DE2358926A1 - Einlaufregelung fuer luftatmende flugzeugtriebwerke - Google Patents

Description

Einlaufregelung fur luftatmende Flugzeugtriebwerke.

Die Erfindung Detrifft die Einlaufregelung für luftatmende Flugzeugtriebwerke, insbesondere von Hochleistungsflugzeugen mit üüerschallflugtauglichkeit.

Es ist Zweck jeder Einlaufregelung, Lufteinlauf und Triebwerk einander leistungsoptimal anzupassen, um damit das Gesamtkonzept zu einer verträglichen Einheit auszugestalten. Der Lufteinlauf hat die Aufgabe, dem Triebwerk die erforderliche Luftmenge verlustarm und in ausreichend homogenem Zustand zuzuführen. Strömungsverluste ergeben sich z.B. aus Reibung, Verdichtungsstößen und Überlaufwiderständen; Luftinhomogenitäten resultieren beispielsweise aus Jruckungleichformigkeiten. Können beide Nachteile weitgehend.vermieden werden, so erzeugt das Antriebssystem des betreffenden Flugzeugs optimalen Schub. Außerdem ist sichergestellt, daß Lufteinlauf und Triebwerk stabil zusammenarbeiten. Andernfalls ergeben sicn .ueistungseinbußen, deren Folgen verschiedener Art sein können. Einlauf und TriebwerK werden zunäcnst instabil;¹ es stellen sich iJrucKSchwingungen im Antriebssystem ein, die., sobald sie ihre zulässige, von der Technik noch beherrschbare Grenze überschreiten, die inecnaniscne Zerstörung von Lufteinlauf und/oder Triebwerk zur Folge iiaoen Können.

Die aufgezeigten Zusammenhange sind von besonderer Bedeutung für Antriebssysteme, die einen größeren Fluggeschwindigkeitsbereich beherrschen sollen. Derartige Triebwerke haben einen stark variieren den LuftDedarf in Abnängigkeit vom jeweiligen Flugzustand, der u.a.

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durcn .!acnzanl und Triebwerksdrehzahl bestimmt wird. HochleistungstrieDwerKO verlangen z.B. beim Start einen extrem hohen "reduzierten Luftdurcnsatz", was bedeutet, daß der engste Strömungs-'juerscunitt des Einlaufs möglichst groß bemessen sein muß. Demgegenüber muß~ bei nöhern überschallf lug, beispielsweise bei Mach 2,2 der "reduzierte Luftdurchsatz" extrem niedrig sein, wobei entsprechend der engste Stromungsquerscunitt des Einlaufs möglichst klein bemessen sein muß, u.u im Eintrittsbereich des Lufteinlaufs die gewünschte Konfiguration der Verdicntungsstöße zu erreichen.

L)a jeder feste Lufteinlauf nur einen begrenzten stabilen Arbeitsbereich hat, muß insbesondere für Hocnleistungstriebwerke aus Anpassungsgründen ein verstellbarer Lufteinlauf vorgesehen werden. Die heute generell übliche automatische Steuerung bzw. Regelung des Lufteinlaufs übernimmt das sogenannte Einlaufregelsystem.

Es ist beispielsweise ein zweidimensionaler Lufteinlauf für ein Hocnleistungsflugzeug vorgescnlagen worden, der insgesamt über seine Länge drei Rampen aufweist und dessen Längsachse - wie üblicn - parallel zur x-Acnse des Flugzeugs verläuft. Vom Vorderteil des Flugzeugs her gesellen ist die erste Rampe fest und die zweite und dritte Rampe beweglich ^äriierung des Lufteinlaufs ausgebildet. Zu diesem Zweck sind die zweite und die dritte Rampe mechanisch über Gelenke und Gestänge miteinander verbunden. An dem Gestänge greift ein elektrohydraulischer Stellzylinder an, der in der Lage ist, die beiden beweglichen Rampen synchron zu verstellen. Die automatiscne Ansteuerung des Stellzylinders bzw. des Rampenaktuators erfolgt durch das Einlaufregelsystem, welches neuerdings auf einem elektronischen Digitalrechner basiert. Zwiscnen der zweiten und der dritten Rampe des vorstehend aufgezeigten Lufteinlaufs befindet sich ein relativ breiter Spalt, durch den ein Teil der inneren Grenzschicht und ein Teil der Einlaufluft nacn außen abströmt. Der Raunt über der zweiten bzw. der mittleren Rampe wird als Meßkanuner des Druckes benützt, der als Regelparameter für das bekannte Einlaufregelsystem dient. Außerdem werden bei der Einlaufregelung die folgenden Werte berücksicntigt: der statische und der totale Druck der Außenströmung sowie der je-

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weilige Anstellwinkel des betreffenden Flugzeugs. Das Verhältnis von statischem Druck zum totalen Druck der Außenströmung zeigt die Flugmachzahl an.

Es ist ferner bekannt, Druckverhältnisse in) Lufteinlauf von Strahltriebwerken zur Regelung des Lufteinlaufs heranzuziehen. Zum Beispiel ist es bekannt, die Einlaufgeometrie als Funktion der Machzahl und eines -typischen Druckverhältnisses zu regeln (DAS 1 202 267 und US-PS 3 181 818). Ein anderes bekanntes System dieser Art, bei dem der Hauptregelparameter die Lage der Verdichtungsstoße ist, verwendet Druckmeßstellen im vorderen Teil des Einlaufs sowie ein zweites variables Element in Form einer Abblasklappe (franz. PS 2 026 964). Allen diesen Systemen ist gemeinsam, daß eine willkürliche Änderung der Parameter, die mit Rücksicht auf die Leistung und Stabilität der Regelstrecke gegebenenfalls erforderlicn werden kann, auf einfache Weise nicht möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einlaufregelung der obengenannten Art zu schaffen, welche es gestattet, den Regelparameter in willkürlicher Weise derart zu modifizieren, daß im gesamten Fluggeschwindigkeitsbereich eine leistungsoptimale Einlaufregelung erreicnt wird,wobei die erforderliche Stabilität der aerodynamiscn geschlossenen Regelschleife sowie gleichzeitig die Verträglichkeit zwischen Einlauf und Triebwerk gewährleistet ist.

Gemäß der Erfindung Wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß als Regelparameter ein variables dimensionsloses Verhältnis des Druckes über einer beweglichen mittleren Rampe zum Druck der Außenströmung dient. Insbesondere ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß dieses dimensionslose Drüekverhäitnis in Abhängigkeit vom Stellzylinderrückführsignal im Regler berechnet und als Führungsgröße der im Regler vornandenen Summierstelle mitgeteilt wird, so daß jeweils der vorner durch Windkanal- und/oder Flugversucn ermittelte optimale Leistungspunkt des Antriebssystems eingestellt wird.

In den Abbildungen ist die Erfindung zeichnerisch erläutert. Es zeigen: ■ · .

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fig. 1 üie scheruatiscne Darstellung einer Einlaufkonfiguration; Fig. 2 ein aerodynamisches Kennfeld der Einlaufkonfiguration gemäß Fig. 1;
Fig. 3 ein Regelungskonzept gemäß der Erfindung.

üie jüinlaufkonfiguration gemäß Fig. 1 besteht aus den Rampen 1, λ und 3, von denen die erste fest und die beiden anderen um die Aciisen 4 und ü schwenkbar ausgebildet sind. Die beiden freien Enden b und 7 der Rampen λ und 3 sind über ein mechanisches Gestänge d so miteinander verbunden, daß ein nicht dargestellter Aktuator durch Angriff an dem Hebel 9 die beiden Rampen 2 und 3 synchron so bewegen kann, daß eine gewünschte Einlaufkonfiguration hergestellt v/ird. , stellt den winkel der Rampe 2 relativ zur Rampe 1 dar.

In dera Diagramm gemäß Fig. 2 ist über dein Rampenwinkel ^Λ _? das uruckverhältnis ^? = ρ _α/ρ. für verschiedene Luftdurcnsätze L des Trieowerks aufgetragen, wobei die L -Kurven für "heiße Tage" (L,,.), "Norrnaltag" (i>,,.,) und "kalten Tag" (L₁.,,,) eingetragen sind. Der Druck η ist über der mittleren, in diesem Falle über der zweiten Rampe geinessen, ρ^ ist der totale Druck der Außenströmung. Außerdem enthalt das Diagramm aero-tnermodynaraische Stabilitätsgrenzen G₁ und G, von Einlauf und Triebwerk, d.h. links von der Kurve G₁ tritt Einlaufbrummen (buzz) auf und rechts von der Kurve G erfolgt Triebwerkspumpen (engine surge). Weiterhin gezeigt sind eine Linie für raaximalen Schub S sowie eine realistisch ge- ■ wänlte Kontrollinie B ,,, gemäß der der Einlauf verstellt wird. Das Diagramm gemäß Fig. 2 entspricht der Flugbedingung: Mach 1,98 uei · = 3,4 , wobei ^r* der Anstellwinkel des Flugzeuges ist. Für jede andere Flugbedingung gilt eine andere Kontrollinie mit eigenem Sollwert des . Dieser ist abhängig vom jeweiligen TriebwerKsluftdurchsatz, von der Triebwerksdrenzahl und von der Umgeuungstemperatur. Die im Diagramm eingetragenen Punkte H für "Heißer Tag", N für "Normaltag" und K für "Kalter Tag" bestimmen den Bereich in welchem sich der Triebwerksarbeitspunkt bewegen kann. Man ernennt daraus, daß sich das leistungsoptiioale ß .. stark

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mit dem TriebwerJtsluf tdurchsatz ändert. Bei der Wahl der Kon trolllinien muß immer darauf geachtet werden, daß genügend Sicherheitsabstand zu den Stabilitätsgrenzen G.. und G„, bei deren Überschreiten das Brummen bzw. Pumpen des Triebwerks eintritt, eingehalten wird.

£.ntsprecnend dem erfindungsgemäßen Regelungskonzept gemäß der ' Fig. 3 wird die Stellung der Rampen 2 und 3 durch eine aerodynamiscn geschlossene Regelschleife verändert, die als Regelgröße

• B= ρ ,p. .benutzt. Aufgrund der .lacnzanl des Flugzeuganstellwinkels und des Stellgrößensignals X (Hüb des Raiapeh-Aktuators) wird vom Einlaufregelsystem, beispielsweise von einem elektronischen üigitalcoiiiputer, ein entsprechender * ^-Soll errechnet und als Führungsgröße ah die Summierstelle weitergegeben. An der Sümmiersteile wird der errechnete Sollwert mit dem gemessenen Ist-Wert verglicaeh. Solange eine Differenz zwischen den beiden _ß-Werteri besteht, wird der Stellzylinder (Rämpenaktuator) elektrisch angesteuert, um die Einlaufgeometrie «-Soll solange zu verstellen, bis die Differenz zwischen ..-Soll und " -Ist den Wert Null angenommen hat.

Die Funktion der Einlauf regelung nach' der Erfindung wird nächäteiiend anhand eines Beispieles erläutert, wobei auf Figur 2 verwiesen wird.

i"ür jede beliebige flugbedihgüng gilt ein entsprechendes Kenrifeld des Einlaufs, das aus Figur 2 zu entnehmen ist. Im Aligemeitifäll wird die Köntröllinie für Optimalschub ein variables ' -Soll verlangen und es ist ein reihet Zufall, falls ein konstantes :~'_B erforderlich ist; Wenn man das StellzylinderrückfüHräignal χ (Actüätör-Hüb proportional Rämpehwinkei) nicht zurückführt; um das je nach Triebwerkslüftbedärf zu mbdif iziereri, kann man

nur ein* konstantes / als Funktion von Machzahl M und Anstellwinkel'-vorschreiben. Dies würde z.B. der Linie H1-N-KT entsprechen, ilan erkennt dabei aus der Abbildung, daß man hur für einen einzigen Punkt (z.B. Piinkt N = Normal-Tag luftdurchsatz des Triebwerks) den Einlaufdperätiönspunkt optimal legen kann. Für kalten

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Tag sowie heißen Tag (Kurven L_JK und L₀) könnte der Einlauf nicht leistungsoptimal angepaßt werden und würde im gezeigten Beispiel sogar den aero-thermodynaruiscnen Grenzen G. bzw. G„ (Einlaufbrummen uzw. Trieowerkspumpen) sehr nafte kommen. Durch Verwendung des Stellzylinderrückfulirsignals χ ist es jedoch möglich, das ^-Soll so zu modifizieren, daß sowohl "Einlaufbrummen" als auch "Triebwerkspumpen" vermieden werden können und außerdem der Einlauf in jedem Punkt leistungsoptimal, d.h. entlang der Linie H-N-K arbeitet. In Fig. 3 ist z.B. die Anwendung dieses Prinzips gezeigt. Aus Speicherkapazitatsgrunden des elektronischen Digitalrechners wurde fur die praktische Anwendung ein universeller Kurvenzug gewählt, der dann entsprechend der jeweiligen Flugbedingung vertikal ( ^/; RUF in Fig. 3) und norizontal (x-REF in Fig. 3) verschoben wurde. Grundsätzlicn kann man jedoca jeden beliebigen Kurvenzug für die jeweilige Flugbedingung (Mach,-' ") in den Digitalrechner einspeichern, was nur eine Frage der Speicherkapazität ist (siehe Figur 2). Der Kurvenzug von -Soll (H-N-K) wird derart in das Einlaufkennfeld gelegt, daß Optimalleistung erreicht oder wenigstens gut angenähert erreicht wird; dabei wird gleichzeitig auf genügend Sicherneitsabstand zu den aero-thermodynamischen Instabilitätsgrenzen geachtet. Die Endpunkte des Kurvenzugs ( '' -REF und x-REF) werden als Funktionen von Machzahl und Anstellwinkel ( » ) als software in den Digitalrechner eingespeichert. Durch Messung der Stellgroße x-lst über ein analogüigitales interface wird die aktuelle Rampensteilung ermittelt. Durch Vergleich von x-Ist mit x-REF vird ein Zj χ gebildet, mit dessen Hilfe aus einer (oder mehreren) Kurven '. ,' = f ( ' x) , die ebenfalls im Rechner gespeichert sind, ein . > oerechnet wird, das zu dem ' addiert wird und damit ein variables " -Soll erzeugt. Die Einlaufgeometrie wird nun solange verstellt, bis ' -Soll = 7„-Ist ist. Damit ist sichergestellt, daß der Einlauf je nach Triebwerksluftbedarf in dem gewünscnten leistungsoptimalen Punkt auf der Kontrollinie läuft.

Die Vorteile des Regelungskonzeptes nach der Erfindung gegenüber bisher bekannten Lösungen sind:

uio Wahl der Kontrollinie des Einlaufs kann beliebig erfolgen, so daß /7

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1) Der Einlauf in jedem Arbeitspunkt innerhalb seines stabilen Arbeitsbereiches leistungsoptimal geregelt werden kann.

2) Falls irgendwelche aerodynamischen Instabilitäten des Einlaufs/ Trieowerks auftreten, kann die Kontrollinie derart modifiziert werden, daß diese Grenzen nicnt überschritten werden.

3) Die aerodynamische Verstärkung der Regelstrecke, d.h. die Differenz der Steigungen von Signalcharakteristik und Kontrolllinie kann durch Wahl der jeweils geeignetsten Kontrollinie angenähert konstant gehalten werden, so daß Stabilität des gesamten Regelkreises als aucn ausreichendes Ansprechverhalten (response) der Regelung garantiert wird.

4) Dieses Regelungskonzept wird besonders flexibel durch Verwendung eines elektronischen Digitalrecnners innerhalb des Regelkreises, der wahlweise neu programmiert werden kann.

Patentansprüche

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Claims (2)

ilKSSLRSCHMITT-BÖLKOW-BLOHM - 8 - Ottobrunn, 26.Oktober 19 73 GLSKLLSCiIAFT BS64 - Dr.Vo/Schö MIT IjLiSCHRANKTER HAFTUNG J 7618 Patentansprüche

1. Einlauf regelung für luftatmende Triebxverke, insbesondere von Hochleistungsflugzeugen mit Uberschallflugtauglichkeit, deren Lufteinlauf mehrere Rampen aufweist, die teils fest und teils beweglich ausgebildet sind, wobei der Druck über einer der beweglichen Rampen als Regelparameter dient, unter zusätzlicher Berücksichtigung des statischen Druckes der Außenströmung sowie von deren totalem Druck und des Anstellwinkels des Flugzeugs, dadurch gekennzeichnet, daß als Regelparameter ( ' ) ein variables dimensionsloses Verhältnis des Druckes (p_CT,) über einer beweglichen mittleren Rampe zum Druck (p ) der Außenströmung dient.

2. Einlaufregelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dimensionslose Druckverhältnis (p /p } in Abhängigkeit vom Stellzylinderrückführsignal im Regler berechnet und als Führungsgröße der im Regler vorhandenen p„ -Summierstelle mitgeteilt wird, so daß jeweils

ob

der vorner durch Windkanal- und/oder Flugversuch ermittelte optimale Leistungspunkt des Antriebssystems eingestellt wird.

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