DE2059314B2 - Brennstoffzufuhranlage für ein Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

chen Werts.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1 075 896 ist ein

Regler für Gasturbinen bekanntgeworden, bei wel-

55 chem der Verdichtungsdruck als zweite Störgröße ein

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzufuhranlage in einer stromabwärts vom Brennstoffventil abzweifür ein Gasturbinentriebwerk, das mit seiner Brenn- genden Überströmleitung angeordnetes Überströmstoffpumpe über ein Getriebe verbunden ist, dessen ventil und einen Anschlag verstellt, der eine Mindestübersetzungsverhältnis je nach den betrieblichen Er- öffnung des Brennstoffventils gewährleistet. Bei diefordernissen stufenlos änderbar ist. 60 sem bekannten Regler wird der Verdichtungsdruck

Brenntoffzufuhranlagen für Gasturbinentrieb- des Kompressors dazu verwendet, Brennstoff umzuwerke müssen einwandfreie Triebwerkstarts ermögli- leiten, um zu verhindern, daß im Kompressor ein chen und die Brennstoffzufuhr so steuern, daß Pum- übermäßig hoher Verdichtungsdruck erzeugt wird, pen des Kompressors vermieden wird. Von besonde- Es versteht sich von selbst, daß der Wirkungsgrad rer Bedeutung ist das Problem bei Brennstoffzufuhr- 65 einer solchen Brennstoffzufuhranlage verhältnismäanlagen für Hubschrauber, weil die Antriebe eines ßig klein ist.

Hubschraubers zahlreichen Einflüssen, wie Feuchtig- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

keitsEehalt der Luft, Staub, Sand oder anderen Stof- Brennstoffzufuhranlage der eingangs geschilderten

Art zu schaffen, die gegenüber Verunreinigungen widerstandsfähig, kompakt aufgebaut und zuverlässig ist, wobei der Wirkungsgrad möglichst hoch sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Getriebe der Brennstoffpumpe eine mit einer Antriebswelle verbundene profilierte Antriebsscheibe und eine mit einer Abtriebswelle verbundene profilierte Abtriebsscheibe aufweist, zwischen denen kraftübertragende Reibräder über den Umfang gleichmaßig verteilt angeordnet sind, deren Neigung zur Getriebeachse und damit deren Angriffsradius an der Antriebs- und Abtriebsscheibe durch eine die Stellung eines Bedienhebels und Betriebskennwerte einerseits und die dem Triebwerk zugeführte Brennstoffmenge andererseits berücksichtigende Steuervorrichtung mittels eines Stellmotors änderbar ist.

Vorzugsweise ist die Anordnung so getroffen, daß die Steuervorrichtung einen in der Druckleitung der Brennstoffpumpe angeordneten Durchflußgeber für den Istwert der dem Triebwerk zugeführten Brennstoffmenge, einen unter dem Einfluß des Bedienhebels und von Betriebskennwerten stehenden Rechner für den Sollwert und eine mit diesen beiden Geräten in Verbindung stehende, auf den Stellmotor einwirkende Vergleichsvorrichtung enthält.

Vorteilhaft ist es, wenn die Steuervorrichtung ein in der Druckleitung der Brennstoffpumpe angeordnetes Zumeßventil enthält, das von einem unter dem Einfluß des Bedienhebels und von Betriebskennwerten stehenden Rechner betätigbar ist und der Stellmotor einen in einem Zylinder axial verschiebbaren Kolben mit einer Kolbenstange enthält, der in Richtung auf Erhöhen des Übersetzungsverhältnisses des Getriebes von einer Druckfeder und über eine Leitung vom Druck hinter dem Zumeßventil und in entgegengesetzter Richtung über eine Leitung vom Druck vor dem Zumeßventil beaufschlagt ist.

Der besondere Voreil der Brennstoffzufuhranlage nach der Erfindung besteht darin, daß eine Umleitung des Brennstoffs um die Brennstoffpumpe niciit erforderlich ist. Dadurch wird unter anderem eine Erhöhung der Brennstoff temperatur, wie sie bei einer Nebenschlußleitung immer auftritt, ausgeschaltet; infolge dieser Tatsache wird die Kühleigenschaft des Brennstoff verbessert. Dies wird beim Erfindungsgegenstand dadurch ermöglicht, daß der stufenlos steuerbare Antrieb die Drehzahl des Pumpenflügelrads auf einem Wert hält, der die vom Triebwerk angeforderte Brennstoffmenge unabhängig von der stark schwankenden Drehzahl des Triebwerks aufrechterhält.

Im nun folgenden Beschreibungsteil soll die Erfindung unter Bezugnahme auf das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel im einzelnen näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Brennstoffzufuhranlage nach der Erfindung für ein Gasturbinentriebwerk,

F i g. 2 die schematische Darstellung einer abgeänderten Ausführungsform der Brennstoffanlage nach der Erfindung,

F i g. 3 die Ansicht eines Längsschnitts durch ein stufenlos regelbares Getriebe für die Brennstoffpumpe am Erfiudungsgegenstand und

F i g. 4 die Ansicht eines Querschnitts nach Linie 4-4 in Fig.3.

In F i g. 1 ist ein Gasturbinentriebwerk 10 gezeigt, bei welchem der Erfindungsgegenstand Anwendung findet. Das Triebwerk 10 enthält einen Kompressor 12 mit einem Einlaß 14, eine Brennkammer 16 mit einer Reihe von Düsen und einer Druckleitung 18 sowie eine z.B. mit einer Kraftabgabewelle versehene Turbine.

Der Brennstoff wird dem Triebwerk 10 über die Druckleitung 18 durch eine Steuervorrichtung zugemessen, die auf ein stufenlos regelbares Rin&wuhtgetriebe einwirkt, das z. B. in den USA.-Patentschriften

ίο 2 959 972 2 959 973 und 2 962 909 beschrieben und dargestellt ist.

Eine Antriebswelle 23 und eine Antriebsscheibe 24 werden vom Triebwerk 10, z.B. durch dessen Kraftabgabewelle 20, angetrieben. Im Abstand von

der Antriebsseite 24 ist eine Abtriebsscheibe 26 mit einer Abtriebswelle 25 angeordnet. Mehrere steuerbare kraftübertragende Reibräder 28 liegen zwischen Antriebsscheibe 24 und Abtriebsscheibe 26. Die Neigung dieser Reibräder ist mit Hilfe eines Stellmotors

so 3G einstellbar. Hierdurch wird der Radius ihrer Berührungsstellen an den S.-.neiben und damit auch daL sich ergebende Übersetzung!, verhältnis des Getriebes verändert.

Die Abtriebswelle 25 des Getriebes 22 ist mit einer Brennstoffpumpe (Zentrifugalpumpe) 32 verbunden, die aus einer Leitung 34 Brennstoff aufnimmt und in die Leitung 18 unter einem Druck abgibt, der von der Drehzahl der Abtriebswelle 26 abhängt.

Ein in der Druckleitung 18 angeordneter Durchflußgeber 38 erzeugt in der Leitung 40 ein Steuersignal entsprechend dem Istwert des Brennstoffzuflusses durch die Druckleitung 18. Dieses Signal wird durch die Leitung 40 auf eine Vergleichsvorrichtung 42 gegeben; diese hat einen zweiten Eingang von einem Rechner 44 über die Leitung 46. Der Sollwert am Rechner hängt von der Stellung eines Bedienhebels 48 und von Betriebskennwerten ab.

Die Vergleichsvorrichtung 42 erzeugt ein elektrisches Fehlersignal, das direkt proportional der Differenz zwischen Istwert und Sollwert des Brennstoffzuflusses ist und dem Stellmotor 30 über über die Leitung 31 zugeführt wird.

Beim Starten des Gasturbinentriebwerks wird der Kompressor durch einen Startermotor auf eine bestimmte Drehzahl beschleunigt; dabei wird durch den Rechner 44 die Brennstoffmenge für den Start angefordert. Da die Drehzahl des Kompressors anfangs noch niedrig ist, wird am Getriebe 22 das größtmögliche Übersetzungsverhältnis eingestellt. Setzt nun die

tatsächliche Verbrennung im Triebwerk ein, erhöht sich die Drehzahl des Kompressors auf die Leerlaufdrehzahl. Die sich ergebende höhere Fördermenge der Brennstoffpumpe 32 wird durch den Durchflußgeber 38 festgestellt und bewirkt über die Vergleichs-

vorrichtung 42 und den Stellmotor 30 eine Herabsetzung des Übersetzungsverhältnisses des Getriebes 22. F i g. 2 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform des Erfindungsgegenstands. Hier wird über ein Ringwulstgetriebe 22' vom Gasturbinentriebwerk eine

Zentrifugalpumpe 32' angetrieben, die den Brennstoff in eine Druckleitung 18' liefert, in der ein Zumeßventll 50 angeordnet ist, dessen wirksame Öffnung von einem Rechner 52 gewählt wird. Dies geschieht auch hier unter dem Einfluß eines Bsdienhebels 54 und in Abhängigkeit von Betriebskennwerten.

Der Druckunterschied am Zumeßventil 50 wird durch die Leitungen 56 und 58 auf die einander ge-

jenüberl iegenden Seiten eines Zylinders 60 übertragen, in welchem ein axial verschiebbarer Kolben 62 mit einer Kolbenstange 64 angeordnet ist, die über ein Gestänge 66 mit dem Getriebe 22' so verbunden ist, daß eine Verschiebung der Kolbenstange 64 (in der Zeichnung) nach rechts das Übersetzungsverhältnis des Getriebes 22' erhöht. Diejenige Seite des Zylinders 60, die dem Druck in Strömungsrichtung hinter dem Zumeßventil 50 über die Leitung 58 ausgesetzt ist, weist eine Feder 68 auf, die den Kolben 62 in Richtung auf Erhöhen des Übersetzungsverhältnisses des Getriebes 22' drückt.

Uweer Bezugnahme auf die Fig.3 und4 der Zeichnung soll im folgenden eine bevorzugte Ausführungsform der Brennstoffzufuhranlage nach der Erfindung im einzelnen näher erläutert werden. Die einzelnen Bauelemente der Brennstoffzufuhranlage tragen in diesen Figuren im allgemeinen die gleichen Bezugsziffern wie in Fi g. 1. In diesen Figuren ist der Antrieb 22 in einem zylindrischen Gehäuse 70 untergebracht, welches einen Befestigungsflansch 72 aufweist, so daß das Gehäuse 70 an einem Getriebegehäuse des Triebwerks 10 angeordnet werden kann. Die Antriebsscheibe 24 ist in einem Lager 74 gehalten und weist eine Verzahnung auf, die in eine genutete Antriebswelle 23 eingreift, die mit einem Bauelement im Getriebegehäuse (nicht gezeigt) in Eingriff kommt. Die Abtriebsscheibe 26 ist in einem Lager 78 gelagert.

Die kraftübertragenden Reibräder 28 werden von einem Rahmen 80 gehalten, der zwischen den Antriebs- und Abtriebsscheiben 24 und 26 von Schrauben 82 gehalten derart ist, daß der Rahmen 80 an den Schultern 84, die im Innern des zylindrischen Gehäuses angeformt sind, gehalten wird. Die Reibräder 28 sind in Lagern 84 an den zentralen Spindeln 86 und in Jochen 88 gehalten. Die Joche sind in Lagern 90 gehalten, die im Rahmen 80 vorgesehen sind. Die Enden der Joche 88 folgen den Schwenkbewegungen einer Eingangswelle 94. Die Eingangswelle 94 ist einem Motor 96 mit konstantem Drehmoment zugeordnet, der an einem im Gehäue 70 vorgesehenen Flansch 98 befestigt ist. Der Motor 96 ist vorzugsweise ein Elektromotor mit konstantem Drehmoment.

Die Brennstoffpumpe 32 ist eine mit Mantel versehene Flügelradpumpe, deren Flügelrad 36 mit der Abtriebswelle 25 aus einem Stück besteht.

Die Wirkung der Brennstoffzufuhranlage nach den F i g. 3 und 4 ist im wesentlichen die gleiche wie die nach F i g. 1. Sie enthält auch einen Wechselstromgenerator 110, der über das Getriebe 22 angetrieben ist. Während des Starts wird der Wechselstromgenerator ebenso wie die Zentrifugalpumpe 32 bei maximalem Übersetzungsverhältnis angetrieben. Wird nun das Übersetzungsverhältnis in Übereinstimmung mit den Anforderungen der Brennstoffzufuhranlage

ίο verringert, dann bleibt die Drehzahl des Wechselstromgenerators relativ hoch, damit sie eine genügend große elektrische Energie zuliefern kann.

Das Gehäuse des Rechners 142 kann vom Einlaßrohr 140 dadurch entfernt werden, daß man die Verriegelungsmuttern 144 abschraubt und den Mantel 142 vom Gehäuse 130 abstreift.

Für die Wirkung des Erfindungsgegenstandes ist es von besonderer Bedeutung, daß der stufenlos steuerbare Antrieb, d. h. also das Getriebe 22 bzw. 22' die Drehzahl des Pumpenflügelrads 36 auf einem Wert hält, der die für den Betrieb des Triebwerks erforderliche Brennstoffmenge unabhängig von der relativ stark schwankenden Drehzahl des Triebwerks aufrechterhält. Hierfür soll im folgenden ein charakte-

»5 ristif, -hes Beispiel gegeben werden.

Angenommen, es handele sich um ein Getriebe, dessen Übersetzungsverhältnis von 1 :3.1 bis 3.1 : 1 änderbar ist. Weist das Triebwerk beim Start eine Drehzahl von 7500 U/Min, auf, dann muß das Getriebe 22 das maximale Übersetzungsverhältnis haben, um eine Pumpendrehzahl von 23 250 U/Min, zu liefern. Beträgt die Triebwerksdrehzahl maximal 72075 U/Min., dann würde die kleinste Pumpendrehzahl wieder 23 250 U/Min, sein. Will man die größtmögliche Brennstoffördermengc bei voller Triebwerksdrehzahl erzielen, dann braucht man nur das Untersctzungsvei hältnis des Getriebes von 3.1 : 1 zu verringern, so daß die Drehzahl der Pumpe z. B. 47 400 U/Min, beträgt.

Aus diesem Beispiel ersieht man. daß die Änderung der Drehzahl der Pumpe und des Wechselstromgenerators im Vergleich zu den Drehzahländerungen der Brennstoffzufuhranlage relativ klein sind. Dieses Merkmal ist von besonderem Vorteil, wenn es erforderlich ist. Zubehörteile von Gasturbinentriebwerken anzutreiben, die einen engen Drebzahlbereich aufweisen, d. h. also beispielsweise einem Wechselstromgenerator und eine Hydraulikpumpe.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

fen, ausgesetzt sind, die zu Brennstoffverunreinigun- Patentansprüche: gen führen können. Bei den herkömmlichen Brennstoffzufuhranlagen

1. Brennstoffzufuhranlage für ein Gasturbinen- für Triebwerke werden im allgemeinen Verdräntriebwerk, das mit seiner Brennstoffpumpe über 5 gungspumpen angewendet, deren Ausgangsleistung ein Getriebe verbunden ist, dessen Übersetzungs- nach Maßgabe eines Druckunterschieds an einer verhältnis je nach den betrieblichen Erfordernis- Steueröffnung mit veränderlichem Querschnitt durch sen stufenlos änderbar ist, dadurch ge- eine hydromechanische Vorrichtung eingestellt wird, kennzeichnet, daß das Getriebe (22 bzw. Für die Durchführung der verwickelten Steuerfunk-22') eine mit einer Antriebswelle (23) verbundene ¹⁰ tionen benötigte man bisher eine große Anzahl verprofilierte Antriebsscheibe (24) und eine mit schiedener Kolben, Membranen, Tellerventile usw.
einer Abtriebswelle (25) verbundene profilierte Wird nun beispielsweise ein Flugzeug den oben Abtriebsscheibe (26) aufweist, zwischen denen beschriebenen nachteiligen Umweltbedingungen auskraftübertragende Reibräder (28) über den Um- gesetzt, dann können alle diese Verunreinigungen in fang gleichmäßig verteilt angeordnet sind, deren 15 die Brennstoffzufuhranlage des Triebwerks gelangen. Neigung zur Getriebeachse und damit deren Man hat schon versucht, die Auswirkungen der Ver-Angriffsradius an der Antriebs- und Abtriebs- unreinigungen dadurch zu mildern, daß man der scheibe durch eine die Stellung eines Bedienhsbels Brennstoffzufuhranlage verwickelte und kostspielige und Betriebikennwerte einerseits und die dem Waschfilter vorgeschaltet hat; diese erfordern jedoch Triebwerk zugeführte Brennstoffmenge anderer- 20 eine ständige Wartung und Pflege.

seits berücksichtigende Steuervorrichtung mittels Bei Brennstoffzufuhranlagen mit vom Triebwerk

eines Stellmotors änderbar ist (F i g. 1 bzw. 2). mit festem Übersetzungsverhältnis angetriebener

2. Brennstoffzufuhranlage nach Anspruch 1, Brennstoffpumpe muß diese eine Ausgangsleistung dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrich- aufweisen daß sie auch bei kleinster Drehzahl eine tung einen in der Druckleitung (18) der Brenn- 25 ausreichende Brennstoffmenge liefert. Da dieser Bestoffpumpe (32) angeordneten Durchflußgeber triebszusiand im Verlauf des Triebwerksbetriebs nur (38) für den Istwert der dem Triebwerk zugeführ- ganz kurzzeitig auftritt, muß für den weitaus größten ten Brennstoffmenge, einen unter dem Einfluß Teil der Betriebszeit eine überschüssige Brennstoffdes Bedienh.-bels (48) und von Betriebskennwer- menge durch eine Nebenschlußleitung abgeleitet werten stehenden Rechner (44) für den Sollwert und 30 den.

eine mit diesen beiden Geräten in Verbindung Diese Nebenschlußleitung an der Brennstoffpumpe

stehende auf den Stellmotor (30) einwirkende hat zwei nachteilige Auswirkungen. Die erste besteht

Vergleichseinrichtung (42) aulweist (F i g. 1). darin, daß dauernd die höchste Antriebsleistung für

3. Brennstoffzufuhranlage nach Anspruch 1, da- die Pumpe aufgebracht werden muß. Die zweite Wirdurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung 35 kung besteht darin, daß durch diese Pumpenleistung ein in der Druckleitung (18') der Brennstoff- dauernd die Temperatur des Brennstoffs erhöht wird, pumpe (32') angeordnetes Zumeßventil (50) ent- Da der Brennstoff normalerweise als Kühlmittel für hält, das von einem unter dem Einfluß des Bedie- viele Bauteile im Triebwerk dient, benachteiligt diese nungshebels (54) and von Betriebskennwerten hohe Temperatur die Kühlwirkung des Brennstoffs, stehenden Rechner (52) betätigbar ist und daß 40 Eine Brennstoffzufuhranlage für ein Gasturbinender Stellmotor einen in einem Zylinder (60) axial triebwerk, das mit seiner Brennstoffpumpe über ein verschiebbaren Kolben (62) mit einer Kolben- Getriebe verbunden ist, ist durch die USA.-Patentstange (64) enthält, der in Richtung auf Erhöhen schrift 2 644 300 bekanntgeworden. Dabei wird eine des Übersetzungsverhältnisses des Getriebes (22') veränderliche Gleitkupplung angewandt, wobei eine von einer Druckfeder (68) und über eine Leitung 45 wesentlich größere Brennstoffmenge umgewälzt wird (58) vom Druck hinter dem Zumeßventil und in als die normalerweise erforderlich ist, dabei muß entgegengesetzter Richtung über eine Leitung durch die Bedienungsperson ein Eingriff vorgenom-(56) vom Druck vor dem Zumeßventil beauf- men werden, um eine Vergrößerung oder Verringeschlagbar ist (F i g. 2). rung der geförderten Brennstoffmenge zu erzielen.

50 Der Wirkungsgrad einer derartigen Brennstoffversorgungsar.lage bleibt also weit unterhalb des bestmögli-