DE1476917C3 - Vorrichtung zum Verhindern einer Drehzahlüberschreitung für elektronische Kraftstoffregeleinrichtungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verhindern einer Drehzahlüberschreitung für elektronische Kraftstoffregeleinrichtungen für eine über eine rotierende Welle Leistung abgebende Brennkraftmaschine, insbesondere Gasturbinentriebwerk, mit einem Stellglied für die Brennstoffzufuhr, welches von einer ein Fehlersignal aus der von einem Fühler gemessenen Istdrehzahl der Maschine und der vorgegebenen Solldrehzahl ableitenden Vergleichsvorrichtung gesteuert wird, und einer dem Fehlersignal entgegenwirkenden Schaltungsanordnung sowie mindestens einem Fühler zur Erfassung eines weiteren Parameters.

Es ist bereits ein Brennstoffregler bekannt, bei dem ein frequenzabhängiges Glied verwendet ist, um die Abweichung der Gasturbinendrehzahl von der Solldrehzahl festzustellen und ein Steuersignal für einen Motor zu erzeugen, der den Brennstoffregler betätigt.

Als Weiterbildung dieser Brennstoffregeleinrichtung ist noch eine Zusatzeinrichtung vorgesehen zum Verstellen des Sollwertes der Drehzahl in Abhängigkeit von der Einlaßtemperatur oder irgendeinem anderen kritischen Betriebsparameter der Gasturbine. Diese

ίο Zusatzeinrichtung begrenzt beispielsweise den Sollwert als Funktion der Gasturbinentemperatur, um eine Überhitzung der Gasturbine zu vermeiden. Es handelt sich hierbei also nur um eine Sicherheitseinrichtung, die jedoch nicht geeignet ist, ein Überschwingen der Drehzahl zu vermeiden.

Es ist ferner ein Steuersystem zum Beschleunigen von Düsentriebwerken bis auf eine Solldrehzahl und zum Konstanthalten der Drehzahl auf diesem Wert bekannt, wobei von einem Nullverfahren Gebrauch gemacht _wird, bei dem ein Istwertsignal mit einem zugeordneten Maximalwertsignal verglichen*wird"und die Differenz diesel*· beiden Werte zum Steuern der Brennstoffzufuhr verwendet wird, und zwar derart, daß die Differenz von Istwert und Sollwert Null wird.

Auch bei diesem Steuersystem wird ein Uberschwingen der Drehzahl nicht vermieden.

Es ist auch bereits ein Brennstoffregler bekannt, der die. Drehzahl einer Gasturbine innerhalb vorgegebener Grenzen konstant hält und Änderungen des Drehzahlsteuergliedes schnell folgt, ohne ein Überschwingen der Drehzahl hervorzurufen. Dies wird dadurch erreicht, daß eine Einrichtung zum Erzeugen eines von der Stellung des Drehzahlsteuergliedes abhängigen elektrischen Steuersignals zum Steuern der Brennstoffzufuhr zu der Gasturbine vorgesehen ist sowie eine weitere Einrichtung zum Erzeugen eines von einem Betriebsparameter abhängigen Korrektursignals, welches dem Steuersignal entgegengerichtet ist, wenn der Istwert des Betriebsparameters unterhalb des Sollwertes liegt. Bei diesem Brennstoffregler handelt es sich also um eine einfache Rückführungsanordnung, bei der das Korrektursignal dauernd erzeugt wird, solange der Sollwert noch nicht erreicht ist. Dieses Regelverfahren hat den Nachteil, daß die Drehzahl sich bei Änderung der Stellung des Drehzahlsteuergliedes nur verhältnismäßig langsam auf die neue Solldrehzahl einspielt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche ein Überschwingen der Drehzahl über einen vorgegebenen Sollwert verhindert und welche Änderungen des Drehzahlsteuergliedes schneller folgt als die bekannten Vorrichtungen.
Die Lösung dieser Aufgabe ist darin zu sehen, daß die Schaltungsanordnung eine eine Vorspannung für die Vergleichseinrichtung erzeugende, vom Fehlersignal gesteuerte Vorrichtung aufweist, welche derart gestaltet ist, daß beim Erhöhen der Solldrehzahl das Fehlersignal bei Erreichen einer um einen bestimmten Betrag niedrigeren Istdrehzahl Null wird und darauf sich die Vorspannung derart ändert, daß die Istdrehzahl sich allmählich der gewählten Solldrehzahl nähert.

Die Vorrichtung nach der Erfindung vermeidet diese Nachteile der bekannten Vorrichtungen und verhindert oder begrenzt Drehzahlüberschreitungen, wenn das Gasturbinentriebwerk von einer Drehzahl bzw. Leistungsstufe auf eine andere eingestellt wird.

Die Vorrichtung nach der Erfindung überprüft die Parameter beständig, welche die Kraftstorizufuhr in irgendeinem gegebenen Augenblick steuern, und sobald eine Beschleunigung festgestellt wird, wird ein Vorspannungssignal erzeugt, welches sodann von der gewünschten Solldrehzahl subtrahiert wird. Das Vorspannungssignal kann irgendeinen gewünschten Wert annehmen, es ist jedoch typischerweise etwa gleich 5 % der Solldrehzahl, d. h. der gewünschten Drehzahl bei der vorbestimmten Einstellung des Gashebels. Das der Solldrehzahl entsprechende Signal, welches an die Kraftstoffregelung gelangt, ist daher typischerweise etwa 95% der richtigen Solldrehzahl, wie sie durch den Gashebel festgelegt ist. Sobald die Drehzahl des Triebwerkmotors während der Beschleunigung den Wert von 95% des gewünschten Wertes erreicht hat, wird die Steuerung der Kraftstoffzufuhr wieder durch die Drehzahl als Parameter geregelt. Sobald dies stattfindet, wird das 5 %-Vorspannungssignal, welches von dem der richtigen Solldrehzahl entsprechenden" Signal abgezogen wurde, allmählich verringert, so daß das Solldrehzahlsignal allmählich auf den vollen Wert von 100% ansteigen kann. Diese Verzögerung hält den Wert des Solldrehzahlsignals augenblicklich bei etwa 95% und läßt ihn dann exponentiell auf 100% ansteigen in einer Zeit, die insbesondere von der Zeitkonstanten der Schaltungskreise und dem tatsächlichen Wert des Vorspannungssignals abhängt. Auf diese Weise wird ein Überschreiten des Drehzahlsignals verhindert, und das Triebwerk wird auf die dem stationären Zustand entsprechende Solldrehzahl eingeregelt.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel ergänzend beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein typisches Gasturbinentriebwerk mit der zugeordneten Kraftstoff regelung;

F i g. 2 zeigt an Hand einer Kurvendarstellung, in welcher Weise die Drehzahlüberschreirung bei Anwendung der Erfindung vermieden wird;
. F i g. 3 zeigt eine typische elektronische Kraftstoffregelung unter Anwendung der Erfindung.

In F i g. 1 ist ein Gasturbinentriebwerk dargestellt, das allgemein als Triebwerk bezeichnet wird, sowie eine von verschiedenen Triebwerksparametern abhängige Kraftstoffregeleinrichtung zum Einstellen des Kraftstoffflusses von einem Kraftstoffvorratsbehälter zu dem Triebwerk. Das Triebwerk 10 umfaßt einen Einlaßbereich 12, einen Kompressor 14, der entweder einen einzigen oder zwei Rotoren umfaßt, einen Brennerbereich 16, einen Turbinenbereich 18 mit einer einfachen oder einer Doppelturbine sowie einen Auslaßrohrbereich 20, der eine Auslaßdüse umfaßt. Der Kompressor 14 ist mittels einer oder zweier koaxialer Wellen mechanisch mit der Turbine 18 verbunden. Die von der Verbrennung, des Kraftstoffs in dem Brennerbereich 16 herrührenden Verbrennungsprodukte treiben die Turbinen 18 an. Die Turbinen treiben über koaxiale Wellen wiederum die Schaufehl des Kompressors 14. Die aus der Turbine ausgestoßenen Gase haben noch eine hohe Energie und können zum Schieben des Flugzeuges wie bei einem typischen Düsentriebwerk verwendet werden, oder aber sie können, wie in Fig. 1 dargestellt ist, zum Antrieb einer freien Turbine 22 verwendet werden, die wiederum mit einer Pumpe, einem elektrischen Generator oder einer anderen Vorrichtung gekuppelt ist, der Leistung zugeführt werden soll. Wenn die freie Turbine 22 mit dem Triebwerk 10 gekuppelt ist, werden die verbrauchten Gase durch den Auslaßbereich 24 ausgestoßen.

Der Kraftstoff wird dem Brennerbereich 16 von einem Kraftstoffbehälter 26 aus über die Leitung 28 und einen Kraftstoffregler 30 zugeführt. Der Kraftstoffregler 30 wird von unterschiedlichen Triebwerkparametern beeinflußt, von der Drehzahl, etwa von der Temperatur und dem Druck, und legt die Kraftstoffmenge fest, die durch die Leitung 32 zu der Brennstoffdüse 34 geleitet wird. Es sind verschiedene Detektoren innerhalb des Triebwerkes 10 angeordnet, welche auf die verschiedenen Triebwerksparameter ansprechen und entsprechende Signale an den Kraftstoffregier 30 geben. Die in Fig. 1 dargestellten Detektoren sind typisch für eine elektronische Kraftstoffregelung. Die Temperatur wird am Kompressoreinlaß durch den Fühler 33 und an der Auslaßseite der Turbine oder in dem Auslaßrohr durch den

ao Fühler 36 festgestellt. Die Drehzahl kann durch- einen Pulsfühler 38 irö=Kompresspr des Triebwerks festgestellt werden oder bei Änkupplung einer freien Turbine an das Triebwerk mittels eines Pulsfühlers 40. Der Druck wird durch den Druckdetektor 42 am Auslaßende des Kompressors festgestellt. Das Drehzahl-Sollwertsignal wird mittels des Gashebels 44 eingestellt. Das Turbinentriebwerk 10, die im einzelnen festgestellten Parameter und die verschiedenen Detektoren und Fühler, die zum Messen der Triebwerksparameter dienen, sind an sich bekannt und bilden keinen Teil der Erfindung.

F i g. 3 zeigt eine typische Kraftstoffregeleinrichtung unter Anwendung der Erfindung. Die Drehzahlfühler 38 und 40, die Temperaturfühler 33 und 36 und der Druckfühler 42, die in Fig. 1 dargestellt sind, erzeugen Signale, die den jeweiligen Triebwerksparametern entsprechen. Bei diesem Regelsystem ist die Rotordrehzahl N₂ des Kompressors, modifiziert durch die Kompressoreinlaß- oder Umgebungstemperatur T_{1 2} an der Verbindungsstelle 35 der Hauptparameter, nach dem die Kraftstoffmenge geregelt wird. Die Istdrehzahl iV₂ wird mit einem Solldrehzahlsignal verglichen, welches durch die Stellung des Gashebels 44 bestimmt ist. Eine Bewegung des Gashebels 44 verändert die Basisspannung des Transistors T₄, durch den Widerstand R₁₂. Der Widerstand R₁₂ liegt in Reihe mit dem Widerstand .R₁₁ an der Spannung + V, an die auch der Kollektor des Transistors T₁ angeschlossen ist. Der Transistor T_i ist als Emitterfolger geschaltet, und der Spannungsabfall an dem Widerstand R_u wird über den Widerstand R₁₀ an die Summmierstelle 53 geleitet, wo sie mit einem Gegenkopplungssignal und einem Vorspannungssignal vereinigt wird, wie weiter unten noch beschrieben ist. Das durch Vergleich des Solldrehzahlsignals mit dem der Istdrehzahl entsprechenden Signal erzeugte Fehlersignal wird in einem Differentialverstärker 46 verstärkt. Das Ausgangssignal dieses Verstärkers, das ein Maß für den Drehzahlfehler ist, wird zugleich mit Signalen, die weitere Parameter darstellen, durch ein Auswahlnetzwerk 50 an einen Servoverstärker 52 geleitet. Das Gegenkopplungskompensationsnetzwerk 51 stabilisiert die Drehzahlschleife, indem es ein Signal zu dem Summierpunkt 53 zurückleitet, welches proportional dem Drehzahlfehler ist. Die Auswahlschaltung 50 wählt denjenigen Parameter aus, der die Kraftstoffzufuhr zu dem Triebwerk mittels des Verstärkers 52, des Servo-

5 6

motors 54 und des Kraftstoffventils 56 regeln soll. nung wird über den Widerstand R₃ an die Basis des Das gewählte Regelsignal kann z. B. die freie Tür- Transistors T₂ geleitet, wobei dieser Transistor abbinendrehzahl ZV₃, das Signal T_{1 7} entsprechend der geschaltet wird. In diesem Augenblick fällt die Span-Temperatur am Auslaß der Turbine, der Druck P_n nung am Kollektor des Transistors T₂ auf Erdpotenam Auslaß des Kompressors oder die Kompressor- 5 tial, und die Spannungen am Emitter und an der Rotordrehzahl ZV₂ sein. Diese gewählten Regelsignale Basis des Transistors T₃ werden nun durch den Spanwerden über entsprechende Reihendioden 60'", 60', nungsabfall an dem Widerstandsspannungsteiler R₅, 60" und 60 an die Verbindungsstelle 62 zum Eingang R_e und R₇ bestimmt. Der Transistor T₃ leitet sodann, des Verstärkers 52 geleitet. Die Dioden sind derart und es fließt Strom durch diesen Transistor und die gepolt, daß das Regelsignal mit dem höchsten posi- io Widerstände R₉ und R₁₀. Sobald der Transistor T_s tiven Wert die Spannung an der Verbindungsstelle 62 in den Sättigungszustand gelangt, nähert sich die bestimmt. Die Regelspannungen sind derart be- Kollektorspannung der negativen Spannung, auf die messen, daß diejenige Regelspannung, nach der der der Emitter vorgespannt ist. Hierdurch gelangt eine Kraftstoffverbrauch am kleinsten sein müßte, den negative Spannung an den Kondensator C₁, wie darhöchsten positiven Wert annimmt. 15 gestellt ist.

Während des stationären Betriebszustandes wird Die Drehzahlbezugsspannung ZV₂ des Transistors T₄

die Kraftstoffmenge durch die Drehzahl ZV₂ des Korn- ist immer positiv, und die Kollektorspannung V_c3 des

pressormotors geregelt. Das Ausgangssignal des Transistors T₃ wird, da sie negativ ist, von der von

Differentialverstärkers 46 ist demnach ein Signal, dem Transistor T₄ an den Differentialverstärker 46

welches positiver ist als die Signale ZV₃, P_{t 4} und T_{t 7}. 20 gelieferten Spannung in Übereinstimmung_mit der

. Unter· dieser Bedingung ist die Diode 60 in Vorwärts- Spannungsteilung_durch die Widerstände R₉ und R₁₀

richtung vorgespannt auf Grund des Drehzahlfehler- subtrahiert. Die subtrahierte Spannung genügt der

Ausgangssignals, das von dem Verstärker 46 über Beziehung:

den Widerstand R₁ zur Basis des Transistors T₁ ge- -R₉

leitet wird, und daher sind sowohl der Transistor T₁ 25 R +R ^^c3'

als auch die Diode 60 leitend. Der Transistor T₁ ^{9 10}

arbeitet als Emitterfolger, so daß die Spannung an Die Widerstände R₉ und jR₁₀ sind so gewählt, daß

der Verbindungsstelle 62 im wesentlichen gleich dem die in den Differentialverstärker gegebene resultie-

Drehzahlfehlersignal ist. In den Schaltungen ZV₃, P_ti rende Spannung typischerweise um etwa 5% der

und T_t7 ist eine Schaltungsanordnung enthalten (nicht 30 von der N₂-Solldrehzahlschaltung über den Transi-

dargestellt), die die Kraftstoffmenge festlegt, wenn die stör T₄ erzeugten positiven Spannung verringert wird.

Drehzahl der freien Turbine, der Druck am Auslaß Da ein Ansteigen der Kraftstoffmenge zu dem

des Kompressors oder die Temperatur am Auslaß Triebwerk eine Annäherung der Drehzahl ZV₂ an die

der Turbine sich kritischen Werten nähern. durch die Spannung an dem Kondensator C₁ modi-

Im leitenden Zustand des Transistors T₁, d. h., 35 fizierte Solldrehzahl bewirkt, steigt das Drehzahlwenn die Kraftstoffmenge von der Drehzahl ZV₂ ge- fehler-Ausgangssignal des Differentialverstärkers 46 steuert wird, entsteht ein Spannungsabfall am Wider- wieder in einer positiven Richtung an und übernimmt stand R₂, und die Spannung am Kollektor des Tran- eventuell die Regelung der Kraftstoffmenge und der sistors T₁ gelangt über die Leitung 64 und den Wider- Auswahlschaltung 50. Ohne die Erfindung ist der stand R₃ zur Basis des Transistors T₂. Da diese Span- 40 Beginn der Drehzahlfehlerkurve am Anfang hinausnung negativer ist als die Emitterspannung des Tran- geschoben. Dies ergibt eine hohe Leistung bei sehr sistors T₂, wird dieser Transistor leitend, und es fließt niedrigen Frequenzen zwecks Erreichung hoher ein Strom durch den Widerstand R₁. Der Kollektor statischer Genauigkeit der Drehzahlsteuerung sowie des Transistors T₂ nimmt einen positiven Wert an, eine niedrige Verstärkung bei höheren Frequenzen, der etwa gleich der Emittervorspannung des Tran- 45 um das System stabil zu halten. Das Drehzahlfehlersistors T₂ ist. Diese Spannung wird über den Wider- signal des kompensierten Verstärkers hinkt also dem stand R₈ an die Basis des Transistors T₃ geleitet. Da tatsächlichen Drehzahlfehler nach. Daher würde die dieser Transistor ein pnp-Transistor ist, verursacht Istdrehzahl oberhalb der Solldrehzahl liegen, bevor die positive Spannung an der Basis desselben die das Ausgangssignal des kompensierten Verstärkers Abschaltung des Transistors. 50 anzeigt, daß die Richtung des Drehzahlfehlers sich

Wenn der Transistor T₃ für eine Zeit lang abge- umgekehrt hat. Bei Anwendung der Erfindung tritt schaltet ist, haben der Kondensator C₁ und der dies ein, wenn die Drehzahl ZV₂ annähernd 95 % der Widerstand R₉ keine Wirkung auf das Solldrehzahl- tatsächlichen Bezugsdrehzahl erreicht. Daher versignal, und man kann annehmen, daß sie aus der ursacht das bei 95% der Drehzahl größere positive Regelschleife herausgenommen sind. Lediglich im 55 Ausgangssignal des Differentialverstärkers 46 die Umleitenden Zustand des Transistors T₃ haben die Teile schaltung des Transistors T₁ in den leitenden Zu-C₁ und R₉ eine Wirkung auf das Solldrehzahlsignal. stand, so daß die Kollektorspannung an diesem Tran-

Beim Beschleunigen durch Vorschieben des Gas- sistor abfällt, der Transistor T₂ angeschaltet und der hebeis 44 bewegt sich das Drehzahlfehlersignal Transistor T₃ abgeschaltet wird. Wenn der letztschnell in eine negative Richtung. Sobald die Dreh- 60 genannte Transistor abgeschaltet ist, entlädt sich der zahlfehlerspannung negativer wird als irgendeines der Kondensator C₁ über die Widerstände 2?₉, R₁₀ und Signale ZV₃, P_n oder T_t7, wird der Transistor T₁ ab- A₁₄ in einer Zeit, die durch die Zeitkonstante des geschaltet, und das nächstpositive Steuersignal be- 2?C-Netzwerkes bestimmt ist. Das Signal der SoIleinflußt die Spannung an der Verbindungsstelle 62. drehzahl, das von der Verbindungsstelle 53 in den Normalerweise übernimmt die Temperatur die Steue- 65 Differentialverstärker 46 eingespeist wird, erhöht sich rung der Kraftstoffmenge. Zu dieser Zeit ist die sodann allmählich auf 100%. Das Signal der Soll-Spannung am Kollektor des Transistors T₁ gleich drehzahl ZV₂ geht langsam auf den Wert von 100% der Kollektorvorspannung, und diese positive Span- über, und die Istdrehzahl ZV₂ nähert sich dement-

sprechend auch allmählich 100%. Auf diese Weise wird die Überschreitung der Drehzahl iV, über einen Wert von 100% vermieden.

F i g. 2 zeigt in einer Kurvendarstellung die bei Anwendung der Erfindung erzielten Ergebnisse. Die Linie A zeigt die Drehzahlüberschreitung als Funk-

tion der Zeit ohne die Vorrichtung zum Verhindern einer Drehzahlüberschreitung nach der Erfindung. Die Kurve B zeigt, in welcher Weise sich die Triebwerksdrehzahl als Funktion der Zeit dem mit 100% angesetzten Grenzwert nähert, ohne daß eine Drehzahlüberschreitung vorkommt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Verhindern einer Drehzahlüberschreitung für elektronische Kraftstoffregeleinrichtungen für eine über eine rotierende Welle Leistung abgebende Brennkraftmaschine, insbesondere Gasturbinentriebwerk, mit einem Stellglied für die Brennstoffzufuhr, welches von einer ein Fehlersignal aus der von einem Fühler gemessenen Istdrehzahl der Maschine und der vorgegebenen Solldrehzahl ableitenden Vergleichsvorrichtung gesteuert wird, und einer dem Fehlersignal entgegenwirkenden Schaltungsanordnung sowie mindestens einem Fühler zur Erfassung eines weiteren Parameters, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung eine eine Vorspannung für die Vergleichseinrichtung erzeugende, vom Fehlersignal gesteuerte Vorrichtung (Cl, T3) aufweist, welche derart gestaltet ist; daß beim Erhöhen der Solldrehzahl das Fehlersignal bei Erreichen einer um einen bestimmten Betrag niedrigeren Istdrehzahl Null wird und darauf sich die Vorspannung derart ändert, daß die Istdrehzahl sich allmählich der gewählten Solldrehzahl nähert.

2. Vorrichtung nach Anpruchl, gekennzeichnet durch eine Schaltvorrichtung (50), welche zwi-. sehen die die Meßwerte erfassenden bzw. das Fehlersignal erzeugenden Vorrichtungen und das Stellglied geschaltet ist und so gestaltet ist, daß aus den steuernden Signalen dasjenige ausgewählt wird, welches eine optimale Brennstoffzufuhr ergibt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (Cl, T 3) einen Transistor (T 3) und einen daran angeschlossenen Kondensator (C 1) umfaßt und über Schaltglieder (R 9, R10, 53) an die das Solldrehzahlsignal erzeugende Vorrichtung (R 11 bis R14, Γ 4) angeschlossen ist und daß beim Beschleunigen des Triebwerks der Transistor (T 3) leitend wird und den Kondensator (Cl) mit einer dem Solldrehzahlsignal entgegenstehenden Polarität auflädt und daß beim Erreichen der reduzierten Solldrehzahl der Transistor (T 3) gesperrt und der Kondensator (Cl) über die Schaltglieder (R9, R10, 53) und die Vorrichtung (R 11 bis R14, Γ 4) entladen wird.