DE2532817A1

DE2532817A1 - Elektronische brennstoffsteuereinrichtung

Info

Publication number: DE2532817A1
Application number: DE19752532817
Authority: DE
Inventors: Graham John Hindmarsh; Arthur Frank Saunders
Original assignee: Lucas Industries Ltd
Current assignee: ZF International UK Ltd
Priority date: 1974-07-24
Filing date: 1975-07-23
Publication date: 1976-02-12
Also published as: FR2279934B1; JPS6018818B2; DE2532817C2; GB1520882A; FR2279934A1; US4040250A; JPS5149314A; IT1041014B

Description

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PATENTANWÄLTE_;
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Anmelder: I ,ire a a Industries Limited, Great King i3ti't.-et,

Birmingham / England

Elektronische Brennstoffsteuereinrichtung

Die Ei'finduiig betrifft eine elektronische Brennstoff steuereinrichtung für eine Gasturbine, bestehend aus einem ein Fehlersignal.für die Turbinendrehzahl erzeugenden Geber, einem auf Betriebsparameter der Turbine ansprechenden Begrenzer für das Fehlersignal, einem Integrator für das Fehlersignal, einem ersten ein Fehlersignal für die Brennstoffmenge liefernden Differenzverstärker für das Ausgangssignal des Integrators und den Betriebsparameter der wirklichen Turbinendrehzahl und aus einem Brennstoffmengenzuteiler, der in Abhängigkeit von dem Fehlersignal für die Brennstoffmenge die der Turbine zuzuführende Brennstoffmenge einstellt.

Solche BrennstoffSteuereinrichtungen, die eine Reihe von Vorteilen haben, können Schwierigkeiten bereiten, wenn die Turbine während einer schnellen Beschleunigung außer Kontrolle gerät ( surging). Der erwähnte Begrenzer dient dazu, daß der Anstieg des Ausgangssignals des Integrators während der Beschleunigung derart ist, daß die Turbine

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iixriiiuJ c-L-wc iati nicht außer Kontrolle gerat. Um ein Maximum ciuo der Turbine herauszuholen, ist es allerdings notwendig, daß die Maschine ganz nahe bei dem Arbeitspunkt läuft, Lei dem sie außer Kontrolle gerät, way durch Anlegen einer übermäßig großen Belastung während der beschleunigung verursacht werden kann. Wenn die Voraussetzungen für ein Außerkoritroll«- geraten bestehen, gerät die Maschinendrehzahl aussei' Schritt mit dem Ausgangssignal des Integrators, so daß dat; fehleruigiial für den Brennstoff schnell .ansteigt und ein Erholc-n der Turbine von der Überbelastung schv/ierig wird, wenn nicht sogar unmöglich wird.

l:',ö ist datier Aufgabe der Erfindung, eine brciinstof!"steuereinrichtung zu schaffen, die mit der¹ Gefahr des Außerkontrolle der Turbine fertig wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit Steuereinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Steuereinrichtung einen Detektor für den Betriebszustand des Außerkontrollegeratens (-surging), der ein der Änderungsgeschwindigkeit des Ausgangssignals des Differenzverstärkers entsprechendes Signal liefert, und eine Komperatorschaltung aufweist, die ein Anzeigesignal für den Betriebszustand des Außerkontrollegeratens liefert, wenn das Signal für die Änderungsgeschwindigkeit einen vorbestimmten Weit für eine vorbestirnmte Zeit übersehreitet.

Vorzugsweise weist die Komperatorschaltung einen ersten Spanauf

nungskomperatoiy, der an dem Detektor und einer Bezugssignalquelle angeschlossen ist, und eine Verzögerungseinrichtung, die an dem Ausgang des ersten Spannungskomperators angeschlos;>er ist, um die Lieferung des Anzeigesiyignals zu verhindern, bis die vorbestimmte Zeit vorbei ist.

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Der vorbestimmte Spannungswert kann in Abhängigkeit mit maßgebenden Betriebsparametern der Turbine geändert werden.

Nach einer weiteren Ausgestaltung kann eine Dämpfungssperre vorgesehen sein_a die das am Anfang der Beschleunigung bei einer plötzlichen Änderung der Drehzahleinstellung erzeugte Anzeigesignal für den Betriebszustand des Außerkontrollegeratens unterdrückt.

Weiter kann die Einrichtung eine mono-stabile Schaltung aufweisen., die an der Komperatorschaltung zum Zwecke des Triggerns durch das Anzeigesignal für das Außerkontrollegeraten angeschlossen ist und ein Signal an den das Fehlersignal für die Drehzahl der Turbine erzeugenden Geber liefert ₃ um das Fehlersignal auf einen negativen WErt für solange zu reduzieren₃ wie die mono-stabile Schaltung ein Ausgangssignal erzeugt, so daß automatisch das Ausgangssignal des Integrators und damit das Aus gangs signal des das Feder signal/für die Brennstoffmenge erzeugenden Verstärkers reduziert wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel schematisch darstellenden Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild und

Fig. 2 eine Übersicht über Kurven an verschiedenen Stellen des Blockschaltbildes.

Die Zeichnung zeigt die Hauptbestandteile der Brennstoffsteuereinrichtung für eine Gasturbine 10 mit einer einen Verdichter und eine Turbine tragenden Hauptwelle 11 und einer freien Turbine 12 zur Abnahme der Leistung. Der Pilot hat für die Geschwindigkeitssteuerung der Hauptwelle 11 und damit

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and] del· freien Turbine 12 zwei Steuerglieder 13, l'l. Jenen erst-Mii-it ein elektrisches Signal, das der gewünschten Ce.ichw u. digktdt des entsprechenden Teils entspricht. Wandler (■> > 7 in der Turbine erfassen die wirkliche Geschwindigkeit und !Liefern'Signale, die der wirklichen Geschwindigkeit entsprechen. Das Ausgangssignal des Steuergliedes 13 wird über einen Differenzverstärker 15 geleitet, auf den später noch Bezug genommen wird. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 15 wird an eine Programmschaltung 16 geliefert, deren Ausgangssignal konstant und positiv für alle Eingangswerte ist, die unter einem vorbestimmten Wert liegen und das mit dem Eingangssignal linear ansteigt für Eingangswerte, die oberhalb des vorbestimmten Wertes liegen. Dadurch soll sichergestellt werden, daß, wenn einmal die Turbine gestartet ist, die Brennstoff zufuhr zur Turbine nicht unter einen Wert fällt, der zur Aufrechterhaltung der Verbrennung notwendig ist. Die Einrichtung weist weitere Bauteile auf, die während der Startphase betätigt werden; da diese aber für die vorliegende Erfindung nicht relevant sind, kann auf eine Beschreibung hier verzichtet werden.

Das Ausgangssignal der Programmschaltung iu wird einem Differenzverstärker 17 zugeführt, dem außerdem das wirkliche Drehzahlsignal ad Hauptwelle 11 zugeführt wird. Der Verstärker 17 erzeugt ein Fehlersignal für die Drehzahl der Hauptwelle 'Jl. Dieses Signal ist positiv, wenn die wirkliche Geschwindigkeit geringer als die gewünschte Geschwindigkeit ist. Ein weiterer Differenzverstärker 18 vergleicht die Signale des Steuergliedes 14 und des Wandlers 7 der freien Turbine. In Abhängigkeit von diesen beiden"Signalen erzeugt,er ein Pehlersignal für die Drehzahl der freien Turbine 12, das positiv ist, wenn die Drehzahl der freien Turbine kleiner als die gewünschte Drehzahl ist. ·

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ORiGlNAL INSPECTED

Die Ausgangsklemmen der beiden Differenzverstärker 17 und 18 sind mit dem Eingang einer Torschaltung 19 verbunden, der weitere Fehler-oder Begrenzungssignale, die für das Wesen der vorliegenden ERfindung nicht relevant sind, zugeführt werden. Die Torschaltung 19 ist derart ausgelegt, daß sie das jeweils niedrigste Signal am Eingang zum Ausgang durchläßt. Der Ausgang der Torschaltung 19 ist mit einem Begrenzer

20 verbunden,, der dem Pehlersignal eine variable Grenze vorgibt. Wenn das FEhlersignal kleiner ist als diese Grenze, passiert es unverändert den Begrenzer 20. Der Grenzwert des Begrenzers 20 wird verändert durch ein Signal, das über die Klemme 20a dem BEgrenzer 20 zugeführt wird.

Die Ausgangsklemme des Begrenzers 20 ist mit der Eingangsklemme eines Integrators 21 verbunden. Der Ausgang des Integrators 21 ist mit einem Eingang eines Differenzverstärkers 22 verbunden, dessen anderer Eingang mit dem Wandler 6 der Hauptwelle 11 verbunden ist. Das Ausgangssignal des Integrators 21 repräsentiert die augenblickliche Drehzahl, so daß das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 22 ein Fehlersignal für die Drehzahl ist. Dieses Fehlersignal wird einem Brennstoffmengenzuteiler 23 zugeführt, der in Abhängigkeit von dem Fehlersignal die der Turbine zugeführte Brennstoffmenge einstellt.

Der Begrenzer 20 wird durch einen Funktionsgenerator 9 gesteuert, der Eingangssignale von dem Differenzverstärker 22, von dem Wandler 6 für die Drehzahl der Hauptwelle 11 und einem Wandler 8 für den Umgebungsdruck erhält.

Mit der so weit beschriebenen Vorrichtung ist bei nicht ändernden Betriebsbedingungen das Fehlersignal von einem der beiden Differenzverstärker 17, 18 Null, während das Fehlersignal von dem anderen positiv ist. Das Eingangssignal des Integrators

21 ist Null und sein Ausgangssignal ist konstant, so daß bei einer bestimmten Drehzahl der Hauptwelle 11 der Turbine

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der Differenzverstärker 22 an den Brennstoffmengenzuteiler ein Steuersignal liefert, um ausreichend Brennstoff an die Turbine zur Beibehaltung der Drehzahl zu liefern. Der eine der beiden Differenzverstärker 17, 18, dessen Ausgangssignal bei sich nicht ändernden Betriebsbedingungen Null ist, wird ai dieser Zeit von der Drehzahl aktiv gesteuert. Wenn das gerade der Differenzverstärker 18 ist, bewirken irgendwelche Änderungen in der gemessenen Drehzahl der freilaufenden Turbine, die z.B. durch Änderung der Belastung hervorgerufen werden können, eine Änderung in dem steuernden Drehzahlsignal, das wiederum das Steuersignal für den Brennstoffmengenzuteiler 23 ändert, um die Drehzahl der Hauptwelle 11 zu verändern und damit die Drehzahl der freilaufenden Turbine 12 zu korrigieren. Unter diesen Bedingungen ist die Drehzahl der Hauptantriebswelle 11 begrenzt durch die Einstellung des Steuergliedes 13> so daß, sobald die am Steuerglied 13 eingestellte Drehzahl der Hauptwelle 11 der Turbine erreicht ist, das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 17 Null wird und dieser Differenzverstärker 17 die Kontrolle übernimmt.

Während der Beschleunigung, d.h. nach Verstellung des Steuergliedes 13 oder 14, je nach dem, welches zu der Zeit gerade steuerte, auf eine höhere Drehzahl, bestimmt der Begrenzer 20 das maximale Eingangssignal an den Integrator 21. Auf diese Weise wird die Anstiegkurve des Integrators 21 beeinflußt. Normalerweise ist der Anstieg so gewählt, daß sichergestellt ist, daß die Änderungsgeschwindigkeit der Drehzahl der Hauptwelle 11 Schritt halten kann mit dem Anstieg des Ausgangssignals des Integrators.

Die beschriebene Einrichtung berücksichtigt noch nicht die Situation, die entsteht, wenn während der Beschleunigung die Turbine außer Kontrolle gerät und die Hauptantriebswelle beginnt langsamer zu laufen, während der Ausgang des

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Integrators noch zunimmt. Wie beschrieben, würde die unmittelbare Folge einer solchen Situation sein, daß die Brennstoffzufuhr zu der Turbine vergrößert wird, wodurch der Zustand des Außerkontrollegeratens weiter verschlechtert würde.

Die erfindungsgemäße Einrichtung hat zur Berücksichtigung dieses Betriebszustandes einen Detektor, der eine Differenzierschaltung 24 aufweist, die von dem Differenzverstärker 22 ein Eingangssignal empfängt und ein Ausgangssignal erzeugt, das proportional zu dem Zeitdifferential des Augangssignals des Differenzverstärkers 22 ist. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 24 wird einem Spannungskomperator 25 zugeführt, dem außerdem ein Referenzsignal von einem Punktionsgenerator 9 zugeführt wird, so daß der Komperator 25 ein positiv verlaufendes Ausgangssignal liefert, wenn das Ausgangssignal der Differenzierschaltung 24 das des Punktionsgenerators 9 übersteigt. Der Punktionsgenerator 9 erzeugt ein Ausgangssignal, das empirisch auf die Turbine abgestimmt ist, wobei sowohl die Grenze der Beschleunigung als auch die Peststellung des Außerkontroilegeratens zu berücksichtigen sind.

Das Ausgangssignal des Komperators 25 wird dem Eingang einer Torschaltung 28 zugeführt, der außerdem das Ausgangssignal

27 einer ersten mono-stabilen Schaltung/und das Ausgangssignal eines weiteren Spannungskomperators 29 zugeführt werden. Dem Spannungskomperator 29 wird an einem Eingang das Ausgangssignal der Torschaltung 19 und am anderen Eingang eine Bezugsspannung zugeführt. Der mono-stabile Schaltkreis 27 ist mit seinem Eingang am Ausgang des Komperators 29 angeschlossen. Das Ausgangssignal der mono-stabilen Schaltung 27, das normalerweise positiv ist, wird klein, z.B. für 1,2 Sekunden, sobald das Ausgangssignal des Komperators 29 groß wird. Der Komperator 29 dient zur Blockierung der Undtorschaltung 28, wenn ein Pehlersignal klein ist, so daß der Detektor bei

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normaler, sich nicht ändernden Drehzahl infolge Lastschwankungen der freilaufenden Turbine 12 nicht getriggert wird. Der mono-stabile Schaltkreis 27 stellt sicher, daß die ündtorschaltung 28 während kurzzeitiger Spitzen im Ausgangssignal der Differenzierschaltung 24 am Anfang der Beschleunigung blockiert ist, was im Zusammenhang mit Fig. 2 noch im einzelnen erklärt werden wird.

Die Ausgangsklemme der Undtorschaltung 28 ist über eine Verzögerungsschaltung 31 für 20 Millisekunden mit dem Eingang einer zweiten mono-stabilen Schaltung 30 verbunden, die ein positiv verlaufendes Signal einer bestimmten Dauer (z.B. 0,6 Sekunden) erzeugt, wenn die Undtorschaltung ein Ausgangssignal von nicht länger als 20 Millisekunden erzeugt. Der Ausgang der mono-stabilen Schaltung 30 ist mit dem Eingang des Differenzverstärkers 15 verbunden, so daß, wenn das genannte Signal erzeugt wird, das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 15. negativ wird und das Aus gangs signal der programmierten Schaltung 16 sofort auf seinen minimalen Wert fällt. Daher wird das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 17 negativ und kann deshalb über die Torschaltung 19 gelangen und bewirken, daß der Integrator 21 für die Dauer des Signals nach unten abfällt. Am Ende des Signals nimmt die Einrichtung wieder die normale Steuerung auf und die Turbine kann wieder normal beschleunigt werden auf die Geschwindigkeit, die von einem der beiden Steuerglieder 13, 14 vorgegeben ist.

In Fig. 2 ist das typische Verhalten beim Außerkontrollegeraten während der Beschleunigung dargestellt. Zur Zeit T. wird das Stellglied 13 verstellt, um eine stufenförmige Änderung der Drehzahl der Hauptwelle 11 zu fordern. Die Kurve A repräsentiert das entsprechende Ausgangssignal am Differenzverstärker 15, das plötzlich beträchtlich ansteigt. Ein entsprechender Anstieg des Signals B ergibt sich am Ausgang der Torschaltung 19. Wegen verschiedener Verzögerungen in der Rückkopplungsschleife der Brennstoffversorgung entsteht

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eine Verzögerung, bevor das Signal C des Wandlers 6 der Hauptwelle 11 der Turbine beginnt anzusteigen, aber das Ausgangssignal des Integrators 21 hat begonnen, sofort anzusteigen. Infolgedessen erscheint eine kleine Spitze in dem Fehlersignal D für die Drehzahl des Differenzverstärkers 22 zwischen T und T_?, die den Koraperator 25 veranlaßt zu arbeiten, so daß sein Ausgangssignal ansteigt. Ein ausreichend positiv verlaufendes Fehlersignal bei B läßt das Ausgangssignal des Komperators 29 groß werden, so daß das Signal G am Ausgang der mono-stabilen Schaltung 27 beginnend bei T. für 1,2 Sekunden klein wird. Die Undtorschaltung 29 ist daher blockiert und keil Anzeigesignal für ein Außerkontrollegeraten der Turbine wird zurück an den Differenzverstärker 15 geliefert.

Normalerweise wird nun weiter bis zur Zeit T beschleunigt (mehr als 1,2 Sekunden nach T.), wenn der Zustand des Außerkontrollegeratens beginnt. Dies wird von dem Komperator 25 festgestellt. Da der Komperator 29 noch ein großes Ausgangssignal liefert und die mono-stabile Schaltung 30 zurückgestellt ist, erzeugt die Torschaltung 28 ein großes Ausgangssignal, das nach einer von der "Verzögerungsschaltung 31 vorgegebenen Verzögerung von 20 Millisekunden das Ausgangssignal der mono-stabilen Schaltung groß werden läßt, so daß das Ausgangssignal des Generators für 0,6 Sekunden abfällt.

Wenn die Beschleunigung wieder beginnt, entsteht eine kleine Spitze im Pehlersignal der Drehzahl zwischen T,- und Tg, doch da das Ausgangssignal B negativ wird während des 0,6 Sekunden dauernden Abfalls des Ausgangssignals des Integrators, wird das Ausgangssignal E klein und die monostabile Schaltung 27 wird wieder bei Tj- getriggert, um das Anzeigesignal für das Außerkontrollegeraten zu unterdrücken, wie bei T..

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Der letzte Zeitpunkt T„ in Fig. 2 ist der Zeitpunkt, an.dem die Turbine eine Drehzahl erreicht, die innerhalb eines halben Prozentes der gewählten Drehzahl liegt, so daß das Ausgangssignal E des Komperators 29 klein wird. Danach sind die normalen Steuerungszustände wieder hergestellt und alle Übergänge, die genügen, um den Komperator 25 zu betätigen, werden unterdrückt, sogar wenn sie 20 Millisekunden überschreiten.

Ansprüche:

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Claims

Ansprüche:

1. Elektronische Brennstoffsteuereinrichtung für eine Gasturbine, bestehend aus einem ein Fehlersignal für die Turbinendrehzahl erzeugenden Geber, einem auf Betriebsparameter der Turbine ansprechenden Begrenzer für das Fehlersignal, einen Integrator für das Fehlersignal, einen ersten ein Fehlersignal für die Brennstoffmenge liefernden Differenzverstärker für das Ausgangssignal des Integrators und den Betriebsparameter der wirkliehen Turbinendrehzahl und aus einem Brennstoffmengenzuteiler, der in Abhängigkeit von dem Fehlersignal für die Brennstoffmenge die der Turbine zuzuführende Brennstoffmenge einstellt, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung einen Detektor (24) für den Betriebszustand des Außerkontrollegeratens der Turbine, der ein der Änderungsgeschwindigkeit des Ausgangssignals des Differenzverstärkers (22) entsprechendes Signal liefert, und eine Komperatorschaltung (25,29) aufweist, der ein Anzeigesignal für den Betriebszustand des Außerkontrollegeratens liefert, wenn das Signal für die Änderungsgeschwindigkeit einen vorbestimmten Wert für eine vorbestimmte Zeit überschreitet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Komperatorschaltung einen ersten Spannungskomperator (25), der an dem Detektor (24) und an einer Bezugsspannungsquelle (9) angeschlossen ist, und eine Verzögerungseinrichtung (31) aufweist, die am Ausgang des ersten Spannungskomperators (25) angeschlossen ist, um die Lieferung des Anzeigesignals zu verhindern, bis die vorbestimmte Zeit vorbei ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugssignalquelle (9) ein Funktionsgenerator ist, dessen Ausgangssignal sich mit den Betriebsparametern der Turbine ändert.

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~ XC- ~

4. Einrichtung nach Anspruch 3₄ dadurch gekennzeichnet, daß der Begrenzer (20) vonüem Funktionsgenerator (9) gesteuert wird.

5· Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung eine Dämpfungssperre (27) aufweist, die das Anzeigesignal unterdrückt, das am Anfang der Beschleunigung bei einer plötzlichen Änderung der Drehzahleinstellung erzeugt wird.

6. Einrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungssperre einen zweiten Spannungskomperator (29)» der an dem ein Fehlersignal für die Turbinendrehzahl erzeugenden Geber (17,19) angeschlossen ist und der ein Ausgangssignal erzeugt, wenn dieses FEhlersignal einen vorgegebenen Wert überschreitet, und eine logische Torschaltung (28) aufweist, die an den Ausgängen des ersten und zweiten Spannungskomperators (25,29) und einer vom zweiten Spannungskomperator (25) getriggerten mono-stabilen Schaltung (27) angeschlossen ist, die die Torschaltung (28) für eine vorgegebene Zeit sperrt, nachdem der zweite Komperator (29) begonnen hat, ein Ausgangssignal zu erzeugen.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung eine mono-stabile Schaltung (30) aufweist, die an der Komperatorschaltung (25_S29) zum Zwecke des Triggerns durch das Anzeigesignal angeschlossen ist und ein Signal an den das Fehlersignal für die Drehzahl der Turbine erzeugenden Geber (17*19) liefert, um das Fehlersignal auf einen negativen Wert für solange zu reduzieren, wie die mono-stabile Schaltung (30) ein Ausgahgssignal erzeugt, so daß automatisch das Ausgangssignal des Integrators (21) und damit das Ausgangssignal des das Fehlersignal für die Brennstoffmenge erzeugenden Verstärkers (22) reduziert wird.

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