DE2715300A1

DE2715300A1 - Einrichtung zur steuerung bzw. regelung von gasturbinenstrahltriebwerken fuer flugzeuge

Info

Publication number: DE2715300A1
Application number: DE19772715300
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Ing Bauerfeind
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1977-04-05
Filing date: 1977-04-05
Publication date: 1978-10-12
Also published as: IT1101911B; DE2715300C3; FR2386686B1; FR2386686A1; IT7847587A0; DE2715300B2; GB1597173A

Description

MOTOREN- UND TURBIKEN-üNION 2715300

MÜNCHEN GMBH

sr/sd ^

München, den 4. April 1977

Einrichtung zur Steuerung bzw. Regelung von Gasturbinenstrahltriebwerken für Flugzeugs

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Steuerung bzw. Regelung von Gasturbinenstrahltriebwerken von Flugzeugen, bei der zur optimalen Steuerung mehrerer einschlägiger Triebwerksvariablen zusätzliche Informationen als Funktion des Lufteintrittszustandes und des momentanen Betriebszustandes verwendbar sind.

Bei den optimal zu steuernden Triebwerksvariablen kann es sich z.B. um die Brennstoffzufuhr, die Schubdüsenfläche, variable Leiträder sowie Abblaseluft aus dem bzw. den Verdichtern etc. handeln.

Moderne Gasturbinenstrahltriebwerke besitzen gewöhnlich aerodynamisch sehr hochbelastete Komponenten mit einem relativ schmalen Arbeitsbereich. Um einen zufriedenstellenden Betrieb dieser Triebwerke zu gewährleisten, werden zu den natürlichen Variablen in Form des Brennstoffflusses zur Triebwerksbrenn-

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kammer und zum Nachbrenner (sofern vorhanden) häufig weitere Variable vorgesehen. Dabei handelt es sich dann vorwiegend um eine variable Gasaustrittsöffnung (Schubdüse), variable Leiträder in einigen Verdichterstufen sowie Abblaseventile an einer oder mehreren Stellen des Triebwerkes.

Die Verstellung dieser Variablen geschieht nach zum Teil recht unterschiedlichen Verfahren. In vielen Fällen wird eine einfache Steuerung verwendet, wobei dann z.B. die Statorschaufeln des Verdichters in direkter Abhängigkeit von der reduzierten Drehzahl verfahren werden oder Abblaseventile werden unterhalb einer bestimmten Drehzahl oder eines Triebwerksdruckes geöffnet. Für die Verstellung der Schubdüse werden häufig Regelverfahren angewendet, um gewisse Parameter, wie die Turbineneintrittstemperatur oder auch die Verdichterarbeitslinie auf bestimmte Sollwerte einzuregeln. All diese Steuer- oder Regel- · verfahren sind so ausgelegt, daß zuverlässiger Betrieb auch noch bei den kritischen Flugmanövern und/oder Triebwerkszuständen gewährleistet sein soll.

Da von modernen Flugzeugantrieben, vor allem auch im militärischen Sektor häufig enorm unterschiedliche Flugzustände und -manöver abgedeckt werden müssen und auch die Ansprüche an das rasche Ändern des Triebwerksbetriebszustandes stark gestiegen sind, müssen bei den bisher bekanntgewordenen Steuer- und Regelverfahren oft recht große Kompromisse bei den vielen nicht-

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kritischen Zuständen eingegangen werfen, nur um Verdichterpumpen Übertemperatur oder ähnliche nicht aKfctptable Probleme bei einigen wenigen kritischen Fällen ζμ vermeiden.

Ein Beispiel soll das kurz erläutern. Die Wahl der verbrauchsoptimalen Schubdüsenfläche bei Betrieb ohne Nachverbrennung bei einem Nebenstromtriebwerk hängt normalerweise von den. Wirkurgsgradverläufen im Niederdruckverdichter sowie den Heckwiderstandsverhältnissen des betreffenden Flugzeuges ab. Es ist nun durchaus möglich, daß ein extremer Kurvenflug oder das Langsamfliegen mit starken Anstellwinkel ein so ungünstiges Druckprofil am Eintritt des ersten Verdichters liefert daß dieser bei Betrieb auf der verbrauchsoptimalen Niederdruckverdichter-Arbeitslinie pumpen würde. Allein um solche relativ selten auftretenden Fälle abzudecken, ist deshalb eine größere Schubdüsenfläche notwendig, mit der Konsequenz eines höheren spezifischen Brennstoffverbrauchs bzw. reduzierter Reichweite des Flugzeuges.

Im Rr.hmen des eingangs behandelten Problemkreises liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Regelung von Gasturbinenstrahltriebwerken für Flugzeuge zu schaffen, mit der bei verhältnismäßig geringem regeltechnischen Aufwand die normalerweise zu Lasten der Gesamtwirtschaftlichkeit gehenden Kompromisse weitestgehend vermieden sein sollen.

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Weiter sollen die bei einem Gasturbinenstrahltriebwerk vorhandenen Variablen flexibel den jeweils tatsächlich vorliegenden Bedürfnissen optimal angepaßt werden können.

Hierzu werden bei der vorliegenden Erfindung grundsätzlich Informationen aus zwei verschiedenen Quellen benötigt; diese sind:

Zustand der Luft am Eintritt in das Triebwerk

- Wahl des Betriebszustandes (stationärer und instationärer) durch den Piloten.

Es wird zunächst davon ausgegangen, daß die Regelsysteme für Grundtriebwerk und Nachbrenner (falls vorhanden) für idealen, stationären Betrieb ohne bzw. mit konstantem Druckprofil am Triebwerkseintritt optimiert werden, um höchstmöglichen Schub und niedrigsten spezifischen Verbrauch zu erzielen. Es sind hierfür die verschiedensten Regel- und Steuerverfahren bekannt geworden und in Anwendung, die aber nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe äußert sich vielmehr der allgemeine Erfindungsgedanke darin, daß dem Grundregelsystem ein übergeordnetes System vorgeschaltet wird, das aufgrund der erhaltenen Information aus den zwei oben angegebenen Quellen

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für das Triebwerk kritische Zustände erkennt und mit Hilfe von Trims die standardmäßigen Steuerfunktionen des Triebwerkes so beeinflußt, daß durch entsprechende Verstellung einer oder mehrerer der Triebwerksvariablen während der Dauer des kritischen Zustandes keine Gefährdung des Triebwerkes auftritt. Diese Maßnahmen gehen natürlich in den meisten Fällen auch auf Kosten des optimalen Schubes und Verbrauches; da der kritische Zustand jedoch i.a. nur von kürzerer Dauer ist, erzielt man somit die ökonomisch beste Lösung, da beim anschließenden Übergang auf normale Zustände auch die Triebwerksvariablen wieder verbrauchs- und bzw. schuboptimal vom Grundregelsystem eingestellt werden können.

Um den Zustand der Luft am Eintritt in das Triebwerk bestimmen zu können, werden i.a. folgende Meßdaten benötigt:

Gesamttemperatur der Luft
Gesamtdruck der Luft
Flug - Mach - Zahl
- Schiebewinkel des Flugzeuges

evtl. Stellung der variablen Geometrie im/am Einlauf soweit vorhanden und, falls nicht, eindeutige Funktion obiger Parameter.

Aus diesen Daten kann folgende, für das hier vorgestellte System benötigte Information abgeleitet werden:

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Reynolds-Zahl Niveau für Triebwerkskomponenten - Typ des Einlaufdruckprofils (z.B. radial, umfangsmäßig oder Mischung aus beiden Typen)
Intensität des Druckprofils.

Typ und Intensität des Druckprofils als Funktion obiger Meßdaten kann mit Hilfe von durchgeführten Triebwerksversuchen mit vorgeschaltetem Einlauf im Höhenprüfstand oder auch aus billigeren Modellversuchsergebnissen gewonnen werden.

Weiterhin ist aus Volltriebwerksversuchen oder aber auch aus isoliert gefahrenen Verdichter-Versuchen bekannt, wie sich Reynolds-Zahl-Änderungen sowie die verschiedenen Typen praktisch vorkommender Eintrittsdruckprofile auf das Leistungsverhalten der einzelnen Triebwerkskomponenten auswirken. Daraus lassen sich dann relativ leicht die notwendigen Verstellungen der Triebwerksvariablen bestimmen.

Es gibt nun aber eine wichtige zweite Gruppe von Forderungen des Piloten an das Triebwerk, die eine zusätzliche Beeinflussung der Triebwerksvariablen angezeigt erscheinen lassen. Betreibt der Pilot das Triebwerk z.B. im gedrosselten Bereich, so ist es sinnvoll, die Variablen so einzustellen, daß das Triebwerk verbrauchsoptimal getrimmt ist, u.U. auf Kosten des Maximalschubes, der ja zu diesem Zeitpunkt nicht benötigt wird.

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AO

Umgekehrt wird bei Anwahl des Vollastschubes, besonders auch bei Nachbrennerbetrieb, der spezifische Verbrauch des Grundtriebwerkes eine untergeordnete Rolle spielen, da dieser Zustand i.a. nicht sehr lange geflogen wird. Ähnliche Beispiele können leicht für vom Piloten geforderte rasche Laständerungen angegeben werden. Die benötigte Information darüber, was der Pilot zu einem bestimmen Zeitpunkt benötigt, wird bei der vorliegenden Erfindung vorwiegend aus der Stellungod bzw. Stellungsänderung oc des Leistungshebels gewonnen. Die Tabelle zeigt die dem Konzept zugrundeliegende Logik:

No.Vom Piloten gewählt

Signal vom
Leistungshebel

Forderung an Triebwerk

Leerlauf
Reiseflug

Vollast ohne Nachbrenner

Maximale Nachverbrennung

Beschleunigung ohne
Nachverbrennung

Verzögerung ohne
Nachverbrennung

Leertauf

OL <<Χ<0(

Leerlauf Vollast

ohne NE

Vollast ohne N8

VolLast mi» NB

el <Ot<oC

Leerlauf Vollast

ohne NB oder dN/dt > K₂

Ot < OC

c <ot<OC

Leerlauf Vollast

ohne NB oder dN/dt < K₃

niedrigster Schub

niedrigster Brennstoffverbrauch

höchster Schub ohne NB

Hochfahren des
Nachbrenners

Ot OL

'min λΙΒ

OC <ZCC

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^dADüse^/dt>K^

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Max NB

höchster Schub mit NB

schnelles und sicheres Hochfahren ohne Verdichterpumpen

schnelles und sicheres Herunterfahren ohne Verdichterpumpen oder Verlöschen oder zu rasche Änderung d.Turbineneintritts temperatur

schnelles und sicheres Hochfahren, korrekte Nach brennerbrennstoffzumessun ohne Verdichterpumpen

— 8 —

Herunterfahren des Nachbrenners

oc

t>üse'

schnelles und sicheres Herunterfahren, korrekte

min NB max NB „ ,, , . ,,. .» , .. u Nachbrennerbrennstof f-

zumessung ohne Verdichterpumpen

In der obigen Tabelle sind:

K, bis Kj. = vorgegebene Konstanten

<X- = Leistungshebelstellung

oc = Leistungshebelverstellgeschwindigkeit

A_DÜ = Schubdüsenfläche

N = Drehzahl sowie

dN/dt= Drehzahlbeschleunigung

NB = Nachbrenner

Die acht angeführten klassischen Fälle sollten als Beispiele gewertet werden. Das Konzept läßt sich erweitern auf Vorgänge wie Start an _und Abschalten des Triebwerks, Wahl des Schubumkehrers, Abfeuern von Waffen etc.

Es ist nun wichtig, festzuhalten, daß die zu fordernde optimale Stellung der Triebwerksvariablen eine Funktion sowohl der Einlaufdaten als auch der vom Gashebel abgeleiteten Information ist.

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Die Erfindung ist anhand eines Blockschaltbildes in der Zeichnung beispielhaft erläutert.

Gemäß Kasten 1 soll aus kontinuierlich im Flug erfaßten Meßdaten sowie der Position der variablen Einlaufgeometrie in Kasten 2 auf das Reynoldszahlniveau sowie Typ und Stärke des Einlauf- bzw. Eintrittsdruckprofils geschlossen werden.

Zusammen mit dem vom Piloten über den Leistungsverstellhebel (Kasten 3) eingestellten Betriebszustand des Gasturbinenstrahltriebwerkes 8 im Kasten 4 sollen die über die Kästen 1, 2 sowie 3, 4 gewonnen Informationen die optimale Stellung der Triebwerksvariablen in Kasten 5 bestimmen, und zwar durch übergeordneten Eingriff in die Triebwerksgrundregelung (Triebwerks- und Nachbrennerregler 6).

Über ein schematisch als Linienzug dargestelltes Gestänge 9 kann die Leistungshebelverstellung 3 auf den Triebwerks- und Nachbrennerregler 6 übertragen werden.

Beim schematisch dargestellten Gasturbinenstrahltriebwerk 8 kann es sich z.B. um ein Drei-Wellen-Zweistrom-Triebwerk mit Nachbrenner handeln, wobei die zugehörige Verstellschubdüse mit 10 bezeichnet ist.

Die Erfindung ist durchaus bei anderweitigen Strahltriebwerkstypen anwendbar, so z.B. bei einem Mehr-Wellen-Mehr-Stromtriebwerk

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oder bei einem reinen Einstromtriebwerk.

Zu den Triebwerksvariablen beim dargestellten Gasturbinenstrahltriebwerk 8 gehören u.a. neben dem Triebwerksbrennstoff fluß zu den Einspritzdüsen der Hauptbrennkammer (Signal aus Kasten 6) der Nachbrennerbrennstofffluß (Signal 12 aus Kasten 6).

Weiter schließen die Triebwerksvariablen hier z.B. verstellbare Verdichterleitschaufeln, sowie erste und zweite Verdichterluftabblaseventile ein, wobei der Signalfluß zur Steuerung der zuletzt genanten drei Triebwerksvariablen der Reihe nach durch die Position 13, 14 und 15 gekennzeichnet ist.

Weitere Triebwerksvariable ist dann z.B. die Schubdüsenflache der Verstellschubdüse 10 (Signalfluß 16 aus Kasten 6).

Der Signalfluß 17 vom Triebwerk zum Kasten 6 kennzeichnet die Gesamtheit aller Triebwerksparameter (Drehzahlen, Drücke, Temperaturen), die zur Triebwerks- und Nachbrennerregelung benötigt werden.

In der Zeichnung nicht weiter erläutert, können die Triebwerksvariablen außerdem Luftabblaseventile an verschiedenen Stellen des thermodynamisehen Kreisprozesses sowie verstellbare Turbinenleitschaufeln einschließen.

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Die anzuwendende Logik in Kasten 5 hängt sehr von dem jeweiligen Triebwerkstyp mit seinen spezifischen aerodynamischen Eigenheiten bei den einzelnen Komponenten ab und wird sicher von Fall zu Fall zu variieren sein. Deshalb sollen hier lediglich in allgemeingültiger Form die Abhängigkeiten formal angegeben werden. Vorausgesetzt wird, daß es sich bei den Abblaseventilen um Ventile handelt, die normalerweise geschlossen sind, während die variablen Statoren sowie die Schubdüsenfläche zunächst nach bestimmten Gesetzmäßigkeiten durch das Triebwerk- und Nachbrennerregelsystem verstellt werden, wobei die jeweilige Stellung durch die Logik in Kasten 5 um einen gewissen A- Betrag verändert werden kann.

Stellung Abblaseventil I = f.. (Reynoldszahl; Druckprofiltyp,

Druckprofilstärke; Triebwerksbetriebszustand)

Stellung Abblaseventil II = f_ (Reynoldszahl; Druckprofiltyp;

Druckprofilstärke; Triebwerksbetriebszustand)

A«6Statoren = f (Reynoldszahl; Druckprofiltyp;

Druckprofilstärke; Triebwerksbetriebszustand)

A A Schubdüse = f. (Reynoldszahl; Druckprofiltyp;

Druckprofilstärke; Triebwerksbetriebszustand)

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Für übrige Triebwerksvariable ließe sich die vorstehende Spezifikation beliebig fortsetzen. Die praktische Realisierung dieser Funktionen sowie der benötigten Rechnungen in den Kästen 2 und 4 geschieht sinnvollerweise mittels elektronischer Rechenelemente entweder in analoger oder besser noch in digitaler Bauweise.

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Leerseite

Claims

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Patentansprüche

Einrichtung zur Steuerung bzw. Regelung von Gasturbinenstrahltriebwerken von Flugzeugen, bei der zur optimalen Steuerung mehrerer einschlägigerer Triebwerksvariablen zusätzliche Informationen als Funktion des Lufteintrittszustandes und des momentanen Betriebszustandes verwendbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß aus kontinuierlich im Flug erfaßten Meßdaten auf das Reynoldszahlniveau sowie Typ und Stärke von Einlaufdruckprofilen geschlossen wird und diese Information zusammen mit dem vom Piloten eingestellten Betriebszustand des Triebwerkes die jeweils optimale Stellung der Triebwerksvariablen durch übergeordneten Eingriff in die normale Triebwerksgrundregelung bestimmt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Information über den Flugzustand vom zellenseitigen Datenerfassungssystem abrufbar ist.

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3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebszustand des Triebwerkes aus der Stellung sowie der Verstellgeschwindigkeit des Gashebels ableitbar ist.
4. Einrichtung nach Anpruch 1,2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem Triebwerksbrennstofffluß der Nachbrennerbrennstofffluß Triebwerksvariable sind.
5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die rriebvrerksvariablen außerdem eine oder mehrere variable Schubdüsenflächen einschließen.
6. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzichnet, daß die Triebwerksvariablen außerdem verstellbare Verdichterleitschaufeln einschließen.
7. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Triebwerksvariablen außerdem verstellbare Turbinenleitschaufeln einschließen.
8. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Triebwerksvariablen außerdem Luftabblaseventile an verschiedenen Stellen des thermodynamischen Kreisprozesses einschließen.

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9. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die benötigten Rechenoperationen und Funktionsbildungen mit Analog-Rechnerelementen durchführbar sind.
10. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die benötigten Rechenoperationen und Funktionsbildungen mit Digital-Rechnerelementen durchführbar sind.

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