DE2545019C3 - Regelung von verstellbaren Überschallufteinläufen, insbesondere zweidimensionalen Schragstoßdiffusoren für Gasturbinenstrahltriebwerke zum Antrieb von Hochleistungsflugzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelung von

verstellbaren Überschallufteinläufen, insbesondere zweidimensionalen Schrägstoßdiffusoren für Gasturbinenstrahltriebwerke zum Antrieb von Hochleistungsflugzeugen, durch Verstellen von den Einlaufquerschnitt bestimmenden Rampen in Abhängigkeit von der Flugmachzahl und dem Anstellwinkel des Flugzeugs nach einer variablen Meß- bzw. Regelgröße ηβ als Verhältniswert zwischen dem über den beweglichen Rampen vorherrschenden statischen Druck und dem Gesamtdruck der Außenströmung in Abhängigkeit von den Rampenwinkelgrößen (Xr bzw. or), welche die Lieferung der für das Triebwerk erforderlichen Luftdurchsatzmengen zur Erlangung des jeweils optimalen Schubs über den ganzen Betriebsbereich garantieren.

Nach der DE-OS 23 58 926 wurde vorgeschlagen, die dimensionslose Meß- bzw. Regelgröße (r\a) als Verhältnis zwischen dem über den verstellbaren Lufteinlauframpen vorherrschenden statischen Druck und dem Gesamtdruck der Außenströmung als variablen SoIlwert in Abhängigkeit von den Rampenwinkelgrößen (X) bzw. (ό) zu verwenden, welche die Lieferung der für das Triebwerk erforderlichen Luftdurchsatzmengen zur Erlangung des jeweils optimalen Schubs über den ganzen Betriebsbereich garantieren.

b5 Durch diese Regelung wird ein leistungsoptimales Zusammenarbeiten von Lufteinlauf und Triebwerk über einen sehr breiten Betriebsbereich zwischen den beiden bestehenden aerodynamischen Grenzen Einlaufbrum-

men einerseits und Triebwerkspumpen andererseits gewährleistet sowie ein durchgehend stabiles Verhalten des Reglers über seine ganze Regelschleife im Regelkennfeld garantiert Mit anderen Worten, bei dieser Regelung eines verstellbaren Lufteinlaufs wird ■> eine solche Meß- bzw. Führungsgröße vorgeschlagen, die es erlaubt, durch optimale Abstimmung der beiden Faktoren »Druckrückgewinn und minimaler Einlaufwiderstand« den am Flugzeug wirksamen Triebwerksschub praktisch über den ganzen Betriebsbereich zu maximier-en, wobei der Lufteinlauf stets in einem Punkt etwas über dem kritischen Betriebspunkt, also leicht unterkritisch, d. h. jeweils in einem Punkt mit minimalem Widerstand arbeitet, wodurch stets der maximale Druckrückgewinn bzw. Luftdurchsatz erlangt wird. ι ί

Als eine besondere Störung des Lufteinlaufs bei Überschalldiffusoren hat sich das in der Fachsprache als »Brummen« bezeichnete Phänomen erwiesen. Diese Störung tritt im stark unterkritischen Betriebsbereich auf, d. h. zum Beispiel dann, wenn sicn durch einen Lastwechsel des Triebwerks dessen Gegendruck am Einlaufende bei gleichzeitig konstanter Flugmachzahl und gleichbleibender Einlaufgeometrie erhöht. Hierbei wandert der abschließende Verdichtungsstoß stromaufwärts vor die Einlaufkante, findet dort keine stabile Lage und schwingt instationär hin und her. Dies führt nicht nur zu erheblichem Abfall des mittleren Drucks durch Strömungsungleichförmigkeiten und damit zur Verminderung des Luftdurchsatzes und des Druckrückgewinns, sondern kann auch die mechanische Zerstö- so rung der Lufteinlaufstruktur bewirken.

Um im unterkritischen Betriebszustand den Lufteinlauf zu entdrosseln und damit den herausgelaufenen Geradstoß wieder in seine vorgesehene stabile Lage zurückzubringen, ist es z. B. nach der US-PS 29 71 328 J5 bekannt, vor dem Triebwerk eine Luftabblasklappe anzuordnen, die in Abhängigkeit von der Lage der Verdichtungsstöße oder von anderen Parametern, wie statischen Drücken im Bereich des Lufteinlaufs und dem Totaldruck der Außenströmung gesteuert wird.

Ferner ist in der Fachzeitschrift »Oil Engine and Gas Turbine«, Band 32, September 1964, Seiten 36 bis 39 ein Überschallufteinlauf als zweidimensionaler verstellbarer Schrägstoßdiffusor mit oberen mittleren beweglichen Rampen und einer Abblaseinrichtung am Einlauf- i^r> ende vor einem Gasturbinenstrahltriebwerk beschrieben. Die Verstellung der oberen beweglichen Rampen erfolgt dabei in Abhängigkeit von der jeweiligen Flugmachzahl, während die Luftabblasklappen dann geöffnet werden, wenn der Lufteinlauf in unerwünschter Weise in den unterkritischen Betriebszustand kommt, d. h., wenn der Lufteinlauf eine größere Luftmenge liefert als das Triebwerk augenblicklich benötigt. Dieser Zustand resultiert aus der Tatsache, daß die oberen beweglichen Rampen nicht beliebig weit in den Lufteinlauf zu dessen Querschnittsverengung hinein verstellt werden können, weil sonst der abschließende gerade Verdichtungsstoß seine stabile Lage verlieren und in nachteiliger Weise für den Triebwerksprozeß nach vorn fluktuieren würde. Wie aus der Beschreibung i>o dieses bekannten Überschi¹!' ""einlaufs zu entnehmen und aus den auf Seite i'i aargestellten Betriebszuständen ersichtlich ist, muß die Luftabblasklappe bereits im transonischen Geschwindigkeitsbereich geöffnet werden. Dies bedeutet im Hinblick auf die angegebene >-^r> Höchstgeschwindigkeit von Mach 2,2 schon frühzeitig einen Leistungsverlust für die Antriebsanlage.

Obwohl die Fig. 2 der bereits zu Anfang dieser Beschreibung erwähnten DE-OS 23 58 926 erkennen läßt, daß mit der dort beschriebenen variablen ^Regelung für die beweglichen Lufteinlauframpen eine optimale Arbeitsweise des Reglers entlang der maximalen Schubkurve S-Max erreicht wird, kann trotzdem nicht übersehen werden, daß bei extrem niedrigen Luftdurchsätzen an sehr heißen Tagen Schwierigkeiten auftreten, insofern als es keine Möglichkeit gibt, solche außergewöhnlichen Betriebszustände allein mit Hilfe der beweglichen Rampen noch innerhalb der beiden aerodynamischen Grenzen sicher zu beherrschen.

Hier setzt die Erfindung ein, deren Aufgabe darin besteht, Maßnahmen vorzuschlagen, die geeignet sind, die Regellinien auch im Bereich der vererwähnten extremen Betriebsbedingungen zwischen den beiden aerodynamischen Grenzen zu führen und zu stabilisieren.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß nach Erreichen des jeweils maximalen Rampenwinkels (Ö/f-Max) im Bereich niedrigen Luftbedarfs des Triebwerks die variable Meß- bzw. Regelgröße (ηβ) zum Regeln einer hinter den Rampen vor dem Triebwerk angeordneten, bis dahin geschlossenen Luftabblaseinrichtung (Luftabblasklappt K)d\em.

Nach der DE-OS 23 58 926 bildet die variable Meßbzw. Regelgröße tjs-SoII im Regelkennfeld, dessen eine Achse (Ordinate) vom Druckverhältnis (t\b) und dessen andere Achse (Abszisse) vom Rampenwinkel (or) bzw. von einem diesem proportionalen Wert (Xr) bestimmt wird, Soll-Regellinien, deren Werte vorher rechnerisch und/oder durch Windkanal- und/oder Flugversuche ermittelt werden und im Regler gespeichert sind, wobei beim Auftreten einer Regelabweichung durch Vergleich des jeweiligen Sollwertes (ηβ-Soll) mit dem momentan vorherrschenden Istwert (fys-Ist) die Regelabweichung festgestellt und durch Änderung des Rampenwinkels (Or) zu Null geführt wird, die Soll-Regellinien faß-SolI) im Regelkennfeld definierte Endkoordinaten, sogenannte Referenzpunkte fijs-Ref und A"-Ref) aufweisen, die ausgewählten Flugmachzahlen (pjpo und Flugzeuganstellwinkeln (οή entsprechen, und bei einer Betriebszustandsänderung bzw. auftretenden Regelabweichung der entsprechend bzw. der am nächsten liegende Referenzpunkt (ηβ-Rei und X-Rei) angesteuert wird.

Darüber hinaus sind gemäß einer Weiterbildung der Erfindung in einem weiteren Regelkennfeld besondere Soll Regellinien t/o-SoIIdd gespeichert mit Referenzpunkten bzw. Anfangskoordinaten (ηΒ-Rdpo und X-Reidd) deren Werte ebenfalls vorher rechnerisch und/oder durch Windkanal und/oder Flugversuche ermittelt werden, wobei durch Vergleich des jeweiligen Sollwertes ^b-SoWdd) mit dem momentan vorherrschenden Ist-Wert (jjb-IsIdd) die Regelabweichung festgestellt und durch Änderung des Abblasklappenwinkels (odd)zu Null geführt wird.

Im Zuge der Erfindung wurde ferner erkannt, daß eine besondere Verbesserung der Lufteinlaufverhältnisse auch unter den bereits erwähnten extremen Betriebszuständen dann erreicht wird, wenn der Luftabblasregelung eine die Rampen in bezug auf deren jeweiligen maximalen Stellwinkel (Or-Μάχ) nachführende Steuereinrichtung zugeordnet ist, die abhängig vom jeweiligen Abblasklappenwinkel (ö_Dd) den momentan maximalen Rampenwinkel (ör-M&x) ändert, derart, daß mit steigendem Abblasklappenwinkel (ödd) auch der maximale Rampenwinkel (Ör-M&x) zunimmt und umgekehrt.

In funktioneller Ausgestaltung hierzu werden erfindungsgemäß in Abhängigkeit von der jeweiligen Flugmachzahl (pjpi) und dem jeweiligen Flugzeuganstellwinkel (oc) die Anfangskoordinaten f<5/?-Max-Ref und 7/ß-RefooJ der besonderen Soll-Regellinien ϊ ^bSoUdd) zur Regelung der Luftabblasklappe ermittelt; ferner wird in Abhängigkeit von der momentanen Flugmachzahl (ps/p_t)und dem momentanen Abblasklappen-lslw:nke! (Xdd-IsI) der Zuwachswert (Δηβοο) ermittelt und zum Anfangskoordinatenwert ^s-Refoo) addiert, wobei diese Summe den Abblasklappen-Sollwert (ηb-SoWdd)ergibt, der mit dem Tj^-Istwert über den Rampen verglichen wird, woraus die τ/sDD-Regelabweichung (bdd) festgestellt wird, aus der funktionstechnisch der Soüwinkei ('AWSo!!) für die Stellung der Abblas- ;■> klappe errechnet wird, worauf durch Vergleich mit dem momentanen Istwinkel (ΆΌο-Ist) der Abblasklappe die Winkelabweichung (AXdd) ermittelt und durch Änderung des Abblasklappenwinkels zu Null geführt wird; weiter wird in Abhängigkeit von der momentanen Flugmachzahl (pjp,) in Funktion zum momentanen Abblasklappenwinkel fAOo-Ist) der jeweilige Rampenwinkelzuwachs (Aör) errechnet und zum Referenzwert (ÖR-Max-Re() addiert, wobei diese Summe einen neuen maximalen Rampenwinkel-Sollwert (<5/?5,b-Max) ergibt, 2^r> der mit dem momentanen Rampen-Istwinkel (Xr-\s{) verglichen und daraus die Abweichung (AXr) festgestellt wird, die dann durch Änderung des Rampenwinkels (ör)zü Null geführt wird.

Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ist für den Jo praktischen Flugbetrieb eine optimale Angleichung der Soll-Regellinien an die jeweiligen maximalen Schubkurven des Triebwerks möglich, so daß über den ganzen Betriebsbereich bis in die Zonen äußerst niedriger Luftdurchsätze hinein der Triebwerksschub maximier- -Ά bar ist.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen verstellbaren Überschallufteinlauf im Längsschnitt mit einer Abblaseinrichtung,

Fi g. 2A den Lufteinlauf nach Fig. i mit eingetragenen Rampen- und Luftabblasklappenstellungen sowie einströmenden Luftröhren,

Fig. 2B ein aerodynamisches Regelkennfeld für das Gesamtregel- und Steuersystem,

Fig.2C im oberen Teil ein Regelkennfeld für die Luftabblasklappe und im unteren Teil ein Steuerdiagramm für die Nachsteuerung des jeweiligen maximalen Rampenwinkels <5«-Max,

F i g. 2D ein Druckrückgewinn-Diagramm für den Lufteinlauf über dem jeweiligen Durchsatzkoeffizienten betrachtet,

Fig. 2E ein Überlaufwiderstand-Diagramm für den Lufteinlauf über dem jeweiligen Durchsatzkoeffizienten betrachtet und

F i g. 3 ein Blockschaltbild des gesamten Regel- und Steuerungssystems für den Lufteinlauf.

Wie aus den Fig. 1 und 3 hervorgeht weist der Überschallufteinlauf eine obere starre Rampe 1 und zwei obere mittlere bewegliche Rampen 2 und 3 auf, die über ein Gestängegetriebe 4 durch einen hydraulischen Stellzylinder 5 betätigt werden. Zwischen den beiden beweglichen Rampen 2 und 3 verbleibt ein Spalt 6 für die Abzapf-Strömung 7, die in den Raum 8 oberhalb der Rampen 2 und 3 eintritt und durch ein Gitter 9 wieder b5 ins Freie gelangt Mit Hilfe einer Drucksonde 10 wird der über den gesamten Betriebsbereich des Lufteinlaufs sich ändernde statische Druck p_ss der Abzapf-Strömung 7 gemessen und in eine Recheneinrichtung 11 eingegeben. Mittels einer weiteren Drucksonde 12 wird der jeweilige Gesamtdruck p, der Außenströmung gemessen und ebenfalls der Recheneinrichtung 11 zugeführt, die aus den beiden Werten p_se und p, das dimensionslose Verhältnis ηβ berechnet, das in einen Vergleichsrechner 13 eingegeben wird, auf den später noch näher eingegangen wird.

Durch eine weitere Drucksonde 14 wird der statische Druck Ps der Außenströmung gemessen und gleichzeitig mit dem Gesamtdruck p, in eine Recheneinrichtung 15 eingegeben, die somit die jeweilige Flugmachzahl als Verhältnis von pjpi berechnet. Eine Sonde 16 stellt den jeweiligen Flugzeuganstellwinkel α fest.

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charakterisiert durch den variablen Verhältniswerl ηα als Ordinate und durch den variablen Wert »Stellzylinder — Stellungsgröße Xr", im folgenden nur mit Xr bezeichnet, der proportional ist dem jeweiligen Rampenwinkel or. Von den unendlich vielen Luftdurchsatzwerten sind der Übersichtlichkeit wegen nur sechs Luftdurchsatzkurven L\ bis Z* eingetragen, wobei L\ einen großen Luftdurchsatz für einen sehr kalten Tag bedeutet und U, einen niedrigen Luftdurchsatz für einen sehr heißen Tag bzw. für entsprechende Witterungsbedingungen charakterisiert. Das Regelkennfeld bzw. der gesamte Betriebsbereich der aus Triebwerk und Lufteinlauf bestehenden Antriebsanlage wird durch die beiden aerodynamischen Grenzen G1 für das »Einlaufbrummen« und C 2 für das »Triebwerkspumpen« begrenzt. S_ma, bezeichnet die Linie des maximalen Schubs des Triebwerks. j/ß-SolI bedeutet jeweils eine Linie für die variable Meß- bzw. Regelgröße i\a. nach der die Rampenwinkel or bis zu ihrem maximalen Wert <5«-Max gestellt werden, d. h. bis zu diesem Punkt hin ist 7/fl-Soll die Regelführungsgröße, die jeweils den Rampenwinkel or diktiert, der ein optimales Arbeiten des Lufteinlaufs über einen weiten Betriebsbereich garantiert. Mit anderen Worten. tjs-SoII und der Sollrampenwinkel Or-SoII stehen in Funktion zueinander und bilden jeweils eine Leitsollinie des Reglers im Regelkennfeld. Wie bereits weiter vorn erwähnt, wird der jeweils optimale Rampenwinkel vorher rechnerisch und/oder durch Prüfstands- und Flugversuche ermittelt und hierzu das in Funktion stehende jjs-Soll als Meßcode im Regler registriert. Der Wert j/b-SoII bildet daher zum Rampenwinkel Ör, stellvertretend für diesen, die proportionale Meß- bzw. Regelgröße.

Wie ferner erwähnt, sind im Regler eine Anzahl von Soll-Regellinien t/b-SoII gespeichert Der Übersichtlichkeit wegen ist in Fig.2B nur eine solche Linie tjb-SoII eingetragen, deren Schnittpunkte mit den Luftdurchsatzlinien L, bis U mit 1 bis 8 bezeichnet sind und Arbeitspunkte darstellen.

Die Linien 7Js-SoIl weisen Endpunkte, sogenannte Referenzpunkte auf, welche die Endkoordinaten für die Werte ^ß-Ref und AVRef markieren. Bestimmt werden diese Referenzpunkte und damit auch die Charakteristik der jeweiligen TjB-Sollinie durch die jeweiligen Flugmachzahlen ρJp₁ und die jeweiligen Anstellwinkel κ des Flugzeugs. Das in Fig.2B gezeigte Diagramm basiert z.B. auf der Machzahl M=2,0 und dem Anstellwinkel λ=3,0°. Für jede anderen Flugmachzahlen und jede anderen Flugzeuganstellwinkel gelten andere Tjß-Soilinien.

Als Ergebnis dieses Regelungskonzepts verlaufen logischerweise die beiden Linien S_mnx und ijs-Soll nahe nebeneinander.

Wie aus F i g. 3 weiter zu entnehmen ist, sind in einem ersten Rechnerkreis RK 1 zwei Referenzrechner 17 und 18 vorgesehen, wovon der Referenzrechner 17 aus der jeweiligen Flugmachzahl pjp_t und dem jeweiligen Anstellwinkel « die jeweilige Endkoordinaten 7/0-Ref und der Referenzrechner 18 ebenfalls aus Flugmachzahl und Anstellwinkel die Endkoordinate AVRef errechnet. In der Praxis sieht das so aus, daß die beiden Rechner 17 und 18 aufgrund der gemessenen Werte Flugmachzahl und Flugzeuganslellwinkel die den gemessenen Werten am nächsten kommenden Endkoordinalen i^Ref und Xr- Ref ansteuern. Der festgestellte Wert A>Ref wird in einen Vergleichsrechner 19 zusammen mit dem Wert Xr-Ist, dem Proportionalwert zum momentanen Rampenwinkel Or, eingegeben und aus diesen beiden Werten der Differenzwert AXn-Rd errechnet. Dieser Wert wird einem Funktionsrechner 20 zugeführt, der, da η_Β eine Funktion von Xr ist, den funktionell dazugehörenden Wert Ai)BR-Ref errechnet. Dieser Wert wird in einem Rechner 21 zusammen mit dem Wert Tfs-Ref eingegeben und durch Subtraktion der jeweilige Regel-Sollpunkt 7Js-SoIIr ermittelt. Dieser Wert Tja-Soll« wird an den Vergleichsrechner 13 weitergegeben und dort mit dem η β- Istwert verglichen und hieraus die Regelabweichung er festgestellt. Die Einrichtungen 22 und 23 bilden den dynamischen Teil des Reglers, und im Funktionsrechner 24 wird aufgrund des funktioneilen Zusammenhanges zwischen ?;sund Xr (ÖR)aus dem ?;s-SoIlwert der AVSollwert ermittelt, der über eine Einrichtung 38, deren Aufgabe später noch beschrieben wird, einem Differenzwertfeststeller 25 zugeführt wird, dem gleichzeitig der momentane Rampenwinkel Λ'/Hst eingegeben wird. Aus diesen beiden Werten wird AXr errechnet, d. h. letztlich das physikalische Maß in mm für den Kolbenstangenweg oder in Volumeneinheilen der Hydraulikflüssigkeit für den Slellzylinder 5 festgestellt. Diesem wird dann die errechnete Menge Hydraulikflüssigkeit zugeführt, so daß die Regelabweichung AXr zu Null geführt werden kann.

Die Geräte 19, 20, 21, 13, 22, 23, 24 und 25 bilden einen zweiten Rechnerkreis RK 2.

Bevor die beiden zusätzlichen Rechnerkreise RK 3 und RK 4 in ihren Funktionen ausführlich beschrieben werden, wird noch auf die aerodynamischen Probleme des Lufteinlaufes näher eingegangen und dazu auf die F i g. 2D und F i g. 2E verwiesen.

Der günstigste Betriebspunkt des Überschalleinlaufs, nämlich das Maximum des Produkts aus Druck und Luftdurchsatz, liegt im Übergang zwischen dem unterkritischen und überkritischen Betriebszustand, insbesondere im leicht unterkritischen Bereich. Wie das Diagramm gemäß F i g. 2D erkennen läßt, wird der vom Lufteinlauf erarbeitete Druckrückgewinn, der direkt proportional dem Schubdüsendruckverhältnis ist, umso größer, je günstiger der sogenannte Durchsatzkoeffizient AqIAf, das Verhältnis zwischen der vom Triebwerk tatsächlich aufgenommenen und der theoretisch maximal aufnehmbaren Luftmasse, wird. Es muß daher durch eine sinnvolle Regelung des verstellbaren Lufteinlaufs dafür Sorge getragen werden, daß die Drucknückgewinnkurve DC über ein breites Luftdurchsatzspektrum möglichst hoch verlaufend bleibt.

Auch das Diagramm gemäß Fig.2E zeigt, daß mit steigendem Durchsatzkoeffizienten AoIAp der sogenannte Überlaufwiderstand We fällt und umgekehrt. Wie man sieht, würde eine Nur-Rampenregelung bei sehr stark abnehmenden Luftdurchsätzen zu unerträglich hohen Überlaufwiderständen We führen, was den installierten Triebwerksschub vermindert, der die Differenz zwischen dem indizierten Triebwerksschub und dem Überlaufwiderstand VVfdarstellt.

Die Funktion der Erfindung wird insbesondere charakterisiert durch das in Fig.2B dargestellte Regelprogramm. Es wird nun die Bedeutung der einzelnen Schnittpunkte (Regelpunkte bzw. Arbeitspunkte 1 bis 7 zwischen der Soll-Regellinie 7/s-Soll und den Luftdurchsätzen L 1 bis L 6 näher erläutert.

Arbeitspunkt 1

Bereits in diesem Punkt wird der Luftdurchsatz durch Verstellen der Einlaufgeometrie korrigiert; die beweglichen Rampen 2 und 3 werden in die Position 1 (F i g. 2A) gefahren, wodurch sich der Rampenwinkel or gegenüber seiner Ausgangslage vergrößert, was zu einer verengten einströmenden Luftröhre Ao\ führt. Die Luftabblasklappe K ist geschlossen. Wie die Diagramme in den F i g. 2D und 2E zeigen, ist der Druckrückgewinn 7/fSehr hoch und der Überlaufwiderstand Wi sehr klein, so daß der installierte Triebwerksschub einen hohen Wert einnimmt. Die Regelung der Rampenpositionen wird, wie bereits beschrieben, nur von den Rechnerkreisen RK 1 und RK 2 bestimmt.

Arbeitspunkt 2

Um den Lufteinlauf auf den niedrigeren Luftbedarf L 2 des Triebwerks gemäß Arbeitspunkt 2 einzustellen, wird der Rampenwinkel or weiter vergrößert und die beweglichen Rampen 2 und 3 in die Position 2 (F i g. 2A) gebracht, wodurch die einströmende Luftröhre A02 im Querschnitt noch mehr verengt wird. Die beiden Diagramme in den F i g. 2D und 2E lassen erkennen, daß der Druckrückgewinn i]e sich etwas verkleinert hat, jedoch noch relativ hoch ist und der Überlaufwiderstand Wf sich etwas vergrößert hat. Verglichen mit der Größe des installierten Triebwerksschubes gemäß Arbeitspunkt 1 ist demzufolge der installierte Triebwerksschub im Arbeitspunkt 2 leicht gefallen. Die Luftabblasklappe K bleibt weiterhin geschlossen, da eine Klappenöffnung in diesem Punkt noch eine Verminderung des effektiven Triebwerksschubs bewirken würde.

Arbeitspunkt 3 und 4

Vom Arbeitspunkt 2 bis zum Arbeitspunkt 3 werden die Rampenwinkel OR noch einmal vergrößert; sie erreichen im Arbeitspunkt 3 ihren vorläufigen maximalen Wert mit Rücksicht auf den Umstand, daß die Luftabbiaskiappe K immer noch geschlossen bleibt, d. h., die Definitionsgröße maximaler Rampenwinkel όβ-Max-Ref stellt den größten maximalen Rampenwinkel dar, der bei geschlossener Luftabblasklappe K noch möglich ist und einen einwandfreien Lufteinlaufbetrieb, wenn auch mit schlechterem Wirkungsgrad, gewährleistet. Dies gilt auch noch für den Arbeitspunkt 4, denn bis zu diesem bleiben die Rampen 2 und 3 in ihrer Position gemäß Arbeitspunkt 3 stehen, während die Luftabblasklappe K immer noch geschlossen bleibt Es wird also im Arbeitspunkt 4 gegenüber dem Arbeitspunkt 3 eine nochmalige tragbare Verschlechterung des Druckrückgewinns η_Ε und eine nochmalige tragbare Erhöhung des Überlaufwiderstandes Wk in Kauf genommen, doch arbeitet der Lufteinlauf aerodynamisch immer noch einwandfrei zwischen den beiden aerodynamischen Grenzen Cl und G 2.

Arbeitspunkte 5' und 6'
sowie Pseudoarbeitspunkte 5 und 6

Bei weiter sinkendem Luftbedarf des Triebwerks wäre durch eine Nur-Rampenverstellung bzw. ausschließliche Vergrößerung des Rampenwinkels <5« ein zufriedenstellendes Arbeiten des Lufteinlaufs nicht mehr gewährleistet. Hier setzt die Erfindung ein, welche die Tjff-Rampenregelung nicht mehr fortführt, sondern diese in die ijff-Luftabblasklappenregelung überführt. Praktisch gesehen zeichnet sich daher die Erfindung dadurch aus, daß die möglichen optimalen Luftdurchsatzwerte vorher, wenn auch mit größerem meßtechnischem Aufwand, annähernd genau bestimmt und daß ausgehend von diesen Werten die erfindungsgemäße variable Rege!- bzw. Meßgröße v,bdd im Flugbetrieb stellvertretend für den praktisch auftretenden optimalen Luftdurchsatz als Sollwert benutzt, d. h. in Funktion zu den entsprechenden Luftabblasklappenwinkeln öpo gesetzt wird und diese Winkel nach dem vorgeschlagenen Regelgesetz gestellt werden. Als besonderer Vorteil ist der Umstand zu sehen, daß die Ist-Werte der benutzten Regelgröße im praktischen Flugbetrieb auf einfache Weise gemessen werden können. Das gleiche gilt für die Bestimmung der Luftabblasklappenkoordinaten durch die Möglichkeit der genauen Messung der Flugmachzahlen und der Flugzeuganstellwinkel sowie die Möglichkeit der exakten Feststellung der Luftabblasklappen- Istwinkel, woraus die Sollwerte der Regelgröße ermittelt werden können.

Vermindert sich der Luftdurchsatz des Triebwerks von der Durchsatzmenge L 4 auf die Durchsatzmenge L 5, so würde, wenn eine solche Änderung schlagartig einträte, nur vorübergehend Einlaufbrummen eintreten, bevor die nachfolgend beschriebenen regelungstechnischen Gegenmaßnahmen zur Wirkung kommen; erfolgt die Änderung der Luftdurchsatzmenge mit normaler Geschwindigkeit, so wird durch die f/g-Regelung der Luftabblasklappe K diese bis zum Stellpunkt 5 (F i g. 2A) geöffnet, wodurch der Lufteinlauf entdrosselt wird, so daß mehr Luft in den Einlauf einströmen kann, die dann über die Luftabblasklappe K wieder nach außen abgeführt wird. Die daraus resultierende Abnahme des Überlaufwiderstandes We von Punkt 4 nach 5' (F i g. 2E) wirkt sich auf die indizierte bzw. effektive Leistung des Lufteinlaufs insgesamt günstiger aus als der durch die geöffnete Luftabblasklappe K entstehende schubmindernde Widerstand (Schubverlust), der leider in Kauf genommen werden muß, jedoch kleiner ist als der Schubverlust, der durch einen hohen Überlaufwiderstand We ohne Luftabblasung auftreten würde. Durch die Öffnung der Luftabblasklappe K von der Schließstellung 4 in die Position 5 gemäß Fig.2A bewegt sich der Pseudo-Arbeitspunkt 5, in dem der Lufteinlauf jenseits der aerodynamischen Grenze G1 arbeiten würde, auf den Arbeitspunkt 4 zurück, wodurch der Lufteinlauf wieder einwandfrei und mit gutem Wirkungsgrad arbeitet.

Die Tjfl-Luftabblasklappenregelung erfolgt nach dem im oberen Diagramm der F i g. 2C gezeigten Gesetzmäßigkeiten. In diesem Diagramm sind auf der Abszisse die Abblasklappenwinkel Ödd und auf der Ordinate die TiBDD-Werte aufgetragen. Von vielen T/s-SolloD-Linien ist der Übersichtlichkeit wegen nur eine eingezeichnet Die Arbeitspunkte 4, 5' und 6' entsprechen den gleichnamigen Arbeitspunkten im Diagramm der F i g. 2B. Die jeweilige Steigung der ijßOD-Soll-Regellinien bestimmt den jeweiligen Zuwachs Δηβοο in den einzelnen Arbeitspunkten.

Im Arbeitspunkt 4, in dem die ηβ-Abblasklappenregelung einsetzt, liegt die Anfangskoordinate fjs-RefoD der gezeigten Tja-Regelsollinie.

Zur Erlangung einer optimalen Qualifikation des Lufteinlaufs werden weiter gemäß der Erfindung in Abhängigkeit der τ/β-Abblasklappenregelung die beiden beweglichen Rampen 2 und 3 nachgesteuert, d. h., der Rampenwinkel ö«-Max-Ref für Punkt 4 wird weiter

ίο vergrößert, so daß ein neuer maximaler Rampenwinkel (5/?-Max 5' gegeben ist. Mit anderen Worten, durch die weitere Vergrößerung des Rampenwinkels 0« von off-Max-Ref auf ö/?-Max 5' wird die Soll-Regellinie ¹HBDD-Soll so nahe wie möglich unter diesen Betriebsbedingungen an die maximale Schubkurve S-max herangeführt bzw. der Arbeits- bzw. Regelpunkt 5' angesteuert.

Arbeitspunkt o'
sowie Pseudo-Arbeitspunkt 6

L 6 repräsentiert einen minimalen Luftbedarf des Triebwerks, der bis zum Triebwerksleerlauf reichen kann. Der Pseudopunkt 6 in F i g. 2B zeigt an, daß ohne öffnen der Luftabblasklappe K und Stehenbleiben der Rampen 2 und 3 auf dem Öffnungswinkel <5«-Max 4 der Lufteinlauf brummen würde. Auch die volle Öffnung der Luftabblasklappe K mit einer maximalen Abblasmenge ÄLoD-Max würde den Lufteinlauf noch nicht aus der Brummzone, sondern nur nach Punkt 5 bringen. Dies demonstriert auch die Fig.2D. In beiden Diagrammen liegt der Pseudo-Arbeitspunkt 5 jenseits von C 1. Auch das Stellen der Rampen 2, 3 bei geschlossener Luftabblasklappe K auf den größtmögliche ι Rampenwinkel (5«*-Max würde den Lufteinlauf niclit aus der Brummzone führen, da hierbei nur der Punkt 7 erreicht werden würde. Um den Lufteinlauf in den Bereich zwischen den beiden aerodynamischen Grenzen Cl und CI arbeiten zu lassen, werden die beweglichen Rampen 2 und 3 bei voll geöffneter Luftabblasklappe K nachgesteuert, d. h., der Rampenwinkel όκ-Max 5' wird weiter maximiert auf die Position <5«-Max 6', wodurch der Arbeitspunkt 6' gefahren wird, welcher der maximalen Schubkurve 5_ma,am nächsten liegt.

Abhängig von den geregelten Werten für die öffnungswinkel Odd der Abblasklappe K ist im unteren Diagramm der F i g. 2C eine Steuerlinie für den jeweiligen maximalen Rampenwinkel Ör-Μάχ in Abhängigkeit vom jeweiligen Öffnungswinkel o_ooder Abblasklappe K, der auf der Abszisse aufgetragen ist. Auf der Ordinate sind die maximalen Rampenwinkel oß-Max angezeigt. Die jeweilige Steigung der Steuerlinie <5«-Max bestimmt den jeweiligen Zuwachs AÖR-Wlax an Winkelvergrößerung für die Rampen 2 und 3.

Für die Regelung des jeweiligen Öffnungswinkels ö_Dd für die Luftabblasklappe K und die Nachsteuerung des jeweils maximalen Öffnungswinkels ö/j-Max sind die beiden Rechnerkreise RK 3 und RK 4 gemäß Blockschaltbild nach Fig.3 zuständig. Der Rechnerkreis RK 3 besteht im wesentlichen aus zwei Referenzrechnern 26 und 27, in die der jeweilige Flugzeuganstellwinkel ix. und die jeweilige Flugmachzahl pjp, eingegeben werden, wobei der Rechner 26 den Referenzpunkt (5«-Max-Ref für den jeweiligen maximalen Rampenwinkel OÄ-Max und der Rechner 27 den Referenzpunkt ijB-RefoD für den jeweiligen Regelwert <i\bdd zur

Regelung des Öffnungswinkels ö_Dd der Abblasklappe K bestimmt Diese beiden Werte werden laufend an den Rechnerkreis RK 4 geliefert, und zwar an zwei Rechner 28 und 29. Ferner sind im Rechnerkreis RK 4 zwei

Funktionsrechner 30 und 31 installiert, die mit den jeweiligen Flugmachzahlen pjp, und den jeweiligen Werten X_DD für die Öffnungswinkel <5_DO-Ist der Luftabblasklappe K versorgt werden. Der Funktionsrechner 31 ermittelt aus der jeweiligen Flugmachzahl 5 pjPi in Abhängigkeit vom jeweiligen Ist-Winkel öoo-lst der Abblasklappe K den Zuwachswert Ä7]bdd. der im Rechner 29 zum Referenzwert fjs-Refoo addiert wird. Daraus ergibt sich der jeweilige Sollwert 776-Sollßo für die Luftabblasklappe K. Dieser Wert t/s-SoIIdd wird in einen Vergleichsrechner 32 zusammen mit dem in der Recheneinrichtung 11 ermittelten Ist-Wert 7}s-Ist eingegeben und daraus der Differenzwert bzw. die Regelabweichung bdd errechnet. Die Einrichtungen 33 und 34 bilden den dynamischen Teil des Reglers. Ein Funktionsrechner 35 ermitteil aufgrund des funktioneilen Zusammenhanges t\bdd und &dd den Funktionswert Xdd-SoW bzw. öoo-Soli, der einem Differenzwertfeststeller 36 zugeführt wird, dem gleichzeitig der momentane Istwert des Öffnungswinkels öoo-Ist bzw. der Vergleichswert AWIst zugeführt wird. Aus diesen beiden Werten ΑΌο-Soll und ΛΌο-Ist wird AX_DD errechnet, d. h. letztlich das physikalische Maß in mm für den Kolbenstangenweg oder in Volumeneinheiten der Hydraulikflüssigkeit für einen Stellzyllnder 37. Diesem wird dann die errechnete Menge an Hydraulikflüssigkeit zugeführt, wodurch die Regelabweichung AXoo zu Null gebracht wird. Im Funktionsrechner 30 wird abhängig von der jeweiligen Flugmachzahl und dem Ist-Wert des Luftabblasklappenwinkels Ödd der Zuwachs 4<5«-Max für den jeweiligen maximalen Rampenwinkel <5«-Max festgestellt und dem Rechner 28 zugeführt, der diesen Zuwachswert AOR-Ma\ zum Referenzwert o^-Max-Ref addiert. Der jeweilige Gesamtwert όκ-Max wird einem Rampenwinkel-Grenzrechner 38 und einem Abblasklappenwinkel-Grenzrechner 39 zugeführt. Der Grenzrechner 38 hat die Aufgabe, die ?)a-Regelung für die beiden Rampen 2 und 3 dann außer Betrieb zu setzen, wenn der Funktionsrechner 30 bzw. der Rechner 28 den <5«-Max-Ref-Wert für die noch geschlossene Luftabblasklappe K signalisiert. Wie bereits weiter vorne erwähnt, wird dann der jeweilige maximale Rampenwinkel (5«-Max nur noch über die ijs-Abblasklappenregelung nachgesteuert. Den Einsatz der ijs-Abblasklappenregelung diktiert der Abblasklappenwinkei-Grenzrechner 39, der dann einsetzt, wenn bei noch geschlossener Abbiasklappe K der noch mögliche maximale Rampenwinkel όκ-Max-Ref erreicht bzw. überschritten und außerdem der Tjs-Istwert größer als der Wert 7/e-RefDD wird, d. h., wenn die Nur-Rampenregelung als Regulativ für ein Arbeiten des Lufteinlaufs innerhalb der aerodynamischen Grenze Ci und C 2 nicht mehr ausreicht. Dann wird die i/e-Rampenregelung ausgesetzt und die T/e-Abblasklappenregelung tritt in Tätigkeit, von der abhängig der jeweilige maximale Rampenwinkel <5«-Max nachgesteuert wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Regelung von verstellbaren Überschallufteinläufen, insbesondere zweidimensional Schrägstoßdiffusoren für Gasturbinenstrahltriebwerke zum Antrieb von Hochleistungsflugzeugen, durch Verstellen von den Einlaufquerschnitt bestimmenden Rampen in Abhängigkeit von der Flugmachzahl und dem Anstellwinkel des Flugzeugs nach einer variablen Meß- bzw. Regelgröße ηβ «ils Verhältniswert zwischen dem über den beweglichen Rampen vorherrschenden statischen Druck und dem Gesamtdruck der Außenströmung in Abhängigkeit von den Rampenwinkelgrößen (Xr bzw. Or), welche die Lieferung der für das Triebwerk erforderlichen Luftdurchsatzmengen zur Erlangung des jeweils optimalen Schubs über den ganzen Betriebsbereich garantieren, dadurch gekennzeichnet, daß nach Erreichen des jeweils maximalen Rampenwinkels (ÖR-Max) im Bereich niedrigen Luftbedarfs des Triebwerks die variable Meß- bzw. Regelgröße i]b zum Regeln einer hinter den Rampen (2,3) vor dem Triebwerk angeordneten, bis dahin geschlossenen Luftabblaseinrichtung (Luftabblasklappe /C^dient.

2. Regelung nach Anspruch 1, wobei die variable Meß- bzw. Regelgröße (i]b) im Regelkennfeld, dessen eine Achse (Ordinate) vom genannten Druckverhältnib (ηβ) und dessen andere Achse (Abszisse) vom Rampenwinkel (Or) bzw. von einem diesem proportionalen Wert (Xr) bestimmt wird, Soll-Regellinien fas-Soll) bildet, deren Werte vorher rechnerisch und/oder durch Windkanal· und/oder Flugversuche ermittelt werden und im Regler gespeichert sind, beim Auftreten einer Regelabweichung durch Vergleich des jeweiligen Sollwertes (ηΒ-SoW) mit dem momentan vorherrschenden Istwert (?7ß-Ist) die Regelabweichung festgestellt und durch Änderung des Rampcnwinkels (Or) zu Null geführt wird, und die Soll-Regellinien (f/a-Soll) im Regelkennfeld definierte Endkooräinaten, sogenannte Referenz-Punkte (τ/s-Ref und AVRef) aufweisen, die ausgewählten Flugmachzahlen (pjp,) und Flugzeuganstellwinkeln (<x) entsprechen und bei einer Betriebszustandsänderung bzw. auftretenden Regelabweichung der entsprechende bzw. der am nächsten liegende Referenzpunkt fys-Ref, AVRef) angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß in einem weiteren Regelkennfeld besondere Soll-Regellinien (ηΒ-SoWDo) gespeichert sind mit Referenzpunkten bzw. Anfangskoordinaten ^s-Refoo und X-RefoD). die den o. g. Endkoordinaten (ijff-Refj? und AVRef) entsprechen, deren Werte ebenfalls vorher rechnerisch und/oder durch Windkanal- und/oder Flugversuche ermittelt werden und durch Vergleich des jeweiligen Sollwertes ^b-SoWdd) mit dem momentan vorherrschenden Ist-Wert (i]b-\s\.dd) die Regelabweichung festgestellt und durch Änderung des Abblasklappenwinkels (6dd) zu Null geführt wird.

3. Regelung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftabblasregelung eine die Rampen (2, 3) in bezug auf deren jeweiligen maximalen Stellwinkel (ÖR-Max) nachführende Steuereinrichtung zugeordnet ist, die abhängig vom jeweiligen Abblasklappenwinkel (ödd) den momentan maximalen Rampenwinkel fÖR-Max) ändert, derart, daß mit steigendem Abblasklappenwinkel

(Ödd) auch der maximale Rampenwinkel (Ör-Mzx) zunimmt und umgekehrt.

4. Regelung nach Anspruch 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der jeweiligen Flugmachzahl (pjpt) und dem jeweiligen Flugzeuganstellwinkel (cc) die Anfangskoordinaten (ÖR-Max-Rei und ijs-RefoD^ der Soll-Regellinien ^b-SoWdd) zur Regelung der Luftabblasklappe (K) ermittelt werden, daß ferner in Abhängigkeit von äer momentanen Flugmachzahl (pjp,) und dem momentanen Abblasldappen-Istwinkel (Xdd-IsI) der Zuwachswert (At\bdd) ermittelt wird und zum Anfangskoordinatenwert (hb-R^dd) addiert wird und diese Summe den Abblasklappen-Sollwert (tibSoWdd) ergibt der mit dem fjjs-Istwert) über den Rampen (2, 3) verglichen wird, woraus die 7?ßDD-Regeiabweichung (edd) festgestellt wird, aus der funktionstechnisch der Sollwinkel ('AO₀-SoII) für die Stellung der Abblasklappe (K) errechnet wird, worauf durch Vergleich mit dem momentanen Istwinkel (Xdd-\s() der Abgasklappe (K) die Winkelabweichung (AXdd) ermittelt und durch Änderung des Abblasklappenwinkels zu Null geführt wird, daß weiter in Abhängigkeit von der momentanen Flugmachzahl (p^p,)\i\ Funktion zum momentanen Abblasklappenwinkel (ΆΌο-Ist) der jeweilige Rampenwinkelzuwachs (Aör) errechnet und zum Anfangskoordinatenwert f<5/rMax-Ref) addiert wird urd diese Summe einen neuen maximalen Rampenwinkel-Steuerungswert (fOR5.<,-Max) ergibt, der mit dem momentanen Rampen-lstwinkel (Xr-IsX) verglichen und daraus die Abweichung (AXr) festgestellt wird, die dann durch Änderung des Rampenwinkels Null geführt wird.