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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft ein Turbomaschinensteuersystem und genauer ein
digitales elektronisches Reservesteuersystem.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Moderne
Flugzeugmaschinen werden von einem elektronischen Maschinensteuersystem
angesteuert, das den Schub und das von der Maschine gelieferte Drehmoment
steuert. Normalerweise sind solche Systeme mit einem Mikroprozessor
ausgebildet, was erlaubt, dass die Steueralgorithmen in Software
implementiert werden.
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Das
elektronische Maschinensteuersystem muss mindestens eine Überdrehzahl
der Turbomaschine detektieren, die fatal für sie sein könnte. In
so einem Fall ist es wichtig, den Brennstofffluss abzustellen.
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Diese
Steueralgorithmen steuern die Wellendrehzahl der Turbomaschine,
indem sie den Brennstofffluss durch eine hydromechanische Brennstoff dosierende
Einheit planen. Sensoren an der Turbomaschine stellen Information
darüber
bereit, was benötigt
wird, um die Turbomaschine anzutreiben. Die Steueralgorithmen, die
auf den Mikroprozessor laufen, erstellen den richtigen Brennstofffluss
unter Verwendung aller Eingaben.
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In
einem Notfall ist es wichtig, sich auf ein Reservesystem zu verlassen.
Solche Reservesysteme werden der Brennstoff dosierenden Einheit
dieselbe Information zur Verfügung
stellen. Nun sind zwei verschiedene Konfigurationen verfügbar.
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In
der ersten verfügbaren
Konfiguration ist das Reservesystem ein hydromechanisches Reservesystem.
In dieser Konfiguration steuert das Reservesystem den Brennstofffluss
durch ein mechanisches, hydraulisches oder pneumatisches Steuersystem.
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In
der anderen verfügbaren
Konfiguration ist das Reservesystem ein weiteres elektronisches
Maschinensteuersystem, das identisch mit dem elektronischen Hauptsteuersystem
ist. Solch ein paralleles System wird ein elektronisches Zweikanal-Maschinensteuersystem
genannt. Ein spezieller Algorithmus kann verwendet werden, um ein
korrektes Umschalten zwischen einem Kanal und dem anderen sicherzustellen.
Elektronische Reservemaschinensteuersysteme des Stands der Technik
sind in
US 4 794 755 und
US 3 975 902 offenbart.
US 4 794 755 offenbart ein
Reservesystem gemäß dem Oberbegriff von
Anspruch 1.
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Weiterhin
erhöht
die Verwendung einer hydromechanischen Reservesteuerung das Gewicht und
die Komplexität
des Steuersystems; daher ist dies keine vorteilhafte Lösung für eine Verwendung
in einem Flugzeug.
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Wenn
ein Versagen des elektronischen Maschinensteuersystems detektiert
wird, kann ein plötzlicher Übergang
von dem elektronischen Maschinensteuersystem auf ein Reservemaschinensteuersystem
schädlich
für die
Turbomaschine sein. Tatsächlich
können,
wenn der von dem elektronischen Maschinensteuersystem bei seinem
Versagen berechnete Brennstofffluss sehr verschieden von dem von dem
Reservemaschinensteuersystem bei seiner Aktivierung berechneten
Brennstofffluss ist, wegen der nicht kontinuierlichen Bereitstellung
von Brennstoff große
Schäden
auftreten.
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Daher
besteht ein Bedarf für
ein zuverlässiges
Reservesteuersystem, das in dem Fall des Versagens auf glatte Weise
die Steuerung der Turbomaschine übernehmen
wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein elektronisch betriebenes
Reservesystem für
eine Turbomaschine bereitzustellen, um im Fall des Versagens des
elektronischen Hauptmaschinensteuersystems verwendet zu werden.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein elektronisch
betriebenes Reservesystem für
eine Turbomaschine bereitzustellen, das nicht in einer Verdopplung
des elektronischen Hauptmaschinensteuersystems besteht.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein elektronisch betriebenes
Reservesystem für
eine Turbomaschine bereitzustellen, das in der Lage ist, die Maschine
zu starten.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein elektronisch
betriebenes Reservesystem für
eine Turbomaschine bereitzustellen, das in der Lage ist, einen Mindestbrennstofffluss
in der Maschine zu garantieren, um ein Flammenerlöschen zu
vermeiden.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein elektronisch
betriebenes Reservesystem für
eine Turbomaschine bereitzustellen, das in der Lage ist, Leistungszunahme
oder -abnahme in der Maschine während
des Übergangs
auf das Reservesteuersystem zu vermeiden.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird ein Reservesystem zum Steuern einer Turbomaschine mittels
einer Brennstoff dosierenden Einheit, wenn die elektronische Maschinensteuerung
der Turbomaschine versagt, bereitgestellt, wobei das Reservesystem
eine Reserve-Brennstofffluss-Berechnungseinheit aufweist, wobei
die Reserve-Brennstofffluss-Berechnungseinheit mindestens die von
dem Turbomaschinenbetreibersignal angeforderte Brennstoffmenge und
die tatsächliche
Wellendrehzahl der Turbomaschine erhält und eine Brennstoffmenge
berechnet, die der Turbomaschine bereitzustellen ist, um ihre Drehzahl
anzupassen, um eine Wellendrehzahl zu erreichen, die der von dem
Betreibersignal angeforderten Brennstoffmenge entsprechend ist,
wobei das Reservesystem einen Speicher des letzten Brennstoffflusses
aufweist, wobei der Spei cher der letzten Brennstoffflusses den letzten
Brennstoffflusswert speichert, der von der elektronischen Maschinensteuerung
vor ihrem Versagen bereitgestellt worden ist, wobei das Reservesystem
eine Übergangs-Brennstofffluss-Managementeinheit
aufweist, wobei die Übergangs-Brennstofffluss-Managementeinheit
die von der Reserve-Brennstofffluss-Berechnungseinheit berechnete
Brennstoffmenge und den in dem Speicher gespeicherten letzten Brennstoffflusswert
erhält
und einen Brennstoffbetrag erstellt, um ihn der Brennstoff dosierenden
Einheit bereitzustellen.
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In
einer Ausführungsform
ist ein nicht-flüchtiger
Speicher mit der Reserve-Brennstofffluss-Berechnungseinheit
verbunden. Der nicht-flüchtige Speicher
kann eine Nachschlagetabelle aufweisen, die eine Beziehung zwischen
einem Brennstoffverbrauch der Turbomaschine und der Drehzahl der
Turbomaschine unter Verwendung der Umgebungstemperatur und des Umgebungsdrucks
bereitstellt.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen eines
Brennstoffflusswerts im Fall einer Fehlfunktion bereitgestellt, welches
die Schritte Erhalten eines aktuellen Brennstoffflusswerts, der
einer Brennstoff dosierenden Einheit einer Turbomaschine von einer
Haupt-Brennstofffluss-Berechnungseinheit bereitgestellt wird, Speichern
des aktuellen Brennstoffflusswerts in einem Speicher bei Detektion
einer Fehlfunktion der Haupt-Brennstofffluss-Berechnungseinheit,
Berechnen eines Übergangswerts
unter Verwendung des gespeicherten Brennstoffflusswerts und eines
Reserve-Brennstoffflusswerts, der von einer Reserve-Brennstofffluss-Berechnungseinheit
erhalten wird, und Ausgeben des Übergangswerts
an die Brennstoff dosierende Einheit aufweist.
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In
einer Ausführungsform
ist die Turbomaschine eine Flugzeugturbomaschine, wobei das Verfahren
weiterhin Berechnen des Reserve-Brennstoffflusswerts unter Verwendung
von Sensorablesungen von dem Flugzeug und anfangs von dem gespeicherten
aktuellen Brennstoffflusswert aufweist, wobei das Berechnen eines
Reserve-Brennstoffflusswerts einen Algorithmus verwendet, der sich
von dem Algorithmus unterscheidet, der zur Berechnung des Hauptbrennstoffwerts
verwendet wird, wobei der Reserve-Brennstoffflusswert einen glatten Übergang zwischen
dem aktuellen Brennstoffflusswert vor der Fehlfunktion und zukünftigen
Brennstoffflusswerten aufweist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird durch eine Betrachtung der folgenden Beschreibung
zusammen mit den beigefügten
Zeichnungen besser verstanden werden, wobei:
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1a zeigt
ein Blockdiagramm einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wobei eine Turbomaschine entweder von
einer elektronischen Maschinensteuerung oder von einer Reservesteuerung
mittels einer Brennstoff dosierenden Einheit angesteuert ist;
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1b zeigt
ein Blockdiagramm einer anderen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, wobei eine Turbomaschine entweder von einer elektronischen
Maschinensteuerung oder von einer Reservesteuerung mittels einer
Brennstoff dosierenden Einheit angesteuert ist; eine Überdrehzahlsteuerung stellt
sicher, dass geeignete Maßnahmen
im Fall einer Überdrehzahldetektion
getroffen werden;
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2 zeigt
ein Flussdiagramm der von einer elektronischen Maschinenreservesteuerung
ausgeführten
Abläufe;
dabei wird zuerst ein Test ausgeführt, um zu wissen, ob die Reservesteuerung
ausgewählt
ist, und in einem solchen Fall wird ein Test ausgeführt, um
herauszufinden, ob dies das erste Mal ist, dass die Reservesteuerung
ausgewählt
worden ist, wobei in jedem Fall verschiedene Abläufe ausgeführt werden, um die Turbomaschine
sicher anzutreiben;
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3 zeigt
ein Flussdiagramm der Abläufe, die
ausgeführt
werden, um die Brennstoffmenge zu berechnen, wenn der Übergang
zwischen der elektronischen Maschinensteuerung und der elektronischen
Maschinenreservesteuerung abgeschlossen ist;
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4 zeigt
ein Flussdiagramm der Abläufe, die
ausgeführt
werden, um den Brennstoff zu berechnen, der benötigt wird;
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5 zeigt
ein Flussdiagramm der Abläufe, die
ausgeführt
werden, um den benötigten
Brennstoff in einem Fall zu berechnen, in dem ein Inkrement zu einem
berechneten Wert hinzugefügt
wird; und
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6 zeigt
ein Flussdiagramm der Abläufe, die
ausgeführt
werden, um den benötigten
Brennstoff in einem Fall zu berechnen, in dem ein Inkrement von einem
berechneten Wert abgezogen wird.
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BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nun
Bezug nehmend auf 1a, ist eine Turbomaschine 30 gezeigt
Diese Turbomaschine 30 erhält Brennstoff von einer Brennstoff
dosierenden Einheit 20. Die Brennstoff dosierende Einheit 20 wird mit
Brennstoff versorgt, der von dem Brennstofftank des Flugzeugs kommt.
Die Brennstoff dosierende Einheit 20 wird entweder von
einer Haupt-Brennstofffluss-Berechnungseinheit 14 oder
von einer Reservesteuerung 25 angesteuert. Im Fall des
Versagens der Haupt-Brennstofffluss-Berechnungseinheit 14 erstellt
die Reservesteuerung 25 die Anforderung für Brennstofffluss
an die Brennstoff dosierende Einheit 20. Sowohl die Haupt-Brennstofffluss-Berechnungseinheit 14 als
auch die Reservesteuerung 25 sammeln Informationen, die
von einer Gruppe von Sensoren 35 kommen. Die Art von Informationen,
die von der Haupt-Brennstofffluss-Berechnungseinheit 14 und
der Reservesteuerung 25 verwendet werden, wird im Folgenden
in größerem Detail
beschrieben.
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Genauer
und immer noch Bezug nehmend auf 1a, weist
die Gruppe von Sensoren 35 einen Drosselhebelwinkel-("Throttle Lever Angle" – TLA)Sensor 10, einen
Umgebungsdruck-(PAmb)Sensor 12,
einen Umgebungstemperatur-(TAmb)Sensor 11 und einen Turbomaschinendrehzahl-(N)Sensor 13 auf.
Eine Überwachungseinrichtung 16 empfängt die Signale
von der Gruppe von Sensoren 35. Die Überwachungseinrichtung 16 empfängt auch
die Brennstofffluss-Anforderung
von der Haupt-Brennstofffluss-Berechnungseinheit 14. Die Überwachungseinrichtung 16 ist
dann in der Lage, jegliches Versagen von der Haupt-Brennstofffluss-Berechnungseinheit 14 zu
detektieren, da sie ihre Einga ben und ihre Ausgaben kennt. Im Fall
einer Detektion eines Versagens wird die Haupt-Brennstofffluss-Berechnungseinheit 14 die
Reservesteuerung 25 und einen Multiplexer informieren.
Der Multiplexer 19 ist dafür verantwortlich, zwischen
der von dem Reservesystem 25 kommenden Brennstofffluss-Anforderung
und der von der Haupt-Brennstofffluss-Berechnungseinheit 14 kommenden
Brennstofffluss-Anforderung auszuwählen.
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Das
Reservesystem 25 weist eine Reserve-Brennstofffluss-Berechnungseinheit 15,
einen Speicher des letzten Brennstoffflusses 17 und eine Übergangs-Brennstofffluss-Managementeinheit 18 auf.
Die Brennstofffluss-Berechnungseinheit 15 kann in einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mit der Haupt-Brennstofffluss-Berechnungseinheit 14 identisch
sein. Der Zweck der Reserve-Brennstofffluss-Berechnungseinheit 15 ist,
die Brennstoffmenge zu erstellen, die es der Turbomaschine erlauben
wird, ihre Drehzahl gemäß der von
dem Piloten des Flugzeugs gewählten
TLA 10 anzupassen. Im Fall eines Versagens der Haupt-Brennstofffluss-Berechnungseinheit 14,
die von der Überwachungseinrichtung 16 detektiert
wird, wird der letzte Brennstofffluss von dem Speicher des letzten
Brennstoffflusses 17 gespeichert. Eine Übergangs-Brennstofffluss-Managementeinheit 18 wird
in einem solchen Fall aktiviert. Diese Übergangs-Brennstofffluss-Managementeinheit 18 wird
einen Brennstofffluss-Anforderungswert erstellen, der gleich einem
Wert sein wird, der einen Übergang
von dem letzten Brennstoffflusswert, der von dem Speicher des letzten
Brennstoffflusses 17 gespeichert ist, und einem von der
Reserve-Brennstofffluss-Berechnungseinheit 15 berechneten
Wert darstellt. Dies wird einen glatten Übergang von dem Zeitpunkt des
Versagens zu dem Zeitpunkt der Wiederherstellung durch die Reserve-Brennstofffluss-Berechnungseinheit 15 sicherstellen.
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Nun
Bezug nehmend auf 1b, ist eine Reservesteuerung 25 gezeigt.
Die Reservesteuerung 25 weist eine Überdrehzahlsteuerung 21 auf. Die Überdrehzahlsteuerung 21 erhält die Wellendrehzahl
von einer Gruppe von Sensoren 35. Im Fall einer Überdrehzahldetektion
verhängt
die Überdrehzahlsteuerung 21,
die die Brennstoff dosierende Einheit 20 steuert, ein Abschalten
der Brennstoffzuführung
in der Turbomaschine 30 mittels der Brennstoff dosierenden
Einheit 20. In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung weist die Gruppe von Sensoren 35 verschiedene
identische Sensoren auf, um sichere In formationen im Falle des Versagens
eines Sensors zur Verfügung
zu stellen. Immer noch Bezug nehmend auf 1b, sind
um der Klarheit willen nur zwei identische Sensoren für die Wellendrehzahlmessung
gezeigt, welche der Wellendrehzahlsensor 13 und der Überdrehzahl-Wellendrehzahlsensor 22 sind.
In dieser Ausführungsform enthält die Reserve-Brennstofffluss-Berechnungseinheit 15 auch
einen verzögerten
Brennstoffflusswert von einer Verzögerungseinheit 26 und
ein Signal von der Überwachungseinheit 16.
Die Reserve-Brennstofffluss-Berechnungseinheit 15 erhält auch
ihren berechneten Brennstofffluss-Anforderungswert unter Verwendung von
Rückkopplungssignal 24.
Diese zwei Merkmale ermöglichen
z.B. einen Start der Maschine im Fall eines Versagens der Haupt-Brennstofffluss-Berechnungseinheit 14.
In dieser Ausführungsform
der Erfindung kann eine breite Auswahl von Steuerungsstrategien
implementiert werden. Die Verzögerungseinheit 26 hilft,
den letzten validierten Brennstoffflusswert zur Verfügung zu
stellen, um im Fall des Versagens der Sensoren einen unbeschädigten Wert
anzubieten; solche eine Verzögerung
kann um 40 ms herum betragen.
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Nun
Bezug nehmend auf 2, ist ein Flussdiagramm gezeigt,
das die Abläufe
anzeigt, die von der Übergangs-Brennstofffluss-Managementeinheit 18 ausgeführt werden.
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Gemäß Schritt 67 der
vorliegenden Erfindung wird ein Test von der Übergangs-Brennstofffluss-Managementeinheit 18 ausgeführt, um
zu überprüfen, ob
der Reservemodus ausgewählt
worden ist. Der Reservemodus ist als die Zeitspanne zwischen dem
Versagen der Haupt-Brennstofffluss-Berechnungseinheit 14 und
dem Ende des Nachführens definiert.
Wenn ein Reservemodus ausgewählt
worden ist, wird gemäß Schritt 65 von 2 ein
Test ausgeführt,
um zu wissen, ob dies das erste Mal ist, dass der Reservemodus ausgewählt ist
(d.h. das Versagen der Haupt-Brennstofffluss-Berechnungseinheit 14 ist
gerade erfolgt). Wenn dies das erste Mal ist, dass der Reservemodus
ausgewählt
ist und gemäß Schritt 66,
ist die Brennstofffluss-Anforderung gleich der letzten Brennstofffluss-Anforderung.
Die Übergangs-Brennstofffluss-Managementeinheit 18 verwendet
die Information, die in der letzten Brennstofffluss-Managementeinheit
gespeichert ist, um die letzte Brennstofffluss-Anforderung zu erhalten.
Gemäß Schritt 68 werden
dann verschiedene Berechnungen ausgeführt.
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Nun
Bezug nehmend auf 4, ist die während Schritt 68 durchgeführte Berechnung
gezeigt. Gemäß Schritt 74 wird
der benötigte
Brennstoff (FN) berechnet. Die Berechnung
des benötigten
Brennstoffs (FN) während Schritt 74 ist
in 3 im Detail gezeigt. Diese Berechnung wird von
der Reserve-Brennstofffluss-Berechnungseinheit 15 ausgeführt. Gemäß 3 wird
das TLA-Signal von der Reserve-Brennstofffluss-Berechnungseinheit 15 eingelesen.
Ein Zugriff auf eine Nachschlagetabelle wird gemäß Schritt 86 ausgeführt. Gemäß Schritt 87 erstellt
das TLA-Signal eine Drehzahlreferenz (NRef)
unter Verwendung des Zugriffs auf die Nachschlagetabelle. Die tatsächliche
Drehzahl der Turbomaschine wird gemäß Schritt 88 und unter
Verwendung des von dem Wellendrehzahlsensor 13 kommenden
Signals eingelesen. An diesem Punkt wird die Differenz zwischen
der Drehzahlreferenz und der tatsächlichen Drehzahl gemäß Schritt 89 berechnet.
Ein Zugriff auf eine Nachschlagetabelle wird gemäß Schritt 90 ausgeführt. Zuletzt
wird der benötigte
Brennstoff unter Verwendung der berechneten Differenz und des Zugriffs
auf die Nachschlagetabelle bestimmt.
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Nun
wieder Bezug nehmend auf 4, sobald der benötigte Brennstoff,
wie oben beschrieben, bestimmt ist, wird die Differenz zwischen
der letzten Brennstofffluss-Anforderung (Fvalidiert)
von der Haupt-Brennstofffluss-Berechnungseinheit 14 und dem
benötigten
Brennstoff (FN) gemäß Schritt 101 berechnet.
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Nun
wieder Bezug nehmend auf 2, wird bei Schritt 69 ein
Test an dem Ergebnis der berechneten Differenz (Fvalidiert – FN) 79 ausgeführt. Wenn das Ergebnis gleich
null ist, ist das Nachführen
beehdet, das eine glatte Änderung
zwischen der letzten Brennstofffluss-Anforderung von dem Speicher 17 und
dem Brennstofffluss-Anforderungswert, der von der proportionalen
Reservesteuerungsschleife von der Reserve-Brennstofffluss-Berechnungseinheit 15 gegeben
ist, sicherstellt. Gemäß Schritt 70 wird
die Variable, die anzeigt, dass ein Reservemodus ausgewählt ist,
deaktiviert. Gemäß Schritt 75 kann
der benötigte
Brennstoff (FN) dann der Brennstoff dosierenden
Einheit 20 mittels des Multiplexers 19 zur Verfügung gestellt
werden.
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Wenn
das Ergebnis nicht gleich null ist, wird ein Test gemäß Schritt 71 ausgeführt. Dieser
Test besteht im Herausfinden, ob das Ergebnis der berechneten Differenz
(Fvalidiert – FN) 79 größer als
null ist. Wenn dies der Fall ist, d.h. wenn die letzte Brennstofffluss-Anforderung
größer ist
als der benötigte Brennstoff,
wird die bereitzustellende Brennstoffmenge gemäß Schritt 73 berechnet.
Nun Bezug nehmend auf 6, sind die verschiedenen Schritte
gezeigt, die während
Schritt 73 ausgeführt
werden. Gemäß Schritt 110 wird
die Wellendrehzahl der Turbomaschine (FN)
in eine einzelne Variable (FAct) geladen. Gemäß Schritt 111 wird
ein Inkrement von dem Wert (FAct) abgezogen,
und der neue Wert wird unter der einzelnen Variable (FAct)
gespeichert.
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Nun
wieder Bezug nehmend auf 2, wenn die berechnete Differenz
(Fvalidiert – FN) 79 kleiner
als null ist, wird die benötigte
Brennstoffmenge gemäß Schritt 72 von 2 berechnet.
Nun Bezug nehmend auf 5, sind die verschiedenen Schritte genauer
gezeigt, die während
Schritt 72 ausgeführt werden.
Gemäß Schritt 105 wird
die Wellendrehzahl der Turbomaschine (FN)
in eine einzelne Variable (FAct) geladen.
Dann wird gemäß Schritt 106 ein
Inkrement zu dieser einzelnen Variable (FAct)
addiert, und der neue Wert wird unter der einzelnen Variable (FAct) gespeichert.
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In
dem Fall, dass die berechnete Differenz (Fvalidiert – FN) 79 kleiner als null ist, wird
die berechnete einzelne Variable (FAct)
verwendet, um die Brennstoffmenge gemäß Schritt 75 zur Verfügung zu
stellen. Auf ähnliche
Weise wird in dem Fall, dass die berechnete Differenz (Fvalidiert – FN) 79 größer als
null ist, die berechnete einzelne Variable (FAct)
verwendet, um den Brennstoffbetrag gemäß Schritt 75 zu erstellen.
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In
dieser Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist eine Art und Weise offenbart, eine
Turbomaschine im Fall eines Versagens einer Haupt-Brennstofffluss-Berechnungseinheit
effizient zu steuern. Diese Steuerung wird ausgeführt beachtend,
dass der Übergang
zwischen der Haupt-Brennstofffluss-Berechnungseinheit 14 und
der Reserve-Brennstofffluss-Berechnungseinheit 15 glatt
sein muss.