DE1902356C3 - Brennstoffregeleinrichtung für Gasturbinentriebwerke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffregeleinrichtung für Gasturbinentriebwerke nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Brennstoffregeleinrichtungen gestatten dem Piloten die Vorwahl einer bestimmten Triebwerksdrehzahl durch entsprechende Einstellung des Gashebels und regeln diese Drehzahl durch Regelung der Brennstoffzufuhr zum Triebwerk in Übereinstimmung mit dem vorgegebenen Drehzahl-Sollwert.

Aus der US-PS 29 48 114 ist eine Brennstoffregeleinrichtung der eingangs genannten Art bekannt, die einen Proportionalregler aufweist, bei welchem ein die Differenz von Drehzahl-Sollwert und Drehzahl-Istwert darstellendes Fehlersignal in einem Verstärker verstärkt wird, dessen Ausgangssignal als Steuersignal einem Stellglied zugeführt wird. Außerdem wird bei dieser bekannten Einrichtung das Drehzahl-Istwertsignal differenziert und bei Triebwerksbeschleunigungen dem Verstärker als eine einer Drehzahländerung des Triebwerks entgegengerichtete Eingangsgröße zugeführt, die also einen begrenzenden Einfluß auf die Triebwerksbeschleunigung ausübt. Diese Maßnahme kann als eine Art Gegenkopplung aufgefaßt werden. Abgesehen von diesem beschleunigungsbegrenzenden Einfluß zeigt die bekannte Anordnung aber ein reines Proportionalverhalten.

Eine weitere Brennstoffregeleinrichtung der eingangs genannten Art ist aus der US-PS 30 76 312 bekannt. Diese andere bekannte Einrichtung weist einen integrierenden Regler auf, bei welchem das Fehlcrsignal auf dem Weg vom Sollwert-Istwert-Vergleicher zum Integrator noch durch Temperatur- und Drucksignale modifiziert wird, wobei aber im übrigen ein rein integrierendes Regelverhalten vorliegt.
Das Regelverhalten der bekannten Einrichtungen ist im Hinblick auf das mögliche Betriebsverhalten von Gasturbinentriebwerken nicht optimal. Beispielsweise können bei einem reinen Proportionalverhalten unter Umständen, d. h. je nach dem Verhalten des Triebwerks

ίο als Regelstrecke und der übrigen Regelkreisglieder, Instabilitäten auftreten, und die bei Proportionalreglern charakteristische, für ihre Arbeitsweise erforderliche Regelabweichung bedingt ein ständiges Pendeln des Drehzahl-Istwerts um den gewünschten Sollwert Ein rein integrierendes Regelverhalten ist beispielsweise bei schnellen, starken Regelabweichungen ungünstig, zum Beispiel bei einem schnellen Drehzahlabfall infolge eines plötzlichen Erlöschens der Flamme im Triebwerk, weil der Eingriff dsr Regelung in einem solchen Fall zu schwach und de: Ausgleich zu langsam erfolgt Ein Proportionairegier neigt in einer solchen Situation zu heftigem Überschwingen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstüffregeleinrichtung der eingangs genannten Art mit einer für die Brennstoffregelung von Gasturbinentriebwerken besonders günstigen Regelungscharakteristik auszustatten, die eine genaue und stabile Regelung mit sehr schnellem Ansprechvermögen, jedoch mit möglichst geringer Überschwingungsneigung aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Demgemäß zeigt die erfindungsgemäße Brennstoffregeleinrichtung ein PID-Verhalten, wobei zusätzlich die Gewichtung der Proportional-, Integral- und Differentialanteile nach bestimmten Funktionen drehzahlabhängig veränderlich ist und damit eine bestmögliche Anpassung des Regelverhaltens an das Triebwerksverhalten und den jeweiligen Triebwerksbetriebszu- stand erzielt wird. Damit erreicht man, daß das Triebwerk zwar sehr schnell auf Änderungen des durch den Pilotenhebel eingegebenen Drehzahlsollwerts reagiert und daß auch plötzliche und starke Regelabweichungen schnell ausgeregelt werden, daß jedoch Drehzahländerungen im Triebwerk ohne Erreichen kritischer Zustände oder Überbeanspruchungen von Triebwerksteilen ablaufen.

Die Maßnahme nach Anspruch 2 dient zur Unterdrükkung von Einschwingvorgängen durch zu starken

V) Reglereingriff bei nur kleinen Regelabweichungen.

Eine zweckmäßige Möglichkeit zur Realisierung der drehzahlabhängigen Veränderung der Faktoren bzw. der Gewichtung des Proportional-, Integral- und Differentialanteils ist Gegenstand des Anspruchs 3.

μ Die Multiplikation eines Signals mit einem veränderlichen Faktor mit Hilfe eines Verstärkers, dessen Verstärkungsfaktor veränderbar ist, ist aus der US-PS 31 28 603 an sich bekannt, die einen Proportionalregler zur Brennstoffregelung bei Gasturbinentriebwerken

wi betrifft, bei welchem der Verstärkungsfaktor eines Differenzverstärkers in Abhängigkeit von einer Drehzahlfunktion elektromechanisch veränderbar ist.

Die drei Faktoren der das Steuersignal der erfindtingsgemäßen Einrichtung bestimmenden mathemati-

ii■. sehen Ausdrücke und ihre Drehzahlabhängigkeit können für ein jeweils gegebenes Triebwerk durch Rechnung oder empirisch ermittelt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nächste-

hend anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Brennstoffregeleinrichtung nach der Erfindung und

F i g. 2 in einem Diagramm die Abhängigkeit der drei Faktoren von der Triebwerksdrehzahl.

Das in F i g. 1 schematisch angedeutete Gasturbinentriebwerk 1 weist einen Drehzahl-Ls.wertgeber auf, der ein die jeweilige Triebwerksdrehzahl darstellendes Istwertsignal 5 liefert Ein Sollwertgeber 2 (zum Beispiel Gashebel mit elektrischem Umsetzer) dieni zur Einstellung der jeweils gewünschten Triebwerksdrehzahl. Ein Vergleicher 3 vergleicht das vom Istwertgeber kommende Istwertsignal und das vom Sollwertgeber 2 kommende Sollwerisignal miteinander und erzeugt ein die Differenz zwischen diesen darstellendes Fehlersignal e.

Eine Recheneinrichtung 4 bis 9 zur Bildung eines vom Fehlersignal abhängigen Steuersignals zur Ansteuerung eines die Brennstoffzufuhr zum Triebwerk 1 steuernden Stellglieds 10 weist drei Zweige auf. Der erste Zweig enthält einen integrator 4 und einen Verstärker 5 zur Multiplikation des Integrals des Fehlersignals e mit einem ersten Faktor x. Der zweite Zweig enthält einen Verstärker 6 zur Multiplikation des Fehlersignals e mit einem zweiten Faktor y. Der dritte Zweig enthält ein Differenzglied 8 und einen Verstärker 9 zur Multiplikation der Ableitung des Fehlersignals mit einem dritten Faktor z. Dem Differenzglied 8 im dritten Zweig ist eine Schaltung 7 zur Kleinsignalunterdrückung vorgeschaltet. Die Ausgänge der drei Verstärker 5, 6 und 9 sind zusammengeschaltet, so daß sich das Steuersignal zur Ansteuerung des Stellglieds 10 als Summensignal der drei Verstärkerausgänge ergibt.

Die drei Verstärker 5, 6 und 9 weisen unabhängig voneinander veränderbare Verstärkungsfaktoren auf. Ihre Anschlüsse zur Veränderung der Verstärkungsfaktoren sind über eine Leitung 11 an den Istwertgeber angeschlossen, so daß die Veränderung der Verstärkungsfaktoren drehzahlabhängig erfulgt. Die drei Faktoren x, y und z, mit denen das Integral des Fehlersignals, das reine Fehlersignal und die Ableitung des Fehlersignals multipliziert werden, sind also veränderlich und jeweils durch die Verstärkungsfak:oren der Verstärker 5,6 und 9 gegeben.

Die Abhängigkeit der drei Faktoren x, y und ζ von der jeweiligen Triebwerksdrehzahl ist durch nichtlineare Funktionen gegeben, die beispielsweise für ein gegebenes Triebwerk in dem Diagramm nach Fig. 2 dargestellt sind.

Die Kleinsignalunterdrückung durch die Schaltung 7 im dritten Zweig der Recheneinrichtung dient dazu, bei nur kleinen Regelabweichungen das Differentialverhalten der Regeleinrichtung zu unterdrücken, wodurch Schwingungen auf Grund eines unerwünscht heftigen Reglereingriffs bei nur geringfügigen Regelabweichungen verhindert werden.
Die Glieder 3 bis 9 der in F i g. 1 gezeigten Regelschaltung können Analogrechenglieder sein. Als Schaltung 7 zur Kleinsignalunterdrückung kann dabei eine einfache Diodensperrschaltung verwendet werden. Die Verstärker 5, 6 und 9 können als Verstärkerschaltungen mit elektronisch veränderbaren Verstärkungsfaktoren ausgebildet und die Funktionen x, yund ζ durch geeignete, nicht dargestellte nichtlineare Netzwerke realisiert sein, die zur Beeinflussung der Verstärkungsfaktoren der Verstärker an entsprechende Steuereingänge derselben angeschlossen sind.

jo Die Regeleinrichtung kann aber auch ganz oder teilweise digital arbeiten, wobei dann die Glieder 3 bis 9 der dargestellten Blockschaltungen alle oder zum Teil als digitale Rechenschaltungen ausgebildet sind. Schließlich ist es auch möglich, eine digitale Recheneinrichtung zu verwenden, die so programmiert ist, daß sie die genannten Aufgaben der Glieder 3 bis 9 der dargestellten Blockschaltung erfüllt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Brennstoffregeleinrichtung für Gasturbinentriebwerke mit einem Drehzahl-Istwertgeber, einem Drehzahl-Sollwertgeber, einer Istwert und Sollwert vergleichenden und ein entsprechendes Fehlersignal erzeugenden Einrichtung und einer Recheneinrichtung zur Bildung eines vom Fehlersignal abhängigen Steuersignals zur Ansteuerung eines die Brennstoffzufuhr steuernden Stellglieds, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung (4 bis 9) das Steuersignal als Summe dreier mathematischer Ausdrücke bildet, von denen der erste Ausdruck das mit einem ersten Faktor (x) multiplizierte Integral des Fehlersignals (e), der zweite Ausdruck das mit einem zweiten Faktor (y) multiplizierte Fehlersignal und der dritte Ausdruck die mit einem dritten Faktor (z) multiplizierte Ableitung des Fehlersignals ist, und daß die drei Faktoren (x, y, z) nach bestimmten Funktionen in Abhängigkeit vom Drehzahl-Istwert (S) veränderlich sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem die Ableitung des Fehlersignals (e) erzeugenden Differenzierglied (8) eine Schaltung (7) vorgeschaltet ist, die unterhalb eines bestimmten Schwellenwertes liegende Fehlersignale sperrt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Verstärker (5, 6, 9) mit elektronisch veränderbarer Verstärkung zur Multiplikation mit den Faktoren (x, y, z) vorgesehen sind, denen nichtlineare, mit dem Drehzahl-Istwertsignal (S) gespeiste Verstärkungssteuerschaltungen zugeordnet sind.