DE3023550A1

DE3023550A1 - Steuersystem zur steuerung der kraftstoffzufuhr bei einer gasturbine

Info

Publication number: DE3023550A1
Application number: DE19803023550
Authority: DE
Inventors: Michael Stuart Yates
Original assignee: Smiths Group PLC
Current assignee: Smiths Group PLC
Priority date: 1979-06-29
Filing date: 1980-06-24
Publication date: 1981-01-15
Also published as: GB2052805B; FR2460391A1; US4344141A; DE3023550C2; FR2460391B1; GB2052805A

Description

Dipl.-Ing.

Rolf Charier -5-

Patentanwalt

Rehlingcnstraße 8 · Postfach 260
D-8900 Augsburg 31

Telefon 0821/36015+36016
Telex 533275

Posl*.heckk..nio München Nr. 154"8")-8()1

8133/106/Ch/Gr . Augsburg, 23. Juni 1980

Smiths Industries Limited Cricklewood Works
GB-London NW2 6JN

Steuersystem zur Steuerung der Kraftstoffzufuhr bei einer Gasturbine

Die Erfindung betrifft ein Steuersystem zur Steuerung der Kraftstoffzufuhr bei einer Gasturbine, wobei dem System ein erstes Eingangssignal in Abhängigkeit der Sol!geschwindigkeit und ein zweites Eingangssignal in Abhängigkeit der Istgeschwindigkeit der Turbine zugeführt wird.

Die Arbeitsgeschwindigkeit bzw. die Drehzahl einer Gasturbine wird üblicherweise gesteuert durch Regulieren der Kraftstoffzufuhr zur Turbine. Um zu verhindern, daß der Turbine unzulässig viel Kraftstoff zugeführt wird, was zu einer Fehlfunktion bei der Turbine führen kann, ist es bekannt, die Kraftstoffzufuhr in Abhängigkeit weiterer Signale zu regulieren, welche von einem Kraftstoffdurchlaufmesser oder von einem den Kraftstoffdurchfluß regulierenden Betätigungsglied erhalten werden.

Es besteht die Aufgabe, das Steuersystem so auszubilden, daß Informationen über die Kraftstoffzufuhr zur Turbine nicht benötigt

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werden, trotzdem jedoch die Gefahr einer übermäßigen Kraftstoffzufuhr auf ein Minimum gebracht wird.

Bei einem Steuersystem der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das System aufweist eine Steuereinheit mit einem Speicher zur Informationsspeicherung der Werte einer maximalen oder minimalen Sollkraftstoffzufuhrfunktion bei verschiedenen Turbinendrehzahlen, wobei die Informationen in Form der drehzahl bezogenen Änderungsgeschwindigkeit der maximalen oder minimalen Sollkraftstoffzufuhrfunktion bei verschiedenen Turbinendrehzahlen vorliegt, und das System weiterhin aufweist eine Recheneinheit, welche ein Signal liefert, das die zeitbezogene Änderungsgeschwindigkeit der Kraftstoffzufuhrfunktion anzeigt in Übereinstimmung mit der Information bezüglich der drehzahlbezogenen Änderungsgeschwindigkeit der maximalen oder minimalen Sollkraftstoffzufuhrfunktion in Übereinstimmung mit Turbinendrehzahlfunktionssignalen, wobei die von der Recheneinheit erzeugten Signale zur Steuerung der Kraftstoffzufuhr zur Turbine dienen.

Die Turbinendrehzahlfunktionssignale können abgeleitet werden in Abhängigkeit der zeitbezogenen Drehzahländerungsgeschwindigkeit. Das Steuersystem kann umfassen eine erste Steuereinheit, welche die Turbine steuert, wenn die geforderte Kraftstoffzufuhr eine maximale Sol!kraftstoffzufuhr übersteigt und kann weiterhin umfassen eine zweite Steuereinheit, welche die Turbine steuert, wenn die geforderte Kraftstoffzufuhr unter einer minimalen SoIlkraftstoffzufuhr liegt. Die Kraftstoffzufuhr zur Turbine kann gesteuert werden anfänglich in Abhängigkeit der Differenz zwischen den ersten Eingangssignalen und den zweiten Eingangssignalen. Die Recheneinheit kann Signale liefern, welche bewirken, daß die Kraftstoffzufuhr verändert wird im wesentlichen mit der drehzahlabhängigen Änderungsgeschwindigkeit der maximalen oder minimalen Soll kraftstoffzufuhr, welche im Speicher gespeichert ist, lediglich für den Fall, wenn bei dieser Turbinendrehzahl die Kraftstoffzufuhr zur Turbine nahe der maximalen oder minimalen

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Sollkraftstoffzufuhr liegt. Die Änderungsgeschwindigkeit der Kraftstoffzufuhr zur Maschine kann bei sich verändernder Turbinendrehzahl in Schritten verändert werden. Die Änderungsgeschwindigkeit der Kraftstoffzufuhr bei jedem Schritt wird bestimmt von der Information im Speicher in Bezug auf diese Geschwindigkeit. Die Recheneinheit kann bewirken, daß die Änderungsgeschwindigkeit der Kraftstoffzufuhr weiterhin verändert wird über jene Kraftstoffzufuhr hinaus", welche der Solldrehzahl entspricht bis die tatsächliche Drehzahl innerhalb eines bestimmten Bereichs der Solldrehzahl ist. Zu diesem Zeitpunkt verändert die Recheneinheit die Änderungsrichtung der drehzahlbezogenen Änderungsgeschwindigkeit der Kraftstoff zufuhr.

Ein Steuersystem bei einer Flugzeuggasturbine wird nachfolgend als Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Steuersystems der Turbine;

Fig. 2 ein Schaltschema des Steuersystems nach Fig. 1;

Fig. 3 ein Diagramm der Drehzahländerung in Abhängigkeit von der Kraftstoffzufuhr und

Fig. 4 ein Teil des in Fig. 1 gezeigten Systems.

Das in Fig. 1 gezeigte Steuersystem bewirkt die Steuerung der Gasturbine 2 eines Flugzeugs. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Steuersystem ein Zusatzsteuersystem, welches lediglich dann wirksam wird, wenn im Hauptsteuersystem der Turbine ein Fehler auftritt. Das Hauptsteuersystem erhält Eingangssignale von irgendwelchen Sensoren und erzeugt verschiedene Ausgangssignale für die genaue Steuerung der Turbine. Das HilfsSteuersystem 1 bewirkt andererseits eine Steuerung der Drehzahl der Turbine in Abhängigkeit von hierzu weniger Eingangssignalen, so daß es weniger teuer, zuverlässiger und weniger anfällig auf Beschädigungen der Eingangs-

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sensoren ist. Wird ein Fehler im Hauptsteuersystem erfaßt, dann wird dieses Hauptsteuersystem abgeschaltet, wodurch eine falsche Steuerung der Turbine vermieden wird. Nach Abschalten des Hauptsteuersystems übernimmt das Zusatzsteuersystem 1 die volle Steuerung der Turbine. Es sei in diesem Zusammenhang vermerkt, daß das vorliegende Steuersystem nicht beschränkt ist auf ein HiIfs- oder Notsteuerungssystem, vielmehr kann es auch als Hauptsteuersystem der Turbine verwendet werden.

Das Steuersystem 1 empfängt Eingangssignale über die Leitung 10 in Abhängigkeit von der Lage des Steuerknüppels 11. Ein Sensor 12 liefert Signale über die Leitung 13 in Abhängigkeit von der Drehzahl NH der Hochdruckkompressorstufe der Turbine 2. Der Drehzahlsensor 12 kann elektromagnetisch, induktiv, optisch oder in einer sonst bekannten Form ausgebildet sein. Signale, welche repräsentativ sind für die Umgebungstemperatur T können ebenfalls dem Steuersystem 1 über die Leitung 15 von einem Temperaturfühler 14 zugeführt werden.

Zweck des Steuersystems 1 besteht darin, die Drehzahl NH der Turbine 2 zu steuern durch Regulieren der Kraftstoffzufuhr zur Turbine. Zu diesem Zweck erzeugt das System 1 längs der Leitung 20 Ausgangssignale Ας, welche einem elektrischen Schrittschaltmotor 30 zugeführt werden. Die Signale Ας längs der Leitung 20 sind repräsentativ für irgendeine geforderte Drehzahländerung der Turbine 2 und werden dazu verwendet, die Stellung ACP der Ausgangswelle des Motors 30 zu verändern. Ist das Signal A_s gleich 0, dann wird die Lage der Ausgangswelle nicht verändert. Die Drehzahl der Gasturbine ist eine Funktion des Verhältnisses der Kraftstoffzufuhr Wf zum Lieferdruck P3 ihrer Hochdruckkompressorstufe. Die Stellung ACT der Ausgangswelle des Schrittschaltmotors 30 ist damit eine Funktion des Verhältnisses Wf-P3, wobei die Neigung von ACT gegen Wf-P3 durch einen Wert.K gegeben ist. Der Wert K ist eine Funktion der Stellung des Betätigungsglieds, welche für die meisten Werte der Stellung des Betätigungs-

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glieds im wesentlichen konstant ist. Die Änderungsgeschwindigkeit der Stellung der Ausgangswelle in Bezug auf d^e Zeit ist gegeben durch die Gleichung

d ACT/dt = Kd(Wf/P3)/dt (1).

Das Betätigungsglied 31 ist eine hydromechanische Vorrichtung, welche die Kraftstoffzufuhr zur Turbine 2 steuert. Diesem Betätigungsglied 31 werden Signale von einem Druckfühler 34 über die Leitung 33 zugeführt, welche abhängig sind vom Druck P3 der Turbine. Die Kraftstoffzufuhr Wf wird somit gesteuert in Abhängigkeit einer Kombination der Stellung ACT der Ausgangswelle, welche proportional ist zu Wf/P3 und Signalen in der Leitung 33, welche repräsentativ sind, für P3.

Die Weise, in welcher das Steuersystem 1 die Ausgangssignale in der Leitung 20 in Abhängigkeit der Eingangssignale in den Leitungen 10, 13 und 15 erzeugt, wird nachfolgend anhand der Fig. 2 beschrieben.

Die Signale in der Leitung 10 in Übereinstimmung mit der Stellung des Steuerknüppels 11 werden einer Rechnereinheit 40 innerhalb des Steuersystems 1 zugeführt. Die Rechnereinheit 40 erzeugt in der Leitung 41 ein Ausgangssignal NH. welches repräsentativ ist für die vom Piloten geforderte Drehzahl der Hochdruckkompressorstufe. Dieses Signal NH. in der Leitung 41 wird einem Komparator 42 zugeführt, welcher zusätzlich Signale von der Leitung 13, d.h. vom Drehzahlmesser 12 erhält, welche repräsentativ sind für die Istdrehzahl NH der Turbine 2. Der Komparator 42 liefert Signale über die Leitung 43 einem Kompensator 44 zu, welche abhängig sind von der Differenz zwischen der geforderten Drehzahl NH. und der Istdrehzahl NH. Der Kompensator 44 erzeugt Ausgangssignale Ας.,, welche in der Leitung 45 auftreten und die dazu dienen, die Änderungen in der Lage der Ausgangswelle des Schrittschaltmotors 30 zu steuern. Das Signal A^, wird in der Einheit 44 abgeleitet in

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Übereinstimmung mit dem Differenzsignal in der Leitung 43 und dem über die Leitung 46 zugeflihrten Solldrehzahlsignal NH. bei Kenntnis der Dynamik der Turbine 2 bei unterschiedlichen Drehzahlen.

Die Steuereinheit 1 umfaßt weiterhin eine Beschleunigungssteuereinheit 50, welche die maximale Sollbeschleunigung der Turbine errechnet. Dies wird nachfolgend beschrieben, wobei diese Steuereinheit 50 Signale A™ erzeugt, welche bestimmend sind für die maximale Sollstellungsänderung der Ausgangswelle des Schrittschaltmotors in einer Richtung.

Das Steuersystem 1 umfaßt weiterhin eine Verzögerungssteuereinheit 60, welche die maximale Sollverzögerung der Turbine 2 in nachfolgend beschriebener Weise errechnet und welche ein Ausgangssignal A„ erzeugt, welches für die maximale Stellungsänderung der Ausgangswelle des Schrittschaltmctors in der entgegengesetzten Richtung bestimmend ist.

Beim Betrieb der Turbine treten zwei Extremzustände auf. Wird beispielsweise eine rasche Beschleunigung gefordert, dann wird die Kraftstoffzufuhr zur Turbine rasch erhöht, wobei dann der Druck der expandierenden Gase, erzeugt durch die Verbrennung des Kraftstoffs, einen Luftdurchfluß durch die Turbine bewirkt, der zu einer möglichen überhitzung und somit zu einer Beschädigung der Turbine führen kann. Wird andererseits eine rasche Geschwindigkeitsverminderung gefordert, dann wird die Kraftstoffzufuhr zur Turbine unterhalb bestimmter Grenzen vermindert, so daß zu wenig Kraftstoff zugeführt wird, um die Verbrennung aufrecht zu erhalten, so daß Zündaussetzer auftreten können. Dieser Zustand wird als Absterben bezeichnet. Das Steuersystem 1 steuert normalerweise das Betätigungsglied 31 in Übereinstimmung mit der geforderten Drehzahländerung der Turbine 2, falls jedoch die geforderte Stellungsänderung des Schrittschaltmotors 30 in einer Richtung einen Wert übersteigt, bei welcher ein Durchlauf der Turbine auftreten könnte, wie dies durch die Beschleunigungssteuereinheit errechnet wird, dann wird das Betätigungsglied von hier abge-

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steuert durch die Beschleunigungssteuereinheit 50. Falls andererseits die geforderte Stellungsanderung des Schrittschaltmotors 30 in der anderen Richtung einen Wert übersteigt, bei welcher ein Absterben der Turbine auftreten könnte, wie dies durch die Verzögerungssteuereinheit 60 errechnet wurde, dann wird von hier ab das Betätigungsglied 31 gesteuert durch die Verzögerungssteuereinheit 60.

Die Ausgangssignale A„ und A„ von den Beschleunigungs- und Verzögerungssteuereinheiten 50 und 60 werden jeweils über Leitungen

51 und 61 Gattern 52 und 62 zugeführt. Die Gatter 52 und 62 werden gesteuert von Signalen einer Gattersteuereinheit 70 und jeweils von Signalen der Leitungen 156 und 166 von den Beschleunigungsund Verzögerungssteuereinheiten 50 und 60. Die Gattersteuereinheit 70 ist so ausgebildet, daß wenn das Differenzsignal in der Leitung 43 unter einen vorbestimmten Wert fällt, die Signale A<-₂ in Leitung 51 mit einem großen positiven Wert multipliziert werden, wodurch in der Leitung 53 ein hohes Signal erzeugt wird, während das Signal A,- in der Leitung 61 multipliziert wird mit einem großen negativen Wert, so daß in der Leitung 63 ein niederes Signal erzeugt wird. Der Ausgang des Beschleunigungsgatters

52 ist über die Leitung 53 mit einem Eingang eines der drei Eingänge aufweisenden Gatters 54 verbunden. Der Ausgang des Verzögerungsgatters 62 wiederum ist über die Leitung 63 verbunden mit einem Eingang eines ebenfalls drei Eingänge aufweisenden Gatters 64. Das Gatter 54 ist so ausgebildet, daß bei großen positiven Werten von A<-p dieses Signal gesperrt wird, während das Gatter 64 so ausgebildet ist, daß bei niederen Signalen in der Leitung 53 diese gesperrt werden. Auf diese Weise wird bewirkt, daß bei einem geringen Differenzsignal aus dem Soll-Istwertvergleich die Beschleunigungs- und Verzögerungssignale von den Einheiten 50 und 60 durch die Gatter 54 und 64 blockiert werden.

Das System umfaßt weiterhin einen Filter oder Differenziereinheit 80, welche errechnet, ob die Beschleunigung positiv oder negativ (Verzögerung) ist und zwar durch Abgriff des Turbinendrehzahlsignals

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NH der Leitung 13. Auf diese Weise wird von den Signalen NH die Signale NH erzeugt. Diese Geschwindigkeitssignale NH werden von der Einheit 80 über die Leitung 81 der Beschleunigungseinheit 50 zugeführt. Sie werden weiterhin zugeführt der Verzögerungseinheit 60 und einer Grenzwerteinheit 90. Die Grenzwertstelleinheit 90 errechnet ein maximales Schrittschaltmotor-Steuersignal Ας.,,,., entsprechend der Turbinenbeschleunigung NH und liefert dieses Signal über die Leitung 91 einem weiteren Eingang des Gatters 54 zu. Die Grenzwertstelleinheit errechnet weiterhin ein minimales Schrittschaltmotor-Steuersignal Ας_ΜΙ^ entsprechend der Turbinenbeschleunigung NH und liefert dieses Signal über die Leitung 92 einem Eingang des Gatters 54 zu. Die Grenzstelleinheit 90 wirkt lediglich zum Setzen der Maximal- und Minimalgrenzen, welche nicht überschritten bzw. unterschritten werden sollen, wobei die Signale Ας_ΜΑχ oder Ας_ΜΙΝ lediglich dazu dienen, den Schrittschaltmotor 30 so zu steuern, daß keine Fehlfunktion im System auftritt.

Der dritte Eingang des Gatters 54 erhält über die Leitung Signale Ας,, während der dritte Eingang des Gatters 54 über die Leitung 55 Signale vom Ausgang des Gatters 54 erhält, wobei es sich hierbei um die Signale Αςρ, Aqmav oder Ας., handelt. Im Normal betrieb, d.h. wenn die vom Piloten geforderte Drehzahl NH. nicht derart ist, daß ein Durchlauf oder ein Absterben der Turbine auftreten könnte, dann erzeugt das Beschleunigungsgatter 42 in der Leitung 53 einen sehr hohen Ausgang, während das Verzögerungsgatter 62 in der Leitung 63 einen sehr hohen negativen Ausgang erzeugt. Da das Gatter 54 nur die kleinen Werte durchläßt, wird im vorliegenden Betriebszustand das Signal Ας₂ gesperrt, während das Signal A₅₁ durchgelassen wird und über die Leitung 55 an einen Eingang des Gatters 64 gelangt. Da das Signal A₅₃ der Leitung 63 niedriger ist als die anderen Eingänge des Gatters 64 und dieses Gatter nur die größeren Eingangswerte passieren läßt, gelangt das Signal A^ durch das Gatter 64 hindurch und tritt in der Leitung auf. Signale in der Leitung 65 gelangen über eine Betätigungsgrenzeinheit 66 zur Leitung 20 und damit zum Ausgang des Systems 1. Die Betätigungsgrenzeinheit 66 wirkt lediglich zur Verhinderung einer

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Schrittänderung des Betätigungsglieds per iteration, welche einen bestimmten Grenzwert übersteigt.

Das Diagramm in Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit der Änderungen der Turbinendrehzahl NH von Änderungen im Verhältnis Wf/P3. Die Kurve 100 zeigt die Konstantzustandsbedingung, bei welcher die Turbine bei einer konstanten Drehzahl arbeitet. Die Linie 101 zeigt die Grenze, unterhalb welcher ein Absterben auftritt, während die Kurve 102 die Grenzen darstellt, oberhalb welcher ein Durchlauf auftritt, wobei die Grenzen von verschiedenen Faktoren bestimmt werden, wie beispielsweise Umgebungstemperatur oder Druck. Es ist wichtig, daß wenn die Drehzahl der Turbine 2 geändert werden soll, das Verhältnis Wf/P3 zwischen den beiden Linien 101 und 102 liegt. Obwohl Durchlauf und Absterben verhindert werden kann, wenn dem Steuersystem Informationen über die Kraftstoffzufuhr oder die Stellung des Betätigungsgliedes zugeführt werden, werden in dem System 1 derartige Informationen nicht benötigt. Zur Verhinderung des Durchlaufs und des Absterbens werden lediglich Informationen von drei Sensoren benötigt.

Eine Erhöhung oder Verminderung des Verhältnisses Wf/P3 bewirkt nicht eine unmittelbare korrespondierende Änderung der Drehzahl NH. Infolge der Trägheit der Turbine 2 und der zur Verbrennung des Kraftstoffs benötigten Zeit ist eine Totzeit vorhanden. Eine Änderung im Verhältnis Wf/P3 bewirkt daher ein momentanes Verlassen von der Linie 100, obwohl, falls das Verhältnis bei einem veränderten Wert gehalten wird, die Turbinendrehzahl verändert wird, bis der statische Zustand auf der Linie 100 erreicht ist.

Die Beschleunigungseinheit 50 arbeitet derart, daß, wenn eine starke Beschleunigung gefordert wird, das Verhältnis Wf/P3 mit wachsender.Turbinendrehzahl NH erhöht wird längs eines aus einer Vielzahl aufeinanderfolgender Schritte bestehenden Wegs parallel zur Durchlauflinie 102. Beispielsweise sei vorausgesetzt, daß die Turbine 2 mit einer konstanten Drehzahl ΝΗς arbeitet und zwar am Punkt S längs der Linie 100. Der Pilot stellt nunmehr den Knüppel

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so ein, daß die Turbinendrehzahl beschleunigt werden soll auf eine Drehzahl NH_M, entsprechend einem Verhältniswert (WF/P3)_M auf der Linie 100. Infolge der Totzeit zwischen der Veränderung des Verhältnisses Wf/P3 und der Veränderung der Drehzahl NH, falls die Turbine 2 direkt von der Bewegung des Knüppels 11 gesteuert werden würde, würde das Verhältnis Wf/P3 den Durchlaufwert bei der Drehzahl ΝΗς übersteigen, wie durch die Linie 102 definiert. Das System 1 dagegen verändert das Verhältnis Wf/P3 mehr allmählich, so daß die Turbinendrehzahl NH und das Verhältnis Wf/P3 dem Weg SLNM folgt, ohne hierbei die Durchlauflinie 102 nach oben zu überschreiten. Das Verhältnis Wf/P3 wird anfänglich stark erhöht bis zu einem Wert(Wf/P3)i unmittelbar unterhalb der Durchlauflinie 102, nachfolgend wird die Turbinendrehzahl NH um kleinere Beträge erhöht, während dieses raschen Anwachsens des Verhältnisses. Die Kurve der Linie 102 am Punkt L wird bestimmt von Tabellen. Das Verhältnis Wf/P3 wird derart erhöht, daß die Turbinendrehzahl NH und das vorgenannte Verhältnis einem kleinen Schritt bis zu einem Punkt L¹ folgen. Beim Punkt L¹ wird der Verlauf der Linie 102 direkt oberhalb L¹ abermals bestimmt von Tabellen und das Verhältnis Wf/P3 wird abermals erhöht, derart, daß die Turbinendrehzahl NH und das vorgenannte Verhältnis einen kleinen Schritt parallel zum Verlauf der Kurve 102 folgen, bis der Punkt L¹¹ erreicht ist. Dieser Vorgang wird Schritt für Schritt wiederholt, bis ein Verhältnis Wf/P3 erreicht ist, welches oberhalb des Konstantwertes (Wf/P3)_M liegt, der vorhanden ist, wenn die Solldrehzahl NH_M erreicht ist. Bei diesem Verbrauchswert ist der Unterschied zwischen der SoIldrehzahl NH.. und der Istdrehzahl NH^ gering, so daß der Ausgang der Kompensationseinheit 44 negativ wird, wodurch das Verhältnis Wf/P3 vermindert wird und nunmehr die Turbinendrehzahl zurück längs der Linie NM verläuft bis zur Konstantzustandslinie 100, ohne daß hierbei die Solldrehzahl NH_M überschritten werden würde. Durch Folgen längs der Durchlauflinie 100 wird die Drehzahl der Turbine rasch verändert, ohne daß hierbei die Gefahr des Durchlaufens auftritt.

Die Verzögerung wird gesteuert durch die Verzögerungssteuereinheit 60 in entsprechender Weise. Falls die Turbinendrehzahl rasch ver-

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mindert werden soll von Nf-L. auf ΝΗς dann wird das Verhältnis Wf/P3 und die Drehzahl NH derart kontrolliert, daß die Werte dem Weg MPRS folgen. Das Verhältnis wird zuerst rasch vom Wert (Wf/P3)_M auf (Wf/P3)p reduziert, wobei die Turbinendrehzahl auf einen Wert NH_p an einem Punkt nahe der Absterblinie 101 reduziert wird. Der Verlauf der Absterblinie 101 an Punkt P wird bestimmt von Tabellen und das Verhältnis Wf/P3 wird sodann schrittweise vermindert, so daß die Geschwindigkeit NH in aufeinanderfolgenden Linien parallel dem Verlauf der Linie 101 folgt. Diese kontinuierliche schrittweise Verminderung der Drehzahl erfolgt bis zum Punkt R, wo die Istdrehzahl NHn nahe der Solldrehzahl ist, wobei von diesem Punkt ab das Verhältnis Wf/P3 erhöht wird bis auf den Wert (Wf/P3)_s längs des Wegs RS, so daß die Solldrehzahl NH_S erreicht wird, ohne daß dabei die Drehzahl unter die Absterbedrehzahl abfällt.

Die Beschleunigungssteuereinheit 50 wird nachfolgend anhand der Fig. näher beschrieben. Die Einheit 50 umfaßt einen Speicher 151, in welchem eine Tabelle gespeichert ist, welche den Verlauf d (Wf/P3)dNH der Durchlauflinie 102 für verschiedene Werte der Drehzahl NH wiedergibt. Der Speicher 151 erhält Signale NH von der Leitung 13, welche repräsentativ sind für die Istdrehzahl und erzeugt Ausgangssignale längs der Leitung 152, welche repräsentativ sind für den Wert von d(Wf/P3)dNH der Durchlauf!inie 102 bei dieser Geschwindigkeit. Die Signale der Leitung 152 werden einem Rechner 153 zugeführt, der weiterhin über die Leitung 81 Signale NH erhält, welche repräsentativ sind für die Turbinenbeschleunigung. Der Rechner 153 multipliziert diese beiden Eingänge gemäß folgender Gleichung:

(d(Wf/P3)/dNH χ NH = d(Wf/P3)/dt (2)

Der Rechner 153 multipliziert weiterhin die Signale, welche repräsentativ sind für d(Wf/P3)/dt mit dem Wert K entsprechend der weiter vorne genannten Gleichung zur Erzeugung eines Signals in

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Übereinstimmung mit der geforderten Änderungsgeschwindigkeit dACT/dt Erstellung des Schrittschaltmotors 30. Das Errechnen des Werts dACT/dt wird jeweils alle T₁- Sekunden ausgeführt, im allgemeinen werden jede Sekunde mehrere derartige Rechnungen durchgeführt. Der Rechner 153 multipliziert das Signal dACT/dt mit der Zeitdauer T-, wodurch das Signal A„ am Ausgang des Rechners in der Leitung 51 entsprechend der nachfolgenden Gleichung auftritt:

A_S2 = (dACT/dt) χ T₁ (3)

Die Beschleunigungssteuereinheit 50 umfaßt einen zweiten Rechner 155, dem über die Leitung 13 Signale zugeführt werden, welche repräsentativ sind für die Istdrehzahl NH, Signale über^äie Leitung 81, repräsentativ für die Turbinenbeschleunigung N*H und Signale über die Leitung 43, repräsentativ für die Differenz zwischen der Solldrehzahl und der Istdrehzahl. Der zweite Rechner erzeugt ein Signal längs der Leitung 156, welches dem dritten Eingang des Beschleunigungsgatters 52 zugeführt wird. Der Rechner 155 weist einen Speicher 157 auf, mit einer Tabelle der maximalen Sollwerte der Turbinenbeschleunigung ΝΗ_ΜΑχ bei verschiedenen Turbinendrehzahlen. Der Speicher wird angesteuert durch Signale der Leitung 13 und sein Ausgang wird verglichen mit den Signalen der Leitung 81, welche repräsentativ sind für die Istturbinenbeschleunigung. Die Einheit 155 erzeugt in der Leitung 156 ein hohes Ausgangssignal, wodurch die Signale Ας~ beim Gatter 54 blockiert werden, wenn die erlaubte Maximalbeschleunigung NH^_x größer ist als die Istbeschleunigung NH und wenn die .Differenzsignale in der Leitung 53 oberhalb einem vorbestimmten Wert sind. Auf diese Weise können die Signale Ας, das Gatter 54 passieren, bis die Beschleunigung der Turbine einen Maximalwert erreicht hat. Dies entspricht der Linie SL in Fig. 3. Wenn die Turbinenbeschleunigung diesen Maximalwert erreicht hat, dann wird der Ausgang der Einheit 155 Null, so daß nunmehr Signale A™ durch das Gatter 54 passieren können, falls diese geringer sind als A<-,. Die Turbine wird sodann schrittweise gesteuert von L nach N durch die Beschleunigungssteuer-

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einheit 50 in der vorbeschriebenen Weise. Bei N geht der Ausgang des Gatters 52 auf einen hohen Wert, da ein großes Signal von der Gattersteuereinheit 70 zur Anwendung kommt, wobei dann die Turbine durch Signale A₁-, in der vorbeschriebenen Weise gesteuert wird.

Die Verzögerungssteuereinheit 60 funktioniert in analoger Weise wie die Beschleunigungssteuereinheit 50. Ist der Ausgang der Verzögerungssteuereinheit 60, wie er durch das Gatter 62 hindurchgeht, gering, dann wird die Turbine 2 gesteuert durch Signale Ας,, während der Intervalle von M nach P und von R nach S. Während des Intervalls von P nach R wird eine Tabelle des Verlaufs der Absterblinie 101 bei verschiedenen Turbinendrehzahlen adressiert und die Kraftstoffzufuhr wird verändert derart, daß der Turbinenbetriebszustand in aufeinanderfolgenden Schritten parallel zur Absterblinie 101 verläuft.

Die in den Fig. 2 und 4 dargestellten Schaltkreise sind nur schematisch angegeben. Die verschiedenen Rechenschritte müssen nicht notwendigerweise ausgeführt werden durch diskrete Einheiten oder Schaltkreise innerhalb der Beschleunigungs- und Verzögerungssteuereinheiten 50 und 60, sondern werden in der Praxis schrittweise ausgeführt beispielsweise durch Microprozessoren.

Der Begriff Beschleunigung umfaßt sowohl positive als negative Beschleunigungen, letztere sind Verzögerungen. Es ist auch möglich, mit dem Steuersystem nur den Turbinenzustand längs der Absterblinie 101 oder längs der Durchlauflinie 102 zu steuern.

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Claims

Dipl.-Ing.

Rolf Charrier ο η ο "k ς ς Pi

Patentanwalt OVAJdW

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8133/106/Ch/Gr Augsburg, 23. Juni 1980

Anm.: Smiths Industries Limited

Patentansprüche

Steuersystem zur Steuerung der Kraftstoffzufuhr bei einer Gasturbine, wobei dem System ein erstes Eingangssignal in Abhängigkeit der Solldrehzahl und ein zweites Eingangssignal in Abhängigkeit der Istdrehzahl der Turbine zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das System aufweist eine Steuereinheit (50,60) mit einem Speicher (151) zur Informationsspeicherung der Werte einer maximalen oder minimalen Kraftstoffzufuhrsollfunktion bei verschiedenen Turbinendrehzahlen, wobei die Informationen in Form der drehzahlbezogenen Änderungsgeschwindigkeit der maximalen oder minimalen Kraftstoffzufuhrsollfunktion bei verschiedenen Turbinendrehzahlen vorliegen und das System weiterhin aufweist eine Recheneinheit (153), welche ein Signal liefert, das die zeitbezogene Änderungsgeschwindigkeit der Kraftstoffzufuhrfunktion anzeigt in Übereinstimmung mit der Information bezüglich der drehzahlbezogenen Änderungsgeschwindigkeit der maximalen oder minimalen Kraftstoffzufuhrsollfunktion in Übereinstimmung mit Turbinendrehzahlfunktionssignalen, wobei die von'der Recheneinheit (153) erzeugten Signale zur Steuerung der Kraftstoffzufuhr zur Turbine dienen.
2. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinendrehzahlfunktionssignale abgeleitet

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werden in Übereinstimmung der zeitlichen Drehzahländerungsgeschwindigkeit.
3. Steuersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (50,60) eine zweite Recheneinheit (155) mit einem Speicher (157) aufweist zur Informationsspeicherung der zeitlichen Maximal sol!werte der Änderungsgeschwindigkeit der Turbinendrehzahl bei verschiedenen Turbinendrehzahlen, wobei der Speicher (157) zweite Eingangssignale in Abhängigkeit von der Istdrehzahl der Turbine erhält und eine Repräsentation der zeitlichen maximalen SoIldrehzahländerungsgeschwindigkeit bei dieser Drehzahl erzeugt und daß die zweite Recheneinheit (155) ein Ausgangssignal in Abhängigkeit der Differenz zwischen der zeitlichen maximalen SoIldrehzahländerungsgeschwindigkeit und der zeitlichen Istdrehzahländerungsgeschwindigkeit erzeugt.
4. Steuersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der zweiten Recheneinheit (155) weiterhin abhängig ist von der Differenz zwischen den ersten Eingangssignalen und den zweiten Eingangssignalen.
5. Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das System eine erste Steuereinheit (50) umfaßt, welche die Turbine (2) steuert, wenn die geforderte Kraftstoffzufuhr die maximale Soll kraftstoffzufuhr übersteigt und weiterhin eine zweite Steuereinheit (60) vorgesehen ist, welche die Turbine (2) steuert, wenn die geforderte Kraftstoffzufuhr unter die minimale Sol!kraftstoffzufuhr absinkt.
6. Steuersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das System umfaßt ein niedere Signale durchlassendes Gatter (54), welchem Signale vom Ausgang der ersten Steuereinheit (50) und zweite Signale entsprechend der Differenz des ersten und des zweiten Eingangssignals zugeführt werden und daß

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weiterhin ein hohe Werte durchlassendes Gatter (64) vorgesehen ist, weiche Werte vom Ausgang der zweiten Steuereinheit (60) und vom Ausgang des Gatters (54) zugeführt werden.
7. Steuersystem nach Anspruch 3 und 6, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß Schaltmittel (70,52) vorgesehen sind, welche de.n Ausgang von der ersten Steuereinheit (50) groß machen, wenn die Differenz zwischen der Istdrehzahl und der Solldrehzahl der Turbine (2) gering ist oder wenn die Beschleunigung der Turbine geringer ist als die maximale Sollbeschleunigung, und daß das System weiterhin Schaltmittel (70,62) aufweist, welche den Ausgang von der zweiten Steuereinheit (60) gering machen, wenn die Differenz zwischen der Soll- und Istdrehzahl gering ist oder wenn die negative Beschleunigung der Turbine die maximale negative Sollbeschleunigung übersteigt.
8. Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffzufuhr zur Turbine (3) ursprünglich gesteuert wird in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangssignal und daß die Recheneinheit (153) Signale erzeugt, welche eine Veränderung der Kraftstoffzufuhr bewirken, im wesentlichen mit der drehzahl bezogenen Änderungsgeschwindigkeit der maximalen oder minimalen Sol!kraftstoffzufuhr, wie sie im Speicher (151) gespeichert ist, wenn die Kraftstoffzufuhr zur Turbine nahe der maximalen oder minimalen Sollkraftstoffzufuhr bei dieser Drehzahl der Turbine zu diesem Zeitpunkt ist.
9. Steuersystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderungsgeschwindigkeit der Kraftstoffzufuhr zur Turbine zur Veränderung der Turbinendrehzahl schrittweise verändert wird, wobei die Änderungsgeschwindigkeit der Kraftstoffzufuhr bei jedem Schritt bestimmt wird von Informationen im Speicher (151) in Bezug auf diese Geschwindigkeit.

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10. Steuersystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinheit (153) eine fortgesetzte Veränderung der Knderunsgeschwindigkeit der Kraftstoffzufuhr über diejenige Kraftstoffzufuhr hinaus bewirkt, welche bei der Solldrehzahl auftritt, bis die Istdrehzahl innerhalb eines bestimmten Bereichs der Solldrehzahl liegt und von diesem Punkt ab die Recheneinheit (153) die Richtung der drehzahlbezogenen Änderungsgeschwindigkeit der Kraftstoffzufuhr wechselt.

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