DE60004982T2

DE60004982T2 - Regelung des lufteinlasses eines hilfstriebwerks

Info

Publication number: DE60004982T2
Application number: DE60004982T
Authority: DE
Inventors: John Harvell; Craig Freeman; Joseph Michalski
Original assignee: AlliedSignal Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 1999-02-25
Filing date: 2000-02-22
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2020-02-23
Also published as: WO2000055485A2; DE60004982D1; WO2000055485A3; US6272838B1; EP1171699B1; EP1171699A2

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Regler und Verfahren für Gasturbinenmotoren und insbesondere einen Regler und ein Verfahren zum Einstellen der Geometrie eines Zuführungskanals, der zu einem Gasturbinenmotor führt.
STAND DER TECHNIK
Hilfstriebwerke (APU – Auxiliary Power Units) sind Gasturbinenmotoren, die auf Flugzeugen anstelle der Haupttriebwerke zur Zuführung von Druckluftleistung und/oder Wellenpferdestärke benutzt werden. Typischerweise ist die APU im Schwanzkonus des Flugzeuges befestigt, siehe 1, obwohl die APU in einigen Flugzeugen wie beispielsweise der Boeing 727 im Radgehäuse befestigt ist. Da sich die APU im Flugzeug befindet ist ein Zuführungskanal 15 erforderlich, um Luft von außerhalb des Flugzeuges zur APU zu bringen. Diese Zuführungskanäle weisen im allgemeinen eine Tür auf, die bei laufender APU offen und bei abgeschalteter APU geschlossen ist. Wenn die APU während des Fluges benötigt wird, wird die Tür geöffnet und da sich das Flugzeug bewegt wird Luft durch den Einlaß zur APU durchgeschoben oder gerammt. Durch diese Stauwirkung steigt der Druck im Kanal, wodurch ein positives Druckverhältnis zwischen dem Verdichtereinlaß der APU und dem Auslaß der APU erzeugt wird. Dieses Druckverhältnis wird als das Delta-P eines Motors bezeichnet. Wenn das Delta-P zu groß wird, kann die APU unter Umständen Schwierigkeiten beim Anlassen erfahren.
Eine vorgeschlagene Lösung ist die Verwendung eines Steuersystems gewesen. Bei diesem System wird in die elektronische Steuereinheit der APU eine vorbestimmte Türstellungstabelle eingebaut. Die elektronische Steuereinheit empfängt den Betriebszustand der APU anzeigende Signale, greift auf die Türstellungstabelle zu und erzeugt ein vorbestimmtes Türstellungssignal. Als Reaktion auf dieses Signal bewegt sich dann die Tür. Ein Nachteil des Steuerungssystems besteht darin, daß die Tabelle nur für stationäre Flugzeugzustände genau ist. Änderungen der Längsneigung oder Fluglage werden nicht ausgeglichen und können ein unannehmbares Delta-P des Motors zur Folge haben und beim Anlassen der APU können Schwierigkeiten auftreten.
Es besteht dementsprechend ein Bedarf an einem verbesserten Einlaßregelsystem, mit dem die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden.
In GB-A-1480366 ist ein Lufteinlaßregelsystem für eine Flugzeug-Triebwerkseinheit offenbart.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Einlaßregelsystems für einen in einem beweglichen Körper befestigten Gasturbinenmotor, das die Geometrie eines Einlasses zum Motor solange verstellt, bis ein annehmbares Delta-P erreicht wird.
Die vorliegende Erfindung erfüllt diese Aufgabe durch Bereitstellung eines Verfahrens zum Steuern des Druckverhältnisses Delta-P über einen Gasturbinenmotor, der in einem beweglichen Körper mit einem Zuführungskanal angeordnet ist, der sich von einer Oberfläche des Körpers zu einem Einlaß des Gasturbinenmotors erstreckt, wobei der Kanal einen veränderlichen Durchflußbereich aufweist, der stufenlos zwischen einer voll geöffneten Stellung und einer geschlossenen Stellung positionierbar ist, mit folgendem Schritt:
Messen mindestens eines Parameters, der den Betriebszustand des Motors anzeigt, und Erzeugen eines diesen anzeigenden Signals, und gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Empfangen des Meßsignals und Erzeugen eines einen vorbestimmten Durchflußbereich anzeigenden Signals;
Empfangen des Meßsignals und Erzeugen eines ein Soll-Delta-P anzeigenden Signals;
Messen des Ist-Delta-P und Erzeugen eines dieses anzeigenden Signals;
Zusammenfassen des Soll-Delta-P-Signals mit dem Ist-Delta-P-Signal zum Erzeugen eines Delta-P-Fehlersignals;
Verarbeiten des Delta-P-Fehlersignals durch einen Integral-Proportional-Regler;
Zusammenfassen des verarbeiteten Delta-P-Signals mit dem Positionssignal des vorbestimmten Durchflußbereichs zum Erzeugen eines Durchflußbereich-Befehlssignals;
Verändern des Durchflußbereichs als Reaktion auf das Durchflußbereich-Befehlssignal; und
Wiederholen der vorherigen Schritte, bis das Soll-Delta-P erreicht ist.
Die Erfindung bietet auch einen Delta-P-Regler für einen Gasturbinenmotor, der in einem beweglichen Körper mit einem sich von einer Außenfläche des Körpers zum Einlaß des Gasturbinenmotors erstreckenden Zuführungskanal befestigt ist, wobei der Kanal einen veränderlichen Durchflußbereich aufweist, der stufenlos zwischen einer voll geöffneten Stellung und einer geschlossenen Stellung positionierbar ist, mit
einem ersten Signalgenerator mit darin gespeicherten vorbestimmten Zuführungskanal-Durch flußbereichsstellungen als Funktion von Motorbetriebszuständen, der ein den Motorbetriebszustand anzeigendes erstes Signal empfängt und ein eine vorbestimmte Zuführungskanal-Durchflußbereichsstellung darstellendes Signal erzeugt, und gekennzeichnet durch
einen zweiten Signalgenerator mit darin gespeicherten vorbestimmten Delta-P als Funktion von Motorbetriebszuständen, der ein zweites den Motorbetriebszustand anzeigendes Signal empfängt und ein das vorbestimmte Delta-P darstellendes Signal erzeugt;
Mittel zum Erzeugen eines das Ist-Delta-P darstellenden Signals;
einen ersten Summierungspunkt zum Zusammenfassen des vorbestimmten Delta-P-Signals mit dem Ist-Delta-P-Signal zum Erzeugen eines Delta-P-Fehlersignals;
einen Integral-Proportional-Regler zum Zusammenfassen des verarbeiteten Delta-P-Signals mit dem vorbestimmten Zuführungskanal-Durchflußbereichssignal zum Erzeugen eines Zuführungskanal-Durchflußbereichs-Stellungsbefehlssignals; und
Mittel zum Verändern des Zuführungskanal-Durchflußbereichs als Reaktion auf das Einlaßstellungs-Befehlssignal.
1 ist eine Darstellung eines in einem Flugzeug befestigten Hilfstriebwerks.
2 ist ein schematischer Querschnitt eines beispielhaften Gasturbinen-Hilfstriebwerks.
3 ist eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Gasturbinen-Hilfstriebwerks mit einer Einlaßgeometrie der bevorzugten Ausführungsform
4 ist ein Blockschaltbild des durch die vorliegende Erfindung in Betracht gezogenen Einlaßgeometrieregelsystems.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die Figuren sollen die allgemeine Bauweise darstellen und sind nicht maßstabsgetreu. In der Beschreibung und in den Ansprüchen werden die Begriffe links, rechts, vorne und hinten und dergleichen für Beschreibungszwecke benutzt. Selbstverständlich ist die Ausführungsform der hier beschriebenen Erfindung jedoch fähig, in anderen Orientierungen als den dargestellten zu funktionieren und die so benutzten Begriffe dienen nur dem Zweck der Beschreibung relativer Stellungen und sind unter zutreffenden Umständen austauschbar.
Bezugnehmend auf 2 wird eine Form eines Hilfstriebwerks (APU – Auxiliary Power Unit), auf das sich die vorliegende Erfindung bezieht, allgemein durch die Bezugsziffer 10 bezeichnet. Das APU 10 umfaßt in Durchflußreihenfolge einen Verdichtereinlaß 14, einen Verdichter 16, einen Anzapfanschluß 18 zur Bereitstellung von Druckluft für das Flugzeug, einen Vergasungsbrenner 20 mit einer Haupt-Treibstoffdüse 22 und einer Sekundär-Treibstoffdüse 24, eine Turbine 26 und ein Abgasrohr 28. Der Verdichter 16 und die Turbine 26 sind drehbar auf einer Welle 30 befestigt, die sich zu einem Getriebe 32 erstreckt und es antreibt. Bei Drehung der Welle 30 wird Luft durch den Einlaß 14 eingeführt und im Verdichter 16 unter Druck gesetzt. Jegliche erforderliche Anzapfluft fließt durch den Anzapfanschluß 18, wobei die übrige Luft in den Vergasungsbrenner 20 strömt. Im Vergasungsbrenner 20 wird die Luft mit Treibstoff vermischt und gezündet, um ein heißes Gas unter Druck zu bilden. Dieses Gas dehnt sich über die Turbine 26 aus und bewirkt, daß die Turbine 26, die Welle 30, der Verdichter 16 und das Getriebe 32 sich drehen. Das ausgedehnte Gas fließt dann durch das Abgasrohr 28 hinaus in die Umgebung. Diese Art APU wird als Maschine mit eingebauter Anzapfung bezeichnet. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch bei anders aufgebauten Gasturbinenmotoren benutzt werden.
Bezugnehmend auf 3 erstreckt sich ein Zuführungskanal 15 vom Verdichtereinlaß 14 zum Rumpf des Flugzeuges, so daß Umgebungsluft eingeführt werden kann. Bezugnehmend auf 3 weist der Kanal 15 eine veränderliche Geometrie auf. Der Begriff veränderliche Geometrie bedeutet, daß der Durchflußbereich des Kanals 15 verändert werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform wird dies von einer am Kanal 15 befestigten Tür 34 erreicht, die stufenlos zwischen einer voll geöffneten Stellung (100 Prozent Durchflußbereich) und einer geschlossenen Stellung (0 Prozent Durchflußbereich) gedreht werden kann. Als Alternative kann die Tür 34 am Flugzeugrumpf oder im Kanal selbst befestigt sein. Mit einem Winkelhebel 36 wird die Tür 34 in die angewiesene Stellung gedreht. Der Winkelhebel 36 ist mit einer Antriebsspindel 38 mit einem herkömmlichen veränderlichen Radial-Differenzwandler (RVDT – Radial Variable Differential Transducer) 42 verbunden. Durch den RVDT 42 wird die Stellung der Tür 34 zum Stellglied 40 übermittelt. Das Stellglied empfängt ein Türstellungs-Anweisungssignal von der elektronischen Steuereinheit (ECU – Electronic Control Unit) 44 des Motors und bewegt die Tür solange, bis die Sollstellung erreicht wird. In alternativen Ausführungsformen kann die veränderliche Geometrie durch eine Vielzahl von Vorrichtungen erreicht werden. Beispielsweise kann der Einlaß anstelle einer Tür eine Mehrzahl von Klappen aufweisen, die zusammen zwischen einer vollgeöffneten und einer geschlossenen Stellung gedreht werden, oder der Kanal selbst kann so aufgebaut sein, daß er sich zusammenzieht und ausdehnt, oder im Kanal kann ein Ventil befestigt sein, oder eine Platte könnte so befestigt sein, daß sie den Kanal durchgleitet.
Die ECU 44, die elektronisch oder analog sein kann, steuert den Betrieb des APU 10. Die ECU 44 umfaßt ein diagrammatisch in der 4 dargestelltes Regelsystem und -verfahren 50. Das Regelsystem 50 enthält einen Türstellungs-Funktionsblock 54. In der bevorzugten Ausführungsform empfängt der Block 54 die folgenden, die Betriebszustände des Motors anzeigenden Signale. Ein die Umdrehungsgeschwindigkeit der Welle 30 anzeigendes Signal N, ein den statischen Luftdruck am Verdichtereinlaß 14 anzeigendes Signal Ps2 und ein die Machzahl bzw. Geschwindigkeit des Flugzeuges anzeigendes Signal. Der Block 54 enthält die vierdimensionale Nachschlagetabelle, die diese drei Eingaben nimmt und ein eine vorbestimmte Türstellung anzeigendes Signal erzeugt. Diese Nachschlagetabelle wird auf dem Fachmann bekannte Weise durch Experimentierung einschließlich Höhenprüfung erstellt. Als Alternative könnte anstelle einer Nachschlagetabelle ein Algorithmus benutzt werden. Ein zweiter Funktionsblock 56 empfängt ebenfalls das Geschwindigkeitssignal N und das Signal Ps2 zusammen mit einem die Machzahl bzw. Geschwindigkeit des Flugzeuges anzeigenden Signal. Der Funktionsblock 56 enthält eine vierdimensionale Nachschlagetabelle, die diese drei Eingaben nimmt und ein ein vorbestimmtes Delta-P über die APU anzeigendes Signal erzeugt, die zuläßt, daß das Triebwerk unter den bestehenden Motorzuständen angelassen werden kann. Delta-P wird als der Unterschied zwischen dem statischen Druck am Verdichtereinlaß 14, Ps2 und dem statischen Druck am Abgasauslaß 28, Ps5 definiert. Als Alternative könnte ein Verhältnis von Gesamtdrücken benutzt werden. Diese Nachschlagetabelle wird ebenfalls auf dem Fachmann bekannte Weise durch Experimentierung einschließlich Höhenprüfung erstellt. Als Alternative könnte anstelle einer Nachschlagetabelle ein Algorithmus benutzt werden. Ein Summierer 58 zieht das Signal Ps5 vom Signal Ps2 ab, um ein das Ist-Delta-P des Motors anzeigendes Signal zu erzeugen. Dieses Signal kann auch durch Verwendung eines Delta-P-Wandlers mit einer Messung bei Ps2 und der anderen bei Ps5 erzeugt werden. Dieses Ist-Delta-P-Signal wird dann in einem Summierer 60 mit dem Soll-Delta-P-Signal kombiniert, um ein Fehlersignal Delta-Pe zu erzeugen. Das Fehlersignal wird dann in einem herkömmlichen Integral-Proportional-Regler 62 verarbeitet. Dieser Regler 62 enthält einen Integralregler 64 parallel zu einem Proportionalregler 66. Die Ausgaben der Regler 62 und 64 werden in einem Summierer 68 kombiniert, um ein Türstellungs-Einstellsignal zu erzeugen, das im Summierer 70 mit dem vorbestimmten Türstellungssignal kombiniert wird, um ein angewiesenes Türstellungssignal zu erzeugen. Dieses Signal wird dann zum Stellglied 40 gesendet, das die Tür 34 dementsprechend bewegt. Diese oben beschriebenen Schritte werden solange wiederholt, bis das Fehlersignal Delta-Pe sich Null nähert, was bedeutet, daß das Soll-Delta-P erreicht worden ist. Wenn die Umdrehungsgeschwindigkeit des APU sich 100 Prozent seiner Betriebsgeschwindigkeit nähert, schaltet der Schalter 72 vom angewiesenen Türstellungssignal auf ein Signal voll geöffnet um und stellt dadurch sicher, daß die Tür 34 voll geöffnet ist, wenn das APU seine Betriebsgeschwindigkeit erreicht. Auf gleiche Weise schaltet der Schalter 74, wenn ein Signal vom Flugzeug anzeigt, daß seine Räder den Boden berühren, was als WOW-Signal (Weight on Wheels) bezeichnet wird, vom angewiesenen Türstellungssignal auf ein Signal voll geöffnet um.
So wird ein Regelungssystem und -verfahren für eine Einlaßtür mit veränderlicher Geometrie bereitgestellt, das den Durchflußbereich des Kanals solange verstellt, bis ein Soll-Delta-P des Motors erreicht wird. Das Soll-Delta-P des Motors ist eins, bei dem unter allen erforderlichen Flugzeugbetriebsbedingungen das Anlassen des Motors nicht verhindert oder gesperrt wird.

Claims

Verfahren zum Steuern des Druckverhältnisses Delta-P über einen Gasturbinenmotor (10), der in einem beweglichen Körper mit einem Zuführungskanal (15) angeordnet ist, der sich von einer Oberfläche des Körpers zu einem Einlaß (14) des Gasturbinenmotors erstreckt, wobei der Kanal einen veränderlichen Durchflußbereich aufweist, der stufenlos zwischen einer voll geöffneten Stellung und einer geschlossenen Stellung positionierbar ist, mit folgendem Schritt: Messen mindestens eines Parameters, der den Betriebszustand des Motors anzeigt, und Erzeugen eines diesen anzeigenden Signals, und gekennzeichnet durch folgende Schritte: Empfangen des Meßsignals und Erzeugen eines einen vorbestimmten Durchflußbereich anzeigenden Signals; Empfangen des Meßsignals und Erzeugen eines ein Soll-Delta-P anzeigenden Signals; Messen des Ist-Delta-P und Erzeugen eines dieses anzeigenden Signals; Zusammenfassen des Soll-Delta-P-Signals mit dem Ist-Delta-P-Signal zum Erzeugen eines Delta-P-Fehlersignals; Verarbeiten des Delta-P-Fehlersignals durch einen Integral-Proportional-Regler (62); Zusammenfassen des verarbeiteten Delta-P-Signals mit dem Positionssignal des vorbestimmten Durchflußbereichs zum Erzeugen eines Durchflußbereich-Befehlssignals; Verändern des Durchflußbereichs als Reaktion auf das Durchflußbereich-Befehlssignal; und Wiederholen der vorherigen Schritte, bis das Soll-Delta-P erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Parametermessens den Schritt des Messens der Umdrehungsgeschwindigkeit des Motors umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt des Parametermessens weiterhin das Messen des statischen Drucks am Motoreinlaß (14) umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt des Parametermessens weiterhin das Messen des Gesamtdrucks am Motoreinlaß (14) umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt des Parametermessens den Schritt des Messens der Geschwindigkeit des beweglichen Körpers enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Messens des Ist-Delta-P das Messen des statischen Drucks am Ausstoßrohr des Motors (10) enthält.
Delta-P-Regler für einen Gasturbinenmotor (10), der in einem beweglichen Körper mit einem sich von einer Außenfläche des Körpers zum Einlaß des Gasturbinenmotors erstreckenden Zuführungskanal (15) befestigt ist, wobei der Kanal einen veränderlichen Durchflußbereich aufweist, der stufenlos zwischen einer voll geöffneten Stellung und einer geschlossenen Stellung positionierbar ist, mit einem ersten Signalgenerator (54) mit darin gespeicherten vorbestimmten Zuführungskanal-Durchflußbereichsstellungen als Funktion von Motorbetriebszuständen, der ein den Motorbetriebszustand anzeigendes erstes Signal empfängt und ein eine vorbestimmte Zuführungskanal-Durchflußbereichsstellung darstellendes Signal erzeugt, und gekennzeichnet durch einen zweiten Signalgenerator (56) mit darin gespeicherten vorbestimmten Delta-P als Funktion von Motorbetriebszuständen, der ein zweites den Motorbetriebszustand anzeigendes Signal empfängt und ein das vorbestimmte Delta-P darstellendes Signal erzeugt; Mittel (58) zum Erzeugen eines das Ist-Delta-P darstellenden Signals; einen ersten Summierungspunkt (60) zum Zusammenfassen des vorbestimmten Delta-P-Signals mit dem Ist-Delta-P-Signal zum Erzeugen eines Delta-P-Fehlersignals; eine Integral-Proportional-Regler (62) zum Zusammenfassen des verarbeiteten Delta-P-Signals mit dem vorbestimmten Zuführungskanal-Durchflußbereichssignal zum Erzeugen eines Zuführungskanal-Durchflußbereichs-Stellungsbefehlssignals; und Mittel (34, 36, 38, 40) zum Verändern des Zuführungskanal-Durchflußbereichs als Reaktion auf das Einlaßstellungs-Befehlssignal.
Regler nach Anspruch 7, wobei das zweite Motorbetriebszustandssignal ein die Geschwindigkeit des Körpers anzeigendes Signal enthält.
Regler nach Anspruch 8, wobei das Veränderungsmittel ein Betätigungsglied (40) ist.
Regler nach Anspruch 9, wobei das Veränderungsmittel weiterhin einen funktionsmäßig mit dem Betätigungsglied (40) verbundenen Winkelhebel (36) zum Positionieren des veränderlichen Durchflußbereichs und Festhalten des veränderlichen Durchflußbereichs in einer richtigen Stellung, sobald diese Stellung erreicht worden ist, enthält.