DE19523845C2 - Verfahren und Anordnung zur Regelung der Treibstoffzufuhr für Triebwerke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Regelung der Treibstoff­ zufuhr für Triebwerke bei Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgängen mittels festgelegter Maximalwerte für Turbinendrehzahlen und für Temperaturen bei unter­ schiedlichen Fluglagen deren Differenzen zu ihren Istwerten einem PID-Regler zuge­ führt werden, der ein Treibstoffzufuhrventil in einer Treibstoffzufuhranlage zum Bren­ ner der Turbine steuert.

Ein derartiges Verfahren und eine Anordnung sind aus DE-PS 38 30 804 bekannt. Das dort offenbarte Verfahren hat die Aufgabe, unzulässige Temperaturüberschwin­ ger beim Beschleunigen eines Triebwerks zu vermeiden und setzt dazu einen PID- Regler ein, der als Eingangsgrößen im wesentlichen gewichtete Sollwertdifferenzen und differenzierte Istwerte von Drehzahl und Temperatur aufweist, wobei die Soll­ wertdifferenz die Differenz aus einer gemessenen Hochdruckturbinentemperatur und einer maximalen zulässigen Temperatur bzw. die Differenz aus einer gemessenen Hochdruckturbinendrehzahl und einer maximal zulässigen Hochdruckturbinendreh­ zahl darstellt. Die maximal zulässige Temperatur ist von den Flugzuständen des Flug­ zeugs bzw. den Betriebszuständen des Triebwerks abhängig. Der gemessene Istwert wird dazu pyrometrisch erfasst

Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass es die Unterschiede von Gehäuse und Schaufelblättern im Erwärmungs- oder Abkühlungsverhalten bei Beschleunigung bzw. Verzögerung des Triebwerks nicht berücksichtigt. Dieser Unterschied führt regelmä­ ßig dazu, dass die Istwerterfassung der Temperatur an Schaufelblättern in einem Triebwerk mit Fehlern behaftet ist, die während einer Beschleunigungsphase eine zu niedrige Isttemperatur misst, so dass die Turbineneingangsstufe thermisch überlas­ tet wird und der zulässige maximale Temperaturwert überschritten wird. Damit wird nachteilig nicht nur die Lebensdauer der Turbinenstufe vermindert, sondern auch beim Beschleunigen ein Drehzahlüberschwinger erzeugt, der in einem Schubüber­ schwinger resultiert, so dass kontrollierte Flugmanöver behindert werden. Im Falle der Verzögerung bleibt bei der bisherigen Regelung der thermische Zustand des Triebwerksgehäuses unberücksichtigt, so dass bei erneuter Beschleunigung nachteilig von einem fiktiven und unveränderten thermischen Zustand des Gehäuses ausge­ gangen wird, was zu erheblichen Fehlanpassungen der Brennstoffzufuhr in der erneu­ ten Beschleunigungsphase führt und die Turbinenschaufeln thermisch überlasten kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung zur Regelung der Brennstoffzufuhr für Triebwerke anzugeben, wobei erwärmungs- oder abkühlungsbe­ dingte Fehler der Istwerterfassung der Temperaturen in einem Triebwerk berücksich­ tigt werden und Schub- oder Temperaturüberschwinger ausgeschlossen werden, so dass eine verbesserte Lebensdauer des Triebwerks bei gleichzeitig maximal zulässi­ ger thermischer Belastung erreicht wird und sichere Flug- und Rollmanöver gewähr­ leistet werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 und Patentan­ spruch 5 angegebenen Merkmale gelöst, wobei die maximal zulässige Temperatur der Hochdruckturbine mit dem Erwärmungs- oder Abkühlungsverhalten des Trieb­ werksgehäuses gewichtet wird, und die daraus resultierenden Temperatur- und Drehzahldifferenzen dem PID-Regler zugeführt werden.

Diese Lösung hat den Vorteil, dass keine idealisierten und abstrahierten Tempera­ turdifferenzen des Rotors, insbesondere der Hochdruckturbine des Regelverhalten bestimmen, sondern dass das real existierende Erwärmungs- oder Abkühlungsverhal­ ten des Triebwerksgehäuses in die Regelung mit einbezogen wird. Die eine Tempera­ turerfassung der Turbineneingangsstufe verfälschende Wärmestrahlung des Trieb­ werksgehäuses ist bei niedriger Ausgangsdrehzahl gering und wächst bei einer Be­ schleunigung langsamer als die Temperaturzunahme der Turbinenstufe. Die Wärme­ strahlungswerte, die die Grundlage der Temperaturerfassung und damit der Istwerte der Temperatur bilden, setzen sich aus den Wärmestrahlungswerten der Eingangs­ stufe der Hochdruckturbine und den Streuwerten des Gehäuses zusammen, so dass die Temperaturerfassung in der Beschleunigungsphase zu niedrige Istwerte misst und damit eine höhere Temperaturdifferenz zur maximal zulässigen Turbinenein­ gangstemperatur vorgibt, als real vorhanden. Gleiches gilt mit umgekehrten Vorzei­ chen für die Verzögerungsphase, wobei jedoch kein direkter negativer Einfluss auf die Regelgüte bei Verzögerungen vorhanden ist, da diese nicht in analoger Weise durch einen minimalen Temperaturgrenzwert bestimmt wird. Andererseits gewähr­ leistet die vorliegende Erfindung, dass bei Verzögerungen vorteilhaft zu jeder Zeit der variierende thermische Zustand des Turbinengehäuses verfolgt wird und damit der Startpunkt bei einer erneuten Beschleunigung dem thermischen Verhalten des Triebwerksgehäuses angepasst ist. Deshalb wird mit der vorliegenden Erfindung die Realitätsferne der bisher bekannten Regelungsverfahren und -anordnungen über­ wunden.

Bei dem vorliegenden Verfahren wird zur Wichtung der maximal zulässigen Tempera­ tur eine Temperaturminderung (ΔT) über einen Filter verzögert, wobei der Filter das Wärmeverhalten des Triebwerksgehäuses mit unterschiedlichen Zeitkonstanten (τ_e, τ _a) bei Wärmeaufnahme des Triebwerkgehäuse in einer Erwärmungs- oder Beschleuni­ gungsphase bzw. bei Wärmeabgabe vom Triebwerksgehäuse in einer Abkühlungs- oder Verzögerungsphase zwischen unterschiedlichen Betriebszuständen des Trieb­ werks bei unterschiedlichen Roll- oder Flugmanövern eines Flugzeugs nachbildet. Das hat den Vorteil, dass nicht die Wärmestrahlung des Triebwerksgehäuses und ihre Auswirkung auf den gemessenen Istwert durch entsprechende zusätzliche Messeinrichtungen und mit entsprechendem Messaufwand ständig zu erfassen ist, sondern dass mit festliegenden, einmalig ermittelten Zeitkonstanten der Einfluss des Triebwerksgehäuses berücksichtigt wird.

Diese Zeitkonstanten werden vorzugsweise in Testläufen des Triebwerks für alle er­ denklichen Übergänge von einem Triebwerkszustand in den anderen bestimmt und gespeichert und bei Bedarf automatisch abgerufen. Das hat den Vorteil, dass das Triebwerk im Fluge keine zusätzlichen, schweren Messvorrichtungen für die Erfas­ sung der Zu- oder Abnähme der Gehäusetemperatur, sondern lediglich einen kleinen und gegenüber einer Meßvorrichtung leichten Halbleiterchip, von dem die vorher ermittelten Zeitkon­ stanten abrufbar sind, mitführen muß.

In der einfachsten Version des erfindungsgemäßen Regelungsver­ fahrens werden vorzugsweise zwei Zeitkonstanten in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Istwert (T_I) der Temperatur und dem Sollwert (T_M) der Temperatur ermittelt und gespeichert, nämlich eine Zeitkonstante (τ_e) für die Erwärmung des Triebwerksgehäuses bei Beschleunigung und eine Zeitkonstante (τ_a) für die Abkühlung des Triebwerksgehäuses bei Verzögerung. Eine Triebwerksgehäuseerwärmung bedeutet eine direkte Energiezufuhr bis der Istwert (T_I) der Temperatur den Maximalwert (T_M) der Temperatur bis auf einen Schwellenwert (T_K) erreicht hat. Dazu wird zunächst ein Testrig eingesetzt und an­ schließend bei Triebwerksversuchen eine Feinanpassung der Zeitkonstanten τ_e und τ_a anhand des Triebwerksverhaltens vor­ genommen.

In einer anderen bevorzugten Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die Temperaturminderung (ΔT) eine obere Grenze (ΔT_max) auf und steigt proportional zu einer Differenz (N_D) zwi­ schen dem Istwert (N_I) der Drehzahl und einem Drehzahlschwel­ lenwert (N_SCH) an, der um 5 bis 20% kleiner als die maximale Drehzahl (N_M) ist. Damit ist die Temperaturminderung abhängig von dem Abstand der Hochdruckturbinendrehzahl von einem kon­ stanten Schwellenwert. Dieser Schwellenwert bewirkt vorteilhaft, daß nach Erreichen des Drehzahlschwellenwertes die Wichtung der maximal zulässigen Temperatur auf 0 gesetzt wird, und damit die Wichtung nicht mehr drehzahlabhängig ist. Über diesen Schwel­ lenwert hinaus wird für das Regelverhalten des PID-Reglers keine Minderung der maximal zulässigen Temperatur mehr benötigt. Die Hochdruckturbinendrehzahl, die gleich der Hochdruckverdichter­ drehzahl ist, wird verwendet, weil diese Drehzahl vorteilhaft das dynamisch schnellste Reaktionssignal auf eine Änderung der Treibstoffzufuhr ist. Dabei bestimmt der Abstand der Hochdruck­ turbinendrehzahl von dem konstanten Schwellenwert den Startwert für die gewichtete maximal zulässige Temperatur bei einer Beschleunigung und stellt somit ein Maß für den anfänglichen Erwärmungszustand des Triebwerks dar.

Vorzugsweise wird auch die Temperaturminderung (ΔT) über einen Faktor gewichtet, der proportional zur Temperaturdifferenz zwi­ schen dem Maximalwert der Temperatur (T_M) und dem gemessenen Istwert der Temperatur (T_I) ist und zwischen einer kleinsten Temperaturminderung (ΔT_min) und einer größten Temperaturminderung (ΔT_max) normierte Werte zwischen 0 und 1 annimmt. Das hat den Vorteil, daß die von der Drehzahldifferenz abhängige Wichtung mit den normierten Werten zwischen 0 und 1 für die Temperatur­ differenz beeinflußt werden kann. Dabei wird als größte Tempera­ turminderung (ΔT_max) aufgrund der Temperaturdifferenz ein Wert gewählt, der gleich der oberen Grenze (ΔT_max) der Temperaturmin­ derung aufgrund der Drehzahldifferenz ist, so daß vorteilhaft bei Verfälschungen oder Fehlern in den Eingangswerten für die Drehzahldifferenz, wie Schwellenwertfehlanpassungen oder Ist­ werterfassungsfehlern der Drehzahl, die von der Temperaturdif­ ferenz abhängige Logik mit dem entsprechenden Proportionalglied gewährleistet, daß die Temperaturminderung in jedem Fall gegen Null geht und die maximale Temperaturbelastung für die Turbinen­ stufe ohne Überschwinger voll ausgeschöpft wird.

In einer weiteren bevorzugten Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden der Anstieg der Temperaturminderung (ΔT) auf­ grund der Drehzahldifferenz (N_D) mit den normierten Werten, die aus der Temperaturdifferenz (T_D) resultieren, in einem Multipli­ kationspunkt (M) multipliziert und dem Filter zugeführt, dessen Ausgangssignal (ΔT) in einem ersten Summationspunkt (S₁) von dem Maximalwert der Temperatur (T_M) zur Bildung der gewichteten Temperatur (T_gew) subtrahiert wird. Mit dieser Multiplikation wird gewährleistet, daß der proportionale Anstieg zwischen einer kleinsten Temperaturminderung (ΔT_min) und einer größten Tempera­ turminderung (ΔT_max) dem Anstieg der Temperaturminderung aufgrund der Drehzahldifferenz überlagert werden kann. Damit wird außer­ dem erreicht, daß die Temperaturminderung (ΔT) bei Erreichen der kleinsten Temperaturminderung (ΔT_min) und damit bei Annäherung der Isttemperatur (T_I) an die maximal zulässige Temperatur (T_M) durch die obige Multiplikation auf 0 gesetzt wird und der PID- Regler die maximal zulässige Temperatur ausregelt.

Erfindungsgemäß wird dieses Verfahren mit einer Regelungsanord­ nung, wie sie durch die Merkmale des Anspruchs 5 definiert wird durchgeführt. Dazu weist das Triebwerk eine Temperaturmeßein­ richtung, vorzugsweise ein Pyrometer, zur Bestimmung des Istwer­ tes der Einlauftemperatur der Turbine und einen Drehzahlmesser zur Bestimmung des Istwertes der Drehzahl der Turbine auf. Die Temperaturmeßeinrichtung und der Drehzahlmesser nehmen die Istwerte der Hochdruckturbine bzw. des Hochdruckverdichters auf. Ein erster Summationspunkt (S₁) verringert eine flugunab­ hängige, festgelegte Maximaltemperatur (T_M) um eine Temperaturminderung (ΔT) zur Wichtung des Maximalwertes, bevor er einem PID-Regler zugeführt wird. Der Ausgang des PID-Reglers steuert ein Stellglied für die Treibstoffzufuhr des Triebwerks. Ein Filter 1'ter Ordnung zur Verzögerung der Temperaturminderung ist dem ersten Summationspunkt (S₁) vorgeschaltet, wobei die Verzögerung durch eine Erwärmungs- oder eine Abkühlungszeitkon­ stante (τ_e, τ_a) bestimmt wird, die entsprechend der Stellung eines dem Filter vorgeschalteten Stellgliedes zum Einsatz kommen.

Diese Regelungsanordnung hat den Vorteil, daß sie keine gerätetechnische Erweiterung und damit kein zusätzliches Gewicht gegenüber den bisher bekannten Regelungsverfahren und -anord­ nungen erfordert, sondern lediglich vorhandene Rechner- und Regelungskapazitäten verwendet und dennoch mit wesenlich verbes­ serter Realitätsnähe arbeitet, so daß die zulässige thermische Belastung eines Triebwerks bei voller Lebendauer der thermisch am höchsten belasteten Komponenten voll ausgeschöpft werden kann und das Triebwerk die höchstmögliche Manövrierfähigkeit für das Fluggerät zuläßt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird einer zweiten Summationsstelle (S₂), die die Drehzahldifferenz (N_D) zwischen einem Schwellenwert der Drehzahl (N_SCH) und dem gemessenen Istwert der Drehzahl (N_I) bildet, ein Proportionalglied nachgeschaltet, dessen Ausgang einer Multiplikationsstelle (M) zugeführt wird. An einem dritten Summationspunkt (S₃) wird eine Temperaturdifferenz (T_D) zwischen dem Maximalwert der Temperatur (T_M) und dem Istwert der Temperatur (T_I) gebildet. Diese Temperaturdifferenz wird einem Proportionalglied mit einer Begrenzung des minimalen und maxi­ malen Temperaturdifferenzwertes zugeführt. Der Ausgang des Proportionalgliedes ist mit der Multiplikationsstelle (M) gekop­ pelt. Der Ausgang der Multiplikationsstelle (M) wird dem Filter 1'ter Ordnung zugeschaltet.

Diese bevorzugte Ausführungsform hat den Vorteil, daß die Tempe­ raturminderung der maximal zulässigen Temperatur vor dem Errei­ chen einer maximalen Drehzahl, nämlich beim Erreichen des Schwellenwertes und vor dem Erreichen der zulässigen maximalen Temperatur auf Null gesetzt wird, so daß in der Endphase bei­ spielsweise einer Beschleunigung die volle maximal zulässige Temperatur die bestimmende Regelgröße für den PID-Regler dar­ stellt und sich ein entsprechend hoher maximaler Schub bei maximaler Drehzahl einstellen kann, ohne das Triebwerk durch Überschwinger der Temperatur zu überlasten oder durch Über­ schwinger in der Drehzahl korrekte Flugmanöver zu behindern. Die anliegenden Zeichnungen erläutern eine bevorzugte Ausfüh­ rungsform der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine Regelungsanordnung zur Durchführung des Regelungsverfahrens der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine Prinzipskizze eines Triebwerks mit Meß- und Regelsignalleitungen für die Steuerung der Brennstoff­ versorgung unter Verwendung des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens.

Fig. 3 zeigt ein Zeitdiagramm für den Verlauf von Hochdruck­ turbinendrehzahl und Hochdruckturbinentemperatur unter Verwendung des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens.

Fig. 1 zeigt eine Regelungsanordnung 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens zur Regelung der Treib­ stoffzufuhr für Triebwerke bei Beschleunigungs- und Verzöge­ rungsvorgängen mittels festgelegter Maximalwerte für Turbinen­ drehzahlen und für Temperaturen bei unterschiedlichen Fluglagen oder Rollmanövern, deren Differenzen zu ihren Istwerten einem PID-Regler 10 zugeführt werden. Der PID-Regler 10 steuert über die Zuleitung 15 ein Treibstoffzufuhrventil, das in Fig. 2, Position 2 gezeigt wird, und die Treibstoffzufuhr zum Brenner, der in Fig. 2, Position 14 gezeigt wird, bestimmt. Das Treib­ stoffzufuhrventil ist dazu in einer Treibstoffzufuhrleitung, die in Fig. 2, Position 3 gezeigt wird, angeordnet.

Der Istwert der Temperatur T_I ist die Hochdruckturbineneinlauftemperatur, die in diesem Beispiel an den Schaufelblättern des Leitgitters der Hochdruckturbine, wie es Fig. 2, Position 16 zeigt, pyrometrisch ermittelt wird. Der Istwert der Drehzahl N_I ist die Drehzahl der Hochdruckturbine, die im Hochdruckverdich­ ter, wie es in Fig. 2, Position 11 gezeigt wird, gemessen wird. Die zulässigen Maximalwerte der Temperatur T_M für die unter­ schiedlichen Betriebszustände des Triebwerks, das in Fig. 2, Position 17 gezeigt wird, werden bei den unterschiedlichen Roll- oder Flugmanövern des Flugzeugs vor der Eingabe in den PID- Regler 10 gewichtet, indem die Maximalwerte T_M an einem ersten Summationspunkt S₁ um eine Temperaturminderung ΔT abgesenkt werden. Diese Temperaturminderung ΔT wird in Abhängigkeit von einer Drehzahldifferenz, einer Temperaturdifferenz und von dem Erwärmungs- oder Abkühlungsverhalten des Triebwerksgehäuses, das in Fig. 2, Position 12 gezeigt wird, über mehrere Funktionsstufen 6, 7 und 8 zwischen einem maximalen Wert ΔT_max und Null variiert.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird zunächst ein Schwel­ lenwert für die Drehzahl N_SCH bei unterschiedlichen Betriebzu­ ständen des Triebwerks festgelegt, der 5 bis 20% unterhalb der maximalen Hochdruckturbinendrehzahl N_M liegt, so daß

N_SCH = N_M - (5 bis 20%) × N_M

ist.

In einem zweiten Summationspunkt S₂ wird die Drehdifferenz N_D zwischen dem Schwellenwert N_SCH und dem Istwert N_I der Dreh­ zahl mit N_D = N_SCH - N_I gebildet und einer logischen Ver­ knüpfung mit Proportionalglied 6 zugeführt. Liegt der Ist­ wert N_I oberhalb dieses Schwellenwertes N_SCH wird also N_D negativ, so wird über die Funktion 6 die Temperaturminderung DT auf Null gesetzt, wodurch drehzahlunabhängig das Triebwerk bis zum festgelegten Maximalwert T_M der Temperatur beschleunigt werden kann. Liegt der Istwert N_I unterhalb dieses Schwellenwertes N_SCH steigt die Temperaturminderung ΔT bis zum Erreichen einer maximalen Temperaturminderung ΔT_max, die in diesem Beispiel 100°C beträgt, proportional mit der Drehzahldifferenz N_D zwischen dem Schwel­ lenwert N_SCH und dem Istwert N_I an. In diesem Beispiel beträgt der Anstieg 4°C pro 1% Drehzahländerung. Die maximale Temperatur­ minderung ΔT_max von beispielsweise 100°C wird in diesem Aus­ führungsbeispiel deshalb bei einer Drehzahlabweichung von 25% vom Schwellenwert N_SCH erreicht.

Das Ausgangssignal der logischen Verknüpfung mit Proportionalglied 6 wird einem Multiplikationspunkt M zugeführt, der die Temperaturminderung, die durch die logische Verknüpfung 6 drehzahlabhängig festgelegt wird, mit normierten Werten zwischen 0 und 1 multipliziert. Diese normierten Werte sind von der Temperaturdifferenz T_D zwischen dem Istwert T_I und dem zulässigen Maximalwert T_M der Hochdruckturbinentemperatur mit

T_D = T_M - T_I

abhängig. Diese Temperaturdifferenz T_D wird in einem dritten Summationspunkt S₃ gebildet. In einer logischen Verknüpfung mit Proportionalglied 7 werden dieser Tempe­ raturdifferenz T_D die normierten Werte zwischen 0 und 1 zugeord­ net. Solange die Temperaturdifferenz T_D den Wert ΔTmax über­ steigt, ist der Ausgang der logischen Verknüpfung 7 auf 1 ge­ setzt, so daß die Multiplikation am Multiplikationspunkt M ins­ gesamt eine Temperaturminderung ergibt, die über das Proportional­ glied 6 alleine von der Drehzahldifferenz bestimmt wird. Unterschreitet die Temperaturdifferenz T_D einen minimalen Wert ΔT_min wird der Ausgang der logischen Verknüpfung 7 auf 0 gesetzt, so daß die Multiplikation am Multiplikationspunkt M insgesamt eine Temperaturminderung von gleichbleibend 0°C ergibt und die gewichtete Temperatur T_gew am Eingang des PID-Reglers 10 auf T_M setzt, so daß der Maximalwert der Temperatur an den Schaufel­ blättern der Turbineneinegangsstufe ohne thermischen Überschwin­ ger erreicht werden kann.

Zwischen dem Multiplikationspunkt M und dem Summationspunkt S₁ ist ein Filter 4 1'ter-Ordnung angeordnet, das die Temperaturminderung ΔT zur Simulation des Erwärmungs- oder Abkühlungsverhaltens des Triebwerksgehäuses zeitlich verzögert. Die Filterzeitkonstante τ ist für die Erwämung τ_e und für die Abkühlung τ_a. Sie werden aus einem Speicher 9 über ein Stellglied 5 mit den Schaltpositionen 0 für Abkühlung und 1 für Erwärmung zum Filter 4 geleitet. Dabei ist die Entscheidung zwischen Erwärmungs- oder Abkühlungszeitkonstante von einer logischen Funktion 8 abhängig, deren Eingang mit dem Summationspunkt S₃ verbunden ist, so daß die Temperaturdifferenz T_D das Eingangssignal bildet. Solange ein Temperaturdifferenz- Schwellenwert T_K nicht überschritten wird, das heißt die Turbineneingangstemperatur nahe der maximalen Temperatur ist, wird das Triebwerksgehäuse erwärmt, und der Ausgang der logischen Funktion 8 wird auf 1 gesetzt, so daß die Erwärmungszeitkonstante τ_e des Triebwerksgehäuses die Zeitkonstante τ des Filters 4 bestimmt. Überschreitet die Temperaturdifferenz T_D den Temperaturdifferenz-Schwellenwert T_K, so ist die Turbineneingangsstufe auf niedriger Temperatur und das Gehäuse gibt Wärme an die Umgebung mit einer Abkühlzeitkonstan­ ten τ_a ab. Die logische Funktion 8 setzt in diesem Fall ihren Ausgang auf 0 und damit das Stellglied 5 in die Position 0, so daß für die Zeitkonstante τ des Filters 4 die Abkühlzeitkon­ stante τ_a des Gehäuses maßgebend wird.

Der Temperaturdiffernez-Schwellenwert wird dabei vorzugsweise gleich der maximalen Temperaturminderung ΔT_max gesetzt, was zur Folge hat, daß jede Verringerung der Temperaturminderung über die Multiplikation mit dem temperaturdifferenzabhängigen Wichtungsfaktor mit der Er­ wärmungszeitkonstanten geschieht.

Fig. 2 zeigt eine Prinzipskizze eines Triebwerks 17 mit Meß- 18, 19 und Regelsignalleitungen 15 für die Steuerung der Brennstoffversorgung unter Verwendung des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens. Dazu werden einer Regelanordnung 1, wie sie Fig. 1 im Detail zeigt, Meßsignale der Istwerte der Drehzahl N_I und der Temperatur T_I und Maximalwerte der Temperatur T_M sowie Schwellenwerte der Drehzahl N_SCH zugeführt. Das Ausgangssignal der Regelanordnung 1 wird über die Signalleitung 15 einem Stell­ ventil 2 zugeleitet, das in der Treibstoffzufuhr 3 für den Brenner 14 des Triebwerks 17 angeordnet ist. Die Hochdruckturbi­ neneinlauftemperatur T_I wird an einem Schaufelblatt 16 des Leitgitters der ersten Turbinenstufe gemessen. Die Hochdrucktur­ binendrehzahl N_I wird im Hochdruchverdichterbereich 20 am Meß­ punkt 11 ermittelt.

Fig. 3 zeigt ein Zeitdiagramm für den Verlauf der Hochdrucktur­ binendrehzahl N_I und der Hochdruckturbinentemperatur T_I, unter Verwendung des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens. Zur Zeit t₀ soll sich in dem Triebwerk ein thermischer Geleichgewichts­ zustand bei einer Drehzahl N_I1, beispielsweise einer Leerlauf­ drehzahl eingestellt haben. Im Zeitpunkt t₁ wird ein neuer Drehzahlwert N_I2 vorgegeben, auf den das Triebwerk zu beschleu­ nigen ist. Verbunden mit dieser Drehzahlvorgabe ist ein Maximalwert T_M für die Temperatur der Schaufelblätter in der Hochdruckturbine, der nicht überschritten werden darf. Da das Triebwerksgehäuse noch relativ kalt ist, wird in der Anfangs­ phase durch die Streuwirkung des Triebwerksgehäuses ein zu kleiner Temperaturwert für die Schaufelblätter als Istwert erfaßt und infolgedessen bei herkömmlicher Regelung eine zu große Temperaturdifferenz zwischen Temperaturistwert T_I und Maximalwert T_M einem PID-Regler vorgegeben, was nachteilig zu der strichpunktierten Übertemperaturkurve T_Ü führt und die Schaufelblätter schädigt. Mit dem Temperaturüberschwinger ist gleichzeitig ein Drehzahlüberschwinger N_Ü gekoppelt, der die Durchführung korrekter Flugmanöver behindert.

Erfindungsgemäß wird deshalb der vorgegebene Maximalwert T_M der Hochdruckturbineneinlauftemperatur im Zeitpunkt t₁ um ΔT_max auf einen gewichteten Temperaturwert T_gew vermindert.

Sobald die Drehzahl N_I zum Zeitpunkt t₂ den Drehzahlstartwert N_ST ent­ sprechend einer maximalen Temperaturminderung ΔT_max über­ schreitet, wird die Temperaturminderung T_F am Filtereingang proportional vermindert, bis im Zeitpunkt t₃ ein Drehzahlschwellen­ wert N_SCH erreicht ist. Danach ist die Temperaturminderung T_F am Filtereingang gleich Null gesetzt. Während der ersten Phase der Beschleunigung von t₁ bis t₄ folgt die Temperaturminderung ΔT der Filtereingangstemperatur T_F mit der größeren Abkühlzeitkonstanten τ_a. Sobald zum Zeitpunkt t₄ die Temperaturdifferenz T_D den Temperaturdifferenz-Schwellenwert T_K unterschreitet, wird auf die kleinere Erwärmungszeitkonstante τ_e umgeschaltet und die Tempe­ raturminderung . . T entsprechend der Erwärmungszeitkonstante τ_e zu Null abgebaut.

In dieser Darstellung wird die Wirkung des erfindungsgemäßen Ver­ zögerungsfilters, das mit unterschiedlichen Zeitkonstanten für Er­ wärmung und Kühlung des Triebwerksgehäuses arbeitet in den Istkurven für die Temperatur T_I und die Drehzahl N_I deutlich, die nun exakt die vorgegebenen Maximalwerte ohne Überschwinger erreichen.

Die nach Fig. 1 eingebaute Sicherheitslogik durch eine Multipli­ kation der drehzahldifferenzabhängigen Temperaturminderung der Funktionsstufe 6 mit dem temperaturdifferenzabhängigen Wichtungs­ faktor der Funktionsstufe 7 hat auf das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel keinen Einfluß.

Claims (6)

1. Verfahren zur Regelung der Treibstoffzufuhr für Triebwerke bei Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgängen mittels festgelegter Maximalwerte für Turbinendreh­ zahlen und für Temperaturen bei unterschiedlichen Fluglagen, deren Differenz zu ihren Istwerten einem PID-Regler zugeführt werden, der ein Treibstoffzufuhrventil in einer Treibstoffzufuhranlage zum Brenner der Turbine steuert, dadurch ge­ kennzeichnet, dass als Istwert der Temperatur (T_I) die Hochdruckturbineneinlauf­ temperatur und als Istwert der Drehzahl (N_I) die Drehzahl der Hochdruckturbine oder des Hochdruckverdichters gemessen werden und der zulässige Maximal­ wert der Temperatur (T_M) vor der Eingabe in den PID-Regler (10) gewichtet wird, wobei die Wichtung durch eine Temperaturminderung (ΔT) des Maximalwertes der Temperatur (T_M) erfolgt und diese Temperaturminderung (ΔT) über einen Fil­ ter (4) verzögert wird, wobei der Filter das Wärmeverhalten des Triebwerksge­ häuses bei Erwärmung und bei Abkühlung zwischen unterschiedlichen Betriebs­ zuständen in unterschiedlichen Fluglagen mit unterschiedlichen Zeitkonstanten (τ_e, τ_a) die in Testläufen ermittelt und anschließend gespeichert werden, nachbil­ det.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmin­ derung (ΔT) eine obere Grenze (ΔT_max) aufweist und proportional zu einer Diffe­ renz (N_D) zwischen dem Istwert (N_I) der Drehzahl und einem Drehzahlschwellen­ wert (N_SCH) ansteigt, der um 5 bis 20% kleiner als die maximale Drehzahl (N_M) ist, wobei für negative Differenzen die Temperaturminderung (ΔT) Null bleibt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Tempera­ turminderung (ΔT) zwischen einer kleinsten Temperaturminderung (ΔT_min) und ei­ ner größten Temperaturminderung (ΔT_max) proportional zur Temperaturdifferenz zwischen dem Maximalwert der Temperatur (T_M) und dem gemessenen Istwert der Temperatur (T_I) ansteigt und diesem Anstieg normierte Werte zwischen 0 und 1 zugeordnet werden, wobei die größte Temperaturminderung (ΔT_max) gleich der oberen Grenze der Temperaturminderung (ΔT_max) aufgrund der Drehzahldifferenz ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstieg der Tem­ peraturminderung (ΔT) aufgrund der Drehzahldifferenz (N_D) mit den normierten Werten, die aus der Temperaturdifferenz resultieren, in einem Multiplikations­ punkt (M) multipliziert werden und dem Filter (4) zugeführt werden, dessen Aus­ gangssignal (ΔT) in einem ersten Summationspunkt (S₁) von dem Maximalwert der Temperatur (T_M) zur Bildung der gewichteten Temperatur (T_gew) subtrahiert wird.

5. Anordnung zur Regelung der Treibstoffzufuhr für Triebwerke mit einer Tempera­ turmesseinrichtung, vorzugsweise einem Pyrometer, zur Bestimmung des Istwer­ tes (T_I) der Einlauftemperatur der Turbine und einem Drehzahlmesser zur Be­ stimmung des Istwertes der Drehzahl (N_I) der Turbine, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmesseinrichtung (16) und der Drehzahlmesser (11) die Ist­ werte der Hochdruckturbine (13) bzw. des Hochdruckverdichters (20) aufnehmen und ein erster Summationspunkt (S₁) eine fluglagenabhängige, festgelegte Maxi­ maltemperatur (T_M) um eine Temperaturminderung (ΔT) verringert und den sich ergebenden, gewichteten Temperaturwert (T_gew) einem nachgeschalteten PID- Regler (10) zuführt, der ein Stellglied (2) für die Treibstoffzufuhr (3) des Trieb­ werks (17) steuert, wobei ein Filter (4) 1'ter Ordnung zur Verzögerung der Tem­ peraturverminderung dem ersten Summationspunkt (S₁) vorgeschaltet ist und ein Stellglied (5) dem Filter (4) vorgeschaltet ist, wobei das Stellglied (5) eine, jeweils von der Temperaturdifferenz zwischen dem Maximalwert der Temperatur (T_M) und dem Istwert der Temperatur (T_I) abhängige, Erwärmungs- oder Abkühlungszeit­ konstante (τ_e, τ_a) vorgibt.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass einer zweiten Sum­ mationsstelle (S₂), die die Differenz zwischen einem Schwellenwert der Drehzahl (N_SCH) und dem gemessenen Istwert der Drehzahl (N_I) bildet, ein Proportionalglied (6) nachgeschaltet ist, dessen Ausgang einer Multiplikationsstelle (M) zugeführt wird, wobei eine Temperaturdifferenz zwischen dem Maximalwert der Temperatur (T_M) und dem Istwert der Temperatur (T_I) an einem dritten Summationspunkt (S₃) gebildet wird, die an ein Proportionalglied (7) mit minimaler (ΔT_min) und maximaler Temperaturdifferenz (ΔT_max) angeschlossen ist, dessen Ausgang mit der Multiplika­ tionsstelle (M) gekoppelt ist, wobei der Ausgang der Multiplikationsstelle (M) mit dem Filter (4) 1'ter Ordnung zusammenwirkt.