sich ohne Jede Elektronik verwirklichen. Durch den Wegfall der Elektronik fallen praktisch alle Schwierigkeiten fort, die mit störenden bzw. Störungen verursachenden elektromagnetischen Wellian zusammenhängen.

Der den Kraftstoff regelnde Teil der Regelvorrichtung kann alt der Kraftstoffpumpe zusammengebaut und direkt an der Gasturbine angeordnet werden. Es entstehen keine Temperaturprobleme wie bei einer elektronischen Regelung.

Die Vorrichtung geaäß Fig. 2 dient dazu, bei Gasturbinen ohne Wärmetauscher eine Teaperaturzustandsgröße zur Verfugung zu stellen, die ale Ersatz für die Temperatur hinter dem Wärmetauscher vor Eintritt in die Brennkammer dient. In Flg. 2 ist mit 20 ein Geberglied bezeichnet,

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das die Temperatur T ^ vor Eintritt in den Verdichter in mechanische Bewegung überträgt. Weiterhin ist mit 21 ein Fliehkraftmeßwerk bezeichnet, das vom Gasgenerator angetrieben 1st und dessen Ausgang 22 eine Meßgröße liefert, die dem Quadrat der Verdichterdrehzahl proportional ist. Das Geberglied 20 und der Ausgang 22 greifen an den Enden eines Waagebalkens 23 an. Etwa in der Mitte dee Waagebalkens 23 ist ein Summengober 24 befestigt, der in einem Gehäuse radial geführt ist. Es sei darauf hingewiesen, daß der Summengeber 24 nicht in der Mitte sondern auch außermittig angeordnet sein kann, um dl« Einflüsse dee Gebergliedes 20 und Ausgangs 22 ungleich stark Übertrugen zu können. Der Summengeber 24 wird bei Anwendung dieser Vorrichtung an der Regelvorrichtung gemäß Flg. 1 anstelle des Temperaturfühlers 6 an das Rohr 7 angeschlossen. Wie bereits weiter oben ausgeführt wurde, let die Temperaturdifferenz bei einem ein- oder mehrstufigen Radialverdichter zwischen Verdichteraustritt und Verdichtereintritt etwa proportional dem Quadrat der Drehzahl, so daß am Ausgang 22, bei ent-

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sprechender Auslegung des Fliehkraftmeßwerks, die Temperaturdifftrenz zwischen Ausgang und Eingang des Verdichters anliegt. Infolge dessen liegt am Summengeber 24 die Temperatur an Austritt des Verdichters vor. Da eich die Temperatur vor dem Verdichter, entsprechend der Umgebungstemperatur nur langsam ändert, braucht auch hier kein schnellwirkender Fühler vorgesehen zu werden. Dagegen wirkt die Simulation der schnellwirkenden Temperaturänderung hinter dem Verdichter entsprechend schnell» da das Fliehkraftmeßwerk mit der Verdichter- bzw. mit der Gaageneratorwelle gekuppelt ist.

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Claims (10)

1. Patentansprüche

   Λ J Regelvorrichtung tür Gasturbinen mit einem Gasgenerator, bestehend zumindest aus einem Verdichter, einer Brennkammer und einer Verdichterturbine, mit einer nachgeschalteten, im Durchsatz verstellbaren Kraftabnahme- bzw. Schubeinrichtung, vorzugsweise in Form einer mit einem verstellbaren Leitrad versehenen Nutzturbine, einerIm Querschnitt veränderbaren Schubdüse oder eines Verstellpropeller, und mit einem Brennstoffzumeßventil, dessen Zumeßquerschnitt in Abhängigkeit von Zustandsgrößen des Gasgenerators beeinflußt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Zustandsgrößen für die Verstellung des Brennstoffzumeßventil· (2) die Temperatur am Eintritt in die Brennkammer bzw. am Austritt des Verdichters, der Druck vor der Verdichterturbine und das Stellglied (11) eines willkürlich beeinflußbaren (14) Drehzahlreglers (12) des Gasgenerators dienen und daß die Verstellung (16, 16·, 16b) des Durchsatzes der Kraftabnahmebzw. Schubeinrichtung in Abhängigkeit von der Differenz der Meßgröße der Temperatur am Eintritt in die Brennkammer bzw. am Austritt des Verdichter· und dem Stellglied (11) des

   Drehzahlreglers (12) erfolgt.

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2. 2. Regelvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Gasgenerator zwischen dem Verdichter und der Brennkammer einen Wärmetauscher aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß als Temperaturzustandegröße die Temperatur am Austritt des Wärmetauschers bzw. am Eintritt in die Brennkammer dient.
3. 3. Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Temperaturzuetandsgröße eine durch Addition der Temperatur am Eintritt des Verdichters und der Temperaturdiffft^renz zwischen Verdichterauetritt «nd -eintritt ermittelte Meßgröße dient, wobei die Temperaturdifferenz durch ein Fliehkraftmeßwerk (21) simuliert ist, dessen Ausgangshub dem Quadrat der Verdiohterdrehzahl proportional 1st.
4. 4. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, cfcß der Ausgang (22) des Fliehkraftmeßwerkes (21) und das Geberglied(20) der Temperatur am Verdichten^eintritt an den Enden eines Waagebalkens (23) angreifen, an dem ein Summengeber (24) für die TeaperaturzustandegruBe befestigt ist.

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5. 5» Regelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekannzeichnet, daß die Zumeßquerschnitte (3a, 4a) dea Brennstoffzuaeßventils (2) durch zweidimensional Bewegung eines Ventilkörperβ (3) verstellbar sind, wobei der einen Bewegungsrichtung des Ventilkörpers (3) dar Druck vor der Vex dichterturbine zugeordnet ist und wobei in der anderen Bewegungsrichtung einerseits das Stellglied (11) des Drehzahlreglers (12) und der Summengeber (24) bzw. ein Temperaturfühler (6) am Austritt des Wirmetauschers gleichgerichtet, sich gegenseitig im Sinne einer Verringerung der Zumeßquerschnitte übersteuernd und andererseits eine entgegenwirkende Feder am Ventilkörper (3) angreifen.
6. 6. Regelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellung (16, 16a, 16b) des Durchsatzes der Kraftabnahme- bzw. Schubeinrichtung durch eine Fühleinrichtung (7a), die die Differenz der vom Summengeber (24) bzw. des Temperaturfühlers (6) gesteuerten Sollstellung und der Iststellung des Ventilkörpers (3) ermittelt, derart beherrscht 1st, daß das Sintreten einer Differenz eine dosierte Verstellung im Sinne einer Durchsatsverringerung bewirkt.

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7. 7. Regelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Summengeber bzw. Temperaturfühler (6) am Ventilkörper (3) über einen federnd an letzterem abgestützten Anschlag (8) angreift und daß die Differenzmessung der Fühleinrichtung zwischen Anschlag (8) und Summengeber (24) bzw. Temperaturfühler (6) erfolgt.
8. 8. Regelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche» dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellung des Durchsatzes der Kraftabnahme- bzw. Schubeinrichtung über eine hydraulische, rückgekoppelte (16b) ServoeinricHking (16, 16a) mit einem auf der einen Seite federbelasteten und auf dar anderen Seite an eine Steuerleitung (15) angeschlossenen Steuerschieber (16) erfolgt, daß der Summengeber (24) bzw. der Temperaturfühler (6) an einem beweglich·« Rohretück (7) angreift, dessen MUndungsdüse (7·) einer Hlohe des Anschlage (8) in Bewegungsrichtung des YentilkOrpers (3) benachbart ist und daß das Rohrstück (7) an die zum Steuerschieber (16) führende Steuerleitung (15) angeschlossen ist.

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9. 9. Regelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerleitung (15) unter Zwischenschaltung eines ρ -Reglers (17) ggf. einer Blende (17b) und einer Abströmstelle (17a) an die Brennstoffdruckleitung angeschlossen ist.
10. 10. Regelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Anspruch·, dadurch gekennzeichnet, daß am Ventilkörper (3) ein Federbalg (5) angreift, der vom Druck vor der Verdichterturbine beaufschlagt ist.

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