DE2715300B2

DE2715300B2 - Einrichtung zur optimalen Regelung bzw. Steuerung von Turbinenstrahltriebwerken für Flugzeuge

Info

Publication number: DE2715300B2
Application number: DE2715300A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr.-Ing. 8000 Muenchen Bauerfeind
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 1977-04-05
Filing date: 1977-04-05
Publication date: 1979-04-26
Also published as: IT1101911B; IT7847587A0; DE2715300C3; GB1597173A; DE2715300A1; FR2386686A1; FR2386686B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur optimalen Regelung bzw. Steuerung von Turbinenstrahltriebwerken für Flugzeuge, bei der der Leistungsverstellhebel den Betriebszustand des Triebwerks steuert und dabei über das Triebwerksregelsystem die Stellung von Triebwerksvariablen, wie den Haupt- und Nachbrennstofffluß sowie die Gasaustrittsfläche einer Verstellschubdüse am Schubrohraustritt bestimmt.

Unter Verwendung im wesentlichen hydraulisch und mechanisch betätigter Verstellmittel sollen anhand dieser z.B. aus der DE-AS 12 46 326 bekannten Einrichtung vorrangig die eingangs genannten Triebwerksvariablen möglichst optimal aufeinander abgestimmt werden können.

Über den vorher erörterten bekannten Fall hinausgehend, ist es bekannt, verstellbare Verdichter- oder Turbinenleitschaufeln sowie an einer oder mehreren Stellen eines Triebwerks in den thermodynamischen Kreisprozeß geschaltete Luftabblaseventile als Triebwerksvariable vorzusehen, und zwar zusätzlich zu den sogenannten »natürlichen Variablen« (Brennstofffluß zur Triebwerksbrennkammer und zum Nachbrenner), so daß hinsichtlich der bei modernen Gasturbinentriebwerken thermisch hochbelasteten und für eint-n verhältnismäßig schmalen Arbeitsbereich ausgelegten Komponenten ein zufriedenstellender Betrieb gewährleistet werden kann.

Ferner wäre eine einfache Triebwerkssteuerung denkbar, bei der die Verdichterleitschaufeln in direkter Abhängigkeit von der reduzierten Drehzahl verstellt werden oder bei der die Abblaseventile unterhalb einer bestimmten Drehzahl oder unterhalb eines bestimmten Triebwerksdruckes geöffnet werden.

Für die Verstellung der Schubdüse von Gasturbinenstrahltriebwerken sind Regeleinrichtungen bekannt, um Parameter, wie beispielsweise die Turbineneintrittstemperatur oder — wie zum eingangs genannten bekannten Fall schon erwähnt — die Verdichterarbeitslinie auf bestimmte Sollwerte einzuregeln.

In den meisten Fällen läßt sich dann mit den vorstehend erwähnten Steuer- und Regeleinrichtungen auch noch bei kritischen Flugmanövern und/oder Triebwerkszuständen ein einigermaßen zufriedenstellender Betrieb erzielen.

Hierbei ist jedoch zu berücksichtigen, daß diese kritischen Fmg- und/oder Betriebszustände verhältnismäßig selten auftreten. Andererseits zeichnen sich die Anforderungen an neuzeitliche Gasturbinenstrahltriebwerke besonders für den militärischen Einsatz durch enorm unterschiedlicher Flugzustände und -manöver aus. Außerdem sind die Ansprüche an rasche Änderungen des Triebwerkszustandes stark gestiegen.

Dies führt bei Regel- und Steuereinrichtungen im Rahmen der vorstehend erörterten Art zu verhältnismäßig großen, die Gesamtwirtschaftlichkeit beeinträchtigenden Kompromissen bei den vergleichsweise verhältnismäßig häufigen nicht kritischen Flug-, bzw. Triebwerkszuständen, nur um Verdichterpumpen, Übertemperaturen oder ähnliche nicht akzeptable Probleme bei den verhältnismäßig seltenen kritischen Fällen zu vermeiden.

Ein Beispiel soll das kurz erläutern. Die Wahl der verbrauchsoptimalen Schubdüsenfläche bei Betrieb ohne Nachverbrennung bei einem Nebenstromtriebwerk hängt normalerweise von den WirKungsverläufen im Niederdruckverdichter sowie den Heckwiderstands-Verhältnissen des betreffenden Flugzeuges ab. Es ist nun durchaus möglich, daß ein extremer Kurvenflug oder das Langsamfliegen mit starkem 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 Reichbo weite des Flugzeuges.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Regelung bzw. Steuerung von Gasturbinenstrahltriebwerken zu schaffen, mit der insbesondere mit Rücksicht auf die durch enorm unterschiedliche Flug- und/oder Triebwerkszustände verursachten kritischen Fälle eine die Gesamtwirtschaftlichkeil verbessernde, flexible sowie optimale Anpassung der vorhandenen Triebwerksvariablen an die tatsächlichen Bedürf-

nisse gewährleistet sein soll.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß eine erste elektronische Recheneinheit aus der empfangenen Information über die Stellung sowie Verstellgeschwindigkeit des Leistung·sverstellhebels den vom Piloten geforderten Betriebszustand des Triebwerks errechnet, während eine zweite elektronische Recheneinheit aus den in einem Datenerfassungssystem gespeicherten Meßdaten des momentanen Flugzustandes, wie Gesamttemperatur- und -druck der Luft, Flugmachzahl, Schiebewinkel des Flugzeugs, das Reynoldszahiniveau sowie den Typ und die Stärke des Eintrittsdruckprofils errechnet, wobei eine dritte elektronische Recheneinheit die aus der ersten und zwciien Recheneinheit empfangenen Informationen über den eingestellten Betriebszustand auf der einen Seite und den Flugzustand auf der anderen Seite in Signale verarbeitet, die als »Trims« in die standardmäßigen Steuerfunktionen des Grundregelsystems so eingreifen, daß durch Verstellung der Triebwerksvarhblen während der Dauer eines kritischen Betriebszustandes keine Gefährdung des Triebwerks auftritt

Da — wie eingangs bereits erwähnt — der kritische Zustand im allgemeinen von verhältnismäßig kurzer Dauer ist, ermöglicht die Erfindung eine ökonomisch optimale Lösung, da beim anschließenden Übergang auf die Normalzustände auch die Triebwerksvariablen wieder Verbrauchs- und/oder schuboptimal vom Grundregelsystem eingestellt werden können.

Der Typ und die Intensität des Druckprofils als Funktion der angegebenen 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 auf verhältnismäßig einfache Weise die notwendigen Verstellungen der Triebwerksvariablen bestimmen.

Für eine weitere Gruppe von Forderungen des Piloten an das Triebwerk, die eine zusätzliche Beeinflussung der Triebwerksvariablen angezeigt erscheinen lassen, folgendes.

Betreibt der Pilot das Triebwerk z. B. im gedrosselten Bereich, so wären anhand der erfindungsgemäßen Lösung die Variablen so einzustellen, daß das Triebwerk verbrauchsoptimal getrimmt ist, u. U. auf Kosten des Maximalschubes, der zu diesem Zeitpunkt nicht benötigt wird.

Umgekehrt wird bei Anwahl des Vollastschubes, ίί 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 w) werden. Die benötigte Information darüber, was der Pilot zu einem bestimmten Zeitpunkt benötigt, wird bei der vorliegenden Erfindung vorwiegend aus der Stellung bzw. Stellungsänderung des Leistungshebels gewonnen. b5

Bezüglich weiterer Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes wird auf die Unteransprüche verwiesen.

Anhhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise nachfolgend weiter erläutert; «s zeigt

F i g. 1 die Einrichtung zur Regelung bzw. Steuerung eines Turbinenstrahltriebwerks als Blockschaltbild und

Fig.2 eine tabellarische Obersicht zur Erläuterung der dem Erfindungsgegenstand zugrunde liegenden Logik.

Gemäß F i g. 1 soll eine erste elektronische Recheneinheit 4 aus der empfangenen Information über die Stellung sowie Verstellgeschwindigkeit des Leistungsverstellhebels 3 den vom Piloten geforderten Betriebszustand des Triebwerks errechnen. Aus den in einem Datenerfassungssystem 1 gespeicherten Meßdaten des momentanen Flugzeugstandes, wie z. B. der Gesamttemperatur und dem Gesamtdruck der Luft, der Flugmachzahl, dem Schiebewinkel des Flugzeugs, gegebenenfalls der Stellung der variablen Geometrie im/am Einlauf und, falls letztere nicht vorhanden, aus eindeutigen Funktionen obiger Parameter, soll eine zweite elektronische Recheneinheit 2 das Reynoldszahiniveau sowie den Typ und die Stärke des Eintrittsdruckprofils errechnen.

Eine dritte elektronische Recheneinheit 5 soll die aus der ersten Recheneinheit 4 und der zweiten Recheneinheit 2 empfangenen Informationen über den eingestellten Betriebszustand auf der einen Seite und der. Flugzustand auf der anderen Seite in Signale verarbeiten, die als »Trims« in die standardmäßigen Steuerfunktionen des Grundregelsystems 6 (Triebwerks- und Nachbrennerregler) so übergeordnet eingreifen sollen, daß durch Verstellung der Triebwerksvariablen während der Dauer eines kritischen Betriebszustandes keine Gefährdung des Triebwerks auftritt

Über ein schematisch als Linienzug dargestelltes Gestänge 9 kann der Leistungshebel 3 mit dem Grundregelsystem 6 gekoppelt sein.

Bei dem 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-Wellentriebwerk, Mehr-Stromtriebwerk oder bei einem reinen Einstromtriebwerk.

Zu den Triebwerksvariablen beim dargestellten Gasturbinenstrahltriebwerk 8 gehören u. a. neben dem Triebwerksbrennstofffluß zu den Einspritzdüsen der Hauptbrennkammer (Signal 11 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 genannten drei Triebwerksvariablen der Reihe nach durch die Position 13,14 und 15 gekennzeichnet ist.

Weitere Triebwerksvariable ist dann z. B. die Schubdüsenfläche 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 Triebvverksvariablen außerdem verstellbare Turbinenleitschaufeln einschließen.

Die für die dritte elektronische Recheneinheit 5 anzuwendende Logik hängt sehr von dem jeweiligen Triebwerkstyp mit seinen spezifischen aerodynami-

sehen 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 Grundregelsystem 6 verstellt werden, wobei die jeweilige Stellung durch die Logik der dritten elektronischen Recheneinheit 5 um einen gewissen /!-Betrag verändert werden kann. Hierfür einige Beispiele, die für anderweitige Triebwerksvariable beliebig fortsetzbar wären:

Stellung Abblaseventil I = Λ

(Reynoldszahl; Druckprofiltyp, Druckprofilstärke; Triebwerksbetriebszustand)

Stellung Abblaseventil II = h

(Reynoldszahl; Druckprofiltyp; Druckprofilstärke; Triebwerksbetriebszustand)

<4aStatoren = h

(Reynoldszahl; Druckprofiltyp; Druckprofilstärke; Triebwerksbetriebszustand)

id ASchubdüse = /4

(Reynoldszahl; Druckprofiltyp; Druckprofilstärke; Triebwerksbetriebszustand)

Die im Rahmen der Erfindung zu verwendende; elektronischen Rechenelemente können im übrigei entweder in analoger oder besser noch in digitale Bauweise ausgeführt werden.

Die tabellarische Übersicht nach F i g. 2 erläutert dii der Regel- bzw. Steuereinrichtung zugrunde liegendi Logik für acht klassische Fälle, wobei der Reihe nach jeweils von links nach rechts aufeinanderfolgend — de vom Piloten gewählte Betriebszustand, das Signal de Leistungsverstellhebels sowie die jeweilige Forderunj an das Triebwerk entnehmbar sind.

In der Tabelle nach F i g. 2 bedeuten:

K, bis K₅ = vorgegebene Konstanten

λ = Leistungshebelstellung

λ = Leistungshebelverstellgeschwindigkeit

Aoüse = Schubdüsenfläche

aAoüseldt = Schubdüsenverstellgeschwindigkeit

N = Drehzahl

dN/dt = Drehzahlbeschleunigung

NB = Nachbrenner

Die tabellarische Übersicht ließe sich beliebij

erweitern auf Vorgänge wie das Starten und Abschaltet des Triebwerks, die Wahl eines gegebenenfalls vorhan denen Schubumkehrers oder das Abfeuern von Waffen.

Die Erfindung ist selbstverständlich auch bei Gastur

binenstrahltriebwerken ohne Nachbrenner anwendbar.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur optimalen Regelung bzw. Steuerung von Turbinenstrahltriebwerken für Flugzeuge, bei der der Leistungsverstellhebel den Betriebszustand des Triebwerks steuert und dabei über das Triebwerksregelsystem die Stellung von Triebwerksvariablen, wie den Haupt- und Nachbrennstofffluß sowie die Gasaustrittsfläche einer Verstellschubdüse am Schubrohraustritt bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste elektronische Recheneinheit (4) aus der empfangenen Information über die Stellung sowie Verstellgeschwindigkeit des Leistungsverstellhebels (3) den vom Piloten geforderten Betriebszustand des Triebwerks errechnet, während eine zweite elektronische Recheneinheit (2) aus den in eine.n Datenerfasimngssystem (1) gespeicherten Meßdaten des momentanen Flugzustands, wie Gesamttemperatur- und -druck der Luft, Flugmachzahl, Schiebewinkel des Flugzeugs, das Reynoldszahlniveau sowie den Typ und die Stärke des Eintrittsdruckprofils errechnet, wobei eine dritte elektronische Recheneinheit (5) die aus der ersten (4) und zweiten Recheneinheit (2) empfangenen Informationen über den eingestellten Betriebszustand auf der einen Seite und den Flugzustand auf der anderen Seite in Signale verarbeitet, die als »Trims« in die standardmäßigen Steuerfunktionen des Grundregelsystems (6) so eingreifen, daß durch Verstellung der Triebwerksvariablen während der Dauer eines kritischen Betriebszustandes keine Gefährdung des Triebwerks auftritt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Triebwerksvariablen mehrere variable Schubdüsenaustrittsflächen einschließen.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Triebwerksvariablen verstellbare Verdichterleitschaufeln einschließen.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Triebwerksvariablen verstellbare Turbinenleitschaufeln einschließen.

5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Triebwerksvariablen Luftabblaseventile an verschiedenen Stellen des thermodynamischen Kreisprozesses einschließen.