DE1030107B

DE1030107B - Method for controlling jet engines

Info

Publication number: DE1030107B
Application number: DEJ12391A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing August Lichte; Fritz Hackl
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1956-10-30
Filing date: 1956-10-30
Publication date: 1958-05-14

Description

Verfahren zur Regelung von Strahltriebwerken Wenn man ein Strahltriebwerk mit gleichbleibendem Schwbdüsenquerschnitt betreibt und mit einem Drehzahlregler die Kraftstoffmenge so regelt, daß zwischen Turbinen- -Lind Verd.ichterleistung Gleichheit herrscht, so ergibt sich arm Turbineneintritt eine h-,-stimmte Temperatur T3.Procedure for controlling jet engines When one has a jet engine operates with a constant Schwb nozzle cross section and with a speed controller regulates the amount of fuel in such a way that between the turbine and the compressor output If equality prevails, the result is a h -, - correct temperature with little turbine inlet T3.

Eine Drehzahländerung des Triebwerkes kann dabei bei gleichen äußeren Bedingungen nur durch eine Änd erung der Kraftstoffmenge und damit einer Änderung der Turbineneintrittstemperatur T3 erreicht werden. Dann ist auch der abgegebene Schub im wesentlichen abhängig von der Temperatur im Turbineneintritt.A change in the engine speed can occur with the same external Conditions only through a change in the amount of fuel and thus a change the turbine inlet temperature T3 can be reached. Then the handed in is also Thrust essentially depends on the temperature in the turbine inlet.

Eine solche Regelung würde unter nahezu konstanten äußeren Bedingungen, z. B. bei einem stationären Triebwerk am Boden, dien gestellten Anforderungen vollauf genügen.Such a regulation would under almost constant external conditions, z. B. in a stationary engine on the ground, the requirements set fully serve suffice.

Bei Flugtriebwerken sind aber die äußeren Betriebsbedingungen durch die wechselnden Zustände der Außenluft (Atinosphären.dru.ck und Atmosphärentemperatur) und durch die Fluggeschwindigkeit wesentlichen Änderungen unterworfen.With aircraft engines, however, the external operating conditions are through the changing conditions of the outside air (atinosphere pressure and atmospheric temperature) and subject to substantial changes by the airspeed.

Aus strömungstevli,ni@sch-en Gründen ändert sich mit der Temperatur ann Verdichtereinlauf der spezifische Leistungsbedarf des Verdichters. Um eine konstante Drehzahl zu behalten, muß mehr oder wen..iger Brenn-,toff gegeben werden, wodurch .ich Ixei gleichbleiben-(lerDrehzahl (z. B. Volldrehzahl) verschiedene Temperaturen am Turbineneintritt ergeben.For reasons of fluidity, it changes with temperature ann compressor inlet the specific power requirement of the compressor. To a constant To keep speed, more or less fuel, tof must be given, whereby .I'm going to stay the same- (ler speed (e.g. full speed) different temperatures result at the turbine inlet.

Aus regeltechnischen Gründen ist es jedoch erwünscht, bei allen vorkommenden Flugzuständen eine konstante Drehzah@l-Tu,rl)itieneiiitrittsteinperatu@r-Charakteriistik zu erhalten. Man erreicht damit eine ungefähr gleich:l>leibeiude Abhängigkeit des spezifischen Schubes von der Dreh-v_ahl und sichert gleichzeitig bei Vollast das Triebwerk vor thermischer Überlastung. Eine gleichbleibende Teinl>e.ratu:r-Drelizahl-7_uord.nung läßt sich, am zweckmäßigsten verwirklichen, indem außer der Turbinen eintritts emperatur noch die zweite für die abgegebene spezifische Turbinenleistung maßgebend e Größe herangezogen wird. nämlich das Turbinendruckverhältnis. Die Beeinflussung dieses Druckverhältnisses erfolgt im allgemeinen durch Verändern dies Schuhdüsenquerschnittes. Je nachdem man die Schubdüse öffnet oder schließt, fällt oder steigt der Gegendruck der Turbine. Damit ändert ::ich das Turbinendruckverhältnis und entsprechend auch die abgegebene Turbinenleistung. Bei einer Absenkung der Verdichteransaugtemperatur wäre z. ß. die Schubdüse zu öffnen, weil der Verdichter wegen der damit verbundenen Drucksteigei-u,ug mehr :pezifisclie Antriebsleistung benötigt.For regulatory reasons, however, it is desirable for all of them Flight conditions a constant speed @ l-Tu, rl) itieneiiitrittsteinperatu @ r characteristic to obtain. One thus achieves an approximately equal: l> bodily dependence of the specific thrust from the turning v_ahl and at the same time ensures that at full load Engine from thermal overload. A constant tale> e.ratu: r-Drelizahl-7_assignment can be realized most expediently by entering the temperature in addition to the turbines the second variable that is decisive for the specific turbine power output is used. namely the turbine pressure ratio. Affecting this Pressure ratio is generally done by changing the shoe nozzle cross-section. Depending on whether you open or close the thrust nozzle, the counter pressure falls or rises the turbine. With that: I change the turbine pressure ratio and accordingly the output of the turbine. When the compressor intake temperature drops would be z. ß. open the exhaust nozzle because of the compressor because of the associated Drucksteigei-u, ug more: specific drive power required.

Die ideale Regelung wäre demnach die, einen Temperaturregler als Brennstoffgeber und einen Drehzahdregler als Druckverhältnisgeber zu benutzen. Der Temperaturregler würde durch Änderung der Kraftstoffnienge für die Einhaltung einer gewählten Turbi:neneintrittstemperatur sorgen, während der Drehzahlregler das Druckverhälitnis an de.r Turbine durch Verstellen der Schubdüse so lange ändern könnte, bi: sich die gewählte Drzhzahl einstellt.The ideal control would therefore be to use a temperature controller as a fuel source and to use a speed controller as a pressure ratio transmitter. The temperature controller would be achieved by changing the fuel quantity to maintain a selected turbine inlet temperature ensure, while the speed controller adjusts the pressure ratio at the turbine the thrust nozzle could change as long as bi: the selected speed is set.

l,eide:r ist es his heute nicht gelungen, einen Temperaturregler zu bauen, der den hohen Anforderungen der Fluggasturbinen befriedigend entspricht.l, eide: r has not succeeded until today to a temperature controller build that satisfactorily meets the high requirements of aircraft gas turbines.

Aus diesem Grund ist man gezwungen, das Druckverhältnis an der Turbine - (las man bei der erwäihniten idealen Regelung echt einregelt - so zu steuern. daß sich eine bestimmte gewählte Temperatur am Turbineneintritt ergibt (Drehzahlregler als Brennstoffgeher). Diese Steuerung kann auf zwei Arten erfolgen: 1. indirekt, indem für Volldrehzahl und maximale Tu:rl)i.neneintrittsteml->eratu,r der erforderliche Schuhdüsenquerschnitthei allen auftretenden Flugzuständen vorausberechnet und mittels Steuernocken verändert wird. iNTachdem mit den Steuernocken normal nur ein Steuergesetz verwirklicht werden kann (im allgeinei.nen dass für Volldrehzahl), im Teildrehzahdbereich sich aber eine andere Abhängigkeit des Schubdüsenquerschnittes vom Ansaugzustand ergibt, treten im Drosselbereich Abweichungen der Turbineneintri.ttstemperatur von der Auslegungslinie auf. Bei Volldrehzahl wird ungefähr konstante Temperatur an der Turbine erzielt.For this reason one is forced to adjust the pressure ratio at the turbine - (one read in the mentioned ideal regulation really regulates - so to control. that there is a certain selected temperature at the turbine inlet (speed controller as fuel goer). This control can be done in two ways: 1. Indirect, by for full speed and maximum Tu: rl) i.neneintrittsteml-> eratu, r the required Shoe nozzle cross-section is calculated in advance for all flight conditions and by means of Control cam is changed. After that, normally only one tax law with the control cams can be realized (in general that for full speed), in the partial speed range however, there is a different dependency of the thrust nozzle cross-section on the suction condition results, deviations of the turbine inlet temperature from occur in the throttle area the line of interpretation. At full speed, the temperature will be approximately constant achieved by the turbine.

Dieses indirekte Verfahren hat jedoch außer den Temperaturaanveichungen am Turbineneintritt bei Teildrehzahlen noch den \ach:teil, daß es bei mehreren Steuergrößen kompliziert wird und außerdem durch Verziehen der Blechteile bei den holten Düsentemperaturen keine exakte Steuerung möglich ist. Zweckmäßiger ist es, 2. direkt auf das Turbinendruckverhältnis Einfluß zu nehmen, indem man das erforderliche Druckverhältnis vorausberechnet und dieses einem geeigneten Regelgerät befiehlt, das gleichzeitig auch das im Triebwerk tatsächlich auftretende Druckverhältnis mißt. Stimmen Soll- und Istwert des Turbinendruckverhältnisses nicht überein, so wird mittels eines Servomechanismus die Schubdüse so lange verstellt, bis sich der Regler in Ruhe befindet (gemessenes = gewähltes Druckverhältnis). Die Funktion ist dieselbe wie die des Drehzahlreglers, nur mit dem Unterschied, daß die Regelgröße nicht die Drehzahl, sondern das Turbinendruckverhältuis, und die Steldgröße nicht das Brennstoffventil, sondern die Schubdüse ist.However, this indirect method has temperature adjustments as well At the turbine inlet at partial speeds there is still the fact that there are several control variables becomes complicated and also by warping the sheet metal parts at the nozzle temperatures no exact control is possible. It is more useful to 2. directly access the turbine pressure ratio To take influence by calculating the required pressure ratio in advance and this commands a suitable control device, which at the same time also commands the one in the engine actually occurring pressure ratio measures. Correct setpoint and actual value of the turbine pressure ratio do not match, the thrust nozzle is adjusted by means of a servomechanism until until the controller is at rest (measured = selected pressure ratio). the The function is the same as that of the speed controller, the only difference being that the controlled variable is not the speed, but the turbine pressure ratio, and the The steld size is not the fuel valve, but the thrust nozzle.

Für beide Richtungen sind bereits Verfahren bekannt. Diese stellen jedoch nur Grenzregelverfahren dar, d. h., sie dienen ausschließlich dazu, die zulässige Höchsttemperatur bei Volldrehzahl zu begrenzen.Methods are already known for both directions. These places but only represent limit control procedures, d. i.e., they are used only to ensure the permissible Limit the maximum temperature at full speed.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung von Strahltriebwerken, bei welchem die Kraftstoffzuteilung in Abhängigkeit von der Drehzahl geregelt wird und das Verhältnis der vom Meßwertgeber bestimmten Drücke vor und hinter der Turbine als weitere Regelgröße einer Einrichtung zur regelbaren Änderung des Schubdü sencluerschnitts als Stellglied zugeführt wird. Erfindungsgemäß regelt ein Druckverhältnisregler auf einen mit Rücksicht auf eine hei allen Flugzuständen gleichbleibende Turbineneintrittstemperatur-Drehzahl-Charakteristik festgelegten Sollwert das Druckverhältnis ein.The invention relates to a method for controlling jet engines, in which the fuel allocation is regulated as a function of the speed and the ratio of the pressures upstream and downstream of the turbine, determined by the transducer as a further control variable of a device for the controllable change of the Schubdü sencluerschnitts is supplied as an actuator. According to the invention, a pressure ratio regulator regulates on a turbine inlet temperature-speed characteristic that remains constant in all flight conditions the pressure ratio specified in the setpoint.

Da sich zu, jedem Turbinendruckverhältnis ein ganz bestimmtes Verhältnis Druck nach Turbine zu Druck vor Verdichter ergibt, kann statt des Turbinendruckverhältn.isses auch dieses Druckverhältnis als Regelgröße benutzt werden.Since there is a very specific ratio to each turbine pressure ratio Pressure after turbine results in pressure before compressor, can instead of the turbine pressure ratio this pressure ratio can also be used as a controlled variable.

Erfindungsgemäß kann der entsprechend der gewünschten Eintrittstemperatur einzustellende Sollwert des Druckverhältnisses im Teildrebzablbereich noch abhängig von der gewählten Drehzahl als Führungsgröße geändert werden.According to the invention, the can according to the desired inlet temperature The setpoint of the pressure ratio to be set in the partial decay range is still dependent can be changed by the selected speed as the reference variable.

Berner kann der einzuistellende Sollwert des Druckverhältnisses durch die Ansaugtemperatur als Führungsgröße zusätzlich beeinflußt werden.Berner can set the setpoint value for the pressure ratio through the intake temperature can also be influenced as a reference variable.

Die Erfindung ermöglicht es, im gesamten Betriebsbereich eine annähernd konstante Temperatur-Drehzähl-Zuordnung zu erreichen. Das Druckverhältnis ist außer von den gewählten Betriebsgrößen Drehzahl und Tur yineneintrittstemperatur noch von der Ansaugtemperatur des Verdichters abhängig. Im gesamten Drosselbereich wird die Turbineneintrittstemperatur mit der Triebwerksdrehzahl festgelegt, so daß das Druckverhältnis nur in Abhängigkeit von der Dre#hzahl (also vom Gashebel) und von der Ansaugtemperatur gesteuert werden muß. Da die Ansaugtemperatur-Druckverhältnis-Charakteristik bei Teildrehzahl ungefähr ähnlich der bei Volldrehzahl verläuft, kann man mit einem Steuernocken einen ungefähr konstanten Verlauf der Turbineneintritts.temperatur über der Drehzahl erreichen. Als besonderer Vorteil erweist sich die Tatsache, daß die Rückführung des Druckverhältnisreglers durch den Druck hinter der Turbine selbst erfolgt und daher keine besondere Rückführung erforderlich ist. Für die Steuergröße »Ansaugtemperatu.r« läßt sich ebenso die Verdnchtungstemperaitur oder das Verdichterdruckverhältnis verwenden. I?in großer Vorteil dieser Drurkverhältnisregelung ist der. daß die Abhängigkeit der erforderlichen Druckverhältnisse von der Ansaugtemperatur bei den verschiedenen Drehzahlen zum Großteil am Prüfstand durch Erzeugen ähnlicher Strömungszustände genau bestimmt werden kann, ohne dabei einen Höhenprüfstand zu benötigen.The invention makes it possible in the entire operating range approximately one Achieve constant temperature-rev counter assignment. The pressure ratio is except of the selected operating parameters of speed and turbine inlet temperature depends on the suction temperature of the compressor. In the entire throttle area the turbine inlet temperature is set with the engine speed, so that the Pressure ratio only dependent on the speed (i.e. the throttle lever) and on the suction temperature must be controlled. As the suction temperature-pressure ratio characteristic at partial speed roughly similar to that at full speed, you can use a Control cam an approximately constant course of the turbine inlet temperature Reach above the speed. The fact that the feedback of the pressure ratio regulator through the pressure behind the turbine itself takes place and therefore no special repatriation is required. For the tax variable "Suction temperature" can also be used to describe the evaporation temperature or the compressor pressure ratio use. I? In the big advantage of this pressure ratio regulation is that. that dependence the required pressure ratios from the suction temperature at the various Speeds mostly on the test bench by generating similar flow conditions can be precisely determined without the need for an altitude test bench.

Durch entsprechende Beei.ttflussung des Druckverhältnisreglers während der Beschleunigungs- und Verzögerungsperiode wird die Gefahr des plötzlichen Überhitzens bzw. des Aushlasens. wie sie bei Triebwerken mit starrer Schubdüse auftritt. weitgehend beseitigt.By appropriately adding the pressure ratio regulator during the acceleration and deceleration period increases the risk of sudden overheating or the deletion. as occurs in engines with a rigid exhaust nozzle. largely eliminated.

Grundsätzlich ist es gleichgültig, ob der Drehzahlregler die Funktion des Brennstoffgebers übernimmt und der Druckverhältnisregler auf die Schubdüse wirkt, oder umgekehrt. Zweckmäßig regelt man aber mit dem Drehzahlregler die Kraftstoffmenge.In principle, it does not matter whether the speed controller is performing the function of the fuel generator takes over and the pressure ratio regulator acts on the thrust nozzle, or the other way around. However, it is useful to regulate the amount of fuel with the speed controller.

Erfindungsgemäß erfolgt schließlich bei Anwender einer Nachverbrennung zwischen der Einrichtung zur Nach#hrennlzraftst.offzunnessung und der Einrichtung zur regelbaren Ändern 1g des Schubdüsenquerschnitts kein Regel- oder Steuerimpulsaustattsch.According to the invention, afterburning finally takes place at the user between the facility for post-fuel fuel consumption and the facility No control or control pulse exchange for the controllable change 1g of the thrust nozzle cross-section.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Method for controlling jet engines, in which the fuel allocation is regulated as a function of the speed and the ratio of the pressures upstream and downstream of the turbine determined by the converter as a separate control variable of a device for the controllable change of the thrust nozzle cross-section is supplied as an actuator. characterized in that ,, @. a pressure ratio regulator on one with regard to a constant turbine inlet temperature speed in all flight conditions -Characteristic set so1awzrt of the pressure ratio regulates.

2. Procedure for controlling jet engines according to claim 1, characterized in that from the transducer instead of the pressure upstream of the turbine, the pressure upstream of the compressor measured and the pressure ratio behind the turbine to pressure by the pressure ratio controller is adjusted to a specified target value in front of the compressor.

3. Procedure according to claim 1 or 2, characterized in that the corresponding to the desired Turbine inlet temperature Solhvert to be set - the pressure ratio im . Partial speed range still dependent on the selected speed as reference variable will be changed.

4. The method according to claim 1 or 2 and 3, characterized in that that the setpoint to be set for the pressure ratio is determined by the intake temperature is also influenced as a reference variable.

5. The method of claim 1 or 2, 3 and 4, characterized in that when using an afterburning between the device for afterburning fuel metering and the device for controllable Change of the Schttbdüsenquij #; section no control or control pulse exchange takes place. Documents considered: German Patent No. 881283. '