DE2305654C2

DE2305654C2 - Drehzahlregelungseinrichtung für eine Flugzeug-Hilfsenergieerzeugungseinheit

Info

Publication number: DE2305654C2
Application number: DE2305654A
Authority: DE
Inventors: James Joseph East Granby Conn. Griffith
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1972-03-27
Filing date: 1973-02-06
Publication date: 1983-04-28
Also published as: IT983621B; FR2178151B1; GB1411712A; US3764814A; JPS497614A; JPS5745893B2; FR2178151A1; DE2305654A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehzahlregelungseinrichtung der Im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Bei einer solchen bekannten Drehzahlregelungseinrichtung (US-PS 29 53 691) besteht der Gaserzeuger der Hllfsenergleerzeugungseinhelt aus einem sogenannten Raketenmotor mit einer Ladung festen oder flüssigen Brennstoffes, die bei Inbetriebnahme des Gaserzeugers gezündet wird. Der Gaserzeuger muß deshalb dauernd unter Vollast arbeiten, um eine ausreichende Gasmenge zu liefern, wenn die Wechselstrommaschlne maximal belastet Ist. Die freie Nutzleistungsturbine treibt den Wechselstromgenerator und als weiteren Energieverbraucher eine Hydraulikpumpe an. Zum Konstanthalten der Generatordrehzahl wird die Pumpenfördermenge variiert. Bei geringerer Belastung der Wechselstrommaschlne wird die überschüssige Energie von dem weiteren Energieverbraucher aufgenommen. Nachteilig Ist bei dieser bekannten Drehzahlregelungseinrichtung, daß zum Konstanthalten der Drehzahl der Nutzleistungsturbine lediglich die Last.-aufnahme des weiteren Energieverbrauchers veränderbar Ist und daß der Gaserzeuger ständig unter Vollast arbeiten und deshalb für ständigen Vollastbetrieb ausgelegt sein muß.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Drehzahlregelungseinrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sich die Drehzahl der Nutzleistungsturbine und damit die Drehzahl des Wechselstromgenerators und die elektrische Frequenz bei allen Lastzuständen der Nutzleistungsturbine auf wirtschaftlichere Weise und ohne einen für ständigen Vollastbetrieb ausgelegten Gaserzeuger konstanthalten lassen.

Diese Aufgabe ist durch die im Kennzeichen des ίο Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Gemäß der Erfindung wird die Drehzahl der Wechselstrommaschlne durch Drehzahlregelung des als Gasturbine ausgebildeten Gaserzeugers und dabei gleichzeitig die gewünschte Leistung des als Luftverdichter ausgeblldeten weiteren Energieverbrauchers aufrechterhalten. Wenn ein Betriebspunkt erreicht wird, wo der Gaserzeuger die erforderliche Energie zur Konstanthaltung der Drehzahl der Wechselstrommaschlne nicht mehr abgeben kann, wird die durch den Luftverdichter aufgenommene Leistung herabgesetzt. Die Erfindung ermöglicht dadurch, einen Gaserzeuger vorzusehen, der nicht ständig unter Vollast arbeiten muß und der darüber hinaus nicht so ausgelegt zu werden braucht, daß er die Energie zu liefern hat, die zum Antrieb der Nutzleistungsturbine bei gleichzeitiger Maximalbelastung der Wechselstrommaschlne und des Luftverdichters erforderlich wäre. Die Hilfsenergleerzeugungselnhelt ist für normale Betriebsbedingungen dimensioniert, und bei Spitzenlastzuständen wird die durch den Luftverdichter aufgenommene Leistung bevorzugt vor der elektrischen Belastung verringert, so daß die konstante Frequenz des Wechselstromgenerators Immer erhalten bleibt.

Mit der Drehzahlregelungseinrichtung nach der Erfindung wird also eine konstante Drehzahl der Nutzleistungsturbine und damit die elektrische Frequenz des Wechselstromgenerators bei allen Belastungen der Nutzlelstungsturblne aufrechterhalten, die Gaserzeugerdrehzahl wird auf die des Maxlmallastzustandes begrenzt, und die Lastaufnahme des Luftverdichters wird vorrangig gegenüber der elektrischen Lastaufnahme verringert, so daß immer die erforderliche elektrische Leistung geliefert wird, indem die vom Gasgenerator abgegebene Leistung und die Lastaufnahme des Luftverdichters unabhängig voneinander geregelt werden. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung bilden den Gegenstand der Unteransprüche. In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 erfolgt der Übergang von einer Regelphase, In der auf die Drehzahl des Gaserzeugers eingewirkt wird, auf die andere Regelphase, in der auf die Lastaufnahme des Luftverdichters eingewirkt wird, ohne daß dafür eine besondere Schaltlogikanordnung erforderlich wäre. Der Übergang von der einen auf die andere Regelphase erfolgt gleichmäßig und kontinuierlich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird Im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Flg. 1 eine Flugzeug-Hllfsenergleerzeugungselnheit mit einer freien Nutzleistungsturbine, die einen Luftverdichter und einen Wechselstromgenerator antreibt, und

Flg. 2 ein Blockschaltbild einer Drehzahlregelungseinrichtung für die In Flg. 1 gezeigte Hilfsenergleerzeugungselnhelt.

Eine In Flg. I Insgesamt mit der Bezugszahl lü bezeichnete Flugzeug-Hllfsenergleerzeugungselnhelt hat einen Gaserzeuger 12, der aus einem Verdichter 25, einer Verbrennungseinrichtung 26 und einer Turbine 28 besteht, eine freie Nutzlelstungsturbine 14, die einen

Wechselstromgenerator 16 antreibt, und einen Luftverdichter 18 für die Flugzeug-Klimaanlage. Der Luftver-('ichter 18 liefert der Klimaanlage Druckluft, mit der diese den Druck und die Temperatur in der Flugzeugkabine steuert. Verstellbare Elnlaßleltschaufoln 20, die durch einen Stellantrieb 22 bewegbar sind, sind in dem Lufteinlauf des Luftverdichters 18 angeordnet und dienen zum Verändern von dessen Lastaufnahme. Ein Brennstoffregler 24 regelt die Brennstoffzufuhr zu der Verbrennungseinrichtung 26 des Gaserzeugers !2, damit dieser die zum Antrieb der Nutzlelstungsturblne 14 erforderliche Leistung abgibt. Es gibt keine mechanischen Verbindungen zwischen der Nutzleistungsturbine 14 und der Turbine 28 des Gaserzeugers, und ihre einzige Verbindung Ist der von der Turbine 28 gelieferte Gasstrom, weshalb die Nutzleisiungsturblne 14 als »freie« Nutzleistungsturbine bezeichnet wird.

In Fig. 2 Ist als Blockschaltbild die Drehzahlregelungseinrichtung dargestellt, mit der die Drehzahl der Nutzleistungsturbine 14 konstantgehalten wird. Ein Drehzahlgeber 30 fohl» die Ist-Drehzahl N_{2 a}, der Nutzleistungsturbine 14 ab und wandelt sie in eine dazu proportionale Spannung um, die an einen Vergleicher 32 angelegt wird. Eine Spannung, die die Soll-Drehzahl TV_{2 s}„„ angibt, liegt an dem Vergleicher 32 an, der sie mit der Ist-Drehzahl N₂ ,„ vergleicht und ein die Drehzahldifferenz N_2Micr angebendes Signal erzeugt. Das Signal N_{2 feh}i_Cr wird an einen PI-Regler 34 angelegt, der ein Signal erzeugt, das die Soll-Drehzahl N_{1 i0}„ des Gaserzeugers 12 angibt, d. h. die notwendige Änderung der Drehzahl N₁ zum Erzielen der konstanten Drehzahl N₂. Das Signal /V, _so,i wird an ein Minimalwertgatter 36 angelegt. Das Signal /V_]so„, das durch den PI-Regler 34 erzeugt wird, wird ständig mit einem Gaserzeugertemperaturgrenzslgnal N_Ure„, verglichen. Der Wert des Gaserzeugertemperaturgrenzslgnals Wj _Are„_: kann sich zwar mit den Flugzeugbetriebsvariablen, wie der Höhe, der Temperatur und/oder dem Druck, ändern, für das hler beschriebene Beispiel wird er aber als fester Wert angenommen.

Der Drehzahlregelkreis 41 dient zum gesonderten Regeln der Drehzahl JV₁ des Gaserzeugers 12 derart, daß dessen abgegebene Leistung dessen Belastung angepaßt ist. Solange JV₁ „„ kleiner als W_lsrp„₂ Ist, erzeugt ein Vergleicher 38, der die Ist-Drehzahl des Gaserzeugers 12, die ein Drehzahlgeber 39 liefert, mit der Soll-Drehzahl /V, _s„„ des Gaserzeugers vergleicht, ein Signal JV₁ _fehlen das die Differenz angibt. Das Signal h\_Mi_rr wird an einem P-Regler 40 angelegt, der ein Stromsignal zum Betätigen eines Stellmotors 42 erzeugt, welcher seinerseits den Brennstoffregler 24 betätigt, damit die Brennstoffzufuhr W₁ zu dem Gaserzeuger 12 und auf diese Weise die von diesem abgegebene Leistung verändert wird.

Immer dann, wenn JV_{1 so//} kleiner als N_{x gre}„- ist, wird also das Signal an einem Differenzbildner 44 null sein, da das Eingangs- und das Ausgangssignal des Minimalwertg&tters 36 gleich sind. Wenn jedoch das Signal N_lsol/ mehr Leistung verlangt (durch Forderung einer höheren Drehzahl) als die Hilfsenergieerzeugungseinheit gemäß der Angabe durch das Signal N₁ ,,„,„- erzeugen kann, ohne daß ein Übertemperaturzustand hervorgerufen wird, dann wird das Eingangssignal N_Un/l an dem Mlnimalwertgatter 36 größer sein als dessen Ausgangssignal, wodurch von dem Differenzbildner 44 ein Fehlersignal erzeugt wird. Der Dlfferenzbildnei 44 leitet das Fehlersignal zu einem Vorspannungsregler 46, der ein Signal

(d. h. eine in einen Einstellwert der Einlaßleitschaufeln 20 des Luftverdichters 18 umgewandelte Spannung) B₁ an einen Vergleicher 48 anlegt. Die Einlaßleitschaufeln 20 werden nach einem vorbestimmten Plan LSB₁ eingestellt, der eine Funktion eines Steuerparameters, wie belspielsweise der Flugzeugkabinentemperatur, sein kann, und ein sich durch Differenzbildung zwischen LSB₁ und B₂ ergebender Leitschaufelstellungssollwerl LS_s„n dient zum Positionieren des Stellantriebs 22, der durch Verstellen der Einlaßleitschaufeln 20 die in den Luftverdichter 20 einströmende Luft und damit dessen Lastaufnahme verändert. In dem vorstehend beschriebenen Grenzzustand, in welchem /V_{1 M}„ größer ist als /V, ,,„„., wird durch den Vorspannungsregler 46 der Leitschaufeleinstellwertplan durch das Signal B₂ proportional verändert, um die Einlaßleltschaufeln 20 im Sinne einer Verringerung der Belastung der Nutzleistungsturbine 14 unabhängig von der Regelung des Gaserzeugers 12 zu verstellen und das Drehzahlfshlersignal N_2FeMer auf null zu verringern. Wenn die Klimaanlage mehr Leistung verlangt als der Gaserzeuger 12 erzeugen kann, ohne daß die Gaserzeugerdrehzahlgrenzwerte überschritten werden, so wird die Lastaufnahme des Luftverdichters 18 verringert, damit der Wechselstromgenerator 16 weiterhin eine konstante Frequenz liefert und gewährleistet ist, daß die

^5 Nutzlelstungsturblne 14 nicht überlastet wird und nicht von ihrer konstanten Drehzahl abweicht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Drehzahlregelungseinrichtung für eine Flugzeug-Hilfsenergieerzeugungseinheit, die einen Gaserzeuger und eine freie Nutzleistungsturbine, welche mit einem Wechselstromgenerator und einem weiteren Energieverbraucher antreibend verbunden ist, aufweist, wobei zum Konstanthalten der Drehzahl der Nutzleistungsturbine die Lastaufnahme des weiteren Energieverbrauchers veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zum Konstanthalten der Drehzahl der Nutzleistungsturbine (14) die Brennstoffzufuhr (Wj) zu dem einen Verdichter (25), eine Verbrennungseinrichtung (26) und eine Turbine (28) aufweisenden Gaserzeuger (12) regelbar Ist, und daß beim Erreichen der Maximaldrehzahl des Gaserzeugers (12) die Lastaufnahme des als Luftvefdlchter (18) für eile Fiugzeug-Kl.'maanlage ausgebildeten weiteren Energieverbrauchers verändert wird.

2. DrehzahJregeJungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastaufnahme des Luftverdichters (18) mittels einer In dessen Lufteinlauf angeordneten Drosseleinrichtung (20) veränderbar ist.

3. Drehzahlregelungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Einrichtung (32, 34) zum Vergleichen der Ist-Drehzahl (N₂^₁) der Nutzleistungsturbine (14) mit deren Soll-Drehzahl (N_25O„) und zum Bilden eines ersten Signals, das die Soll-Drehzahl (N_{1 ioU}) des Gaserzeugers (12) angibt, vorgesehen ist, daß das erste Signal einem Minimalwertgatter (36) zugeführt wird, das es mit einem Gaserzeugertemperaturgrenzsignal (N_lgrr„.) vergleicht und das kleinere der beiden Signale dem Drehzahlregelkreis (41) des Gaserzeugers (12) zuführt, und daß das erste Signal und das kleinere der beiden Signale einem Differenzbildner (44) zugeführt werden, der mit der Differenz die Lastaufnahme des Luftverdichters (18) verändert.