DE2819917C2

DE2819917C2 - Brennstoffregeleinrichtung für Gasturbinentriebwerke

Info

Publication number: DE2819917C2
Application number: DE2819917A
Authority: DE
Inventors: Peter James Bristol Williams
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1977-05-13
Filing date: 1978-05-06
Publication date: 1983-05-11
Also published as: GB1595423A; JPS549309A; FR2390781B1; FR2390781A1; IT1094834B; IT7823292A0; CA1104696A; AU3579178A; SE7805431L; JPS584174B2; DE2819917A1; US4227369A

Description

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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffregeleinrichtung für Gasturbinentriebwerke nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei der Temperaturerfassung eines von den Verbrennungsgasen beaufschlagten Triebwerksteils, nämlich beispielsweise eines Turbinenschaufelkranzes, mittels Strahlungsmessung tritt das Problem auf, daß in den strömenden Verbrennungsgasen heiße Kohlenstoffteilchen in Form einzelner Partikel oder in Form einer diffusen Wolke auftreten können, die den vom Strahlungsdetektor erfaßten räumlichen Meßbereich durchqueren. Infolge der hohen Temperatur dieser Teilchen erzeugen diese eine starke Infrarotstrahlung, die sich zu der von dem zu überwachenden Triebwerksteil, z. B. Turbinenschaufelkranz, ausgesandten Strahlung hinzuaddiert, so daß das dann vom Strahlungsdetektor erzeugte höhere Ausgangssignal eine höhere Temperatur des zu überwachenden Triebwerksteils ₍ vortäuscht, als tatsächlich gegeben ist. Bei Heranzie- 'es hung dieser fälschlich zu hoch ermittelten Temperatur zuf Brennstoffregelung führt dies zu einer unerwünschten Drosselung der Brennstoffzufuhr.

Aus der US-PS 36 96 678 ist eine Anordnung zur Erfassung der Temperatur eines von den Verbrennungsgasen beaufschlagten Triebwerksteils eines Gasturbinentriebwerks, nämlich eines Turbinenschaufelkranzes, bekannt, wobei Maßnahmen zur Unterdrückung von Fehlmessungen aufgrund von Kohlenstoffwolken in den strömenden Verbrennungsgasen getroffen sind. Diese Maßnahmen gehen von der Erkenntnis aus, daß von dom infolge der zeitlich und räumlich schwankenden Kohlenstoffkonzentration in der Verbrennungsgasströmung ebenfalls schwankenden Detektorausgangssignal die auftretenden Signalminima jeweils einem klaren, d.h. nicht von Kohlenstoffteilchen durchsetzten Zustand der Verbrennungsgasströmung zugeordnet sind, während die Signalmaxima dem Auftreten von KohlenstoffteDchen in der Verbrennungsgasströmung zuzuordnen sind Demzufolge wird bei der bekannten Meßanordnung durch schaltungstechnischt Maßnahmen eine hohe Gewichtung der Signalminima und eine geringere Gewichtung des übrigen Ausgangssignals bei der Signalauswertung vorgenommen. Dieser bekannte Versuch der Meßwertkorrektur ist aber mit erheblichem schaltungstechnischem Aufwand verbunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffregeleinrichtung der eingangs genannten Gattung so auszubilden, daß mit relativ geringem apparativem und uihaltungstechnischem Aufwand eine unverfälschte Temperaturerfassung als Grundlage für die Brennstoffregelung möglich ist

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Anordnung gelöst

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die durch die glühenden Kohlenstoffteilchen in der Verbrennungsgasströmung gebildete Störstrahlungsquelle außer der störenden, im gleichen Frequenzbereich wie die tatsächlich zu messende Wärmestrahlung liegenden Strahlung außerdem noch eine weitere Strahlung in einem anderen Frequenzbereich, nämlich sichtbares Licht aussendet und daß diese weitere Strahlung und die Störstrahlung hinsichtlich ihrer Intensität zueinander etwa proportional sind. Dies ermöglicht eine Korrektur der vom ersten Strahlungsdetektor empfangenen, aus tatsächlicher Meßstrahlung und Störstrahlung zusammengesetzten Gesamtstrahlung proportional zur jeweiligen Größe der Störstrahlung.

Die Verwendung eines zweiten Strahlungsdetektors mit einem bezüglich des ersten Strahlungsdetektors unterschiedlichen Ansprechbereich ist auf dem Gebiet der Strahlungsmessung aus der US-PS 36 65 440 an sich bereits bekannt die eine Feuermeldeeinrichtung betrifft bei welcher ein auf Infrarotstrahlung ansprechender Strahlungsdetektor und ein auf Ultraviolettstrahlung ansprechender Strahlungsdetektor vorgesehen ist, um unterscheiden zu können, ob eine aufgefangene Infrarotstrahlung von einem Feuer, das praktisch keine Ultraviolettstrahlung aussendet oder von einer anderen Strahlungsquelle, wie beispielsweise natürliches Licht, künstliche Beleuchtung oder Schweißgeräte, herrührt, deren Strahlung einen wesentlichen Ultraviolettanteil enthält.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen näher beschrieben, in welchen zeigt

F ί g. 1 eine schematische Darstellung einer Einrich-

tung nach der Erfindung, und

F i g, 2 eine grafische Darstellung der Spektralverteilung der Ausstrahlung bei verschiedenen Temperaturen.

F i g, 1 zeigt einen Brennstoffregler 10, der die Brennstoffzufuhr von einer Brennstoffpumpe 11 in die Brennkammer 12 eines Gasturbinentriebwerks regelt In der Brennkammer 12 wird der Brennstoff mit Luft vermischt, das Gemisch wird verbrannt und die Verbrennungsprndukte treiben die Turbine, beispielsweise einen Turbinenschaufelkranz 13. Dabei wird die Turbinenschaufeltemperatur erhöht, so daß die Turbinenschaufeln eine ihrer jeweiligen augenblicklichen Betriebstemperatur entsprechende Infrarotstrahlung aussenden. Diese Strahlung gelangt durch eine Saphirlinse 16 und einen faseroptischen Lichtleiter 17 zu einem ersten Strahlungsdetektor 15. Dieser auf Infrarotstrahlung ansprechende erste Strahlungsdetektor 15 erzeugt in Abhängigkeit von der jeweils empfangenen Strahlung ein Signal, das über eine Signalleitung 18 und einen Operationsverstärker 19 zum Brennstoffregler 10 gelangt, wo es als Steuergröße dient, welche die Brennstoffzufuhr zur Brennkammer begrenzt, Falls die durch die Menge der vom ersten Strahlungsdetektor 15 empfangenen Infrarotstrahlung gemessene Turbinenschaufeltemperatur einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt. Der auf Infrarotstrahlen ansprechende Strahlungsdetektor 15 ist an sich bekannt und wird daher nicht näher beschrieben.

Als unerwünschtes Nebenprodukt des Verbrennungsvorgangs können heiße Kohlenstoffteilchen bzw. kohlenstoffhaltige Stoffe entstehen, die entweder in Form einzelner Teilchen oder in Form einer diffusen Wolke auftreten.

Dieses heiße Kohlenstoffmaterial ist insbesondere bei hohen Leistungseinstellungen des Triebwerks vorhanden und weist eine viel höhere Temperatur als die Turbinenschaufeln auf, nämlich typischerweise ISOOK im Vergleich zu einer Turbinenschaufeltemperatur von 1150K. Dieses heiße Kohlenstoff material strahlt, wie später noch nit Bezug auf die Fig.2 näher erläutert wird, in beträchtlichem Umfang infrarote Strahlung und auch sichtbare Lichtstrahlung ab. Die abgestrahlte Infrarotstrahlung wird zusätzlich zu der von den Turbinenschaufeln ausgesandten Infrarotstrahlung vom ersten Strahlungsdetektor 15 erfaßt und würde zu einem unerwünschten, verfälschten, die Brennstoffzufuhr begrenzenden Temperatursignal führen, wenn keine Kompensation stattfindet

Zur Kompensation der Signalverfälschung des ersten Strahlungsdetektors 15 infolge der heißen Kohlenstoffmaterialien ist ein zweiter Strahlungsdetektor 21 vorgesehen, der die ausgesandte Strahlung ebenfalls durch die Saphirlinse 16 und einen zweiten Zweig des faseroptischen Lichtleiters 17 empfängt, jedoch hauptsächlich auf sichtbare Lichtstrahlung anspricht, die vorwiegend von den heißeren Kohlenstoffmaterialien emittiert wird. Im Falle des vorübergehenden Hindurchpassierens heißer Kohlenstoffmaterialien durch das Sichtfeld der Saphirlinse 16 erzeugt der zweite Strahlungsdetektor 21 ein zweites Signal, das über eine Leitung 23 und einen Funktionsgenerator 29 zum Operationsverstärker 19 gelangt. Der Funktionsgenerator, bei welchem es sich um ein fakultatives Element der erfindungsgemäßen Einrichtung handelt, modifiziert das vom zweiten Strahlungsdetektor abgegebene Signal, und sein Ausgangssignal dient wiederum im Operationsverstärker zur Modifikation des vom ersten Strahlungsdetektor abgegebenen Signals mindestens während der Dauer des Durchgangs des Koiilenstoffmaterials durch das Blickfeld der Saphirlinse 16,

F i g. 2 zeigt eine grafische Darstellung der Spektralverteilung der Strahlung eines schwarzen Strahlers, s wobei auf der Abszisse in logarithmischem Maßstab die Wellenlänge der ausgesandten Strahlung und auf der Ordinate ebenfalls in logarithmischem Maßstab die jeweilige Strahlungsintensität aufgetragen ist
Zur Begrenzung des Längenwellenbereiches, auf

ίο welchen der zweite Strahlungsdetektor anspricht, kann gewünschtenfalls vor dem zweiten Strahlungsdetektor ein optisches Filter 26 angeordnet sein, oder alternativ dazu kann der zweite Strahlungsdetektor 21 ein Halbleiterelement enthalten, das in geeigneter Weise so ausgelegt ist, daß seine Ansprechcharakteristik in den Bereich des sichtbaren Lichts fällt

In der grafischen Darstellung nach Fig.2 sind die Spektralverteilungskurven für die Turbinenschaufeln und das heiße Kohlenstoffmaterial angegeben.

Die Kurve 30 der Spektralverteilun.fi der Turbinenschaufeln mit einer Temperatur von 11.50 K erstreckt sich hauptsächlich zu den längeren Infrarotwellenlängen hin, während die durch die Kurve 31 dargestellte Spektralverteilung des heißen Kohlenstoffmatcrials beträchtlich breiter und mit ihrer Spitze in Richtung des sichtbaren Lichtbereiches verschoben ist Die schraffierte Fläche 32 unter der Kurve 30 stellt die normalerweise vom ersten Strahlungsdetektor empfangene, von den Turbinenschaufeln ausgesandte Infrarotstrahlung dar.

Der sich damit überlappende schraffierte Bereich 33 stellt die zusätzliche Infrarotstrahlung dar, die bei vorübergehendem Durchgang heißen Kohlenstoffmaterials durch das Blickfeld der Saphirlinse 16 erzeugt wird. Der punktierte Bereich 34 unter der Kurve 31 stellt

J5 die von dem heißen Kohlenstoffmaterial ausgesandte sichtbare Lichtstrahlung dar, die vom zweiten Strahlungsdetektor 21 empfangen wird. Innerhalb des festgestellten Temperaturbereiches des heißen Kohlenstoffmaterials ist die punktierte Fläche 34 ungefähr proportional zu der schraffierten Fläche 33.

Dps Verhältnis zwischen der Menge der von den heißen Kohlenstoffteilchen bei einer gegebenen Temperatur ausgesandten sichtbaren und der Menge der infraroten Strahlung ist durch bekannte physikalische Gesetze festgelegt Der Funktionsgenerator 29 dient zur Ausführung der erforderlichen mathematischen Umwandlung und seine Elektronik besteht aus einfachen, an sich bekannten Schaltungen, die im Rahmen des Fachwissens des Elektronikers liegen und daher nicht im

ίο einzelnen beschrieben zu werden brauchen.

Der Funktionsgenerator, der vom zweiten Strahlungsdetektor ein der punktierten Fläche 34 proportio nales Signal empfängt, wandelt die Größe dieses Signals in jin oignal um, das äquivalent zu der von dem heißen Kohlenstoffmaterial ausgesandten zusätzlichen Infrarotstrahlung ist, d. h. zur schraffierten Fläche 33. Dieses letztere Signal wird dann im Operationsverstärker 19 von dem vom ersten, infrarotempfindlichen Strahlungsdetektor abgegebenen Signal subtrahiert, das proportional der Summe der Flächen 32 und 33 ist. Das dem Brennstoffregler zugeführte Signal ist daher nur der tatsächlichen Turbinenschaufeltemperatur proportional und nicht von dem vorübergehenden Durchgang heißen Kohlenstoffmaterials durch das Triebwerk beeinflußt.

Anstelle ties Funkt^:onsgenerators kann auch eine logische Schaltung Anwendung finden, die jeweils prüft, ob das vom zweiten Strahlungsdetektor empfangene Signal oberhalb eines bestimmten Schwellenwertes liegt

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und, falls dies der Fall ist, den Verstärker veranlaßt, chung des von einer Lichtquelle ausgesandten sichtbawährend der Dauer des vom zweiten Strahiungsdetek- ren Lichts beobachtet werden, während ein zweiter tor anliegenden Signals nur das vorher empfangene Strahlungsdetektor zur Erzeugung eines zusätzlichen Signal des ersten Strahlungsdetektors weiterzugeben. Signals benützt werden kann, das beispielsweise durch Es ist klar, daß, obwohl das oben beschriebene , den periodischen Durchfluß fluoreszierender Stoffe Ausführungsbeispiel sich auf die Anwendung der erzeugt wird und das zur Modifikation des vom ersten Erfindung in einem Gasturbinentriebwerk bezieht, Strahlungsdetektor abgegebenen Signals dient. Alternaähnliche Anordnungen auch in anderen Anwendungsfäl- tiv dazu kann auch der Durchlauf von Gegenständen len angewendet werden können. Beispielsweise kann durch einen Wärmebehandlungsofen unter Nichtbedie Strömung von lichtundurchlässigen Chemikalien m rücksichtigung periodisch auftretenden Glühlichts gedurch eine Verarbeitungsanlage durch die Abschwä- steuert werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Brennstoffregeleinrichtung für Gasturbinentriebwerke, mit einer die Brennstoffströmung in Abhängigkeit von der Temperatur eines von den Verbrennungsgasen beaufschlagten Triebwerksteils beeinflussenden Regelschleife, weiche einen durch Strahlungsmessung die Temperatur des genannten Triebwerksteils erfassenden, auf Strahlung im Infrarotbereich ansprechenden Strahlungsdetektor ι ο enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschleife einen zweiten, auf Strahlung im Bereich des sichtbaren Lichts ansprechenden Strahlungsdetektor (21) und eine den beiden Strahlungsdetektoren (15, 21) gemeinsam nachgeschaltete is Auswerteschaltung (19, 29) aufweist, weiche das Detektorsignal (18) des erstgenannten Strahlungsdetektors (15) in Abhängigkeit von der Größe des Detektorsignals (23) des zweiten Strahlungsdetektors (21) dämpft und als Ausgangssignal dem Brennstoffregler (10) zuführt

2. Brennstoffregeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe eine Begrenzung der Brennstoffströmung zur Brenneinrichtung (12) des Gasturbinentriebwerks veranlaßt, wenn die Temperatur eines Turbinenschaufelkranzes (13) einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt

3. Brennstoffregeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß die Auswerteschaltung (19, 29) beim Vorliegen eines Detektorsignals des zweiten Strahlungsdetektors (21) eine entsprechende Steigerung des Detektorsignals des erstgenannten Strahlungsdetektors (15) kompensiert

4. Brennstoffregeleinrichtu.ng nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (19, 29) einen Funktionsgenerator (29) aufweist, der in Abhängigkeit von dem vom zweiten Strahlungsdetektor (21) abgegebenen Detektorsignal ein Signal erzeugt das einer der vom zweiten Strahlungsdetektor gemessenen sichtbaren -»o Lichtmenge entsprechenden Infrarotstrahlungsmenge entspricht.