DE2140115A1

DE2140115A1 - Elektrisches Steuersystem für Gas turbinentnebwerke

Info

Publication number: DE2140115A1
Application number: DE19712140115
Authority: DE
Inventors: Peter Bristol Mclntyre John Almondsbury Bristol Sewell, (Großbritan men)
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1970-08-11
Filing date: 1971-08-10
Publication date: 1972-02-17
Also published as: DE2140115B2; DE2140115C3; FR2102177A1; US3805517A; FR2102177B1; GB1340879A

Description

PL. ing. E. HOLZEB

«9 AUGSBURG

-9TKASSH 14

2H0115

R. 806

Augsburg, den 9. August 1971

Der Staatssekretär für Verteidigung in der Regierung Ihrer Majestät der Königin des Vereinigten Königreiches von Großbritannien und Nordirland, Whitehall, London S.W.1,

England

Elektrisches Steuersystem für Gasturbinentriebwerke

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Steuersystem für Gasturbinentriebwerke.

Bei Gasturbinentriebwerken hat ein Flammenausfall anfänglich einen steilen Abfall des im Triebwerk herr-

— 1 «"

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sehenden Verbrennungsdruckes und einen verhältnismäßig geringeren Abfall der Triebwerksdrehzahl zur Folge.

Ein Ausfall der Brennkammerflamme kann durch einen Fehler im Triebwerk oder in seinem Steuersystem, aber auch durch Umgebungszustände hervorgerufen werden, beispielsweise durch in das Triebwerk eintretendes Eis,

Das Auftreten eines Flammenausfalles macht bestimmte Vorgänge erforderlich. Zunächst muß die Brennstoffströmung zu dem Triebwerk so stark verringert werden, daß kein Brennstoff zugeführt wird, welcher nicht auch verbrennt wird und welcher dadurch beim Wiederzünden des Triebwerkes explosive Verbrennungszustände hervorrufen könnte. Die eine solche Brennstoffverringerung bewirkenden Mittel müssen in der Lage sein, einen Drehzahlregler des Triebwerks zu übersteuern, welcher einen Flammenausfall jeweils anhand einer entsprechenden Drehzahlverringerung feststellt und als Folge dieser Drehzahlverringerung die Brennstoffzufuhr zu verstärken versucht.

Ferner ist es erforderlich, bestimmte Elemente der Triebwerkstartvorrichtung in Funktion zu setzen. Bei Triebwerken, welche keine dauernd eingeschaltete Zündung haben,

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muß die Zündung eingeschaltet werden. Falls das Triebwerk erneut zündet, bevor es bedeutend an Drehzahl verloren hat, so ist dann normalerweise keine weitere Maßnahme erforderlich. Wenn jedoch die Drehzahl des Triebwerks auf eine Gangdrehzahl absinkt, unterhalb welcher der erforderliche Zustand normalerweise nicht mehr hergestellt werden 'kann, dann müssen weitere, normalerweise für den Start' des Triebwerkes bestimmte Elemente herangezogen werden. Wenn bei Plugzeug-Gasturbinentriebwerken ein Ausfall der Brennkammerflamme während des Fluges auftritt, so ist die langsamste Drehzahl, auf welche das Triebwerk abfällt, normalerweise die "Windmühlendrehzahl", d.h. die durch den in das Triebwerk eintretenden Luftstrom hervorgerufene Drehzahl,,

Bezüglich der Verringerung der Brennstoffzufuhr als Folge eines Flammenausfalles ist die Verwendung von Luft-/ Brennstoffverhältnis-Steuersystemen (AFR-Systemen) zur * Begrenzung von Drehzahländerungen von Triebwerken bekannt» Ein solches System mißt jeweils das Verhältnis von Brennstoff- und Luftdruck und reagiert darauf durch eine Änderung der Brennstoffströmung im Sinne der Aufrechterhaltung des erforderlichen Luft-/Brennstoffverhältnisses auf einen bestimmten Wert«, Beim Auftreten eines Flammen-

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ausfalles mißt das Luft-ZBrennstoffverhältnis-Steuersystem die Verringerung des Verbrennungsdruckes und verringert in entsprechendem Maße die Brennstoffströmung,

Das bekannte Flammenausfall-Steuersystem stellt demzufolge einen begleitenden Teil eines Systems zur Steuerung des Luft-/Brennstoffverhältnisses in Abhängigkeit von bestimmten Drucksignalen dar.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, ein Flammenausfall-Steuersystem für Gasturbinentriebwerke zu schaffen, welche jeweils kein Luft-/BrennstoffVerhältnis-Steuersystem der genannten Art aufweisen, um hierdurch jeweils selbständig ein Neuzünden der Brennkammern bei einem unbeabsichtigten Ausfall der Verbrennung zu erzielen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Steuerschaltung zur Bestimmung derjenigen Brennstoffmenge, welche jeweils bei einem bestimmten Befehlssignal für die Triebwerksdrehzahl erforderlich ist, weiter durch eine Schaltung zur Erzeugung eines der jeweiligen Änderung der Triebwerksdrehzahl proportionalen Signals, und durch Mittel, welche auf das proportionale Drehzahländerungssignal ansprechen, wenn dieses einen bestimmten Verzögerungswert

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überschreitet, und xielche dadurch dann das Befehlssignal im Sinne einer Verringerung der Brennstoffströmung übersteuern«,

Die Übersteuerungsmittel sind gemäß der Erfindung so ausgebildet, daß sie einerseits jeweils auf einen bestimmten Verzögerungswert ansprechen und dadurch die genannte Verringerung der Brennstoffströmung bewirken, und daß sie andererseits jeweils auf einen weiteren, kleineren Verzögerungswert ansprechen und dadurch dann die Steuerung durch das Befehlssignal wiederherstellen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 in schernatischer Darstellung ein

Gasturbinentriebwerk mit einem elektrischen Steuersystem nach der Erfindung,

Fig, 2 charakteristische Parameter bzw.

Kurven des erfindungsgemäßen Steuersystems,

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Pig« 3 ein Blockschaltbild, mit v/esentli

chen Teilen des erfindungsgemäßen Steuersystems«

Das in Fig. 1 dargestellte Gasturbinentriebwerk 4 weist, in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet, einen Lufteinlaß 5* ferner Nieder- und Hochdruckverdichter 6, 7, weiter eine Brennkammeranordnung 8, mit den Verdichtern 6, verbundene und diese jeweils antreibende Hoch- und liiederdruckturbinen 9> 10 und ein Strahlrohr 11 auf. Die zu der Brennkammeranordnung 8 führende Brennstoffströmung und dadurch die Drehzahl des Gasturbinentriebwerkes wird durch ein Drosselventil 12 geregelt welches in einer Brennstoffzuleitung 13 liegt und jeweils von einer Antriebseinheit betätigt wird. Das Ventil wird durch ein Signal P gesteuert, welches von einem Rechner Z jeweils in Abhängigkeit eines Befehlssignales PL entsprechend der jeweiligen Stellung eines Piloten-Steuerhebels 19 erzeugt wird. Die Brennkammeranordnung 8 enthält einen von einem Signal I des Rechners Z betätigten elektrischen Zünder 8 zur Zündung des Brennstoff-Luftgemisches und dadurch zur Auslösung der Verbrennung.

Der Rechner Z enthält einen Brennstoffregler 16 und eine Wiederzündeinheit 17. V/ährend des normalen Betriebes

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des Triebwerkes regelt der Regler ΐβ die Brennstoffzufuhr entsprechend dem Befehlssignal PL und der Zünder 18 ist abgeschaltet. Der Regler 16 begrenzt außerdem die jeweilige Beschleunigung und Verzögerung des Triebwerkes in dem Maße, daß ein überdrehen bzw. ein Abwürgen der Verdichter verhindert wird. Im Falle eines Flammenausfalles übersteuert die Wiederzündeinheit IJ den Regler 16 und bewirkt durch ein Signal F eine entsprechende Verringerung der Brennstoff- ^

strömung in dem Haße_a wie die Triebwerksdrehaahl als Folge des Flammenausfalles abfällt. Gleichzeitig erzeugt die Wiederzündeinheit das Signal I, durch welches der Zünder 18 eingeschaltet wird.

Tl und H sind Signale, welche jeweils die Verdichtereinlaßtemperatur bzw. die Drehzahl des Hochdruckverdichters viiedergeben.

Die Brennstoffverringerung durch die Wiederzündeinheit erfolgt gemäß der Erfindung jeweils in Abhängigkeit von der Drehzahlverzögerung, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. In Fig. 2 zeigt die Linie Dl eine typische Flammenausfall-Verzögerung in Abhängigkeit von einer dimensionslos angegebenen

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Geschwindigkeit H/T . Die Wiederzündeinheit 17 wird jeweils dann ausgelöst, d.h. die Brennstoffverringerung wird jeweils

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dann bewirkt und der Zünder 18 eingeschaltet, wenn die Verzögerung einen Schaltpunkt DIa überschreitet. Der Wert der Verzögerung im Punkte DIa ist dadurch gegeben, daß dieser Wert oberhalb der vom Regler 16 maximal zugestandenen Verzögerung liegen muß, so daß die Wiederzündeinheit 17 unter normalen Betriebszuständen des Triebwerkes, d.h. bei einer Steuerung durch den Regler 16, nicht ausgelöst bzw. nicht eingeschaltet ist. Die vom Regler 16 maximal zugelassene Verzögerung ist in Fig. 2 durch eine Kurve El dargestellt. Durch einen Flammenausfall entsteht normalerweise eine größere Verzögerung, als von dem Regler 16 maximal zugestanden wird, so daß normalerweise keine Schwierigkeiten bestehen, den Bereich von Kurven entsprechend der Kurve El zu vermeiden. Jedoch ist ersichtlich, daß der Regler 16 so ausgebildet sein kann, daß er während einer geregelten Verzögerung ein Einschalten der Wiederzündeinheit 17 verhindert. Die Größe der durch einen Flammenausfall bedingten Verzögerung ist für verschiedene Triebwerksdrehzahlen jeweils verschieden, d.h. die durch einen Flammenausfall bedingte Verzögerung ist verhältnismäßig kleiner, wenn die Triebwerksdrehzahl bereits beim Flammenausfall verhältnismäßig klein ist. Aus diesem Grunde liegen die für verschiedene Triebwerksdrehzahlen erforderlichen Einschaltpunkte auf einer Arbeitslinie A, welche in der dargestellten Weise geneigt ist, so daß beispielsweise eine Verzögerung D2

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einen Einschaltpunlct bei D2a hat. Natürlich sollte die Arbeitslinie A so dicht wie möglich bei einer korrespondierenden Linie C für die Maxima von Kurven wie z.B. der Kurve El liegen, so daß die Wiederzündeinheit 17 jeweils so bald wie möglich eingeschaltet wird, nachdem die Verzögerung die Linie C überschritten hat«

Nachdem das Triebwerk wieder gezündet hat, muß die ™

Uiederzündeinheit 17 selbstverständlich xcLeder abgeschaltet werden, d.h. die Steuerung der Brennstoffströmung muß wieder auf den Regler Ib übergehen und der Zünder muß wieder abgeschaltet werden. Da ein erneutes Zünden unvermeidlich auch eine Verringerung der Verzögerung mit sich bringt, wird die Wiederzündeinheit 17 logischerweise jeweils dann abgeschaltet, wenn die Verzögerung unter einen bestimmten Wert abfällt„ Jedoch ist die Arbeitslinie A selbst nicht für diesen Zweck geeignet, da die Verzögerung nicht ausreichend lange oberhalb ä der Arbeitslinie A verbleiben dürfte, um ausreichend Zeit für ein erneutes Zünden zu haben. Dies deshalb, weil die Verzögerung selbst mit sich verkleinernder Triebwerksdrehzahl ebenfalls abfällt und bereits wesentlich abgefallen sein kann, bevor die IJeuzündung stattgefunden hat. Deshalb ist zum Zwecke des Abschaltens der Viiederzündeinheit 17 gemäß der Erfindung eine weitere Arbeitslinie B vorgesehen, welche wesentlich

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näher bei der Achse der Verzögerung Null liegt, als die Arbeitslinie A, wobei die auf der Arbeitslinie B liegenden Punkte, bei v/elcher die Wiederzündeinheit 17 jeweils abgeschaltet wird, jeweils mit DIb und D2b bezeichnet sind.

Falls der Wiederzundvorgang versagt, nachdem die Arbeitslinie B während abfallender Verzögerung überschritten wurde, so stellt sich eine Verzögerung zu demjenigen Drehzahlbereich hin ein, bei v/elcher das Triebwerk für einen normalen Startvorgang gedreht werden muß, d.h. es stellt sich eine Verzögerung ein, welche zu einem in Fig. 2 links einer Linie S gelegenen Drehzahlbereich führt. Da es notwendig ist, daß bei oder unterhalb der Startdrehzahl kein Konflikt zwischen der Wiederzundeinhext 17 und dem normalen Triebwerkstartsystem (nicht dargestellt) auftritt, sind Vorkehrungen getroffen, durch welche die Arbeitslinien A und B an der Linie S enden und dadurch an der Linie S ihre Wirksamkeit verlieren. Mit anderen Worten bedeutet dies, daß die Wiederzündeinheit 17 jeweils dann ausgelöst wird, wenn immer die Verzögerung oberhalb der Arbeitslinie A oder links von der Linie S liegt.

Die Mittel zur Ausführung der mit Bezug auf Fig. 2 beschriebenen Funktionen werden anhand der folgenden Einzelteilbeschreibung des Reglers ίβ und der Wiederzünd-

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einheit 17 mit Bezug auf Fig. 3 verdeutlicht,

Fig. 3 zeigt, daß in dem Regler 16 das Befehlssignal PL gemäß der Erfindung durch einen Diskriminator 20, einen Summierverstärker 21, eine Höchstwert-Durchlaßeinheit 22, eine Kleinstwert-Durchlaßeinheit 23 und einen Ausgangsverstärker 2k hindurchgeleitet wird, um dadurch dann als Signal F der Drosselventil-Antriebseinheit Ik zugeleitet a

zu werden, von welcher ein Elektromotor Ikk jeweils die Verschließ- bzw. öffnungsbex^egungen des Drosselventils 12 bewirkt«, Ein Ventilpositionssignal TP wird jeweils dem Verstärker 21 zugeführt, womit die Positionsregelschleife vollständig ist. Eine ähnliche Anordnung ist für die Reglerschleife vorgesehen, bei welcher das Signal N durch einen Frequenz-auf-Gleichspannungs-Konverter 25 in einen Summierverstärker 26 eingegeben wird, welchem gleichzeitig von einem Diskriminator 21 verarbeitete Befehlssignale PL zugeführt wird. Die Höchstwert-Durchlaß- ™ einheit 22 gestattet jeweils dem größere^ d,h« dem mehr positiven der Ausgangssignale oder Verstärker 21, 26 durch die Antriebseinheit 1*J hindurchzulaufen, vrobei das Ventil ge-

Öffnet wird, wenn das Signal F positiv ist, und umgekehrt. Die Geschwindigkeit des üffens oder Schließens des Drosselventils 12 wird jeweils durch die Amplitude bzw. Stärke des Signals F bestimmt und zur Stabilisierung dieser Schaltungs-

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weise wird gemäß der Erfindung ein Geschwindigkeits-Rückkopplungssignal TV einerseits dem Verstärker 24 und andererseits über eine Verzögerungseinheit 27 dem Verstärker 26 zugeführt.

Bezüglich der Wiederzündeinheit 17 ist aus Fig. 3 ersichtlich, daß die Arbeitslinien A und B durch einen Differentiator 35 gebildet werden, welcher einen Verstärker 36 _t ferner einen Kondensator 37 zur Differenzierung des Signales N für den Zweck der Arbeitslinie A und einen weiteren Kondensator 38 aufweist, welch letzterer mittels eines Schalters 39 dem erstgenannten Kondensator 37 parallel geschaltet werden kann. Die Kondensatoren 37 und 38 bewirken zusammen jeweils eine Differentiation des Signales N für den Zweck der Arbeitslinie B. Ferner liegt gemäß der Erfindung an dem

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Verstärker 36 ein Eingangssignal N/T an, welches von einer Berechnungseinheit 39 erzeugt wird, welcher sowohl das Signal N als auch das Signal Tl zugeführt wird. Das

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Signal N/T wird deshalb dem Verstärker 36 hinzugefügt, um dessen Ausgangssignal dN/dT jeweils proportional zum

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Wert des Signales N/T zu verändern und um dadurch den bei kleineren Triebwerksdrehzahlen jeweils entsprechend kleineren Verzügerungen bei einem Flammenausfall Rechnung zu tragen. Ein Vorspannungssignal kO wird zu dem

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Zwecke in den Verstärker 36 eingebracht, um die Lage der Arbeitslinie mit Bezug auf die eingeschwungene Zustandsgröße festzusetzen. Ein Steuersignal 41 wird mit der Absicht an den Verstärker 36 angelegt, den Ansprechschwellenwert des Flammenausfallsystems zu erhöhen. Das Steuersignal ¹Il wird von dem Ausgang der Höchstwert-Durchlaßeinheit 22 abgeleitet, d.h. von dem Pehlersignal der Brennstoffregelschleifen, so daß der Flammenausfall-Schwellenwert angehoben wird, wenn vom Piloten her ein Drosselventil-Schließbefehl gegeben wird. Dadurch wird gemäß der Erfindung ein Ingangsetzen des Flammenausfall-Programmes verhindert, wenn der Pilot eine Verzögerung bewirkt, die so groß ist, daß die Flammenausfalleinheit normalerweise darauf ansprechen würde.

Das Signal dN/dt wird einem Schaltverstärker bzw, einem Flammenausfallschalter 42 zugeleitet, dessen Ausgang über eine Höchstwert-Durchlaßeinheit 43 an die Kleinstwert-Durchlaßeinheit 23 angeschlossen ist. Die Anordnung ist derart getroffen, daß bei einem Anstieg des Signales dN/dt über die vorbestimmte Schaltgröße der Schalter einen Drosselventil-Schließbefehl an die Einheit 23 abgibt. Die Amplitude dieses Befehlssignale3 ist durch ein Vorspannungssignal 44 in der Einheit 43 begrenzt. Das Schließen des Drosselventiles infolge einer Flammenausfallwirkung ist durch ein an die Einheit 43 angelegtes Zweigleitungssignal TPl des Signals TP auf eine Ruhestellung ^e_#sjfhränkt. Das Signal TP

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nimmt jeweils dann den Wert Null an, wenn das Drosselventil seine Ruhestellung einnimmt, während dieses Signal TP jeweils dann positiv wird, wenn das Drosselventil über seine Ruhestellung hinaus schließt.

Der Ausgang des Schalters 42 ist außerdem über die Leitung des Signales I an einen Leistungsverstärker 45 angeschlossen, um dadurch ein Relais 46 zum Einschalten des Zünders 19 zu treiben.

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Das Signal N/T wird außerdem durch einen Sperrverstärker 5 hindurchgeleitet, dessen Ausgang mit dem Schalter 42 verbunden ist, so daß dieser Schalter jeweils dann in seinem Flammenausfall-Zustand verbleibt, wenn immer die Triebwerksdrehzahl unter einem bestimmten Wert liegt, in diesem Falle bei 60 % der normalen Flüggeschwindigkeits-Triebwerksdrehzahl, Dadurch ergibt sich gemäß der Erfindung die in Fig.2 dargestellte Linie S und es wird sichergestellt, daß der Flammenausfall-Zustand aufrechterhalten wird, falls die Triebwerksdrehzahl bereits unter einen bestimmten Wert abgefallen ist, wenn die Verzögerung aufhört.

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Claims

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Patentansprüche

I !.^Elektrisches Steuersystem für Gasturbinentriebwerke, gekennzeichnet durch eine Steuerschaltung (16) zur Bestimmung derjenigen Brennstoffmenge, Vielehe jeweils bei einem bestimmten Befehlssignal (PL) für die Triebwerksdrehzahl erforderlich ist, weiter durch eine Schaltung (Tl, N) zur Erzeugung eines der jeweiligen Änderung der Triebwerksdrehzahl proportionalen Signales, und durch Mittel (17) _s v/eiche auf das proportionale Drehzahländerungssignal an-

sprechen, wenn dieses einen bestimmten Verzögerungswert überschreitet, und welche dadurch dann das Befehlssignal im Sinne einer Verringerung der Brennstoffströmung übersteuern.
2. Elektrisches Steuersystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ubersteuerungsmittel (17)_s welche einerseits jeweils auf einen bestimmten Verzögerungswert ansprechen und dadurch die genannte Verringerung der Brennstoffströmung bewirken und welche andererseits jeweils auf einen weiteren, kleineren Verzögerungswert ansprechen und dadurch dann die Steuerung durch das Befehlssignal (PL) wieder herstellen.

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