DE2523078A1 - Regelvorrichtung fuer gasturbinen - Google Patents
Regelvorrichtung fuer gasturbinenInfo
- Publication number
- DE2523078A1 DE2523078A1 DE19752523078 DE2523078A DE2523078A1 DE 2523078 A1 DE2523078 A1 DE 2523078A1 DE 19752523078 DE19752523078 DE 19752523078 DE 2523078 A DE2523078 A DE 2523078A DE 2523078 A1 DE2523078 A1 DE 2523078A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- temperature
- compressor
- control device
- turbine
- valve body
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
- F02C9/00—Controlling gas-turbine plants; Controlling fuel supply in air- breathing jet-propulsion plants
- F02C9/48—Control of fuel supply conjointly with another control of the plant
- F02C9/50—Control of fuel supply conjointly with another control of the plant with control of working fluid flow
- F02C9/54—Control of fuel supply conjointly with another control of the plant with control of working fluid flow by throttling the working fluid, by adjusting vanes
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Control Of Turbines (AREA)
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.
609849/0137
15. Mai 1975 D 75/42
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
609849/0137
15. Mai 1975 D 75/42
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
609849/0137
15. 5. 1975 D 75/42
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-
609849/0137
15.5.1975 D 75/42
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 *
609849/0137
15. 5. 1975 D 75/42
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
609849/0137
15. 5. 1975 D 75/42
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.
609849/0137
15. 5. 1975 D 75/42
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 ^.
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 '
m B * Brennstoffdurchsat*
m L * Luftdurchsatz
T λ * Gesamttemperatur vor Leitkranz der Verdichterturbine
T 3 6 * Gesamttemperatur am Eintritt in die
T 3 6 * Gesamttemperatur am Eintritt in die
Q 137
CP ^T 3.6 " T 4) « Mittelwert für die spezifische
CP ^T 3.6 " T 4) « Mittelwert für die spezifische
n T _ ^ und T ,
BAD ORtGlNAL
15. 5. 1975 D 75/42
» 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:
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.
609849/0137
15. 5. 1975 D 75/42
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 Hu 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,
609 8 4 9/0137
15.5.1975 D 75/42
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.
6098 49/0137
15. 5. 1975 D 75/42
12
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
609849/0137
15. 5. 1975 D 75/42
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
609849/0137
15. 5. 1975 D 75/42
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:
einen Gasgenerator und eine nachgeschaltete Nutzturbine,
deren Leitrad durch einen Verstellmechanismus verstellbar ist und wobei ein Brennstoffzumeßventil
609849/0137
15. 5. 1975 D 75/42
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
609849/0137
15. 5. 1975 D 75/42
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-
609849/0137
15. 5. 1975 D 75/42
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-
609849/0137
15. 5. 1975 D 75/42
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
609849/0137
15. 5. 1975 D 75/42
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-
609849/0137
15. 5. 1975 D 75/42
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
609849/0137
15. 5. 1975 D 75/42
- 21
die Temperatur 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
609849/0137
15. 5. 1975 D 75/42
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
609849/0137
15. 5. 1975 D 75/42
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.
609849/0137
15. 5. 1975 D 75/42
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-
609849/0137
15. 5. 1975 D 75/42
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,
609849/0137
15. 5. 1975 D 75/42
- 26
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-
609849/0137
15. 5. 1975 D 75/42
27 -
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.
609849/0137
Claims (10)
- PatentansprücheΛ 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) desDrehzahlreglers (12) erfolgt.609849/013 715. 5. 1975 D 75/42
- 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. 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. 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.609849/013715. 5. 1975 D 75/42
- 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. 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.609849/013715. 5. 1975 P 75/42
- 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. 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.609849/0137 ORIQINM. inspected15. 5. 1975 D 75/42
- 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. Regelvorrichtung nach einem der vorhergehenden Anspruch·, dadurch gekennzeichnet, daß am Ventilkörper (3) ein Federbalg (5) angreift, der vom Druck vor der Verdichterturbine beaufschlagt ist.609849/0137Lee rs ei te
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2523078A DE2523078C2 (de) | 1975-05-24 | 1975-05-24 | Regelvorrichtung für Gasturbinenanlagen |
GB18782/76A GB1550426A (en) | 1975-05-24 | 1976-05-07 | Control system for gas turbine engines |
US05/689,339 US4057960A (en) | 1975-05-24 | 1976-05-24 | Control system for gas turbines |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2523078A DE2523078C2 (de) | 1975-05-24 | 1975-05-24 | Regelvorrichtung für Gasturbinenanlagen |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2523078A1 true DE2523078A1 (de) | 1976-12-02 |
DE2523078C2 DE2523078C2 (de) | 1982-06-03 |
Family
ID=5947338
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE2523078A Expired DE2523078C2 (de) | 1975-05-24 | 1975-05-24 | Regelvorrichtung für Gasturbinenanlagen |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US4057960A (de) |
DE (1) | DE2523078C2 (de) |
GB (1) | GB1550426A (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19602004C5 (de) * | 1995-02-13 | 2007-05-24 | ACHENBACH BUSCHHüTTEN GMBH | Kaltwalzwerk für Fein- und Folienband |
Families Citing this family (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4274254A (en) * | 1977-12-22 | 1981-06-23 | The Garrett Corporation | Turbine engine fuel schedule valve and method |
SE443400B (sv) * | 1977-12-22 | 1986-02-24 | Garrett Corp | Gasturbinmotor samt anvendningen av gasturbinmotorn |
US4244181A (en) * | 1977-12-22 | 1981-01-13 | The Garrett Corporation | Variable geometry gas turbine engine fuel and guide vane control |
US4773212A (en) * | 1981-04-01 | 1988-09-27 | United Technologies Corporation | Balancing the heat flow between components associated with a gas turbine engine |
DE3940248A1 (de) * | 1989-04-17 | 1990-10-18 | Gen Electric | Verfahren und einrichtung zum regeln eines gasturbinentriebwerkes |
US8608441B2 (en) | 2006-06-12 | 2013-12-17 | Energyield Llc | Rotatable blade apparatus with individually adjustable blades |
US20080148881A1 (en) * | 2006-12-21 | 2008-06-26 | Thomas Ory Moniz | Power take-off system and gas turbine engine assembly including same |
US8015828B2 (en) * | 2007-04-03 | 2011-09-13 | General Electric Company | Power take-off system and gas turbine engine assembly including same |
US9841101B2 (en) * | 2014-09-04 | 2017-12-12 | Cummins Power Generation Ip, Inc. | Control system for hydraulically powered AC generator |
CN110489863B (zh) * | 2019-08-20 | 2023-05-26 | 成立航空技术(成都)有限公司 | 航空发动机主燃烧室出口温度场指标的确定方法 |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3006143A (en) * | 1961-10-31 | Gas turbine fuel control | ||
US3521446A (en) * | 1968-04-16 | 1970-07-21 | Chandler Evans Inc | Fuel control having pressure referenced turbine overspeed device |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3393691A (en) * | 1965-12-13 | 1968-07-23 | Bendix Corp | Fuel control having proportional plus integral governor with variable proportional and integral gains |
FR2180509B1 (de) * | 1972-04-19 | 1975-10-24 | Snecma | |
US3814537A (en) * | 1972-09-22 | 1974-06-04 | Gen Motors Corp | Turbine nozzle control |
-
1975
- 1975-05-24 DE DE2523078A patent/DE2523078C2/de not_active Expired
-
1976
- 1976-05-07 GB GB18782/76A patent/GB1550426A/en not_active Expired
- 1976-05-24 US US05/689,339 patent/US4057960A/en not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3006143A (en) * | 1961-10-31 | Gas turbine fuel control | ||
US3521446A (en) * | 1968-04-16 | 1970-07-21 | Chandler Evans Inc | Fuel control having pressure referenced turbine overspeed device |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
DE-Z: MTZ, 1974, H. 10, S. 333-337 * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19602004C5 (de) * | 1995-02-13 | 2007-05-24 | ACHENBACH BUSCHHüTTEN GMBH | Kaltwalzwerk für Fein- und Folienband |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
GB1550426A (en) | 1979-08-15 |
DE2523078C2 (de) | 1982-06-03 |
US4057960A (en) | 1977-11-15 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE2626405C2 (de) | ||
DE2626406C2 (de) | Gasturbinentriebwerk mit variablem Zyklus | |
DE3871971T2 (de) | Uebergangsregelsystem fuer einen gasturbinenmotor. | |
DE68906898T2 (de) | Kraftstoffsteuerungssystem. | |
DE1963432C3 (de) | Regeleinrichtung für eine Gasturbinenanlage | |
DE4433543C1 (de) | Verfahren zur Einstellung und Überprüfung des Durchflusses bei Ventilen | |
DE3514354A1 (de) | Gekuehlte gasturbine mit lastabhaengig regelbarer kuehlluftmenge | |
DE2427819C3 (de) | Vorrichtung zum Umwandeln von kalorischer Energie in mechanische Energie mit Abgasrückführung | |
EP0243596B1 (de) | Axialdrallregler für einen Abgasturbolader für Verbrennungsmotoren | |
DE2543120C2 (de) | Mittels Abgasturboladers aufgeladene Brennkraftmaschine | |
DE2523078A1 (de) | Regelvorrichtung fuer gasturbinen | |
DE3878261T2 (de) | Drehzahlbegrenzer fuer ein elektronisches kraftstoff-regelsystem. | |
DE10011441C2 (de) | Gasdichtungsvorrichtung für einen Auflader mit variabler Leistung | |
DE2746485A1 (de) | Abblasventil-steuerungssystem | |
DE1476003B1 (de) | Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Generators mit einem Lader | |
DE1915824C3 (de) | Regelanlage für Gasturbinentriebwerke | |
DE2852911C2 (de) | ||
DE19848434C2 (de) | Brennstoffzumeßsystem | |
EP0039375B1 (de) | Steuerungseinrichtung in einer gasdynamischen Druckwellenmaschine zur Aufladung von Verbrennungsmotoren | |
DE3850211T2 (de) | Dosierventil mit Temperaturkompensierung. | |
DE2041782A1 (de) | Regler fuer die Schuberhoehungsanlage einer Gasturbine mit Kompensation fuer die Rueckkopplungsschleife | |
CH250563A (de) | Rückstossantrieb für Fahrzeuge, insbesondere Flugzeuge. | |
CH268941A (de) | Anlage mit einem Strömungskompressor. | |
DE1816414B2 (de) | Regelvorrichtung fuer ein gasturbinentriebwerk | |
DE3219250C2 (de) | Vorrichtung zum Verändern des Leistungsvermögens einer Radialturbine |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
D2 | Grant after examination | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |