DE1476835A1

DE1476835A1 - Regeleinrichtung fuer Gasturbinentriebwerke

Info

Publication number: DE1476835A1
Application number: DE19661476835
Authority: DE
Inventors: Christian Greune; Hilbert Holzhauser; Siegfried Steuer; Friedhelm Zimmer
Original assignee: MAN Turbo GmbH
Current assignee: MAN Turbo GmbH
Priority date: 1966-07-21
Filing date: 1966-07-21
Publication date: 1970-02-05
Also published as: US3498058A; DE1476835B2; GB1187634A; CH456251A

Description

M.A.N. TURBO GMBH.

München, den 4.7.1966

Regeleinrichtung für Gasturbinentriebwerke

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für Gasturbinentriebwerke, bestehend aus einer Kraftstoffpumpe, einem Druckregelventil, einem Zumeßquerschnitt und Rechengliedern.

Solche Brennstoffregeleinrichtungen für Gasturbinentriebwerke haben die Aufgabe, das Triebwerk innerhalb seiner hochstzulässigen Betriebegrenze zu halten und zwar möglichst mit Hilfe nur eines einzigen Bedienhebels am Regler. Der Regler hat dabei die Aufgabe, möglichst umfassend alle Umgebungszustände zu berücksichtigen und dementsprechend die Kraftstoffmenge zu bemessen. Durch Zuführung dieser Maximalmengen in weitgehender Anpassung an die Umgebungszuatahde wird die vorhandene Maschine optimal auegenutzt. j \

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Bekannte Regeleinrichtungen verziohten auf optimale Begieraueführungen zugunsten der Einfachheit der Geräte, insbesondere bei kleinen Triebwerken. · -" "

Die Betriebsgrenze tines Triebwerkes läßt sioh aufteilen in die Temperaturgrenze Im Hinblick auf die Turbinenbesohaufelung, die Pumpgrenze in Hinblick auf stabile Arbeitsbereiche des Verdienterr teils, die Drehzahlgrenze, die durch die Festigkeit des Läufers charakterisiert wird und in die Verlöschgrenze der BrennkawMr,

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die durch Brennstoffmangel oder Brennstoffüberschufl im Verhältnis zum stöchiometrischen Brennstoff-Luftgemisch charakterisiert wird. Jede dieser Grenzen ist an sich direkt oder indirekt erfaßbar und kann zu Regel- bzw. Steuerzwecken herangezogen werden. Der regeltechnische Aufwand zur Erfassung und Verarbeitung aller Größen ist aber so erheblich, daß man bisher darauf verzichtet hat und z.B. für Kleintriebwerke nur einen Drehzahlregler als "Regler" vorsieht und alle anderen Grenzen mit Hilfe von Anschlägen dieses Drehzahlreglers oder mittels charakteristischer Linien seiner Bauelemente, z.B. der Kraftstoffpumpe mit ihrem linearen Brennstoffangebot über der Drehzahl, berücksichtigt. Eine Verbesserung dieser Ausführung bringt .der bekannte Einbau eines Temperaturregelkreises oder ÜbertemperaturSchutzes mit sich, was aber ebenfalls eine optimale Regelung nicht gestattet. Verbesserte Reglerausführungen enthalten Rechner, die mit Servoeinrichtungen ausgerüstet sind. Diese Lösungen sind aber mit den Rechnern aufwendig, kompliziert und demzufolge teuer.

An Hand dieser Aufzählung der zur Zeit üblichen Regeleinrichtungen soll nun gezeigt werden, daß mit Hilfe besonderer Kraftstoffzumeflverfahren gemäß der Erfindung nicht nur einfache Regeleinrichtungen, sondern auch sehr zweckmäßige und exakt arbeitende Regeleinrichtungen für kleinere Triebwerke geschaffen werden^ können.

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, eine einfache Regeleinrichtung für optimale Brennstoffzumessung mit möglichst wenig Elementen vorzuschlagen, die insbesondere für kleine Triebwerke geeignet ist.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Druck- und Temperatureignale logarithm!ert und. auf einen Steuerschieber' übertragen werden» der einen Zumeßquerschnitt mit exponent!eller Hub/Durchfluflkennlinie mehr oder weniger abdeckt, wobei der Zumeßquerschnitt In Abhängigkeit von der Drehzahlabweichung relativ zum Steuerschieber verschoben wird. Die Druckdifferenz am Zumeßquerschnitt wird dabei mit Hilfe des Druckventils in an sich bekannter Welse konstant gehalten. Die benötigte Kraft- stoffmenge stellt In ausreichendem Maße die Kraftstoffpumpe bereit.

Die erflndungsgemäße Ausführung und Anordnung der Reglerelemente stellt einzelne Rechenglieder dar, die multiplizieren und dividieren können, ähnlich einem Rechenschieber, Die Wahl loga- * rithmischer Kennlinien der Meßglieder läßt die Multiplikation und Division mit anderen Größen durch eine einfache Addition bzw. Subtraktion von Strecken zu. Dadurch ist eine einfache, preiswerte Regeleinrichtung gekennzeichnet, die eine optimale Brennstoffzuaessung ermöglicht.

Zwischen dem Steuerschieber und den logarlthmierten Meßgrößen ist nach einen weiteren wesentlichen Erfindungsmerkmal ein veränderliches Hebelverhältnis, insbesondere in der Form eines Untersetzungsgetriebes eingeschaltet. Diese Anordnung ermöglicht die Anwendung der gleichen Regeleinrichtung für Triebwerke verschiedener Leistungsbereiche, indem das Hebelverhältnis entsprechend dem Jeweiligen Leistungsbereich des Triebwerkes festgelegt wird.

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Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig.l in schematischer Darstellung eine Anordnung nach der Erfindung, mit der eine Größe D abhängig von drei Eingangsgrößen A, B und C verändert wird,

Pig.2 in ebenfalls schematischer Darstellung eine weitere Ausführungsform der Erfindung,

P Fig.3 die konstruktive Ausgestaltung einer Einzelheit einer

Anordnung nach der Erfindung und

Fig.4 diese Einzelheit nach Fig.5 in Zusammenhang mit einer gegenständlichen Darstellung einer Anordnung nach der Erfindung.

Nach Fig.l werden die Eingangsgrößen A, B und C aufgenommen und in den Meßgliedern 1, 2 und j5 logarithmiert. Bei den Eingangsgrößen handelt es sich um

A = Eingangsdruck der Regeleinrichtung,

B = die von der Regeleinrichtung aufgenommene Temperatur,

C = die von der Regeleinrichtung aufgenommene Drehzahl.

Die logarithm!erten Eingangsgrößen werden einem Untersetzungsgetriebe 4 und dem delogarithmierenden Exponentialstellglied 5 zugeführt, welches die Ausgangsgröße D als abhängige Variable . von A, B und C darstellt. D ist die dem Triebwerk zuzumessende Brennstoffmenge.

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Hat das Untersetzungsgetriebe ein bestimmtes Untersetzungsverhältnis oder wird - im gegebenen Fall - auf dieses Untersetzungsgetriebe verzichtet, so ist die Zuordnung der Meßgrößen A, B und C zu der abgegebenen Brennstoffmenge linear proportional nach der Beziehung

Diese Vorrichtung muß dann entsprechend den Anforderungen eines bestimmten Triebwerkes ausgelegt werden und ist nur für Trieb- μ werke der gleichen Art verwendbar. Soll jedoch die gleiche Anordnung für Triebwerke verschiedener Typen anwendbar 'sein, so 1st das Untersetzungsverhältnis des Untersetzungsgetriebes 4 einstellbar zu machen. In Fig.2 ist das dadurch versinnbildlicht, daß das Untersetzungsgetriebe 4 als Hebel 4a dargestellt ist, der in einem Bock 6 schwingbar gelagert 1st, der in Längsrichtung des Hebels entsprechend dem gewünschten übersetzungsverhältnis und den Anforderungen des jeweiligen Triebwerkes verstellbar 1st. Für diese Anordnung gilt im Prinzip ebenfalls die oben formulierte Beziehung, jedoch mit einem von 1 abweichenden Exponenten, also ™

D *> A

Das bedeutet eine Abweichung von der linearen Zuordnung und es ist in einem Diagramm ein Krümmen oder Strecken der Besohleunigungs- und Verzögerungsmengen über der Drehzahl zu erreichen. Die Wähl einer exponent!eilen Kennlinie des Zumeßquerschnittes garantiert nicht nur das Potenzieren, sondern auch einen prozentual konstanten Fehler bei der BrennstoffzuMessung unabhängig vom Betrag des Durchf^sees. Er ist damit durch geeignete Aua-

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legung zu eleminieren. Ein weiterer Vorteil der exponent!eilen Kennlinie des Zumeßquerschni'ttes ist, daß einer bestimmten Drehzahlabweichung unabhängig vom Brennstoffdurchsatz ein konstantes Mengenverhältnis zugeordnet ist. Damit wird aber auch gleichzeitig das Verhältnis der Brennstoffänderung zur Drehzahländerung abhängig von den Meßgrößen, was sich auf die Stabilität des Regelkreises besonders vorteilhaft auswirkt.

Damit folgt eine konstruktiv sehr einfache Lösung für die Pestlegung der Maximal- und Minimal-Brennstoffmengen durch einstellbare Anschläge am Drehzahlregler oder am Regelzylinder. Im übrigen wird bei der Anordnung nach Fig.2 ein Drehzahlabweichsignal Δ Ν mit dem Drehzahlmesser 7 auf das Stellglied 5 aufgeschaltet. Bei E wird das Stellglied mit Kraftstoff versorgt, bei D wieder die zugemessene Kraft st off menge abgegeben. A und B sind die Temperatur- und Druckeingangsgrößen.

An Hand der in Fig.3* ^ dargestellten konstruktiven Ausführung soll nun die Funktion näher erläutert werden. Der von einer Kraftstoffpumpe unter Druck geförderte Kraftstoff tritt bei 11 in den Regelzylinder 12 ein und wird durch den Zumeßquerschnitt 15, dessen Begrenzungskanten entsprechend der Erfindung ausgeschaltet sind, der Brennkammer in Richtung 14 zugeführt. Zwischen 11 und 14/wird die Druckdifferenz mit einem nicht eingezeichneten Differenzdruckventil in bekannter Weise konstant gehalten. Die Steuerkante des Schiebers 15 kann durch Verschieben den Zumeßquerschnitt und damit die durchfließende Brennstoffmenge verändern. Der Fliehkraftregler 16 und der Regelzylinder 12 werden proportional zur Trieb-

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werksdrehzahl angetrieben. Die auf dem Fliehkraftträger 16 gelagerten Fliehgewichte 17 wirken gegen die Kraft der durch den · Wählhebel 19 einstellbaren Feder 18 auf den axial verschiebbaren Regelzylinder 12.

Bei einem Drehzahlregelvorgang verschiebt der Drehzahlregler 16, 17 den Reglerzylinder 12 gegen die Steuerkante des Schiebers 15 derart, dafl ein größerer oder kleinerer Abschnitt des Zumeßquerechnittes IjJ freigegeben wird. In Richtung auf B_max bzw. B_mi_n ist der Weg des RegelZylinders 12 durch die fest einstellbaren ™ und wählbaren Anschläge 28 bzw. 29 begrenzt. Durch Einstellung der Getriebeelenente 25 und 24 wird das logarithmische Ausgangssignal des Nockens 22 plus dem der Druckdose 27 auf den Hebel 24 der exponentlalen Kennlinie des Zumeßquerschnittes zugeordnet und dadurch eine Peinstabstimmung an die Triebwerkscharakteristik erreicht. Das den Hebel 24 beaufschlagende logarithmische Wegsignal stellt alt Hilfe der Druckstange 20 und der Nooke 22 einerseits und der logarithmischen Feder 23 im Vakuumbalg 26 andererseits (als Beispiel), den logarithmischen Betrag der λ Verdichterdruckeingangsgröße 21 plus der Temperatureingangsgröße 20 dar. Die logarithmische Summe wirkt also auf den Hebel 24, welcher die Stellung der Steuerkante des Schiebers 15 festlegt. Die Drehzahl «Irkt über den Fliehkraftträger 16, die Fliehgewichte 17, die Drehzahlfeder 18 in Verbindung mit der Stellung des Wählhebels 19 linear auf den Regelzylinder 12 mit dem Steuerschlitz 13.

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Claims

wt/ho 1A 7 6 8 3 5 M.A.N. TURBO GMBH. Sf München, den 4.7.I966 Patentansprüche

1. Regeleinrichtung für Gasturbinentriebwerke, bestehend aus Kraftstoffpumpe, Druckregelventil, Zumeßquerschnitt und Rechengliedern, dadurch gekennzeichnet, daß der rotierende Zumeßquerschnitt eine exponentiell Durchfluß-Hub-Kennlinie aufweist,

m in einer vom Drehzahlsignal längsverschiebbaren Hülse mit Maximal- und Minimalanschlägen enthalten ist, und von der Steuerkante eines in dieser Hülse gelagerten Schiebers, dessen Verschiebung vom Logarithmus seiner Eingangsgröße abhängig . ist, abgedeckt oder freigegeben werden kann.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßglieder so ausgebildet sind, daß ihr Ausgangssignal bereits den Logarithmus ihres Meßeingangssignals darstellt.

™ 3· Regeleinrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Signale aufschaltbar sind.

4. Regeleinrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 und 3* dadurch gekennzeichnet,.daß ein Untersetzungsgetriebe zur Übertragung der logarithmischen Stellgröße zwischengeschaltet wurde, dessen Übersetzungsverhältnis veränderlich ist.

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