DE2163344C3

DE2163344C3 - Regeleinrichtung für eine Gasturbinenanlage, z. B. ein Kraftfahrzeug- oder Flugtriebwerk

Info

Publication number: DE2163344C3
Application number: DE2163344A
Authority: DE
Inventors: C Greune; F Hackl; K Maier
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1971-12-21
Filing date: 1971-12-21
Publication date: 1974-07-04
Also published as: DE2163344B2; FR2164840B1; GB1414468A; SE376947B; US3886730A; JPS4872507A; JPS5740333B2; IT971435B; FR2164840A1; DE2163344A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung für eine Gasturbinenanlage, z. B. ein Kraftfahrzeug- oder Flugtriebwerk, mit einem ersten Regler, durch den die Brennstoffmenge änderbar is!, einem zweiten Regler, durch den die vom ersten Regler zugemessene Brennstoffmenge additiv oder alternativ verringerbar ist, und einem die Änderung der Regelgröße des zweiten Reglers verzögerungsbehaftet •ncssenden Fühler.

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 Zusatzregelcinrichtungen mit offenen Regelkreisen bekannt, die das Überschreiten bestimmter Grenzzustände des Triebwerks verhindern. So ist bekannt, für einen Beschleunigungsvorgang die höchstzulässige Brennstoffmenge in Abhängigkeit von Kenngrößen des Triebwerks zu steuern.

In jüngster Zeit versucht man, die Begrei:⁷.ungseinrächtungen dadurch zu verbessern, daß man die kritische Größe mißt und über einen zweiten Regler regelt. Ein Vorteil dieses geschlossenen Regelkreises für tnstationäres 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.

ίο Der Betrieb mit zwei Reglern, von denen der erste die meiste Zeit im Eingriff ist, 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., daß eine durch eine Brennstoffmengerillnderung hervorgerufene Änderung der Regelgröße des zweiten Reglers von einem solchen Fühler verzögerungsbe-

haftet 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 gemuß der Erfindung ist, diesen Nachteil zu vermeiden. Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Umrechnungsblock (eine Umrechnungsschaltung), in dessen erstem Teilblock selbsttätig die Stellgröße der Regler differenziert und ein Zeitglied gebildet wird und in dessen zweitem Tcilblock selbsttätig das mit dem Zeitglied behaftete Differentiationsergebnis mitteis mindestens einer Kenngröße derGastuibinenanlage in einen Zusatzwert für den zu niedrig gemessenen Istwert der Regelgröße des zweiten Reglers umgerechnet wird, der letzterem aufgeschaltet wird. Dadurch ist die Brennstoffmengenänderung in eine Änderung der Regelgröße des zweiten Reglers mit einem Zeitvcrhalten selbsttätig umrcchenbar und die letztgenannte Änderung dem zu niedrig gemessenen Istwert dieser Regelgröße selbsttätig aufschaltbar. Im Betrieb wird also die Stellgröße der Regler fortwährend selbsttätig in einen Zusatzwert für die Regelgröße des zweiten Reglers umgeformt Diese selbsttätige Umformung geschieht so, daß dieser Zusatzwcrt mit einem bestimmten schnellen Zeitverhalten behaftet ist. Der Zus&tzwert wird selbsttätig dem genannten Istwert so lange aufgeschaltet, wie der Fühler die Regelgröße des zweiten Reglers verzögerungsbehafici mißt. 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 auf ihren kritischen Wert begrenzt, so daß der Grenzwert der Regelgröße des zweiten Reglers, also deren kritischer Wert, nicht überschritten wird.

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

Die Erfindung wird insbesondere zur selbsttätigen Begrenzung einer Temperatur stromab der Brennkammer angewendet. Dabei handelt es sich hauptsächlidi umdicTemperaturdesTrcihgasesam Eintritt oder Austritt einer Turbine der Gasturbinenanlage.

Insbesondere ist also die Regelgröße des zweiten Reglers eine Temperatur stromab der Brennkammer, Die Brennstoffmengenänderung ist also selbsttätig in eine Änderung dieser Temperatur mit einem ZeityerhalW-n umreehenbar 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 vor Überhitzen 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 der Gasturbinenanalge, 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 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.

Die Umrechnungskenngröße der Gasturbinenanlage kann z. B. die Drehzahl einer Turbine oder ein Gasdurchsatz der Gasturbinenanlage sein. Mittels dieser Kenngröße(n) ist 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 selbsttätig dem zu niedrigen Istwert der Regelgröße des zweiten Reglers ein Zusatzwert mit einem Zeitverhalten aufgeschaltet werden, so daß dann der Istwert dieser Regelgröße zumindest näherungsweise die richtige Größe hat.

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

In der Zeichnung ist in F i g. I ein Ausfiihrungsbeispiel der Regeleinrichtung gemäß der Erfindung in Form eines Blockschaltbildes im Zusammenhang mit einem in Form eines Schaltbildes gezeigten Kraftfahrzeug-Gasturbinentriebwerks dargestellt. Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Regeleinrichtung gemäß der Erfindung ebenfalls in Form eines Blockschaltbildes. Auch diese Regeleinrichtung kann für das eben genannte Triebwerk verwendet werden.

Das Gasturbinentriebwerk gemäß Fig. 1 ist eine Zweiwellenanlagc mit einer Gaserzeugerturbine 10, die einen Verdichter 11 für die Verbrennungsluft (mit Überschußluft) antreibt, und einer Freiturbine 12 mit verstellbarem I Titschaufelkranz 13, die über ein Getriebe 14 Nutzleistung abgibt. Das Triebwerk weist noch einen Luftvorwärmer 15, eine Brennkammer 16, eine Brennstoffpumpe 17 und eine Brennstoffzumeßvorrichtung 18 auf. Die Funktion des Triebwerks ist ohne weiteres aus Fig. 1 ersichtlich — siehe u.a. die Pfeile, die den Luftstrom und die Gasströme kennzeichnen. Der Pfeil 24 kennzeichnet den Brennstofffluß.

Die Brennstoffzumeßvorrichtung 18 wird von der in Fig. I dargestellten Regeleinrichtung gesteuert.

ίο Von einem ersten Regler A₁ der Regeleinrichtung ist die Brennstoffmenge änderbar. Von einem zweiten Regler A₁ der Regeleinrichtung ist die vom ersten Regler zugemessene Brennstoffmenge additiv verringerbar. Die Regelgröße des ersten Reglers A₁ ist die

'5 Drehzahl N der Gaserzeugerturbine 10 und des Verdichters 11. Der Sollwert dieser Drehzahl N ist mit I\\, ihr Istwert mit /V₁ bezeichnet. Die Regelgröße des zweiten Reglers R₂ isl d>a Temperatur T des Treibgases am Eintritt der Frei turbine 12. Der Sollwert dieser Temperatur ist mit T₁, ihr Istwert mit 7) bezeichnet. Bei Brennstoffmengenerhöhung mißt der nicht dargestellte Fühler die Temperatur T verzögerungsbehaftet. Daher weist die Regeleinrichtung einen Umrechnungsblock (eine Umrechnungsschaltung) 19 auf, in dessen Teilblock \9' selbsttätig die Stellgröße y der Regler R₁ und A₂ differenziert und ein Zeitglied gebildet wird und in dessin Teilblock 19" selbsttätig das mit dem Zeitglied behaftete Differentiationsergebnis mittels mindestens einer Kenngröße des Triebwerks in einen Temperatur-Zusatzwert AT für den zu niedrig gemessenen Istwert 7] umgerechnet wird. Die selbsttätige Eingabe dieser Triebwerkskenngröße(n) in den Umrechnungsblock 19" ist durch den Pfeil 20 gekennzeichnet. Wenn z. B. die Brennstoffmenge, also die Stellgröße y zunimmt, wird selbsttätig der Temperatur-Zusatzwert AT dem zu niedrig gemessenen Istwert T₁ aufgeschaltet. Während der Aufschaltzeit steigt dieser Istwert T₁ bis auf seine richtige Größe an und nimmt derTcmperatur-Zusatzwert A T auf Null ab, wobei aoer die Summe aus beiden Werten immer etwa gleich dem richtigen Temperatur-Istwert ist. Infolge dieses selbsttätigen Aufschaltens verringert der Regler R₂ mittels seiner Stellgröße y₂ den Wert der Stellgröße > >, so rechtzeitig, daß die Brennstoffmenge auf ihren 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 R₁ und R₂ ein Quotient BIK ist, wobei B die Brennstoffmenge und K die Kenngröße oder Verbindung von Kenngrößen des Triebwerks ist. Diese Kenngröße wird bzw. diese Kenngrößen werden in den Mulitplikator 21 selbsttätig eingegeben - siehe den Pfeil 22. In diesem Fall ist es möglich, daß in den Teilblock 19" lediglich ein¹-¹ Konstante selbsttätig eingegeben zu werden braucht.

Die Brennstoffzumeßvorrichtung 18 kann auch von

der Regeleinrichtung gemäß Fig. 2 gesteuert werden.

Diese Regeleinrichtung unterscheidet sich von der gemäß Fife. 1 dadurch, daß der Regler A₂ der alternativen Verringerung der vom Regler 1 zugemessenen Brennstoffmenge dient. Zu diesem Zweck enthält die Regelvorrichtung eine Auswahllogik3chaltung 23, die selbsttätig den kleineren der Werte der beiden Reglerausgangsgrößcn, also der Stellgrößen y_x und y₂, auswählt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Regeleinrichtung für eine Gasturbinenanlage, z. B. ein Kraftfahrzeug- oder Flugtriebwerk, mit einem ersten Regler, durch den die Brennstoffmenge änderbar ist, einem zweiten Regler, durch den die vom ersten Regler zugemessene Brennstoffmenge additiv oder alternativ verringerbar ist, und einem die Änderung der Regelgröße des zweiten Reglers verzögerungsbehaftet messenden Fühler, gekennzeichnet durch einen Umrechnungsblock (eine Umrechnungsschaltung 19), in dessen erstem Teilblock (19') selbsttätig die Stellgröße (y) der Regler (A₁, R₁) differenziert und ein Zeitglied gebildet wird und in dessen zweitem Teilblock (19") selbsttätig das mit dem Zeitglied behaftete Differentiationsergebnis mittels mindestens einer Kenngröße (20) der Gasturbinenanlage in einen Zusatzwert (A T) für den zu niedrig gemessenen Istwert (T₁) der Regelgröße (T) des zweiten Reglers (R₂) umgerechnet wird, der letzterem aufgeschaltet wird.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelgröße des zweiten Reglers (R₁) eine Gastemperatur (T) stromab der Brennkammer (16) ist.

3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelgröße des ersten Reglers (/?,) die Drehzahl (N) einer Turbine (10) der Gasturbinenanlage ist.

4. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelgröße des ersten Reglers (A₁) und die Regelgröße des zweiten Reglers (A₂) Druckverhältnisse oder Temperaturverhältnisse der Gasturbinenanlage sind.

5. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsgröße der Regler (R₁, R₁) ein Quotient BiK ist, wobei B die Brennstoffmenge und K eine Kenngröße oder Verbindung von Kenngrößen der Gasturbinenanlage ist.