DE3727991A1 - Flugzeug-schubregelung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Regelung von gegenläufig rotierenden Schubeinrichtungen (Propulsoren) in einem Flugzeug.

Fig. 1 zeigt ein Flugzeug 3 mit am Rumpf angebrachten Gastur­ binentriebwerken 6. Die Triebwerke 6 treiben jeweils eine vor­ dere Schub- bzw. Antriebseinrichtung 9 F und eine hintere Schub- bzw. Antriebs­ einrichtung 9 A an, die in entgegengesetzten Richtungen um eine Achse rotieren.

Fig. 2 zeigt mit größeren Einzelheiten das Propulsor-Antriebs­ system gemäß Fig. 1. Links befindet sich ein Gasturbinen­ triebwerk 15, beispielsweise der Typ F404, wie er von der An­ melderin hergestellt wird. Für den hier beschriebenen Zweck kann das Gasturbinentriebwerk 15 als ein Gasgenerator betrachtet wer­ den, der eine hochenergetische Gasströmung 33 erzeugt und die Gasströmung 33 einer Antriebsstufe 36 zuführt.

Die Antriebsstufe 36 entzieht der Gasströmung 33 direkt Energie mittels mit kleinen Drehzahlen gegenläufig umlaufenden Turbi­ nenschaufelsätzen. Dies steht im Gegensatz zu der allgemeinen Lösung, eine mit hoher Drehzahl umlaufende Turbine zu verwenden, deren Drehzahl auf dem Weg zu einer Antriebseinrichtung durch ein Getriebe verkleinert wird. Ein erster Satz Schaufeln 39 zieht Energie aus der Gasströmung 33 und versetzt die vordere Antriebseinrichtung 9 F in Drehung. Ein zweiter Satz Schaufeln 42 treibt die hintere Antriebseinrichtung 9 A an, aber in ent­ gegengesetzter Richtung zu der vorderen Antriebseinrichtung 9 F. Lager 47 haltern die Schaufelsätze und Antriebseinrichtun­ gen (Propulsoren) und gestatten diese Gegenläufigkeit.

Ein Steigungsstellmechanismus 52 zum Verändern des Anstell­ winkels bzw. der Steigung der Antriebseinrichtungen 9 A und 9 F ist schematisch gezeigt. Es ist wünschenswert, den Steigungs­ stellmechanismus 52 so zu steuern, daß die Steigung der An­ triebseinrichtung unter den vorherrschenden Betriebsbedingun­ gen des Flugzeuges richtig ist.

In dem Triebwerk 15 sind verschiedene Fühler angeordnet, wozu Sensoren 17, 21, die den Gasdruck darstellende Signale (P 2, P 46) liefern, und ein Sensor 19 gehören, der die Lufteinlaß­ temperatur darstellende Signale liefert. Das Signal P 2 (Luft­ einlaßdruck) und das Signal P 46 (Luftdruck am Ausgang des Triebwerkes 15) werden dazu verwendet, ein Triebwerksdruckver­ hältnis (TDV) zu entwickeln. Zwar ist TDV als das Verhältnis P 46/P 2 bekannt, es sei aber darauf hingewiesen, daß für ein konstantes P 2 TDV aus einer Messung von P 46 direkt erhalten werden kann. Die Rotordrehzahl wird ebenfalls durch einen Füh­ ler (Monitor) 23 abgetastet und als ein Steuersignal vom Trieb­ werk 15 geliefert. Diese Sensoren und andere, die nicht ge­ zeigt sind, sind in der Triebwerkstechnik allgemein bekannt. Eine Regeleinrichtung für ein Triebwerk wie das Triebwerk 15 ist in der US-PS 42 42 864 beschrieben.

Weiterhin ist es wünschenswert, genügend Energie in der Gas­ strömung 33 zu liefern, um eine Rotation der Antriebseinrich­ tungen 9 A und 9 F bei einer Drehzahl und einem gewählten Stei­ gungswinkel herbeizuführen, um einen richtigen Betrieb zu ge­ statten oder, genauer gesagt, einen vom Piloten geforderten Triebwerksschub zu liefern. Ein Beispiel für eine Flugzeugan­ triebsregelung für eine Antriebseinrichtung, die durch ein Gasturbinentriebwerk angetrieben wird, ist in der Deutschen Patentanmeldung P 36 17 509 angegeben.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine integrierte Regelein­ richtung für den Steigungsstellmechanismus von Antriebsein­ richtungen und für den Gasgenerator in einem Gasturbinentrieb­ werk zu schaffen. Weiterhin soll eine integrierte Regelein­ richtung für ein gegenläufig rotierendes Antriebssystem ge­ schaffen werden, das durch ein Gasturbinentriebwerk angetrieben wird.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Stei­ gungswinkel, die Drehzahlen und der Phasenwinkel von gegenläu­ fig rotierenden Flugzeug-Antriebseinrichtungen gesteuert bzw. geregelt.

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

Fig. 1 stellt ein Flugzeug mit gegenläufig rotierenden An­ triebseinrichtungen dar.

Fig. 2 zeigt mit größeren Einzelheiten die gegenläufig ro­ tierenden Antriebseinrichtungen gemäß Fig. 1.

Fig. 3 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm gemäß einem Ausführungsbeispiel von einem Teil der integrierten Regeleinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung für die Brennstoffströmung in einem Gasturbinentriebwerk.

Fig. 4 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm von einem Ausfüh­ rungsbeispiel von einem Teil der vorliegenden Erfin­ dung zum Entwickeln eines Triebwerksdruckverhältnisses auf der Basis der Drehzahl der Antriebseinrichtung.

Fig. 5 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm von einem Teil gemäß der vorliegenden Erfindung zum Steuern des Steigungswinkels der Antriebseinrichtung.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel von einem Abschnitt der vorliegenden Erfindung zum Ermitteln der Brennstoffströmung durch das Triebwerk 15, um ein gewünschtes Triebwerksdruck­ verhältnis (TDV) zu liefern. Bevor auf die speziellen Funktio­ nen eingegangen wird, die zur Festlegung der Brennstoffströ­ mung erforderlich sind, sei darauf hingewiesen, daß ein Compu­ ter-Regler die meisten Funktionen liefert, die zur Lieferung von Befehlssignalen zur Steuerung der Brennstoffströmung, der Antriebsdrehzahl und des Steigungswinkels der Antriebseinrich­ tung notwendig sind. Der Computer ist bei 25 mit einer Anzahl von Eingangssignalen angegeben, die von verschiedenen Sensoren erhalten werden, die dem Triebwerksantriebssystem gemäß Fig. 2 zugeordnet sind. Zwar können viele der implementierten Funk­ tionen durch analoge Schaltkreise ausgeführt werden, aber äqui­ valente Funktionen werden auf einfache Weise in einem digitalen Computer programmiert und nehmen viel weniger Raum ein als die entsprechenden analogen Schaltkreise. Hier wird jedoch die Erfin­ dung anhand von analogen Schaltkreisen beschrieben, und die Um­ wandlung derartiger Schaltkreise in digitale Computerprogramme sind für den Fachmann auf einfache Weise zu bewerkstelligen.

Die Sensoren 17 und 19 liefern die Temperatur- und Drucksignale T -2, P -2 auf entsprechende Weise an Funktionsgeneratoren 27 und 29. Die Funktionsgeneratoren 27 und 29 wandeln die Druck- und Temperatursignale in Signale um, die maximale Werte des Trieb­ werksdruckverhältnisses darstellen, die in dem Triebwerk 15 bei der abgetasteten Temperatur und dem Druck implementiert werden können. Die Signale von den Funktionsgeneratoren 27 und 29 wer­ den einer Wählschaltung 31 zugeführt, die das kleinste der zwei Eingangssignale auswählt und dieses als ein Ausgangssignal lie­ fert. Die Schaltungsanordnung 31 liefert somit ein maximales Triebwerksdruckverhältnis TDV für das Triebwerk 15. Das Signal wird einem weiteren Funktionsgenerator 33 zum Setzen der maxi­ malen TDV-Referenz zugeführt. Das zweite Eingangssignal zum Funktionsgenerator 33 ist ein Schubhebelstellungs- oder Schub­ befehlssignal von einem Pilotensteuerhebel. Das Signal, das mit RSA bezeichnet ist, kann direkt von dem Flugzeugpiloten- Schubhebel abgenommen werden und kann den Winkel des Schubhe­ bels darstellen. Das RSA-Signal wählt einen Punkt auf der TDV- Kurve, wobei diese Kurve auf bekannten Triebwerks-Charakteri­ stiken basiert, aber einen Maximalwert hat, der durch das Sig­ nal von der Wählschaltung 31 gesetzt wird. Die Ausgangsgröße des Funktionsgenerators 33 ist ein TDV-Referenzsignal.

Das TDV-Referenzsignal wird mit einem tatsächlichen oder Ist- Wert von TDV summiert, der in dem Computer 25 errechnet werden kann, indem der gemessene Turbinenausgangsdruck vom Sensor 21 durch den gemessenen Einlaßdruck vom Sensor 17 dividiert wird. Das Soll-TDV und das Ist-TDV werden in einer Summierstelle 35 summiert, und ein Fehlersignal, das die Differenz zwischen den Soll- und Ist-Werten darstellt, wird einer weiteren Summier­ stelle 37 zugeführt.

Die Summierstelle 37 ist Teil einer Rückführungs-Regelschleife 39, deren Ausgangsgröße die Brennstoffströmung oder, genauer gesagt, die Gewichtsströmung an Brennstoff ist, die mit WF be­ zeichnet ist. Die Regelschleife 39 enthält eine Minimum-Wähl­ schaltung 41, die als Eingang das Fehlersignal von der Summier­ stelle 37, ein Temperaturbegrenzungssignal, ein Drehzahlbe­ grenzungssignal und ein Geschwindigkeitsbegrenzungssignal hat. Die Wählschaltung 41 nimmt das kleinste dieser Signale als ein Begrenzungssignal und führt es einer Signalkonditionierschal­ tung 43 zu. Die Signalkonditionierschaltung 43 stellt den Ge­ winn, Offset (Versetzung) und Voreilungs/Nacheilungs-Charakte­ ristiken des Signals ein und führt es einem Drehmomentmotor­ servo-Ventilstellglied 45 zu, das eine Ventilstellung in dem Brennstoffströmungssystem steuert, um den Brennstoff zum Trieb­ werk 15 zu steuern. Die Stellung des Brennstoffventils wird am Ausgang des Stellgliedes 45 abgetastet und über einen Signal­ konditionierer 47 und einer Voreilungs/Nacheilungsschaltung 49 der Summierstelle 37 zugeführt, um die Rückführungsschleife 39 zu schließen.

Die Temperatur- und Drehzahlgrenzwerte sind vorbestimmte Begrenzungen für das Triebwerk 15. Die Temperaturgrenze bildet eine Überhitzungsgrenze, während die Drehzahlbegrenzung einen Maximalwert der Rotordrehzahl in dem Triebwerk 15 festlegt. Die Rotordrehzahl ist ein Meßwert vom Sensor 23 gemäß Fig. 2 und gibt den Ist-Wert der Rotordrehzahl in dem Triebwerk 15 an. Die Geschwindigkeitsbegrenzung stellt einen zusätzlichen vorbestimmten Grenzwert dar und bezieht sich auf die Geschwin­ digkeit bzw. Rate, mit der der Rotor seine Drehzahl ändern darf. Die Rotordrehzahl wird einem Ableitungs- bzw. Differenzierblock 51 zugeführt, der die Drehzahländerungsgeschwindigkeit errech­ net und diesen mit dem Geschwindigkeitsgrenzwert vergleicht. Jede Differenz ist ein Fehlersignal, das der Wählschaltung 41 als ein Maximalwert zum Begrenzen des Stellgliedes 45 zugeführt wird.

Sowohl die Temperaturgrenz- als auch Drehzahlgrenzsignale werden durch Signale modifiziert, die proportional zu der Brennstoff­ strömung WF sind. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, wird das Signal aus der Signalkonditioniereinheit 47 ersten und zweiten stabilisierenden Rückführungsschaltungen 55 und 57 zugeführt, die dann konditionierte Signale an Summierstellen 59 bzw. 61 liefern. In den Summierstellen 59 und 61 werden die Temperatur­ grenz- bzw. Drehzahlgrenzsignale durch die Rückführungssignale modifiziert, und das Ergebnis der Fehlersignale wird dann der Wählschaltung 41 zugeführt. Auf diese Weise liefert die Wähl­ schaltung 41 als eine Ausgangsgröße die größte Beschränkung des Temperaturgrenzsignals, des Drehzahlgrenzsignals, des Rotordreh­ zahl-Geschwindigkeitsänderungssignals oder des Triebwerksdruck­ verhältnissignals. Die Ausgangsgröße, die somit durch die Schal­ tung gemäß dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel entwic­ kelt wird, stellt die Brennstoffströmung zum Triebwerk 15 dar, die ein gewünschtes Druckverhältnis liefert.

In Fig. 4 ist ein funktionales Blockdiagramm von einem Aus­ führungsbeispiel einer Schaltungsanordnung gezeigt zum Entwic­ keln der Drehzahl der Antriebseinrichtung für die gegenläufig rotierenden Antriebseinrichtungen 9 A und 9 F auf der Basis des Triebwerksdruckverhältnisses, das durch die Brennstoffströ­ mungsregelung gemäß Fig. 3 festgelegt wird. Wie vorstehend be­ reits ausgeführt wurde, wird das Triebwerksdruckverhältnis als ein Meßwert ermittelt durch den Vergleich des Druckes P -2 oder Triebwerkseinlaßdruckes und des Druckes P -46 am hin­ teren Abschnitt des Triebwerkes 15. Dieses Verhältnis kann durch den Computer 25 gemäß Fig. 3 ermittelt werden und wird dann einem Funktionsgenerator 63 zugeführt, der eine Referenz­ drehzahl für die Antriebseinrichtungen 9 A und 9 F aus dem errech­ neten Triebwerksdruckverhältnis ableitet. Das Referenz- bzw. Soll-Drehzahlprogramm ist in Größen der korrigierten Drehzahl mit dem Korrekturfaktor gegeben, der die Quadratwurzel des Ver­ hältnisses zwischen der Triebwerkseinlaßgesamttemperatur und einer Standardtemperatur von 519 Grad Rankin ist. Die funktio­ nale Beziehung zwischen TDV und korrigierter Antriebsdrehzahl kann empirisch oder analytisch aus Triebwerks-Charakteristiken ermittelt oder aus Windkanalversuchen des Triebwerks ermittelt werden. Das Signal, das durch das Kästchen 63 entwickelt wird, stellt eine gewünschte oder korrigierte Referenzdrehzahl dar, die auf einem gegebenen TDV basiert. Das Signal wird einem Block 65 zugeführt, der die korrigierte Referenzdrehzahl mit einem Signal multipliziert, das von dem Triebwerkseinlaßdruck P 2 abge­ leitet ist. Die Modifikation des die korrigierte Drehzahl dar­ stellenden Signals als eine Funktion des Einlaßdruckes ist erfor­ derlich, um die Temperaturdifferenz zwischen der durch den Sen­ sor 19 gemessenen Einlaßluft, die bei der Berechnung der korri­ gierten Drehzahl verwendet wird, und der tatsächlichen Umgebungs­ luft zu kompensieren, die über die Schaufel 9 A und 9 F strömt. Wenn die tatsächliche Umgebungstemperatur bekannt wäre, würde die Modifikation der Drehzahl als eine Funktion des Druckes P 2 nicht erforderlich sein. Der Zweck des Setzens der Propulsor­ referenz in Größen der korrigierten Drehzahl besteht darin, für das gewünschte Programm der Propulsorspitzen-Machzahl zu sorgen, d. h. die Geschwindigkeit an den Schaufelspitzen 2, wie sie in Fig. 1 gezeigt sind. Da (1) die Machzahl der Funktion der Umgebungstemperatur ist und (2) die Schaufelspitze der Pro­ pulsor- bzw. Schubeinrichtung eine spezifizierte Machzahl nicht überschreiten sollte, wird die Drehzahlreferenz wünschenswerter­ weise modifiziert, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert. Diese Änderung der zulässigen Machzahl wird durch den Block 71 erreicht, der ein Signal, das die Einlaßluft-Temperatur dar­ stellt, mit der zulässigen oder Soll-Propulsordrehzahl multi­ pliziert. Es sollte auch darauf hingewiesen werden, daß vor dem Block 71 ein anderer Selektionsblock 69 vorgesehen ist, der das Druck-korrigierte Drehzahlreferenzsignal von dem Block 65 in Abhängigkeit von der Machzahlbegrenzung verändert. Der Be­ griff Machzahlbegrenzung bezieht sich nur auf eine resultierende Luftströmungsgeschwindigkeit in Upm über den Propulsorschaufeln 9 A und 9 F. Der Block 69 wählt entweder das Signal aus dem Block 65 oder das Machzahl-Begrenzungssignal in Upm aus und läßt das kleinste von den beiden zum Block 71 durch. Das Temperatursignal T 2 wird in entsprechende Proportionaleinheiten in dem Quadrat­ wurzel-Funktionsblock 73 umgewandelt, bevor es dem Multiplizier­ block 71 zugeführt wird.

Die Propulsor- und Drehzahlreferenzsignale werden auch durch zwei zusätzliche Begrenzungssignale begrenzt. Die Upm-Grenze ist die maximale physikalische Grenze oder Drehzahl der Propul­ soren bzw. Schubeinrichtungen 9 A und 9 F. Die Upm-Grenze stellt eine Drehzahl dar, oberhalb der es für die Propulsoren unsicher würde zu rotieren, d. h. die Beanspruchung auf die Propulsoren würde ihre Auslegungsfestigkeit überschreiten. Der Block 75 selektiert das Signal aus dem Block 71 oder die Upm-Grenze als das maximale Referenzsignal und läßt das gewählte Signal zu einem weiteren Wählblock 77 durch. Das Minimalgrenzsignal ist so ausgewählt, daß verhindert wird, daß die Propulsoren unter eine Leerlaufdrehzahl abfallen. Dieses Signal wird dem Block 77 zugeführt, der das größere des Signals aus dem Block 75 im Vergleich zu einer Minimalgrenze auswählt und dieses als ein endgültiges Referenzausgangssignal für die Propulsordrehzahl verwendet. Da der hintere Propulsor 9 A mit einer Drehzahl um­ läuft, die proportional der Drehzahl des vorderen Propulsors ist, wird das Signal aus dem Block 77 einer Drehzahlanpassungs­ schaltung 79 zugeführt, die dann ein Drehzahlreferenzsignal für den hinteren Propulsor 9 A liefert, das direkt proportional zu der Drehzahl des vorderen Propulsors 9 F ist. Die mit RXN 48 und RXN 49 bezeichneten Signale stellen auf entsprechende Weise die gewünschte oder Soll-Drehzahl des vorderen Propulsors 9 F und des hinteren Propulsors 9 A dar.

Fig. 5 stelt eine Schaltungsanordnung zum Implementieren der Drehzahlregelung der Propulsoren 9 A und 9 F dar durch Steuern ihrer Steigungs- oder Schaufelangriffswinkel und infolgedessen der Belastung, die auf die Rotorstufen ausgeübt werden, die die Propulsoren 9 A und 9 F antreiben. Wenn zunächst der vordere Propulsor 9 F betrachtet wird, so wird das Drehzahlreferenzsignal RXN 48 in einer Summierstelle 80 mit einem Drehzahlrückführungs­ signal XN 48 summiert, das die Propulsor-Drehzahl darstellt. Das daraus entstehende Fehlersignal wird einer Multiplizierschaltung 81 zugeführt, wo es mit einem Signal proportional zu dem Trieb­ werksdruckverhältnis TDV multipliziert wird. Das letztgenannte Signal wird von einem Funktionsgenerator 83 abgeleitet, der das TDV-Signal empfängt und es in ein entsprechendes Drehzahl-bezo­ genes Signal umwandelt. Der Zweck dieser Multiplikation besteht darin, die Schleifenverstärkung als eine Funktion der Leistung einzustellen.

Das Drehzahlreferenz-Fehlersignal, das durch den Block 81 ent­ wickelt wird, wird einer Reglerdynamikschaltung 85 zugeführt, die im wesentlichen ein PI-Regler mit Verstärkungs-, Offset- und Voreilungs/Nacheilungs-Kompensation ist. Die Ausgangsgröße der Schaltungsanordnung 85 ist ein Steigungswinkel-Befehlssignal, das dann einer Begrenzungsschaltung 87 zugeführt wird. Die Be­ grenzungsschaltung 87 läßt das Signal von der Schaltungsanord­ nung 85 linear durch, begrenzt aber die Maximal- und Minimal­ werte der Signale als eine Funktion des Einlaßdruckes P 2 und eines Minimalprogramms, das eine Funktion der Schubhebelstel­ lung RSA ist. Die Maximal- oder Obergrenze ist eine Funktion von P 2, obwohl die Grenze vorzugsweise die Machzahl sein würde, wenn diese Messung verfügbar wäre. Die untere Grenze wird als eine Funktion der Schubhebelposition RSA festgelegt, modifi­ ziert durch den Einlaßdruck P 2. Für beide Grenzwerte stellt P 2 die Flugzustände dar.

Das Steigungswinkelbefehlssignal wird von dem Block 87 einem Wählblock 93 zugeführt, der den kleinsten Wert aus mehreren Eingangssignalen auswählt. Zusätzlich zu dem Steigungswinkel Befehlssignal werden ein RSA-Schubhebelreferenzsignal von dem Block 97 und ein Kerndrehzahl-Referenzwinkelbegrenzungssignal von einem Block 91 zugeführt. Der Block 91 wandelt die Kern­ drehzahl XN 25 R 2 in eine Steigungswinkelbegrenzung um. Die Stei­ gungswinkelbegrenzung aus dem Block 91 wird beim Starten verwen­ det, zu welcher Zeit die Triebwerkskerndrehzahlen unterhalb der Leerlaufdrehzahlen sind. Der Grund für die Verwendung dieser unteren Steigungswinkelgrenze besteht darin, daß der Schaufel­ steigungswinkel beim Starten normalerweise auf 90° gesetzt ist, wogegen die Schaufel bei Leerlaufdrehzahl auf etwa 10° gestellt sein sollte. Um für einen glatten Übergang des Schaufelsteigungs­ winkels von 90° auf 10° zu sorgen, ist es notwendig, eine untere Grenze in die Schaltungsanordnung in Block 93 einzugeben, so daß die Schaufeln nicht tatsächlich eine Änderung der Steigung be­ ginnen, bevor die Kerndrehzahl etwa 5000 Upm erreicht. Der Über­ gang von 5000 Upm auf Leerlaufdrehzahl von etwa 10 000 Upm wird dann gleichmäßig durchgeführt. Wenn die Leerlaufdrehzahl einmal erreicht ist, spielt die untere Grenze keine Rolle mehr.

Das Ausgangssignal, das durch den Block 93 entwickelt wird, ist unter normalen, keine Begrenzung enthaltenden Betriebsbedingun­ gen ein Steigungswinkel für den vorderen Propulsor 9 F, der er­ forderlich ist, um die durch den Block 63 (siehe Fig. 4) ge­ plante bzw. programmierte Drehzahl zu erhalten. Dieses Signal kann durch die tatsächliche Schubhebelposition RSA (eingestellt durch P 2) übersteuert werden, die ebenfalls in dem Block 93 eingegeben wird. Der Block 93 ist ähnlich den zuvor beschriebe­ nen Wählschaltungen, die das größere (oder kleinere) Signal aus mehreren Eingangssignalen auswählen und dieses Signal als ein Ausgangssignal zur Verfügung stellen. Bevor die Steigungs­ regelschleife weiter beschrieben wird, sei darauf hingewiesen, daß das RSA-Signal, das die Schubhebelposition darstellt, in einen Funktionsgeneratorblock 95 eingegeben wird, der es in ein entsprechendes Steigungswinkel-Referenzsignal RXB 48 umwandelt. Dieser Steigungswinkel wird auch modifiziert als eine Funktion des Triebwerkseinlaßdruckes P 2 im Block 97, bevor er dem Wähl­ schaltungsblock 93 zugeführt wird. Ein Funktionsgenerator 99 wandelt das Drucksignal P 2 in einen entsprechenden Multiplizier­ faktor um, um eine untere Grenze festzulegen, die auf einem höheren Winkel bei höheren Flugdrehzahlen bzw. -geschwindig­ keiten sein kann.

Es wird nun in der Beschreibung der Steigungsregelschleife fort­ gefahren. Das Signal aus dem Wählschaltungsblock 93 wird einer Summierstelle 101 zugeführt, die Teil einer Rückführungsregel­ schleife 103 ist. Ein Fehlersignal, das durch die Summierstelle 101 erzeugt wird, wird einem dynamischen Steigungsregelblock 105 zugeführt, der eine Verstärkungs- und Voreilungs/Nachei­ lungs-Schaltung aufweist zum Konditionieren des Fehlersignals für eine Zufuhr zu einem Stellglied 107, das tatsächlich den Steigungswinkel der vorderen Schaufeln 9 F steuert. Das Stell­ glied 107 kann ein hydraulisches Servostellglied oder ein Schaltmotor-Servoventil sein, das den Strömungsmitteldruck für ein hydraulisches Stellglied steuert. Die dynamische Kompensa­ tion in dem Regler erzeugt ein schnelles transientes Ansprech­ verhalten, ohne daß Überschwingen und Instabilitäten einge­ führt werden. Die Rückführungsgröße aus dem Stellglied wird über einen Steigungsstellungsfühler 109 einem zweiten Eingangs­ anschluß der Summierstelle 101 zugeführt, um die Rückführungs­ schleife 103 zu schließen. Der untere Abschnitt des funktionel­ len Blockdiagramms gemäß Fig. 5 ist im wesentlichen der gleiche wie der obere Abschnitt, aber ausgelegt zur Regelung der hinte­ ren Schubeinrichtung (Propulsor) 9 A. Alle Blöcke in der Rege­ lung des hinteren Propulsors, die identisch zu den Blöcken in der Regelschaltung für den vorderen Propulsor sind, sind durch eine gleiche Bezugszahl mit einem angehängten A bezeichnet. Der Hauptunterschied zwischen der Steigungsregelung des vorderen Propulsors zu der Steuerung des hinteren Propulsors ist die Synchronisierungsregelung, um eine vorbestimmte Phasen-Synchro­ nisierung zwischen den vorderen und hinteren Propulsoren auf­ recht zu erhalten. Die Phasen-Synchronisierung der vorderen und hinteren Propulsoren ist in der eingangs genannten Deutschen Patentanmeldung P 36 17 509 beschrieben. Wenn eine Synchroni­ sierung stattfindet, laufen die Propulsoren in entgegengesetzter Drehrichtung um und haben die gleiche Drehzahl. Zu jedem Zeit­ punkt existiert ein Phasenwinkel zwischen den Schaufeln der vor­ deren und hinteren Reihen, der in einem Band von ± 22,5 Grad liegt. Eine Synchronisierung gestattet, daß man einen Phasen­ winkel in diesem Band fordern und erreichen kann durch Schlupf der Drehzahl des hinteren Propulsors relativ zum vorderen Pro­ pulsor. Ein geeignetes Trimmen dieses Phasenwinkels hat eine Verkleinerung des akustischen Lärms zur Folge.

Die tatsächliche Phase (PH 485) und die Referenzphase (RPH 485), die in der in der vorgenannten Deutschen Patentanmeldung P 36 17 509 beschriebenen Weise abgeleitet wird, werden einer Summierstelle 111 zugeführt, um ein Phasenfehlersignal zu lie­ fern. Der Phasenfehler wird im Block 113 so eingestellt, daß er in einen Bereich von ± 22,5 Grad fällt. Ein Propulsordrehzahl- und Phasen-Fühlersystem ist auch in der Deutschen Patentanmel­ dung P 36 41 777 beschrieben.

Das Phasenfehlersignal aus dem Block 113 wird dann einer Multi­ plizierschaltung 115 zugeführt, die als ein Multiplikations­ faktor ein Signal hat, das proportional zu dem Triebswerksdruck­ verhältnis ist, um bei kleineren Leistungspegeln die Schleifen­ verstärkung zu vergrößern. Das Signal aus dem Block 115 wird im Block 117 mit einem maximalen Bläser- bzw. Fandrehzahlfehler verglichen. Der Block 117 sperrt die Synchronisierungsfunktion, wenn die Propulsor-Drehzahlen außerhalb eines vorbestimmten Bandes sind. Von dem Block 117 wird das Signal einem Block 119 zugeführt. Das Fehlersignal aus dem Block 119 wird mit dem Drehzahlreferenzsignal aus dem Block 81 A summiert, und das summierte Signal wird der Reglerdynamikschaltung 85 A zugeführt. Die Phasen-Fehlerkorrekturschaltung addiert tatsächlich ein Inkrement zu dem Referenzdrehzahlsignal aus dem Block 81 A, um den Phasenwinkel der hinteren Propulsoren 9 A in bezug auf die vorderen Propulsoren 9 F einzustellen.

Aus den Fig. 1 bis 5 ist insgesamt ersichtlich, daß ein Triebwerksdruckverhältnis als eine Funktion der Schubhebelstel­ lung oder des Schubbedarfs von dem Flugzeugpiloten festgelegt wird, und daß die Schubhebelposition in ein Triebwerksdruck­ verhältnis umgewandelt wird durch Planen der Brennstoff­ strömung zum Triebwerk. Anschließend wird das Triebwerksdruck­ verhältnis dazu verwendet, eine Drehzahl des Propulsors bzw. der Schubeinrichtung abzuleiten, wobei diese Drehzahl dadurch gesetzt wird, daß der Steigungswinkel des Propulsors gesteuert wird. In dem hier beschriebenen gegenläufigen System wird die Drehzahl des vorderen Propulsors gesetzt, und die Drehzahl des hinteren Propulsors wird dann als eine vorbestimmte Funktion der Drehzahl des vorderen Propulsors ermittelt. Zusätzlich wird die Phasenlage oder die Querstellung der Schaufeln in dem hinte­ ren Propulsor in bezug auf die Schaufeln in dem vorderen Pro­ pulsor gesteuert, um auf diese Weise den Lärm, der durch die gegenläufig rotierenden Propulsoren erzeugt wird, zu minimieren. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird das Triebwerks­ druckverhältnis, das durch die Schubhebelposition gewählt wird, durch eine Anzahl von Variablen begrenzt, zu denen das Erforder­ nis gehört, das Triebwerk 15 innerhalb vorbestimmter Temperatur- und Drehzahlgrenzen zu betreiben. Weiterhin wird die Drehzahl­ änderungsgeschwindigkeit des Triebwerks begrenzt, um die Bean­ spruchungen auf das Triebwerk bei plötzlichen Schubhebelstel­ lungsänderungen zu verkleinern.

Obwohl das Triebwerksdruckverhältnis eine gewünschte Betriebs­ drehzahl für die Propulsoren festlegt, wird diese Drehzahl als eine Funktion der Umgebungstemperatur begrenzt, so daß Luft, die über die Propulsorspitzen strömt, nicht supersonisch (Über­ schallgeschwindigkeit) wird und übermäßige Turbulenzen bewirkt. Weiterhin wird die Drehzahl durch das maximale physikalische Vermögen der Propulsoren bzw. Schubeinrichtungen begrenzt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird auch die Propulsor­ drehzahl gesteuert, indem der Schaufelangriffs- oder Steigungs­ winkel verändert wird, um so die Belastung auf die Propulsoren für die Drehzahlregelung zu modifizieren.

Die Erfindung wurde zwar vorstehend in Form von funktionalen Blockdiagrammen ähnlich einer analogen Schaltungsanordnung be­ schrieben, es sei jedoch darauf hingewiesen, daß jede der be­ schriebenen Funktionen auf einfache Weise auch in einem digita­ len Computer implementiert werden kann, und daß eine derartige digitale Anordnung in einigen Fällen für eine verbesserte Lei­ stungsfähigkeit gegenüber einer analogen Implementation sorgen kann. Weiterhin wurde zwar das Turbinendruckverhältnis TDV als ein bevorzugtes Verfahren beschrieben, um zu ermitteln, wie viel Energie durch die Gasturbine absorbiert wird (und deshalb wie viel Energie für die Propulsoren zur Verfügung steht), daß aber auch andere Messungen, wie beispielsweise die Drehzahl des Gas­ generators, die Triebwerksluftströmung oder eine Zusammenfas­ sung dieser Parameter anstelle von oder in Verbindung mit dem Turbinendruckverhältnis TDV verwendet werden könnten.

Claims (4)

1. Integrierte Regeleinrichtung für eine Schubeinrichtung bzw. einen Propulsor, der durch ein Gasturbinentriebwerk angetrieben ist, gekennzeichnet durch eine auf die Schubhebelposition ansprechende Einrichtung zum Setzen eines Triebwerkdruckverhältnisses (TDV) durch Planen bzw. Steuern der Brennstoffströmung und eine auf das Triebwerksdruckverhältnis ansprechende Einrichtung zum Steuern des Propulsor-Schaufelwinkels, um dadurch die Propulsordrehzahl festzusetzen.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 für vordere und hintere Propulsoren, die um eine gemeinsame Achse umlaufen und durch eine gemeinsame Gasturbine angetrieben sind, gekennzeichnet durch
eine auf die Triebwerks-Schubhebelstellung ansprechende Einrichtung zum Setzen eines Triebwerksdruckverhältnisses durch Planen bzw. Steuern der Brennstoffströmung zum Triebwerk,
eine auf das Triebwerksdruckverhältnis ansprechende Ein­ richtung zum Steuern des Schaufelwinkels von einem der vorderen und hinteren Propulsoren, um dadurch eine Dreh­ zahl für den einen der Propulsoren festzulegen, und
eine auf die Drehzahl von einem der Propulsoren anspre­ chenden Einrichtung zum Steuern des Schaufelwinkels des anderen Propulsors zum Festsetzen seiner Drehzahl als eine Funktion von einem der Propulsoren.

3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2 für einen Propul­ sor, der durch ein Gasturbinentriebwerk angetrieben ist:
eine Einrichtung zum Festlegen eines Triebwerksdruckver­ hältnisses (TDV)-Betriebsbereiches,
eine auf die Schubhebelposition ansprechende Einrichtung zum Auswählen eines Triebwerksdruckverhältnisses innerhalb des festgelegten Bereiches,
eine Einrichtung zum Ermitteln des Ist-Wertes oder des tatsächlichen Triebwerksdruckverhältnisses,
eine Einrichtung zum Vergleichen des tatsächlichen Trieb­ werksdruckverhältnisses und des gewählten Triebswerks­ druckverhältnisses und zum Erzeugen eines Triebwerksdruck­ verhältnis-Fehlersignals, das die Differenz dazwischen darstellt,
eine Einrichtung zum Zuführen des Triebwerksdruckverhält­ nis-Fehlersignals zum Verändern der Brennstoffströmung zum Triebwerk derart, daß das Fehlersignal minimiert ist,
eine Einrichtung zum Umwandeln des tatsächlichen Triebwerks­ druckverhältnisses in eine entsprechende gewünschte Dreh­ zahl der Schubeinrichtung bzw. des Propulsors,
eine Einrichtung zum Ermitteln des Ist-Wertes bzw. der tatsächlichen Propulsor-Drehzahl,
eine Einrichtung zum Vergleichen des Soll-Wertes oder der gewünschten Propulsor-Drehzahl mit dem Ist-Wert der Pro­ pulsor-Drehzahl und zum Erzeugen eines Drehzahlfehlersig­ nals, das die Differenz dazwischen darstellt, und
eine Einrichtung zum Zuführen des Drehzahlfehlersignals zum Verändern des Propulsor-Steigungswinkels in einer Richtung derart, daß das Drehzahlfehlersignal minimiert ist.

4. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für ein Gasturbinentriebwerk, das zum Antrieb von zwei gegen­ läufig rotierenden koaxialen Propulsoren bzw. Schubein­ richtungen verbunden ist, gekennzeichnet durch
eine auf einen Schubbefehl ansprechende Einrichtung zum Festlegen eines entsprechenden Triebwerksdruckverhältnis­ ses durch Planen bzw. Steuern der Brennstoffströmung zum Triebwerk,
eine auf das festgelegte Triebwerksdruckverhältnis an­ sprechende Einrichtung zum Setzen einer gewünschten Pro­ pulsor-Drehzahl für einen der Propulsoren,
eine auf die gewünschte Propulsor-Drehzahl ansprechende Einrichtung zum Einstellen des Schaufelsteigungswinkels von einem der Propulsoren, damit der Propulsor bei der gewünschten Drehzahl arbeitet,
eine auf die Drehzahl des einen Propulsors ansprechende Einrichtung zum Festlegen einer gewünschten Drehzahl für den anderen Propulsor und
eine auf die gewünschte Drehzahl des anderen Propulsors ansprechende Einrichtung zum Einstellen seines Schaufel­ steigungswinkels, damit er bei der gewünschten oder Soll- Drehzahl des anderen Propulsors arbeitet.