DE2702564C3

DE2702564C3 - Vorrichtung zur Drehzahlregelung bei Gasturbinenstrahltriebwerken für Flugzeuge

Info

Publication number: DE2702564C3
Application number: DE19772702564
Authority: DE
Inventors: Heiner Dipl.- Ing. Schmidt-Roedenbeck; Wilfried Dipl.-Ing. 7772 Uhldingen Wellern; Peter Dipl.-Ing. Wuest
Original assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Current assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Priority date: 1977-01-22
Filing date: 1977-01-22
Publication date: 1980-02-21
Also published as: DE2702564A1; GB1566015A; DE2702564B2

Description

60

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Drehzahlregelung bei Gasturbinenstrahltriebwerken für Flugzeuge gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem einwelligen Strahltriebwerk sitzen auf einer Welle hintereinander ein Verdichter mit mehreren Kränzen von Schaufeln und eine Turbine. Zwischen Verdichter und Turbine ist eine Brennkammer gebildet, in welche von einer Brennstoffzumeßeinheit eine zugemessene Brennstoffmenge kontinuierlich eingeleitet wird. Durch den Verdichter erfolgt eine Verdichtung der von vorn angesaugten Luft, wobei sich diese Luft erwärmt. In diese verdichtete und erwärmte Luft wird in der Brennkammer der Brennstoff eingespritzt und gezündet. Die dabei erzeugten heißen Treibgase werden über eine Düse mit hoher Geschwindigkeit hinten aus dem Strahltriebwerk ausgestoßen und erzeugen den Schub des Strahltriebwerks. Die Energie zum Antrieb des Verdichters wird dabei durch die Turbine dem Treibgasstrom entnommen. Zur besseren Anpassung an die verschiedenen Betriebszustände sind mehrwellige Strahltriebwerke bekannt die eine innere Welle und eine oder zwei als Hohlwellen ausgebildete und die innere Welle koaxial umgebende äußere Wellen enthalten. Auf jeder Welle sitzt ein Verdichter vor der Brennkammer und eine diesen Verdichter antreibende Turbine hinter der Brennkammer. Die Verdichter sind dabei axial hintereinander angeordnet und ebenso sitzen — in umgekehrter Reihenfolge — die zugehörigen Turbinen axial hintereinander. Jeder Verdichter wird dabei durch die zugehörige Turbine mit der für ihn wenigsteni annähernd optimalen Drehzahl angetrieben.

Die Drehzahlregelung eines solchen Strahltriebwerkes bietet gewisse Schwierigkeiten.

Durch die Trägheit des umlaufenden Triebwerkrotors ändert sich die Drehzahl des aus Verdichter, Welle und Turbine gebildeten Triebwerkrotors nur relativ langsam im Vergleich zu den durch Eingriffe oder Störungen hervorgerufenen Änderungen der Drücke, Temperaturen und des Massedurchsatzes, d. h. der durch den Verdichter geförderten Luftmenge. Wenn die Drehzahl des Strahltriebwerkes erhöht werden soll und dementsprechend eine Erhöhung der zugemessenen Brennstoffmenge erfolgt, so bewirkt diese Erhöhung zwar eine sofoilige Druckerhöhung in der Brennkammer, aber zunächst noch keine entsprechende Erhöhung der Drehzahl. Der Vereichter arbeitet somit mit zunächst unveränderter Drehzahl gegen einen erhöhten Druck. Damit sinkt der Massedurchsatz. Das Druckverhältnis von Ausgangs- und Eingangsdruck des Hochdruckverdichters steigt dabei zunächst an, da sich der Druck am Ausgang des Hochdruckverdichters erhöht, ohne daß diese Druckerhöhung voll am Eingang des Hochdruckverdichters wirksam wird.

Bei weiterer Verminderung des Massedurchsatzes sinkt das Druckverhältnis bei der zunächst gleichbleibenden Drehzahl wieder ab.

Dieser Verlauf des Druckverhältnisses läßt sich auch folgendermaßen betrachten: Bei konstanter Drehzahl des Hochdruckverdichters steigt das Verhältnis von Ausgangs- zu Eingangsdruck mit wachsendem Massedurchsatz zunächst an. Der Druckanstieg am Hochdruckverdichter wird um so höher, je mehr Luft von dem Hochdruckverdichter gefördert wird. Von einem Maximum ab, das dem Massedurchsatz entspricht, für welchen der Hochdruckverdichter optimal ausgelegt ist. sinkt das Druckverhältnis mit zunehmendem Massedurchsatz wieder ab. Dem Hochdruckverdichter ist eine weitere Verdichtung der angesaugten Luft bei der vorgegebenen Drehzahl nicht mehr möglich, und er wirkt dann zunehmend nicht mehr als Verdichter, sondern als Drossel, an welcher der Druck wieder abfällt.

Dieser Verlauf des Druckverhältnisses in Abhängigkeit vom Massedurchsatz bei einer konstanten Drehzahl ist in Fig. 1 dargestellt.

Eine Verminderung des Massedurchsatzes etwa über

den Punkt D in F i g. 1 hinaus mit einem entsprechenden, sich aus der Kurve von F i g. 1 ergebenden Druckverhälinis führt zu einem instabilen Zustand, der ein »Pumpen« des Strahltriebwerkes hervorrulin kann.

In dem Bereich zwischen den Punkten A und D von F i g. 1 ist die Steigung der Drurkverhältniskurve positiv. Mit abnehmendem Massedurchsatz wird das Druckverhältnis kleiner. Wenn in einem Punkt P dieses Bereiches kurzzeitig durch irgendeine Störung, 7 B. dadurch, daß durch ein Schieben des Flugzeuges die Lufteinlaßöffnung des Strahltriebwerkes vorübergehend in den Windschatten gerät, der Massedurchsatz des Hochdruckverdichters abfällt, dann führt dies zu einem Abfall des Förderdrucks des Hochdruckverdichters. Wenn der Druck stromab von dem Hochdruckverdichter, d. h. in der Brennkammer oder in den letzten Verdichterstufen, nicht schnell genug absinkt, dann sucht die Strömung ihre Richtung umzukehren. Wenn dies geschieht, sinkt das Druckverhältnis schnell ab. In der Zwischenzeit ist der Druck stromab von dem Verdichter ebenfalls abgefallen, so daß der Verdichter wieder zu arbeiten beginnt. Dieser Zyklus wiederholt sich dann mit hoher Frequenz und führt zu starken aerodynamischen Puisationen, dem »Pumpen«, durch weiche das Strahltriebwerk innerhalb von wenigen Sekunden zerstört werden kann. Ein solches Pumpen des Strahltriebwerkes muß daher mit Sicherheit vermieden werden (Cohen, Rogers u. Saravan amu t too »Gas Turbine Theory« S. 111 — 114).

Wie vorstehend erläutert wurde, kann durch Erhöhung der zugemessenen Brennstoffmenge bei zunäcnst noch im wesentlichen unveränderter Drehzahl das Strahltriebwerk mit seinem Massedurchsatz und Druckverhältnis schnell in den Bereich zwischen D und A von F i g. 1 gelangen, in welchem die Gefahr des »Pumpens« J5 besteht, und dieses Pumpen kann dann durch geringfügige Störungen ausgelöst werden. Es ist daher erforderlich, die zugemessene Brennstoffmenge bei der Beschleunigung des Strahltriebwerkes so zu begrenzen, daß die »Pumplinie« oder vorzugsweise eine in einem Sicherheitsabstand von dieser verlaufende »Pumplinien-Grenzkurve«, weiche den stabilen von dem instabilen Bereich in dem Massedurchsatz-Druckverhältnis-Feld trennt, nicht überschritten wird.

Diese Verhältnisse seien anhand von Fig. 2 noch näher erläutert: Es ist dort eine Kurvenschar mit Kurven, ähnlich der Kurve von Fig. 1 dargestellt, die verschiedenen Drehzahlen zugeordnet sind. Für jede Drehzahl gibt es einen dem Punkt D von Fig. 1 entsprechenden Punkt auf der betreffenden Kurve, in welchem der instabile Bereich beginnt. Der geometrische Ort dieser Punkte ist die Pumplinie. In einem Sicherheitsabstand von dieser Pumplinie verläuft die Pumplinien-Grenzkurve. Bei der Beschleunigung des Strahltriebwerkes auf eine höhere Drehzahl, z. B. von 0.6 auf 1,0, was möglichst schnell geschehen sollte, sollte jeweils gerade so viel Brennstoff zugemessen werden, daß die Pumolinien-Grenzkurve von Punkt Pi in F i g. 2 längs der »0,6«-Kurve gerade erreicht wird und dann Massedurchsatz und Druckverhältnis bei nun ansteigen- bo der Drehzahl gerade so anwachsen, daß der den Triebwerkzustand charakterisierende Punkt an der Pumplinien-Grenzkurve entlangläuft, bis die »l,0«-Kurve, d. h. die volle Nenndrehzahl des Strahltriebwerkes, erreicht ist. Bei dieser Drehzahl geht dann das Strahltriebwerk längs der »1,0«-Kurve in seinen stabilen neuen Betriebszustand über.

Ein solches Verhalten bei sicherem Ausschluß eines Überschwingens ist jedoch schwer zu erreichen.

Es ist schon vorgeschlagen worden (DE-OS 22 05 445), einen Druckverhältnisgeber zur Erzeugung eines Dmckverhäitnissignals vorzusehen, welches das Druckverhältnis des Ausgangs- und des Eingangsdrukkes am Hochdruckverdichter wiedergibt. Es ist dori ferner ein Massedurchsatzfühler zur Erzeugung eines den Massedurchsatz des Strahltriebwerkes wiedergebenden Massedurchsatzsignals vorgesehen. Ein Funktionsgeber Hefen die Pumplinien-Grenzkurve als Grenzdruckverhältnissignal in Abhängigkeit von dem Massedurchsatzsignal. Um ein Oberschießen über die Pumplinien-Grenzkurve zu vermeiden, sind signalbegrenzende Mittel zur Begrenzung des der Brennstoffzumeßeinheit zugeführten Reglerausgangssignals vorgesehen. Diese begrenzen das Reglerausgangssignal auf einen Wert, der durch die Differenz des von dem Druckverhältnisgeber gelieferten Druckverhältnissignals und des Grenzdruckverhältnissignals bestimmt wird.

Bei der vorgeschlagenen Vorrichtung ist der Wert auf den das Reglerausgangssignal begrenzt wird, eine Linearkombination der besagten Differenz (Pumplinienabstand) und ihrer Zeitableitung. Da die Brennstoffzumeßeinheit mit Trägheit behaftet ist, würde die Begrenzung des Reglerausgangssignais auf einen nur dem Pumplinienabstand proportionalen Wert zum Überschwingen über die Pumplinien-Grenzkurve führen. Es ist zu beachten, daß bei großen Reglerausgangssignalen, wie sie beim starken Beschleunigen des Strahltriebwerkes auftreten, die zugemessene Bronnstoffmenge zunächst nur durch die Begrenzung bestimmt wird. Zur Dämpfung der Schwingungen wird die Zeitableitung des Pumplinienabstandes aufgeschaltet.

Bei einer solchen Anordnung geht der tatsächliche Abstand von der Pumplinien-Grenzkurve nur in Form einer Linearkombination in die Begrenzung ein. Die signalbegrenzenden Mittel »wissen« daher nie, wie weit der durch Massedurchsatz und Druckverhältnis cha-, rakterisierte Zustand des Strahltriebwerkes tatsächlich von der Pumplinien-Grenzkurve entfernt ist. Auch macht es die Möglichkeit eines, wenn auch gedämpften, Überschwingens erforderlich, die Pumplinien-Grenzkurve in respektvollem Abstand von der tatsächlichen Pumplinie zu halten. Dies wiederum beschränkt die Beschleunigung, mit der das Strahltriebwerk auf eine höhere Drehzahl und damit höhere Leistung hochgefahren werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs definierten Art bei Gasturbinenstrahltriebwerken für Flugzeuge zu schaffen, welche eine optimale schnelle Drehzahländerung gestattet, aber dabei ein Überschreiten der Pumplinien-Grenzkurve sicher zu vermeiden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Nach der Erfindung wird somit nicht unmittelbar die zugemessene Brennstoffmenge begrenzt, sondern deren Zeitableitung. Je kleiner der Pumplinienabstand wird, desto langsamer erfolgt die Änderung der zugemessenen Brennstoffmenge. Wenn die Pumplinien-Grenzkurve erreicht ist, wird die Änderung der zugemessenen Brennstoffmenge zu null, d. h. die zugemessene Brennstoffmenge bleibt konstant. Wesentlich ist nun, daß die der Erhöhung der zugemessenen Brennstoffmenge mit Verzögerung nachfolgende Drehzahlerhöhung zu einer

Erhöhung des Massedurchsatzes und wegen der konstanten Brennstoffmenge zu einer Verminderung der Brennkammertemperatur führt und so das Arbeitsdruckverhältnis von der Pumplinien-Grenzkurve wieder wegzuführen trachtet. Bei vernünftiger Aufschaltung des Purnplinienabstandes ist dann ein Überschreiten der Pumplinien-Grenzkurve sicher ausgeschlossen. Das geschilderte »Regelspiel« mit der Erhöhung der zugemessenen Brennstoffmenge bis zur Annäherung an die Pumplinien-Grenzkurve und damit erreichter Konstanz der zugemessenen Brennstoffmenge, mit Verzögerung nachfolgender Erhöhung der Drehzahl und damit des Massedurchsatzes und Wegführen des Arbeitsdruckverhältnisses von der Pumplinien-Grenzkurve wiederholt sich dann, so daß der Zustand des Strahltriebwerkes schließlich (wie in Fig.2) an der Pumplinien-Grenzkurve entlangwandert, bis die vorgegebene Drehzahl (z. B. 1,0) erreicht ist. Dann stellt sich ein solcher Zustand im Abstand von der Pumpliniengrenzkurve ein, daß die zugemessene Brennstoffmenge nicht mehr durch die Begrenzung, sondern durch das Reglerausgangssignal selbst bestimmt ist. Der Zustand des Strahltriebwerkes bewegt sich dann längs der »l,0«-Kurve in Fig. 2, wie dort durch die gestrichelte Linie dargestellt, zu dem neuen stabilen Zustand im Punkt P₂.

Es bietet gewisse Probleme, genau und vor allem verzögerungsfrei ein Signal zu erhalten, das die Zeitableitung der zugemessenen Brennstoffmenge wiedergibt.

Zweckmäßigerweise erfolgt die Begrenzung in der im Anspruch 2 angegebenen Art.

Bei einer solchen Anordnung wird bei normalem Regelbetrieb ohne Begrenzung, d. h. bei hinreichendem Abstand des Arbeitsdruckverhältnisses von der Pumplinien-Grenzkurve, das Reglerausgangssignal direkt auf die Brennstoffzumeßeinheit geschaltet, da sich die verzögerte Differentiation mit einer Übertragungsfunktion

Γ V fs"

und die Integration mit Vorhalt mit einer Übertragungsfunktion

1 + Ts

gegenseitig aufheben. Eine Begrenzung erfolgt zwischen dieser Differentiation und der Integration, wo in jedem Fall — ob die Begrenzung eingreift oder nicht — die Zeitableitung MREG oder zugemessenen Brennstoffmenge verzögerungsfrei zur Verfügung steht, wie weiter unten noch gezeigt wird. Das bei Wirksamwerden der Begrenzung auf einen dem Pumpiinienabstand proportionalen Wert begrenzte Signal wird mit dem Vorhalt integriert und auf die Brennstoffzumeßeinheit geschaltet, die mit einer Übertragungsfunktion

1
1 + T_FCUs

verzögert dem Strahltriebwerk eine dem anliegenden Signal proportionale Brennstoffmenge M zumißt. Da T— TFovgewahlt wird, ist die Übertragungsfunktion von dem begrenzten Signal zum Ausgang Aider Brennstoffzumeßeinheit

1 + T-s

d. h. das begrenzte Signal entspricht der unverzögerten Zeitableitung Mder zugemessenen Brennstoffmenge M.

Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung näher erläutert:

F i g. 1 ist ein Diagramm und zeigt für ein Strahltriebwerk bei einer vorgegebenen Hochdruckverdichlerdrehzahl πη die Abhängigkeit des Druckverhältnisses (Ausgangs- zu Eingangsdruck des Hochdruckverdichters) pilp\ vom Massendurchsatz;
Fig.2 ist ein Diagramm und zeigt eine Kurvenschar

ίο mit Kurven entsprechend Fig. 1 für verschiedene Hochdruckverdichterdrehzahlen, den Verlauf der Pumplinie, der Pumplinien-Grenzkurve und die Änderungen derTriebwerkszustände bei der Beschleunigung des Triebwerks auf eine höhere Drehzahl;

Fig.3 zeigt schematisch ein Strahltriebwerk sowie als Blockschaltbild eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Drehzahlregelung.

In Fig. 3 ist schematisch ein bekanntes dreiwelliges Strahltriebwerk 10 dargestellt. In einem Außenmantel 12 ist im vorderen Teil ein Innenmantel 14 koaxial angeordnet. Zwischen Innen- und Außenmantel 14 bzw. 12 ist ein Ringraum 16 gebildet.

Koaxial innerhalb des Innenmantels 14 ist eine massive Innenwelle 18 gelagert. Die Innenwelle 18 trägt an ihrem vorderen Ende vor dem Innenmantel 14 einen Niederdruckverdichter 20 und an ihrem hinteren Ende innerhalb des Innenmantels 14 eine Turbine 22. Der Niederdruckverdichter 20 erstreckt sich sowohl über die vordere Öffnung des Innenmantels 14 als auch über die

vordere öffnung des Ringraumes 16. Der Niederdruckverdichter 20 erzeugt somit sowohl einen Luftstrom durch den Innenmantel 14 (»heißer« Strom) hindurch als auch einen relativ großen Luftstrom um den Innenmantel 14 herum durch den Ringraum 16 (»kalter« Strom).

Koaxial zu der Innenwelle 18 ist eine als Hohlwelle ausgebildete erste Außenwelle 24 gelagert. Diese erste Außenwelle 24 trägt an ihrem vorderen Ende innerhalb des Innenmantels 14 und in Strömungsrichtung hinter dem Niederdruckverdichter 20 einen Mitteldruckverdichter 26. Am hinteren Ende und in Strömungsrichtung vor der Turbine 22 sitzt eine Turbine 23. Koaxial um die erste Außenwelle 24 herum ist eine als Hohlwelle ausgcoildete zweite Außenwelle 30 gelagert. Die zweite Außenwelle 30 trägt an ihrem vorderen Ende in

« Strömungsrichtung hinter dem Mitteldruckverdichter 26 einen Hochdruckverdichter 32 und an ihrem hinteren Ende, vor der Turbine 28 eine Turbine 34.

Zwischen dem Hochdruckverdichter 32 und der zugehörigen Turbine 34 ist innerhalb des Innenmantels 14 eine Brennkammer 36 gebildet, in welche von einer Brennstoffzumeßeinheit 38 über Düsen 40 eine zugemessene Brennstoffmenge kontinuierlich eingeleitet wird.

Die bekannte Wirkungsweise eines solchen Strahltriebwerks ist wie folgt:

Die in den Innenmantel 14 von dem Niederdruckverdichter 20 angesaugte und verdichtete Luft wird von dem Mitteldruckverdichter 26 und dem Hochdruckverdichter 32 weiter verdichtet, wobei sie sich erwärmt In die erhitzte, verdichtete Luft wird in der Brennkammer 36 Brennstoff eingeleitet Dieser wird gezündet und die heißen Verbrennungsgase treten am hinteren Ende mit hoher Geschwindigkeit aus dem Innenmantel 14 aus. Sie vermischen sich in einer Düsenkammer 42 mit dem Luftstrom, der von dem Niederdruckverdichter 20 um den Innenmantel herum durch den Ringraum 16 geleitet wird. Der aus der Düsenkammer 42 nach hinten mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßene Luft- und Ver-

brennungsgasstrom erzeugt den Schub des Strahltriebwerks. Die Energie zum Antrieb der Verdichter 20, 26 und 32 wird mittels der Turbinen 22, 28 bzw. 34 dem Luft- und Verbrennungsgasstrom entnommen. Durch die Verwendung von drei gesonderten Wellen 18, 24 und 30 für drei hintereinandergeschaltete Verdichter können die Drehzahlen unterschiedlich gewählt und annähernd optimal an die jeweilige Verdichtungsaufgabe angepaßt werden.

Es werden in der vorliegenden Beschreibung folgende Bezeichnungen verwendet:

15

Pt	Totaldruck am Eingang des Hochdruckver
	dichters 32,
Pio =	statischer Druck am Eingang des Hoch-
	druckverdichlers 32,
Pi	Totaldruck am Ausgang des Hochdruck
	verdichters 32,
Δρ	Differenz von Totaldruck p\ und statischem
	Druck pio am Eingang des Hochdruckver
	dichters 32,
nn	Drehzahl des Hochdruckverdichters 32,
nusoti —	kommandierte Drehzahl des Hochdruck
	verdichters 32,
T —	Filterzeitkonstanten,
Treu =	Zeitkonstante der Brennstoffzumeßeinheit
	38,
5 =	Variable der Laplace-Transformation,
ß	Reglerausgangssignal,
M	zugemessene Brennstoffmenge,
M	Zeitableitung der zugemessenen Brenn
	stoffmenge,
m =	Massendurchsatz des Hochdruckverdich
	ters 32,
(pilp\)rG =	Grenzdruckverhältnis, d. h. das für vorge
	gebenes na und m der Pumplinien-Grenz
	kurve entsprechende Verhältnis von p₂ zu
Δα	Pi. Pumplinienabstand (pi>'p\)pc—pi'pn*
A-	Proportionalitätsfaktor.

jedoch nicht unmittelbar auf die Brennstoffzumeßeinheit 38 geschaltet. Es erfolgt vielmehr durch ein Filter 56 eine Differentiation mit Verzögerung des Reglerausgangssignals β mit einer Übertragungsfunktion

1 + T-s '

Das so erhaltene Signal wird — wenn zunächst von den signalbegrenzenden Mitteln 58 abgesehen wird — anschließend mittels eines Filters 60 mit Vorhalt integriert, entsprechend einer Übertragungsfunktion

wobei die Zeitkonstante Tdes Vorhaltgliedes in Filter 60 gleich der im Verzögerungsglied des Filters 56 ist. Die resultierende Übertragungsfunktion der beiden Filter 56 und 60 ist

s '+T~

30

Das Strahltriebwerk 10 weist Fühler auf. welche Signale nach Maßgabe der verschiedenen Betriebsparameter liefern.

Ein Eingangsdruckfühler 44 liefert ein Eingangsdrucksignal, das den Totaldruck pi am Eingang des Hochdruckverdichters 32 wiedergibt, und ein Ausgangsdruckfühler 46 liefert ein Signal, das den Totaldruck P₂ am Ausgang des Hochdruckverdichters 32 wiedergibt. Ein Fühler 48 liefert ein Signal, das die Differenz Δρ von Totaldruck p\ und statischem Druck pio am Eingang des Hochdruckverdichters 32 wiedergibt. Ein Drehzahlfühler 50 liefert ein Signal, das die Drehzahl n_H des Hochdruckverdichters wiedergibt.

Ein Sollwertgeber 52 liefert ein Signal, das eine kommandierte Drehzahl n_Hsoii für den Hochdruckverdichter 32 wiedergibt. Die Signale n_H von dem Drehzahlfühler 50 und n_Hsoii von dem Sollwertgeber 52 werden einem Regler 54 zugeführt. Der Regler 54 liefert ein Reglerausgangssignal β, welches bei Aufschaltung auf die Brennstoffzumeßeinheit eine zugemessene Brennstoffmenge M hervorruft, durch welche die Drehzahl n_H gleich der kommandierten Drehzahl amoli gemacht wird.

Um ein Pumpen des Strahltriebwerkes durch eine bei der jeweiligen Drehzahl λ« zu hohe Brennstoffmenge M verhindern zu können, ist das Reglerausgangssignal β so daß ohne die Begrenzung unverändert das Reglerausgangssignal β auf die Brennstoffzumeßeinheit 38 gegeben wird und die zugemessene Brennstoffmenge M steuert.

Das ist der normale Regelkreis.

Das Signal Δρ vom Fühler 48 wird zusammen mit dem Eingangsdrucksignal pi vom Eingangsdruckfilter 44 auf einen Quotientenbildner (Massedurchsatzfühler) 62 gegeben. Das AusgangssignaMp/pi des Quotientenbildners 62 liefert ein Maß für den Massedurchsatz m des Hochdruckverdichters 32. Dieses Ausgangssignal m wird auf einen Funktionsgeber 64 gegeben, der an einem Ausgang 66 ein zu dem Massedurchsatz m gehöriges Grenzdruckverhältnis fp2/pi)/'o liefert.

Die Ausgangs- und Eingangsdrucksignale P₂ bzw. p\ von dem Ausgangsdruckfühler 46 bzw. dem Eingangsdruckfühler 44 werden auf einen Quotientenbildner (Druckverhältnisgeber) 68 gegeben, der das Arbeits-Druckverhältnis pi/p₂ bildet. Im Punkt 70 wird die Differenz

Δα = (p₂lp\)rc,—P2I'pi

des Grenzdruckverhältnisses und des tatsächlichen Arbeits-Druckverhältnisses, also der Pumplinienabsland gebildet. Dieser Pumplinienabstand wird bei 72 mit einem Faktor A- multipliziert und auf die signalbegrenzenden Mittel 58 gegeben.

Die signalbegrenzenden Mittel 58 wählen jeweils von den beiden daran anliegenden Signalen, nämlich dem Ausgang des Filters 56 und dem Signal k Δα. das jeweils kleinere aus und schalten es über das Filter 60 auf die Brennstoffzumeßeinheit 38. Wenn also ί:Δ<χ hinreichend groß äst, das Strahltriebwerk sich also hinreichend weit von der Pumplinie entfernt befindet, dann tritt die beschriebene normale Regelung der Drehzahl über das Reglerausgangssignal β ein. Bei Annäherung an die Pumplinien-Grenzkurve wird dagegen das Signal Mol als das kleinere wirksam.

Es ist T= Tfcu gewählt, d. h. die Zeitkonstanten Tder

Filter 56 und 60 sind an die Zeitkonstante Treu der Brennstoffzumeßeinheit angepaßt. Es ist dann

k I

+ T-s

+ t,_c

= M

oder wegen T_FCu = T

k ι _Λ · — =

U = -r

oder zurücktransformiert:

10

Die Begrenzung bewirkt also, daß die Zeitableitung M der von der Brennstoffzunießeinheit 38 zugemessenen Brennstoffmenge M dem Pumplinienabstand Διχ proportional wird.

Die Signalverarbeitung kann mit analogen Signalen erfolgen. Vorteilhafterweise werden jedoch die Signale digitalisiert und mit bekannten Mitteln digital verarbeitet.

Statt des als Beispiel beschriebenen dreiwelligen Strahltriebwerkes kann die Erfindung auch z. B. bei einem einwelligen Strahltriebwerk angewandt werden.

Die Ermittlung der Größe M ist auch bei anderem Zeitverhalten der Brennstoffzumeßeinheit 38 (FCU) möglich.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Drehzahlregelung bei Gasturbinenstrahltriebwerken für Flugzeuge, enthaltend:

— einen Drehzahlfühler, der ein die Drehzahl des Verdichters, bei mehrwelligen Triebwerken die Drehzahl des Hochdruckverdichters des Strahltriebwerkes wiedergebendes Drehzahlsignal liefert,

— einen Sollwertgeber, der ein eine Solldrehzahl wiedergebendes Sollwertsignal liefert,

— einen Regler, der von dem Drehzahlsignal und von dem Sollwertsignal beaufschlagt und zur Erzeugung eines Regelabweichungssignals eingerichtet ist,

— eine Brennstoffzumeßeinheit, welche durch das Regelabweichungssignal steuerbar ist, zur Zumessung einer dem Strahltriebwerk zugeführten Brennstoffmenge,

— einen Druckverhältnisgeber zur Erzeugung eines Druckverhältnissignals, welches das Druckverhältnis des Ausgangs- und des Eingangsdrucks am Verdichter bzw. am Hochdruckverdichter wiedergibt,

— einen Massedurchsatzfühler zur Erzeugung eines den Massedurchsatz des Strahltriebwerkes wiedergebenden Massedurchsatzsignals,

— einen Funktionsgeber, der die Pumplinie des Strahltriebwerkes oder eine in einem Sicher- JO heitsabstand von dieser verlaufenden Pumplinien-Grenzkurve als Grenzdruckverhältnissignal in Abhängigkeit von dem Massedurchsatzsignal liefert, und

— signalbegrenzende Mittel zwischen Regler und J5 Brennstoffzumeßeinheit, die eine Signalbegrenzung nach Maßgabe des sich als Differenz des Grenzdruckverhältnissignals und des Druckverhältnissignals ergebenden Pumplinienabstandes bewirkt,

dadurch gekennzeichnet, daßdiesignalbegrenzenden Mittel (58) die Zeitableitung (M) der durch die Brennstoffzumeßeinheit (38) zugemessenen Brennstoffmenge (M) auf einen dem Pumplinienabstand (Δα) im wesentlichen proportionalen Wert (k Δα) begrenzen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reglerausgangssignal (ß) verzögert differenziert und anschließend mit einem dieser Verzögerung entsprechenden Vorhalt integriert auf to die Brennstoffzumeßeinheit (38) aufgeschaltet ist, daß das Zeitverhalten der Verzögerung gleich dem Zeitverhalten der Brennstoffzumeßeinheit (38) gewählt wird, und daß die signalbegrenzenden Mittel (58) eine Begrenzung des besagten verzögert differenzierten Reglerausgangssignals (ß) bewirken.