DE2064340B2

DE2064340B2 - Regeleinrichtung fuer eine gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE2064340B2
Application number: DE19702064340
Authority: DE
Inventors: Christian 8080 Furstenfeld brück Maier Karl 8000 München Greune
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1970-12-29
Filing date: 1970-12-29
Publication date: 1973-05-17
Also published as: US3774395A; DE2064340C3; GB1367690A; FR2119961B1; FR2119961A1; IT941175B; DE2064340A1

Description

der beiden Zeitkonstanten von unterschiedlicher Größe einzustellen.

Vorzugsweise sind die Widerstäude A₁ und Ä. in mehrere Elemente aufgeteilt, die einerseits von Hand und andererseits in Abhängigkeit von mindestens einer Kenngröße der Gasturbinenanlage selbsttätig einstellbar sind. Die unterschiedlichen Betriebszustände der Gasturbinenanlage haben nämiich ebenfalls einen Einfluß auf das Zeitverhalten des Thermoelements, und zwar durch die Geschwindigkeit und die Dichte des Gases, das am Thermoelement vorbeiströmt. Da sich die Beträge dieser Einflußgrößen bzw. von in Frage kommenden Kenngrößen der Anlage mit den Betriebszuständen der Anlage ändern, ändert sich auch die Zeitkonstante bzw. ändern sich auch die Zeitkonstanten des Thermoelements, so daß eine vollkommene Korrektur der Zeitkonstanten des Thermoelements nur durch Berücksichtigung dieses Einflusses erfolgen kann.

In der Zeichnung ist in

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel der Regeleinrichtung gemäß der Erfindung in Form eines Blockschaltbilds im Zusammenhang mit einem in Form eines Schaltbilds gezeigten Gasturbinentriebwerks dargestellt. Ferner zeigt

F i g. 2 die Übergangsfunktionen verschiedener Thermoelemente,

Fig. 3 ein Korrektur-Netzwerk der in Fig. 1 dargestellten Regeleinrichtung in Form eines Blockschaltbilds und

F i g. 4 ein Korrektur-Netzwerk der in F i g. 1 darscstellten Regeleinrichtung in Form eines Schaltbilds.

Das Gasturbinentriebwerk gemäß F i g. 1 ist eine Zweiwellenanlage mit einer Gaserzeugerturbine 3, die einen Verdichter 1 für die Verbrennungsluft (mit Überschußluft) antreibt, und mit einer Nutzleistung abgebenden Freiturbine 3 a mit einer Eintrittsleitvorrichtung mit verstellbaren Schaufeln. Das Triebwerk weist weiterhin eine von der Gaserzeugerturbine 3 über ein Getriebe angetriebene Brennstoffpumpe 5, der Brennstoff aus einem Behälter 4 zufließt, und eine Brennkammer 2 mit einer Brennstoffeinspritzdüse 7 auf. Die Funktion des Triebwerks ist aus F i g. 1 ohne weiteres ersichtlich.

Der Brennstoff wird von der Brennstoffpumpe 5 mit erhöhtem Druck einem Regelglied 6 zugeführt, das dem Brennstoff in Abhängigkeit von verschiedenen Größen, darunter in Abhängigkeit von der Stellung eines Stellmotors 15, der Brennstoffeinspritzdüse 7 zuteilt. Änderungen der Brennstoffmenge ändern unter anderem die Temperatur des Gases stromab der Brennkammer 2. Das Regelglied 6 beeinflußt ferner die Stellung der Schaufeln der Eintrittsleitvorrichtung 8. was ebenfalls Einfluß auf die eben genannte Temperatur hat. Das Regelglied 6 kann auch, was nicht dargestellt ist, weitere Elemente des Triebwerks beeinflussen, die Einfluß auf diese Temperatur haben. Zur Messung einer Gastemperatur bzw. von Gastemperaturen stromab der Brennkammer 2 ist ein Thermoelement 9 bzw. sind Thermoelemente 9 vorgesehen. Die Ausgangsspannung des Thermoelements 9 bzw. der Thermoelemente 9 wird bzw. werden einem Verstärker 10 zugeführt. Dieser arbeitet mit sehr großer Konstanz. Er erhöht die Spannung des Thermoelements 9 von einigen Millivolt auf einige Volt und wirkt als konstanter linearer Verstärker, dessen Verstärkungsfaktor unabhängig von der Frequenz im Bereich von 0 bis etwa lOOHeitzist ,

Ein dem Verstärker 10 nachgeschaltetes Korrektur-Netzwerk 11 hat die Aufgabe, die Ausgangsspannungen (-signale) des Verstärkers 10, die gleich den Eingangsspannungen (-Signalen) E des Korrektur-Netzwerks 11 sind, so auszugleichen, daß die Verzögerung, die durch das Thermoelement 9 entsteht, nahezu vollkommen ausgeglichen wird. Die Ausgangsspannung (Ausgangssignal) A des Korrektur-Netzwerks 11 wird einem Temperaturregler T zugeleitet, in dem sie als Istwert-Spannung mit einer Sollwert-Spannung verglichen wird. Die Sollwert-Spannung wird in einem Sollwertgeber 14 in Abhängigkeit von Kenngrößen des Triebwerks erzeugt. Der Unterschied zwischen dieser Istwert-Spannung und dieser Sollwert-Spannung wird als Regelabweichung über einen Regelverstärker 12 auf den Stellmotor 15 gegeben, der über das Regelglied 6 und/oder mindestens ein anderes, nicht dargestelltes Zwischenglied durch Änderung der Brennstoffmenge und/oder der Stellung der genannten Schaufeln oder durch Änderung bzw. Verstellung anderer, in F ig. 1 nicht in Erscheinung tretender Kenngrößen oder Elemente des Triebwerks oder Stellgrößen den Istwert mit dem Sollwert der Temperatur in Übereinstimmung zu bringen sucht.

In F i g. 2 sind die Übergangsfunktionen der verschiedenen Thermoelemente mit ThEl und ThE2 bezeichnet. Eine Analyse dieser Übergangsfunktion zeigt, daß ihr dynamisches Verhalten sehr gut durch das Blockschaltbild gemäß F i g. 3 dargestellt wird. Es handelt sich dabei also um zwei additive Glieder, deren gemeinsame Übergangsfunktionen durch folgende Gleichung dargestellt wird:

In der Zeitebene:

A_itl - 1-a -e-'^T' — b- er''^T-

In der Bildebene:

A =i
" s

und umgeformt:

T.₂s

⁸¹ J(I+ T₁-S)(I+ 7V

Dabei ist

λ = a ■ T₂ + b ■ T₁, a + b = 1, bei t <Ξ 0 ist E_{0 = 0, bei t Ξ> 0 ist Ε_ω = 1.

In den Gleichungen bedeutet A_(l, die Ausgangsgröße als Funktion der Zeit, a, b Gegenspannungspotentiale (Anteilsfaktoren), einstellbar,

/ die Zeit,

T₁, T₂ die Zeitkonstanten (T₁ = R₁ ■ C₁; T₂ = R_s ■ C₂) A_ls) die Ausgangsgröße im Bildraum,

s den Laplaceschen Operator (s. DIN 5487),

κ Umformungsglied,
E_in die Einheitssprungfunktion und F_(sl die Übertragungsfunktion (s. Seite 6).

Benutzt man das inverse Zeitverhalten dieser Thermoelemente zur Korrektur, so läßt sich der dynamische Fehler, der durch die Trägheit der Temperaturregelkreis auch schnelle Signale verarbei-Temperaturregelkreis auch schnelle Signale verarbeiten und ausregeln kann.

Bei der in F i g. 4 gezeigten Schaltung des Korrektur-Netzwerks lautet die Übertragungsfunktion dieses Netzwerks in der Bildebene

F_W=

(I+ T₁-s)(l

1 +«-s

(5)

Das Spannungssignal E, welches vom Verstärker 10 (Fig. 1) geliefert wird, wird am Eingang eines Verstärkers V mit einer Gegenkopplungsspannung verglichen. Diese Gegenkopplungsspanming wird gebildet durch die zeitabhängigen Glieder R₁ 15, 16 und C₁17 sowie R₂ 18,19 und C₂ 20, welche die Zeit- ao konstanten T₁ und T₂ darstellen. Ein Spannungsteiler 21 beeinflußt die Größen der Gegenspannungspotentiale α und b in den oben angegebenen Gleichungen (2) und (4). Durch Verstellung des Spannungsteilers 21 läßt sich der Einfluß der einzelnen Zeitkonstanten as des Korrektur-Netzwerks verändern. Das Ausgangssignal A. des Korrektur-Netzwerks wird dem Temperaturregler T zugeführt. Auf diese Weise ist es möglich, sich den physikalischen Eigenschaften des Thermoelements bzw. der Thermoelemente anzupassen und einen wirkungsvollen Temperaturregelkreis für das Gasturbinentriebwerk aufzubauen. Diese Schaltung bietet darüber hinaus die Möglichkeit, Thermoelemente zu benutzen, bei denen die zweite Zeitkonstante von großem Einfluß ist, da diese korrekt entzerrt werden kann. Damit können Thermoelemente unterschiedlichster Bauart benutzt werden. Außerdem kann diese Schaltung durch Verstellen leicht an verschiedene Thermoelemente angepaßt werden.

Zur weiteren Erhöhung der Wirkung des Korrektur-Netzwerks sind die Widerstände R₁ und R₂ verstellbar ausgebildet. Eine zweckmäßige Ausführung ergibt sich, wenn die Widerstände A₁ und R₂ in mehrere Elemente aufgeteilt werden, von denen'ein Teil, nämlich 15 und 18, zur Einstellung benutzt werden kann, wiährend der andere Teil, nämlich 16 und 19, in Abhängigkeit von Triebwerkskenngrößen, ζ. Β. der Drehzahl« einer Gasturbine des Triebwerks, durch ein Glied 22 automatisch verstellt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Gastemperatur T und eines gegen Temperatur-Patentansprüche: veränderung geschützten Widerstands einerseits und eines weiteren gegen Temperaturveränderung ge-

1. Regeleinrichtung für eine Gasturbinenanlage, schützten Widerstands andererseits besteht Durch mit mindestens einem Thermoelement im Gas- 5 diese Parallelschaltung wird bei geeigneter Wahl der strom stromab der Brennkammer der Anlage, temperaturunabhängigen Widerstände über einen dessen Ausgangsspannung einem Verstärker zu- vorbestimmten Temperaturbereich ein Gesamtwidergeführt wird, mit einem Temperaturregler, in dem stand erhalten, der sich ungefähr mit ]/T ändert, diese Ausgangsspannung als Istwert mit einer Eine Reihenschaltung, die aus diesem Widerstandsvon einem Sollwertgeber zugeführten Sollwert- io netzwerk und einem Tachometer, das durch seine Spannung verglichen wird, und mit einer Stell- Spannung die Drehzahl N einer Gasturbine der einrichtung, auf die der Spannungsunterschied Anlage wiedergibt, besteht, beeinflußt eine Steuerais Regelabweichung einwirkt und durch die, vorrichtung, so daß über eine Änderung der Brennz. B. über Änderung der Brennstoffzufuhr 2ur stoffzufuhr die Leistung der Anlage entsprechend Brennkammer und/oder durch Schaufelverstel- 15 dem Verhältnis N/]1Y selbsttätig gesteuert wird. Es lung an der Eintrittsleitvorrichtung der Nutz- wird also eine Temperatur in einen anderen Nennturbine, der Istwert an den Sollwert der Gas- wert unabhängig von der Zeit umgeformt temperatur anpaßbar ist, dadurch gekenn- Aufgabe der Erfindung ist es, den schädlichen zeichnet, daß zwischen den Verstärker (10) Einfluß des mit Verzögerung ansprechenden Thermo- und den Temperaturregler (T) ein Korrektur- so element! auf die Temperaturregelung zu vermindern Netzwerk (11) mit einem weiteren Verstärker (V) oder zu beseitigen und somit schneller als bei den geschaltet ist, der einen Gegenkopplungszweig mit bekannten Regeleinrichtungen eine Übereinstimmung zeitabhängigen Gliedern aufweist, die in ihm des Istwerts mit dem Sollwert der Temperatur zu eine Korrekturspannung bilden können. erzielen.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch 25 Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfingekennzeichnet, daß die zeitabhängigen Glieder dung vorgeschlagen, daß zwischen den Verstärker des Gegenkopplungszweigs durch einen Wider- und den Temperaturregler ein Korrektur-Netzwerk stand R₁ (15, 16) und einen Kondensator C₁ (17) mit einem weiteren Verstärker geschaltet ist, der sowie einen Widerstand R₂ (18, 19) und einen einen Gegenkopplungszweig mit zeitabhängigen Kondensator C₂ (20) gebildet sind, deren Anteile 30 Gliedern aufweist, die in ihm eine Korrekturspanan der Korrekturspannung durch Verstellung nung bilden können. Durch dieses Korrektur-Netzeines Spannungsteilers (21) einstellbar sind. werk wird im Betrieb bei plötzlichen, zeitabhängigen

3. Regeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch Änderungen die Ausgangsspannung des erstgenanngekennzeichnet, daß die Widerstände R₁ und R₃ ten Verstärkers beeinflußt. Im übrigen bleibt diese in mehrere Elemente (15, 16; 18, 19) aufgeteilt 35 Ausgangsspannung konstant. Im stationären Zustand sind, die einerseits (15, 18) von Hand und ande- ist durch die Gegenkopplung die Verstärkung des rerseits (16, 19) in Abhängigkeit von mindestens Korrektur-Netzwerks gleich 1. Durch die Erfindung einer Kenngröße (Drehzahl ri) der Gasturbinen- ist das Zeitverhalten des Thermoelements sehr gut anlage selbsttätig einstellbar sind. kompensierbar, also praktisch ausschaltbar, weil man

40 mit diesem Netzwerk die Eigenschaften des Thermoelements gut anpassen kann. Die Spannungssignale

des erstgenannten Verstärkers können durch das

Netzwerk so kompensiert werden, daß die Verzögerungen, die durch das Thermoelement entstehen, 45 nahezu vollkommen ausgeglichen werden. Im Betrieb

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrich- wirkt nun der Spannungsunterschied zwischen der tung für eine Gasturbinenanlage, mit mindestens Ausgangsspannung des Korrektur-Netzwerks und der einem Thermoelement im Gasstrom stromab der genannten Sollwert-Spannung als Regelabweichung Brennkammer der Anlage, dessen Ausgangsspan- auf die Stelleinrichtung ein, die z. B. durch Änderung nung einem Verstärker zugeführt wird, mit einem 50 der Brennstoffmenge und/oder der Stellung der Temperaturregler, in dem diese Ausgangsspannung Schaufeln der Eintrittsleitvorrichtung der Nutzturbine als Istwert mit einer von einem Sollwertgeber zu- der Anlage den Istwert mit dem Sollwert der Gasgeführten Sollwert-Spannung verglichen wird, und temperatur in Übereinstimmung zu bringen sucht, mit einer Stelleinrichtung, auf die der Spannungs- Diese Änderung und diese Übereinstimmung werder unterschied als Regelabweichung einwirkt und durch 55 schneller erreicht als bei den bekannten Regeldie, z. B. über Änderung der Brennstoffzufuhr zur einrichtungen.

Brennkammer und/oder durch Schaufelverstellung an Insbesondere sind die zeitabhängigen Glieder de;

der Eintrittsleitvorrichtung der Nutzturbine, der Ist- Gegenkopplungszweiges durch einen Widerstand R wert an den Sollwert der Gastemperatur anpaßbar ist. und einen Kondensator C₁ sowie durch einen Wider Bekannte Regeleinrichtungen dieser Art für Gas- 60 stand R₂ und einen Kondensator C₂ gebildet, derei turbinenanlagen oder -triebwerke benutzen Thermo- Anteile "an der Korrekturspannung durch Verstellunj elemente, die mit teilweise erheblicher Verzögerung eines Spannungsteilers einstellbar sind. Hierdurcl ansprechen. können Anteile zweier Zeitkonstanten an der Kor

Es ist bei einer Gasturbinenanlage ein Korrektur- rekturspannUng, die im Thermoelement enthalte! Widerstandsnetzwerk bekannt, das aus einer Par- 65 sein können, auf einfache Weise gebildet werden aufschaltung einer Reihenanordnung eines im Gas- Der Spannungsteiler gibt die Möglichkeit, im Grenz strom stromab einer Brennkammer der Anlage liegen- fall nur die, e ine oder nur die andere Zeitkonstant den Widerstandsthermometers zur Messung der einzustellen oder bei einer mittleren Stellung Anteil