DE2756681A1

DE2756681A1 - Regelkreissystem fuer eine gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE2756681A1
Application number: DE19772756681
Authority: DE
Inventors: Iii Henry Austin Spang; Robert Price Wanger
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1976-12-20
Filing date: 1977-12-20
Publication date: 1978-06-22
Also published as: CA1188775A; FR2374513B1; FR2374513A1; JPS5395410A; GB1597129A; IT1088432B; BE862071A; DE2756681C2

Description

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GENERAL LLLCTRIC COMPANY, 1 River Road, Schenectady, New York 12305 (USA)

Regelkreissystem für eine Gasturbinenanlage

Die Erfindung betrifft ein Regelkreissystem für eine Gasturbinenanlage mit Sensoren zur Bestimmung und Übermittlung von Regelparametern der Gasturbinenanlage, die an eine Regler-Recheneinheit angeschlossen sind, deren Ausgänge mit Stellgliedern verbunden sind, durch deren Betätigung die Stellparameter unter Einhalten eines erwünschten Leistungswertes veränderbar sind.

Regelkreissysteme für eine Gasturbinenanlage werden insbesondere in Flugzeugen verwendet und verfügen über elektrische Sensoren, mit deren Hilfe die verschiedenen Parameter zur Steuerung des Triebwerks gemessen werden. Solche Sensoren messen in der Praxis die Drehgeschwindigkeiten der Turbinenradschaufein und des Verdichters, sowie Betriebsdrücke und Temperaturen des Triebwerks. Diese werden ihrerseits verwendet, um die Stellung von Stellgliedern zu steuern, die z. B. den Brennstoffdurchsatz und die Geometrie beeinflusse] In üblichen Regelkreissystemen sind die die Werte der Regelparameter und der Steuerparameter anzeigenden Sensoren mittels elektrischer Kabel an eine elektronische Recheneinheit des Regelkreissystems des Triebwerks angeschlossen. -Die elektronische Recheneinheit kann mit speziellen Schaltkreisen zur Durchführung kontinuierlich ablaufender Rechnungen analog oder digital aufgebaut sein, wobei die Berechnungen aufeinanderfolgend verschachtelt ablaufen. In beiden Fällen verwendet die elektronische Recheneinheit des Regelkreises

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die abgefragten Werte der Rege !.parameter und Steuerparameter sowie die bekannten Betriebseigenschaften des Triebwerks zur Berechnung von Ausgangssignalen, um die Steuerparameter zu verändern und dadurch den erwünschten Wert der Triebwerksleistung aufrechtzuerhalten. Die elektrischen Ausgangssignale der Recheneinheit werden verstärkt, aufbereitet und dann in die verschiedenen elektrohydraulischen und elektromechanischen Stellglieder eingegeben, die die elektrisch gesteuerten Treibstoff- und Hydraulikventile betätigen, mit deren HiLfe die Stellparameter veränderbar sind. Diese verändern ihrerseits die Betriebsweise des Triebwerks, die wiederum die gemessenen Regelparameter beeinflußt, wie z. B. die Umdrehungsgeschwindigkeit, die Betriebsdrücke und die Temperaturen, so daß der Regelkreis des Triebwerks geschlossen ist. Bei den bekannten Regelkreisen führt ein Ausbleiben des Eingangssignales von einem oder mehreren Sensoren gegebenenfalls zu einem Ausfall der Steuerungsmöglichkeit des zugeordneten Triebwerksparameters, so dali sich ein erheblicher Leistungsverlust ergibt. Ein solches Ausbleiben eines Signals kann auf eine Vielfalt von Ursachen zurückzuführen sein, wie z. B. ein Defekt des Sensors, eine Unterbrechung der Verbindungsleitung zwischen dem Sensor und dem Regelkreis oder einem Versagen einer der Verarbeitungsschaltkreise für solche Signale.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Regelkreissystem für eine Ga: turbinenanlage zu schaffen, bei der beim Ausbleiben von Regelparametern ein Leistungsrückgang der Gasturbinenanlage verhindert werden kann, und bei der das Ausfallen eiiu:a Sensors dem Betriebspersonal angezeigt wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen den iJunsoren zur Bestimmung und Übermittlung der Regelparametcr und der RegLer-Rechenetnheit ein mit den Stellparameterwer ttui gespeister Rechner angeordnet ist, über den der Reglt;r-Kucheneinheit ein aus den Regelparametern und Steuerpar.inu;tt;rn errechnetes, einen Schätzwert der Rege !parameter, ύν.ι Tiubinon-

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- 6 anlage darstellendes Signal zuführbar ist.

Der Rechner verwendet ein gespeichertes Programm, das die qerecjelte Gasturbinenanlage nachbildet und das kontinuierlich durch die Siqnale auf den neuesten Zustand gebracht wird, die von den Regelparameter-Sensoren und Steuerparameter-Sensoren erhalten werden. Der Rechner verwendet diese Einqanqssiqnale, das Modell der Gasturbinenanlage und die gespeicherten Datenelemente, welche Schätzwerte des internen Zustandes der Gasturbinenanlage darstellen, dazu, Ausgangssignale für die Übermittlung an die Regler-Recheneinheit zu erzeugen. Diese, durch Simulierung erhaltenenSignale stellen Schätzwerte für die tatsächlichen Werte der von den Regelparameter-Sensoren in den Rechner eingegebenen Werte dar und werden kontinuierlich mit Hilfe der Regelparameter-Sensorsiqnale und Stellparameter-Sensorsignale auf den neuesten Zustand gebracht. Der Rechner vergleicht kontinuierlich jedes von einem Regelparameter-Sensor gelieferte Einqanqssignal mit dem entsprechenden, an die Regler-Recheneinheit ausqeqebenen Signal und beim Feststellen einer einen qespeicherten oder berechneten Toleranzwert übersteigenden Differenz wird der zugeordnete Regelparameter-Sensor daran gehindert, das Modell der Gasturbinenanlage in einen neuen Zustand zu überführen. Jedoch beeinflußt der Verlust eines Regelparametersensor-Einyangssignales die Leistung der Gasturbinenanlage nicht wesentlich, da der Rechner weiterhin die dem unterdrückten Sensorsignal zugeordneten Ausgangssignale liefert. Dan Ausgangssignal des Rechners stellt den besten Schätzwert für das unterdrückte Einganqssiynal dar, tier unter der Verwendung des gespeicherten Modells der Gasturbinenanlage berechnet wurde, das durch die übrigen, nicht unterdrückten Regelparameter-Eingangssignale und die Steuerp.u cinuter-liinqan.jss iqnalt! neuen Geqebenheiten angepaßt wird. tJLi't einen Schnittstel lenschaltkreis kann dem Betriebspersonal dei Gasturbinenanlage ein Signal übermittelt werden, das daa

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Ausfallen eines bestimmten Regelparameter-Sensorsignales anzeigt. Somit erlaubt das erfindunsgemäbe Regelkreissystem einen kontinuierlichen Betrieb der Gasturbinenanlage ohne Leistungsrückgang,selbst dann, wenn ein oder mehrere Regelparameter-Signale nicht ordnungsgemäß empfangen werden.

Da das Modell den gegenseitigen Einfluß zwischen den verschiedenen Regelparametern benutzt, um ein Parametersignal zu berechnen, werden Fehler oder kleine Ungenauigkeiten bei der Messung der Parameter gering gehalten, so daß solange keine Sensoren gesperrt sind, die Werte der von dem Rechner gelieferten Regelparameter-Eingangssignale genauer sind als diejenigen Eingangssignale, die unmittelbar von den einzelnen Regelparameter-Sensoren geliefert werden.

Das Regelkreissystem kann bei einem bereits einen Digital-Rechner enthaltenden Regelkreis in den Regelkreis integriert werden, ohne daii dazu getrennte Rechnergruppen erforderlich wären. Das Regelkreissystem kann ebenfalls in einen bereits bestehenden analogen oder anderen elektrischen Regelkreis zwischen die Regelparameter-Sensoren eines Triebwerks und die Regler-Recheneinheit eingefügt werden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Ls zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm des Regelkreissystems gemäb der Erfindung und

Fig. 2 ein FluGdiagramm eines Regelprogrammes für das Regelkreissystem gemäß der Erfindung.

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In Fig. 1 ist ein Regelkreis für eine Gasturbinenanlage dargestellt. Die Gasturbinenanlage 10 besteht aus einem Turbo-Luftstrahltriebwerk, einem Propeller-Turbinen-Luft stroh]triebwerk,einem Gasturbinentriebwerk oder einem Mantelstromtriebwerk (Niederdruck oder Hochdruck) in einer bekannten Bauform. Derartige Triebwerke verfügen im allgemeinen über eine gewisse Anzahl von Sensoren 12, die die Werte der Regelparameter messen, mit denen die verschiedenen Triebwerks-Stellparameter, wie Treibstoffdurchsatz und Geometrie des Triebwerks, gesteuert werden, um einen erwünschten Leistungswert zu erhalten. Eine Anzahl von Sensoren 13 ist ebenfalls vorgesehen, um die Werte der Stellparameter zu messen.

Die Ausyangssignale der Sensoren 12, 13 werden in Signalverarbeitungs-Verstärker und Analog-Digital-Umsetzer 16 eingespeist, die die Signale bis auf einen normierten,analogen Gleichspannungsbereich verstärken und danach diese Analog-Signale in ein digitales Format umsetzen. Die digitalen Steuersignale werden dann in einen Digital-Rechner über eine Eingabe/Ausgabe-Einheit 20 eingegeben. Der Digital-Rechner 18 ist von üblicher Bauart und verfügt über eine Eingabe/Ausgabe-Einheit 20 zum Anschluß externer Geräte, eine arithmetische Einheit 22 zur Durchführung von arithmetischen Operationen und einen programmierbaren Speicher zum Speichern von Programmen, Informationen und Daten. Erfindungsgemäß enthält der Programmspeicher ein Triebwerksmodell, das die Funktion der Gasturbinenanlage simuliert. Derartige Modelle für Gasturbinenanlagen sind bekannt und bestehen im allgemeinen aus einem Satz mathematischer Gleichungen, die den Zusammenhang zwischen den Triebwerks-Regelparametern, beispielsweise den Drücken und Temperaturen der verschiedenen Triebwerks-Bauteile,als eine Funktion der Werte der Stellparameter, beispielsweise des Treibstoffdurch-

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satzes des Triebwerks sowjedessen Geometrie (ζ. Β. Einlaufund Auspufflache) und des internen Zustands des Triebwerks beschreiben. Somit liefert das Modell für einen gegebenen Satz von Bedingungen für die Stellparameter Werte für die Regelparameter des Triebwerks und umgekehrt.

Der Programmspeicher 24 enthält ebenfalls ein Arbeitsprogramm zur Steuerung der Datenverarbeitung. In Fig. 2 ist ein Ablaufdiagramm für das Arbeitsprogramm dargestellt. Nach der Initialisierung, während der die Ausgangswerte sowohl für die Regelparameter als auch die Stellparameter in den Rechner eingegeben werden, empfängt das Arbeitsprogramm kontinuierlich die Signalwerte der Sensoren 12, 13, die in das Triebwerksmodell eingeführt werden. Das Triebwerksniodell verwendet die Stellparameter zusammen mit den gespeicherten, eine Näherung der internen Zustandes des Triebwerks darstellenden Daten, um die zugeordneten Werte der Regelparameter zu berechnen. Diese berechneten Regelparameter werden dann in eine Regler-Recheneinheit eingegeben, die sie zusammen mit den von denGenaren 13 herrührenden Stellparameter-Werten verarbeitet, um Signale zur Betätigung von Stellgliedern 14 zu berechnen. Die berechneten Regelparameter werden auch mit den von den Sensoren 12 der Triebwerke erhaltenen Regelparametern verglichen, wobei deren Differenz berechnet wird. Wenn diese Differenz eine entweder gespeicherte oder als Funktion der anderen abgetasteten Regelparameter oder Stellparameter des Triebwerks berechnete, zulässige Abweichung überschreitet, greift das Steuerprogramm ein (wie unten beschrieben werden wird), um zu verhindern, daß die außerhalb der zulässigen Abweichung liegenden Eingangsgrößen daa Modell weiterhin in einen neuen Zustand bringen. Das iiteuerprogramm gibt auch ein Signal an die Bedienungspur .son des Triebwerks ab, um anzuzeigen, daß ein außerhalb der zulässigen Abweichung liegendes Sensor-Signal empfangen wurde und dor Sensor daran gehindert wurde, das TriebwerksmoduLl auf

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einen neuen Stand zu bringen.

Das Triebwerksmodell wird dadurch auf den neuesten Zustand gebracht, daß die gespeicherten, eine Schätzung des inneren Zustandes des Triebwerks darstellenden Daten als eine Funktion der Differenz zwischen den berechneten Eingangswerten der Regelparameter und den entsprechenden, von den Sensoren U des Triebwerks eingegebenen Regelparametern verändert werden. Somit wird für jede berechnete Regelparameter-Differenz eine entsprechende Veränderung an jedem gespeicherten Datenelement vorgenommen, das eine Schätzung des internen Zustandes des Triebwerks darstellt, der durch diesen Regelparameter beeinfluiSt wird. Wenn der Regelparameter unterdrückt wurde, werden keine entsprechende Veränderungen an den durch diesen Regelparameter beeinflußten Datenelementen vorgenommen. Zur Erzielung einer größeren Genauigkeit wird die Größe der Veränderung jedes eine Schätzung des internen Zustandes des Triebwerks darstellenden, gespeicherten Datenelementes gewichtet, so daß sie proportional dem Steuerungsanteil ist, den der abgetastete Regelparameter auf dieses Datenelement in Bezug auf den Steuerungsanteil hat, den die übrigen Regelparameter auf dieses Datenelement ausüben.

Die berechneten Werte für die Regelparameter der Sensoren werden von dem Digital-Rechner 18 an die Regler-Recheneinheit 26 ausgegeben. Die Regler-Recheneinheit 26 ist von bekannter Bauart und kann digital oder analog aufgebaut sein. Im FaIi einer analogen Recheneinheit 26 muß ein Digital-Analog-Umsetzer (nicht dargestellt) zwischen dem Digital-Rechner 18 und der Regler-Recheneinheit 26 vorgesehen sein. Die für Gasturbinenanlagen bekannte Regler-Recheneinheit 26 verarbeitet die von den Sensoren des Triebwerks empfangenen Regelpardniuter und Stellparameter sowie das bekannte, charakteristische Triebwerksverhalten, das üblicherweise in Gestalt eines analogen Algorithmus oder digitaler Daten gespeichert int, um Ausgangssignale für die Betätigung von elektromecha-

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nischen oder elektrohydraulischen Stellgliedern 14 zu berechnen, damit ein gewünschter Leistungswert des Triebwerks aufrechterhalten wird. Geeignete Verstärker und Digital-Analog-Umsetzer 28 sind zwischen der Regler-Recheneinheit und den Stellgliedern 14 vorgesehen, um die von der Regler-Recheneinheit 26 eingegebenen Signale auf den normierten, für die Betätigung der Stellglieder 14 erforderlichen Spannungsbereich umzusetzen und/oder aufzubereiten.

Die Signalverarbeitungs-Verstärker und Analog-Digital-Umsetzer 16, der Digital-Rechner 18, die Regler-Recheneinheit 26 sowie die Signalverarbeitungsverstärker und Digital-Analog-Umsetzer 28 sind bekannte, handelsübliche Baugruppen, deren Aufbau keinen Teil der Erfindung bilden.

Auf diese Weise erlaubt der Regelkreis gemäß der Erfindung einen kontinuierlichen Betrieb der Triebwerks-Steuerung ohne Herabsetzung der Leistungsfähigkeit, selbst dann, wenn ein oder mehrere Regelparameter-Sensorsignale ausfallen.

Ohne den Rahmen des Erfindungsgedankens zu verlassen, ist der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Regelkreis einer Reihe von Abwandlungen fähig. Falls dieses Regelkreissystem mit einer digitalen Steuerung aufgebaut ist, kann die oben beschriebene Logik programmiert sein und ohne die Notwendigkeit getrennter Rechner-Bausteine in das System integriert werden. Dieses System kann auch nach einem Sensorausfall in einem Regelkreissystem verwendet werden, bei dem die Regler-Recheneinheit über einen direkten Sensor-Eingang verfügt. In diesem Fall wird das ausgefallene Sensorsignal durch das Triebwerksmodell geliefert.

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Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing. W. Scherrmann "Df ingl^uger

7300 Esslingen (Neckar). Webergasse 3. Postfach 348

19. Dezember 1977 Telefon

PA 119 rakU Stuttgart (07 11)356539

Telex 07 256610 smru

Telegramme Patentschutz Essllngenneckar

Patentansprüche

(1. Regelkreissystem für eine Gasturbinenanlage mit Sensoren ^—'zur Bestimmung und Übermittlung von Regelparametern der Gasturbinenanlage, die an eine Regler-Recheneinheit angeschlossen sind, deren Ausgänge mit Stellgliedern verbunden sind, durch deren Betätigung die Stellparameter unter Einhalten eines erwünschten Leistungswertes veränderbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Sensoren (12) zur Bestimmung und Übermittlung der Regelparameter und der Regler-Recheneinheit (26) ein mit den Stellparameterwerten gespeister Rechner (18) angeordnet ist, über den der Regler-Recheneinheit (26) ein aus den Regelparametern und Steuerparametern errechnetes, einen Schätzwert der Regelparameter der Turbinenanlage (10) darstellendes Signal zuführbar ist.
2. Regelkreissystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelparameter (12) mit außerhalb eines vorherbestimmten oder errechneten Toleranzbereiches liegenden Werten durch den Rechner (18) unterdrückbar und die unterdrückten Regelparameterwerte (12) aus den übrigen Regelparameterwerten (12) und Stellparameterwerten (13) als Schätzwerte berechenbar sind, die der Regler-Recheneinheit (26) zugeführt werden.
3. Regelkreissystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (18) ein den Betrieb der Gasturbinenanlage (10) simulierendes Modell enthält, das aus gespeicherten Formeln und Datenelementen besteht, die den Zusammenhang zwischen den Regelparametern (12) und Stellparametern (13)

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des geschätzten Zustandes der Gasturbinenanlage (10) darstellen.
4. Regelkreissystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Modell der Gasturbinenanlage (10) bei der Berechnung der der Regler-Recheneinheit (26) zugeführten Regelparameter (12, 20) durch den Rechner (18) wirksam ist.
5. Regelkreissystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelparameterwerte des Gasturbinenanlagen-Modells mit den entsprechenden, von den Sensoren (12) empfangenen Regelparameterwerten durch den Rechner (18) unter Berechnung einer Anzahl von Signalen verglichen werden, die der jeweiligen Differenz zwischen den errechneten und gemessenen Regelparameterwerten zugeordnet sind.
6. Regelkreissystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe des Rechners (18) feststellbar ist, ob jedes Differenzsignal innerhalb des Toleranzbereiches liegt.
7. Regelkreissystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dab mit Hilfe des Rechners (18) beim überschreiten des
Toleranzbereiches durch ein Differenzsignal ein Anzeigesignal (30) für die Bedienungsperson erzeugbar ist.
8. Regelkreissystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch die berechneten Differenzsignale mit Hilfe des
Rechners (18) die gespeicherten Datenelemente veränderbar sind, die den Schätzwert des internen Zustandes der Gasturbinenanlage (10) darstellen, der durch den dem jeweiligen Differenzsignal zugeordneten Regelparameter beeinflußbar ist.
9. Regelkreissystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die außerhalb des Toleranzbereiches liegenden Differenzsignale daran gehindert werden, die gespeicherten Daten-

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elemente zu verändern, welche einen Schätzwert des internen Zustandes der Gasturbinenanlage (10) darstellen.
10. Regelkreissystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag der Veränderung jedes gespeicherten, eine Schätzung des internen Zustandes der Gasturbinenanlage (10) darstellenden Datenelementes derart gewichtet ist, daß er proportional dem Einfluß des entsprechenden Regelparameters (12) auf das Datenelement im Verhältnis zu dem Einfluß ist, den die übrigen Regelparameter (12) auf dieses Datenelement ausüben.

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