DE3523144A1

DE3523144A1 - Gasturbinentriebwerksregelung

Info

Publication number: DE3523144A1
Application number: DE19853523144
Authority: DE
Inventors: Ronald Sheldon Lynn Mass. Carpenter; William Lawrence Manchester Mass. Gazzola; Frederick John Hampton N.H. Pineo
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1984-10-01
Filing date: 1985-06-28
Publication date: 1986-04-10
Also published as: JPH0532578B2; US4581889A; FR2571098B1; SE8503172L; GB8515972D0; JPS6185560A; IT1200656B; SE458548B; GB2165374A; SE8503172D0; FR2571098A1; IT8521319A0; GB2165374B

Description

3523Η4

Gasturbinentriebwerksregelung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelung bzw. Steuerung eines Gasturbinenmotors bzw. -triebwerke und insbesondere auf eine Regelungsart, die Schubabfallkompensator genannt wird. Ein derartiger Kompensator verkleinert den Schubabfall, der gelegentlich auftritt aufgrund von unterschiedlichen Geschwindigkeiten des thermischen Wachstums von verschiedenen Triebwerkskomponenten während der Beschleunigung des Motors bzw. Triebwerks.

Ein bekanntes Gasturbinen-Flugzeugtriebwerk ist in Figur 1 dargestellt. Durch einen Brenner 6 erzeugte heiße Gase 3 liefern Energie für eine Hochdruckturbine 9, die von einem Mantel 12 umgeben ist. Zwischen der Turbine 9 und dem Mantel 12 besteht ein Spitzenspalt 15. Im Leerlauf des Triebwerks, beispielsweise bei 11770 U/min, besteht ein gegebener Spitzenspalt von beispielsweise 1,2 mm (0,047 Zoll). Während einer plötzlichen Beschleunigung auf beispielsweise 16 140 U/min innerhalb von 4 Sekunden·bewirken Vergrößerungen der Zentrifugalkräfte aufgrund der größeren Drehgeschwindigkeit, daß die Turbine expandiert, wodurch sich der Spitzenspalt auf 0,4 mm(0,016 Zoll) verkleinert. Die Temperatur im Bereich der Hochdruckturbine 9 steigt an, wodurch die Turbine 9 und der Mantel 12 thermisch expandieren. Da jedoch die thermische Masse des Mantels 12 viel kleiner ist als diejenige der Turbine 9, erwärmt sich der Mantel 12 schneller und somit expandiert er schneller. Demzufolge wächst der Spitzenspalt 15 zunächst an, beispielsweise auf 0,7 mm (0,028 Zoll), und fällt dann auf den stationären Wert von 0,4 mm (0,016 Zoll) ab, wenn die Temperatur der Turbine 9 ihren stationären Wert erreicht.

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Dieser zunächst vergrößerte Spitzenspalt 15 ist unerwünscht, da er einen Verlust an Wirkungsgrad des Triebwerkes bewirkt: Die heißen Gase 3 können an der Turbine 9 vorbeiströmen, indem sie durch den Spitzenspaltbereich 15 hindurchströmen, und somit liefern diese Leckgase wenig oder gar keine Arbeit für die Turbine 9.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine neue und verbresserte Gasturbinentriebwerksregelung zu schaffen. Bei dieser neuen und verbesserten Gasturbinentriebwerksregelung soll der Schubabfall kompensiert werden, der nach einer Triebwerksbeschleunigung auftritt.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Schub eines Gasturbinenmotors bzw. -triebwerks verfolgt. Wenn ein

Abfall des Schubes vorhergesagt wird, werden Komponenten des Motors ,bzw. Triebwerks in Abhängigkeit davon gesteuert, um den .^ Schub zurückzuführen.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen
anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Figur 1 stellt ein Gasturbinentriebwerk dar.

Figuren 2 bis 5 stellen die Änderungen dar, die in verschiedenen Triebwerkskomponenten in Abhängigkeit von der Zeit während einer Beschleunigung auftreten.

Figur 6 stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.

Figur 2 zeigt ein Kurvenbild des Übergangs 16 der Temperatur (genannt T5) des Abgases einer Niederdruckturbine 18 während einer Beschleunigung. T5 wird an einem Punkt 21 in Figur 1
stromabwärts von der Niederdruckturbine 18 gemessen. Auf der vertikalen Achse in Figur 2 ist T5 in ⁰C (⁰F) aufgetragen, _f

aber bezogen auf einen willkürlichen Nullpunkt, der tatsäch-

α -V_ 3523U4

lieh die maximal vorgesehene Temperatur für T5 ist, die in der Praxis etwa 815°C (1500°F) ist. Während des 60 Sekunden betragenden Intervalls 24 und davor ist das Triebwerk im Leerlauf, und zu einer Teit T=O wird das Triebwerk beschleunigt, wodurch T5 rasch um etwa 45O°C (800°F) innerhalb des 4-Sekunden-Intervalls 27 ansteigt.

Figuren 3-5 zeigen die Wirkung dieser schnellen Vergrößerung in T5 auf die Temperaturen der Turbine 9 und des Mantels 12 von Figur 1. Figur 3 stellt den übergang 30 des Manteldurchmessers und Figur 4 stellt den Übergang 33 des Turbinendurch- ^- messers dar, wobei beide Funktionen der Zeit sind. Auf den vertikalen Achsen dieser beiden Figuren sind in willkürlichen Einheiten Durchmessermaße aufgetragen. Obwohl sich jedoch sowohl die Turbine 9 als auch der Mantel 12 bei Erwärmung ausdehnen, ist dem Mantelübergang eine positive Steigung gegeben, während dem Turbinenübergang 33 eine negative Steigung gege- < ben ist. Dies liegt daran, daß die Kurven auf den Spitzenspalt 15 in Figur 1 bezogen sind, und nicht auf den absoluten Durchmesser. Da die Expansion des Mantels 12 in Figur 1 bewirkt, daß sich der Spitzenspalt 15 vergrößert, ist dem Mantelübergang 30 in Figur 3 eine positive Steigung gegeben. Da jedoch die Expansion der Turbine 9 eine Verkleinerung des Spitzenspaltes 15 bewirkt, ist der Turbinenübergang 33 mit einer negativen Steigung beschrieben.

Die Übergänge gemäß den Figuren 3 und 4 werden algebraisch addiert, um den übergang 36 in Figur 5 zu erzeugen. Der übergang 36 stellt den resultierenden Spitzenspalt 15 in Figur 1 als eine Funktion der Zeit während der Beschleunigung dar. Wiederum sind auf der vertikalen Achse in Figur 5 willkürliche Einheiten aufgetragen, die die Spaltgröße angeben. Aus Figur 5 wird deutlich, daß zunächst ein maximaler Spalt am Punkt 39 vorhanden ist, der in Richtung auf den stationären Wert 42 graduell abfällt. Wie Figur 5 zeigt, braucht der Spitzenspalt 15 etwa 4 oder 5 Minuten, um seinen stationären Wert 42 zu erreichen.

Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das die Wirkung des Spxtzenspaltuberganges 36 in Figur 5 auf den Schub kompensiert. Der Block 50 in Figur 6 erzeugt ein digitales, zeitabhängiges Ausgangssignal, das dem übergang 30 gemäß Figur ähnlich ist, und der Block 53 erzeugt ein Signal, das dem Obergang 33 in Figur 4 ähnlich ist. Die Summierung in der Summierstelle 56 in Figur 6 erzeugt ein resultierendes Ausgangssignal auf der Leitung 59, das dem übergang 36 in Figur 5 ähnlich ist. Die resultierende Ausgangsgröße wird subtrahiert von der Summierstelle 62 in Figur 6, in der der gemessene Istwert von T5 addiert wird, durch den Block 64 in der Leitung 65. Ferner, wird in der Summierstelle 62 ein T5-Referenzwert subtrahiert, der von einem Plan oder Programm, das durch das Kästchen 68 angegeben ist, abgeleitet wird. Dieses Kästchen 68 stellt ein Programm oder Listing von verschiedenen Werten von T5 dar, die im voraus für verschiedene Betriebsbedingungen des Triebwerks berechnet sind. Somit ändert sich der Wert, der an der Summierstelle 62 durch das Kästchen 68 subtrahiert wird, in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Triebwerks .

Die Blöcke 64 und 68 (ungeachtet der Wirkung der resultierenden Ausgangsgröße auf der Leitung 59) liefern auf der Leitung 72 ein T5-FEHLER-Signal in dem Sinne, daß das Fehlersignal eine Abweichung des tatsächlichen bzw. T5-Istwertes von dem T5-Sollwert angibt. Die Addition der resultierenden Ausgangsgröße (aus der Sümmierstelle 56) auf der Leitung 59 wandelt das T5-FEHLER-Signal in ein T5-Fehlersignal um, das aber Abfall-kompensiert (T5E-DC) ist. Das Signal T5E-DC wird in dem Block 75 integriert, der durch das Symbol 1/S (1/S ist ein LaPlace-Tranformator) bezeichnet ist und eine Verstärkung hat, der durch den Buchstaben K bezeichnet ist. Die Ausgangsgröße auf der Leitung 78 ist ein variables Schubdüsen (VSD)-Flächentrirnmsignal.

VSD (variable Schubdüse) bezieht sich auf eine Düse 95 in Figur 1, die in der Fläche verstellbar ist, wie es durch die gestrichelte Düse 95A dargestellt ist, um den Druck am Punkt 21 in

dem Triebwerk zu verändern. Diese Druckänderung, deren Art hier nicht erläutert werden muß, verändert den durch das Trieb werk erzeugten Schub. Die Steuerung dieser Änderung wird durch eine Einrichtung herbeigeführt, die bekannt ist und im folgenden erläutert wird. Das.durch einen Block 101 gelieferte Signal, ein VSD-Flächenführungssignal auf der Leitung 103, wird in der Summierstelle 105 addiert. Subtrahiert wird in der Summierstelle 105 die Ausgangsgröße aus einer Summierstelle 108, die als Eingangssignale ein Rückführungssignal auf einer Leitung 110 erhält, das von einem Wandler (nicht gezeigt) geliefert wird, der den tatsächlichen Wert oder den Istwert der VSD-Fläche ist. Die andere Eingangsgröße in die Summierstelle 108 ist das VSD-Trimmsignal auf der Leitung 78, und dieses wird dort subtrahiert. Die Ausgangsgröße der Summierstelle 105 auf einer Leitung 115 wird auf bekannte Weise bearbeitet durch einen VSD-Vorwärtsbahndynamikblöck 121, der digitale Filter enthält, um die VSD-Regelschleife und die notwendigen analogen elektrischen und hydromechanischen Komponenten zu stabilisieren, um die Düsenfläche 95 in den Figuren 1 und 6 zu steuern.

Die Arbeitsweise der in Figur 6 gezeigten Schaltungsanordnung wird im folgenden beschrieben. Während des T5-Übergangs 16 in Figur 2 wird ein Signal, das der resultierenden Ausgangskurve 36 in Figur 5 gleicht, subtrahier, in Fig. 6,von der Summierstelle 62 mittels der Leitung 59. Dies erhöht, in der Wirkung, den T5-Referenzwert aus Block 68, da beide Signale aus der Summierstelle 56 und dem Block 68 der Summierstelle 62 mit dem gleichen Vorzeichen zugeführt werden. Deshalb wird das T5-FEHLER-Signal auf der Leitung 72 größer, so daß das VDS-Signal auf der Leitung 78 die VSD-Fläche veranlaßt, sich einer Größe zu nähern, die den T5-FEHLER verkleinert und somit den Schub vergrößert. (Es wurde empirisch gefunden, daß der Schub eine Funktion von T5 und ferner eine im allgemeinen lineare Funtion bei Zwischenschubwerten ist, so daß die Steuerung von T5 gleichbedeutend mit der Steuerung des Schubes ist.)

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Die schematisch gezeigten Begrenzer 110,. .112,. j 14 sind an sich bekannt und dürften aus sich heraus verständlich sein. Beispielsweise begrenzt der Begrenzer 110 das Signal, das auf der Leitung 116 auftreten darf, auf einen Bereich, der 0 und -85°C ■ (Q und .-123⁰F) darstellt,

C1 Der Ausdruck in Block 50, nämlich —, ist ein LaPlace-Transformator. Somit kann die Signalverarbeitung, die zwischen dem Punkt 120 und dem Punkt 122 auftritt, beschrieben werden durch die folgende Übergangsfunktion (ungeachtet der Wirkung der Begrenzer, wie beispielsweise des Begrenzers 110):

T5 comp .

[fr-s+2]

wobei T5C0MP das auf der Leitung 59 erzeugte Signal ist.

Erfindungsgemäß wird also ein Schubabfall kompensiert, der während einer Beschleunigung eines Gasturbinentriebwerkes auftritt. Der Abfall wird durch die transiente oder flüchtige Vergrößerung des Spitzenspaltes zwischen der Hochdruckturbine und dem sie umgebenden Mantel hervorgerufen. Der Spaltübergang wird hervorgerufen durch das unterschiedliche thermische Wachsen der Turbine im Gegensatz zum Wachsen des Mantels. Erfindungsgemäß wird der Triebwerksschub vergrößert durch Steuern von Parametern, wie beispielsweise der Schubdüsenfläche und der Brennstoffströmung als eine Funktion des Spitzenspaltes, um den Verlust zu kompensieren, der durch den Spali>-übergang hervorgerufen wird.

Es ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung, daß die allgemeinen Formen der durch die Blöcke 50 und 53 in Figur 6 erzeugten Signale vorbestimmt sind. Das bedeutet, daß die Signale mit vorbestimmten Zeitkonstanten abfallen, wie es die in den Figuren 3 und 4 gezeigten Signale tun. Jedoch sind die Anfangsgrößen der durch diese Blöcke erzeugten Signale eine Funktion des Signals, das auf der Leitung 122 in Figur 6 vorhanden ist. In diesem Sinne werden die durch die Blöcke 50 und 53 erzeugten

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Signale gemäß vorhestJmmten Funktionen erzeugt; Die Abfallzeiten (vorgegeben durch, die Zeitkonstanten in den Blöcken 50 und 53) sind vorbestimmt, aber die Anfangsgrößen werden durch T5-FEHLER diktiert.

Es sind jedoch noch zahlreiche weitere Ausführungsbeispiele möglich. Beispielsweise wurde ein Ausführungsbeispiel getestet, bei dem den folgenden Variablen die folgenden Werte gegeben waren:

Ti .
^{L l} ^WMCJ

fo\ 0,5

wobei die Größe WFMC sich auf die Brennstoffströmung in KiIopound pro Stunde bzw. pounds per hour bezieht, aber korrigiert für den statischen Meereshöhen-Brennstoffbedarf bei einer Zwischenleistung. Indem die Zeitkonstanten*\ 1 und <\2 auf diese Weise variabel gemacht werden, wird die Wirkung der Reynolds-Zahl auf die Wärmeübertragung auf die Turbinescheibe 9 in Figur 1 und den Mantel 12 in Figur 1 korrigiert.

Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß Regelungen für unterschiedliche Triebwerke ziemlich sicher unterschiedliche Werte für diese Variablen erfordern werden. Die Werte für ein anderes Triebwerk können berechnet werden aus dem tibergangstyp gemäß Figur 5, der diesem Triebwerk entspricht. Die ZeitkonstantenT'i und X 2 werden aus den Zeitkonstanten der Kurven gemäß den Figuren 3 und 4 berechnet, und die Verstärkungen G werden in bekannter Weise berechnet, um den auf der Leitung 59 in Figur 6 auftretenden Signal die richtige Größe zu geben.

Leerseite -

Claims

Ansprüche

Regelanordnung für einen Gasturbinenmotor bzw. ein Gasturbinentriebwerk,

gekennzeichnet durch:

ta) Abtastmittel zum Vorhersagen eines Schubabfalles des Motors bzw. Triebwerks und

(b) Kompensationsmittel zum Steuern des Triebwerkschubs gemäß wenigstens einer vorbestimmten Funktion.
2. Regelung nach Anspruch 1,

gekennzeichnet durch:

(a) Temperaturfehlermittel zum Ableiten eines Fehlersignals T5-FEHLER, das ein Maß für die Temperaturabweichung einer Triebwerkskomponente von einer Referenztemperatur ist,

(b) eine variable Schubdüse (VSD) zum Steuern des Strömungsguerschnitts der Schubdüse des Triebwerkes als eine Funtion des Signals T5-FEHLER und

(c) eine T5-FEHLER-Kompensationseinrichtung zum Verändern des Signals T5-FEHLER derart, daß das Signal T5-FEHLER zunächst ansteigt und dann abfällt derart, daß die variable Schubdüse (VSD) zunächst den Düsenquerschnitt verkleinert und dann vergrößert.
3. Regelung nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die
variable Schubdüse als eine Funktion von Parametern gesteuert wird, zu denen ein Temperaturfehlersignal T5-FEHLER gehört, das aus einem Vergleich der Temperatur einer Triebwerkskomponente mit einem Bezugprogramm von Temperaturen
erhalten wird, wobei

(a) eine erste Steuereinrichtung zum Steuern des Signals T5-FEHLER und

(b) eine zweite Steuereinrichtung vorgesehen ist zum Steuern des Signals T5-FEHLER derart, daß die gemeinsame Beeinflussung der ersten und zweiten Steuereinrichtungen das Signal T5-FEHLER zunächst vergrößert gemäß einer vorbestimmten Zeitkonstante und dann verkleinert gemäß einer vorbestimmten zweiten Zeitkonstanten.
4. Regelanordnung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß
(a) die erste Steuereinrichtung das Signal T5-FEHLER im

wesentlichen gemäß der folgenden LaPlace-Transformation steuert:

G1

+ 1

(b) die zweite Steuereinrichtung des Signals T5-FEHLER im
wesentlichen gemäß der LaPlace-Transformation steuert:

G 2

+ 1

wobei
5. Verfahren zum Kompensieren des Druckabfalles, der in einem Gasturbinenmotor bzw. -triebwerk bei einer Beschleunigung auftritt,

gekennzeichnet durch:
(a) überwachen des Auftretens eines Abfalles von einer

Temperaturänderung des Nieder.druck-Turbinenausganges T5,

(b) Vergrößern und dann Verkleinern der Differenz zwischen
T5 und einem Referenzwert/ um ein kompensiertes Temperasignal T5-C0MP zu erzeugen, und

(c) Steuern des Strömungsguerschnittes der Schubdüse des Motors bzw. Triebwerks als eine Funktion von T5-C0MP.