DE2156670C2 - Verfahren und Einrichtung zum Feststellen einer Abweichung in der qualitativen Maschinenleistung eines Gasturbinen-Triebwerkes - Google Patents

Description

a) je eine Integriereinrichtung (32 und 38) am Ausgang des zweiten Istwertaufnehmers (37) und des Sollwertrechners (12, 18, 24, 28) und eine Vergleichseinrichtung am Ausgang der beiden Integriereinrichtungen (32 und 38) oder

b) eine /orvergleichseinrichtung (50) am Ausgang des zweiten isiweriaumennieib (37) und des Sollwertrechners (12, 18, 24, 28), je eine Integriereinrichtung (54 und 58) am Ausgang der Vorvergleichseinrichtung (50) und am Ausgang eines Standardsignalgebers, insbesondere des ersten oder zweiten Istwertaufnehmers (10), oder eines Zeitsigrialgebers und eine Hauptvergleichseinrichtung am Ausgang der beiden Integriereinrichtungen (54 und 58),

wobei in \ dem Fall die Integnereinrichtungen (32, 38; 54, 58) auf eine !.'"gzeitintegrationsdauer. entsprechend beispielsweise der Flugdauer eines mit der Gasturbine ausgerüsteter¹ Flugzeugs einstellbar »ind und daß gegebenenfalls eine durch mindestens eine der Betriebsgrößen gesteuerte Abschalteinrichtung vorgesehen ist. welche den Ermittlungsvorgang während atypischer Betriebsintervalle unterbricht.

2. Einrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung bzw. Hauptvergleichseinnchtung als Ausgangssignal einen Quotienten aus den an ihren Eingängen anliegenden Signalen abgibt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Vorverglnthseinrichtung (50) als Ausgangssignal eine Differenz der an ihren Eingängen anliegenden Signale abgibt.

4. Einrichtung nach Anspruch I oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Vorvergleichseinrichtung (50) als Ausgangssignal einen Quotienten der an ihren Eingängen liegenden Signale abgibt.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Integriereinnchtung (32, 38; 54,58) mit einem Zählwerk versehen ist. welches die eingehenden Pulse summiert, wobei die Pulsrate proportional zu der Größe des zu integrierenden Wertes ist

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung b^vv. die Hauptvergleichseinrichtung wenig stens ein visuelles Anzeigegerät (34, 36 bzw. 56, 57) aufweist, welches an wenigstens eine der Integriereinrichtungen (32, 38; 54, 58) angeschlossen ist und deren Zählstand (Inhalt) anzeigt.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Ausgang der Vergleichseinrichtung bzw. der Vorvergleichseinrichtung (Schaltungspunkt 180 in Fig. 3) angeschlossene Iniegriereinrichtung einen Oszillator (186) mit variabler Frequenz aufweist, dessen Ausgangssignalfrequenz von einer Normalfrequenz -, ausgehend durch das Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung bzw. der Vorvergleichseinnchtung bestimmt ist, wobei ein erstes Zählwerk (188) mit dem Oszillator (186) verbunden ist und dessen Ausgangspulse zählt.

in 8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurcn gekennzeichnet, daß Mittel zur Unterbrechung der Pulseingabe in das erste Zählwerk (188) vorgesehen sind, sobald ein zweites Zählwerk eine einer bestimmten Zeitspanne entsprechende Pulszahl

r, summiert hat.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch wenigstens fine Meßeinrichtung (16; 22) zum Messen eines Einflußfaktors aus der Umgebung des Triebwerks sowie wenigstens einen an die Meßeinrichtung (16; 22) angeschlossenen Korrekturwertrechner (18, 24) zur Berechnung eines Korrektursignals für die erste und/oder zweite Betriebskenngröße aufgrund des Einflußfaktors.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei Wahl der ersten und zweiten Betriebskenngröße aus der Gruppe Abgastemperatur, Maschinendrehzahl --nd Brennstoffzufuhr, eine Meßeinrichtung (16) zum Messen der totalen Lufttemperatur der Umgebung sowie ein in Korrekturwertrechner (18) zum Korrigieren der berechne'en zweiten Betriebskenngröße aufgrund der totalen Lufttemperatur vorgesehen sind.

11. Einrichtung nach Anspruch 9 oder 10 gekennzeichnet durch eine Meßeinrichtung (22) zur Messung der Höhe in der das Triebwerk arbeitet und einen Korrekturwertrechner (24) zum Korrigieren der berechneten zweiten Betriebskenngröße aufgrund der Höhe.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11. dadurch gekennzeichnet, daß .1er an die Meßeinrichtung (Anschlüsse 100, 102, 104) zum Messen der totalen Lufttemperatur der Umgebung angeschlossene Korrektur'Aertrechner (Sektion I in Fig. 5) an einem seiner Ausgänge ein zur Quadratwurzel der

4) gemessenen Lufttemperatur proportionales Signal abgibt und daß der eine Ausgang des Korrekturwertrechners mit dieser Meßeinrichtung in Ruckkopplung verbunden ist. um eine nicht lineare Meßcharaktenstik dieser Meßeinrichtung zu kompensieren.

Die Erfindung betrifft eine F.inrichiung zum Ermitteln des Betriebsverhaltens eines Gasturbinentriebwerkes mit mindestens einem Istwertaufnehmer zum Aufnehmen einer ersten Betriebskenngröße (z B Wcllendrehzahl), mindestens einem Sollwertrechner zum Errechnen einer zweiten BetnebskenngroUe (z B Abgastem peratur) aufgrund der in dem ersten Istwertaufnehmer ermittelten ersten Betriebskenngröße und einem zweiten Istwertaufnehmer zum Aufnehmen des Istwertes der zweiten Betriebskenngröße.

Gasturbinentriebwerke haben sich als außergewöhnlieh zuverlässige Leistungsquellen für Flugzeuge sowie für andere Zwecke, wie Schiffsantriebe und stationäre Elektrogeneratoren, bewährt. Allerdings ist ein Gasturbinentriebwerk eine extrem komplizierte Maschine mit

einer Reihe von Justiermöglichkeiten und anderen Einflußgrößen, welche im Laufe der Zeit Änderungen erfahren, so daß sich eine Verschlechterung in der allgemeinen Maschinenleistung ergeben kann. Hinige dieser Änderungen treten ganz allmählich auf, und die meisten können nicht unmittelbar beobachtet werden.

Wenn alle Maschinenj"stierungen in Ordnung sind und die Maschine in ihrem Auslegungspunkt arbeitet, sagt man, daß die Maschine »im Trimm« ist oder daß ihr BetnebsverHalten (qualitative Maschinenleinung) opti mal ist. Andererseits spricht man für den Fall, daß die Betriebskenngrößen der Maschine nicht optimal aufeinander abgestimmt sind oder daß die Maschine nicht in ihrem Auslegungspunkt arbeitet, davon, daß die Maschine »außer Trimm« ist.

Es ist von Vorteil, einen derartigen »Außer-Trimm«- Zustand so schnell wie möglich zu entdecken, su daß Korrekturen vorgenommen werden können und die Mascnine sobald wie möglich wieder in Trimm gebracht werden kann. Da jedoch viele dieser Änderungen schwer zu entdecken sind, ist es für die Bedienungsperson einer derartigen Maschine sehr schwer, zwischen den regelmäßigen Überhol-Kontrollen dir Maschine positive Anzeigen dafür zu bekommen, daß die Maschine außer Trimm ist.

Bei einer aus der US-PS 32 38 768 bekannten Einrichtung der eingangs genannten Art werden momentane, auf Standardwerte korrigierte Istwerte von Betriebskenngrößen mit Sollwerten verglichen, die von dem Sollwertrechner abgegeben werden, wobei der errechnete Sollwert den bei optimalem Betriebsverhalten zu erwartenden Wert der zweiten Betriebskenngröße darstellt. Bei dieser bekannten Einrichtung wird der Sollwert-Istwert-Vergleich von einer Analogschaltung vorgenommen, die die momentane Abweichung zwischen Soll- und Istwert ermittelt. Während eines Fluges eines mit dem Gasturbinentriebwerk versehenen Flugzeugs wird demnach ständig die momentane Abweichung vom optimalen Beiriebsverhalten angezeigt.

Diese ι lomentane Anzeige erlaubt keine Rückschlüsse auf das Betriebsverhalten während zurückliegender Betriebsintervalle; so kann beispielsweise nach Beendigung eines Fluges nicht mehr ermittelt werden, ob während des eigentlich interessierenden Betriebsintervalls, nämlich während des Fluges, Abweichungen vom optimalen Betriebsverhalten aufgtfeten sind.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, die Einrichtung der eingangs genannten Art dahingehend auszubilden, daß Abweichungen vom optimalen Betriebsverhalten währt.id eines interessierenden Langzeitbetriebsintervalls zumindest annäherungsweise auch nach Ablauf dieses Intervalls, beispielsweise nach Beendigung eines Fluges, festgestellt werden können.

Diese Aufgabe wird gelöst durch entweder

a) je eine Integriereinrichtung am Ausgang des /weiten lst«.ertaufnehmers und des Sollwertrechners und eine Vergleichseinrichtung am Ausgang der beiden Integriereinrichtungen oder

b) eine Vorvergleichseinrichtung am Ausgang des zweiten Istwertaufnehmers und des Sollwerlrechners, je eine Inlegriereinrichtung am Ausgang der Vorvergleichseinrichtung und am Ausgang eines Standardsignalgebers, insbesondere des ersten oder zweiten Istwertaufnehmers, oder eines Zeitsignalgebers und eine Hauptvergleichseinrichtung am Ausgang der iriiden Integriereinrichtungen,

wobei m jedem Fall die Integriercinrichidngen auf eine Latigzeinniegraiionsdauer, entsprechend beispielsweise der Flugdauer eines mit der Gasturbine ausgerüsteten Flugzeuges einstellbar sind und daß gegebenenfalls eine durch mindestens eine der Betriebskenngrößen gesteuerte Abschalteinrichtung vorgesehen ist, welche den Ermittlungsvorgang während atypischer Betriebsintervalle unterbricht.

Nach Ablauf der Langzeitintegrationsdauer, also beispielsweise nach Beendigung des Fluges, kann festgestellt werden, inwieweit das Gasturbinentriebwerk während des vorangegangenen Fluges ein vom optimalen Verhalten abweichendes Betriebsverhalten gezeigt hat. Diese Kontrolle kann zu beliebiger Zeit nach Beendigung des Fluges beispielsweise von einem Wartungsingenieur des Bodenpersonals durchgeführt werden. Während des Fluges erübrigt sich die ständige Kontrolle des Betriebsverhaltens des Gasturbinentriebwerkes, was eine wesentliche Entlastung der Flugzeugpiloten b/w. des Bordingenieurs zur Folge hat.

Während a-typischer Beiriebsin^rvalle. beispielsweise während des Starts, können isrwerte der Betriebskenngrößen auftreten, die nicht repräsentativ für das normale Betriebsverhalten des Gasturbinentriebwerks sind. So kann das Triebwerk vom Piloten wäi.-end des Rollens am Boden auf hohe Drehzahl gebracht werden, um oas Flugzeug in Bewegung zu setzen. Wenn der Pilot dann den Gashebe' schnell zurücknimmt, läuft dar Triebwerk noch eine Weile mit hoher Drehzahl weiter, ohne dabei nennenswerte Mengen an Brennstoff zu verbrennen. Die Abgastemperatur wird in diesem Fall wesentlich geringer sein als die bei dieser Wellendrehzahl im Normalbetrieb zu erwartende Abgastemperatur. Die vorgeschlagene Abschalteinrichtung sorgt für die Unterbrechung der Langzeitintegration während solcher atypischer Bttriebsintervalle, wodurch die Verläßlichkeit und Genauigkeit der Messung weiter erhöht wird. Im übrigen zeichnet sich die vorgeschlage ne Merkmalskombination a) durch besondere Genauigkeit aus. woningegen die Merkmaiskombination b) mit baulich einfacheren Mitteln realisiert werden kann; so ¹OmIHt als Integriereinrichtung am Ausgang des Standardsignalgebers beispielsweise ein einfacher Zähler in Frage, der von einem Oszillator abgegebene Impulse zählt.

Aus der US-PS 34 85 093 ist eine Prüfapparatur für Kraftfahrzeuge bekannt, bei der momentane Istwerte mit vorgegebenen, konstanten Sollwerten verglichen werden Hierbei erübrigt sich ein Sollwertrechner; eine I.ang/eitintegration findet nicht statt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung gib' Jie Vergleichseinrichtung bzw. die Hauptvergleichseinrichtung ein Ausgangssignal ab. welches dem Quotienten der an den Eingängen anliegenden Signalen enispricht. Das Ausgangssignal ist folglich von der Langzeitintegrationsdauer unabhängig.

Ein besonders einfacher Aufbau der erfindungsgemäßen Einrichtung ist gewährleistet, wenn jede Integrier einrichtung mit einem Zählwerk versehen ist, welches eingehende !rrpulse summiert, wobei die Pulsrate proportional zur Größe des zu integrierenden Wertes ist. Mit Vorteil wird dabei ein Oszillator mit variabler Frequenz eingesetzt.

In der Praxis, insbesondere bei Flugzeugtriebwerken, beeinflussen äußere Größen wie Flughöhe und Umgebungstemperatur den iunktionellen Zusammenhang zwischen der ersten Betriebskenngröße (z. B. Wellendrehzahl) und der zweiten Betriebskenngröße (z. B.

Abgastemperatur). Um diesen Einfluß zu kompensieren, wird vorgeschlagen, daß wenigstens eine Meßeinrichtung zum Messen eines Einflußfaklors aus der Umgebung des Triebwerks vorgesehen ist sowie wenigstens ein an die Meßeinrichtung angeschlossener Korrekturwertrechner zur Berechnung eines Korrektursignals für die erste und/oder zweite Betriebskenngröße aufgrund des Einflußfaktors.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen behandelt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

F ι g. I in Diagrammform den Zusammenhang zwischen der Abgastemperatur und der Wellendrehznhl für ein bestimmtes Flugzeug.

F i g. 2 in Diagrammform typische Abgastemperatur-Korrekturkurven zur Korrektur des Einflusses der Umgebungslufttemperatur und -höhe als Funktion der Höhe.

Fig. i ein Biocfc diagramm für den Aufbau einer ersten Ausführungsform einer Einrichtung zum Ermitteln des Betriebsverhaltens eines Gasturbinentriebwerkes.

F ι g 4 ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform,

F i g. 5 schematisch den Aufbau eines Ausführungsbeispiels.

F ι g. 6 ein Diagramm zur Erläuterung der Funktion des Ausführungsbeispiels gemäß F i g. 5.

In einem gut abgestimmten Gasturbinentriebwerk besteht eine optimale funktioneile Abhängigkeit zwischen vielen der Betriebskenngrößen, z. B. der Wellendrehzahl und der Abgastemperatur. Diese optimale funktionale Abhängigkeit kann empirisch durch Messungen an einer »im Trimm« befindlichen Maschine oder mathematisch anhand eines ausreichend genauen mathematischen Modells der Maschine aufgestellt werden. Zusätzlich kann diese funktioneile Abhängigkeit durch Störungen beeinflußt werden, welche durch Veränderungen in der die Maschine umgebenden Atmosphäre, beispilesweise Lufttemperatur und Höhe, verursacht werden. Ebenso wie die grundsätzliche funktionale Abhängigkeit können auch diese Störungsgrößen in die Abhängigkeitsbeziehung einbezogen werden, und zwar durch empirische Beobachtung einer gut justierten Maschine einer speziellen Bauart und Type.

F ι g. 1 zeigt den Verlauf einer typischen Funktion zwischen Abgastemperatur und Wellendrehzahl, wie sie sich aus empirischen Messungen an einer Gasturbine wie beispielsweise dem J-57-Triebwerk. ermitteln läßt. F i g. 2 zeigt zusä.ülich verschiedene Korrekturfaktoren, die bei einer solchen Maschine berücksichtigt werden müssen, wenn sie in einem Flugzeug in verschiedenen Höhen (h) und unter verschiedenen Temperaturbedingungen der Umgebungsluft (OAT) arbeitet Als Ergebnis dieser empirischen Daten kann eine Funktion zwischen Abgastemperatur und anderen Betriebskenngrößen bzw. Umgebungsparameter für einen begrenzten Betriebsbereich gewonnen werden.

Die allgemeine Gleichung zwischen diesen verschiedenen Parametern kann folgende Form annehmen:

EGT = A (RPM) +B(OAT)+ C(fr) + D(h)+ E

Dabei ist EGT gleich Abgastemperatur, RPM gleich WellendrehzahL OA T gleich Temperatur der Umgebungsluft, h gleich Höhe: A. B. C, D und E sind Konstanten.

Die Gleichung für das J-57-Triebwerk lautet folgendermaßen:

EGT = 20,1 RPM +OAT+ 0.0505^ + 0.46Λ + 1332,1

Diese Gleichung ist nur beispielhaft und dient der Illustration des allgemeinen Gleichungstyps, welcher durch empirische Messungen an gut justierten Maschinen beliebiger Bauart gewonnen wurde.

in Für diese Darstellung wurden die Betriebskenngrößen EGT und RPM gewählt. Allgemein erlaubt die Messung irgendeiner ersten Betriebskenngröße die Berechnung eines optimalen Wertes für eine andere zweite Betriebskenngröße, welche dann mit dem wahren gemessenen Wert dieser zweiten Betriebskenngröße verglichen werden kann. Wenn die Maschine »im Trimm« ist und im Auslegungspunkt arbeitet, stehen der berechnete und der gemessene Wert der für den Vergleich ausgewählten Betriebskenngrößen in einem bestimmten Verhältnis /uciiutiiiici.

Wenn jedoch die Maschinenleistung durch irgendeinen Einfluß absinkt oder die Maschine »außer Trimm« gerät, ändert sich die Abhängigkeit zwischen den Betriebskenngrößen entsprechend, so daß der berechnete Wert der ausgesuchten Betriebskenngröße mit dem gemessenen Wert dieser Größe nicht länger korrespondiert.

So erhält man einen sehr brauchbaren Anhalt für die qualitai-ve Maschinenleistung durch Vergleich des berechneten Wertes und des gemessenen Wertes der Betriebskenngröße. Ein Differenzsignal zeigt eine augenblickliche Abweichung vorn Normalzustand. Diese augenblickliche Abweichung wird während einer Zeitdauer, beispielsweise eines festen Zeitintervalls

j5 oder der gesamten Flugdauer, ermittelt und die durchschnittliche Abweichung der gemessenen Betriebskenngröße angezeigt. Durch Integration des berechneten und des gemessenen Wertes der Betriebskenngröße und Vergleich der integrierten Werte nach

AO dieser Zeitdauer (Langzeitintegrationsdauer) kann ein Verhältnisv/ert gewonnen werden, welcher die qualitative Maschinenleistung angibt. Ebenso kann die integrierte Differenz zwischen gerechnetem und gemessenem Wert verglichen werden, welche ebenfalls die qualitative Maschinenleistung angibt. Dazu kann beispielsweise die Differenz zwischen dem berechneten und gemessenen Wert einer Betriebskenngröße integriert und mit dem Integral einer Variablen (Standardsignal) verglichen werden, welche beispielsweise von der Betriebsdauer abhängt oder proprotional zur Maschinengeschwindigkeit ist. Der Nenner in einem Verhältniswert kann so gewählt werden, daß er eine gerade Potenz von Zehn darstellt, so daß der Zähler direkt als Anzeige der qualitativen Maschinenleistung angesehen werden kann.

F i g. 3 zeigt ein Blockdiagramm der Einrichtung zum Ermitteln des Betriebsverhaltens eines Gasturbinentriebwerks, bei welcher ein RPM- Istwertaufnehmer 10 die Maschinengeschwindigkeit oder die Zahl der Umdrehungen pro Minute der Maschinenwelle aufnimmt und in einen Sollwertrechner 12 eingibt Dieser verarbeitet das Signal des Istwertaufnehmers 10 und erzeugt in der Leitung 14 ein Ausgangssignal, welches den Sollwert der Abgastemperatur (EGT) angibt, soweit er von der Wellendrehzahl (RPM) abhängt Außerdem gibt es eine Meßeinrichtung 16 zum Messen der Umgebungslufttemperatur, welche über einen Korrekturwertrechner 18 in der Leitung 20 ein Korrektursignal

für die Störungen liefert, welche durch Änderungen in der Umgebungslufttemperatur hervorgerufen werden. In gleicher Weise liefert eine Höhen-MeBeinrichtung 22 in Verbindung mit einem Korrekturwerlrechner 24 in Leitung 26 ein Signal, welches die Änderungen der Abgastemperalur in Abhängigkeit von der Höhe berücksichtigt Der Sollwertrechner 12 sowie die Korrekturwertrechner 18 und 24 sind jeweils als Funktionsgeneratoren ausgebildet.

Ein als Funktionsgenerator ausgebildeter Sollwertrechner 28 kombiniert die Signale der Leitungen 14,20 und 26 und erzeugt in der Leitung 30 ein Ausgangssignal, welches den Optimalwert (Sollwert) für die Abgastemperatur der Maschine angibt, wie er aufgrund der vorbestimmten funktioneilen Abhängigkeit zwischen der Abgastemperatur und der Wellendrehzahl in Verbindung mit den Störungen durch Änderungen in der Außentemperatur und Höhe berechnet worden ist.

Das Signal in Leitung 30. welches den berechneten Sollwcft der Abgastemperalur angibt, wird dann in einer imegriereinrichiung 32 integriert Die Signaic in Leitung 30 können beispielsweise Pulse sein, deren Folgegeschwindigkeit proportional /ur berechneten Abgasgeschwindigkeit ist. Die Integricreinrichtung 32 kann als mechanisches oder elektrisches Zählwerk ausgebildet sein, dessen Stand über ein Anzeigegerät 34 abgelesen werden kann. Zur gleichen Zeit wird die wahre Abgastemperatur durch einen als Thermoele ment-Anordnung ausgebildeten Istwertaufnehmer 37 gemessen und der Ausgang dieser Anordnung in einer anderen Integriereinrichtung 38 aufsummiert, welche ebenso als Zählwerk mit Anzeigegerät 36 ausgebildet sein kann.

Zu Beginn eines Fluges werden die Integriereinrichtungen 32 und 38 jeweils auf Null gesetzt. Am Ende einer vorbestimmten Zeit werden die Ergebnisse der Anzeigegeräte 34 und 36 miteinander verglichen. Dieser Vergleich sollte immer dann ein festes, vorherbestimmbares Ergebnis bringen, wenn die Maschine nicht »außer •Trimm« isL Anstelle einer visuellen Ablesung der Anzeigegeräte 34 und 36 können auch automalische elektronische Vergleichsgeräte vorgesehen sein, welche die Angaben der Integriereinrichtung 32 und 38 vergleichen und eine automatische Anzeige jeder unerwarteten Abweichung besorgen. Auch kann die Erzeugung eines akustischen Alarmsignals vorgesehen sein, wenn größere Abweichungen vom optimalen Betriebszustand ermittelt werden.

Ein gegenüber der F i g. 3 geände-tes Ausführungsbeispiel zeigt das Blockschaltbild gemäß Fig.4. Die Signale, weiche den berechneten Sollwert der Abgastemperatur in Leitung 30 bzw. den gemessenen Istwert der Abgastemperatur in Leitung 33 darstellen, werden ebenso gewonnen wie in F i g. 3 beschrieben. Jetzt wird jedoch der berechnete Wert von dem gemessenen Wert durch eine geeignete, als Subtrahier-Einheit ausgebildete Vorvergleichseinrichtung 50 abgezogen, weiche ihrerseits in Leitung 52 ein Signal hervorruft, welches der Größe der Differenz zwischen berechnetem und gemessenem Wert der Abgastemperatur entspricht Das Abweich- oder Differenzsignal in Leitung 52 wird dann in einer Integriereinrichtung 54 integriert weiche in der bereits beschriebenen Weise einen Zähler zum Aufsummieren von Pulsen sowie ein Anzeigegerät 56 enthalten kann.

Wenn der berechnete und der gemessene Wert unter vollkommen idealen Bedingungen genau gleich sind, sollte das Signal in Leitung 52 theoretisch eine Null-Differenz anzeigen. Die Angabe der Integriereinrichtung 54 sollte dann ebenfalls auf Null stehenbleiben, Wobei jede davon abweichende Angabe in der Integriereinrichlung 54 ein Änderung der qualitativen Maschinenleistung bzw. des Trimm-Zustandes angibt. In Wirklichkeit ist es normal, daß die berechneten und gemessenen Werte nicht eitakt gleich sind, sondern sich durch einen feststehenden Betrag unterscheiden. Dieses konstante Signal in Leitung 52 wird in der Integriereinrichtung 54 integriert, so daß die Anzeigeeinrichtung 56 einen linear ansteigenden Wert angibt Um also eine Änderung im Tfirnm-Züstähd der Maschine festzustellen, müssen die Angaben der tntegriereinrichtung 54 mit den Angaben einer weiteren Integriereinrichtung 58 verglichen werden, welche ebenfalls ein konstantes oder festes Eingangssignal integriert

Dazu kann die Integriereinrichtung 58 beispielsweise

Signale integrieren, welche von einem Zeitsignalgeber (Uhrwerk) ausgehen. Da andererseits die erwartete integrierte Differenz zwischen dem berechneten und gemessenen %'eci Jer Aügasieiiiperaiur in Waiiriieii auch eine Funktion der Wellendrehzahl ist, verarbeitet die Integriereinrichtung 58 zweckmäßigerweise ein Signal, welches proportional zur Wellendrehzahl ist, wie in F i g. 4 gezeigt.

Auf diese Weise integriert die Integriereinrichtung 58 in der Tat für jede gegebene Wellendrehzahl einen festen oder konstanten Eingangswert, während die Integriereinrichtung 54 die Differenz zwischen dem gemessenen und berechneten Wert der Abgastemperatur integriert. Vorausgesetzt die Maschine ist »im Trimm«, dann ist diese Differenz ebenso konstant, und die beulen Integriereinrichtungen 54 und 58 korrespondieren miteinander. Wenn hingegen die Maschine »außer Trimm« ist, ist die Differenz zwischen dem gemessenen und berechneten Wert der Abgastemperatur nicht mehr fest und die beiden Integriereinrichtungen 54 und 58 korrespondieren nicht mehr miteinander. Ebenso wie im Fall der F i g. 3 können zwischen die Integriereinrichtungen 54 und 58 automatische Vergleichseinrichtungen geschaltet sein, welche automatisch jede Abweichung zwischen den beiden Integriereinrichtungen 54 und 58 anzeigen.
F i g. 5 zeigt ein schematisches Diagramm eines Ausführungsbeispiels einer Einrichtung zum Ermitteln des Betriebsverhaltens eines Gasturbinentriebwerks, welche für das J-57-Triebwerk eines F-102-Jagdflugzeugs Verwendung findet
Folgende Abhängigkeitsfunktion zwischen ECT (Maschinenabgastemperatur). RPM (Wellendrehzahl des Hochdruckompressors) und θ (totale Lufttemperatur Tt geteilt durch 519) wurde für das F-102-Flugzeug mit dem J-57 Triebwerk auf experimentellem Weg für einen begrenzten Betriebsbereich ermittelt, wobei die Gleichung nicht linear ist Natürlich können andere Flugzeug-Maschinen-Kombinationen andere Parameter erfordern, um eine verläßliche Funktion im oben aufgezeigten Sinn zu erhalten.

EGT = 21.27 Θ"² · RPM - 1394.68 Θ +

Konstante

(Natürlich variiert die Konstante für andere Maschinen und/oder andere Betriebszustände. Die vorliegende Gleichung enthält Korrekturfaktoren für die Umrechb5 nung auf Standard-Tagbedingungen.) Die Abgastemperatur, welche mit Hilfe der obigen Gleichung unter Verwendung der gemessenen Werte Θ und RPM errechnet wird, wird mit der wahren Abgastemperatur.

die durch die Thermoelemente geliefert wird, verglichen. Die Differenz zwischen diesen beiden Werten wird in ein digitales Zählwerk mit veränderlicher Zählrate eingegeben. Wenn keine Differenz besteht, ist die Zählrate dieses Zählwerks der konstanten Rate des Referenzzählwerks gleich.

Das Verhältnis des Zählerks mit veränderlicher Rate zu dem mit fester Rate ist deshalb eine Anzeige für die qualitative Maschinenleistung und wird »Maschinenleistungsindex« genannt. Ein Verhältnis von 1 :1 zeigt an, daß die berechnete Beziehung zwischen EGTund RPM besteht. Wenn das Verhältnis größer oder kleiner als 1 : I ist. so ist dies ein Anzeichen dafür, daß die Maschinenleistung herabgesetzt ist, was durch einen beginnenden Defekt der Turbine, des Kompressors, eines Lagers, der Brennstoffregelung oder durch andere Defekte verursacht werden kann.

Wie oben schon angedeutet, erhält man keine brauchbaren Daten, wenn die Maschine mit niedriger

Abgastemperatur bzw. einen Maschinenleistungsindex während dieser Zeit an. Es kann jedoch auch ein durchschnittlicher Verhältniswert oder eine andere Funktion der integrierten bzw. gemittelten Abweichung erhalten und verwendet werden.

Das Widerstandsthermometer zur Messung der totalen Lufttemperatur ist an Anschlüsse 100, 102 und 104 angeschlossen, wie Fig.5 zeigt. Der Anschluß 100 dient zur Erregung von Widerständen 106 und 108.

ίο während der Anschluß 104 geerdet ist. Das Signal Tram Anschluß 102 wird durch Elemente 110,112,114 und 116 gefiltert, bevor es in einen nicht invertierenden Differential-Operationsverstärker 118 eingespeist wird Die komplementären Ausgänge in Leitungen 120, 122 werden in die Eingangsseite eines weiteren Differential-Operationsverstärkers 124 eingegeben. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 118 erhä'· ein Rückkopplungssignal über Widerstände 126,128 sowie ein konstantes Offset-Potential von Widerständen 130,

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Durchführung der Erfindung vorzugsweise eine geeignete Einrichtung vorgesehen, welche die Anzeige unterhalb einer bestimmten Maschinenleistung abschaltet.

■ Da die Maschinendaten nur gebraucht werden, um die qualitative Maschinenleistung festzustellen, können weitere Einrichtungen vorgesehen sein, welche das Gerät nur während einer begrenzten Zeit bei jedem Flug einschalten. Wenn beispielsweise ein fester Wert (welcher den Nenner eines Verhältniswertes darstellt) Von 1000 auf einem Zählwerk mit fester Rate erreicht ist. und das Zählwerk mit variabler Rate eine durchschnittliche Abweichung von 1000 anzeigt, so heißt das. daß die berechnete Abhängigkeit zwischen ECT und RPM gegeben ist. Natürlich müssen beide Zählwerke vor dem Flug neu eingestellt werden.

Die Sektion I in F i g. 5 zeigt eine Schaltungsanordnung für die Erzeugung der Θ-Funktion. Der Eingang dieser Sektion ist an ein Widerstandsmeßgerät zur Messung der totalen Lufttemperatur angeschlossen, während der Ausgang dieser Sektion den Wert 1394,68 θ (oder ein anderes Vielfaches von θ für eine andere Maschine) artjibt Dieser letztere Wert wird zu einem Summierungspunkt 180 in Sektion III geleitet während ein anderes Ausgangssignal, welches proportional zu Θ¹'² ist. in Sektion II eingespeist wird. Ein weiteres Eingangssignal für Sektion II kommt von einem Tachometer und ist proportional zur Wellendrehzahl. Die Eingangsfrequenz von dem Tachometer wird in eine Gleichspannung umgeformt und mit der· e^i/2-Funktion von Sektion I weiterverarbeitet Das Ausgangssignal von Sektion II. nämlich - 2U7 Θ"² ■ RPM(oder ein anderer Faktor für Θ"? für eine andere Maschine) wird zu dem Summierungspunkt 180 in Sektion III geleitet Ein Vergleich mit der wahren Abgastemperatur wird dadurch ermöglicht, daß dem Summierpunkt 180 auch ein Signal zugeführt wird, welches diese wahre Abgastemperatur darstellt Das Ergebnis (wahre Abgastemperatur—berechnete Abgastemperatur) wird dann dazu verwendet die Frequenz eines Oszillators 186 mit variabler Frequenz, welcher ein Zählwerk 188 betreibt zu steuern und gegebenenfalls von seiner normalen Rate abzulenken. Am Ende einer bestimmten Zeit, während welcher die Maschine oberhalb einer festgelegten Abgastemperatur gearbeitet hat und die 1000 Zählschritten des Oszillator-186 bei normaler Zählrate entspricht, zeigt das Zählwerk. 188 die durchschnittliche Abweichung der einen Widerstand 134 wird später erklärt werden. Da Θ= — ist und da das Ausgangssignal des

Verstärkers 124 proportional zu Tt ist. kann durch genaues Einregeln des Ergebnisses das Ausgangssignal gleich 1394.68 θ oder irgendeine andere lineare Funktion von θ sein und damit einen der Ausdrucke in der weiter vorn genannten Gleichung für den Wert ECTdarstellen.

Die Funktion, welche eine Quadratwurzel von θ enthält, kann durch drei Geradenstücke angenähert werden, wie F i g 6 zeigt. Das Geradenstück A gilt, wenn zwei Transistoren 136,138 abgeschaltet sind. Auf diese Weise ist ein Widerstand 140 ohne Nebenschluß.

so daß der Geradenzug A der K ■ 6"²-Kurve erzeugt wird. Wenn das Signal rechts vom Widerstand 140 eine erste, bestimmte Höhe Λ erreicht wird der als Feldeffekttransistor (FET) ausgebildete Transistor 136 durch einen vorher eingestellten regelbaren Widerstand 142 eingeschaltet Dadurch wird die Steigung der Kurve in F i g. 6 an diesem Punkt geändert und es folgt der Geradenzug ß, da ein Widerstand 144 jetzt einer festen Spannungshöhe parallel geschaltet ist Natürlich kann die Steigung des Geradenzuges B durch Regelung des Widerstandes 144 geändert werden. In gleicher Weise schaltet der als Feldeffekttransistor ausgebildete Transistor 138 ein, wenn der Punkt h (welcher durch einen Widerstand 146 bestimmt wird) eingeschaltet wird, so daß ein Widerstand 148 im Bereich des Geradenzuges C

so in den Ausgangsstromkreis eingeschaltet wird. Die Steigung des Geradenzuges Ckann durch Änderung des Widerstandes 148 geändert werden.

Auf diese Weise kann durch geeignete Auswahl des Widerstandes 140 und entsprechende Regelung der als Potentiometer ausgebildeten regelbaren Widerstände 142, 146 und 144, 148 auf der rechten Seite des Widerstandes 140 ein Signal erhalten werden, welches annähernd proportional zur Quadratwurzel von θ ist Es wurde auch festgestellt daß die Nicht-linearitäten des Widerstandsmeßgerätes dadurch kompensiert werden können, daß diese Quadratwurzel-Funktion zu dem invertierenden Eingang des Verstärkers 118 über den Widerstand 134 eingegeben wird, wie in Fi g. 5 gezeigt wird

Das TachometersignaL welches proportional zur Wellendrehzahl RPM ist stellt das Eingangssignal für die Sektion II in F i g. 5 dar und wird über Anschlüsse 150,152 einem Umformer 154 zugeführt Nach Filterung

durch einen Kondensator 156 und Umformung durch einen Verstärker 158. wird das alternierende Tachometersignal über eine Leitung 160 in den Frequenz-Spannungs-Umformer und Verstärker 162 eingegeben. Hier wird das Tachometersignal irc eine Gleichspannung umgewandelt und entsprechend des in einer Leitung 164 dem Umformer und Verstärker 162 zugeführten Signals (K · Θ"²) verstärkt. Das Ausgangssignal des Umformers und Verstärkers 162 in einer Leitung 166 ist daher proportional zu Θ"* · RPM.

Nach Filterung durch Elemente 168,170 und 172 wird dieses Signal in den invertierenden Eingang eines Verstärkers 174 eingegeben. Der Verstärker 174 ist mit einem Verstärker 176 in Reihe geschaltet, wie die bereits besprochenen Verstärker 118, 124, um eine lineare Verstärkung zu erhalten (wenn auch in diesem Fall invertiert). Das Ausgangssignal in einer Leitung 178 stellt demnach etwa den Wert -21,27 Θ"² · RPModer ein anderes Vielfaches von Θ"² · RPMdar, was von der Regslung eines Widerstandes 179 abhängt.

γμ- ι __~»u.»~t.»_n l/ „—* i«- /~ii^:_nu.._Mn

LSIC VUt «AtflflUlliff IVUIIIpUIIUIIIt[I UUI Ul%il\*lUIltg

EGT=- ->1,27Θ^Ι/2 · RPM- 1394.68Θ

werden dann im Summierungspunkt 180 mit einem Signal kombiniert, welches die wahre Abgastemperatur darstellt und Ober eine Leitung 182 und ein Potentiometer 184 zugeführt wird. Das Ergebnis, nämlich wahre Abgastemperatur minus berechnete Abgastemperatur, wird dem Oszillator 186 zur Regelung der Ausgangsfrequenz zugeführt. Das Ausgangssignal des geregelten Oszillators 186 wird dann im Zäh'werk 188 auf summiert, lim es für eine folgende Interpretievnng als Maschinenjeistungsindex verwerten zu können.

Zur Vereinfachung der Darstellung sind in F i g. 5 eine Reihe von notwendigen ergänzenden Komponenten nicht gezeigt. Es soll auch betont werden, daß F i g. 5 nur ein Ausführungsbeispiel darstellt und daß ande^re Techniken und Schaltkreise für die Ausführung de. Erfindung möglich sind.
Ebenso können Einrichtungen zum Abschalten der

·, Anzeigevorrichtung bei geringer Leistung oder wenn unregelmäßige Betriebsbedingungen vorliegen hinzugefügt werden. So kann ι. B. das Fehlersignal im Summierungspunkt 180 mit Referenzwerten verglichen werden. Wenn dann der Fehler einen bestimmten

in Maximalwert überschreitet, kann das als Anzeichen für unregelmäßige Betriebsbedingungen (wie beispielsweise Start usw.) gewertet und die Einrichtung abgeschaltet werden, bis das Fehlersignal wieder innerhalb vorgeschriebener Grenzen liegt. Eine mögliche Obergrenze für die vorliegende Anwendung ist beispielsweise 400 Grad Abgastemperatur.

Anstelle des hier beispielsweise beschriebenen Verfahrens, bei welchem die BetriebskenngröGen Wellendrehzahl RPM und Abgastemperatur EGT für die Erläuterung gewählt wurden, können anstelle

^^ 11 IJb^^ IVI ^* I TJT-* \j g (41V ΙΊ_~' f ^i ^f JT.Γ1 ^m -*^* IC t \J*T i*iTf^ \r M Iff f^ t \JW^\i I S t\ 1 l^r f V andere Größen verwendet werden, wie beispielsweise Brennstoffzufuhr, Schub, verschiedene mechanische Regelzustände, Einstellungen veränderbarer Bauteile wie Düsenquerschnitt und/oder Druckverhältniss^. Auch könnte die Wellendrehzahl mit der Abgastemperatur in ihrer Funktion vertauscht werden.

Außerdem kann anstelle einzelner auch eine ganze Gruppe von Betriebskenngrößen für die Vergleichszwecke benutzt werden. Eine derartige Verwendung einer ganzen Gruppe von Betriebskenngrößen ist vorteilhaft in Verbindung mit elektronischen Rechnern, wobei jede der Betriebskenngrößen berechnet, bewertet und kombiniert werden kann, bevor sie mit einem Standardwert verglichen wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Ermitteln des Betriebsverhaltens eines Gasturbinentriebwerkes mit mindestens einem ersten Istwertaufnehmer zum Aufnehmen einer ersten Betriebskenngröße (z. B. Wellendrehzahl), mindestens einem Sollwertrechner zum Errechnen einer zweiten Betriebskenngröße (z. B. Abgastemperatur) aufgrund der in dem ersten Istwertaufnehmer ermittelten ersten Betriebskenngröße und einem zweiten Istwertaufnehmer zum Aufnehmen des Istwerts der zweiten Betriebskenngröße, gekennzeichnet durch entweder