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HINTERGRUND
ZU DER ERFINDUNG
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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Schubsteuerung eines
Gasturbinentriebwerks und insbesondere ein System, das ein Drehzahlsignal
für den
Piloten bereitstellt, das Schubleistungsänderungen entsprechend gemessenen
Schubleistungscharakteristika eines bestimmten Gasturbinentriebwerks
aus den standardgemäßen Schubleistungscharakteristika
dieses Triebwerkmodells ausgleicht, um dem Piloten zu ermöglichen,
den Ausgangsschub des Triebwerks genauer an Schubanforderungen anzupassen.
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BESCHREIBUNG
DES STANDES DER TECHNIK
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Design-,
Fertigungs- und Steuerungsunterschiede sowie akkumulierte Toleranzen
von Gasturbinentriebwerken führen
zu Unterschieden bei den Betriebseigenschaften zwischen den einzelnen Triebwerken
innerhalb eines Triebwerkmodells. Eine derartige Betriebseigenschaft
stellt der Ausgangsschub dar. Um einen sicheren Betrieb des Luftfahrzeugs
zu ermöglichen,
sind Gasturbinentriebwerke gewöhnlich
dazu eingerichtet, an jedem gegebenen Triebwerk unabhängig von
den Unterschieden bei den Komponenten und Subsystemen eine vorbestimmte
minimale garantierte oder Nennschubstärke zu erzeugen. Außerdem betreiben
Piloten das Flugzeug entsprechend vorbestimmten Leistungskurven des
Triebwerkmodells. Diese Kurven ermöglichen dem Piloten, Drehzahlsteuerungen
derart einzustellen, um den erforderlichen Schub für jedes Triebwerk eines
bestimmten Modells zu erhalten, selbst wenn sämtliche akkumulierte Änderungen
in einem bestimmten Triebwerk in Richtung auf eine Triebwerkskonfiguration
gelenkt sind, die einen minimalen Ausgangsschub ergibt. Jedes Triebwerk,
das Toleranzen und Änderungen
aufweist, die nicht auf die Konfiguration des kleinsten Ausgangsschubes
begrenzt sind, erzeugt mehr Schub als durch das Flugzeug unter bestimmten
Betriebsbedingungen effektiv genutzt werden kann. Übermäßige Schubstärken mit
damit verbundenen höheren
Betriebstemperaturen rühren von
Triebwerksdrehzahlen her, die höher
als erforderlich sind. Die höheren
Betriebstemperaturen des Triebwerks tragen zu erhöhtem Verschleiß und größerer Beeinträchtigung
des Triebwerks bei, die die Betriebslebensdauer des Triebwerks verringern.
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Im
Stand der Technik für
Gasturbinentriebwerke mit hydromechanischen Treibstoffsystemen ist die
Steuerungsarchitektur derart entworfen worden, dass die „minimale" oder „für den schlechtesten
Fall ausgelegte" („Worst-Case"-)Triebwerksleistung
bei dem Einstellparameter für
den Zielschub (Bläser- oder
Fan-Drehzahl) den erforderlichen Schub mit einem Sicherheitszuschlag
erzeugt. Die Zieldrehzahlpläne
für den
Bläser
(Fan) werden basierend auf Umgebungsbedingungen, Leistungscharakteristika
des Triebwerks und gewünschten
Schubnennwerten bestimmt. Auf Grund von Einschränkungen bei hydromechanischen
Treibstoffsystemen ist ein individuelles „Maßschneidern" der Fan-Zieldrehzahlpläne auf einer
Maschine-für-Maschine-Basis
bisher noch nicht bewerkstelligt worden. Deshalb ergibt der Schubeinstellparameterplan,
der für
die „minimale" oder „Worst-Case"-Triebwerksleistung ausgewählt ist, eine
große
Zahl von Triebwerken mit überhöhtem Schub.
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Ein
Closed-Loop-Regelungssystem für
eine Gasturbine mit Kompensation eines Überschubs und einer Triebwerksbeeinträchtigung
ist aus der US-A-4 313 167 bekannt.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist durch ein Drehzahlanzeigesystem für Gasturbinentriebwerke
mit hydromechanischen Treibstoffsteuerungen/-regelungen gebildet,
die Unterschiede bei dem Schub, der im Vergleich zu dem nominalen
Schub tatsächlich
erzeugt wird, ausgleicht. Die Erfindung verwendet vorbestimmte Leistungskurven
eines Triebwerkmodells und tatsächliche
Leistungswerte des Triebwerks, um einen modifizierten Schubeinstellparameter (Fan-Drehzahl)
zu berechnen. Kurven, die eine Fan-Drehzahländerung für ein bestimmtes Triebwerkmodell
kennzeichnen, werden in eine Speichervorrichtung einprogrammiert.
Eine Auswahl einer speziellen Fan-Drehzahländerungskurve ergibt ein Drehzahlanzeichen,
das dem Piloten ermöglicht,
den Triebwerksschub genauer an eine gewünschte Schubstärke anzupassen.
Das erzeugte Ausgangssignal wird anschließend an die Fan-Drehzahlsignal-Displayeinheit für den Bediener
des Triebwerks übermittelt,
wo das modifizierte Signal durch den Piloten dazu verwendet, diejenige
Fan-Drehzahl des Triebwerks einzustellen, die der gewünschten Schubstärke entspricht.
Insbesondere stellt der Bediener des Triebwerks die Triebwerksdrossel
in der Weise ein, dass das modifizierte Fan-Drehzahlsignal mit der
Fan-Zieldrehzahl übereinstimmt,
die bei den gegebenen Umgebungsbedingungen dem gewünschten
Schubnennwert entspricht. Da die Fan-Zieldrehzahl unter Verwendung
des modifizierten Fan-Drehzahlsignals eingestellt wird, läuft das Triebwerk
bei einer niedrigeren Drehzahl im Vergleich zu einer Zieleinstellung,
bei der das nicht modifizierte Fan- Drehzahlsignal verwendet wird. Dies wiederum
führt dazu,
dass das Gasturbinentriebwerk den benötigten Schub erzeugt, während ein
durch den Unterschied zwischen den einzelnen Triebwerken verursachter Überschubzuschlag
beseitigt wird, wodurch Triebwerkstemperaturen verringert werden und
die Triebwerksbetriebslebensdauer verlängert wird.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Der
Aufbau, die Betriebsweise und Vorteile der momentan bevorzugten
Ausführungsform
dieser Erfindung erschließen
sich unter Berücksichtigung der
folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Figuren,
in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen:
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1 zeigt
eine graphische Darstellung von Fan-Drehzahländerungspegeln, die verwendet
werden, um einen Schubabgleich für
eine Reihe von Ausgangsschubveränderlichkeiten
des Triebwerks zu schaffen;
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2 zeigt
ein schematisiertes Blockdiagramm unter Veranschaulichung einer
bevorzugten Ausführungsform
des Systems zur Steuerung der Drehzahl eines Gasturbinentriebwerks
entsprechend der vorliegenden Erfindung;
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3 zeigt
ein "schematisiertes
Blockdiagramm unter Veranschaulichung eines Fan-Drehzahländerungssystems
zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung;
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4 zeigt
ein schematisches Blockdiagramm unter Veranschaulichung einer zweiten
bevorzugten Ausführungsform
des Systems zur Steuerung der Drehzahl der Gasturbine entsprechend
der vorliegenden Erfindung.
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BETRIEBSWEISE
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Durch
Prüfung
eines Musters von Gasturbinen eines Triebwerkmodells nach der ursprünglichen Herstellung
werden für
ein bestimmtes Modell charakteristische Daten der Triebwerksleistung
bestimmt. Diese charakteristische Leistungsdaten werden dazu verwendet,
um Fan-Drehzahländerungscharakteristika
zu erzeugen, die Differenzen zwischen den tatsächlichen Ausgangsschubstärken des Triebwerks
in Bezug auf die nominale Drehzahl innerhalb eines gegebenen Triebwerkmodells
kennzeichnen. Diese erzeugten Fan-Drehzahländerungscharakteristika zeigen
die entsprechende Änderung der
Fan-Drehzahl auf, die erforderlich ist, um den erzeugten Ist-Schub
an den nominal erforderlichen Schub anzupassen. 1 zeigt
eine graphische Darstellung von Fan-Drehzahlleistungscharakteristika, die
Elemente eines Triebwerkmodells kennzeichnen, über einer nominalen Drehzahleinstellung
unter Veranschaulichung der Stärke
einer Fan-Drehzahländerung,
die erforderlich ist, um die bei jeder bestimmten Drehzahleinstellung
erwartete Schubstärke
zu erzeugen. Die Fan-Drehzahlleistungscharakteristika 100–110 werden
durch Auswertung einer großen
Anzahl von Triebwerken eines bestimmten Modells empirisch bestimmt.
Die erforderliche Drehzahländerung
variiert mit der tatsächlichen
Fan-Drehzahl, und die Änderungspegel
sind bei Startdrehzahlen am größten, bei
denen die Beeinträchtigung
der Triebwerksleistung auf Grund von hohen Temperaturen am größten ist.
Jede der Charakteristika 100–110 repräsentiert
das Drehzahlverhalten einiger Mitglieder einer Triebwerkmodellfamilie.
Die Charakteristik 100 veranschaulicht eine nominale Fan-Drehzahl
eines Triebwerks, die der vom Bediener ausgewählten Drehzahl für ein spezielles
Gasturbinentriebwerk entspricht. Die Charakteristika 101 bis 109 zeigen
die vor hergesagte Abweichung der Drehzahl von der vom Bediener ausgewählten Nenndrehzahl
für gewählte Gruppen
von Triebwerken derselben Triebwerksart, für die die Charakteristik 100 die
Nenndrehzahl kennzeichnet. Die Charakteristik 110 zeigt
die maximale vorhergesagte Abweichung der Drehzahl von der vom Bediener
ausgewählten
Nenndrehzahl unter normalen Betriebsbedingungen. Die in der Charakteristik 110 veranschaulichte
maximale Drehzahlabweichung ist derart gewählt, um sicherzustellen, dass
der durch das Triebwerk erzeugte Ist-Schub, der der vom Fahrzeugführer gewählten Nenneinstellung
entspricht, den erforderlichen Schub zuzüglich eines Sicherheitszuschlags
ergibt. Wie im unteren linken Bereich der 1 veranschaulicht,
ist für
Gasturbinentriebwerke bei Leerlaufdrehzahlen keine Korrektur erforderlich,
weil im Leerlauf kein Schub erzeugt wird. Bei einer Annäherung des
Triebwerks an Startdrehzahlen steigt der Ausgangsschub und auch
die Größe der Abweichung
bestimmter Triebwerke von nominalen Schubwerten an. Wenn sich die
Triebwerksdrehzahl den maximalen Motorbetriebsbedingungen (der Redline-Drehzahl)
annähert,
fällt die
Größe der Änderung
scharf ab, da durch den Piloten maximaler Ausgangsschub ausgewählt wird.
An der Redline wird keine Änderung
der Fan-Drehzahl vorgenommen, weil die Redline-Drehzahl die maximal
zulässige
Betriebsdrehzahl bildet.
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Die
Größe der Drehzahländerung,
die erforderlich ist, um die erforderliche Drehzahländerung
für ein
bestimmtes Triebwerk zu bewerkstelligen, basiert auf individuellen
Ergebnissen von Triebwerkstests, die entweder auf die ursprüngliche
Herstellung folgend oder auf nachfolgende Triebwerkwartungen folgend
durchgeführt
werden. Wenn die einzelnen Ergebnisse der Triebwerktests gewonnen
worden sind, werden die Schubleistungscharakteristika des Trieb werks
gegenüber
dem nominalen Ausgangsschub für
das bestimmte Triebwerkmodell gemessen, so dass der geeignete Wert
der Drehzahländerung
ermittelt werden kann, um auszuwählen,
welche der Charakteristika 101–109 am besten dazu
geeignet ist, das Drehzahlanzeichen für das bestimmte Triebwerk zu
verändern,
um den Ist-Schub an den nominalen Schub anzupassen. Die vorliegende
Erfindung verändert
das Fan-Realzeit-Drehzahlsignal derart, dass das dem Triebwerkbediener
bereitgestellte Drehzahlanzeichen angepasst wird, um gemessene Unterschiede
gegenüber
dem standardgemäßen Ausgangsschub
für das
bestimmte Triebwerk zu kompensieren.
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2 veranschaulicht
das Fan-Drehzahländerungssystem 25 für ein Gasturbinentriebwerk 10 und
eine Flug-Steuereinrichtung 17. Ein Fan-Drehzahlsensor 11 ist über einen
Leiter 12 mit der Fan-Drehzahländerungseinheit (FSMU, Fan
Speed Modifier Unit) 15 verbunden. Eine Speichervorrichtung 13,
die innerhalb der FSMU 15 enthalten ist, weist einprogrammierte
spezifische Fan-Drehzahlcharakteristika des Gasturbinentriebwerks,
beispielsweise die in 1 erkennbaren Charakteristika,
auf. An die FSMU 15 ist über einen Leiter 14 eine Fan-Drehzahländerungsstärke-Auswahlvorrichtung oder
ein Identifikationsstecker (eine Identifikationssteckgruppe) 19 angeschlossen.
Die FSMU 15 erzeugt eine Ausgangsgröße, die über einen Leiter 16 zu
dem Triebwerkdisplay 18 innerhalb der Flug-Steuereinrichtung 17 übermittelt
wird.
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Im
Betrieb wird das tatsächliche
(Realzeit-)Fan-Drehzahlsignal in dem Drehzahländerungssystem 25 verändert und
anschließend über den
Leiter 16 zu der Flug-Steuereinrichtung 17 gesandt. 3 veranschaulicht
ein schematisches Blockdiagramm des Drehzahländerungssystems 25 nach 2.
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Es
ist ein schematisiertes Schaubild der Fan-Drehzahländerungsstärke-Auswahlvorrichtung oder
des Identifikationssteckers 19 veranschaulicht, die bzw.
der über
den Leiter 14 mit der FSMU 15 verbunden ist. In
einer bevorzugten Ausführungsform weist
die Fan-Drehzahländerungsstärke-Auswahlvorrichtung
oder der Identifikationsstecker 19 mehrere Kontaktstifte,
die dazu eingerichtet sind, zu elektrischen Buchsen der FSMU 15 zu
passen. Die in dem Identifikationsstecker 19 enthaltene
elektrische Schaltung ist derart gestaltet, dass eine Fan-Drehzahlcharakteristik
für ein
bestimmtes Triebwerk aus der Speichervorrichtung 13 ausgewählt wird.
Beispielsweise veranschaulicht 3, dass
die Information, die zu der Änderungskurve 108 in
der Speichervorrichtung 13 gehört, ausgewählt ist, während Informationen in Bezug
auf alle anderen Änderungskurven
nicht ausgewählt
bleiben. Um die physikalische Konfiguration zu erzielen, die der
Auswahl der Charakteristik 108 entspricht, wie in 3 veranschaulicht,
wird ein Stiftepaar des Steckers 19 verbunden, wenn der
Stecker 19 in die Speichervorrichtung 13 eingeführt wird,
so dass die Schaltung, die der Auswahl der Charakteristik 108 nach 3 entspricht, aktiviert
wird. Die anderen Stifte des Steckers 19 werden deaktiviert,
indem beispielsweise die Stifte getrennt belassen werden, um eine
Aktivierung eines ungeeigneten Änderungssignals
zu verhindern. Eine Sammlung von Identifikationssteckern 19 würde mehrere
Stecker enthalten, von denen wenigstens einer dazu konfiguriert
ist, jede der in 1 veranschaulichten Charakteristika 100–110 für ein bestimmtes
Triebwerkmodell auszuwählen,
so dass nach einer Überprüfung des
Schubverhaltens eines bestimmten Triebwerks der Stecker, der die
erforderliche Aktivierung herbeiführt, in die Schaltung eingefügt werden
kann, um als Ausgabe von der Speichervorrichtung 13 die
erforderliche Änderungsstärke zur Steuerung
eines bestimmten Triebwerks zu liefern.
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Wenn
der Identifikationsstecker 19 die geeignete Fan-Drehzahlcharakteristik
auswählt,
werden die Fan-Drehzahlcharakteristikdaten (oder Änderungskurvendaten) über einen
Leiter 26 zu dem Signalprozessor 27 übermittelt.
Die tatsächliche Fan-Drehzahl
wird durch den Fan-Drehzahlsensor 11 erfasst und über den
Leiter 12 an den Signalprozessor 27 übermittelt.
Der Signalprozessor 27 summiert die von dem Leiter 26 und
dem Leiter 12 empfangenen Signale auf, um ein modifiziertes
Fan-Drehzahlsignal zu erzeugen. Das modifizierte Fan-Drehzahlsignal
wird über
den Leiter 16 zu der Flug-Steuereinrichtung 17 gesandt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das modifizierte Fan-Drehzahlsignal ein analoges Signal. Das
modifizierte Fan-Drehzahlsignal wird dem Triebwerksdisplay 18 innerhalb
der Flug-Steuereinrichtung 17 nach 2 und 3 bereitgestellt,
so dass der Wert des modifizierten Fan-Drehzahlsignals größer ist
als der tatsächliche
Drehzahlwert des Gasturbinentriebwerks in dem Startbereich. Dieser
größer angezeigte
Fan-Drehzahlwert informiert den Bediener des Triebwerks darüber, dass
die Drosseleinstellung auf die angestrebte Fan-Drehzahl verringert werden
kann, die erforderlich ist, um den benötigten Schub für das bestimmte
Triebwerk zu erzeugen. Eine Verringerung der Drosseleinstellung
senkt wiederum die tatsächliche
Fan-Drehzahl durch
Verringerung des Treibstoffverbrauchs. Das Drehzahländerungssystem 25 führt eine
Selbstdiagnose durch, um einen ordnungsgemäßen Betrieb sicherzustellen,
so dass im Falle eines Betriebsfehlers ein unverändertes Fan-Dreh zahlsignal,
beispielsweise die Charakteristik 100 nach 1,
zu der Flug-Steuereinrichtung 17 übermittelt wird.
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BETRIEB IN
EINER ZWEITEN BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Indem
nun auf die in 4 veranschaulichte Ausführungsform
Bezug genommen wird, sind das Fan-Drehzahländerungssystem für ein Gasturbinentriebwerk 20 und
die Flug-Steuereinrichtung 17 mit dem
in 2 dargestellten System gleich, mit der Ausnahme,
dass das Gasturbinentriebwerk 20 nach 4 eine
elektronische Überwachungssteuerung enthält, die
als Leistungsmanagementsteuerung (PMC, Power Management Control) 22 bekannt
ist, während
die Flug-Steuereinrichtung 17 nach 4 ein Triebwerkdisplay 32 mit
wenigstens einem analogen und wenigstens einem digitalen Eingang
enthält. Die
FSMU 15 enthält
einen Ausgang, der über
einen Leiter 24 mit dem Triebwerkdisplay 32 verbunden
ist, sowie einen Ausgang, der über
einen Leiter 21 zu der PMC 22 führt. In
Abhängigkeit
von der speziellen Anwendung liefert die PMC entweder eine analoge
oder eine digitale Ausgabe über
einen Leiter 23 an das Triebwerkdisplay 32. In
dieser bevorzugten Ausführungsform
erfordert das Triebwerkdisplay 32 wenigstens zwei Fan-Drehzahlanzeichen-Eingaben,
von denen eine durch die PMC 22 bereitgestellt wird, während die
andere durch den Fan-Drehzahlsensor 11 (über die
FSMU 15 und den Leiter 24) geliefert wird. In
einer abgewandelten Ausführungsform
wird das resultierende aufsummierte Signal über den Leiter 21 zu
der PMC 22 und über
den Leiter 24 zu der Flug-Steuereinrichtung übermittelt,
wie in 4 dargestellt.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung mit Bezug auf ihre bevorzugte Ausführungsformen
beschrieben worden ist, ist es für
Fachkundige offensichtlich, dass Veränderungen und Abwandlungen
der Erfindung vorgenommen werden können, ohne von dem Rahmen der
beigefügten
Ansprüche
abzuweichen, die die vorliegende Erfindung definieren.