DE10031484A1

DE10031484A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Starten eines Gasturbinentriebwerks

Info

Publication number: DE10031484A1
Application number: DE10031484A
Authority: DE
Inventors: Gregory B Weber
Original assignee: Moog Inc
Current assignee: Moog Inc
Priority date: 1999-07-08
Filing date: 2000-06-28
Publication date: 2001-01-11
Also published as: GB2351777B; JP2001020758A; US6182438B1; GB0015063D0; JP4335419B2; GB2351777A

Abstract

Ein Verfahren zum Starten eines Gasturbinentriebwerks (17) mit einer motorgetriebenen Pumpe (13) mit variabler Drehzahl, die funktionsmäßig so angeordnet ist, dass sie Treibstoff von einer Quelle zum Triebwerk durch zumindest eine Brennerdüse (19) bei normalem Betrieb des Triebwerks fördert, umfasst die folgenden Schritte: Vorsehen einer Kalibrationsöffnung (16), die bemessen ist, die Druck-Strömungscharakteristiken der Düse zu simulieren; anfängliches Leiten der Strömung von der Pumpe durch die Öffnung; Betreiben der Pumpe bei vorbestimmten Drehzahlen; Messen der Temperatur der Strömung bei jeder dieser Drehzahlen; Messen des Druckabfalls der Strömung über die Öffnung bei jeder dieser Drehzahlen; Berechnen der Durchflussmenge an Treibstoff als Funktion der Pumpendrehzahl und Temperatur; danach erneutes Umleiten der Strömung von der Öffnung an die Düse und nachfolgend Steuern der Drehzahl der Pumpe, um eine gewünschte Durchflussmenge an Treibstoff zum Starten des Motors zu erzeugen.

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Starten eines Gasturbinenmotors bzw. -triebwerks und insbesondere ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung, um zunächst die erwarteten Betriebszu stände des Triebwerks während eines Kalibrationszustands zu simulieren und dann das Triebwerk während eines Betriebszustands zu betreiben.

Technischer Hintergrund

Kleine Gasturbinenmotoren, wie solche, die als Hilfsleistungserzeuger (auxiliary power unit; "APU") verwendet werden, werden normalerweise durch Messungen am Ausgang einer festen Treibstoffverdrängerpumpe überwacht, die mit einem konstanten Bruchteil der Triebwerkdrehzahl mittels eines Zahnradgetriebes angetrieben wird. Die gemessene oder überwachte Durchflussmenge wird typischerweise über eine Steuerschleife der Triebwerkdrehzahl gesteuert, um die gewünschte Festsetzung der Leistungsabgabe des Motors zu erreichen. Bei derartigen Systemen wird eine übermäßige Treibstoffabgabe der Pumpe über ein Sicherheitsventil umgeleitet, was eine beträchtliche Beeinträchti gung des Wirkungsgrads darstellt.

Während des Startens des Treibwerks muss der Massendurchfluss des Treibstoffs aus der motorgetriebenen Pumpe ohne Unterstützung der Steuerschleife für die Triebwerk drehzahl geregelt werden, da vor dem Starten des Triebwerks die Treibstoffabgabe menge keinen Einfluss auf die Motordrehzahl hat. Dies macht typischerweise Hilfsele mente notwendig, wie beispielsweise einen Druckregler, ein Messventil und andere Ar ten von Strömungsmessinstrumenten. Alle diese Elemente führen zu erheblichen Kos ten beim Steuersystem des Triebwerks. Des Weiteren ist der Massendurchfluss eine Funktion der Temperatur, also einer Variablen, die sich schnell ändern kann. Ein kom merzieller Jetliner kann sich beispielsweise von einem Punkt, an dem die Rollfeldtempe ratur über 100°F liegen kann, zu einem anderen Punkt bewegen, an dem die Umge bungstemperatur beispielsweise unter 32°F liegen kann. Üblicherweise wird die APU betrieben, während das Flugzeug am Gate abgefertigt wird. Der Massendurchsatz des zum Starten der APU notwendigen Treibstoffs muss dennoch unter Berücksichtigung von Unterschieden in der Umgebungstemperatur eingestellt werden.

Entsprechend ist es im Allgemeinen wünschenswert, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Starten eines Gasturbinenmotors vorzusehen, welche die Notwendigkeit dieser Elemente beseitigen. Wenn außerdem ein derart vereinfachtes System eine Steuerung der Drehzahl der Treibstoffpumpe unabhängig von der des Triebwerks ermöglichen würde, könnte eine verbesserte Leistungsausbeute beim nor malen Betrieb des Triebwerks realisiert werden.

Offenbarung der Erfindung

Die verbesserte Vorrichtung und das verbesserte Verfahren, wie sie hier offenbart sind, sehen vor, anfänglich die Charakteristiken des Treibstoffdurchsatzes über die Motor- oder Triebwerksdrehzahl in einem Betrieb zu kalibrieren, bei dem der Pumpenauslass durch eine Öffnung geleitet wird, die so bemessen ist, dass sie genau die Druck/Strömungs-Charakteristiken der primären Verbrennungsdüsen des Triebswerks simulieren. Durch eine Pumpensteuerungseinheit werden verschiedene Pumpendreh zahlen eingestellt und die daraus resultierenden Druckabfälle in den Öffnungen zusam men mit der Treibstofftemperatur aufgezeichnet. Diese Daten werden dann durch die Pumpensteuerungseinheit verarbeitet, um eine Beziehung zwischen der Pumpendreh zahl und dem Massenstrom zu erhalten.

Die Kalibrationsöffnung wird dann aus dem Pumpenströmungskreis ausgeschaltet und die Strömung wird wieder durch die Brennerdüsen des Triebwerks geleitet, so dass die Pumpensteuerungseinheit den gewünschten Massenstrom basierend auf den Kalibrati onsdaten festlegen kann. Nach dem Starten des Motors schaltet die Triebwerksregelung in ihre normale Betriebsart um, bei der die Pumpendrehzahl als Antwort auf eine äußere Steuerschleife, die auf der Turbinendrehzahl beruht, verändert wird. Somit gleicht dieses System auf wirtschaftliche Weise Änderungen der Pumpenleistung in Abhängigkeit von der Temperatur und vom Verschleiß aus.

Unter der Bezugnahme in Klammern der jeweiligen Teile, Abschnitte oder Oberflächen des offenbarten Ausführungsbeispiels, lediglich zum Zwecke der Erläuterung und nicht als Einschränkung, sieht die vorliegende Erfindung im weitesten Sinne eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Starten eines Gasturbinentriebwerks vor.

Gemäß einem Gesichtspunkt sieht die Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Star ten eines Gasturbinentriebwerks (17) mit einer motorgetriebenen Pumpe (13) mit verän derlicher Drehzahl vor, die funktionsmäßig so angeordnet ist, dass sie Treibstoff von einer Quelle durch eine Verbrennungsdüse (19) zum Triebwerk fördert, wenn das Triebwerk normal betrieben wird. Das verbesserte Verfahren umfasst die Schritte: Vor sehen einer Kalibrationsöffnung (16), die bemessen ist, die Druck/Strömungs- Charakteristiken der Düse zu simulieren; anfängliches Leiten der Strömung an der Pumpe durch die Öffnung; Betreiben der Pumpe bei bestimmten Drehzahlen; Messen der Temperatur der Strömung bei jeder der Drehzahlen; Messen des Druckabfalls der Strömung über die Öffnung an jeder der Drehzahlen; Berechnen des Treibstoffmassen flusses als Funktion der Pumpendrehzahl und Temperatur; selektives Leiten der Strö mung durch die Verbrennungsdüse an Stelle der Öffnung; und Regelung der Drehzahl der Pumpe, um einen gewünschten Massendurchsatz zum Starten des Motors zu er zielen.

Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt sieht die Erfindung eine verbesserte Vorrichtung (10) zur Bestimmung des abgegebenen Massenstroms einer motorgetriebenen Treib stoffpumpe (13) mit veränderlicher Drehzahl als eine Funktion der Pumpendrehzahl während des Startens eines Gasturbinentriebwerks (17) vor. Die verbesserte Vorrich tung umfasst: zumindest eine Verbrennungsdüse (19); eine Kalibrationsöffnung (16), die bemessen ist, die Druck-Strömungs-Charakteristiken der Düse zu simulieren; ein Ventil (15), um die Strömung selektiv entweder zur Düse oder zur Öffnung zu leiten; eine Steuereinheit (12), um die Pumpe mit verschiedenen Drehzahlen zu betreiben; einen Temperatursensor (14), um die Temperatur der Strömung am Pumpenausgang zu mes sen; einen Drucksensor (18), um den Druckabfall der Strömung am Pumpenausgang über die Öffnung bei verschiedenen Drehzahlen zu messen; und ein Mittel (12) zur Be rechnung des Massendurchsatzes der Strömung des Pumpenausgangs als Funktion der Pumpendrehzahl; wobei die Pumpe gesteuert werden kann, um einen Massendurchsatz zu erzielen.

Entsprechend ist es das allgemeine Ziel der Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Starten eines Gasturbinentriebwerks vorzusehen.

Ein weiteres Ziel ist es, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Starten eines Gasturbinentriebwerks vorzusehen, bei dem der Massendurchsatz an Treibstoff, der von einer Pumpe abgegeben wird, als Funktion der Pumpendrehzahl und der Treibstofftemperatur erhalten wird, so dass ungefähr korrekte Mengen an Treibstoff während des Startens des Triebswerks abgegeben werden.

Diese und andere Ziele und Vorteile werden anhand der folgenden Beschreibung, der Zeichnungen und der beigefügten Ansprüche deutlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm der verbesserten Vorrichtung, in dem die verschiedenen Komponenten derselben und die verschiedenen Sig nalwege zwischen den Komponenten dargestellt sind.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Zunächst soll angemerkt sein, dass ähnliche Bezugszeichen dieselben Bauelemente, Abschnitte oder Oberflächen bei sämtlichen Zeichnungen bezeichnen sollen, so wie diese Elemente, Abschnitte oder Oberflächen in der gesamten Beschreibung, von der diese genaue Beschreibung ein Teil ist, beschrieben oder erläutert sein können. Außer es ist anders angegeben, sollen die Zeichnungen (beispielsweise Schraffur, Teileanord nung, Abmessungen, Masse und Winkel, etc.) zusammen mit der Beschreibung gelesen werden und werden als ein Teil der gesamten schriftlichen Beschreibung dieser Erfin dung betrachtet. In der folgenden Beschreibung werden die Begriffe "horizontal", "verti kal", "links", "rechts", "oben" und "unten" und deren adjektivischen und adverbischen Ableitungen (beispielsweise "in horizontaler Richtung", "nach rechts", "nach oben", etc.) so verwendet, dass sie die Orientierung der dargestellten Anordnung so bezeichnen, wie sie dem Leser gegenüberliegt. Ähnlich beziehen sich die Begriffe "nach innen" und "nach außen" auf die Orientierung einer Fläche relativ zu ihrer Achse oder Erstreckung oder Drehachse, wie jeweils geeignet.

Mit Bezug auf die Zeichnungen sieht die vorliegende Erfindung im weitesten Sinne eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Starten eines Gasturbi nentriebwerks vor. Dieses Triebwerk kann beispielsweise die APU eines kommerziellen Jetliners sein. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese letztendliche Verwendung be schränkt und kann allgemein zum Starten von geeigneten Gasturbinentriebwerken ver wendet werden.

In Fig. 1 ist die verbesserte Vorrichtung, allgemein mit 10 bezeichnet, so dargestellt, dass sie im weitesten Sinne eine APU-Steuereinheit 11, eine Pumpensteuereinheit 12, eine motorgetriebene Pumpe 13 mit variabler Drehzahl, einen Temperatursensor oder -messer 14, ein Wählventil 15, eine Öffnung 16 und einen Differenzdrucksensor 18 um fasst. Die Vorrichtung ist so dargestellt, dass sie mit den Brennerdüsen, die im Block 15 eines Gasturbinentriebwerks dargestellt sind, verbunden sind.

Der APU-Steuereinheit 11 werden externe Befehle über die Leitung 20 zugeführt. Die APU-Steuereinheit empfängt über die Leitung 21 ein negatives Rückkopplungssignal der Turbinendrehzahl vom Triebwerk. Die algebraische Summe dieser beiden Signale wird der Pumpensteuereinheit als ein Fehlersignal über die Leitung 22 zugeführt. Die Pum pensteuereinheit führt Signale mit geeigneter Stromstärke und -spannung und Frequenz über die Leitung 23 zur Pumpe 13, die wiederum Treibstoff, dargestellt durch Leitung 24, an den Temperatursensor und dann über die Leitung 25 an das Wählventil 15 fördert. Das Wählventil kann den Treibstofffluss entweder zur Öffnung 16 oder zu den Brenner düsen oder der Brennerdüse 19 des Triebwerks leiten. Der Rückfluss von der Öffnung wird über die Leitung 26 zur Motorpumpe zurückgeleitet. Die gemessene Temperatur der Treibstoffströmung wird über die Leitung 31 an die Komponenten-Steuereinheit ge leitet. Die Druckdifferenz über die Öffnung wird durch einen Differenzdrucksensor 18 bestimmt und an die Komponenten-Steuereinheit über die Leitung 21 geleitet. Die Mo torgeschwindigkeit (d. h. Geschwindigkeit oder Drehzahl und Richtung) wird von der Pumpe an die Pumpensteuereinheit über die Leitung 30 zugeführt. Die Treibstofftempe ratur wird vom Sensor 14 der Pumpensteuereinheit 12 über die Leitung 31 zugeführt.

Wie oben erwähnt wurde sieht die vorliegende Erfindung ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Starten eines Gasturbinentriebwerks mit einer motorgetriebenen Pumpe mit variabler Drehzahl, wie beispielsweise mit dem Bezugs zeichen 13 versehen, vor, die funktionsmäßig so angeordnet ist, dass sie Treibstoff von einer geeigneten Quelle (nicht gezeigt) an ein Triebwerk über eine Brennerdüse, Be zugszeichen 19, fördert, wenn das Triebwerk sich im normalen Betrieb befindet. Das verbesserte Verfahren umfasst im weitesten Sinne die Schritte: Vorsehen einer Kalibra tionsöffnung, wie mit dem Bezugszeichen 16 versehen, die so bemessen (d. h. mit sol chen Abmessungen versehen und so ausgestaltet ist), dass sie die Druck-Strömungs- Charakteristiken der Verbrennungs- oder Brennerdüse 19 simuliert; anfängliches Leiten der Treibstoffströmung von der Pumpe durch die Öffnung; Betreiben der Pumpe mit vor bestimmten Drehzahlen, die durch die Pumpensteuereinheit 12 eingestellt werden; Messen, beispielsweise durch den Sensor 14, der Temperatur der Treibstoffströmung bei jeder der vorbestimmten Drehzahlen; Messen des Druckabfalls in der Strömung über die Öffnung, beispielsweise durch den Differenzdrucksensor 18, bei jeder der Drehzah len; Berechnen des Massendurchsatzes an Treibstoff als Funktion der Pumpendrehzahl und Treibstofftemperatur; danach Zurückleiten der Treibstoffströmung von der Öffnung zu den Brennerdüsen, beispielsweise durch die Betätigung des Zweistellungs- Wählventils 15; Steuern der Pumpendrehzahl in Abhängigkeit von der berechneten mittleren Strömung, die von den Kalibrationsdaten abgeleitet wurde, um die gewünschte Strömung zum Starten des Triebwerks zu fördern; und danach Steuern der Drehzahl der Pumpe durch eine äußere Steuerschleife der Turbinendrehzahl, um den gewünschten Massendurchsatz zum Starten des Motors oder Triebwerks zu regeln.

Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt sieht die Erfindung eine verbesserte Vorrichtung zur Bestimmung des Massendurchsatzes am Ausgang einer motorgetriebenen Treib stoffpumpe mit variabler Drehzahl als Funktion der Pumpendrehzahl während des Star tens eines Gasturbinentriebwerks vor. Die Vorrichtung umfasst im weiten Sinne: Eine Brennerdüse, wie beispielsweise beim Bezugszeichen 19; eine Kalibrationsöffnung, durch das Bezugszeichen 18 gegeben, die so bemessen und ausgestaltet (d. h. dimen sioniert) ist, dass sie die Druck-Strömungscharakteristiken der Düse simuliert; ein Wähl ventil, wie es mit dem Bezugszeichen 15 versehen ist, um wahlweise die Strömung ent weder zur Düse oder zur Öffnung zu leiten; eine Pumpensteuereinheit, wie sie bei spielsweise mit dem Bezugszeichen 12 versehen ist, um die Pumpe mit verschiedenen Drehzahlen zu betreiben; einen Temperatursensor, wie er mit dem Bezugszeichen 14 versehen ist, um die Temperatur der Ausgangsströmung der Pumpe zu messen; einen Drucksensor, wie er beispielsweise mit dem Bezugszeichen 18 versehen ist, um den Druckabfall der Treibstoffströmung über die Kalibrationsöffnung bei verschiedenen Pumpendrehzahlen zu messen; und ein Mittel, wie es beispielsweise innerhalb der Pumpensteuereinheit 12 enthalten ist, um den Massendurchsatz an Treibstoff durch die Strömung am Ausgang der Pumpe als Funktion der Pumpendrehzahl und Strömungs temperatur zu berechnen; wobei die Pumpe während des Startens des Triebwerks betä tigt werden kann, um einen gewünschten Massendurchsatz zu erzielen.

Gemäß der Erfindung können viele Änderungen und Abwandlungen vorgesehen sein. Beispielsweise kann die Pumpe 13 durch einen elektrischen Motor oder andere Arten von Antriebsmaschinen angetrieben sein. Für den Temperatursensor können verschie dene Arten von Sensoren und Messfühlern verwendet werden. Das Ventil 18 kann ein Solenoid-betätigtes Zweiwegventil sein. Die Öffnung 19 kann eine einfache Öffnungs scheibe sein. Zur Verwendung als Differenzdrucksensor sind verschiedene Arten von Differentialdrucksensoren kommerziell verfügbar. Daher sollte klar sein, dass bei der vorliegenden Erfindung die verschiedensten Vorrichtungen für die schematisch in der beigefügten Zeichnung dargestellten Vorrichtungen verwendet werden können.

Somit ist es einem Fachmann klar, dass verschiedene zusätzliche Änderungen und Ab wandlungen möglich sind, ohne dass vom Kern der Erfindung, wie er durch die folgen den Ansprüche bestimmt und abgegrenzt ist, abgewichen wird, obwohl die bevorzugte Ausführungsform der verbesserten Vorrichtung gezeigt und beschrieben wurde und das dadurch ausgeführte Verfahren ebenfalls beschrieben wurde.

Claims

1. Verfahren zum Starten eines Gasturbinentriebwerks mit einer motorgetriebenen Pumpe mit variabler Drehzahl, die funktionsmäßig angeordnet ist, Treibstoff von einer Quelle durch eine Brennerdüse zu dem Triebwerk zu fördern, wenn das Triebwerk sich im normalen Betrieb befindet, umfassend die folgenden Schritte:
Vorsehen einer Kalibrationsöffnung, die so dimensioniert ist, dass sie die Druck- Strömungscharakteristiken der Düse simuliert;
selektives Leiten der Strömung aus der Pumpe durch die Öffnung;
Betreiben der Pumpe bei vorbestimmten Drehzahlen;
Messen der Temperatur des Treibstoffs in der Strömung bei jeder der Drehzahlen;
Messen des Druckabfalls der Strömung über die Öffnung bei jeder der Drehzah len;
Berechnen des Massendurchsatzes an Treibstoff als Funktion der Pumpendreh zahl und Treibstofftemperatur;
selektives Leiten der Strömung durch die Düse; und
Steuern der Drehzahl der Pumpe, um einen gewünschten Massendurchsatz zum Starten des Triebwerks zu erzeugen.

2. Vorrichtung zur Bestimmung des Massendurchsatzes als Ausgang einer motorge triebenen Treibstoffpumpe mit variabler Drehzahl als Funktion der Pumpendreh zahl während des Startens eines Gasturbinentriebwerks, umfassend:
Eine Brennerdüse;
eine Kalibrationsöffnung, die so bemessen ist, dass sie die Druck-Strömungs- Charakteristiken der Düse simuliert;
ein Ventil zum selektiven Leiten der Strömung entweder zur Düse oder zur Öff nung;
eine Steuereinheit zum Betreiben der Pumpe bei verschiedenen Drehzahlen;
einen Temperatursensor zum Messen der Temperatur des Treibstoffs in der Strö mung am Pumpenausgang;
einen Drucksensor zum Messen des Druckabfalls der Strömung am Pumpenaus gang über die Öffnung bei verschiedenen Drehzahlen; und
ein Mittel zur Berechnung des Massendurchsatzes an Treibstoff durch die Strö mung am Pumpenausgang als eine Funktion der Pumpendrehzahl und der Treib stofftemperatur;
wobei die Pumpe so gesteuert werden kann, das sie einen gewünschten Massen durchsatz erzeugt.