DE2545468A1

DE2545468A1 - Steuereinrichtung fuer ein gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE2545468A1
Application number: DE19752545468
Authority: DE
Inventors: Donald Jack Armstrong; Alan Louis Hitzelberger
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1974-11-04
Filing date: 1975-10-08
Publication date: 1976-05-13
Also published as: CA1031972A; GB1485228A; US3919838A; JPS5169710A

Description

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1 ;>RL:N 19 Λ 04*205

General Motors Corporation, Detroit, Mich., V.St.A.

Steuereinrichtung für ein Gasturbinentriebwerk

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuereinrichtung für ein Gasturbinentriebwerk mit einer Brennkammer, bei der das Verhältnis der Primärbrennluftmenge zur Gesamtluftmenge veränderbar ist.

Eine derartige Steuereinrichtung ist beispielsweise durch die US-PS 3 584 459 bekannt.

Es ist bekannt, dass bei Betrieb einer Brennkammer mit zu niedriger Temperatur eine unvollkommene Verbrennung erfolgt, so dass in den Abgasen unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenoxid enthalten sind. Wird andererseits eine zu hohe Verbrennungstemperatur in der Brennkammer gefahren, so erhöht sich der Anteil an schädlichen Stickoxiden.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuereinrichtung der eingangs erwähnten Art bei einfachem Aufbau so weiter auszugestalten, dass eine verbesserte Verbrennung unter geringem Anteil schädlicher Abgase erzielt wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine Brennstoff-Zumesseinrichtung zur Brennkammer von Einstelleinrichtungen für das Ändern des Verhältnisses zwischen der Primärluftmenge und der Gesamtluftmenge so be-einflusst wird, dass ein diesem Verhältnis proportionaler Zumessquerschnitt für den Brennstoff eingestellt wird, dass Einrichtungen zum Erfassen der Gesamtluftmenge, eine Brennstoffpumpe, die Brennstoff unter Druck fördert, und eine den Druck des Brennstoffs regelnde Einrichtung vorgesehen sind, die den Druckabfall in dem Zumessquerschnitt für den Brennstoff proportional dem Quadrat der Gesamtluftmenge einstellt, v/odurch ein im wesentlichen konstantes Verhältnis zwischen der der Brennkammer zugeführten Brennstoffmenge und der Primär luftmenge zur Regelung der Verbrennungstemperatur aufrechterhalten wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein zweites Zumessventil, das auf die Lufttemperatur am Eintritt der Brennkammer anspricht, den Zumessquerschnitt für den Brennstoff mit abnehmender Temperatur erhöht

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und dass das Verhältnis zwischen der der Brennkammer zugeführten Brennstoffmenge und der Primärluftmenge so gewählt ist, dass eine Regelung der Verbrennungstemperatur auf einen annähernd konstanten Höchstwert erfolgt.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennstoffzumesseinrichtung auch auf die Temperatur der Luft am Einlass der Bremkammer anspricht und der Zumessquerschnitt für den Brennstoff, der vom Verhältnis der Primärluftmenge zur Gesamtluftmenge abhängig ist, so in Abhängigkeit von der Temperatur der Luft modi-fiziert wird, dass die den Druck des Brennstoffs regelnde Einrichtung ein im wesentlichen konstantes Verhältnis des der Brennkammer zugeführten Brennstoffs zum Produkt aus der Primärluftmenge und dem Temperaturanstieg aufrecht erhält, der eine vorgegebene Verbrennungstemperatur ergibt.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennstoffzumesseinrichtung in Zusammenarbeit mit der Einstelleinrichtung für das Verändern des Verhältnisses der Primärluftmenge zur Gesamtluftmenge einen Zumessquerschnitt für den Brennstoff proportional dem Produkt dieses Verhältnisses und einer Menge einstellt, die proportional der Differenz der Lufttemperatur am Eintritt der Brennkammer , und einer vorgegebenen im wesentlichen konstanten Verbrennungstemperatur ist, so dass die den Druck des Brennstoffs regelnde

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Einrichtung die Verbrennungstemperatur auf einen annähernd konstanten Wert hält.

Weiterhin ist vorgesehen, dass ein Stellzeug für die Leistung des Triebwerks mit der Einstelleinrichtung für das Verhältnis zwischen der Primärluftmenge und der Gesamtluftmenge so gekuppelt ist, dass das Verhältnis eine unmittelbare Funktion der Lage des Stellzeugs für die Leistung ist, dass die Brennstoffzumessung ein mit dem Stellzeug für die Leistung verbundenes Ventil enthält, das proportional zu dem Verhältnis öffnet, und dass eine Betätigung für die den Druck des Brennstoffs regelnde Einrichtung eine bewegliche Wand aufweist, die auf die Differenz zwischen dem Gesamtdruck und dem statischen Druck der Luft an einer Stelle des Triebwerks anspricht.

Hierbei ist es zweckmässig, wenn die Betätigung für die den Druck des Brennstoffs regelnde Einrichtung entgegengesetzt zum Druckabfall in der Brennstoffzumesseinrichtung und einer Kraft proportional dem Quadrat der Gesamtluftmenge einwirkt. Schliesslich ist es zweckmässig, wenn eine Einrichtung zur Änderung des Zumessquerschnitts der Brennstoffzumesseinrichtung auf die Differenz zwischen einer vorgegebenen festen Verbrennungstemperatur in der Brennkammer und der Lufttemperatur am Eintritt der Brennkammer anspricht.

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In den Zeichnungen ist ein .Ausführungsbeispiel der grfindung dargestellt. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks mit einer bevorzugten Ausführungsform einer Steuereinrichtung
nach der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Brennstoffzumesseinrichtung der Steuereinrichtung gemäss Fig. 1 und

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform eines Brennstoffzumessventils für die Brennstoffzumesseinrichtung gemäss Fig. 2.

In Fig. 1 ist ein Gasturbinentriebwerk üblichen Aufbaues mit einer Steuereinrichtung nach der Erfindung dargestellt. Das Triebwerk 2 enthält einen Schieuderverdichter 3,
der verdichtete Luft durch einen Zug 4 eines Wärmetauschers 6,
derala Regenerativ- oder als Rekuperatiwärmetauscher ausgebildet sein kann, fördert. Die erhitzte Luft aus dem Wärmetauscher
fliesst über eine Leitung 7 zu einer Brennkammer 8 und die dort erzeugten Treibgase gelangen durch eine Leitung 10 zu einer
Verdichter turbine 11,. die durch eine Welle 12 mit dem Schleuder-

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verdichter 3 verbunden ist und diesen antreibt. Die Abgase der Verdichterturbine 11 werden einer Nutzturbine 14 zugeleitet, die eine Ausgangswelle 15 des Triebwerks antreibt. Die Ausgangsweile 15 ist in nicht dargestellter Weise mit den Antriebsrädern eines Kraftfahrzeugs verbunden. Die Abgase der Nutzturbine 14 strömen durch einen zweiten Zug 16 des Wärmetauschers 4 ins Freie ab.

Die Verdichterturbine 11 und die Nutzturbine 14 können als zusammengefasste Turbine ausgebildet sein oder auch als getrennte Turbinen mechanisch zeitweise miteinander kuppelbar sein.

Die Brennkammer 8 ist nur schematisch angedeutet, da ihr besonderer Aufbau im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung keine Bedeutung hat« Kurz gesagt, besteht die Brennkammer aus einem äusseren Gehäuse 18, in dem sich ein Flammrohr 19 befindet. Die durch die Leitung 7 zugeführte Luft tritt in den Raum zwischen dem Gehäuse 18 und dem Flammrohr 19 und dann in das Innere des Flammrohres ein. Die Primärluft kann normalerwije^e in das Flammrohr durch einen Wirbler 20 am stromaufwärtigen Ende des Flammrohres eintreten und weiterhin durch im Mantel des Flammrohres vorgesehene LufteintrittsÖffnungen 22 am stromaufwärtigen Ende des Flammrohrs. Mit dieser Luft wird Brennstoff verbrannt, der normalerweise als flüssiger Kohlenwasserstoff-Brennstoff in das Innere des Flammrohrs |

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durch eine Brennstoffdüse 23 eingespritzt wird. Es ist erwünscht, eine Verbrennungstemperatur von etwa 1320⁰C in dem Flammrohr aufrecht zu erhalten. Die restliche Luft wird als Zumischluft in das Innere des Flammrohres durch einen Kranz von Lufteintrittsöffnungen 24 nahe dem stromabwärtigen Ende des Flammrohres zugeleitet. Diese Zumischluft mischt sich mit den Verbrennungsgasen, um die Temperatur auf einen für die Turbinen geeigneten Wert zu senken, der normalerweise zwischen 650 bis 1040 C liegt und von den Eigenschaften der Turbinen und der geforderten Leistung abhängt.

Eine Änderung des Verhältnisses der Primärluft zur Sekundärluft und damit des Verhältnisses zwischen der Primärluftmenge und der Gesamtluftmenge kann durch Steuereinrichtungen vorgenommen werden, die die Primärluftmenge, die Zumischluftmenge odär beide beeinflussen. Um jedoch den Druckabfall auf ein geringes Mass zu begrenzen, ist es zweckmässig, sowohl die Primärluftmenge als auch die Zumischluftmenge zu beeinflussen, und dies kann in bekannter Weise durch zwei Ventilbüchsen 26 und 27 erfolgen, die an dem Aussenmantel des Flammrohrs 19 verschieblich vorgesehen sind und eine umgekehrte Änderung der Durchtrittsquerschnitte der Luftdurchtritts öffnungen 22 bzw. 24 bewirken. Wie dargestellt, sind die Ventilbüchsen 26 und 27 durch zwei oder mehr verschieblich

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geführte Stangen 28 miteinander verbunden, die sich durch die Brennkammer erstrecken und die über ein Joch 30 miteinander verbunden sind, um gemeinsam hin- und herbewegt werden zu können. Bei der bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung wird das Joch 30 unmittelbar von einem Stellzeug für die Leistung des Triebwerks beeinflusst, das von dem Fahrer des Fahrzeugs betätigt wird. D_as Joch 30 ist mit einem fussbetätigten Beschleunigungspedal 31 über ein Gestänge verbunden, das einen Lenker 32 und einen um einen Zapfen 35 schwenkbaren Winkelhebel 34 umfasst, wobei an dem einen Arm des Winkelhebels 34 eine Stellstange 36 befestigt ist, die am Joch 30 sitzt. Die Stellstange 36 erstreckt sich auch in eine Brennstoffregeleinrichtung 38, durch die der Brennstoff zur Brennstoffdüse 23 gesteuert zugeteilt wird. Die Brennstoff regeleinrichtung enthält eine von der Welle 12 über einen Kegeltrieb 39 und eine Pumpenantriebswelle 40 angetriebene Pumpe, die Brennstoff von einem Brennstoffbehälter oder einer Brennstoffvorpumpe der Brennstoffregeleinrichtung durch eine Leitung 42 zudrückt. Die Brennstoffregeleinrichtung misst Brennstoff zu, der über eine Brennstoffzuleitung 43 der Brennstoffdüse 23 zugeleitet wird.

Die Eingänge zur Brennstoffzumesseinrichtung, die die Betriebsbedingungen des Triebwerks abfühlen, bestehen

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aus einem Einlass, der die durch das Triebwerk strömende Luftmenge erfasst, und einem Einlass, der die Lufttemperatur am Einlass der Brennkammer 8 erfasst. Der Luftdurchsatz durch das Triebwerk könnte an verschiedenen Stellen gemessen werden, jedoch ist es am zweckmässigsten, dies am Einlass 44 des Schleuderverdichters 3 vorzunehmen. Hierzu wird ein üblidx es Pitotrohr 46 verwendet, das/Gesamtdruck der eintretenden Luft erfasst, sowie eine den statischen Druck erfassende Sonde 47 an der gleichen Stelle des Eintritts. Der Gesamtdruck P„ vom P-itotrohr 46 wird der Brennstoffregeleinrichtung 38

^: durch eine Leitung 48 und der statische Druck Pg von der Sonde 47 über eine Leitung 50 zugeleitet. Die Temperatur T-, der Luft am Eintritt der Brennkammer 8 wird durch einen Abfühler 51 in der Leitung 7 erfasst, der über eine Welle 52 mit der Brennstoffregeleinrichtung 38 verbunden ist.

Anhand der Fig. 2 wird nunmehr die Brennstoffregeleinrichtung 38 näher beschrieben. Diese ist in einem Gehäuse untergebracht, das aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein kann, um den Zusammenbau zu ermöglichen, wonach die einzelnen Teile miteinander verschraubt oder sonstwie verbunden werden. Das Gehäuse 54 enthält eine Kammer für eine Zahnradpumpe ^5 aus miteinander kämmenden Zahnrädern 56, von denen das eine

j auf der Pumpenantriebswelle 40 sitzt. Die Brennstoffleitung

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mündet an der Saugseite der Zahnradpumpe, die Brennstoff unter Druck in eine mehrere Zweige aufweisende Förderleitung 58 fördert. Die Förderleitung 58 hat einen Zweig, der zu einem Überströmventil 59 zur Einstellung des Druckes des Brennstoffes führt, eine weitere Zweigleitung zu einem Hauptzumessventil 60, das zu der Brennstoff zuleitung 43 führt, und eine dritte Zweigleitung zu einem Temperaturausgleichsventil 62, das ebenfalls zur Brennstoffzuleitung 43 führt, wobei die beiden Ventile 60 und 62 parallel zueinander angeordnet sind.

Das Überströmventil 59 hält einen Druckabfall zwischen den Ventilen 60 und 62 aufrecht, der dem Quadrat der Gesamtluftmenge proportional ist. Dieses Ventil wird durch eine Membran 63 betätigt, das auf die Differenz zwischen dem Gesamtdruck und dem statischen Druck in den Leitungen 48 bzw. 50 anspricht sowie durch eine entgegengesetzt wirkende Membran 64, die auf den Brennstofförderdruck in der Förderleitung 58 und defil· Druck in der Brennstoff zuleitung 43 anspricht.

Die Membran 63 ist zwischen Teilen des Gehäuses 54 in einer Kammer 66 angeordnet, in denen der Gesamtdruck P„ auf die Membran nach unten einwirkt, während in einer Kammer 67 der statische Druck P„ auf die Membran nach oben einwirkt. Die Membran 63 ist mit der Membran 64 durch einen Stössel 68 verbunden, der durch eine reibungsarme Dichtung in einer Wand

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und durch eine Kammer 71 tritt und mit der Membran 64 verbunden ist. Die Förderleitung 58 ist an eine Kammer 74 unterhalb der Membran 64 angeschlossen.

Der Pumpenförderdruck belastet die Membran 64

daher nach oben, während der Druck des zugemessenen Brennstoffs nach unten auf die Membran einwirkt, so dass die auf die Membran 64 ausgeübte Kraft das Produkt aus der Fläche der Membran und der Druckhöhe oder dem Druckabfall zwischen den Ventilen 60 und 62 ist. Die Membran 64 ist kleiner als die Membran 63 und hat im Ausführungsbeispiel 1/4 der Fläche der Membran 63, da es erwünscht ist, dass die Druckhöhe grosser als die Differenz zwischen dem Gesamtdruck und dem statischen Druck der Luft ist, Die von der Membran 63 auf den Stössel ausgeübte Kraft in Abhängigkeit vom Luftdurchsatz durch das Trejibwerk ist dem Quadrat der Gesamtluftmenge proportional.

Der Stössel 68 endet in einem Ventil 75, das mit einem ringförmigen Ventilstz 76 des Überströmventils 59 zusammenarbeitet. Eine Rücklaufleitung 78 vom Überströmventil zum Brennstoff pumpeneinlass erstreckt sich durch den Ventilsitz 76o Die auf den Stössel 68 nach oben einwirkende Kraft ent-

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spricht dem Druck des zugemessenen Brennstoffs mal der wirksamen Fläche der Membran 64. Die nach unten einwirkende Kraft entspricht dem dynamischen Druck- der durch die Maschine fliessendaaLuftmenge (Gesamtdruck minus statischem Druck) mal der wirksamen Fläche der Membran 63 und ist somit dem Quadrat der Gesamtluftmenge proportional. Das Ventil 75 wird von seinem Sitz soweit abgehoben, dass ein genügender Überstrom aus der Brennstofförderleitung eintritt, um den Druck in der Förderleitung 58 über dem in der Brennstoffzuleitung 43 um einen Betrag zu halten, der direkt proportional dem Quadrat der durch das Triebwerk strömenden Luftmenge ist.

Würde diese Druckdifferenz dazu verwendet, um den Brennstoff durch eine feste Drosselstelle zu drücken, so ergäbe sich eine Brennstoffzufuhr proportional der Quadratwurzel der Druckdifferenz, so dass der eintretende Brennstoffstrom zur Maschine der Gesamtluftmenge proportional wäre. Eine derartige Regelung würde eine konstante Einlasstemperatur an der Turbine und nicht eine konstante Verbrennungstemperatur in der Brennkammer bewirken. Bei der Steuereinrichtung nach der Erfindung wird der Brennstoff durch eine. Drosselstelle zugemessen, deren Querschnitt entsprechend dem Verhältnis zwischen der Primärluftmenge zur Gesamtluftmenge geregelt wird und vorzugsweise weiterhin nach einer Funktion der Einlass-

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temperatur an der Brennkammer modifiziert wird.

Die Modulation des Brennstoffstromes in Abhängigkeit von der Aufteilung des Luftstromes erfolgt durch das Brennstoff zumess ventil 60 in Abhängigkeit von der Betätigung von der die Luftaufteilung zum Flammrohr bewirkenden Einstelleinrichtung. Die Stellstange 36, die mit den Ventilbüchsen 26 und 27 verbunden ist, erstreckt sich durch eine Führung 79 im Gehäuse in eine Kammer 80.und ist dort mit einem Nocken verbunden, der mit einem Kopf 83 an einem Stössel 84 zusammenarbeitet, der verschieblich in dem Gehäuse 54 gehalten ist. Der Stössel 84 endet in einer Ventilnadel 86, die mit einem ringförmigen Ventilsitz 87 an einer Mündung der Förderleitung 58 zusammenarbeitet, um eine veränderliche Zumessöffnung zu schaffen. Der Kopf 83 ist gegen den Nocken 82 durch eine Druckfeder 88 in Anlage gehalten. Durch entsprechende Profilierung des Nockens und der Ventilnadel kann der Brennstoffstrom durch das Brennstoffzumessventil 60 proportional zum Verhältnis der Primärluftmenge zur Gesamtluftmenge eingestellt ; werden.

Da die Verbrennungstemperatur durch die Temperatur der Luft am Eintritt der Brennkammer beeinflusst wird, die sich durch Änderungen der Betriebsbedingungen des Triebwerks und andere E-inflüsse ändern kann, ist es in den meisten Fällen :

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erwünscht, eine Kompensation dieses Einflusses in der Regeleinrichtung vorzunehmen. Dies wird durch das Temperaturausgleichsventil 62 bewirkt, das einen Stössel 90 enthält, das in dem Gehäuse 54 verschieblich geführt ist und in einer VBntilnadel 91 endet, die mit einem ringförmigen Sitz 92 an einer Mindung der Förderleitung 58 zusammenarbeitet und die Verbindung zwischen dieser und der Brennstoffzuleitung 43 steuert. Der Stössel 90 hat einen Kopf 93, der durch eine Feder 94 gegen einen Nocken 95 in Anlage gehalten wird, der an der Welle 52 sitzt, die von dem temperatur empfindlichen Abfühler 51 (Fig. l) betätigt wird. Das Temperaturausgleichsventil 62 und der Nocken 95 sind so ausgebildet, dass das Ventil geschlossen ist, wenn der Luftstrom durch die Leitung bei normalem Betrieb des Triebwerkes seinen Höchstwert hat, wenn also das Triebwerk mit grösster Leistung läuft. Wird die Brennstoffzufuhr zum Triebwerk herabgesetzt, so nimmt die Temperatur der in die Verdichterturbine 11 eintretenden Treibgase ab und damit auch die Temperatur der Abgase, die durch den Zug 16 des Wärmetauschers strömen. Die durch die Leitung zugeleitete Luft zur Brennkammer 8 wird demzufolge weniger erwärmt und es ist ein grösserer Temperaturanstieg in der Brennkammer erforderlich, um die vorgegebene Verbrennungstemperatur zu erreichen. Der Temperaturfühler 51 bewirkt somit

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ein öffnen des Temperaturausgleichventils 62, wenn die angefühlte Lufttemperatur T^ unter den Höchstwert sinkt. Die grösste Öffnung des Ventils ergäbe sich demnach beim Anlaufen mit kalter Maschine, wenn die zugeleitete Luft durch den Wärmetauscher nicht erwärmt wird und tatsächlich anfangs sogar durch diesen gekühlt sein kann.

Der Temperaturfühler kann von beliebiger Bauart sein, aber eine besonders einfache Ausführung ergibt sich für das Drehen der Velle 52 bei Verwendung einer Bimetallschraubenfeder, wie sie beispielsweise in der US-PS 2 976 683 beschrieben ist.

Die Kammer 80 wird zum Pumpeneinlass über einen Kanal 96 entlastet. Ein übliches Sicherheitsventil 97 ist zwischen dem Pumpeneinlass und Pumpenauslass vorgesehen, insbesondere zwischen der Förderleitung 58 und der Leitung 96.

Es ist möglich, eine genauere Regelung der Verbrennungstemperatur zu erzielen, wenn eine abgewandelte Form des Brennstoffzumessventils verwendet wird, das auf die Einlasse entsprechend der Aufteilung der Luftmenge durch die Stellstange 36 und der Lufttemperatur am Einlass der Brennkammer durch die Welle 52 anspricht. Ein solches Brennstoffzumessventil 102 ist in Fig. 3 dargestellt und enthält ein Gehäuse 103 in Form

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eines Zylinders 104, der stirnseitig durch einen Kopf 106 verschlossen ist. Eine napfförmige äussere Ventilbüchse 107 ist in dem Zylinder 104 verschieblich und ist mit ihrer Stirnwand 108 mit der Stellstange 36 verbunden, die, wie erwähnt, mit den die Luftaufteilung bewirkenden Ventilbüchsen 26 und verbunden ist. Die Stellstange 36 und die Ventilbüchse 107 sind freibeweglich im Zylinder 104, aber drehfest angeordnet. Eine innere Ventilbüchse 110 passt in die Ventilbüchse 107 und ist zu dieser drehbar und in einer Aussparung 111 an der Stirnwand des Zylinders 104 zentriert. Die innere Ventilbüchse 110 ist mit der Welle 52 verbunden, die in Abhängigkeit von der Lufttemperatur am Einlass der Brennkammer gedreht wird.

Brennstoff von der Zahnradpumpe 55 wird durch

die Förderleitung 58 einer in der Wand des Zylinders 104 vorgesehenen Aussparung 112 zugeleitet und fliesst durch veränderlich sich überdeckende Messöffnungen 114 und 115 in den Ventilbüchsen 107 bzw. 110 in das Innere der Ventilbüchse 110..Von dort strömt der Brennstoff durch radiale Löcher 116 in eine Aussparung 118 an der geschlossenen Stirnwand des Zylinders 104, die Verbindung zu der Brennstoffzuleitung 43 hat. Die Stirnwand 108 der ausseren Ventilbüchse 107 enthält Entlastungslöcher 119, damit eingeschlossener Brennstoff nicht die hin- und hergehende Bewegung der Ventilbüchse sperren kann.

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Obwohl im Ausführungsbeispiel nur ein Satz von Messöffnungen 114 und 115 vorgesehen ist, können deren mehrere verwendet werden, wobei diese über den Umfang verteilt ein· Entlastung der Ventilbüchsen zur Verringerung der Reibung bewirken.

Die Wirkungsweise dieses Brennstoffzumessventils 102 ist folgende, wenn angenommen wird, dass üblicherweise die Zumessöfnungen 114 und 115 rechteckige Gestalt haben, wobei ihre Kanten parallel und senkrecht zur Achse des Ventils liegen. Ein Zumessquerschnitt 120 ergibt sich durch die sich überlappenden Teile der MessÖffnungen. Dieser Zumessquerschnitt ist proportional dem Produkt der axialen Überlappung der Messöffnungen 114 und 115 mit der Überlappung in Umfangsrichtung der Öffnungen, wobei die axiale Überlappung proportional der Bewegung der Stellstange 36 und die Überlappung in Umfangsrichtung proportional der Drehung der Welle 52 sind. Das Ventil kann so ausgebildet werden, dass die WinkelUberlappung proportional der Lufttemperatur am Einlass der Brennkammer und der gewünschten Verbrennungstemperatur ist und dass die axiale Überlappung proportional dem Verhältnis der Primärluftmenge zur Gesamtluftmenge ist, so dass der Zumessquerschnitt dem Produkt aus dem gewünschten Temperaturanstieg und dem Anteil ; der Primärluftmenge proportional ist. Der Druckabfall im Ventil

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wird proportional dem Quadrat der Gesamtluftmenge gehalten, so dass die Brennstoffmenge audi der Gesamtluftmenge proportional ist. Das Brennstoffzumessventil 102 gemäss Fig. 3 ergibt somit eine Zuteilung einer Brennstoffmenge, die proportional ist dem Produkt der Gesamtluftmenge, dem Verhältnis der Primärluftmenge zur Gesamtluftmenge und dem gewünschten Temperaturanstieg. Dies führt zu einer genaueren Einhaltung der Verbrennungs temp eratur und in bestimmten Fällen kann der damit bedingte Hehraufwand gerechtfertigt sein.

Die Einfachheit der erfindungsgemässen Steueranlage ist offensichtlich. Sie ermöglicht die unmittelbare Beeinflussung der Leistung des Triebwerks durch den Fahrer, wobei eine Verbrennungstemperatur aufrechterhalten wird, die den Anteil unerwünschter und schädlicher Bestandteile der Abgase auf einen Kleinstwert begrenzt.

Läuft das Triebwerk mit verhältnismässig kleiner Leistung und wünscht der Fahrer die Leistung zu erhöhen, so schwenkt er das Beschleunigungspedal 31 im Uhrzeigersinn in Fig. 2, um die Primärluftmenge zu erhöhen. Dies erfolgt entweder durch Vergrössern der Querschnitte der Primäireintrittsöffnungen 22 oder Schliessen der Zumischluftöffnungen bzw. durch beide Massnahmen. Durch die gleiche Bewegung wird

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das Brennstoffzumessventil 60 oder 102 geöffnet, um dem Triebwerk mehr Brennstoff zuzuteilen. Durch die grössere Brennstoffzufuhr erhöht sich die Temperatur der Brenngase, die durch die Leitung 10 strömen, wodurch die Leistung steigt. Beschleunigt sich die Verdichterturbine 11, so liefert der Schleuderverdichter 3 eine grössere Luftmenge, wodurch eine ausgleichende Zunahme der Brennstoffzufuhr durch das Überströmventil 59 veranlasst wird. Das Triebwerk stabilisiert sich dann bei einem Leistungspegel, der durch die Einstellung des Beschleunigungspedals 31 gegeben ist. Zum Verringern der Leistung wird die Primärluftmenge zusammen mit der Brennstoffzuteilung verringert, wodurch die Turbinenleistung sinkt und schliesslich die Luftdurchsatzmenge abnimmt.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemässen Steuereinrichtung besteht darin, dass sie ein Abreissen der Verbrennung beim Verzögern des Triebwerks und Zurücknahme der Brennstoffzufuhr verhindert, da die Brennstoffzufuhr nur abgestimmt auf die Verringerung der Primärluftmenge abnimmt.

Die erfindungsgemässe Steuereinrichtung hat den Vorteil einer Verbesserung der Reinheit der Abgase bei Gasturbinentriebwerken, ferner den Vorteil des einfachen Aufbaues und einer relativ billigen Brennstoffregelung bei Gasturbinen-

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triebwerken, bei denen ein im wesentlichen konstantes Brennstoffluftverhältnis aufrechterhalten wird, wobei die Brennstoffzumessung auf die zugeteilte Primärluftmenge abgestimmt ist.

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Claims

Patentansprüche

»JSteuereinrichtung für ein Gasturbinentriebwerk mit einer Brennkammer, bei der das Verhältnis der Primärbrennluftmenge zur Gesamtluftmenge veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brennstoffzumesseinrichtung (60;102) zur Brennkammer (8) von Einstelleinrichtungen (26,27,36) für das Ändern des Verhältnisses zwischen der Primärbrennluftmenge und der Gesamtluftmenge so beeinflusst wird, dass ein diesem Verhältnis proportionaler Zumessquerschnitt für den Brennstoff eingestellt wird, dass Einrichtungen (46,47,63) zum Erfassen der Gesamtluftmenge, eine Brennstoffpumpe (55), die Brennstoff unter Druck fördert, und eine den Druck des Brennstoffs regelnde Einrichtung (59) vorgesehen sind, die den Druckabfall in dem Zumessquerschnitt für den Brennstoff proportional dem Quadrat der Gesamtluft-. menge einstellt, wodurch ein im wesentlichen konstantes Verhältnis zwischen der der Brennkammer zugeführten Brennstoffmenge und der Primärluftmenge zur Regelung der Verbrennungstemperatur aufrechterhalten wird.

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2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Zumessventil (62jllO), das auf die Lufttemperatur am Eintritt der Brennkammer (8) anspricht, den Zumessquerschnitt für den Brennstoff mit abnehmender Temperatur erhöht, und dass das Verhältnis zwischen der der Brennkammer zugeführten Brennstoffmenge und der Primärluftmenge so gewählt ist, dass eine Regelung der Verbrennungstemperatur auf einen annähernd konstanten Höchstwert erfolgt.
3. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzumesseinrichtung (60;102) auch auf die Temperatur der Luft am Einlass der Brennkammer (8) anspricht und der Zumessquerschnitt für den Brennstoff, der vom Verhältnis der Primärluftmenge zur Gesamtluftmenge abhängig ist, so in Abhängigkeit von der Temperatur der Luft modifiziert wird, dass die den Druck des Brennstoffs regelnde Einrichtung (59) ein im wesentlichen konstantes Verhältnis des der Brennkammer zugef-ührten Brennstoffs zum Produkt aus der Primärluftnrenge und dem Temperaturanstieg aufrechterhält, der eine vorgegebene Verbrennungstemperatur ergibt.
4. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzumesseinrichtung (60$102)

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in Zusammenarbeit mit der Einstelleinrichtung (26,27,36) für das Verändern des Verhältnisses der Primärluftmenge zur Gesamtluftmenge einen Zumessquerschnitt für den Brennstoff proportional dem Produkt dieses Verhäjtu-nisses und einer Menge einstellt, die proportional der Differenz der Lufttemperatur am Eintritt der Brennkammer (8) und einer vorgegebenen im wesentlichen konstanten Verbrennungstemperatur ist, so dass die den Druck des Brennstoffs regelnde Einrichtung (59) die Verbrennungstemperatur auf einen annähernd konstanten Wert hält.
5. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, dass ein Stellzeug (31,32,34) für die LeisHmg des Triebwerks mit der Einstelleinrichtung (26,27,36) für das Verhältnis zwischen der Primärluftmenge und der Gesamtluftmenge so gekuppelt ist, dass das Verhältnis eine unmittelbare Funktion der Lage des Stellzeugs für die Leistung ist, dass die Brennstoffzumesseinrichtung (60) ein mit dem Stellzeug für die Leistung verbundenes Ventil (86) enthält, das proportional zu dem Verhältnis öffnet, und dass eine Betätigung für die den D_ruck des Brennstoffs regelnde Einrichtung (59) eine bewegliche Wand (63) aufweist, die auf die Differenz zwischen dem Gesamtdxtnck und dem statischen Druck der Luft an einer Stelle des Triebwerks anspricht.

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6. Steuereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigung für die den Druck des Brennstoffs regelnde Einrichtung (59) entgegengesetzt zum Druckabfall in der Brennstoffzumesseinrichtung (6o) und einer Kraft proportional dem Quadrat der Gesamtluftmenge einwirkt.
7. Steuereinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung (110) zur Änderung des Zumessquerschnitts der Brennstoffzumesseinrichtung (102) auf die Differenz zwischen einer vorgegebenen festen Verbrennungstemperatur in der Brennkammer und der Lufttemperatur am Eintritt der Brennkammer anspricht.

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