DE2140115C3

DE2140115C3 - Elektrische Steuereinrichtung zum Wiedereinschalten der Zündeinrichtung einer Gasturbinenbrennkammer nach Erlöschen der Flamme

Info

Publication number: DE2140115C3
Application number: DE2140115A
Authority: DE
Inventors: John Almondsbury Bristol Mcintyre; Peter Bristol Sewell
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1970-08-11
Filing date: 1971-08-10
Publication date: 1979-10-18
Also published as: FR2102177B1; US3805517A; FR2102177A1; DE2140115B2; GB1340879A; DE2140115A1

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Steuereinrichtung zum Wiedereinschalten der Zündeinrichtung einer Gasturbinenbrennkammer nach Erlöschen der Flamme nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Ein Erlöschen der Flamme hat bei Gasturbinentriebwerken einen anfänglich steilen Abfall des in der Brennkammer herrschenden Druckes und einen Abfall der Triebwerksdrehzahl zur Folge.

Um die Verbrennung nach einem Erlöschen der Flamme wieder in Gang zu setzen, muß die Zündeinrichtung der Brennkammer wieder eingeschaltet werden. Aus der US-PS 30 41 833 ist bereits eine elektrische Steuereinrichtung der eingangs genannten Art zum Wiedereinschalten der Zündeinrichtung bekannt.

Bei der bekannten Steuereinrichtung ist die Dauer der Wiedereinschaltperiode zwar durch Einstellung eines Zeitgebers vorgebbar, stellt jedoch ansonsten eine Konstante dar. Dies bedeutet, daß bei der bekannten Steuereinrichtung nach einem Erlöschen der Flamme die Zündeinrichtung jeweils genau während der vorgegebenen festen Dauer der Wiedereinschaltperiode eingeschaltet bleibt, so daß das weitere Drehzahlverhalten des Triebwerks die Tätigkeiten der die Zündeinrichtung einschaltenden Schaltung nicht mehr beeinflussen kann. Die Wiedereinschaltperiode wird also nach Ablauf der vorgegebenen Zeitdauer abgebrochen, unabhängig davon, ob die Flamme innerhalb

^ls dieser Wiedereinschaltperiode tatsächlich wieder gezündet werden konnte oder nicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuereinrichtung zum Wiedereinschalten der Zündeinrichtung nach Erlöschen der Flamme so auszubilden.

daß eine zweckmäßigere Steuerung der Dauer der Wiedereinschaltperiode stattfindet und sichergestellt ist, daß die Wiedereinschaltperiode nicht beendet wird, bevor die Flamme tatsächlich wieder gezündet worden ist. Dabei muß auch dafür Sorge getragen werden, daß die Wiederzündung der Flamme gefahrlos, d. h. nicht explosionsartig erfolgt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebene Anordnung gelöst.

^Jo Bei der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung wird die Wiedereinschaltperiode erst dann beendet, wenn die Drehzahlverzögerung auf einen beträchtlich unterhalb des Einschaltschwellenwertes gelegenen Ausschaltschwellenwert abgefallen ist. Das Nachlassen der Drehzahlverzögerung bis auf den Ausschaltschwellenwert ist ein Indiz dafür, daß die Flamme gezündet hat und daß die Turbine wieder angetrieben wird, so daß der Drehzahlabfall abgeschwächt wird und schließlich wieder in eine Drehzahlbeschleunigung übergeht.

Gleichzeitig wird während der Wiedereinschaltperiode die Brennstoffzufuhr gedrosselt, indem der die Brennstoffzufuhr normalerweise regelnde Brennstoffregler übersteuert wird, so daß sich zum Zeitpunkt des Wiederzündens keine übergroße Brennstoffmenge in der Brennkammer befindet und das Wiederanzünden der Flamme keine explosionsartige Verbrennung herbeiführen kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteranspriiche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 in schematischer Darstellung ein Gasturbinentriebwerk mit einer elektrischen Steuereinrichtung zum Wiedereinschalten der Zündeinrichtung,

Fig. 2 charakteristische Arbeitskennlinien der Steuereinrichtung und

F i g. 3 ein mehr ins einzelne gehendes Blockschaltbild der Steuereinrichtung.

Das in Fig. I gezeigte Gasturbinentriebwerk 4 weist einen Lufteinlaß 5, einen Niederdruckverdichter 6, einen Hochdruckverdichter 7, eine Brennkammeranordnung 8, eine den Hochdruckverdichter antreibende Hochdruckturbine 9. eine den Niederdruckverdiehter antreibende Niederdruckturbine 10 und ein Strahlrohr 11 auf.
Die Brennstoffzufuhr zur Brennkammeranordnung 8 und damit die Drehzahl des Gasturbinenantriebwerks wird mittels eines in der Brennstoffzuleitung 13

liegenden und von einem Stellantrieb 14 betätigten Drosselventil 12 gesteuert. Die Regelung des Triebwerks erfolgt durch einen Rechner Z jeweils in Abhängigkeit von einem Befehlssignal PL entsprechend der jeweiligen Stellung eines Gashebels 1!).

Der Rechner Zenthält einen Brennstoffregler 16, der den Drosselventilstellantrieb 14 mitte::, eines Stellsignals F ansteuert. Vom Stellantrieb 14 erhält der Brennstoffregler als Rückführungssignale ein Ventilpositionssignal TP und ein Stellgeschwindigkeitssignal 7 V. Außerdem enthält der Rechner eine Wiederzünd-Steuerschaltung 17 zum Wiedereinschalten der Zündeinrichtung 18 der Brennkammeranordnung, wenn die Flamme im Betrieb erlischt.

Während des normalen Triebwerkbetriebs regelt der Brennstoffregler 16 die Brennstoffzufuhr entsprechend dem Befehlssignal PL und die Zündeinrichtung 18 ist abgeschaltet. Der Brennstoffregler 16 begrenzt außerdem die jeweilige Beschleunigung und Verzögerung des Triebwerks.

Im Falle eines Erlöschens der Flamme in der Brennkammeranordnung 8 übersteuert die Steuerschaltung 17 den Brennstoffregler 16 und bewirkt eine Verringerung der Brennstoffzufuhr entsprechend dem Maße, in welchem die Triebwerksdrehzahl infolge des Fehlens der Flamme abfällt. Gleichzeitig schaltet die Steuerschaltung 17 durch ein Signal / die Zündeinrichtung 18 wieder ein.

Die dem Rechner zugeführten Signale Ti und N geben die jeweilige Verdichtereinlaßtemperatur bzw. die Drehzahl des Hochdruckverdichters 7 an.

Die Drosselung der Brennstoffzufuhr durch die Steuerschaltung 17 erfolgt in der in F i g. 2 dargestellten Weise in Abhängigkeit von dem durch das Fehlen der Flamme bedingten Drehzahlabfall. Die Kurve D 1 zeigt einen typischen, durch das Erlöschen der Flamme bedingten Drehzahlverzögerungsverlauf über dem prozentual auf der Abszisse aufgetragenen Drehzahlmaß N/T^u2. Die Steuerschaltung 17 spricht an, wenn die Verzögerung einen Einschaltschwellenwert DIa überschreitet und bewirkt dann die Drosselung der Brennstoffzufuhr und die Wiedereinschaltung der Zündeinrichtung 18. Der Einschaltschwellenwert DIa liegt oberhalb der vom Brennstoffregler 16 maximal zugelassenen Verzögerung, so daß die Steuerschaltung 17 bei normalen Betriebszuständen de:;; Triebwerks, d. h. unter der Steuerung des Triebwerks durch den Brennstoffregler, nicht ansprechen kann. Die vom Brennstoffregler 16 maximal zugelassene Verzögerung ist durch die Kurve E1 dargestellt.

Die Größe der durch das Erlöschen der Flamme bedingten Verzögerung nimmt mit kleiner werdender Triebwerksdrehzahl vor dem Erlöschen der Flamme ab. Aus diesem Grund liegen die für die verschiedenen Triebwerksdrehzahlen maßgeblichen Einschaltschwellenwerte auf einer geneigten Arbeitslinie A, so daß beispielsweise für eine Verzögerungskurve D 2 ein Einschaltschwellenwert D 2«? oder für eine Verzögerungskurve D 3 ein Einschaltschwel enwert D 3a gegeben ist. Die Arbeitslinie A sollte natürlich möglichst dicht über einer Linie C verlaufen, auf welcher die vom Brennstoffregler maximal zugelassenen Verzögerungswerte, zum Beispiel E1 c liegen, so daß die Steuerschaltung 17, wenn die Verzögerung die Linie C überschreitet, möglichst schnell anspricht.

Nachdem die Flamme wieder gezündet worden ist, muß die Steuerschaltung !7 wieder abgeschaltet werden, d. h. die Steuerung der Brennstoffzufuhr muß wieder vom Brennstoffregler 16 übernommen und die Zündeinrichtung wieder ausgeschaltet werden. Da ein Wiederzünden der Flamme einen Abfall der Verzögerung bedingt, wird die Steuerschaltung 17 jeweils dann abgeschaltet, wenn die Verzögerung unter einen bestimmten Ausschallschwelleriwert abgefallen is:. Die Ausschaltschwellenwerte, beispielsweise Dib oder D 2b, liegen auf einer weiteren Arbeitslinie B, die wesentlich unterhalb der Arbeitslinie A verläuft,
ίο Sollte der Wiederzündvorgang erfolglos verlaufen, so verzögert sich die Drehzahl bis in einen Drehzahlbereich, in welchem das Triebwerk für einen normalen Startvorgang gedreht werden muß. Dieser Drehzahlbereich liegt in Fig. 2 links von einer Linie S. Damit bei oder unterhalb der Startdrehzahl kein Konflikt zwischen der Steuerschaltung 17 und dem normalen Triebwerksstartsystem auftritt, enden die Arbeitslinien A und ßan der Linie S.

Nachstehend werden der Brennstoffregler 16 und die Steuerschaltung 17 anhand der Fig. 3 mehr im einzelnen beschrieben.

Gemäß F i g. 3 gelangt das vom Gashebel kommende Befehlssignal PL über ein Filter 20 zu einem Summierverstärker 21 und gleichzeitig über ein Filter 28 zu einem Summierverstärker 26. Dem Summierverstärker 21 wird außerdem das Ventilpositionssignal TP des Stellantriebs 74 zugeführt, während dem Summierverstärker 26 außerdem über einen Gleichrichter 25 das Drehzahlsignal N zugeführt wird. Den Summierverstärjo kern 21 und 26 ist eine Höchstwertdurchlaßeinheit 22 nachgeschaltet, der wiederum eine Kleinstwertdurchlaßeinheit 23 und ein Verstärker 24 nachgeschaltet sind. Das Ausgangssignal des Verstärkers 24 wird als Stellsignal Feinen Elektromotor 14-4 des Stellantriebs 14 zugeführt. Die Höchstwertdurchlaßeinheit 22 läßt jeweils das größere, d. h. stärker positive Ausgangssignal der beiden Summierverstärker 21 und 26 durch. Die Stellgeschwindigkeit des Stellantriebs 14 wird durch die Größe des Signals F bestimmt, und zur Stabilisierung des Regelkreises wird das Stellgeschwindigkeitssignal TV über ein Verzögerungsglied 27 als weiteres Rückführungssignal dem Summierverstärker 26 zugeführt.

Die Steuerschaltung 17 enthält ein die Arbeitslinien A und B festlegendes Differenzierglied 35, welches das Drehsignal N differenziert und einen Verstärker 36, einen die Arbeitslinie A bestimmenden Kondensator 37 und einen Kondensator 38 aufweist, der mittels eines Schalters 34 zum Kondensator 37 parallelgeschaltet werden kann. Im parallelgeschalteten Zustand bestimmen die Kondensatoren 37 und 38 zusammen die Arbeitslinie B. Weiter enthält die Schaltung 17 ein Rechenglied 39, das aus dem Drehzahlsignal N und dem Temperatursignal Π den Ausdruck N/T^m berechnet und als weiteres Eingangssignal dem Verstärker 36 zuführt. Durch dieses letztere Signal wird das Ausgangssignal dN/dt des Verstärkers 36 jeweils proportional zur Größe des Signals N/T"² modifiziert, um den bei kleinerer Triebwerksdrehzahlen jeweils bO entsprechend kleinerer auftretenden Verzögerungen bei einem Erlöschen der Flamme Rechnung zu tragen. Außerdem wird dem Verstärker 36 über eine Klemme 40 ein die Lage der Arbeitslinien festlegendes Vorspannungssignal zugeführt. Weiter wird dem Verh5 stärker 36 vom Ausgang der Höchstwertdurchlaßeinheit 22 ein Signal 41 zugeführt, welches dazu dient, den Einschaltschwellenwert zu erhöhen, wenn durch den Piloten mittels des Befehlssignals PL eine Drehzahlver-

zögerung des Triebwerks herbeigeführt wird. Dadurch wird ein Auslösen des Wiedcrzündvorgangs verhindert, wenn eine vom Piloten befohlene Verzögerung so groß ist, daß die Steuerschaltung 17 normalerweise darauf ansprechen würde.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 36 wird einem Schaltverstärker 42 zugeführt, dessen Ausgang über eine Höchstwertdurchlaßeinheit 43 mit der Kleinstwertdurchlaßeinheit 23 verbunden ist. Die Anordnung ist so getroffen, daß bei einem Anstieg des Signals dN/dt über den vorgegebenen Einschaltschwellenwert durch den Schaltverstärker 42 ein Drosselventil-Schließbefehl über die Kleinstwertdurchlaßeinheit 23 an den Stellantrieb 14 gegeben wird. Die Amplitude dieses Schließbefehlsignals wird durch ein ebenfalls der Höchstwertdurchlaßeinheit 43 zugeführtes Vorspannungssignal 44 begrenzt. Das Schließen des Drosselventils bei einem Erlöschen der Flamme wird außerdem dadurch begrenzt, daß der Höchstwertdurchlaßeinheit 43 auch ein vom Ventilposilionssignal TP abgezweigtes Signal TP I zugeführt wird.

Das Ausgangssignal des Schaltverstärkers 42 wird außerdem als Zündsignal /über einen Leistungsverstärker 45 einem Relais 46 zum Einschalten der Zündeinrichtung 18 zugeführt.

Das vom Rechenglied 39 gebildete Signal /V/7""² wird außerdem einem Halteverstärker 50 zugeführt, dessen Ausgang ebenfalls mit dem Schaltverstärker 42 verbunden ist. Dadurch wird der Schaltverstärker 42 in seinem Flammenausfallzustand gehalten, wenn die Triebwerksdrehzahl unter einen bestimmten Wert liegt, beispielsweise unter 60% der normalen Reisegeschwindigkeits-Triebwerksdrehzahl. Dadurch ergibt sich die in F i g. 2 gezeigte Linie 5.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: '

1. Elektrische Steuereinrichtung zum Wiedereinschalten der Zündeinrichtung einer Gasturbinenbrennkammer nach Erlöschen der Flamme, mit einer Drehzahlmeßeinrichtung und einer ein Differenzierglied mit einem Kondensator enthaltenden Schaltung, welche das Drehzahlsignal differenziert und, wenn eine Drehzahlverzögerung einen Einschaltschwellenwert übersteigt, die Zündeinrichtung einschaltet und während einer Wiedereinschaltperiode von gesteuerter Dauer eingeschaltet hält, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (17) Mittel (37, 38, 40) aufweist, die einen unterhalb des Einschaltschwellenwerts gelegenen Ausschaltschwellenwert der Drehzahlverzögerung festlegen, bei dessen Erreichen die Wiedereinschaitperiode jeweils beendet wird, und daß die Schaltung (17) während der Dauer der Wiedereinschaltperiode ein die Brennstoffzufuhr drosselndes Signal an die Brennstoffversorgungseinrichtung (14, 16) der Gasturbinenbrennkammer abgibt.

2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Einschalten der Zündeinrichtung durch die genannte Schaltung (17) mittels eines vom Einschaltsignal (I) abgezweigten Schaltsignals dem Kondensator (37) des Differenzierglieds (35) über einen Schalter (34) ein Zusaizkondensator (38) parallel geschaltet wird, und daß der Ausschaltschwellenwert durch die Parallelschaltung dieser beiden Kondensatoren bestimmt wird.

3. Steuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Schaltung (17) ein Rechenglied (39) enthält, welches aus dem Drehzahlsignal N und einem die Verdichtereinlaßtemperatur TX angebenden Signal ein dem Ausdruck N/TV'² entsprechendes Signal bildet und dem Differenzierglied (35) zuführt,. und daß das Differenzierglied ein Schaltglied (36) aufweist, welches das differenzierte Drehzahlsignal proportional zur Größe des Signals des Rechenglieds (39) modifiziert.

4. Steuereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal N/TV'² des Rechenglieds (39) außer dem Differenzierglied (35) auch einem Halteverstärker (50) zugeführt wird, der so ausgelegt ist, daß sein Ausgangssignal, falls der Wert des vom Rechenglied erzeugten Signals unter einen vorgegebenen Grenzwert abgefallen ist, bewirkt, daß die Schaltung (17) die Zündeinrichtung ständig eingeschaltet hält.