DE1576091C3 - Fluidlsches Regelsystem für eine Antriebsmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein fluidisches Regelsystem für eine Antriebsmaschine mit einem den zu regelnden Parameter vorgebenden Steuerhebel, einem Signalgenerator, der von der Antriebsmaschine angetrieben ist und ein fluidisches Signal mit einer Frequenz liefert, die ein Maß für den zu regelnden Parameter ist, einem eine Resonanzfrequenz aufweisenden Bezugssignalgeber und mit einem Diskriminator, der bei einer Abweichung der Frequenz des fluidischen Signals des Signalgenerators von der Resonanzfrequenz ein Fehlersignal liefert.

Fluidische Regeleinrichtungen, gelegentlich auch als »Freistrahlelemente« bezeichnet, finden allgemein in steigendem Maße anstelle von entsprechenden elektronischen Einrichtungen Anwendung, insbesondere wenn ungünstige Umgebungsbedingungen herrschen. Strömungsverstärker und andere Strömungssteuereinrichtungen sind beispielsweise in der Zeitschrift »Scientific American«, Dezember 1964, S. 80 bis 88, beschrieben.

Weiter ist ein Regelsystem der eingangs genannten Art bekannt (Proceedings of the Fluid Amplification Symposium, Vol. II, Harry Diamond Laboratories, Washington, S. 409 bis 418), bei dem die Resonanzfrequenz von einer Stimmgabel abgegeben wird. Somit ist aber die Resonanzfrequenz des bekannten Regelsystems nicht veränderbar, und darüber hinaus wird durch die Stimmgabel die fluidische Grundkonzeption gestört, so daß die mit fluidischen Elementen erzielbaren Vorteile nicht voll ausnutzbar sind.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, ein Regelsystem aus fluidischen Elementen aufzubauen, bei dem die Resonanzfrequenz entsprechend einem zu regelnden Parameter veränderlich ist.

Diese Aufgabe wird bei einem fluidischen Regelsystem der vorgenannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Bezugssignalgeber ein Resonator mit einer veränderbaren Resonanzfrequenz ist, der eine volumenveränderliche Resonanzkammer mit einem Zylinder und einem darin verschiebbaren Kolben aufweist,, der mit dem Steuerhebel systematisch verbunden ist.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Resonanzfrequenz des Resonators durch die Temperatur des durch die Resonatorkammer strömenden Strömungsmittels veränderbar, das über Leitungen zu-und abgeführt ist.

'■■ Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen

insbesondere darin, daß die Resonanzfrequenz des Bezugssignalgebers veränderbar ist. Auf diese Weise kann beispielsweise der Sollwert der Drehzahl eines Turbinentriebwerkes durch Verändern der Resonanzfrequenz des Resonators eingestellt werden. Weiterhin fügt sich der volumenveränderliche Resonator in das fluidische Regelsystem besonders vorteilhaft ein, so daß trotz harter Umgebungsbedingungen eine hohe Genauigkeit und Betriebssicherheit gewährleistet ist. Dadurch eignet sich das fluidische Regelsystem gemäß der Erfindung besonders gut für Flugzeugantriebe. Da die Resonanzfrequenz außerdem eine Funktion der Temperatur des Strömungsmittels im Resonator ist, kann der zu regelnde Parameter auch von der Temperatur an irgendeinem Teil der Antriebsmaschine, wie beispielsweise der Kompressoreinlaßtemperatur, abhängig gemacht werden, indem ein die Temperatur dieses Maschinenteils aufweisendes Strömungsmittel durch die Resonatorkammer hindurchgeleitet wird.

Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

F i g. 1 ist eine etwas vereinfachte, teilweise geschnittene Darstellung eines fluidischen Regelsystems gemäß der Erfindung;

F i g. 2 bis 5 sind graphische Darstellungen der Druckverhältnisse in dem Regelsystem gemäß der Erfindung;

Fig.6 ist eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerkes mit einem fluidischen Regelsystern gemäß der Erfindung.

Das in F i g. 1 dargestellte Regelsystem enthält einen Sinusgenerator 10, der zwei gegenphasige Wechseldrucksignale gleicher Amplitude liefert. Eines dieser Signale wird einem Resonator 12, dann einem Entkoppler 14 und über einen ersten Verstärker 16 einem zweiten Verstärker 18 zugeführt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 18 wird dann mit dem anderen Ausgang des Signals 10 in einem Phasendiskriminator 20 verglichen, der ein Fehlersignal in Form einer gemittelten Druckdifferenz zwischen zwei Ausgängen 22, 24 liefert. Dieses Druck-Fehlersignal kann durch einen Wandler 25 in ein elektrisches Fehlersignal umgesetzt werden, das anzeigt, daß der Generator 10 von einer durch den Resonator 12 bestimmten Sollfrequenz abgewichen ist. Auf Einzelheiten der erwähnten Bauelemente wird im folgenden eingegangen.

Der Sinusgenerator 10 enthält eine Leitung 26, der mit einer Druckluftquelle verbunden ist. pie Druckluft strömt durch eine Leitung 28 zu zwei gleich großen Öffnungen 30 und dann zu Leitungen 34, 36. Das eine Ende der Leitung 34 mündet an der Atmosphäre, während das andere Ende mit einer Steuerdüse 38 eines Strömungsverstärkers 40 verbunden ist. In entsprechender Weise mündet das eine Ende der Leitung 36 an der Atmosphäre, während das andere Ende mit einer Steuerdüse 42 des Verstärkers 40 verbunden ist. Am Ende einer umlaufenden Welle 46 ist eine Platte 44

angebracht, die schräg zur Achse der Welle steht und das Ausströmen von Luft durch die Leitungen 34, 36 sinusartig steuert. Hierdurch entstehen in den Leitungen 34,36 gegenphasige, sinusförmige Druckschwankungen, die die aus den Steuerdüsen 38, 42 austretenden Steuerstrahlen dementsprechend gegenphasig, jedoch mit gleicher Amplitude modulieren.

Der Verstärker 40 enthält außerdem einen Einlaß 48, der mit einer Druckluftquelle verbunden ist und eine Leistungsdüse 50 speist, aus der ein konstanter Leistungsstrahl austritt. Beidseits des Leistungsstrahles befinden sich übliche Entlüftungskanäle 56. Der Leistungsstrahl wird entsprechend der Druckdifferenz zwischen den aus den Düsen 38, 42 austretenden Steuerstrahlen in Empfänger 52, 54 gelenkt. Der Druck in den Empfängern 52,54 ändert sich dementsprechend sinusförmig, so daß gegenphasige Drucksignale zur Verfügung stehen, die eine der Drehzahl der Welle 46 entsprechende Frequenz haben; wenn also der Druck im Empfänger 52 seinen Maximalwert hat, hat der Druck im Empfänger 54 seinen Minimalwert.

Der Empfänger 54 liefert ein Eingangssignal für den Resonator 12 über eine Leitung 58, die eine Drosselöffnung 62 enthält und in einer Kammer 60 mündet. Die Kammer 60 ist durch eine Auslaßleitung 64, die ebenfalls eine Drosselöffnung 66 enthält, mit dem Entkoppler 14 verbunden. Von der Kammer 60 führen zwei Röhren 68 zur Atmosphäre. Die Abmessungen der Kammer 60 und der Röhren 68 und die Temperatur des Mediums in der Kammer bestimmen die Resonanzfrequenz, bei der ein Eingangssignal vom Empfänger 54 ein Ausgangssignal in der Auslaßleitung 64 erzeugt, das praktisch gleichphasig ist und maximale Amplitude hat.

Der Entkoppler 14 beseitigt Gleichdrücke oder langsam schwankende Drücke aus dem Druckausgangssignal des Resonators 12. Er enthält eine gemeinsame Eingangskammer 72, die das Drucksignai von der Auslaßleitung 64 des Resonators aufnimmt. Von der Kammer 72 gelangt das Drucksignal durch eine Öffnung 76 und einen kurzen Kanal 78 zu einer Steuerstrahldüse 74. Dasselbe Signal gelangt aus der Kammer 72 außerdem durch eine Öffnung 80 in eine relativ große Kammer 82 und dann zu einer zweiten Steuerstrahldüse 84. Die etwas vereinfachte Darstellung der F i g. 1 zeigt, daß die Kammer 82 relativ groß ist, in der Praxis kann sie senkrecht zur Zeichenebene noch wesentlich größere Abmessungen als in der Zeichenebene haben. Eine mit einer Druckluftquelle verbundene Einlaßleitung 86 führt zu einer Leistungsstrahldüse 88, die einen Leistungsstrahl in Richtung auf Empfänger 90,92 liefert.

Die Richtung des Leistungsstrahls aus der Düse 88 wird durch den Druck der Steuerstrahlen aus den Düsen 74, 84 gesteuert. Da die Frequenz des Eingangssignals vom Resonator 12 verhältnismäßig hoch ist, wird das Eingangssignal in der großvolumigen Kammer 82 so gedämpft, daß an der Steuerstrahldüse 84 keine Signalschwankungen der Resonanzfrequenz auftreten. Die Leitung zur Steuerstrahldüse 74 ist andererseits verhältnismäßig kurz, so daß der aus dieser Düse austretende Steuerstrahl die raschen periodischen Schwankungen mitmacht und bewirkt, daß der Leistungsstrahl sinusartig abgelenkt wird und der Druck in den Empfängern 90, 92 in entsprechender Weise gegenphasig schwankt. Langsame Druckschwankungen beeinflussen jedoch die aus den Düsen 74, 84 austretenden Steuerstrahlen in gleicher Weise, so daß sie die Schwingungsbewegung des Leistungsstrahles zwischen den Empfängern 90, 92 nicht beeinflussen können.

Der Verstärker 16 enthält einen Einlaß 94, der mit einer Druckluftquelle verbunden ist und eine Leistungsstrahldüse 96 speist, die auf Empfänger 98,100 gerichtet ist. Die Empfänger 90,92 sind mit Steuerstrahldüsen 102 bzw. 104 verbunden, so daß in den Empfängern 98, 100 sinusförmige Druckschwankungen erzeugt werden. Die Empfänger 98, 100 stehen mit Kammern 108, 110 in Verbindung, die ihrerseits an Steuerstrahldüsen 112,114 des Verstärkers 18 angeschlossen sind. Der Verstärker 18 enthält außerdem einen Einlaß 118, der an eine Druckluftquelle angeschlossen ist und eine Leistungsstrahldüse 120 steuert, die einen auf Emnfänger 122,124 gerichteten Leistungsstrahl liefert. Die Druckschwankungen in den Steuerstrahldüsen 112, 114 lenken den Leistungsstrahl sinusförmig zwischen den Empfängern 122,124 ab, so daß an ihnen gegenphasige Drucksignale auftreten.

Der Phasendiskriminator 20 enthält zwei Gleichrichterelemente 123,125 mit Einlassen 128 bzw. 130, aus denen eine Druckströmung durch Leistungsstrahldüsen 132 bzw. 134 in Richtung auf Empfänger 133 bzw. 135 ausgestoßen wird. Die Gleichrichterelemente 123, 125 enthalten außerdem Steuerstrahldüsen 136, 138 bzw. 140, 142. Die Steuerstrahldüsen 136, 142 sind mit den Auslassen der Empfänger 122 bzw. 124 des Verstärkers 18 verbunden, während die Steuerstrahldüsen 138, 140 mit dem Sinusgenerator 10, genauer gesagt dem Empfänger 52 des Strömungsverstärkers 40 verbunden sind.

Wenn die Drücke in den Steuerstrahldüsen 136, 138 gleich sind, ist der Druck im Empfänger 133 maximal, und wenn der Druck in der Steuerstrahldüse 136 steigt, wird der Leistungsstrahl abgelenkt, wobei der Druck im Empfänger 133 sinkt, und entsprechenderweise, wenn der Druck in der Steuerstrahldüse 138 größer ist, wird der Leistungsstrahl ebenfalls abgelenkt, und der Druck im Empfänger 133 sinkt ebenfalls. Die Wirkung des Gleichrichters 125 ist ähnlich, da der Leistungsstrahl in gleicher Weise abgelenkt wird, wenn Druck in der Steuerstrahldüse 140 oder 142 größer ist. In den Empfängern 133,135 treten daher fluktuierende Drücke auf. Diese fluktuierenden Drücke werden in Kammern 143,145 geglättet, die mit den Empfängern 133 bzw. 135 und den Diskriminatorausgangsleitungen 22,24 verbunden sind.

Die Konstruktion des Resonators 12 ist an anderer Stelle näher erläutert. Die Resonanzfrequenz des Resonators 10 wird sowohl durch die Größe der Kammer 60, die Abmessungen der Röhren 68 und durch die Temperatur des Mediums in der Kammer beeinflußt. Wenn die Frequenz des dem Resonator zugeführten Signals mit der Resonanzfrequenz übereinstimmt, hat das Ausgangssignal des Resonators einen Maximalwert, und die Phasenverschiebung zwischen Eingangs- und Ausgangssignal ist praktisch Null. Weicht dagegen die Frequenz des Eingangssignals des Resonators von dessen Resonatorfrequenz ab, so wird das Ausgangssignal scharf gedämpft, und es tritt außerdem eine Phasenverschiebung auf, und zwar fällt die Phase des Ausgangssignals bei einer Erhöhung der Frequenz des Eingangssignals zurück, während sie bei einer Abnahme der Frequenz des Eingangssignals voreilt. Auf alle Fälle ändert sich das Drucksignal vom Resonator bezüglich eines mehr oder weniger stetigen Bezugsdruckes.

Angenommen, die Drehzahl der Welle 46 stimme mit der Resonanzfrequenz des Resonators 12 überein, so liefert letzterer ein Ausgangssignal maximaler Amplitu-

de an den Entkoppler 14. Dieses Signal wird dann durch die Verstärker 16,18 vorzugsweise so verstärkt, daß die Größe der Drucksignale in den Empfängern 122, 124, die die Steuerstrahldüsen 136, 142 speisen, mindestens annähernd gleich der Größe des Drucksignals vom Generator 10 ist, das den jeweils gegenüberliegenden Steuerstrahldüsen 138,140 zugeführt ist.

Bei der Übertragung der Drucksignale vom Generator 10 zum Diskriminator 20 treten selbstverständlich Phasenverschiebungen auf. Die vorliegende Anordnung ist so bemessen, daß zwischen den Steuersirahlen an den Gleichrichtern 123, 125 eine Phasendifferenz von 90° herrscht. Im einen Falle eilt das Ausgangssignal des Verstärkers 18 dem Signal vom Generator 10 um 90° in der Phase vor und im anderen Fall um 90° in der Phase nach. Um die den verschiedenen Bauteilen anhaftenden Phasenverschiebungen zu kompensieren und die gewünschte Phasendifferenz von 90° zu erreichen, können die Kammern 108, 110 anfänglich so abgeglichen werden, daß sich beim jeweiligen Regelsystem die gewünschten Phasenverhältnisse ergeben.

In Fig. 2 ist der zeitliche Verlauf des Druckes Pg vom Generator 10 dargestellt, der der Steuerdüse 138 des Gleichrichters 132 zugeführt wird. Die Kurve Pr gibt den Druck des Signals vom Verstärker 18 an, das der Steuerdüse 136 zugeführt wird. Die Kurve Pg-rentspricht der resultierenden Kraft der Steuerstrahlen, die die Ablenkung des Leistungsstrahles bewirkt, und die Kurve Po gibt den wiedergewonnenen Druck am Empfänger 133 an. Es ist ersichtlich, daß bei gleichen Drücken Pg und Pr am Empfänger 133 ein maximales Druckausgangssignal auftritt und daß das wiedergewonnene Drucksignal während einer Periode zwei Maxima hat, während die anderen Drucksignale jeweils nur ein einziges Maximum haben.

F i g. 3 zeigt in entsprechender Weise den Druck Pg in der Steuerstrahldüse 140 und den Druck Pr in der Steuerstrahldüse 142. Die Kurve Pg-r'gibt die resultierende Ablenkkraft an, die auf den Leistungsstrahl.von der Düse 134 einwirkt, währendUdfe Kurve Po- den zeitlichen Verlauf des wiedergewonnenen Druckes vom Empfänger 135 zeigt.

Es ist ersichtlich, daß durch Integrierung der Flächen unter den Kurven Found Po- gemittelte Drücke Pos und Pos- erhalten werden können. Diese Funktion wird durch die Kammern 143, 145 bewirkt, so daß die Drücke Pos und Pos' den Drücken an den Ausgängen 22, 24 des Diskriminators entsprechen. Der Wandler 25 besteht vorzugsweise aus einem Differentialtransformator, bei dem das diesem Gleichgewichtszustand entsprechende Ausgangssignal vorzugsweise den Wert Null hat.

Bisher war angenommen worden, daß die Frequenz des Eingangssignals mit der Resonanzfrequenz des Resonators 12 übereinstimmt. Es sei nun angenommen, daß die Frequenz des Eingangssignals kleiner wird als die Resonanzfrequenz, so daß zwischen Eingangs- und Ausgangssignal des Resonators eine Phasenverschiebung auftritt. Diese Phasenverschiebung wirkt sich auf die Drücke in den Steuerstrahldüsen 136,142 aus, wie in den F i g. 4 und 5 dargestellt ist. In F i g. 4 bedeutet die Kurve Pg wieder den Druck in der Steuerdüse 138 und Pr den Druck in der Steuerdüse 136. Die Kurve Pg-r gibt die resultierende Ablenkungskraft für den Leistungsstrahl von der Düse 132 an und die Kurve Po den wiedergewonnenen Druck am Empfänger 133. In entsprechender Weise zeigt F i g. 5 den Eingangsdruck Pg in der Steuerdüse 140 und die Kurve Pr den Eingangsdruck in der Steuerdüse 142. Die Kurve Pg-rgibt die resultierende Ablenkungskraft an, die auf den Leistungsstrahl aus der Düse 134 einwirkt. Es ist ersichtlich, daß der Leistungsstrahl aus der Düse 132 nun wesentlich stärker abgelenkt wird als der Leistungsstrahl aus der Düse 134. Der wiedergewonnene Druck im Empfänger 135 bleibt daher auf einem höheren Mittelwert als der wiedergewonnene Druck vom Empfänger 133. Dieser Druckunterschied zeigt sich in den Ausgangssignalen Pos und Pos; die auf den Wandler 125 wirken und ein Fehlersignal erzeugen, das nicht nur anzeigt, daß eine Abweichung zwischen der Frequenz des Signalgenerators und der Resonanzfrequenz des Resonators 12 besteht, sondern auch das Vorzeichen und die Größe des Fehlers angibt. Wenn also die Drehzahl der Welle 46 größer wird als die Resonanzfrequenz des Resonators 12, wird der mittlere Druck im Empfänger 133 größer als der mittlere Druck im Empfänger 135, und der Wandler wird dann ein Federsignal entgegengesetzter Polarität erzeugen, das sowohl Betrag als auch Richtung des Fehlers zwischen dem Generatoreingangssignal und der durch den Resonator 12 bestimmten Resonanzfrequenz angibt.

In Fig.6 ist die oben beschriebene Einrichtung in Verbindung mit einem Gasturbinentriebwerk 150 dargestellt. Der Sinusgenerator 10 ist mechanisch mit einer Turbine 150 eines Axialverdichters 153 verbunden, so daß die Frequenz des erzeugten Drucksignals der Drehzahl der Turbine entspricht. Das Signal Pg wird wieder dem Phasendiskriminator 20 und das andere Ausgangssignal vom Generator 10 einem etwas abgewandelten Resonator 12' zugeführt. Die Abwandlung des Resonators 12' besteht darin, daß er mit einem Zylinder 152 versehen ist, der einen verschiebbaren Kolben 154 enthält. Der Kolben 154 ist mechanisch mit einem Steuerhebel 156 verbunden, wie er normalerweise zur Steuerung der Drehzahl des Gasturbinentriebwerkes verwendet wird. Durch eine Verschiebung des Kolbens 154 kann das Volumen des Resonators 60 und damit dessen Resonanzfrequenz verändert werden. Durch Verstellung des Steuerhebels 154 läßt sich daher eine gewünschte Drehzahl des Triebwerks 150 entsprechender Resonanzfrequenz des Resonators 12' einstellen.

Soweit beschrieben, stimmt die Einrichtung mit der eingangs beschriebenen darin überein, daß bei einer bestimmten Einstellung des Hebels 154 und einer Turbinendrehzahl, die der Resonanzfrequenz des Resonators 12' entspricht, die Signale Pg und Pr, Pr- um ± 90° gegeneinander in der Phase verschoben sind, wie in Verbindung mit F i g. 2 und 3 erläutert wurde. Das Ausgangssignal des Wandlers 25 ist dann Null und zeigt an, daß ein Brennstoffregler 158, der entsprechend den Ausgangssignalen des Wandlers 25 gesteuert wird, die richtige Menge an Brennstoff durch eine Leitung 160 in eine Brennkammer 162 liefert, um die Drehzahl des Triebwerks auf dem gewünschten Wert zu halten. Wenn jedoch die Turbinendrehzahl von dem durch die Resonanzfrequenz des Resonators 12 bestimmten Sollwert abweicht, wird der Brennstoffregler 158 durch das Ausgangssignal des Wandlers 25 derart verstellt, daß die Brennstoffzufuhr in die Brennkammer 162 je nach dem Vorzeichen der Abweichung erhöht oder verringert wird, so daß die Drehzahl wieder den Vollwert annimmt und das Fehlersignal Null wird.

Bei Gasturbinentriebwerken ist es außerdem häufig erwünscht, daß die Drehzahl des Triebwerkes 50 in Abhängigkeit von der Temperatur der in den Verdichter 153 eintretenden Luft gesteuert wird. Zu diesem Zweck

ist eine Leitung 166 vorgesehen, durch die Luft vom Einlaß in den Resonator 12 geleitet wird. Diese Luft strömt dauernd durch eine der Leitungen 68 ein und durch die andere dieser Leitungen aus. Um die dauernde Strömung aufrecht zu erhalten, kann an die zweitgenannte Röhre 68 eine Saugpumpe 168 angeschlossen werden. Da die Resonanzfrequenz des Resonators eine

Funktion der Temperatur der in ihm enthaltenen Luft ist, ändert sie sich entsprechend der dauernd vom Turbineneinlaß durch die Kammer 60 gesaugten Luft entsprechend der Einlaßtemperatur, so daß die Drehzahl auch bei unveränderter Einstellung des Gashebels 156 die Turbinendrehzahl entsprechend der Einlaßtemperatur geregelt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Fluidisches Regelsystem für eine Antriebsmaschine mit einem den zu regelnden Parameter vorgebenden Steuerhebel, einem Signalgenerator, der von der Antriebsmaschine angetrieben ist und ein fluidisches Signal mit einer Frequenz liefert, die ein Maß für den zu regelnden Parameter ist, einem eine Resonanzfrequenz aufweisenden Bezugssignalgeber und mit einem Diskriminator, der bei einer Abweichung der Frequenz des fluidischen Signals des Signalgenerators von der Resonanzfrequenz ein Fehlersignal liefert, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugssignalgeber ein Resonator (12) mit einer veränderbaren Resonanzfrequenz ist, der eine volumenveränderliche Resonanzkammer (60) mit einem Zylinder (152) und einem darin verschiebbaren Kolben (154) aufweist, der mit dem Steuerhebel (156) mechanisch verbunden ist. ·

2. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz des Resonators (12) durch die Temperatur des durch die Resonatorkammer (60) strömenden Strömungsmittels veränderbar ist, das über Leitungen (68) zu- und abgeführt ist.