DE2824085A1 - Regelsystem fuer mehrfachmaschinen- anordnung - Google Patents

Regelsystem fuer mehrfachmaschinen- anordnung

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machine
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Dennis T Faulkner
Timothy F Glennon
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    • F02C9/00—Controlling gas-turbine plants; Controlling fuel supply in air- breathing jet-propulsion plants
    • F02C9/26—Control of fuel supply
    • F02C9/42—Control of fuel supply specially adapted for the control of two or more plants simultaneously
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/02—Plural gas-turbine plants having a common power output

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  • Control Of Vehicle Engines Or Engines For Specific Uses (AREA)
  • Control Of Multiple Motors (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)

Description

Sundstrand Corporation, Rockford, Illinois, V.St.A.
Regelsystem für Mehrfachmaschinen-Anordnung
Die Erfindung betrifft ein Regelsystem für eine Mehrfachmaschinen-Anordnung in einem Kraft- bzw. Triebwerk und insbesondere eine Regelschaltung zum Sicherstellen, daß die einer gemeinsamen Last zugeführte Leistung angemessen oder genau von den Maschinen aufgeteilt ist.
Die Ausgangswellen mehrerer Maschinen sind oft miteinander verbunden, um einen isochronen oder gleichlaufenden Betrieb zu erreichen und um Leistung einer gemeinsamen Last zuzuführen. Ein Regelsystem ist üblicherweise vorgesehen, um die Last zwischen den (zum Beispiel) zwei Maschinen aufzuteilen. Da die Maschinen so ausgebildet sind, daß sie bei einer gemeinsamen Drehzahl betrieben werden, wird die Last ausgeglichen oder gleich aufgeteilt durch Erhöhen oder Verringern des Ausgangsdrehmoments von jeder Maschine. Die meisten Regelsysteme sind hydraulischer oder pneumatischer Art. Her-
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kömmliche Systeme für die Lastaufteilung gekoppelter Maschinen verwenden eine nachgebende Regelung oder Steuerung, bei der der Ausgang der Maschine, die weniger als ihren Drehmomentsanteil erzeugt, erhöht wird, um mit dem Ausgangsdrehmoment übereinzustimmen, das von der anderen Maschine erzeugt ist.
Hubschrauber-Triebwerke verwenden häufig zwei gleichartige Maschinen wie Gasturbinen-Maschinen, die zwecks Gleichlaufbetrieb miteinander gekoppelt Leistung für eine gemeinsame Last erzeugen. Der wirksamste Betrieb des Triebwerks wird erreicht, wenn jede Maschine ihre Hälfte zum Drehmoment-Bedarf beiträgt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Regelschaltung für ein Triebwerk mit mehreren Maschinen anzugeben, die Leistung einer gemeinsamen Last zuführen sollen.
Gemäß der Erfindung sind die Ausgangswellen der beiden Maschinen eines Triebwerks zwecks Gleichlaufbetriebes miteinander verbunden. Jede Maschine führt ihren Anteil an Leistung der Last zu durch Erhöhen oder Verringern der Größe ihres Ausgangsdrehmomentes abhängig von einem Steuersignal. Jedes Steuersignal ist abhängig von der Differenz zwischen einer Bezugsdrehzahl und der Ist-Gleichlaufdrehzahl und jeglicher Drehmomentdifferenz zwischen den beiden Maschinen. Jedes Steuersignal wird einer Kraftstoff-Steuerschaltung zugeführt, die das Ausgangsdrehmoment der Maschine abhängig von ihrem Steuersignal steuert bzw. verstellt.
Durch die Erfindung wird also eine Regelschaltung angegeben, die sicherstellt, daß die der Last von zwei Maschinen zugeführte Leistung gleichmäßig während eines Gleichlaufbetriebes aufgeteilt wird.
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Weiter wird durch die Erfindung eine Regelschaltung angegeben, die die Leistung zwischen zwei Maschinen eines Triebwerkes gleichmäßig aufteilt während des Dauerbetriebszustandes und während Übergangsstörungen.
Die Erfindung gibt also an, daß zwei Gasturbinen-Hubschraubermaschinen zusammengekoppelt sind für einen Gleichlaufbetrieb zur Versorgung einer gemeinsamen Last. Eine Regelschaltung stellt sicher, daß die der gemeinsamen Last zugeführte Leistung gleichmäßig zwischen den beiden Maschinen aufgeteilt ist. Das Drehmoment jeder Maschine wird erfaßt, und die Drehmomente werden verglichen, um Steuersignale für die Maschinen zu erzeugen.
Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt ein Blockschaltbild der Regelschaltung zum Aufteilen einer gemeinsamen Belastung auf zwei Maschinen.
Ein Triebwerk 10 enthält ähnliche oder gleichartige Maschinen 12-1 und 12-2. Die Maschinen haben jeweils eine Ausgangswelle l4-l und 14-2, die jeweils mit Getrieben oder Zahnrädern l6-l bzw. 16-2 verbunden sind. Die Zahnräder 16-1 und 16-2 treiben ein Zahnrad 18 in isochroner oder gleichlaufender Weise an, um Leistung einer gemeinsamen Last 20 zuzuführen. Die Maschinen 12-1 und 12-2 können Gasturbinen-Maschinen sein, die insbesondere so ausgebildet sind, daß sie Leistung einer Hubschrauber-Last 20 zuführen, die der Hubschrauberrotor ist. Die der Last 20 von jeder Maschine 12-1, 12-2 zugeführte Last ist üblicherweise gleich. Jedoch können andere Verhältnisse verwendet werden, wie sich aus der Betrachtung des Systems ergibt, das weiter unten diskutiert wird.
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Die von den Maschinen 12-1 und 12-2 abgegebene bzw. erzeugte Leistung ist direkt proportional dem über Kraftstoff-Steuerschaltungen 22-1 und 22-2 jeweils zugeführten Kraftstoff. Die Menge des so zugeführten Kraftstoffs ist proportional der Größe von Steuersignalen, die den Kraftstoff-Steuerschaltungen 22-1 bzw. 22-2 zugeführt werden.
Die Drehzahl, mit der sich die Ausgangswellen 14 drehen, wird durch ein Signal Δ-Drehzahl vom Summierglied 24 überwacht. Das Signal Δ"Drehzahl gibt die Differenz zwischen einer gewählten Bezugsdrehzahl und der Ist-Drehzahl wieder. Das die Soll- oder Bezugsdrehzahl wiedergebende Signal ist durch eine Bezugsdrehzahlschaltung 26 vorgegeben, und das die Ist-Drehzahl wiedergebende Signal ist durch einen Drehzahlfühler 28 vorgegeben. Wenn die Ist-Drehzahl gleich der Bezugs-Drehzahl ist, ist das Signal A-Drehzahl vom Summierglied 24 Null.
Das A-Drehzahlsignal vom Summierglied 24 wird proportionalen Regelkanälen 30-1 und 30-2 und integralen Regelkanälen 32-1 und 32-2 zugeführt. Die Proportional-Regelkanäle 30-1 und 30-2 sind zu den Integral-Regelkanälen 32-1 bzw. 32-2 parallelgeschaltet. Die Ausgangssignale der Kanäle werden Summiergliedern 34-1 bzw. 34-2 zugeführt. Die Ausgangssignale der Summierglieder 34-1 und 34-2 sind die Steuersignale für die Kraftstoff Steuerschaltungen 22-1 bzw. 22-2.
Das an den Ausgangswellen 14-1 und 14-2 erzeugte Drehmoment wird von Drehmomentfühlern 36-I bzw. 36-2 erfaßt, und ein das Drehmoment jeder Ausgangswelle 14-1, 14-2 wiedergebendes Signal wird einem Summierglied 38 zugeführt. Das Ausgangssignal des Summierglieds 38 ist ein Α-Drehmoment -Signal, das die Drehmomentdifferenz oder Unwucht zwischen den Wellen 14-1, 14-2 wiedergibt. Das Ausgangssignal des Sunmierglieds 38 ist
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mit dem System über ein Schaltglied oder einen Schalter 40 gekoppelt, der normalerweise geschlossen ist, wenn beide Maschinen 12-I3 12-2 betrieben werden. Ein Drehmomentdifferenzsignal ( Δ. -Drehmoment) vom Summierglied 38 einer Polarität oder Richtung wird dem Proportional-Regelkanal 30-1 und dem Integral-Regelkanal 32-1 über ein Maßstabsfaktor-Glied 42-1 zugeführt. Das Drehmomentdifferenzsignal der entgegengesetzten Polarität oder Richtung, wie es von einem invertierenden Verstärker 44 abgegeben wird, wird dem Proportional-Regelkanal 30-2 und dem Integral-Regelkanal 32-2 über ein Skale.nfaktorglied 42-2 zugeführt. Wenn die Maßstabsfaktoren der Glieder 42-1 und 42-2 gleich sind, sind die die Drehmomentdifferenz wiedergebenden Signale, die dem Proportional-Regelkanal 30-1 und dem Integral-Regelkanal 32-1 zugeführt sind, gleich und entgegengesetzter Richtung oder Polarität zu dem die Drehmomentdifferenz wiedergebenden Signal, das dem Proportional-Regelkanal 30-2 und dem Integral-Regelkanal 32-2 zugeführt wird. Wenn das Drehmoment an der Ausgangswelle 14-1 gleich dem Drehmoment an der Ausgangswelle 14-2 ist, sind das Ausgangssignal vom Summierglied 38 und vom Invertierglied 44 Null.
Der Betrieb des Proportional-Regelkanals 30-1 und des Integral-Regelkanals 32-1 wird im folgenden erläutert, wobei selbstverständlich der Proportional-Regelkanal 30-2 und der Integral-Regelkanal 32-2 in ähnlicher Weise arbeiten. Der Proportional-Regelkanal 30-1 enthält ein Summierglied 46-1 und einen Proportional-Regelmultiplizierer 48-1, der als eine aktive Verstärkungsfaktor- und Kompensations-Schaltung wirkt. Die Signale Δ-Drehzahl für einen Operationsverstärker 49-1 und A-Drehmoment vom Summierglied 38 werden als Eingangssignale dem Proportional-Regelmultiplizierer 48-1 über das Sum-
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mierglied 46-1 zugeführt. Das Ausgangssignal des Proportional-Regelmultiplizierers 48-1 wird dem Summierglied 34-1 zugeführt. Der Regelmultiplizierer 48-1 ist abhängig von den dynamischen Betriebsbedingungen des Systems gewählt. Während des Dauerbetriebs ist das Ausgangssignal vom Proportional-Regelmultiplizierers 48-1 Null. Das Ausgangssignal vom Proportional-Regelmultiplizierer 48-1 nimmt zu oder fällt ab für die Kraftstoff-Steuerschaltung 22-1 über das Summierglied 34-1 abhängig von Übergangsstörungen.
Der Integral-Regelkanal 32-1 enthält ein Summierglied 50-1, einen Integrator 52-1 und einen K-MuItiplizierer 54-1. Das Ausgangssignal vom Integrator 52-1 wird dem Multiplizierer 54-1 zugeführt und ist ein von Null verschiedener Wert während des Dauerbetriebs. Die Zeitkonstante des Integrators 52-1 ist so ausreichend lang gewählt, daß sie nicht durch Übergangsstörungen beeinflußt wird. Der Verstärkungsfaktor des Multiplizierers 54-1 ist so gewählt, daß ein Ausgangssignal geeigneter Größe für den Dauerbetrieb erzeugt wird.
Im allgemeinen sind das von der Maschine 12-1 erzeugte Drehmoment und das von der Maschine 12-2 erzeugte Drehmoment gleich. Jedoch ist dies keine Bedingung. Beispielsweise kann durch eine geeignete Wahl der Maßstabsfaktoren der Maßstabsfaktorglieder 42-1 und 42-2 die Lastaufteilung zwischen den beiden Maschinen 12-1, 12-2 für jedes bestimmte Verhältnis erreicht werden. Die Proportionalseite erfordert auch einen Maßstabsfakior zur Durchführung dieses Betriebes.
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Claims (11)

  1. Ansprüche
    (l\ Triebwerk mit mehreren Maschinen, deren Ausgänge miteinander gekoppelt sind für Gleichlaufbetrieb, wobei jede Maschine ein Ausgangsdrehmoment proportional einem Steuersignal erzeugt,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß eine Regelschaltung zum Sicherstellen, daß das Drehmoment
    zwischen den beiden Maschinen (12-1, 12-2) aufgeteilt wird, aufweist :
    eine Generatoreinrichtung (36-1, 36-2, 38, 40) zur Erzeugung eines Drehmomentdifferenzsignals proportional jeder Differenz der Ausgangsdrehmomente zwischen den Maschinen (12-1, 12-2),
    eine Generatoreinrichtung (24, 26, 28) zum Erzeugen eines Drehzahlabweichungssignals proportional einer Differenz zwischen einer gewählten Bezugs-Drehzahl und der Ist-Drehzahl der Maschinen (12-1, 12-2) und
    eine Einrichtung zum Kombinieren des Drehzahlabweichungssignals mit dem Drehmoment-Ungleichgewichts-Signal, um ein Steuersignal
    für jede Maschine (12-1, 12-2) zu erzeugen.
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  2. 2. Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehmoment zwischen den Maschinen (12-1, 12-2) gleichmäßig aufgeteilt ist.
  3. 3. Triebwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrerenMaschinen durch zwei Maschinen (12-1, 12-2) gebildet sind und daß das Drehmoment gleichmäßig zwischen diesen beiden Maschinen (12-1, 12-2) aufgeteilt ist.
  4. 4. Triebwerk mit einer ersten und einer zweiten Maschine, deren Ausgänge miteinander gekoppelt sind für Gleichlaufbetrieb, wobei jede Maschine ein Ausgangsdrehmoment proportional zu einem Steuersignal erzeugt,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß eine Regelschaltung zum Sicherstellen, daß das von erster und zweiter Maschine (12-1, 12-2) erzeugte Drehmoment aufgeteilt ist, aufweist:
    eine Generatoreinrichtung (36-I, 36-2, 38, 40) zur Erzeugung eines Drehmomentdifferenzsignals proportional jeder Differenz zwischen den Ausgangsdrehmomenten von erster und zweiter Maschine (12-1, 12-2),
    eine Generatoreinrichtung (24, 26, 28) zur Erzeugung eines Drehzahlfehlersignals proportional jeglicher Differenz zwischen einer gewählten Bezugs-Drehzahl und der Ist-Drehzahl der Maschinen (12-1, 12-2),
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    eine Einrichtung zum Kombinieren des Drehzahlfehlersignals mit dem Drehmomentdifferenzsignal in einer Richtung zur Erzeugung eines Steuersignals für die erste Maschine (12-1),
    eine Einrichtung zum Kombinieren des Drehzahlfehlersignals mit dem Drehmomentdifferenzsignal in die entgegengesetzte Richtung zur Erzeugung eines Steuersignals für die zweite Maschine (12-2), und
    eine Steuereinrichtung (22-1, 22-2) zum Steuern jeder der Maschinen (12-1, 12-2) abhängig von dem Steuersignal dafür.
  5. 5. Triebwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Kombinieren des Drehzahlfehlersignals mit dem Drehmomentdifferenzsignal zur Erzeugung des Steuersignals für die erste Maschine und des Steuersignals für die zweite Maschine jeweils aufweisen:
    einen Proportional-Regelkanal (30-1, 30-2) zur Erzeugung eines Signals abhängig von Übergangsdifferenzen zwischen dem Drehmomentdifferenzsignal und dem Drehzahlfehlersignal,
    einen Integral-Regelkanal (32-1, 32-3), der parallel zum Proportional-Regelkanal (30-1, 30-2) geschaltet ist, zur Erzeugung eines Signals abhängig von jeder Dauerbetriebs-Differenz zwischen dem Drehmomentdifferenzsignal und dem Drehzahlfehlersignal, und
    eine Summiereinrichtung (34-1, 34-2) zum Summieren der Signale vom Proportional-Regelkanal (30-1, 30-2) und vom Integral-Regelkanal (32-1, 32-3) zur Erzeugung des Steuersignals dafür.
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  6. 6. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5S gekennzeichnet durch
    einen ersten Drehmomentfühler (36-1) zur Erzeugung eines Signals, das das Ausgangsdrehmoment der ersten Maschine (12-1) wiedergibt,
    einen zweiten Drehmomentfühler (36-2) zur Erzeugung eines Signals, das das Ausgangsdrehmoment der zweiten Maschine (12-2) wiedergibt, und
    ein mit erstem und zweitem Drehmomentfühler (36-1, 36-2) gekoppeltes Summierglied (38), dessen Ausgang das Drehmomentdifferenzsignal in einer Richtung abgibt.
  7. 7. Triebwerk nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen mit dem Summierglied (38) gekoppelten Inverter (44), wobei das Ausgangssignal des Inverters (44) das Drehmomentdifferenzsignal in der entgegengesetzten Richtung abgibt.
  8. 8. Triebwerk nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das von erster und von zweiter Maschine (12-1, 12-2) erzeugte Drehmoment gleichmäßig aufgeteilt ist.
  9. 9. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch ein Schaltglied (Schalter 40), der mit der Generatoreinrichtung zum Erzeugen eines Drehmomentdifferenzsignals verbunden ist zum Verhindern des Drehmomentdifferenzsignals, solange nicht sowohl erste als auch zweite Maschine (12-1, 12-2) in Betrieb sind.
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  10. 10. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis S3 dadurch gekennzeichnet, daß erste Maschine und zweite Maschine (12-1, 12-2) Gasturbinen-Maschinen sind, und daß die Steuerschaltungen zum Steuern jeder der Maschinen abhängig vom Steuersignal dafür eine Kraftstoff-Steuerschaltung (22-1, 22-2) für jede Maschine (12-1, 12-2) sind.
  11. 11. Triebwerk mit einer ersten und einer zweiten Maschine, deren Ausgänge miteinander gekoppelt sind für Gleichlaufbetrieb, wobei jede Maschine ein Ausgangsdrehmoment proportional einem Steuersignal abgibt,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß eine Steuerschaltung zum Ausgleichen des Drehmoments zwischen erster und zxveiter Maschine (12-1, 12-2) aufweist:
    eine Generatoreinrichtung zum Erzeugen eines ersten Drehmomentdifferenzsignals proportional jeglicher Differenz in den Ausgangsdrehmomenten von erster und zweiter Maschine (12-1, 12-2),
    eine Generatoreinrichtung zum Erzeugen eines zweiten Drehmomentdifferenzsignals gleicher Größe, jedoch entgegengesetzten Vorzeichens aus dem ersten Drehmomentdifferenzsignal,
    eine Generatoreinrichtung zum Erzeugen eines Drehzahlfehlersignals proportional jeglicher Differenz zwischen einer gewählten Bezugs-Drehzahl und der Ist-Drehzahl der Maschinen (12-1, 12-2),
    eine Einrichtung zum Kombinieren des Drehzahlfehlersignals mit dem ersten Drehmomentdifferenzsignal zum Erzeugen des Steuersi-
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    gnals für die erste Maschine (12-1),
    eine Einrichtung zum Kombinieren des Drehzahlfehlersignals mit dem zweiten Drehmomentdifferenzsignal zur Erzeugung des Steuersignals für die zweite Maschine (12-2), und
    Steuereinrichtungen zum Steuern jeder der Maschinen (12-I3 12-2) abhängig vom Steuersignal dafür.
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