DE2623945C2

DE2623945C2 - Verfahren und Einrichtung zum Regeln der Brennstoffzufuhr zu der Verbrennungseinrichtung eines Gasturbinentriebwerks

Info

Publication number: DE2623945C2
Application number: DE2623945A
Authority: DE
Inventors: William Carroll West Chester Ohio Lowry; William Lewis Cincinnati Ohio Phipps
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-05-29
Filing date: 1976-05-28
Publication date: 1986-04-17
Also published as: FR2312657B1; GB1548713A; DE2623945A1; FR2312657A1; JPS5941012B2; IT1060564B; JPS51146612A; US4186556A; CA1054385A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Regeln der Brennstoffzufuhr zu der Verbrennungseinrichtung eines Gasturbinentriebwerks gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. 3. Ein derartiges Verfahren und eine derartige Einrichtung sind aus der US-PS 29 37 497 bekannt.

Bei der Regelung eines Strahltriebwerkes ist es üblich, die Beschleunigungsbrennstoffmenge zu begrenzen, um die Möglichkeit eines Strömungsabrisses oder des Pumpens zu eliminieren. Dies erfolgt im allgemeinen durch eine vorgegebene Beschieunigungsbrennstoffmengenkurve, wobei Faktoren erfaßt werden, welche die Fähigkeit des Verdichters bestimmen, ein strömungsabrißfreies Verdichterverhältnis aufrechtzuerhalten, und die Brennstoffmenge entsprechend begrenzen. Diese geregelte Beschleunigungsbrennstoffmenge, die eine übermäßige Beschleunigung verhindert, welche zu einem Triebwerksströmungsabriß oder einer übermäßigen Temperatur führen würde, muß es zusätzlich ermöglichen, daß das Triebwerk vorbestimmten Beschleunigungszeiten genügt. Deshalb erfolgt eine möglichst große Beschleunigung, ohne daß die Pumpgrenze überschritten werden darf.

Bei der Regelung der Beschleunigungsbrennstoffmenge hat ein Parameter eine weite Anerkennung gefunden, der das Verhältnis des Brennstoffflusses (WFM) zum Verdichterauslaßdruck (CDP) beinhaltet. Dieser

ίο Parameter steht in sehr guter Obereinstimmung mit den meisten Turbostrahltriebwerksanwendungen und denjenigen Turbogebläseanwendungen, bei denen beträchtliche Größen einer Verdichterluftentnahme und Leistungsentnahme erforderlich sind und bei denen die Fiughöhe irgendwie beschränkt ist. Wenn jedoch ein Triebwerk mit großen Entnahmemengen (entweder einer Verdichterauslaßentnahme oder einer Verdichterzwischenstufenentnahme) arbeiten muß, dann ermöglicht die WFM/CDP Beschleunigungskurve, die entsprechend den Standardkriterien ausgelegt ist, nicht die erwünschte Größe der V/eiienleisiungsentnahüie öder das Erreichen der erforderlichen Beschleunigungszeit während gewisser Flugbedingungen. Bei gewissen Kombinationen der Verdichterluftentnahme und der Wellenleistungsentnahme neigt das Triebwerk in der Tat zum Hängenbleiben und zur Beschleunigungsunfähigkeit, oder es kann die Triebwerksdrehzahl sinken, wenn die Verdichterluftentnahme und die Wellenleistungsentnahme vergrößert werden.

Es wurden verschiedene Lösungen angegeben, um die Fähigkeiten bezüglich einer höheren Leistungsentnahme und einer verminderten Beschleunigungszeit zu verbessern. Der Zyklus kann so ausgelegt werden, daß die Verdichterkennlinie abgesenkt wird, oder der Verdichter kann für eine höhere Pumpgrenze und damit für eine höhere Beschleunigungskurve konzipiert werden, doch führt dieses zu einer ungünstigen Beeinflussung der gesamten Leistungsfähigkeit. Entsprechend einer anderen Lösung kann die Beschleunigungskui <z auf einen höheren Verdichterluftentnahmepegel ausgelegt sein, womit ein Verlust an Pumpgrenzenabsond verbunden ist, wenn die Entnahme klein ist, doch führt dieses während Perioden geringer Entnahme zu einem unannehmbaren instationären Pumpgrenzabstandsveriust. Entsprechend einem weiteren Verfahren kann die Beschleunigungskurve auf einen höheren Entnahmepegel mit einer konstanten Entnahme ausgelegt werden, die entweder genutzt oder nicht genutzt wird, doch führt diese ungenutzte Luftentnahme zu einer sehr ungünstigen Beeinflussungder Leistungsfähigkeit.

Es ist bekannt, daß eine Verdichterluftentnahme zu eir:er Vergrößerung des Pumpgrenzenabstands führt. Da jedoch das Triebwerk so ausgelegt sein muß, daß es auch während Perioden eines minimalen Pumpgrenzenabstands sicher arbeitet, wird die Beschleunigungskurve im allgemeinen entsprechend einem Zustand ohne Entnahme ausgewählt. Da die Entnahme zu einer Vergrößerung des Pumpgrenzenabstands führt, hat ein unter einer solchen Entnahmebedingung arbeitendes Triebwerk einen Pumpgrenzenabstand der auch während Beschleunigungsperioden größer ist, als es für einen sicheren Betrieb erforderlich ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Einrichtung der eingangs genannten Gattung derart auszugestalten, daß die Vergrößerung des Pumpgrenzenabstandes, der bei einer Luftentnahme auftritt, für eine bessere Beschleunigung ausgenutzt werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maß-

nahmen gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 bzw. 3 gelöst.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in den jeweiligen Unteransprüchen 2 bzw. 4 gekennzeichnet

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der Pumpgrenzenabstand, der bei einer Verdichterluftentnehme gewonnen wird, voll ausgenutzt werden kann für eine vergrößerte Beschleunigung.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung vcn Ausfühnmgsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematischö Darstellung eines Turbogebläsetriebwerks,

Fig.2 ein Verdichter-Kennlinienfeld für ein Turbogebläsetriebwerk, wobei das Verdichterdruckverhältnis als Funktion des Verdichterluftdurchsatzes mit und ohne Luftentnahme dargestellt ist,

Fig.3 eine graphische Darstellung des Beschleunigungsbrennstoffparameters für ein Turbogebläsetriebwerk, wobei der korrigierte Brennstoff-FluP als eine Funktion der korrigierten Drehzahl dargestellt ist, und zwar mit und ohne Luftentnahme, und

F i g. 4 in schematischer Darstellung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung bei einer Anwendung in einem Turbogebläsetriebwerk.

F i g. 1 zeigt ein Turbogebläsetriebwerk 11, das einen Bläserrotor 12 und einen Kerntriebwerksrotor 13 enthält. Der Bläserrotor 12 trägt an seinem vorderen Ende Bläserschaufeln 14 und an seinem hinteren Ende eine Niederdruck- oder Bläserturbine 16, die die Bläserschaufeln in einer bekannten Weise über eine Turbinenwelle 17 antreibt. Der Kerntriebwerksrotor 13 hat an seinem vorderen Ende einen Verdichter 18 und an seinem hinteren Ende eine Leistungs- oder Hochdruckturbine 19, die den Verdichter über eine Verdichterwelle 21 antreibt. Zwischen dem Verdichter und der Turbine befindet sich ein Brenner 22, der den Brennstoff mit dem Luftstrom ve'bindet und die Mischung zündet, um thermische Energie zu erzeugen.

Im Betrieb tritt Luft in das Gasturbinentriebwerk 11 durch einen Lufteinlaß 23 ein, der durch eine den Bläserrotor 12 umgebende Verkleidung 24 gebildet ist. Die in den Einlaß 23 eintretende Luft wird durch die Bläserschaufeln Η verdichtet und dann auf einen ringförmigen Strömungskanal 26, der von der Bläserverkleidung 24 sowie der Kerntriebwerksummantelung 27 begrenzt wird, und einen Kerntriebwerks-Strömungskanal 28 aufgeteilt, dessen äußert Begrenzung von der Kerntriebwerksummantelung 27 gebildet ist. Die in den Kerntriebwjrks-Strömungbkanal 28 eintretende, verdichtete Luft wird durch den Verdichter 18 weiter verdichtet und dann zusammen mit Brennstoff in dem Brenner 22 gezündet. Die erzeugte Gasströmung strömt dann durch die Hochdruckturbine 19, um den Verdichter 18 anzutreiben, und danach durch die Bläserturbine 16, um die Bläserschaufeln 14 anzutreiben. Das Gas wird dann durch die Hauptschubdüse 29 geleitet, um in bekannter Weise Schubkräfte zu erzeugen. Eine zusätzliche Schubkraft wird durch das Ausströmen von verdichteter Luft aus dem ringförmigen Strömungskanal 26 erzielt.

Zum Regeln des Brennstoffflusses durch den Brenner 22 ist eine Brennstoffregelungseinrichtung 32 vorgesehen, um die Triebwerksdrehzahl sowie die Beschleunigungs- und Abbremsgcsr'windigkeiten zu regeln und um die Veränderungen bezüglich der Flughöhe, der Verdichtereinlaßtemperatur sowie des Verdichterauslaßdruckes zu kompensieren. Die Brennstoffregelung arbeitet in Abhängigkeit von der Verdichtereinlaßtemperatur (Γ25), der Kerntriebwerksdrehzahl (XNH), dem Verdichterauslaßdruck (CDP) und einer Leistungsbedarfseingangsgröße, wobei diese Signale über entsprechende Leitungen 33,34,35 und 36 geleitet werden. Natürlich können auch noch weitere Eingangssignale für die Brennstoffregelungseinrichtung 32 oder andere

ίο Signale benutzt werden. Beispielsweise ist es üblich, der Brennstoffregelungseinrichtung 32 ein Signal zuzuführen, das die Gastemperatur der Turbine darstellt, um den Brennstofffluß zu begrenzen und übermäßige Temperaturen in der Turbine zu vermeiden. Ein anderes Beispiel besteht darin, daß anstelle der Kerntriebwerksdrehzahl (gemäß der obigen Beschreibung) die Bläserdrehzahl erfaßt und das entsprechende Signal der Brennstoffregelungseinrichtung 32 zugeführt werden. Diese arbeitet in jedem Fall in der Weise, daß der Brennstoffstrom zum Brenner 22 durch Signale geregelt wird, die über eine Leitung 37 übertragen werden.

Gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, wird die Beschleunigungsbrennstoffmenge verändert, um während bestimmter Betriebsperioden verbesserte Eigenschaften der Triebwerksleistung zu erziden. Zu diesem Zweck ist eine Voreinstellungseinrichtung 38 vorgesehen, die Signale empfängt, welche gewisse Betriebsparameter des Triebwerks darstellen, und die über eine Leitung 39 an die Brennstoffregelungseinrichtung 32 ein Ausgangssignal abgibt, das die Brennstoffmenge entsprechend ändert. Vorzugsweise kann die Voreinstellungseinrichtung 38 in Abhängigkeit von der Luftrnenge betrieben werden, die von dem Verdichter abgezapft oder entnommen wird. Diese Luftmenge kann durch das Verhältnis des statischen Verdichterauslaßdruckes (CDP) zum statischen Druck in der Entnahmeleitung fCWydargestellt werden. Deshalb werden diese Größen im Triebwerk erfaßt, und entsprechende Signale werden über Leitungen 41 sowie 42 der Voreinstellungseinrichtung 38 zugeführt. Die Betriebsweif. der Voreinstellungseinrichtung 38 wird nachfolgend näher erläutert.

In Fig. 2 ist ein Verdichter-Kennfeld eines typischen Gasturbinentriebwerks dargestellt, und zwar sowohl für stationäre als auch Beschleunigungspericden und in beiden Fällen mit sowie ohne eine gewisse Verdichterluftentnahme. Die Linie A stellt die Kennlinie des stationären Zustandes dar, wenn keine Verdichterluft entnommen wird. Die Linie B stellt den Betrieb des Triebwerks während Beschleunigungsperioden ohne eine Verdichterluftentnahme dar, wobei das RotorbeschleunigungsiTioment vergrößert und der Pumpgrenzabstand de:, Verdichters verkleinert werden. Um sicherzustellen, da3 das Triebwerk immer innerhalb seines Betriebsbe· reiches arbeitet, muß auch während einer Beschleunigungsperiode ohne Verdichterluftentnahme ständig eine vorgegebene Größe des Pumpgrenzenabstandes des Verdichters erhalten bleiben. Dieser notwendige Pumpgrenzenabstand bl-ibt mittels einer Beschleunigungskurve gemäß F i g. 3 erhalten. Hierbei ist der Brennstofffluß während eines stationären Betriebszustandes ohne Luftentnahme durch die Linie E dargestellt, und der Brennstofffluß während einer Beschleunigung ohne Luftentnahme ist durch die Linie Fdargestellt.

In F i g. 2 stellt ein jweites Kurvenpaar C und D den Triebwerksbetrieb im stationären Zustand und während Beschleunigungsperioden dar, wenn eine gewisse Luftrnenge von dem Verdichter abgezapft wird. Es ist fest-

zustellen, daß für eine gegebene Luftentnahmemenge der Pumpgrenzenabstand für stationäre oder Beschleunigungsperioden vergrößert wird. Dieser durch die Verdichterlultentnahme erreichte Vorteil bzw. Gewinn oder der Sicherheitsgrenze des Strömungsabrisses wird erfindungsgemäß ausgenutzt, um eine erhöhte Leistungsfähigkeit zu erzielen. Dies erfolgt durch Vergrößern der Beschleunigungsbrennstoffmenge als Funktion der Luftentnahmemenge, wodurch der Pumpgrenzennbstand wieder ausgenutzt wird, der zunächst gewonnen wurde, aber für einen sicheren Betrieb nicht benötigt wird. Wenn die Brennstoffmenge in einer solchen Weise vergrößert wird, daß der gesamte Gewinn an Pumpgrenzenabstand aufgebraucht wird, dann folgt das Triebwerk unabhängig ob mit oder ohne Entnahme derselben Betriebskennlinie. Die vergrößerten Brennstoffmengen für stationäre und Beschleunigungsperioden sind durch die Kurven Cund Win F i g. 3dargestellt.

F i g. 4 ist eine schematische Darstellung, aus der es ersichtlich ist, wie die Voreinstellungseinrichtung 38 in das Triebwerksregelungssystem eingebunden ist, um die Beschleunigungsbrennstoffmenge in der gewünschten Weise zu verändern. Die Brennstoffregelungseinrichtung 32 empfängt Signale, die Parameter des Triebwerksbetriebes darstellen, wozu die Verdichterdrehzahi (XNH). die Verdichtereinlaßtemperatur (Γ25) und der Verdichterausgangsdruck (CDP) gehören, um eine übliche WFM/CDP Beschleunigungsbrennstoffmengenkurve zu erzielen. Es werden gleichzeitig der statische Verdichterauslaßdruck (CDP) und der statische Druck in der Verdichterentnahmeleitung (CBP) erfaßt. Eine Verhältnisbildung dieser zwei Größen wird dadurch erzielt, daß die Signale einem Teiler 43 zugeführt werden. Das sich ergebende CDP/CßP-Signal stellt dann die Verdichterluftentnahmemenge dar. Es wurde vor allem festgestellt, daß dieses Verhältnis weitgehend dem Prozent-Säi/. uci' VcfdiCnicTcninänfficStrörnüng (WB/W25, wobei WB der Luftentnahme entspricht und W 25 die Kernluftströmung darstellt) entspricht. Dieses CDP/ CßP-Signal wird dann von der Voreinstellungseinrichtung 38 empfangen, die hieran eine geeignete Änderung vornimmt, um einen Voreinstellungsmultiplikator M für eine gewünschte Änderung der Beschleunigungsbrennstoffmenge zu erzielen. Es wurde festgestellt, daß ein Multiplikator, der dem Wert 1 plus einer Konstanten. multipliziert mit dem Verdichterentnshmeverhältnis WB/W2S entspricht, im wesentlichen eine konstante Beschleunigungskurve in der Verdichter-Kennlinie aufrechterhält. Ein auf diese Weise berechneter Beschleunigungsmultiplikator führt in der Beschleunigungskurve zu einer Vergrößerung, die größer als die Zunahme im stationären Zustand WFM/CDP infolge der Verdichterluftentnahme ist. Somit ist es möglich, mit Entnahme eine höhere Leistung zu erzielen als ohne Entnahme. Dementsprechend wird der Voreinstellungsmultiplikator geeignet geändert, um den gewünschten Pumpgrenzenabstand zwischen dem Brennstofffluß im stationären Zustand und dem Brennstofffluß bei Beschleunigung für eine gegebene Größe der Verdichterlufter.tnahme aufrechtzuerhalten.

Das vorstehend beschriebene Verfahren bezieht sich zwar auf ein Flugzeuggasturbinentriebwerk, es läßt sich jedoch bei irgendeiner Gasturbinentriebwerk-Kraftanlage verwenden, wie sie beispielsweise für Schiffs- und industrielle Zwecke benutzt wird. Ferner kann es neben dem beschriebenen Turbogebläsetriebwerk genau so gut in Verbindung mit dem Turbostrahltriebwerk benutzt werden. Auch läßt sich das Verfahren bei Triebwerken mil einer von der Kerndrehzahlregelting abweichenden Regelung, beispielsweise bei einem Triebwerk anwenden, das in Abhängigkeit von der Bläserdrehzahl geregelt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Regeln der Brennstoffzufuhr zu der Verbrennungseinrichtung eines Gasturbinentriebwerkes mit Verdichterluftentnahme abhängig von verschiedenen Betriebsparametern, wobei ein Betriebsparameter die Luftentnahmemenge ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsbrennstoffmenge als Funktion der Luftentnahmemenge derart vergrößert wird, daß die durch die Luftentnahme verursachte Vergrößerung des Pumpgrenzenabstandes des Verdichters zumindest teilweise aufgehoben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Maß für die Luftentnahmemenge das Verhältnis des statischen Auslaßdruckes der Verdichterstufe, aus der die Luftentnahme erfolgt, zum statischen Druck der Entnahmeluft verwendet wird.

3. Einrichtung zum Regein der Brennstoffzufuhr zu der Verbrennungseinrichtung eines Gasturbinentriebwerkes mit Verdichterluftentnahme abhängig von verschiedenen Betriebsparametern, wobei ein Betriebsparameter die Luftentnahmemenge ist. dadurch gekennzeichnet, daß mit der Brennstoffregelungseinrichtung (32) eine Voreinstellungseinrichtung (38) verbunden ist, der ein die Luftentnahmemenge darstellendes Signal zugeführt ist (Leitung 42) und die an die Brennstoffregelungseinrichtung (32) ein SigniJ liefert (Leitung 39), das die Beschleunigungsbrennstoffmenpe als F"nktion der Luftentnahmemenge derart vergrößert, daß die durch die Luftentnahme verursachte vergrößerung des Pumpgrenzenabstands des Verdichters zumindest f/viliiinirn inifrmKnkon ic*

ΐν,ιιπι,υ«. uuigwiiv/L/v<ii Uli

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Teiler (43) das Verhältnis des statischen Auslaßdruckes (CDP)der Verdichterstufe zum statischen Druck (CBP) der Entnahmeluftleitung als das die Luftentnahmemenge darstellende Signal gebildet ist, und daß ein Multiplizierer (46) das Ausgangssignal (WFM)der Brennstoffregelungseinrichtung (32) mit einem Multiplikator (M) multipliziert, der von der Voreinstellungseinrichtung (38) als Funktion der Verdichterluftentnahme bestimmt ist.