Hydraulische Steuereinrichtung an Kraftmaschinen. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine hydraulische Steuereinrichtung an Kraftmaschinen, die eine Verdrängerpumpe mit bei konstanter Drehzahl konstanter För dermenge aufweist, welche durch die Kraft maschine mit einer zur Maschinendrehzahl proportionalen Drehzahl angetrieben wird, in den Förderstrom der Pumpe eingeschaltete Strömungsdrosselmittel zur Erzeugung eines Druckabfalles, der eine Funktion der Maschi nendrehzahl ist, und ferner diesem Druckab fall ausgesetzte Druckansprechmittel, zur Steuerung des Betriebes der Kraftmaschine.
Beispielsweise kann die Steuereinrichtung zur Steuerung der Brennstoffzufuhr zur Kraftmasehine bestimmt sein, um eine vorbe stimmte Drehzahl der Kraftmaschine auf rechtzuerhalten, oder um zu verhindern, dass eine vorbestimmte Maximaldrehzahl über schritten wird. Weiter kann die Steuerein richtung dazu bestimmt sein, in vorbestimm ter Abhängigkeit von der Drehzahl der Kraft maschine Mittel zur Erzeugung einer Luft strömung in der Kraftmaschine zu betätigen. Eine solche Steuereinrichtung eignet sich be sonders zur Steuerung von Gasturbinenan lagen, z.
B. zum Verstellen von Drall- oder Leitschaufeln in einem Kompressor, zum Ver stellen von Einlassleitschaufeln einer Turbine, oder zur Änderung des Öffnungsquerschnittes einer Schubdüse, durch welche Abgase einer Turbine geführt werden. Bei den genannten Anlagen arbeiten die bekannten Steuereinrichtungen üblicherweise bei relativ grossen Drehzahlen der Kraftma schine, weshalb die Fördermenge und die An triebsdrehzahl der Pumpe so bezüglich der durch die Drosselmittel bewirkten Drosse lung gewählt ist, dass in diesen Drosselmitteln kein übermässiger Druckabfall auftritt. Sol che Steuereinrichtungen besitzen aber keine.
hohe Ansprechempfindlichkeit bei kleinen Drehzahlen der Kraftmaschine.
Gemäss der vorliegenden Erfindung ist. die Steuereinrichtung dadurch gekennzeichnet., dass die Strömungsdrosselmittel eine erste Drosselvorrichtung und eine zweite Drossel vorrichtung aufweisen, welche beiden Drossel vorrichtungen zur Erzeugung einer ersten und einer zweiten Drosselung der Strömung bestimmt sind, wobei die zweite Drosselung grösser ist als die erste, und da-ss die Druck- anspreehmittel zum Ansprechen auf die erste und die zweite der in der ersten bzw.
zweiten Drosselvorrichtung erzeugten Druckdifferenz vorgesehen sind und dass die zweite Drossel vorriehtung umgehende Umleitmittel vorge sehen sind, um zu verhindern, dass die zweite Druckdifferenz bei hohen Fördermengen der Pumpe einen bestimmten Wert überschreitet.
In gewissen Fällen kann sowohl die erste als auch die zweite Drosselvorrichtung oder nur letztere, einen beweglichen Ventilkörper aufweisen, der auf den Druckabfall in der betreffenden Drosselvorrichtung derart an spricht, dass die Drosselung, die mit zuneh mender Druckdifferenz erzeugt wird, herabge setzt wird, wobei der Ventilkörper im Sinne des Schliessens federbelastet sein kann. Bei einer solchen Ausbildung der Drosselvorrich tung kann die in ihr auftretende Druckdiffe- renz derart festgelegt werden, dass sie der Drehzahl der Kraftmaschine direkt propor tional ist und nicht, wie bei einer Drosselvor richtung mit unveränderlichem Querschnitt, proportional dem Quadrat der Drehzahl.
Die durch die zweite Drosselvorrichtung ausgeübte Steuerwirkung kann von der durch die erste Drosselvorrichtung ausgeüb ten Steuerwirkung verschieden sein.
Eine Steuereinrichtung der vorliegenden Art kann vorteilhaft zur Steuerung der Zu fuhr von zusätzlichem Brennstoff zur Ver brennungseinrichtung einer Gasturbinenan lage innerhalb einer begrenzten Drehzahlzone des untern Drehzahlbereiches der Maschine, z. B. während des Anlassens der Maschine, verwendet werden. Die Steuereinrichtung kann auch zur Steuerung der Verstellung von Leitschaufeln innerhalb einer solchen be grenzten Drehzahlzone benützt werden.
In der beiliegenden schematischen Zeich nung sind drei Ausführungsbeispiele des Er findungsgegenstandes dargestellt. Es zeigt: Fig. 1 eine als einfaches Flugzeugstrahl triebwerk ausgebildete Gasturbinenanlage, Fig. 2 das erste Beispiel, das zur Steuerung der Zufuhr von zusätzlichem Brennstoff zur Verbrennungseinrichtung der Anlage gemäss Fig. 1 während des Anlassens der letzteren bestimmt ist, und Fig. 3 und 4 je ein weiteres Beispiel, bei welchem zwei Drosselvorrichtungen eine ein zige Steuerwirkung zur Verstellung von Leit- schaufeln eines Aaialkompressors bewirken.
Fig. 1 zeigt ein Triebwerk, das einen Axialkompressor 10 besitzt, dessen Einlass- Leitschaufeln 14 verstellbar sind und eine Verbrennungseinrichtung 11, die kompri mierte Luft vom Kompressor erhält und in welcher Brennstoff zur Erwärmung der Luft erbrannt wird, wobei die Brennstoffzufuhr aus einem Injektorverteilrohr 15 mittels Ein- spritzvorriehtungen 15a erfolgt.
Ferner be sitzt das Triebwerk eine Turbine 12, welcher die heissen Gase aus der Verbrennungseinrich tung zugeführt werden und deren Rotor mit tels einer Welle 16 die Kompressorwelle an treibt, und eine Abgasleitung 13, durch wel che die Abgase der Turbine in die Atmosphäre ausgestossen werden.
Dem Injektorverteilrohr 15 wird Brenn stoff durch eine Speiseleitung 18 einer Brennstoffpumpe 19 ans einem Tank 17 zu geführt. Der Auslass der Pumpe 19 ist. durch ein Rohr 20 mit dem Verteilrohr 15 verbun den, wobei im Rohr 20 eine Drossel 21 und ein Abstellhahn 22 angeordnet sind. Während des Betriebes der Maschine ist der Abstell hahn vollständig offen, und der Brennstoff zustrom zur Maschine wird durch die Drossel 21 gesteuert. Die Pumpe 19 wird mittels einer Zweigwelle 23 durch die Maschine angetrie ben. Die verstellbaren Leitschaufeln 14 sind in irgendeiner bekannten Weise zu gemein samer Betätigung miteinander gekoppelt.
Sie sind durch eine hydraulische Druckansprech vorrichtung 30 mit Kolben und Zylinder ver stellbar, deren Kolbenstange 32a des Kolbens 32 mit einem Radialarm 24 der einen der Leitschaufeln 14 mittels eines Lenkers 2 und eines Universalgelenkes 26 verbunden ist. Die Vorrichtung 30 (Fig. 2) besitzt einen Zylinder 31, in welchem der Kolben 32 hin und her bewegbar ist, sowie einen Steuer mechanismus 33, wobei die Stellung des Kol bens 3? im Zylinder 31 in Abhängigkeit von den Maschinendrehzahlen des hohen Drehzahl bereiches bestimmt. ist.
Die Kolbenstan-e 32a ist hohl und ist in Führungen 34 und 35 ge führt, die ausserdem als Anschläge zur Be- #>renzung des Kolbenhubes bestimmt sind.
Die Bohrung der Kolbenstange 39a steht. dureli eine Bohrung 36 mit dein Raum 37 auf einer Seite des Kolbens 32 in Verbindung, so dass die dein Raum 37 zngehebr-te Fläche des Kolbens 32 grösser ist, als die dem Zylinder- rauin 38 zugekehrte Kolbenfläche. Ans der Leitung 20 wird dareh eine Leitung 39 und die Bohrung 40, denn Zylinder 31 Druck- fluidum zugeführt, wobei in der Bohrung 41 eine Verengung 42 vorgesehen ist.
Der Steuermechauismus 33 besitzt zwei Abteile 43 und 44, die durch eine biegsame Membran 45 voneinander getrennt sind. Das Abteil 43 ist durch eine Leitung 46 mit einer Leitung 60 stromabwärts einer Drosselöff nung 61 mit grossem Querschnitt verbunden, während das Abteil 44 durch eine Leitung 47 mit der Leitung 60 stromaufwärts der Drosselöffnung 61 verbunden ist. Die eine Schlaufe bildende Leitung 60 ist an die Lei tung 18 angeschlossen, wobei in ihr eine Ver drängerpumpe 64 mit bei konstanter Dreh zahl konstanter Fördermenge vorgesehen ist. Diese Pumpe 64 wird durch eine Leistungs abzweigung 64a (Fug. 1) von der Welle 16 ans proportional zur Maschinendrehzahl an getrieben, so dass der Druekabfall in der Drosselöffnung 61 eine Funktion der Maschi nendrehzahl ist.
Die auf die Membran 45 wir kende Flüssigkeitsbelastung ist demzufolge ebenfalls eine Funktion der Maschinendreh zahl.
Die Membran 45 ist durch eine Feder 50 mittels einer Stange 51 belastet, wobei diese Belastung von der Stellung des Kolbens 32 im Zylinder 3l abhängt, und sie ist ferner durch eine zweite Feder 52 belastet, welche im gleichen Sinne wirkt, wie die Feder 50, jedoch entgegen der Wirkung der Fluidum druckbelastung.
Die Membranbewegungen werden auf eine Stange 53 übertragen, die einen Halbkugel- Ventilkörper 54 trägt, welcher den Fluidum ausfluss aus dem Raum 37 durch eine aus dem letzteren in eine Kammer 56 führende Leitung 55 steuert, von welcher Kammer 56 eine Leitung 57 zur Saugseite der Pumpe 19 führt.
Aus dem Vorangehenden ist ersichtlich, dass, wenn der auf die Membran 45 einwir kende Fluidumdruck auf einen solchen Wert zunimmt, dass er die Wirkung der Feder 52 übersteigt, das Halbkugelventil von seinem Sitz abgehoben wird und gestattet, dass aus dem Raum 37 Fluidum austreten kann. Dem- aufolge fällt der Druck in dieser Kammer, und der Kolben 32 bewegt sich nach rechts, bis die durch die Feder 50 bewirkte Belastung die auf die Membran 45 wirkende Belastung überwindet. Somit nimmt der Kolben 32 bei jeder Drehzahl der Maschine innerhalb des Drehzahlbereiches der letzteren eine be stimmte Stellung im Zylinder 31 ein, und die Leitschaufeln 14 besitzen einen bestimmten Anstellwinkel bezüglich der einströmenden Luft.
Die Querschnittsfläche der Drosselöff nung 61, die Fläche der Membran 45 und die Spannung der Feder 52 sind bezüglich der Leistung der Pumpe 64 derart gewählt, dar diese Steuerung der Leitschaufeln innerhalb eines höheren Drehzahlbereiches stattfindet, wobei die Feder 52 die untere Grenze dieses höheren Drehzahlbereiches begrenzt. Die Quer schnittsfläche der Drosselöffnung ist relativ gross, so dass der Di-tzekabfall in dieser öff- nung bei der maximalen Maschinendrehzahl einen vorbestimmten Höchstwert nicht über schreitet.
Diese Ausbildung der Steuervorrichtung 33 zur Verstellung der Leitschaufeln 14 eines Axialkompressors 10 der Maschine, und zwar zur progressiven Verstellung innerhalb einer Drehzahlzone des höheren Drehzahlbereiches bildet keinen wichtigen Bestandteil der vorlie genden Erfindung, dient. jedoch als Beispiel für eine auf Druck ansprechende Vorrichtung für eine hydraulische Steuereinrichtung ge mäss der Erfindung.
Die in Fig. 2 dargestellte Steuereinrich- tung besitzt ebenfalls Mittel zur Regulierung der Einführung von zusätzlichem Brennstoff in eine Verbrennungseinrichtung während einer begrenzten Drehzahlzone innerhalb des niederen Drehzahlbereiches der Maschine,<B>im</B> N-orliegenden Fall während des Anlassens der Maschine, utin das Anlaufen der Maschine bis zur Leerlaufdrehzahl zu beschleunigen.
Im Rohr 60 auf der Förderseite der Ver- drängerpumpe 64 und stromaufwärts der Öffnung 61 ist, eine zweite Drosselvorrichtung 65 vorgesehen. Diese besitzt einen beweg lichen Ventilkörper 66, der durch eine Feder 67 gegen einen um eine öffnung herum ange ordneten Sitz 68 gedrückt wird.
Diese Dros- selvorriehtung 65 ist derart ausgebildet, dass sie auf die Strömung in dem Rohr 60 eine grössere Drosselwirkung ausübt, als die erste Drosselöffnung 61, und der Ventilkörper 66 ist derart ausgebildet, dass er durch den durch die Öffnung tretenden Brennstoffstrom entgegen der Wirkung der Feder 67 verschieb bar ist, derart, dass der in der Vorrichtung 6 5 auftretende Druckabfall annähernd direkt proportional der Maschinendrehzahl innerhalb einer bestimmten Drehzahlzone des niederen Drehzahlbereiches der Maschine ist. Beim Bewegen des Ventilkörpers 66 im Öffnungs sinn wird die Drosselwirkung in 65 verrin gert.
Eine Umwegleitung 69 umgeht die Dros selvorrichtung 65 und enthält ein Ventil 70, das durch eine Feder 71 im Sinne des Ver schiebens des Ventils gegen einen Sitz 72 be lastet ist. Das Ventil ist derart angeordnet, dass es geöffnet wird, wenn in der zweiten Drosselvorrichtung 65 ein bestimmter Druck abfall auftritt. Dieses Entlastungsventil 70 ist derart ausgebildet, dass, wenn es einmal offen ist, der in der Vorrichtung 65 auftre tende Druckabfall mit zunehmender Strö mung durch die Umwegleitung 69 nicht mehr zunimmt, welche Strömungszunahme eine Folge der Drehzahlzunahme in der Maschine ist, so dass verhindert wird, dass die zweite Druckdifferenz bei hohen Fördermengen der. Pumpe 64 einen bestimmten Wert überschrei tet.
Der in der zweiten Drosselvorrichtung 65 auftretende Druckabfall wird einer auf Druck ansprechenden Vorrichtung 73 zugeführt, welche von der die Membran 45 aufweisenden getrennt ist, welcher der in der ersten Dros selöffnung 61 auftretende Druckabfall zuge führt wird. Die Vorrichtung 73 besitzt im vorliegenden Fall einen Zylinder 74, dessen Enden durch zwei Membranen 75 und 76 ab geschlossen sind, die auf einer gemeinsamen Betätigungsstange 77 angeordnet und derart ün Zylinder angeordnet sind, dass dessen In nenraum in drei Abteile 78, 79 und 80 unter teilt wird. Die beiden Membranen 75 und 76 besitzen gleiche Flächen, und der Raum 79 zwischen den beiden Membranen ist durch eine Öffnung 81 mit der Atmosphäre ver bunden.
Durch Leitungen 82 und 83 sind die Räume 78 bzw. 80 mit den stromaufwärts bzw. stromabwärts liegenden Seiten der zwei ten Drosselvorrichtung 65 verbunden, so dass der in der zweiten Drosselvorrichtung 65 auf tretende Druckabfall auf .die Membranen übertragen wird. Das Membrangebilde 75, 76 ist durch eine Schraubenfeder 84 belastet, die im Endraum 80 angeordnet. ist, in welchem der stromabwärts der Drosselvorriehtung 65 herrschende Druck herrscht.
Ferner ist im Raum 80 eine weitere Feder 85 vorgesehen, die einen beweglichen Anschlag 86 besitzt, der mit einem Ende der Stange 77 verbunden ist, wenn das Membrangebilde, entgegen der Wirkung der ersten Feder 84 sich um einen bestimmten Betrag bewegt hat. Wenn die Stange 77 vom beweglichen Anschlag 86 frei gegeben ist, kommt der letztere mit einem festen Anschlag 87 in Eingriff.
Im Raum 79 zwischen den beiden Mem- br anen 75 und 76 ist eine elektrische Kontakt vorrichtung angeordnet. Sie besitzt ein Paar fester Kontakte 90 und auf der Stange 77 eine mit den Kontakten 90 zusammenwirkende Kontaktbrücke 91.
Die Steuermittel bilden den Kontaktelemente 90, 91 sind derart an geordnet, dass, wenn der dem Membrangebilde zugeführte Druckabfall einen ersten vorbe stimmten Wert erreicht und die erste Feder 84 um einen bestimmten Betrag zusammenge drückt wurde, die Kontaktbrücke 91 die beiden festen Kontakte 90, zwecks Schliessens des die Kontakte enthaltenden elektrischen Stromkreises miteinander verbindet.
Bei einem zweiten und höheren vorbestimmten Wert des Druckabfalles, der zufolge einer Drehzahlzu nahme auftritt, werden die Wirkungen sowohl der ersten als auch der zweiten Feder 84 bzw. 85 überwunden, und die resultierende Bewegung des iVIembrangebildes 75, 76 be wirkt ein Verschieben der Kontaktbrücke 91 in eine Stellung, in welcher die beiden Kon takte 90 nicht mehr überbrückt sind und der Stromkreis somit unterbrochen ist. Der elektrische Stromkreis besitzt ein in Serie mit den Kontakten 90 geschaltetes Sole noid 92, das zum Betätigen eines Ventils 93 bestimmt ist, welches seinerseits die zusätzliche Brennstoffströmung zur Maschine steuert.
Das Solenoid wird erregt, um das Ventil 93 zu öffnen, wenn der Stromkreis geschlossen ist und wird beim Unterbrechen des Strom kreises ebenfalls stromlos, wobei sieh das Ven til 93 unter der Wirkung der Feder 94 schlie ssen kann.
Das solenoidbetätigte Ventil 93 ist in einem Rohr 93a angeordnet, das hydraulisch mit der Hauptbrennstoffdrossel 21 parallel geschaltet ist, um eine Umwegleitung um die letztere zu bilden, wenn das Solenoid 92 er regt, ist. Die Wirkungsweise der beschriebenen Steuereinrichtung ist im übrigen folgende: Während des Anlassens der Maschine ist die Hauptbrennstoffdrossel 21 in der Speiselei tung 20, die zur Verbrennungseinrichtung führt, normalerweise auf Leerlauf-Brennstoff strom eingestellt und demzufolge fast. ge schlossen, wobei es dem durchströmenden Brennstoff einen grossen Widerstand ent gegensetzt.
Während des Anlassens der Ma schine stellt sich in der zweiten Strömungs- drosselvorriehtung 65 ein solcher Druckabfall ein, dass bei einer vorbestimmten Drehzahl, z. B. bei 800 T/Min. die erste Feder 84 um. einen solchen Betrag zusammengedrückt. ist, dass die Kontakte 90 durch die Kontaktbrücke 91 miteinander verbunden sind, so dass das Solenoid 92 erregt und das Ventil 93 in der Umwegleitung 93a geöffnet wird. Demzufolge wird die Drosselung in der Brennstoffspeise leitung 20 verkleinert und die Brennstoffzu fuhr zur Verbrennungseinrichtung der Ma schine somit erhöht. Mit zunehmender Maschi nendrehzahl steigt auch der Druckabfall in der Drosselvorrichtung 65.
Die weitere Be wegung des Membrangebildes 75, 76, 77 wird jedoch durch den Eingriff der Stange 77 mit denn Anschlag 86 der zweiten Feder 86 auf gehalten, bis der Druckabfall einen zweiten vorbestimmten Wert erreicht, wenn die Be lastung der ersten und der zweiten Feder 84 bzw. 85 zusammen überwunden wird. Die Drehzahl, bei welcher dieses eintritt, kann beispielsweise mit 2000 T/Min. festgelegt sein. In diesem Moment bewegt sieh das Membran gebilde wieder und unterbricht den Strom kreis, so dass das Solenoid 92 stromlos wird.
Demzufolge schliesst sich das Brennstoff steuerventil 93, so dass die Brennstoffzufuhr zur Maschine durch die Leerlaufstellung des Hauptdrosselventils 21 begrenzt und die Ma schinendrehzahl auf dem Wert der Leerlauf drehzahl, z. B. bei 2500 T/Min. stationär ge- balten wird. Im folgenden kann dann die Maschine in üblicher Weise durch Öffnen und Schliessen des Hauptdrosselventils 21 ge steuert werden.
Bei weiterem Ansteigen der Maschinen drehzahl bewirkt der in der zweiten Drossel- vorriehtung 65 auftretende Druckabfall ein Öffnen des Umweg-Entlastungsventils 70, so dass der Druckabfall in der zweiten Drossel vorrichtung nicht mehr weiter ansteigen kann und dem Membrangebilde 75, 76, 77 keine übermässige Belastung zugeführt wird. Im höheren Drehzahlbereich, z. B. von 4000 bis R000 T/Min. strömt der von der hydraulischen Reglerpumpe geförderte Brennstoff durch die erste Drosselöffnung 61 und bewirkt eine progressive Verstellung der Kompressor-Leit- schaufeln 14.
Beim beschriebenen Beispiel ist demzufolge eine einzige hydraulische Pumpe, die Pumpe 64 einer hydraulischen, auf Dreh zahl ansprechenden Steuervorrichtung zur Erzielung zweier Steuerwirkungen auf den Betrieb der Maschine in zwei verschiedenen Drelrzahlbereiehen vorgesehen.
Nährend beim beschriebenen Ausfüh rungsbeispiel die Steuerfunktionen verschie- @lener Art sind, kann eine solche Einrichtung auch zur Erzeugung einer einzigen Steuer wirkuno, innerhalb eines grossen Drehzahlbe reiches vorgesehen sein. Eine solche Steuer einrichtung ist in Fig. 3 dargestellt. Sie be sitzt zwei auf Druck ansprechende Vorrich tungen 1.30 und 230, wobei die erste Vorrich tung auf den Druckabfall in einer ersten Drosselöffnung 161 und die zweite Vorrich tung auf den Druckabfall in einer zweiten Drosselvorrichtung 165 ansprechen kann.
Be wegungen der Betätigungskolben 132 und 232, der auf Druck ansprechenden Vorrich tungen 130 bzw. 230 sind den Druckabfällen proportional, welchen die auf Druck anspre chenden Vorrichtungen 145 und 245 unter worfen sind. Die Anordnung ist dabei derart, dass die Betätigungskolben mittels Lenkern 125 bzw. 225 an die Enden eines Hebels 2 7 aasgelenkt sind. Eine Stange 28 ist am Hebel. 2 7 zwischen dessen Enden aasgelenkt und ist. ferner mit dem Radialarm 24 einer verstell baren Leitschaufel verbunden.
Die Querschnittsfläche der Drosselvorrich tung 165 ist kleiner als diejenige der Drossel öffnung 161, und demzufolge ist der Druck abfall in ihr bei einer gegebenen Strömung auch grösser. Das Umwegventil 70 ist derart ausgebildet, dass es beim gewünschten maxi malen Druckabfall in der Drosselvorrichtung 165 geöffnet wird.
Beim Betrieb der Maschine in deren unterem Drehzahlbereich bis zu einer Drehzahl, bei welcher das Umwegventil 70 geöffnet wird, bewegt, sich der Arm 225, der auf Druck ansprechenden Vorrichtung 230 progressiv über seinen ganzen Bewegungsbe reich, entsprechend dem Druckabfall in der Drosselvorrichtung 165, wobei er den Aasstell winkel der verstellbaren Leitschaufeln ver ändert, während der Arm 125, der auf Druck ansprechenden Vorrichtung 130 sich gleich zeitig über einen kleinen Teil seines Bewe gungsbereiches erstreckt, weil, da die Drossel öffnung 161 einen grösseren Querschnitt. be sitzt als die Drosselvorrichtung 165, der Druckabfall an der Membran 145 kleiner ist als an der Membran 245.
Wenn sich das Um- leitventil öffnet, bleibt der Druckabfall kon stant, und demzufolge bleibt der Arm 225 an nähernd in der gleichen Stellung stehen.. Wenn die Maschinendrehzahl und demzufolge die Strömung durch die Drosselöffnung 161 weiter zunimmt, bewegt sieh der Arm 125 der auf Druck ansprechenden Vorrichtung 130 progressiv über seinen ganzen Bewegungs bereich, entsprechend dem jeweiligen Druck abfall in der Drosselöffnung 161. Diese Be wegung wird durch den Hebel 27 auf den Radialarm 24 übertragen, durch welchen die Leitschaufeln verstellt werden.
Die Stange 28 kann an irgendeiner belie bigen Stelle zwischen den Enden des Hebels 27 an diesem angelenkt sein, um so die ge- wünschte Bewegung der Stange 28 als Folge der Bewegungen der Kolben<B>132,</B> 232 zu er halten. Daraus ist ersichtlich, dass die zur Verfügung stehende Steuerkraft, wie sie durch den der Membran 145 zugeführten Druckabfall dargestellt. wird, bedeutend grö sser ist als bei Einrichtungen, die nur eine einzige Membran aufweisen, die auf den Druckabfall in einer einzigen Drosselöffnung anspricht.
Bei eineng andern Ausführungsbeispiel, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, dient die Steuereinrichtung zur Verstellung von Leit- schaufeln 14, derart., dass im niederen Dreh zahlbereich die Membran 45 der Vorrichtung 30 dem in der Drosselvorrichtung 65 auftre tenden Druckabfall ausgesetzt ist und dass im höheren Drehzahlbereich die Membran 45 dem in der Drosselöffnung 61 auftretenden Druckabfall ausgesetzt ist.
Um diese Druck abfälle wahlweise der Membran zuzuführen, ist die Leitung 60 mit drei Zweigleitungen 95, 96, 97 versehen. Die Zweigleitung 95 ist stromabwärts der Öffnung 61. an die Leitung 60 angeschlossen lind führt zu einer Öffnung 98a eines Umkehrventils 98. Die Zweigleitung 96 ist zwischen der Öffnung 61 und der Vor richtung 65 an die Leitung 60 angeschlossen und führt zu einer zweiten Öffnung 98b des Ventils 98 und zu einer ersten Öffnung 99a eines zweiten Umkehrventils 99.
Die Zweig leitung 97 ist zwischen der Vorrichtung 65 und der Pumpe 64 an die Leitung 60 ange schlossen und führt zu einer zweiten Öffnung 99b des Umkehrventils 99. Die Auslässe 98c, 99c der Ventile 98 bzw. 99 führen zu Leitun gen 46 bzw. 47, und diese münden ihrerseits in Abteile 43 bzw. 44 auf beiden Seiten der ,Membran 45.
Die Ventile 98, 99 sind mit einander gekoppelt, wie dies bei 100 ange deutet ist, und sind derart ausgebildet, dass die Öffnungen<B>98e,</B> 99c in einer Stelhing der Ventile mit den Öffnungen 98n. bzw. 99a und in einer zweiten Stellung mit den Öffnungen 98b bzw. 99b verbunden sind. Demzufolge ist die Membran 45 in der ersten Ventilstellung dem Druckabfall in der Drosselöffnung 67 und in der zweiten Ventilstellung dem Druck abfall in der Drosselvorrichtung 65 ausgesetzt.
Die Ventile 98, 99 sind durch eine Sole noidvorrichtung 102 betätigbar, die unter der Steuerwirkung einer druckbetätigten auf die Maschinendrehzahl ansprechenden Schalter vorrichtung 101 erregbar ist. Die Schaltervor richtung 101 wird wirksam, wenn der Druck abfall in der Drosselvorrichtung 65 einen vor bestimmten Wert erreicht, z. B. den Wert, welcher um einen bestimmten Betrag unter dem Wert des Druckabfalles liegt, bei wel chem das Umwegventil 70 geöffnet wird, wo bei dieser Wert des Druckabfalles mit der Maschinendrehzahl gekoppelt ist.
Beim beschriebenen Beispiel ändert sich der Druckabfall in der Drosselöffnung 61 mit dem Quadrat der Strömung durch diese Öff nung, und der Druekabfall in der Drosselvor richtung 65 ist direkt proportional zur Strö mung durch diese Vorrichtung. Um eine pro gressive Steuerung der Leitschaufeln wäh rend des ganzen Drehzahlbereiches zu erhal ten, ist die Einrichtung derart ausgebildet, dass die Übertragung der Steuerwirkung von der Öffnung 61 zur Öffnung 65 mittels des Ventils 98 und 99 und der druckbetätigten Schaltervorrichtung 101 dann erfolgt, wenn der Druckabfall in der Drosselvorrichtung 65 annähernd gleich dem Druckabfall in der Öffnung 61 ist, das heisst an der Schnittstelle der linearen und der quadratischen Druck strömungskurven.
Hydraulic control device on prime movers. The present invention is a hydraulic control device on prime movers, which has a positive displacement pump with constant För quantity at constant speed, which is driven by the engine at a speed proportional to the machine speed, flow throttle means switched into the delivery flow of the pump to generate a pressure drop, the is a function of Maschi nendrehzahl, and also this Druckab fall exposed pressure response means to control the operation of the engine.
For example, the control device for controlling the fuel supply to the engine can be intended to maintain a predetermined engine speed or to prevent a predetermined maximum engine speed from being exceeded. Furthermore, the control device can be intended to actuate means for generating an air flow in the engine as a function of the rotational speed of the engine. Such a control device is particularly suitable for controlling Gasturbinenan be, for.
B. to adjust swirl or guide vanes in a compressor, to provide Ver inlet guide vanes of a turbine, or to change the opening cross-section of a thrust nozzle through which exhaust gases from a turbine are passed. In the systems mentioned, the known control devices usually work at relatively high speeds of the Kraftma machine, which is why the flow rate and the drive speed of the pump with respect to the Drosse caused by the throttle means is selected so that there is no excessive pressure drop in these throttle means. Such control devices do not have any.
high responsiveness at low engine speeds.
According to the present invention is. The control device is characterized in that the flow throttling means have a first throttling device and a second throttling device, which two throttling devices are intended for generating a first and a second throttling of the flow, the second throttling being greater than the first, and there the pressure response means for responding to the first and second of the first and second
Second throttle device generated pressure difference are provided and that the second throttle vorriehtung bypassing bypass means are provided to prevent the second pressure difference from exceeding a certain value at high delivery rates of the pump.
In certain cases, both the first and the second throttle device, or only the latter, can have a movable valve body which responds to the pressure drop in the throttle device in question in such a way that the throttling that is generated with an increasing pressure difference is reduced, with the valve body can be spring-loaded in the sense of closing. With such a design of the throttle device, the pressure difference occurring in it can be set in such a way that it is directly proportional to the speed of the engine and not, as in a throttle device with an invariable cross section, proportional to the square of the speed.
The control effect exerted by the second throttle device may be different from the control effect exerted by the first throttle device.
A control device of the present type can advantageously be used to control the supply of additional fuel to the combustion device of a Gasturbinenan Ver location within a limited speed zone of the lower speed range of the machine, for. B. during engine start-up. The control device can also be used to control the adjustment of guide vanes within such a limited speed zone.
In the accompanying schematic drawing, three embodiments of the subject invention He are shown. 1 shows a gas turbine system designed as a simple aircraft jet engine, FIG. 2 shows the first example, which is intended to control the supply of additional fuel to the combustion device of the system according to FIG. 1 while the latter is being started, and FIGS 4 each a further example in which two throttle devices produce a single control effect for adjusting the guide vanes of an air compressor.
Fig. 1 shows an engine which has an axial compressor 10, the inlet guide vanes 14 of which are adjustable and a combustion device 11 which receives the compressed air from the compressor and in which fuel is burned to heat the air, the fuel supply from an injector manifold 15 takes place by means of injection devices 15a.
Furthermore, the engine sits a turbine 12, to which the hot gases from the combustion device are supplied and whose rotor drives the compressor shaft by means of a shaft 16, and an exhaust pipe 13 through which the exhaust gases from the turbine are expelled into the atmosphere.
The injector distribution pipe 15 is fuel through a feed line 18 of a fuel pump 19 to a tank 17 to. The outlet of the pump 19 is. verbun by a pipe 20 to the distribution pipe 15, wherein in the pipe 20 a throttle 21 and a shut-off valve 22 are arranged. While the machine is in operation, the shut-off valve is fully open and the fuel flow to the machine is controlled by the throttle 21. The pump 19 is ben driven by a branch shaft 23 through the machine. The adjustable guide vanes 14 are coupled to one another for common actuation in any known manner.
They are adjustable by a hydraulic pressure response device 30 with piston and cylinder, the piston rod 32a of the piston 32 is connected to a radial arm 24 of one of the guide vanes 14 by means of a link 2 and a universal joint 26. The device 30 (Fig. 2) has a cylinder 31 in which the piston 32 can be moved back and forth, and a control mechanism 33, wherein the position of the piston 3? determined in the cylinder 31 depending on the engine speeds of the high speed range. is.
The piston rod 32a is hollow and is guided in guides 34 and 35, which are also intended as stops to limit the piston stroke.
The bore of the piston rod 39a is standing. Dureli a bore 36 in connection with your space 37 on one side of the piston 32, so that the space 37 opened area of the piston 32 is larger than the piston area facing the cylinder roughness 38. On the line 20, a line 39 and the bore 40, as the cylinder 31, are supplied with pressure fluid, with a constriction 42 being provided in the bore 41.
The control mechanism 33 has two compartments 43 and 44 which are separated from one another by a flexible membrane 45. The compartment 43 is connected by a line 46 to a line 60 downstream of a Drosselöff opening 61 with a large cross section, while the compartment 44 is connected by a line 47 to the line 60 upstream of the throttle opening 61. The line 60 forming a loop is connected to the Lei device 18, in which a Ver displacement pump 64 is provided with constant flow rate at constant speed. This pump 64 is driven by a power junction 64a (Fig. 1) from the shaft 16 ans proportionally to the machine speed, so that the pressure drop in the throttle opening 61 is a function of the machine speed.
The we kende liquid load on the membrane 45 is therefore also a function of the machine speed.
The membrane 45 is loaded by a spring 50 by means of a rod 51, this load depending on the position of the piston 32 in the cylinder 3l, and it is also loaded by a second spring 52, which acts in the same way as the spring 50, however, against the effect of the fluid pressure load.
The diaphragm movements are transmitted to a rod 53 which carries a hemispherical valve body 54 which controls the fluid outflow from the space 37 through a line 55 leading from the latter into a chamber 56, from which chamber 56 a line 57 to the suction side of the pump 19 leads.
From the foregoing it can be seen that when the fluid pressure acting on the diaphragm 45 increases to such a value that it exceeds the action of the spring 52, the hemispherical valve is lifted from its seat and allows fluid to escape from the space 37 . As a result, the pressure in this chamber drops and the piston 32 moves to the right until the load caused by the spring 50 overcomes the load acting on the diaphragm 45. Thus, the piston 32 assumes a certain position in the cylinder 31 at each speed of the machine within the speed range of the latter, and the guide vanes 14 have a certain angle of attack with respect to the incoming air.
The cross-sectional area of the throttle opening 61, the area of the diaphragm 45 and the tension of the spring 52 are selected with respect to the power of the pump 64 such that this control of the guide vanes takes place within a higher speed range, the spring 52 limiting the lower limit of this higher speed range . The cross-sectional area of the throttle opening is relatively large, so that the drop in diameter in this opening does not exceed a predetermined maximum value at the maximum engine speed.
This design of the control device 33 for adjusting the guide vanes 14 of an axial compressor 10 of the machine, specifically for progressive adjustment within a speed zone of the higher speed range does not form an important part of the present invention, is used. however, as an example of a pressure-responsive device for a hydraulic control device according to the invention.
The control device shown in FIG. 2 also has means for regulating the introduction of additional fuel into a combustion device during a limited speed zone within the lower speed range of the machine, in the N-present case during the start-up of the machine , utin to accelerate the start of the machine up to idle speed.
A second throttle device 65 is provided in the pipe 60 on the delivery side of the displacement pump 64 and upstream of the opening 61. This has a movable valve body 66 which is pressed by a spring 67 against a seat 68 arranged around an opening.
This throttle device 65 is designed in such a way that it exerts a greater throttling effect on the flow in the pipe 60 than the first throttle opening 61, and the valve body 66 is designed in such a way that it counteracts the effect of the fuel flow through the opening Spring 67 is displaceable in such a way that the pressure drop occurring in the device 65 is approximately directly proportional to the engine speed within a certain speed zone of the lower speed range of the machine. When moving the valve body 66 in the opening sense, the throttling effect in 65 is verrin Gert.
A bypass line 69 bypasses the throttle device 65 and contains a valve 70 which is loaded by a spring 71 in the sense of pushing the valve against a seat 72 be. The valve is arranged such that it is opened when a certain pressure drop occurs in the second throttle device 65. This relief valve 70 is designed such that, once it is open, the pressure drop occurring in the device 65 with increasing flow through the bypass line 69 no longer increases, which flow increase is a result of the increase in speed in the machine, so that this is prevented that the second pressure difference at high flow rates of the. Pump 64 exceeds a certain value.
The pressure drop occurring in the second throttle device 65 is fed to a pressure-responsive device 73 which is separate from the one having the membrane 45 to which the pressure drop occurring in the first throttle opening 61 is fed. In the present case, the device 73 has a cylinder 74, the ends of which are closed by two membranes 75 and 76, which are arranged on a common actuating rod 77 and are arranged in a cylinder such that its interior is divided into three compartments 78, 79 and 80 is shared. The two membranes 75 and 76 have the same areas, and the space 79 between the two membranes is ver through an opening 81 with the atmosphere connected.
The spaces 78 and 80 are connected by lines 82 and 83 to the upstream and downstream sides of the second throttle device 65, so that the pressure drop occurring in the second throttle device 65 is transmitted to the membranes. The membrane structure 75, 76 is loaded by a helical spring 84 which is arranged in the end space 80. is the pressure prevailing downstream of the throttle device 65.
Furthermore, a further spring 85 is provided in the space 80, which has a movable stop 86 which is connected to one end of the rod 77 when the membrane structure has moved a certain amount against the action of the first spring 84. When the rod 77 is released from the movable stop 86, the latter comes into engagement with a fixed stop 87.
In the space 79 between the two membranes 75 and 76, an electrical contact device is arranged. It has a pair of fixed contacts 90 and, on the rod 77, a contact bridge 91 cooperating with the contacts 90.
The control means form the contact elements 90, 91 are arranged in such a way that when the pressure drop supplied to the membrane structure reaches a first predetermined value and the first spring 84 has been compressed by a certain amount, the contact bridge 91, the two fixed contacts 90, for the purpose Closing the electrical circuit containing the contacts connects to one another.
At a second and higher predetermined value of the pressure drop, which occurs as a result of an increase in speed, the effects of both the first and second springs 84 and 85 are overcome, and the resulting movement of the iVIembrangebildes 75, 76 be a displacement of the contact bridge 91 into a position in which the two contacts 90 are no longer bridged and the circuit is thus interrupted. The electrical circuit has a solenoid 92 connected in series with contacts 90 which is intended to operate a valve 93 which in turn controls the additional flow of fuel to the engine.
The solenoid is energized to open the valve 93 when the circuit is closed and is also de-energized when the circuit is interrupted, the valve 93 being able to close under the action of the spring 94.
The solenoid operated valve 93 is disposed in a pipe 93a which is hydraulically connected in parallel with the main fuel throttle 21 to form a bypass around the latter when the solenoid 92 is energized. The operation of the control device described is moreover as follows: During the start of the engine, the main fuel throttle 21 in the feed line 20, which leads to the combustion device, is normally set to idle fuel flow and therefore almost. ge closed, whereby it opposes a great resistance to the fuel flowing through.
When the machine is started, such a pressure drop occurs in the second flow throttle device 65 that at a predetermined speed, e.g. B. at 800 t / min. the first spring 84 around. squeezed such an amount. is that the contacts 90 are connected to one another by the contact bridge 91, so that the solenoid 92 is excited and the valve 93 in the bypass line 93a is opened. Accordingly, the throttling in the fuel feed line 20 is reduced and the fuel supply drove to the combustion device of the machine thus increased. As the engine speed increases, the pressure drop in the throttle device 65 also increases.
However, the further movement of the membrane structure 75, 76, 77 is held by the engagement of the rod 77 with the stop 86 of the second spring 86 until the pressure drop reaches a second predetermined value when the load on the first and second springs 84 or 85 is overcome together. The speed at which this occurs can be, for example, 2000 T / min. be fixed. At this moment, the membrane structure moves again and interrupts the circuit, so that the solenoid 92 is de-energized.
As a result, the fuel control valve 93 closes so that the fuel supply to the machine is limited by the idle position of the main throttle valve 21 and the machine speed to the value of the idle speed, z. B. at 2500 t / min. is kept stationary. In the following, the machine can then be controlled in the usual way by opening and closing the main throttle valve 21.
If the engine speed increases further, the pressure drop occurring in the second throttle device 65 causes the detour relief valve 70 to open, so that the pressure drop in the second throttle device can no longer increase and the membrane structure 75, 76, 77 no excessive load is fed. In the higher speed range, e.g. B. from 4000 to R000 t / min. the fuel delivered by the hydraulic regulator pump flows through the first throttle opening 61 and effects a progressive adjustment of the compressor guide vanes 14.
In the example described, a single hydraulic pump, the pump 64 of a hydraulic control device that responds to speed, is therefore provided for achieving two control effects on the operation of the machine in two different drelrzahlbereiehen.
While the control functions are of different types in the exemplary embodiment described, such a device can also be provided for generating a single control effect within a large speed range. Such a control device is shown in FIG. It has two devices 1.30 and 230 that respond to pressure, the first device being able to respond to the pressure drop in a first throttle opening 161 and the second device being able to respond to the pressure drop in a second throttle device 165.
Be movements of the actuating piston 132 and 232, the pressure-responsive Vorrich lines 130 and 230 are proportional to the pressure drops to which the pressure-responsive devices 145 and 245 are subjected. The arrangement is such that the actuating pistons are articulated to the ends of a lever 27 by means of links 125 and 225, respectively. A rod 28 is on the lever. 2 7 between the ends of aasgelenken and is. further connected to the radial arm 24 of an adjustable ble vane.
The cross-sectional area of the Drosselvorrich device 165 is smaller than that of the throttle opening 161, and consequently the pressure drop in it is also greater for a given flow. The bypass valve 70 is designed in such a way that it is opened when the desired maximum pressure drop in the throttle device 165 is reached.
When operating the machine in its lower speed range up to a speed at which the bypass valve 70 is opened, the arm 225, the pressure-responsive device 230 progressively over its entire range of motion, corresponding to the pressure drop in the throttle device 165, wherein He changes the Aasstell angle of the adjustable guide vanes ver, while the arm 125, the pressure-responsive device 130 extends at the same time over a small part of its range of motion, because, because the throttle opening 161 has a larger cross section. Be seated than the throttle device 165, the pressure drop across the diaphragm 145 is smaller than that across the diaphragm 245.
When the diverting valve opens, the pressure drop remains constant, and consequently the arm 225 remains in approximately the same position. If the engine speed and consequently the flow through the orifice 161 continues to increase, the arm 125 of the moves up Pressure responsive device 130 progressively over its entire range of motion, according to the respective pressure drop in the throttle opening 161. This movement is transmitted through the lever 27 to the radial arm 24, through which the guide vanes are adjusted.
The rod 28 can be articulated to any desired point between the ends of the lever 27 in order to maintain the desired movement of the rod 28 as a result of the movements of the pistons 132, 232. It can be seen from this that the available control force, as represented by the pressure drop supplied to the diaphragm 145. is significantly larger than in devices that have only a single membrane that responds to the pressure drop in a single orifice.
In another exemplary embodiment, as shown in FIG. 4, the control device serves to adjust guide vanes 14 in such a way that, in the lower speed range, the membrane 45 of the device 30 is exposed to the pressure drop occurring in the throttle device 65 and that in the higher speed range, the membrane 45 is exposed to the pressure drop occurring in the throttle opening 61.
In order to selectively feed this pressure drop to the membrane, the line 60 is provided with three branch lines 95, 96, 97. The branch line 95 is connected to the line 60 downstream of the opening 61. and leads to an opening 98a of a reversing valve 98. The branch line 96 is connected between the opening 61 and the device 65 to the line 60 and leads to a second opening 98b of the Valve 98 and to a first port 99a of a second reversing valve 99.
The branch line 97 is connected to the line 60 between the device 65 and the pump 64 and leads to a second opening 99b of the reversing valve 99. The outlets 98c, 99c of the valves 98 and 99 lead to lines 46 and 47, respectively. and these in turn open into compartments 43 and 44 on both sides of the membrane 45.
The valves 98, 99 are coupled to one another, as indicated at 100, and are designed in such a way that the openings 98e, 99c in a position of the valves with the openings 98n. and 99a and in a second position with the openings 98b and 99b are connected. Accordingly, the membrane 45 is exposed to the pressure drop in the throttle opening 67 in the first valve position and the pressure drop in the throttle device 65 in the second valve position.
The valves 98, 99 can be actuated by a solenoid device 102 which, under the control effect of a pressure-actuated switch device 101 responsive to the engine speed, can be excited. The Schaltvor device 101 takes effect when the pressure drop in the throttle device 65 reaches a certain value before, for. B. the value which is a certain amount below the value of the pressure drop, at wel chem the bypass valve 70 is opened, where at this value of the pressure drop is coupled to the engine speed.
In the example described, the pressure drop in the throttle opening 61 changes with the square of the flow through this opening, and the pressure drop in the Drosselvor direction 65 is directly proportional to the flow through this device. In order to obtain progressive control of the guide vanes throughout the entire speed range, the device is designed in such a way that the control effect is transmitted from the opening 61 to the opening 65 by means of the valve 98 and 99 and the pressure-actuated switch device 101 when the Pressure drop in the throttle device 65 is approximately equal to the pressure drop in the opening 61, that is, at the intersection of the linear and the quadratic pressure flow curves.