DE1816414A1

DE1816414A1 - Vorrichtung zur Regelung eines Gasturbinentriebwerkes

Info

Publication number: DE1816414A1
Application number: DE19681816414
Authority: DE
Inventors: Christian Greune
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 1968-12-21
Filing date: 1968-12-21
Publication date: 1970-10-01
Also published as: US3623326A; DE1816414B2; SE356333B; FR2026764A1; GB1247570A

Description

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M.A.N. TURBO GMBH.

München, den 1β. Dez. 1968

Vorrichtung zur Regelung eines Gasturbinentriebwerkes.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Regelung eines Gasturbinentriebwerkes, insbesondere für Fahrzeuge, welches eine Nutzleistungsturbine mit verstellbaren Eintrittsleitschaufeln und einen Kraftstoffdrehzahlregler aufweist und welches mit oder ohne Wärmetauscher ausgerüstet ist.

Bei Gasturbinentriebwerken, insbesondere für Fahrzeuge, wird angestrebt, einerseits ein günstiges Beschleunigungsverhalten zu erhalten und andererseits einen günstigen Kraftstoffverbrauch im Teillastbetrieb zu erzielen.

Bei Gasturbinentriebwerken, die keine Leitschaufelverstellung vor der Nutzturbine besitzen, wird die höchstzulässige Gastemperatur bei etwa hundert Prozent der Drehzahl des Gasturbinentriebwerkes erreicht. Unterhalb hundert Prozent der Drehzahl des Gasturbinentriebwerkes sinkt die Gastemperatur zunächst ab und der -Wirkungsgrad der Anlage wird schlechter.

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Zur Verbesserung des Wirkungsgrades von Gasturbinentriebwerken ist es bereits vorgeschlagen worden, eine Erhöhung der Gastemperatur im Teillastgebiet vorzunehmen und zwar mittels Verstellung der Eintrittsleitschaufeln vor der Nutzturbine. Es wird auf diese Weise erreicht, die Temperatur der Gase beim Eintritt in die Verdichterturbine annähernd konstant zu halten, wenn beispielsweise - wie bereits bekannt - die Eintrittsleitschaufeln in Abhängigkeit von der Drehzahl des Gaserzeugers verstellt werden.

Mit diesem, bei Gasturbinentriebwerken bereits vorgeschlagenen, bekannten Maßnahmen wird zumindest annähernd die Forderung bereits erfüllt, den Teillastwirkungsgrad zu verbessern.

Zur Erzielung eines günstigen Beschleunigungsverhaltens ist es jedoch erforderlich, das Gasturbinentriebwerk so schnell wie möglich in der Drehzahl, zu erhöhen, ohne daß die Leistung der Nutzturbine wesentlich nachläßt. Dies wird im wesentlichen nur erreicht beim höchstmöglichen Luftdurchsatz und der höchstmöglichen Gastemperatur. Es werden also bei Übergang von einem stationären in einen Beschleunigungszustand die Brennstoffmenge kurzfristig erhöht und die Eintrittsleitschaufeln der Nutzturbine geöffnet, um Übertemperaturen zu vermeiden. Beim Erreichen des neuen stationären Zustandes wird die Brennstoffmenge reduziert und die Eintrittsleitschaufeln werden geschlossen. V/ährend des ganzen Vorganges müßte die Gastemperatur nahe der Höchsttemperatur sein, um ein optimales Beschleunigungsverhalten zu erzielen.

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Im Rahmen des geschilderten Problems ist es also die hauptsächliche mit der Erfindung zu lösende Aufgabe, eine Vorrichtung zu schaffen, mit deren Wirkung auf relativ einfachen Weise das Problem gelöst werden soll, eine konstante, hohe Gastemperatur sowohl für den stationären als auch für den Besohleunigungszustand zu erreichen, wobei insbesondere mittels der Vorrichtung eine sich beispielsweise beim Beschleunigungsvorgang des Triebwerkes und damit verbundener sehr plötzlicher Erhöhung der Gastemperatur einstellende, kurzzeitige Hbertemperatur vermieden werden soll.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe besteht die Erfindung bei einer Vorrichtung nach der eingangs genannten Gattung im wesentlichen darin, daß ein Temperaturregler vorgesehen 1st, der die Heißgastemperatur stromabwärts der Brennkammer mißt und in Abhängigkeit von der Abweichung der Heißgastemperatur von einem vorgegebenen Sollwert eine Verstellung der Elntrittsleitschaufeln herbeiführt, um die Heißgastemperatur dem vorgegebenen Sollwert anzupassen.

In weiterer, zweckmäßiger Ausgestaltung des Erfindungsgegen-Standes soll der Temperaturregler beim Überschreiten der vorgegebenen Heißgastemperatur eine Verminderung des in einer von Verdichterluft beaufschlagten Entnahmeleitung herrschenden Drukkes und damit gleichzeitig einen Druckabfall innerhalb eines pneumatisch betätigten Stellgliedes herbeiführen, welches daraufhin die Eintrittsleitschaufeln der Nutzleistungsturbine weiter öffnet.

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Erfindungsgemäß ist weiter eine Verstellbarkeit des Temperatur- . reglers in Abhängigkeit von der Gashebelstellung vorgesehen.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann das pneumatische Stellglied in an sich bekannter Weise ein in einem Zylinder axial verschieblicher Kolben sein, der auf der einen Seite federbelastet und auf der anderen Seite dem Druck in der Entnahmeleitung ausgesetzt ist und dessen Kolbenstange mit der Leitschaufelverstellvorrichtung der Nutzleistungsturbine verbunden ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann ein Beschleunigungsventil vorgesehen sein, welches mit dem Gasgestänge und der Entnahmeleitung in Verbindung ist, um bei plötzlicher Verstellung des Gashebels eine Verminderung des Druckes in der Entnahmeleitung herbeizuführen.

Dieses Beschleunigungsventil soll bei Überschreiten einer einstellbaren Stellgeschwindigkeit des Gaspedals und damit der Drehzahl und der Brennstoffmenge des Gasturbinentriebwerkes den Temperaturregler überregeln und die Eintrittsleitschaufeln der Nutzturbine kurzfristig verstellen, um bei sehr plötzlicher Erhöhung der Gastemperatur kurzzeitige Übertemperaturen auszuschalten. Das Beschleunigungsventil unterstützt hierbei also den Tempe-· raturregler, falls dieser nicht schnell genug auf eine plötzliche Erhöhung der Gastemperatur reagieren sollte. Der Einfluß des Be-

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schleunigungsventils soll nach kurzer Zeit wieder abklingen, 'so . daß die Steuerung der Leitschaufeln der Nutzturbine wieder dem Temperaturregler unterliegt.

Darüber hinaus kann erfindungsgemäß das Beschleunigungsventil hydraulisch zu betätigen sein und zwar mittels eines ersten Kolbens, der über einen Hebel mit dem Gasgestänge verbunden und entgegen der Wirkung einer Rückholfeder verschieblich ist, wodurch ein zweiter federbelasteter Kolben eine mit der Entnahmeleitung verbundene Absteuerdüse öffnet.

In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung kann der Temperaturregler aus einem im Heißgasstrom der Verdichterantriebsturbine angeordneten, temperaturabhängigen Ausdehnungselement (Hülse, Stift) bestehen, wobei dieser Stift infolge Überschreitens der Heißgastemperatur von einem vorgesehenen Sollwert einen federbelasteten Hebel betätigt, welcher eine mit der Entnahmeleitung in Verbindung stehende Abblasedüse öffnet und wobei ferner dieser Hebel an einem vom !gasgestänge betätigten Sollwertverstellhebel exzentrisch gelagert ist.

An Hand einiger Ausführungsformen in den Zeichnungen ist die Erfindung beispielhaft, im einzelnen, weiter näher erläutert: in den Zeichnungen ist

Pig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Regelvorrichtung,

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einschließlich eines Gasturbinentriebwerkes in einer"ersten AusfUhrungsform,

Fig. 2 ein Teil der in Figur 1 dargestellten Regelvorrichtung, in Abwandlung von Figur 1, infolge Integration eines Wärmetauschers in den thermodynamisehen Kreisprozeß des Gasturbinentriebwerkes,

Fig. 3 ein gegenüber der Figur 1 größer und detailliert dargestelltes Beschleunigungsventil in einer seitlichen Schnittansicht,

Fig. 4 ein Brennstoff-ZDrehzahldiagramm,

Fig. 5 ein gegenüber Figur 1 größer und detailliert dargestelltes Ausführungsbeispiel eines Temperaturreglers in einer seitlichen Schnittansicht und

Fig. 6 eine Schnittansicht nach der Linie VI - VI der Figur 5.

Figur 1 veranschaulicht unter anderem ein an sich bekanntes Gasturbinentriebwerk in schematischer Darstellung, bestehend aus einem Verdichter 1, einer dem Verdichter nachgeschalteter Brennkammer 2 und einer der Brennkammer naehgesehalteter Verdichterantriebsturbine 5, welche mit dem Verdichter 1 über eine Welle verbunden ist. Die von der verdichtereintrittsturbiiie 5 geförder-

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ten Treibgase gelangen über eine Treibgasleitung 6 zu einer Nutzleistungsturbine 7. Die Nutzleistungsturbine 7 überträgt ihre Leistung über eine Welle 8 auf ein schematisch dargestelltes Geschwindigkeitswechselgetriebe 9. Über eine aus diesem Geschwindigkeits-Wechselgetriebe 9 herausgeführte Welle lo¹ wird die Leistung des Gasturbinentriebwerkes unter Zwischenschaltung eines Ausgleichsgetriebes 11 auf die Antriebsachsen 12 und damit auf die Räder 13 eines Fahrzeuges übertragen.

Wie aus Figur 1 weiter ersichtlich ist, ragt in die Treibgasleitung 6 ein zu Figur 5 nachfolgend noch näher erläuterter Temperaturregler l4 mit einer Hülse 15 und einem darin angeordneten Stift 16 (als Temperaturfühler) hinein.

Dieser Temperaturregler 14 soll bei Abweichung der Heißgastemperatur vom Sollwert in der Leitung 6 eine Verstellung von Leitschaufeln 17 herbeiführen, welche in der Treibgasleitung 6, stromaufwärts der Nutzleistungsturbine 7 angeordnet sind. Der Temperaturregler ist einerseits über eine Entnahmeleitung Io dem Ausgangsdruck des Verdichters 1 ausgesetzt, wobei eine Vordrossel· l8 in der Entnahmeleitung angeordnet ist. Beim überschreiten der Heißgastemperatur von einem vorgegebenen Sollwert führt somit der Temperaturregler 14 eine Verminderung des in der Entnahmeleitung Io herrschenden Luftdruckes herbei. Gleichzeitig wird hierbei ein Druckabfall innerhalb eines pneumatisch betätigten Stellgliedes 19 herbeigeführt, und zwar dadurch, daß dieses Stellglied 19 über Leitungen

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2ο, 21 mit der Entriahmeleitung Io verbunden ist. Dieses pneumatische Stellglied 19 besteht im wesentlichen aus einem in einem Zylinder 22 axial verschieblichen Kolben 23, der auf der einen Seite mittels einer Feder 24 belastet ist und auf der der Feder 24 abgewandten Seite über die Leitungen 2o, .21 dem in der Entnahmeleitung Io herrschenden Druck ausgesetzt ist. Eine Kolbenstange 25 des pneumatischen Stellgliedes 19 ist mit der Verstellvorrichtung der Leitschaufeln 17 in Verbindung. Der Temperaturregler 14 veran* laßt also, daß bei Abweichung der HeiBgastemperatur von einem vorgegebenen Sollwert, sich ein Druckabfall in der Entnahmeleitung Io einstellt, woraufhin an Hand der Verbindung der Entnahmeleitung Io mit dem pneumatischen Stellglied 19 über die Leitungen 2o, 21 der Kolben 23 des Stellgliedes 19 aufgrund der Wirkung der Feder 24 verschoben wird, so daß über die Kolbenstange 25 die Leitschaufeln 17 verstellt werden.

Aus Figur 1 ist weiter ein einerseits vom Gasturbinentriebwerk her über ein Kegelradgetriebe 26 angetriebener KraftstofJP/Drehzahlregler 27 erkennbar, welcher an sich in seinem Aufbau und zur Anwendung bei Gasturbinentriebwerken hinlänglich bekannt ist und somit keiner näheren Erläuterung bedarf. Dieser Kraftstoff-/Drehzahlregler 27 wird von der Tankpumpe 28 her über die Leitung 29 mit Kraftstoff versorgt. Weiter ist aus Figur 1 entnehmbar, daß dieser Kraftstoff-Drehzahlregler 27 mit dem Gasgestänge Jo des Fahrzeuges in Verbindung ist, welches den Sollwert des Drehzahlreglers verstellt. Der an dieses Gasgestänge J5o angreifende Gashebel ist mit 31 bezeichnet. Über eine vom Kraftstoff-/Drehzahl-

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regler 27 zur Brennkammer 2 führende Brennstoffleitung 32 wird .somit der Brennkammer 2 der Kraftstoff an Hand dieses Kraftstoff-/Drehzahlreglers 27 unter anderem in Abhängigkeit von der Drehzahl des Gasturbinentriebwerkes, der Gashebelstellung sowie in Abhängigkeit vom Vordruck der Tankpumpe 28 zugemessen.

Falls der Temperaturregler bzw. dessen Fühler (Stift 16 und Hülse 15);nicht schnell genug auf einen durch plötzlichen Lastweehsel verursachten Temperaturwechsel reagieren sollte, ist ein Beschleunigungsventil 33 vorgesehen. Dieses Beschleunigungsventil ist einerseits über einen Hebel· 35 mit dem Gasgestänge 3o verbunden; andererseits ist dieses Beschleunigungsventil 33 über eine Leitung 36 mit der Entnahmeleitung Io über die Leitung 2o verbunden» um, wie schon geschildert, zusätzlich zur Regelung durch den Temperaturregler l4 bei plötzlich einsetzender Gaszufuhr eine Verminderung des Luftdruckes in der Entnahmeleitung Io herbeizuführen.

in Figur 2 ist eine weitere Variante des in Figur 1 wiedergegebenen Ausführungsbeispieles durch Zuordnung eines Wärmetauschers 37 in den thermodynamisehen Kreisprozeß des Gastriebwerkes 1, 2, 3, 4, 7,dargestellt. Dieser Wärmetauscher 37 wird einerseits über ein© Leitung: 3& von den aus der Nutzielstungsturbine 7 abströmenden Gasen durchströmt. Andererseits wird dieser Wärmetauscher 37 'tibei* eine Leitung 39 von der Verdiehterluft des Verdichters^ 1 . durchströmt. Die Verdichterluft wird auf diese Weise von den aus der Nutzleiatungsturbine 7 abströmenden Gasen aufgeheizt und ge-

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langt im vorgewärmten Zustand über die Leitung 4o zur Brennkammer 2. Ein solcher Wärmetauscher ist, wie eingangs bereits erwähnt, u.a. ein bekanntes Mittel, um die bei Gasturbinentriebwerken für Fahrzeuge auftretenden, relativ hohen Kraftstoffverbräuche zu reduzieren. Im übrigen soll die in Figur 1 widergegebene Regelvorrichtung auf das Ausführungsbeispiel nach Figur 2 anwendbar sein, so daß hier auf die bereits erläuterten, wesentlichen Schalt- und Steuerelemente an Hand der Figur 1 zurückgegriffen werden kann.

Figur 3 erläutert das an Hand der Figur 1 lediglich schematisch dargestellte Beschleunigungsventil 33 näher.

Dieses Beschleunigungsventil, gemäß Figur 3, wird einerseits vom Gasgestänge 3o über den Hebel 35 betätigt, wobei an den Hebel 35 die zu einem Kolben 4l gehörige Kolbenstange 3% angreift, wobei weiter eine am hinteren Ende der Kolbenstange Jk angeordnete Rückholfeder 42' vorgesehen ist. Das Beschleunigungsventil 33 wird im übrigen hydraulisch betätigt. Durch Verschiebung des Kolbens 4l über das Gasgestänge 30 in Pfeilriehtung 3o'V (beschleunigen), öffnet ein weiterer Kolben 42 entgegen der Wirkung einer Verstellfeder 43 eine Absteuerdüse 44, welche über die Leitung mit der Entnahmeleitung Io in Verbindung ist. Die infolge des öffnens der Absteu«Pdtis« 44 hervorgerufene Druekabsankung in der Entnahmeleitung Io verursacht die im Bedarfsfalle erwünschte Verstellung der Leitschaufeln IJ, da, wie aus Figur 1 ersichtlich

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ist, öle Leitung 36 welche zxm Beschleunigungsventil 33 führt, über 4ie Leitung ?1 rait dem pneumatischen Stellglied 19 in Verbindung ist, Bei -dem.-Beschleunigungsventil 33 nach Figur 3 wird das Zeltglied gebildet durch die Fläche des Kolbens 42, die Kraft der Feder 43 und an Hand des Querschnittes der verstellbaren Drossel 44. Bei Bewegung des Gasgestänges 3o in Pfeilrichtung 45 (verzögern) ist das -Zeitglied* durch ein federbelastetes Rückschlagventil 46 überbrückt. Ein weiter aus Figur 3 entnehmbarer Vorratsbehälter 47 versorgt das Beschleunigungsventil 33 mit Hydraulikflüssigkeit und zwar über die Leitungen 48, 49, sowie die diesen Leitungen zugeordneten ZufIuJS- und Abflußbohrungen 5o, 51 im Gehäuse 52 des Beschleunigungsventils.·

Figur 4 zeigt den BesGhleunigungsvorgang in einem Brennstoff-/Drehzahl-Diagramm.. Auf der senkrechten Ordinate ist die Brennstoffmenge B bis X 00 Prozent aufgetragen _a auf der waagerechten Ordinate die Drehzahl η ebenfalls bis loo Prozent. Die Linie, welche die Punkte A, B, C verbindet, 1st die stationäre Betriebslinie, die maximale und minimale Brennstofflinien A₁, B%, G, und Ag» -Bg,-- C₂ werden beim Beschleunigen oder Verzögern erreicht. Erfolgt die Verstellung des Gaspedals beim Beschleunigen sehr langsam, so wird die Linie A, B, C durchfahren. Mit steigender Vefsteligeschwindigkeit wird der Linienzug A₁, B₁, C₁. oder A₂, B₂, C₂ erreicht. Die Linien A₁Za₂, B₁ZB₂, Cj/Cg sind , Kennlinien des Drehzahlreglers.

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Die Figuren 5 bis 6 veranschaulichen schließlich nähere Einzelheiten des in Figur 1 lediglich schematisch widergegebenen Temperaturreglers l4«

Wie aus Figur 5 ersichtlich ist, ragt der Temperaturregler mit seinen Ausdehnungselementen, Hülse 15 mit Bohrungen 6o, sowie dem darin gehaltenen und quer zur Oasströmung 6l verschieblichen Stift 16' in die hie^fi.ediglich abgebrochen dargestellte Treibgasleitung 6 hinein. Der Stift 16 ist am Boden 62 der Hülse 15 mittels eines Bundes 65 gehalten. Oben durchragt der Stift 16 das direkt auf die Treibgasleitung 6 aufgesetzte Gehäuse 64 des Temperaturreglers 14 und betätigt mit einer abgerundeten Oberkante 65 einen mittels einer Feder 6? belasteten Hebel 66, wobei die Feder 6j an einem Bund 68 des Gehäuses 64 gehalten ist. Bei überschreiten der Heißgastemperatur von einem vorgegebenen Sollwert öffnet dieser Hebel 66 somit eine mit der Entnahraeleitung Io in Verbindung stehende Abblasedüse 69*dadurch, daß aufgrund der veränderten Temperatur und der damit verbundenen, veränderten Stellung des Stiftes 16, der Hebel 66 eine Prallplatte 7o von der Düse 69 abhebt, wobei diese Prallplatte 7o in einer zum Hebel 66 gehörigen Ausnehmung 71 gehalten ist. Auf der der Abblasedüse 69 gegenüberliegenden Seite ist der Hebel 66 (Figur 6) exzentrisch an einem Bolzen 72 gelagert, wobei dieser Bolzen 72 weiter mit einem in dem Gehäuse 64 gelagerten Hebel 73 in Verbindung ist, welcher als sogenannter "Sollwertverstellhebel" vom Gasgestänge 3o (Figur 1) und über weitere Hebelgestänge 74, 75 betätigt wird und eine Lagever- · änderung des Hebels 66 herbeiführen kann.

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Claims

M.A.N. TURBO QMBH Λ München, den 16. Dez. I968 Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Regelung eines Gasturbinentriebwerkes, insbesondere für Fahrzeuge, welches eine Hutzleistungsturbine mit verstellbaren Eintrittsleitschaufeln und einem Kraftstoffdrehzahlregler aufweist und welches mit oder ohne Wärmetauscher ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperaturregler (l4) vorgesehen ist, der die Heißgastemperatur stromabwärts der Brennkammer (2) mißt und in Abhängigkeit von der Abweichung der Heißgastemperatur von einem vorgegebenen Sollwert eine Verstellung der Eintrittsleitschaufeln (17) herbeiführt, um die Heißgastemperatur dem vorgegebenen Sollwert anzupassen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturregler (l4) beim überschreiten der vorgegebenen Heißgastemperatur eine Verminderung des in einer von Verdichterluft beaufschlagten Entnahmeleitung (lo) herrschenden Drukkes und damit gleichzeitig einen Druckabfall innerhalb eines pneumatisch betätigten Stellgliedes (19) herbeiführt, welches daraufhin die Eintrittsleitschaufeln der Nutzleistungsturbine weiter öffnet.

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3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturregler (14) in Abhängigkeit von der Gashebelstellung verstellbar ist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 und 3* dadurch gekennzeichnet, daß das pneumatische Stellglied (19) in an sich bekannter Weise ein in einem Zylinder (22) axial verschieblicher Kolben (2J) ist, der auf der einen Seite federbelastet und auf der anderen Seite dem Druck in der Entnahmeleitung (lo) ausgesetzt ist und dessen Kolbenstange (25) mit der Leitschaufelverstellvorrichtung der Nutzleistungsturbine (?) verbunden ist.

5· Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein Beschleunigungsventil (33), welches mit dem Gasgestänge (j5o) und der Entnahmeleitung (lo) in Verbindung ist, um bei plötzlicher Verstellung des Gashebels (31) eine Verminderung des Druckes in der Entnahmeleitung herbeizuführen.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5* dadurch gekennzeichnet, daß das Beschleunigungsventil hydraulisch betätigt wird, und zwar mittels eines ersten Kolbens (4l), dessen Kolbenstange (34) über einen Hebel (35) mit dem Gasgestänge (3o) verbunden und entgegen der Wirkung einer Rückholfeder (42*) verschiebllch ist, wodurch ein zweiter federbelasteter Kolben (42) eine mit der Entnahmeleitung (lo) verbundene Absteuerdüse (44) öffnet.

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7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturregler (14) aus einem im Heißgasstrom der Verdichterantriebsturbine (3) angeordneten, temperaturabhSnglgen Aüsdehnungselement (Hülse lf>, Stift 16) besteht, und dieser Stift infolge tjbersehröitens der Heißgastemperatur von einem vorgesehenen Sollwert einen federbelasteten Hebel (66) betätigte welcher eine mit der Entnahmeleitung (lo) in Verbindung stehende Abblasedüse (69) Öffnet und wobei ferner dieser Hebel (66) an einem vom Gasgestänge (30) betätigten Sollwertverstellhebel (73) exzentrisch gelagert ist.

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