DE2041782A1

DE2041782A1 - Regler fuer die Schuberhoehungsanlage einer Gasturbine mit Kompensation fuer die Rueckkopplungsschleife

Info

Publication number: DE2041782A1
Application number: DE19702041782
Authority: DE
Inventors: Herbert Katz
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1969-11-25
Filing date: 1970-08-22
Publication date: 1971-05-27
Also published as: FR2071660A5; GB1322356A; US3656301A; BE755260A

Description

1 River Road
SCHENECTADY, N.Y./U.S.A.

Regler für die Schuberhöhungsanlage einer Gasturbine mit Kompensation für die Rückkopplungsschleife

Die Erfindung betrifft im allgemeinen Regelsysteme für Gasturbinen mit Schuberhöhungsanlagen, insbesondere Regelsysteme zur Regelung der Düsenaustrittsfläche und der Brennstoffversorgung der Schuberhöhungsanlage zur Verbrennung im Gebläsemantel, in Zweistromtriebwerken und Nachbrennern von Turbostrahltriebwerken oder Turbogeblasetriebwerken.

Axialverdichter wurden in Gasturbinentriebwerken angewendet, um das Energieniveau eines heißen Gasstromes, der von einem solchen Triebwerk erzeugt wurde, zu erhöhen und einen Luftstrom zu liefern, welcher nachfolgend durch eine Düse ausgestoßen wurde, um eine Antriebskraft zu erzeugen. Solche Verdichter enthalten im allgemeinen einen Rotor, welcher zumindest eine am Umfang desselben vorgesehene Reihe von Schaufeln

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mit Tragflächenprofil aufweist, wobei jede verwendete Schaufelreihe mit einer am Umfang angeordneten Reihe von feststehenden Leitschaufeln kombiniert ist, welche ebenfalls Tragflächenprofil aufweisen. Im Normalbetrieb fließt Luft über diese Laufschaufeln und wird stromabwärts von dem Verdichter axial durch einen ringförmigen Strömungskanal von geringerer Dimension gedrückt, um einen Druckluftstrom hoher Energie zu liefern. Was im allgemeinen als "kritischer Zustand" (stall) bezeichnet wird, tritt bei einem Verdichter auf, wenn die Luftströmung von den Lauf- oder Leitschaufeln mit Tragflächenprofil abreißt. Dies erzeugt einen Druckvedust und einen daraus resultierenden Verlust der vom Verdichter abgegebenen Energie. Eine der vordringlichsten Aufgaben ist daher beim Betrieb eines Gasturbinentriebwerkes die Verhütung des "Abwürgens" des Verdichters.

Ein Grundtyp des Gasturbinentriebwerks, im allgemeinen als Turbostrahltriebwerk oder Strahltriebwerk bezeichnet, verwendet einen Axialverdichter, welcher Druckluft in eine Brennkammer ausstößt, in der Brennstoff verbrannt wird, um einen heißen Gasstrom hoher Energie zu erzeugen. Dieser Gasstrom wird dann durch eine Turbine hindurchgeführt und treabt diese an, welche ihrerseits den Rotor des Verdichters in Drehung versetzt. Die verbleibende Energie des heißen Gasstromes kann dann in eine Antriebskraft umgesetzt werden, indem der Gasstrom durch eine Rückstoßdüse ausgestoßen wird. Ein zweiter grundlegender Triebwerkstyp verwendet die gleiche Kombination von Verdichter, Brennkammer und Turbine als ein "Kern-Triebwerk". Der heiße Gasstrom jedoch, treibt eine zweite Turbine, welche ihrerseits einen sogenannten Gebläse- oder Niederdruckkompressor antreibt, welcher einen Luftstrom verdichtet, welcher ebenfalls durch die Rückstoßdüse ausgestoßen wird, um eine Antriebskraft zu erzeugen. Dieser letztere Triebwerkstyp wird als Gebläsetriebwerk bezeichnet.

Sowohl bei den Gebläsetriebwerken als auch bei den Turbostrahltriebwerken wird Brennstoff in dem Gas- oder Luftstrom strom-

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abwärts von der Turbine verbrannt und vor dem Ausstoßen aus der Rückstoßdüse, um eine zusätzliche Antriebskraft zu erzeugen, was als Betrieb mit Nachbrenner- oder Schuberhöhungsanlage bezeichnet ist.

Im Normalbetrieb wird das Gasturbinentriebwerk im allgemeinen von einem Steuerhebel aus geregelt, welcher von dem Piloten betätig wird, und durch das Triebwerkregelsystem die Brennstoffmenge pro Zeiteinheit, zu der Brennkammer und/oder zu dem Nachbrenner des Triebwerks einstellt. Dadurch ist die Geschwindigkeit der Verbrennung und das Energieniveau des heißen Gasstromes bestimmt und ein gewünschter Schub oder eine Energieabgabe des Triebwerks erzeugt. Im Betrieb von Triebwerken mit SchubSteigerung wird der Brennstoff W- für die Zusatzverbrennung an das Triebwerk geliefert nach einem vorgegebenen Brennst off /Luft verhältnis (gewöhnlich in der Form eines Verhältnisses von Brennstoff zu Kompressorabgabedruck P,) als eine Punktion dieser Eingangsstellung des Triebwerkssteuerhebels. Die tatsächliche Brennstoffmenge wird in dem Regler durch Multiplikation der Eingangsreferenz ^γ_τ^-*) mit dem gemessenen Wert von P, erhalten. Wenn der Steuerhebel bewegt wird und die Brennstoffmenge erhöht wird, so wächst der ßebläseabgabedruck und die Machzahl im Gebläsemantel (stromabwärts von dem Gebläse) sinkt ab. Dieses Anwachsen des Drucks als Resultat des Anwachsens der Brennstoffströmungsmenge wird, wenn erlaubt wird damit fortzufahren, das Gebläsedruckverhältnis anheben (Druck am Gebläseausgang/Druck am Gebläseeingang) und ergibt ein aerodynamisches überziehen oder überlasten in dem Gebläse. Um dieses überziehen auszuschließen, muß die Düsenaustrittsfläche geöffnet werden und im Idealfall in eine solche Stellung gebracht werden, daß die gewünschte Gebläseleistung aufrechterhalten wird.

Thermodynamische Gasturbinenprozeßstudien haben gezeigt, daß die Machzahl im Gebläsemantel oder der korrigierte Massenstrom durch den Gebläseauslaß rf.n idealer Parameter ist, um den Plug-

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betrieb bei Zusatzverbrennung aufrechtzuerhalten oder voraaszuberechnen. Es ist daher wünschenswert, die Machzahl abzufühlen und die Rückstoßdüse zu betätigen, um eine darauf bezogene Machzahl aufrechtzuerhalten oder, anders gesagt, ergibt bei diesem Typ eines Regelsystems die Strömungsmenge des Brennstoffs für die Nachverbrennung eine Gebläsemantel-Machzahl und die Rückstoßdüse wird verändert, um eine gewünschte Machzahl aufrechtzuerhalten.

Diese Methode zur Vorgabe einer Machzahl und zur Steuerung der Düsenaustrittsfläche,um die Machzahl aufrechtzuerhalten, wäh-. rend der Brennstoffzufluß für den Nachbrenner zur Erreichung ™ eines gewünschten Nachverbrennungsschubs geregelt wird, ergibt ausgezeichnete Triebwerksleistungen im Dauerbetrieb. Probleme ergeben sich jedoch während der Übergangsbedingungen des Triebwerks. In dem vorbeschriebenen System ist W_fr der Hauptparameter, d.h. der Machzahl-Sensor muß die Wirkung einer Änderung von W~ abfühlen bevor er reagiert, um die Düsenauslaßfläche zu betätigen. Deshalb muß dort eine Änderung in der Machzahl des Gebläsemantels auftreten, bevor etwas unternommen wird, um die Machzahl auf einem gewünschten Wert wieder herzustellen. Wenn die Geschwindigkeit des Anwachsens der Brennstoffmenge hoch ist, wird die Verzögerung oder Nacheilung -wischen der Machzahl an irgendeinem Zeitpunkt und der gewünschten Machzahl anwachsen. Ohne Behinderung kann dieses Nacheilen mit einem Anwachsen der Brennstoffmenge ein Abwürgen oder Stillstand des Gebläses oder mit einem Absinken der Brennstoffmenge ein Erlöschen des Brenners zur Folge haben. Um dieses Problem zu eliminieren, werden normalerweise Verluste an Triebwerksleistung in Kauf genommen, indem man als Bezugsgröße eine hohe Machzahl einstellt ( niedriges Gebläsedruckverhältnis), um einen Stillstand oder ein Erlöschen während der Übergangsperioden zu verhindern. Um sicherzustellen, daß solche Übergangsperioden frei sind von Stillstand oder Erlöschen, muss en gegenwärtig die Regeleinrichtungen enthalten: Vorsteuerungsschaltungen in dem Machzahlregelkreis, um die An-

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sprechbarkeit des Systems zu erhöhen, Geschwindigkeitsbegrenzer an dem Steuersystem für die Brennstoffzufuhr, um zu verhindern, daß die Brennstoffzufuhr dasäu führt, daß die Düsenaustrittsfläche um eine zu große Marge betätigt wird uni Mittel, um die Brennstoffzufuhr zu drosseln, wenn die Machzahl zu niedrig wird.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Regelung zu schaffen, welche die Möglichkeit eines Stillstandes oder eines Erlöschens des Brenners während der Übergangsbedingungen im Triebwerksbetrieb eliminiert, ohne die Notwendigkeit der oben erwähnten Vorsteuerungsschaltungen, Geschwindigkeitsbegrenzer usw.

Ein ähnliches Übergangsproblem existiert in einem Turbostrahltriebwerk mit Schubsteigerung. Die Düsenaustrittefläche ist im allgemeinen so eingestellt, daß eine gewünschte Turbinentemperatur aufrechterhalten wird. Wenn die Brennstoffzufuhr zu dem Nachbrenner oder der Schuberhöhungsanlage anwächst, wird der Druck in der Düse ansteigen und die Arbeitsleistung in der Turbine abfallen, wodurch die Umdrehungszahl pro Minute des Gasgenerators ebenfalls absinkt. Die Hauptbrennstoffregelung des Triebwerkes fühlt das Anwachsen der Geschwindigkeit ab und steigert die Hauptbrennstoffzufuhr, um die Geschwindigkeit wieder herzustellen. Das Anwachsen der Hauptbrennstoffzufuhr ergibt ein Anwachsen der Tufebinentemperatur. Die Regelung der Düsenaustrittsfläche fühlt das Anwachsen der Temperatur ab und reagiert auf das Anwachsen der Düsenfläche und stellt die gewünschte Temperatur wieder her.

Die gleichen AneprechVerzögerungen, die oben bereits im Zusammenhang mit einem Gebläse^riebwerk erwähnt wurden, sind auch bei den Turboatrahltriebwerken mit Zusatzverbrennung vorhanden. Ein Stillstehen des Kompressors tritt normalerweise nicht ein, jedoch nur, weil ein Beschleunigungsbegrenzer für die Brennstoffzufuhr als Schutz eingebaut ist. Große unerwünschte

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Geschwindigk4tsVerringerungen ergeben jedoch manchmal ein Erlöschen des Nachbrenners und ergeben ferner Probleme bei einer erneuten Zündung oder Zyklusprobleme im Nachbrenner. Es ist daher eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, eine Brennstoffregelung für den Nachbrenner zu schaffen, welcher diesen unerwünschten Geschwindigkeitsabfall und Zyklusprobleme im Nachbrenner eliminiert.

Viele Brennstoffregelsystem wurden entwickelt, um zu versuchen, die oben erwähnten Probleme zu lösen. Ein System wurde entwickelt, in dem die Rückstoßdüse als Punktion der Stellung des von dem Piloten betätigten Schubhebels eingestellt wird. Die Brennstoffzufuhr zum Nachbrenner ist dann als Punktion der Stellung der Rückstoßdüse vorgegeben. Auf diesem Wege kann die Brennstoffversorgung des Nachbrenners niemals der Einstellung der Düse voreilen, sondern folgt dieser und die Probleme des Gebläsestillstands und Gesbhwindigkeitsabfalls sind gelöst. Nachteilig ist bei diesem Verfahren, daß man keine ausreichend genaue Triebwerksleistung erzielt. Die Machzahl (oder für ein Turbostrahltriebwerk die Turbinentemperatur) ist ein fließender Parameter und große Veränderungen des Schubs und des spezifischen Brennstoffverbrauchs treten bei Typen mit einem derartigen Brennstoffregelupgssystem auf.

Es ist daher eine wesentlich Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Regelsystem für die Brennstoffzufuhr eines Nachbrenners zu schaffen, in dem die Düsenaustrittsfläche so eingestellt ist, daß eine gewünschte Machzahl aufrechterhalten ist (oder Turbinentemperatur) und die Brennstoffversorgung des Nachbrenners durch die Stellung des vom Piloten betätigten Schubhebels während des Dauerbetriebs vorgegeben ist, wobei jedoch die Brennstoffzufuhr zum Nachbrenner während des Übergangsbetrieb3 durch die Düsenaustrittsfläche geregelt wird.

Kurz gesagt, werden die oben erwähnten Ziele erreicht, indem man ein Regelsystem für ein Turbogebläsetriebwerk oder der-

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gleichen vorsieht, welches Mittel aufweist, um die Machzahl der Strömung, welche den Gebläsemantel verläßt, abzufühlen. Das System enthält ferner Mittel zur Abfühlung der Gebläseeinlaßtemperatur, Mittel um daraus eine gewünschte Machzahl im Gebläsemantel zu erzeugen, und desweiteren Mittel zur Erzeugung eines Machzahlfehlerimpulses. Die Düsenaustrittsfläche ist auf der Basis des Beharrungszustandes eingestellt, um eine gewünschte Machzahl aufrechtzuerhalten, und die Brennstoffversorgung für den Nachbrenner ist eine Punktion der Stellung des vom Piloten betätigten Steuerhebels, wenn die Auswirkungen der Machzahl-Fehlerimpulse auf die Impulse für die Brennstoffversorgung des Nachbrenners eliminiert werden, indem diese einen Integrator passieren. Während der Übergangsperioden folgt die Brennstoffversorgung des Nachbrenners der Stellung der Düsenaustrittsfläche, d.h. sie ist als Funktion der Düsenaustrittsfläche eingestellt mit geringen Abweichungen infolge der Machzahl-Regelung.

In der nachfolgenden Beschreibung sind rein beispielsweise zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit den rein schematischen Darstellungen der beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Turbogebläsetriebwerks und einer dafür konstruierten erfindungsgemäßen Regelschaltung.

Figur 2 zeigt eine ähnliche schematische Darstellung eines Turbostrahltriebwerkes, in das das erfindungsgemäße Regelsystem eingebaut ist.

In Figur 1 iet rein echematisch ein Tufrbogebläsegasturbinentriebwerk 10 mit einem erfindungsgemäßen Regelsystem dargestellt . Das Triebwerk 10 enthält ein äußeres Gehäuse 12 und ein konzentrisches inneres Gehäuse 14, welches einen Gebläeemantel oder Ringraum »wischen diesen bildet. Ein Kern-

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triebwerk ist innerhalb des Gehäuses 14 angeordnet und enthält einen Rotor, welcher an einem Ende einen Verdichter 16 aufweist, der einen konvergierenden ringförmigen Kanal 18 bildet und am anderen Ende einer Turbine 20. Das Triebwerk enthält desweiteren einen zweiten Rotor, welcher an einem Ende einen Niederdruckverdichter oder ein Gebläse 24 aufweist und an seinem gegenüberliegenden Ende eine Gebläseturbine 26, welche das Gebläse 24 antmbt. Sehr vereinfacht dargestellt, wird im Betrieb dieses Triebwerkes ein ringförmiger Luftstrom durch den Verdichter 16 in dem Kanal 18 verdichtet. Die Entzündung des Brennstoffes in einer Brennkammer 28 erzeugt einen Hochenergiegasstrom, welcher zuerst durch die Turbine 20 geht, um den Kerntriebwerksverdichter 16 anzutreiben und dann durch die Gebläseturbine 26, um das Gebläse 24 anzutreiben.

Luft, welche durch den Triebwerkseinlaß eintritt, wie im allgemeinen bei 30 gezeigt, wird zunächst durch das Gebläse 24 verdichtet. Ein Teil dieser komprimierten Luft tritt durch das Kerntriebwerk ein, um den heißen Gasstrom, wie oben erwähnt, zu erzeugen. Der restliche Teil der komprimierten Luft wird durch den Gebläsemantel 15 hindurchgeführt. Der heiße Gasstrom, welcher die Brennkammern 28 verläßt, gibt zunächst Arbeit an die Turbine 20 ab, um den Verdichter 16 anzutreiben und gibt dann Arbeit an die Niederdruckturbine 26 ab, um das Gebläse 24 anzutreiben. Der heiße Gasstrom mischt sich dann mit dem Gasstrom, welcher von dem Gebläsemantel 15 kommt, und wird durch eine Rückstoßdüse 32 ausgestoßen, um eine Antriebskraft zu erzeugen.

Um eine gewünschte Antriebekraft zu schaffen, welche mit anderen Parametern des Betriebs übereinstimmt, ist die Rückstoßdüse 32 des Typs mit variabler Austrittsfläche und enthält eine Anzahl von Klappen oder Fingern, welche mechanisch mit einem Betätigungsring 36 untereinander verbunden sind, wie durch die strichlierte Linie 34 dargestellt. Der Betätigungs-

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ring 36 ist in Längsrichtung verschiebbar, und zwar relativ zu dem Gehäuse 12 durch eine Anzahl von Betätigungsgliedern 38 eines Systemtyps (von denen nur eines dargestellt ist), um die Austrittsfläche (im allgemeinen mit A8 bezeichnet) der Düse 32 zu vergrößern oder zu verkleinern. Die Konstruktion, wie sie bis jetzt beschrieben ist, ist bekannt.

Um eine größere Antriebskraft zu erhalten, ist es auch bekannt, zusätzlich Brennstoff zu verbrennen, entweder in dem heißen Gasstrom oder in dem Luftstrom des Sebläsemantels, oder nach der Mischung der beiden Teilströme, bevor sie durch die Schubdüse 32 austreten. Dies wird im allgemeinen als Schubsteigerungs- oder Nachbrennerbetrieb bezeichnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Verbrennungseinrichtung in der Form von Nachbrennerbrennstoffdüsen 40 ausgebildet, welche in einer Zone stromabwärts von dem Gebläsemantel liegen, um Brennstoff in die Gasmischung, welche den Gebläsemantel 15 und die Niederdruckturbine 26 verläßt, einzuspritzen.

Die vorliegende Erfindung ist insbesondere anwendbar auf eine Regelschaltung zur Regelung der Geschwindigkeit der Verbrennung eines Nachbrenners und der Austrittsfläche einer Schubdüse 32 auf eine Art und Weise, welche einen höchst wirksamen Betrieb ergibt, und die Möglichkeit eines Stillstands, der entweder in den TragflügeIschatifein des Gebläses 24 oder in dem Verdichter 16 auftritt, verringert, wenn nicht gar ausschließt. Die Regelschaltung enthält einen Machzahlsignalgenerator 42 zur Erzeugung eines Ausgangssignals, welcher die wirkliche oder Ist-Machzahl des Gasstromes anzeigt, wenn er aus dem Gebläse 24 austritt und in den Gebläsemantel 15 eintritt. Der Signalerzeuger 42 ist mit den Druckproben 44 und 46 verbunden, welche jeweils den statischen (P_e) und den totalen Druck (P^) des Luftstromes an diesem Punkt messen. Diese Drucke werden in elektrische Signale umgewandelt, welche genau die Machzahl an diesem Punkt darstellen. Die Ausgangesignale des Signalgenerators 42 eind eine direkte Funktion von (P. -

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P )/Ρ_. Solche Systeme zur Messung und Erzeugung von Machzahls s

Impulsen sind bekannt.

Hier ist festzustellen, daß mehrere verschiedene Signale in dem vorliegenden Regelsystem angewandt werden. Wie dem Fachmann geläufig, können solche Signale in der Form von Gleichströmen mit richtiger Polarität und Größe für die besagten Funktionen abgegeben werden. Es sollte selbstverständlich sein, daß auch andere Signale oder Impulse hierfür angewandt werden können und den gleicleen Funktionen dienen können.

Die Ist-Machzahl-Signale werden an einem Summierungspunkt 48 verglichen mit einem gewünschten oder Soll-Machzahl-Signal, welche» von einem Soll-Machzahl-Signalgenerator 50 erzeugt wird. Der Signalgenerator 50 liefert ein Signal, welches eine gewünschte Machzahl am Gebläseausgang als eine Funktion der Temperatur der Luft, die in das Triebwerk eintritt, darstellt,wache ihrerseits die korrigierte Drehzahl des Gebläses infolge der Einwirkung der Kerntriebwerksbrennstoffregelung darstellt, welche die Kernbrennstoffzufuhr regelt, um die gewünschte Gebläsedrehzahl aufrechtauerhalten. Um dies zu erzielen, ist eine Verbhdung von einem Temperaturfühler 52, welcher am Gebläseeinlaß angeordnet ist, zu dem Signalgene-' rator 50 vorgesehen. Der Signalgenerator 50 kann von dem Typ des bekannten Diodenfunktions-Generators sein, welcher eine Ausgangsspannung liefert, welche eine vorbestimmte Beziehung zur Gebläseeinlaßtemperatur und eine angenommene konstante Gebläsedrehzahl aufweist (Die Gebläsedrehzahl kann als konstant angenommen werden infolge der Tatsache, daß die Gebläsedrehzahl im Hauptbrennstoffteil des Regelsystems, wie vorher erwähnt, geregelt wird.). Der Summierungspunkt US und andere Summierungskpunkt werden nachstehend als Betriebsverstärker bezeichnet, die Ausgangssignale liefern, welche eine mathematische Summierung der Eingangssignale an diese darstellen, wobei sowohl der Größe als auch der Polarität dieser Eingangssignale Rechnung getragen ist.

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Regelung der Düsenau3trittsfläche

In der vorliegenden Schaltung ist die Austrittsfläche der Schubdüse 32 als Funktion der Stellung eines vom Piloten betätigten Schubhebels 54 durch eine mechanische Verbindung von dem Hebel 54 zu einem Signalgenerator 56 für die gewünschte Düsenaustrittsfläche geregelt. Der Signalgenerator 56 kann von bekannter Konstruktion sein und liefert ein Ausgangssignal, das eine gewünschte Fläche ergibt, wobei diese Fläche eine direkte Funktion der Schubsteuerhebelposition ist. Zusätzlich regelt der Steuerhebel 54 die Brennstoffmenge, welche an die Hauptbrennkammern 28 von der Hauptbrennstoffregelung geliefert wird (nicht dargestellt und nicht direkt in Beziehung zur vorliegenden Erfindung stehend).

Wenn es gewünscht ist, einen Nachbrenner oder die Schubsteige rungs an lagejin Gang zu setzen, wird der Drosselhebel 54 um einen bestimmten Betrag bewegt (z.B. in die Stellung Y) und der nachfolgende Zyklus läuft ab: Der Düsenaustrittsflächen-Signalgenerator 56 gibt eine voll geöffnete Düsenaustrittsfläche vor. Ein Lichtdetektor 58 jedoch, in Verbindung mit einem Flammendetektor 6O, verhindert die öffnung der Düsenaustritts fläche über einen voreingestellten Wert hinaus, bis die Zündung des Nachbrenners entdeckt wird. Die Flammendetektors chaltung 6O kann aus einer einfachen Logik bestehen, welche einen Minimumselektor 62 enthält, welcher die öffnung des Düsenaustritts verhindert, bis der Lichtdetektor 58 eine Flamme entdeckt und sodann die Logik einen Impuls an den Minimumselektor abgibt (welcher aus einem einfachen UND-Gitter bestehen kann), wonach dann die erforderliche Vorgabe (Soll-Wert) der Düsenaustrittsfläche von dem Signalgenerator 56 vorgegeben wird.

Die Ausgangssignale von dem Minimumselektor 62 werden zu einem Summierungspunkt 64 geführt und von dort zu einem vereinfachten übertrager 66, dessen Ausgangssignale als Steuersignal

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auf einen Stell- oder Drehantriebsmotor 68 einwirken, welcher ein Vierwegventil TO in Stellang bringt, Das Ventil 70 ist mit einer Quelle eines unter Druck stehenden hydraulischen Mediums,über eine Leitung 72 verbunden und weist Ausgänge 7*1 und 76 auf, weiche jeweils mit dem Kopf und dem Stangenende der BetätigUi'igufelieaer 38 (eines derselben ist wiederholbar strichpunktiert dargestellt) verbunden sind. Das Ventil 70 führt den Betätigungsgliedern 38 in der richtigen V/eise das Medium zu, damit dieses den Betätigungsring 36 in einer Richtung bewegt, in der die Austrittsfläche der Düse 32 entweder anwächst oder verringert wird, je nach der Größe oder der Polarität des Steuersignals. Wie dargestellt, ist das Düsenbetätigungssystem ein integraler geschlossener Regelkreis, dargestellt durch den vereinfachten Funktionsübertrager 66, und einen Düsenaustrittsflächen-Signalrückkopplüngspfad, welcher nachstehend im Detail beschrieben wird.

Brennstoffregelung des Nachbrenners

Die Brennstoffzufuhr zu den liaehbrenner-Brennstoffdüsen HO wird durch ein Dosierventil 78 gesteuert. Dieses Dosierventil ist über eine Leitung 80 mit einer Druckpumpe 82 verbunden, welche vorzugsweise eine Zentrifugalpumpe ist und über eine mechanische Verbindung von dem Rotor 16 des Kerntriebwerksverdichters angetrieben wird. Die Pumpe 82 ist mit einer geeigneten Brennstoffquelle über eine Leitung 84 verbunden und weist darin ein Ventil 86 auf.

Wie vorher erwähnt, ist es wünschenswert, die Geschwindigkeit der Brennstoffzufuhr zum Nachbrenner durch die Stellung des vom Piloten betätigten Steuerhebels 5Ί während des Dauerbetriebs zu steuern und die Geschwindigkeit der Brennstoffzufuhr vorzugeben oder als Punktion der Düsenaustrittsfläche während der übergangsbetriebsbeclingungen zu begrenzen. Diese Ziele werden durch den Gebrauch der nachfolgenden Regelung erreicht.

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(Nachbrenner-Brennstoffzufuhr/Verdichterauslaßdruck) wird vorgegeben als Funktion des Positionssignals der Düsenaustrittsfläche, wobei eine Vorspannung durch die Machzahl-Signale besteht, wie schematisch durch den Brennstoffzuführgeschwindigkeit s-Signalgenerator 88 dargestellt. Das φ Signal wird sodann in einem Multiplikator 90 mit dem Verdichterauslaßdruck multipliziert (wie durch den Sensor 92 abgefühlt), um ein Signal zu erhalten, welches der gewünschten Brennst off zuführgeschwindigkeit entspricht. Dieses Signal steuert den Betrieb eines Drehantriebsmotors 9^, welcher seinerseits den Ausgang des Ventils 78 steuert. Das Eingangssignal an den Brennstoffzufuhrgeschwindigkeits-Signalgenerator 88 wird an dem Summierungspunkt 96 erzeugt, dessen Zweck nachstehend ersichtlich wird.

Indem man auf den Summierungspunkt 96 schaut und für einen Moment das Machzahl-Fehlersignal vernachlässigt* kann man sehen, daß φ eine Funktion der Stellung der Düsenaustrittsfläche ist infolge eines Eingangssignals 77> welches einen Teil de» Rückkopplungsschleife für das Signal der Düsenaustrittsfläche bildet und genau die wirkliche oder Ist-Düsenaustrittsstellung reflektiert. Ein Potentiometer oder Linear-Different ial-Trans format or (LDT) 97 kann benützt werden, um eine Spannung zu liefern, welche die Düsenstellung anzeigt. Der LDT 97 ist normalerweise von einer gesteuerten Frequenz erregt mit einer Ausgangsspannung als Funktion der Stellung. Der Ausgang wird demoduliert, um eine Gleichspannung als Funktion der Stellung zu erhalten.

Machzahl-Regelung

Das Machzahl-Fehlersignal (Regelabweichung) hat folgenden Zweck: Wie vorerwähnt, wird die gewünschte (Soll-)Machzahl als eine Funktion der Gebläseeinlaßtemperatur erzeugt und wird mit der Ist-Machzahl am Summierungspunkt 'i8 verglichen, Das Fehlersignal 100 (Differenz zwischen der Beaugagröße und

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der wirklichen Größe, d.h. zwischen Soll- und Ist-Wert) wird durch einen Integrator (K/S) 98 integriert und das Ausgangssignal des Integrators wird dem Ist-Wert der Düsenaustrittsstellung am Summierungspunkt 96 hinzuaddiert, wie schematisch durch eine Eingangsleitung 101 gezeigt. Dies ergibt ein wirkliches (j»_r von: φ_Γ - F (Ag) + £ (M₃₅ Referenz - M) dt, worin Ag den Ist-Wert der Austrittsfläche der Düse 32 darstellt und worin M_0n- die Machzahl innerhalb des Gebläsemantels ist.

Im Dauerbetrieb muß der Machzahl-Fehler (Eingangsleitung 100) k infolge des Betriebs des Integrators 98 Null sein. Als Ergebnis dieser Integration wird die Machzahl-Regelung das Düsenaustrittsflächensignal durch einen Eingang 102 zum Summierungspunkt 64 modifizieren, um einen Nullfehler der Machzahl zu erhalten. Dadurch ergibt sich folgendes: φ = F (ck) (Dauerbetrieb). Dieses Resultat kann auch mathematisch wie folgt dargestellt werden: Der Eingang zum Funktionsübertrager 66 ist das Fehlersignal von f (dO - wo + } ^^M?5 ^Re~ ferenz - M₂₅) dtJ. Wegen des Integrators 66 muß dieses Fehlersignal im Dauerbetrieb Null sein. Daher ist f (oO -[Ag + Referenz - M₃₅) dtj = 0 (Dauerbetrieb). Daraus folgt Φ φ ( (

_{25 35} j

f (o\) - Φ« = 0 oder φ = f (oO (Dauerbetrieb), r ^r r

Das kompensierte Rückkopplungssystem, welches hier beschrieben wurde, hat somit eine einzige Funktion ausgeführt und beide vorher ertähnten Bedingungen eingehalten, nämlich den gewünschten Dauerbetrieb und den übergang. D.h., daß während des Dauerbetriebs die Machzahl von der Strömung, welche das Gebläse 24 verläßt, gesteuert wird, indem die Düsenaustrittsfläche 32 eingestellt wird. Die Nachbrenner-BrennstoffVersorgung wird durch die Stellung des vom Piloten betätigen Steuerhebels 54 geregelt W^ = f (ck)l. Während der übergnngsbedingungen jedoch wird" die Brennstoffzufuhr zum Nachbrenner als Funktion der Düsenauatrittsfläche 32 vorgegeben mit geringer· Änderungen, die durch die Machzahl-Regelung veranlaßt werden [φ_Γ a f (A₈) + "5"(M₂₅ Ref - M₂₅) dt].

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Diese Veränderungen sind minimal und verbessernd. Während des Dauerbetriebs ist die gewünschte Brennstoffzufuhr eine Punktion von ok , welches auch der algebraischen Sunime der Stellung von Ag und den Ausgangsimpulsen der Machzahl gleich ist;, Daher haben wir eine Nullfehlerposition, ViShrend eines Übergangs statet man von der gewünschten Ag- Position. In anderen Worten, die Machzahl hat Ag zurückgestellt, um eine gewünschte Beziehung von Ag mit W-, zu ergeben. Zu Beginn der Übergangsperiode beginnt Ag zu öffnen und beginnt, die Brennstoffzufuhr von der Eingangsbedingung mit Nullfehler zu erhöhen. Die Machzahl ändert sich nur, um die Spurverzerrung zwischen Ag und W- zu kompensieren. Das Regelsystem tendiert daher dazu, eine bessere Übergangsgenauigkeit zu geben. Das beschriebene System eliminiert auf diese Weise die Notwendigkeit von Geschwindigkeitsbegrenzern in dem System, während es in erheblichem Maße die Stillstands- oder Geschwindigkeitsabfallprobleme reduziert.

Obwohl das System in ein Turbogebläse-Triebwerk eingebaut dargestellt wurde, ist es leicht auch auf Turbos tr aiii triebwerke mit Nachbrenner anwendbar, wie z.B. schematisch dargestellt und bezeichnet mit dem Bezugszeichen 150 in Figur ti. Das Turbostrahltriebwerk 150 besteht aus einem Verdichter 152, einem Brennkammersystem 15^, einer Turbine 156, einem Abgasrohr 158, welches ein Nachbrennersystem 160 enthält und eine Schubdüse 3.62 mit variabler Austrittsfläche. Viele der Elemente des Regelsystema, welches in Figur 2 dargestellt ist, sind denjenigen gemäß Figur 1 identisch und es sind deshalb identische Bezugszeichen verwendet worden.

In dem dargestellten System ersetzt eine Turbinenaustrittß-Temperaturregelung die Gebläaeniaehaahl-Regelung. D.h., der Soll-Machzahl-Signalgenerator 50 und der Ist-Machzahl-Signa]-generator 42 istjdureh einen Soll-Turbinentemperatur-Signalgenerator 200 und einen Ist-Turbineriteinpei^atur-Signalgenerator 202 ersetzt (Es kann sowohl die Turbineneinlaß- als

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auch die Auslaßtemperatur verwendet|werden.). Ein Fehlersignal 2OiJ, welches durch die Differenz zwischen der wirklichen (Ist-) und der gewünschten (Soll-) Temperatur erzeugt wird, wird in einem Integrator 206 integriert und wieder an einem Summierungspunkt 208 mit der Rückkopplungsschleife für die Düsenaustrittsfläche gekoppelt, allgemein dargestellt bei 210. Diese enthält identische Elemente, wie sie auch in Figur 1 dargestellt sind. Daa sieh ergebende Signal wird verwendet, um den Nachbrenner-Brennstoffzufuhrgeschwindigkeits-Signalgenerator 212 zu regeln. Die restlichen Teile des Regelkreises arbeiten ähnlich wie diejenigen, die in Figur 1 beschrieben sind. Ein solches System ergibt einen Dauer- und Übergangsbetrieb für das Turbostrahltriebwerk, welches identisch ist mit demjenigen, wie es für das Turbogfebläsetriebwerk beschrieben ist.

Der Gebrauch des oben beschriebenen Systems ergibt eine Anzahl von Vorteilen. Z.B. erlaubt dieses System,das Abwürgen in dem Triebwerk während der Übergangsbedingungen zu verringern. Das System reduziert die Möglichkeit eines Stillstandes des Verdichters oder eines Geschwindigkeitsabfalls. Das System liefert eine vorzügliche Dauerleistuhg mit einer vereinfachten Regelung, welche die Geschwindigkeitsbegrenzer und die Vorsteuerungsschaltungen, wie sie in herkömmlichen Regelungen Ψ angewandt werden, eliminiert. Letztlich ist das System auch für eine Verwendung in Turbostrahltriebwerken und Turbogebläsetriebwerken geeignet.

An den dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung können, selbstverständlich Abwandlungen vorgenommen werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Alle Kombinationen und Unterkombinationen der dargestellten, beschriebenen und beanspruchten Merkmale sind erfindungswesentlich.

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Claims

- 17 Patentansprüche

Gasturbinentriebwerk des Turbogebläeetyps mit einem Gebläse, einer Niederdruckturbine zum Antrieb des Gebläses und einem Kerntriebwerk mit einem Axialverdichter, einem Primärverbrennungssystem, einer Turbine zum Antrieb des Verdichters, einem SchubsteigerungsVerbrennungssystem, einer Schubdüse mit variabler Austrittsfläche, einem Gebläsemantel, welcher das Kerntriebwerk umgibt und einem vom Piloten betätigten Steuerhebel, gekennzei ch net durch ein Regelsystem zur Veränderung der Brennstoffmenge, welche an das Schubsteigerungsverbrennungssystem geliefert wird und zur Veränderung der Düsenaustrittsfläche, wobei dieses Regelsystem enthält: Mittel (50) zur Vorgabe der Machzahl (M ,,) des Gasstromes an einem bestimmten Punkt innerhalb des Gasturbinentriebwerks,

Mittel (M, 46) zur Bestimmung der Ist-Machzahl (M) des Gasstromes an diesem Punkt und Mittel (48) zur Erzeugung eines Fehlersignals (100), welches die Differenz zwischen der Soll- und der Ist-Machzahl wiedergibt, Mittel (88) zur Erzeugung eines Signals für die Geschwindigkeit der Brennstoffzufuhr zur Schubsteigerungsanlage, Mittel (56) zur Erzeugung eines Signals entsprechend der Düsenaustrittsfläche,

Mittel (96) zur Summierung des Fehlersignals und des Düsenaustrittsflächensignals und

Mittel, um das Summierungssignal sowohl dem Flächensignalerzeuger (56) als auch dem Signalerzeuger (88) für die BrennstoffzufUhrgeschwindigkeit zuzuführen.

2. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet , daß der Signalerzeuger (88) für die Geschwindigkeit der Brennstoffzufuhr zur Schubsteigerungsanlage ein solches Signal erzeugt, daß die Brennstoffzufuhr zur Schubsteigerungsanlage eine Funktion der Düsenaustrittsfläche ist.

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3. Regelsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Signalerzeuger (56) für die Düsenaustrittsfläche ein solches Signal erzeugt, daß die Düsenaustrittsfläche eine Funktion der Stellung des Steuerhebels (5²O ist.

4. Regelsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß das von dem Signalerzeuger (88) für die Geschwindigkeit der Brennstoffzufuhr zur Schubsteigerungsanlage erzeugte Signal, wenn es mit dem Summierungssignal gekoppelt ist, eine Brennstoffzufuhr zur Schubsteigerungsanlage ergibt, die eine Funktion der Düsenaustrittsfläche ist, korrigiert durch das Integral des Fehlersignals.

5. Regelsystem nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Integrator (98) zwischen dem Fehlersignalerzeuger (48) und dem Summierungsmittel (96"), so daß während des Dauerbetriebs die Brennstoffzufuhr zur Schubsteigerungsanlage nur eine Funktion der Stellung des Steuerhebels (54) ist.

6. Regelsystem nach Anspruch 5_S dadurch gekennzeichnet , daß das integrierte Fehlersignal einen Teil einer Rückkopplungsschleife für den Ist-Wert der Düsanaustrittsfläche bildet, so daß im Dauerbetrieb die Düsenaustrittsfläche so eingestellt ist, daß eine gewünschte Machzahl aufrechterhalten wird.

7. Regelsystem zur Änderung der Brennstoffmenge, welche an

die Schubsteigerungsanlage eines Gasturbinentriebwerks ge- liefert wird, dadurch gekennzeichnet , daß dieses System enthält: Mittel (88) zur Erzeugung eines Signals entsprechend der Geschwindigkeit der Brennstoffzufuhr· an die Schubsteigerungsanlage als Punktion der Gasfeurbinendiisenaustritts-■f lache,

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Mittel (56) zur Erzeugung eines Signals entsprechend der Gasturbinendüsenaustrittsfläche als Punktion der Stellung eines vom Piloten betätigten Steuerhebels, Mittel (50) zur Vorgabe der Machzahl des Gasstromes an einem bestimmten Punkt innerhalb des Gasturbinentriebwerks als Funktion der Temperatur des Gases, welches in das Gasturbinentriebwerk eintritt,

Mittel (bU, kB) zur Bestimmung der Ist-Machzahl des Gasstromes an diesem Punkt und Mittel (^8) zur Erzeugung eines Fehlersignals zwischen der Soll-Machzahl und der Ist-Machzahl,

Mittel (96) zur Summierung des Fehlersignals und des Signals entsprechend der Düsenaustrittsfläche und Mittel zur Kopplung des Summierungssignals auf einen Signalerzeuger (88) für die Geschwindigkeit der Brennstoffzufuhr zur Schubsteigerungsanlage und auf den Signalerzeuger (56) für die DUsenaustrittsfläche, so daß während des Dauerbetriebs die Düsenaustrittsfläche genau die Machzahl regelt, und die Stellung des Steuerhebels (5¹O die Brennstoffzuführgeschwindigkeit zur Schubsteuerungsanlage bestimmt, wobei während des Übergangsbetriebs die Düsenaustrittsilache die Geschwindigkeit der Brennstoffzufuhr zur Sehubsteigerungsanlage regelt.

Regelsystem zur Veränderung der Brennstoffmenge, welche an die Schubsteigerungsanlage eines Gasturbinentriebwerks geliefert wird, dadurch gekennzeichnet , daß dieses System enthält:

Mittel (212) zur Erzeugung eines Signals entsprechend der Geschwindigkeit der Brennstoffzufuhr an eine Schubsteigerungsanlage als Punktion der Düsenaustrittsfläche einer Gasturbine,

Mittel (56) zur Erzeugung eines Signals entsprechend der Düsenaustrittsfläche einer Gasturbine als Funktion der Stellung eines vom Piloten betätigen Steuerhebels, Mittel (200) .zur Vorgabe der Temperatur des Gases an einem

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bestimmten Punkt innerhalb des Gasturbinentriebwerks, Mittel (202) zur Bestimmung der Ist-Temperatur des Gases an diesem Punkt und Mittel (203) zur Erzeugung eines Fehlersignals zwischen der Soll-Temperatur und der Ist-Temperatur,

Mittel (2O8) zur Summierung dieses Fehlersignals und des Düsenaustrittsflächensignals und

Mittel zur Kopplung des Summierungssignals auf einen Signalerzeuger (212) für die Geschwindigkeit der Brennstoffzufuhr zur Schubsteigerungsanlage und auf den Signalerzeuger (56) für die Düsenaustrittsfläche, so daß während des Dauerbetriebs die Düsenaustrittsfläche genau die Machzahl regelt, und die Stellung dieses Steuerhebels die Brennstoffzufuhrgeschwindigkeit zur Schubsteigerungsanlage bestimmt, wobei während des Übergangsbetriebs die Düsenaustrittsfläche die Geschwindigkeit der Brennstoffzufuhr" zur Schubsteigerungsanlage regelt.

9. Regelsystem nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet , daß die Temperatur, welche vorgegeben und geregelt ist, die Turbineneinlaßtemperatur ist.

10. Regelsystem nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet , daß die Temperatur, welche vorgegeben " und geregelt ist, die Turbinenaiislaßtemperatur ist.

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