DE2163344A1

DE2163344A1 - Regeleinrichtung einer gasturbinenanlage, z.b. eines kraftfahrzeug- oder flugtriebwerkes

Info

Publication number: DE2163344A1
Application number: DE2163344A
Authority: DE
Inventors: Christian Greune; Friedrich Hackl; Karl Maier
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 1971-12-21
Filing date: 1971-12-21
Publication date: 1973-09-06
Also published as: US3886730A; SE376947B; JPS4872507A; FR2164840B1; JPS5740333B2; DE2163344B2; IT971435B; DE2163344C3; GB1414468A; FR2164840A1

Description

MOTOREN- UND TURBINEN-UNION

MÜNCHEN GMHI. 2163344

München, den 3. Dez. 1971

Regeleinrichtung einer Gasturbinenanlage, z.B. eines Kraftfahrzeug- oder Flugtriebw.erkes

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung einer Gasturbinenanlage, z.B. eines Kraftfahrzeug- oder Plugtriebwerkes, mit einem ersten Regler, von dem die Brennstoffmenge änderbar ist, und einem zweiten Regler, von dem die vom ersten Regler zugemessene Brennstoffmenge additiv oder alternativ verringerbar ist, wobei ein die änderung der. Regelgröße des zweiten Reglers verzögerungsbehaftet messender Fühler vorhanden ist.

Es sind Regeleinrichtungen von Gasturbinentriebwerken bekannt, bei denen ein Regler eine Regelgröße durch Ändern der Brennstoffmenge konstant hält. Die Regelgröße ist häufig die Drehzahl einer Turbine des Triebwerks. Es sind ferner Zusatzregeleinrichtungen mit offenen Regelkreisen bekannt, die das Überschreiten bestimmter Grenzzustände des Triebwerks verhindern. 80 ist bekannt, für einen Beschleunigungsvorgang die hochstzulässige Brennstoffmenge in Abhängigkeit von Kenngrößen des Triebwerkes zu steuern.

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In jüngster Zeit versucht man, diese Begrenzungseinrichtungen dadurch zu verbessern, daß man die kritische Größe mißt und _: über einen zweiten Regler regelt. Ein Vorteil dieses geschlossenen Regelkreises für instationäres Betriebsverhalten besteht darin, daß Störgrößen in der Brennstoffmengenzumessung ausgeregelt werden, also nicht wirksam werden. Ein weiterer Vorteil ist, daß man häufig auf das Messen und Umformen einiger Triebwerkskenngrößen verzichten und damit die Regeleinrichtung vereinfachen kann.

Der Betrieb mit zwei Reglern, von denen, der erste die meiste Zeit im Eingriff 1st, während der zweite einen Grenzwert absichert, hat Jedoch eine Schwierigkeit. Diese besteht darin, daß die meisten Fühler für einen Grenzwert, z.B. solche für einen Temperatur-Grenzwert, also die meisten Fühler zur Messung der Regelgröße des zweiten Reglers, zu träge sind, d.h. eine durch eine Brennstoffmengenänderung hervorgerufene Änderung der Regelgröße des zweiten Reglers von einem solchen Fühler verzögerungsbehaftet gemessen wird. Es kommt also bei schneller Annäherung an den Grenzwert zu einem zu langsamen Ansprechen des Meßfühlers und zum überschwingen und damit zu einer unerwünschten Überschreitung des Grenzwertes.

Aufgabe gemäß der Erfindung ist, diesen Nachteil zu vermeiden. Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß die Brennstoffmengenänderung in eine Änderung der Regelgröße des zweiten Reglers mit einem Zeltverhalten selbsttätig umrechenbar ist und die

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letztgenannte Änderung dem zu niedrig gemessenen Istwert dieser Regelgröße selbsttätig aufschaltbar ist. Im Betrieb wird also die Stellgröße der Regler fortwährend selbsttätig in einen Zpsatzwert für die Regelgröße des zweiten Reglers umgeformt. Diese selbsttätige Umformung geschieht so, daß dieser Zusatzwert mit einem bestimmten schnellen Zeitverhalten behaftet ist. Der Zusatzwert wird selbsttätig dem genannten Istwert solange aufgeschaltet, wie der Fühler die Regelgröße des zweiten Reglers verzögerungsbehaftet reißt. Der zweite Regler erkennt also den Grenzwert seiner Regelgröße wesentlich früher und verringert mittels seiner Stellgröße den Wert der Stellgröße des ersten Reglers wesentlich früher. Die Brennstoffmenge wird also bei ihrem kritischen Wert begrenzt, so daß der Grenzwert der Regelgröße des zweiten Reglers, also deren kritischer Wert, nicht überschritten wird.

Um das Beschleunigungspotential eines Gasturbinentriebwerkes möglichst auszuschöpfen, strebt man den Betrieb mit flinken Regeleinrichtungen an. Bei diesen ist aber die.Gefahr der Grenzwertüberschreitung durch Pendeln besonders groß, und die Erfindung erweist sich bei Verwendung solcher flinken Regeleinrichtungen als besonders nützlich.

Die Erfindung wird insbesondere zur selbsttätigen Begrenzung einer Temperatur stromab der Brennkammer angewendet. Dabei handelt es sich hauptsächlich um die Temperatur des Treibgases am Ein-

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tritt oder Auetritt einer Turbine der Gasturbinenanlage (Turbineneintritts- oder -austrittstemperatur). Insbesondere ist also die Regelgröße dee zweiten Reglers eine Temperatur stromab der Brennkammer. Die Brennstoffmengenänderung ist also selbsttätig in eine Änderung dieser Temperatur mit einem Zeitverhalten umrechenbar, und es ist die.letztgenannte Änderung selbsttätig dem zu niedrig gemessenen Temperatur-Istwert mit einem Zeitverhalten aufschaltbar. So können z.B. die Schaufeln der Turbine sicher vcr überhitzung oder kann z.B. ein Verdichter der Gasturbinenanlage vor Pumpen geschützt werden. Die Auswahl der Temperatur als genannte Regelgröße hat auch den Vorteil, daß Festigkeitswerte und thermodynamische Kenngrößen der Turbine mit relativ geringem Aufwand überwacht werden können; bisher waren dafür komplizierte Steuerungen erforderlich, die zahlreiche Parameter messen und umformen mußten. Dieser Vorteil ist nur dann vorhanden, wenn der Temperatur-Regelkreis bzw. die Regeleinrichtung die erfindungsgemäßen Merkmale aufweist.

Im Zusammenhang mit der Erfindung ist die Regelgröße des ersten Reglers vorzugsweise die Drehzahl einer Turbine der Gasturbinenanlage. Diese Regelgröße kann aber auch eine andere Kenngröße dör Gasturbinenanlage, z.B. ein Druckverhältnis, oder ein aus mehreren Kenngrößen dieser Anlage zusammengesetzter Wert sein.

Es ist auch von Vorteil, wenn im Zusammenhang mit der Erfindung die Regelgröße des ersten Reglers und die Regelgröße des zweiten

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Reglers Druckverhältnisse oder Temperaturverhältnisse der Gasturbinenanlage sind. Die beiden Regelgrößen unterscheiden sich also nur im Betrieb in ihrer Größe. Damit ergeben sich einfachere Regler, da die Zahl der zu messenden Parameter geringer ist.

Zur selbsttätigen Umrechnung der Brennstoffmengenänderung in die Änderung der genannten Regelgröße wird mindestens eine Kenngröße der Gasturbinenanlage verwendet. Eine solche Umrechungskenngröße kann z.B. die Drehzahl einer Turbine oder ein Gasdurchsatz der Gasturbinenanlage sein. Mittels dieser Kenngröße(n) let es möglich, selbsttätig zu errechnen, welche tatsächliche Änderung z.B. der Temperatur stromab der Brennkammer sich bei einer bestimmten Brennstoffmengenänderung ergibt, und mit der Kenntnis der Charakteristik des Fühlers kann seibetätig dem zu niedrigen Istwert der Regelgröße des zweiten Reglers ein Zusatzwert mit einem Zeitverhalten aufgeschaltet werden, so daß dann der Istwert dieser Regelgröße zumindest etwa die richtige Größe hat.

Zweckmäßigerweise ist die Ausgangegröße der Regler ein Quotient B/K, wobei B die Brennstoffmenge und K eine Kenngröße oder Verbindung von Kenngrößen der Gasturbinenanlage, z.B. ein Gasdurchsatz, ist,

In der Zeichnung ist in Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Regeleinrichtung gemäß der Erfindung in Form eines Blockschaltbildes im Zusammenhang mit einem in Form eines Schaltbildes gezeigten

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Kraftfahrzeug-Gasturbinentriebwerkes dargestellt. Pig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Regeleinrichtung gemäß der Erfindung ebenfalls in Form eines Blockschaltbildes. Auoh diese Regeleinrichtung kann für das eben genannte Triebwerk verwendet werden.

Das Gasturbinentriebwerk gemäß Fig. 1 ist eine Zweiwellenanlage mit einer Gaserzeugerturbine lo, die einen Verdichter 11 für die Verbrennungsluft (mit UberfOhußluft) antreibt, und einer Freiturbine 12 mit verstellbarem Leitschaufelkranz 15* die über ein Getriebe 14 Nutzleistung abgibt. Das Triebwerk weist noch einen Luftvorwärmer 15, eine Brennkammer 16, eine Brennstoffpumpe 17 und eine BrennstoffzumeiJvorrichtung 18 auf. Die Punktion des Triebwerks ist ohne weiteres aus Pig. I ersichtlich - siehe u.a. die Pfeile, die den Luftstrom und die Gasströme kennzeichnen. Der Pfeil 24 kennzeichnet den Brennstofffluß.

Die Brennstoffzumeßvorrlchtung 18 wird von der in Fig. 1 dargestellten Regeleinrichtung gesteuert. Von einem ersten Regler R, der Regeleinrichtung ist die Brennstoffmenge veränderbar. Von einen zweiten Regler Rg der Regeleinrichtung ist die vom ersten Regler zugemessene Brennetoffmenge additiv verringerbar. Die Regelgröße dee ersten Reglers R. ist die Drehzahl N der Gaserzeugerturbine Io und des Verdichters 11. Der Sollwert dieser Drehzahl N ist mit N , ihr letwert mit N. bezeichnet. Die Regel-

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größe des zweiten Reglere R₂ ist die Temperatur T des Treibgases am Eintritt der Freiturbine 12. Der Sollwert dieser Temperatur ist mit T_, ihr Istwert mit T₁ bezeichnet.

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Bei Brennetoffmengenerhöhung mißt ein nicht dargestellter Fühler die Temperatur T verzögerungsbehaftet. Daher weist die Regeleinrichtung einen Umrechnungsblock (eine Umrechnungsschaltung) 19 mit Mitteln zum - siehe Teilblock IS * - selbsttätigen Differenzieren der Stellgröße y der Regler R. und Rg und zur selbsttätigen Bildung eines Zeitgliedes und zum - siehe Teilblock 13ⁿ - selbsttätigen Umrechnen des mit dem Zeitglied behafteten Differentiationsergebnisses mittels mindestens einer der Kenngrößen des Triebwerkes in einen Temperatur-Zusatzwert A T für den zu niedrig gemessenen Istwert T. auf. Eine selbsttätige Eingabe dieser Triebwerkskenngröße(n) in den Umrechnungsblock 19" ist durch den Pfeil 2o gekennzeichnet. Wenn die Brennstoffmenge bzw. die Stellgröße y z.B. vergrößert wird, wird selbsttätig der Temperatur-Zusatzwert A T dem zu niedrig gemessenen Istwert T. aufgeschaltet. Während der Aufschaltzeit steigt dieser Istwert T* bis auf seine richtige Größe an und nimmt der Temperatur-Zusatzwert Z^T auf Null ab, wobei aber die Summe aus beiden Werten immer etwa gleich dem richtigen Temperatur-Istwert ist. Infolge des genannten selbsttätigen .Aufschaltens verringert der Regler R₂ mittels seiner Stellgröße y_g den Wert der Stellgröle y. so rechtzeitig, daß die Brennstoffmenge bei ihrem kritischen Wert begrenzt wird und somit der Grenzwert der Temperatur T nicht überschritten wird.

Gestrichelt eingezeichnet, ist ein Multiplikator 21, den die Regeleinrichtung aufweist, wenn die Ausgangsgröße der Regler R.' '

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und R₂ ein Quotient B/K ist, wobei B die Brennstoffmenge und.K eine Kenngröße oder Verbindung von Kenngrößen des Triebwerks ist. Diese Kenngröße wird bzw. diese Kenngrößen werden in den Multiplikator 21 selbsttätig eingegeben - siehe den Pfeil 22. In diesem Fall ist es möglich, daß in den Teilblock 19" lediglich eine Konstante selbsttätig eingegeben zu werden braucht.

Die Brennstoffzumeßvorrichtung l8 kann auch von der Regeleinrichtung gemäß Pig, 2 gesteuert werden. Diese Regeleinrichtung unterscheidet sich von der gemäß Pig. 1 dadurch, daß der Regler R₂ der alternativen Verringerung der vom Regler 1 zugemessenen Brennstoffmenge dient. Zu diesem Zweck enthält die Regelvorrichtung eine Auswahllogik 2j5, die selbsttätig den kleinsten der Werte der Stellgrößen y. und y« bzw. Feglerausgangsgrößen auswählt.

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Claims

MOTOREN- UND TURBINEN-UNION MÜNCHEN GMBH. München, den 3>. Dez. I971 Patentansprüche

1. Regeleinrichtung einer Gasturbinenanlage, χ.Β. eines Kraftfahrzeug- oder Plugtriebwerkes, mit einem ersten Regler, von dem die Brennstoffmenge änderbar ist, und einem zweiten Regler, von dem die vom ersten Regler zugemessene Brennstoffmenge additiv oder alternativ verringerbar ist, wobei ein die Änderung der Regelgröße des zweiten Reglers verzögerungsbehaftet messender Fühler vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffmengenänderung in eine Änderung (ΔΤ) der Regelgröße (T) des zweiten Regiere (R₃) mit einem Zeitverhalten selbsttätig umrechenbar ist und die letztgenannte Änderung (A T) dem zu niedrig gemessenen Istwert (T₁) dieser Regelgröße (T) selbsttätig aufschaltbar ist.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, daduroh gekennzeichnet, daß die Regelgröße des zweiten Reglers (R₂) eine Temperatur (T) stromab der Brennkammer (l6) ist.

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3· Regeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeieh-■ net, daß die Regelgröße des ersten Reglers (R₁) die Drehzahl (N) einer Turbine (lo) dtr Gasturbinenanlage ist.

4. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelgröße des ersten Reglers (R,) und die Regelgröße des zweiten Reglers (Rg) Druckverhältnisse oder Temperaturver»· hältnisse der Gasturbinenanlage sind.

5. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur selbsttätigen Umrechnung der Brennstoffmengenänderung in die Änderung (^T) der Regelgröße ,(T) des zweiten Reglers (Rg) mindestens eine Kenngröße der Gasturbinenanlage verwendet wird.

6. Regeleinrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsgröße der Regler (R₁, Rg) ein Quotient B/K ist, wobei B die Brennstoffmenge und K eine Kenngröße oder Verbindung von Kenngrößen der Gasturbinenanlage ist.

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