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Die Erfindung betrifft ein Triebwerksbrennstoffregelsystem,
insbesondere für ein Gasturbinentriebwerk.
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Grundzweck des Triebwerksbrennstoffregelsystems ist es, das
Triebwerk mit Brennstoff in einer für die Verbrennung
geeigneten Form zu versorgen und den Brennstoffströmungsdurchsatz
für eine genaue Steuerung von Triebwerksdrehzahl und
Beschleunigung zu regeln. Es ist bekannt, die
Triebswerksbeschleunigung mit Hilfe hydromechanischer
Brennstoffdosierventile zu steuern, die entsprechend Brennstoffregelvorgaben und
Regelgrenzen basierend auf der Empfindlichkeit für
Triebwerksverdichtereinlaß- und -förderdrücke (P1 und P3) und die
Verdichterdrehzahl (NH) betätigt werden. Eine druckbezogene
Regelung zeigt gute Eigenschaften im Hinblick auf die
Überwindung von Pumpschwingungen, da die Brennstoffströmung
automatisch verringert wird, wenn P3 beim Einsetzen von
Pump-Schwingungen abfällt. Unglücklicherweise sind
hydromechanische Systeme, die auf dieser Art von Brennstoffregelung
basieren, gegen Umgebungsluftbedingungen und
Brennstoffeigenschaften empfindlich, was zu ungleichmäßiger
Triebwerksbeschleunigungsleistung und wegen der Notwendigkeit häufiger
Nachstellung des Brennstoffsystems zu
Wartungskostennachteilen führt.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, diese Probleme durch
Anwendung einer elektronischen Regelung der tatsächlichen
Triebwerksbeschleunigung (dN/dt bzw. H) mit geschlossener
Regelschleife entsprechend einer Triebwerksdrehzahltabelle zu
vermeiden, die im Hinblick auf die Vermeidung von
Pumpschwingungszuständen ausgelegt ist. Unter der Annahme, daß die
Beschleunigungsregelung genau ist, wird eine gleichmäßige
Beschleunigungsleistung unter allen normalen
Betriebsbedingungen erreicht. Gegenwärtig werden die früheren
hydromechanischen Brennstoffregeleinheiten für den Fall beibehalten, daß
Triebwerkspumpschwingungen auftreten sollten, und um im Falle
eines Aus falls der H-Triebwerksbeschleunigungsregelschleife
eine Notbeschleunigungsregelung durchzuführen.
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Brennstoffregelsysteme dieser Bauart arbeiten integrierend
und bieten mit ihren auf Triebwerksparametern basierenden
nichtlinearen Eigenschaften deutliche Vorteile beim Erreichen
einer genauen H-Regelung.
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In der britischen Patentveröffentlichung GB 2 180 372 A ist
ein automatisches Brennstoffregelsystem gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 beschrieben. Grob gesagt, findet hier, um
Triebwerksblockierungen zu vermeiden, ein maximaler
Brennstoffströmungsdurchsatz in das Triebwerk statt, der eine
Funktion der Triebwerksdrehzahl darstellt. Hier ist also ein
zulässiger Brennstoffüberschußpegel vorhanden, der die
Beschleunigungsrate des Triebwerks bestimmt.
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Ein direktes Messen der Triebwerksbeschleunigung bringt wegen
der unvermeidlich in einem Drehzahlsignal enthaltenen
Rauschkomponenten Probleme mit sich. Das in der oben beschriebenen
Druckschrift beschriebene System regelt also die
Triebwerksbeschleunigung über die Berechnung der Ableitung des
Brennstoffströmungsdurchsatzes nach der Zeit, wendet aber eine
Regelung der Triebwerksdrehzahl mit geschlossenen
Regelschleifen an, was eine direkte Drehzahlmessung beispielsweise
des Hochdruckverdichters bedingt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine genaue
Regelung von Triebwerksdrehzahl und -beschleunigung unter
Anwendung eines elektronischen Regelsystems mit geschlossener
Regelschleife zu schaffen, die analog oder vorzugsweise
digital im Zusammenhang mit einem einfachen elektromechanischen
Brennstoffströmungsregelventil arbeitet. Das Ventil ist in
eine Ventilstellungsregelschleife geschaltet, so daß die
Brennstoffströmung allein auf die Ventilstellung bezogen ist.
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Bei einer Anordnung dieser Art müssen die wünschenswerten
Eigenschaften des Standes der Technik, die sich als Ergebnis
der Brennstoffregelventilempfindlichkeit gegen
Triebwerksparameter ergeben, beispielsweise in der Software des
digitalen Regelsystems bereitgestellt werden. Die
Brennstoffzuvielzufuhr-
und -zuwenigzufuhrgrenzen, die einen integralen Teil
eines hydromechanischen Ventilmechanismus darstellen, müssen
ebenfalls in der Regelsystem-Software unter Verwendung von
Wandlermessungen der gleichen Triebwerksparameter oder von
alternativen Parametern geschaffen werden, die entsprechendes
Pumpschwingungschutzverhalten anzeigen.
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Der Wechsel zu einem einfachen Brennstoffregelventil und zu
einer Beschleunigungsregelung mit geschlossener Regelschleife
bietet Vorteile durch Verringerungen von Größe, Gewicht und
Wartungskosten, hinsichtlich verbesserter mechanischer
Zuverlässigkeit und der Vermeidung der Notwendigkeit häufigen
Nachstellens des Brennstoffströmungsregelventils. Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung
eines Regelsystems dieser Art.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein
Triebwerksbrennstoffregelsystem mit einem Brennstoffdosierventil vorgesehen,
das so angeordnet ist, daß es die Brennstoffströmung zu einem
Triebwerk in Abhängigkeit von einem
Aggregatbrennstoffbedarfssignal steuert, welches ein erstes Signalelement, das
einen Brennstoffbedarf im stationären Zustand gemäß der
momentanen Triebwerksdrehzahl darstellt, und ein zweites
Signalelement aufweist, das einen gemäß einer Schub- oder
Drehzahlanforderung des Piloten berechneten
Brennstoffüberschußbedarf darstellt,
das dadurch gekennzeichnet ist,
daß eine Triebwerksmodell-Rückführungsschleife vorgesehen
ist, in welcher die momentane Triebwerksdrehzahl aus dem
Aggregatbrennstoffbedarfssignal berechnet wird.
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Ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer
praktischen Ausführbarkeit ergibt sich aus der folgenden
Beschreibung der anliegenden Zeichnungen, in welchen zeigt:
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Fig. 1 das typische Integrationsverhalten eines
Brennstoffsystems,
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Fig. 2 eine schematische Darstellung eines
Gasturbinentriebwerk-Regelsystems,
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Fig. 3 ein Blockdiagramm eines typischen bekannten komplexen
Brennstoffregelsystems der mit hydromechanischem
Brennstoffströmungsventil arbeitenden Art,
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Fig. 4 ein Blockdiagramm eines einfachen Brennstoffsystems,
das mit einem Modellverfahren für die
Brennstoffströmungsermittlung arbeitet,
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Fig. 5 ein Blockdiagramm einer Weiterentwicklung des Systems
nach Fig. 4, das mit einem mathematischen Triebwerksmodell
zur Bestimmung des Triebwerksbrennstoffbedarfs arbeitet,
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Fig. 6 eine Weiterentwicklung des Systems nach Fig. 5 mit
einer Rückstellung der Beschleunigungsregelschleife, und
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Fig. 7 ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform
eines digitalen Triebwerksregelsystems.
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Die schematische Darstellung nach Fig. 2 zeigt eine
Bypass-Turbogebläsestrahltriebwerk 2 mit variabler aerodynamischer
Geometrie, das durch eine Mehrzahl von durch eine
Triebwerksregeleinheit 4 erzeugten Ausgangssignalen gesteuert
wird. Die durch die Einheit 4 bewerkstelligte Regelung wird
durch Eingangssignale von an verschiedenen Stellen des
Triebwerks angeordneten Wandlern bestimmt, die gemäß der
Darstellung oben in die Einheit 4 einlaufen, und durch
Eingangssignale von einer Befehlseinheit 6 des Piloten und verschiedenen
andere diskrete Eingangssignale, die an der rechten Seite der
Einheit 4 einlaufen.
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Die Gesamteinheit 4 regelt den Startvorgang, den trockenen
Triebwerkslauf und die Nacherhitzung. Die vorliegende
Erfindung
bezieht sich nahezu ausschließlich auf den Startvorgang
und den trockenen Triebwerkslauf.
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Die Befehlseinheit 6 des Piloten umfaßt den
Triebwerksgashebel, der innerhalb eines definierten Bereiches in eine
Winkeleinstellung bewegbar ist, welche die Triebwerksdrehzahl
bzw. die Schubanforderung bestimmt. Gewöhnlich wird die
Triebwerksdrehzahl als Hochdruckwellendrehzahl NH bei
mehrwelligen Triebwerken gemessen, aber, wie hier, im Falle eines
Zweiwellentriebwerks ist es auch möglich, die
Niederdruckwellendrehzahl NL als Anzeige der Triebwerksdrehzahl
heranzuziehen, wo sich ein besserer Zusammenhang von Schub und
Gashebeleinstellung ergibt. Die Triebwerksdrehzahl NL steht in
linearem Zusammenhang mit der Gashebelwinkeleinstellung PLA.
Den Schub erhält man durch Messung des
Triebwerksdruckverhältnisses.
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Beschleunigung und Verzögerung zwischen einer
Triebwerksdrehzahl und einer anderen Triebwerkssolldrehzahl werden über die
Änderungsgeschwindigkeit der Hochdruckwellendrehzahl H
geregelt. Es werden Drehzahländerungsgeschwindigkeiten von
etwa 7 % pro Sekunde angewendet, obwohl dies natürlich
zwischen verschiedenen Triebwerkstypen abweichen kann.
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Trockener Triebwerksschub unterliegt außerdem weiteren
Grenzen, die durch die maximale Turbinenschaufeltemperatur TBT
und die maximale Niederdruckwellendrehzahl NL bestimmt sind.
Außerdem können weitere Begrenzungsfaktoren Anwendung finden.
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Fig. 1 zeigt das integrierende Verhalten eines typischen
hydromechanischen Brennstoffsystems mit elektronischer
Regelung. Die Triebwerksparameter NH, P2 und P3 bestimmen die
grundsätzliche Arbeitsweise des Brennstoffsystems zur
Einstellung eines mittleren Brennstoffdurchsatzwerts, d.h. des
Triebwerksbrennstoffbedarfs im stationären Zustand, während
das elektronische Regelsystem dann noch die
Brennstoffströmung fein abstimmt und einen durch eine
Beschleunigungsvorgabe geforderten Brennstoffüberschußpegel einstellt. In dem
Diagramm ist ein Maß für das Erfordernis des Brennstoff/Luft-
Verhältnisses auf der y-Achse aufgetragen, und das
Triebwerksdruckverhältnis ist auf der x-Achse aufgetragen. Die
Maximum- und Minimumbrennstoffzufuhrgrenzen sind durch die
schraffierten Randbereiche Imax und Imin dargestellt.
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Zwischen den Brennstoffzufuhrgrenzen ist ein Bereich von
Regelsystem-Eingangspegeln I1 bis I5 in strichpunktierten
Linien eingezeichnet, und der Bedarf für stationären
Triebwerkslauf ist als durchgezogene Liene eingetragen. Obwohl nur
ein Teil der vollständigen Triebwerkscharakteristik
dargestellt ist, verdeutlicht das Diagramm das Erfordernis eines
Triebwerks für zunehmend größere Brennstoffmengen, wenn die
Triebwerksdrehzah oder der Schub zunimmt.
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Außerdem ist durch die Linie "A" dargestellt, daß an einem
gegebenen Punkt auf der Kurve "B" für den stationären
Triebwerkslauf eine Steigerung des Brennstoffdurchsatzpegels
beispielsweise von I4 auf I2 zu einer Triebwerksdrehzahlzunahme
führt, ist die Brennstoffkurve I2 wieder die Kurve "B" für
stationären Lauf schneidet.
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Die Bereiche oberhalb und unterhalb der Schraffierten
Grenzbereiche Imax und Imin sind Bereiche unstabilen
Triebwerksbetriebs, in denen ein Triebwerk der Gefahr von
Pumpschwingungen ausgesetzt ist. Für extreme Beschleunigung oder
Verzögerung kann die Triebwerkskurve der einen bzw. anderen
dieser Grenzen folgen.
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Fig. 2 zeigt die gesamte Triebwerksregelsystemanordnung zur
Messung wesentlicher Triebwerksparameter und zur Regelung der
Brennstoffströmung und der Steuervariablen für das Triebwerk
mit Veränderlicher Geometrie. Sämtliche Steuervariablen
ein-Schließlich der Brennstoffströmung werden in Abhängigkeit von
durch die digitale Triebwerksregeleinheit (DECU) erzeugten
Ausgangssollsignalen durch Antreiben eines Regelschleifen-
Vorschubservomotors oder eines Schrittmotors eingestellt. Die
vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf die
Brennstoffströmungsregelschleife. Die bevorzugte
Ausführungsform dieser Regelschleife ist in Fig. 7 mehr im einzelnen
dargestellt. Die Fig. 3 bis 6 haben gleiche Form wie Fig. 7,
wobei gleiche Komponenten gleiche Bezugszeichen haben, und
stellen Entwicklungsstufen des im entgültigen System
verkörperten Regelprinzips dar.
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Das System nach Fig. 3 zeigt ein Brennstoffsystem nach dem
gegenwärtigen Stand der Technik, bei welchem die
Brennstoff-Strömung F zum Triebwerk 2 mittels eines hydromechanischen
Brennstoffdosiersystems 3 geregelt wird. Das System 3 ist
sowohl hinsichtlich seines Aufbaus als auch hinsichtlich seiner
Wirkungsweise, soweit es in Abhängigkeit von den überwachten
Triebwerksparametern P2, P3 und NH arbeitet, die mit
Rückführungen vom Triebwerk 2 zum Brennstoffsystemblock 3 gezeigt
sind.
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Die Brennstoffströmung hängt außerdem vom Freistromdruck P1
ab, der weitgehend von Höhe und Vorwärtsgeschwindigkeit des
Flugzeugs, die einen Staueffekt erzeugt, und durch die
Turbinen- oder Strahlrohrtemperatur T1 bestimmt wird, die durch
die maximal zulässige Temperatur gewisser kritischer
Bauteile, beispielsweise der Leistungsturbinenschaufeln,
begrenzt wird.
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Die Brennstoffströmung ist weiter von einem elektrischen
Signal 1 abhängig, das von einer elektronischen Regeleinheit
4 zugeführt wird. Dieses Signal dient tatsächlich der
Feineinstellung der Brennstoffzufuhr und der Erzeugung eines
Brennstoffüber- oder Brennstoffunterzufuhrpegels, um das
Triebwerk zu beschleunigen oder zu verzögern.
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Der Triebwerksbrennstoffbedarf nimmt mit ansteigender
Triebwerksdrehzahl fortschreitend zu, so daß das Brennstoffsystem
zumindest in einer ersten Näherung mit einem integrierenden
Verhalten ausgelegt ist. Weil das integrierende Verhalten
nicht perfekt ist, muß jede elektronische Regelschleife eine
elektronische Integration haben, um Genauigkeit und
dynamische
Kompensation sicherzustellen und damit Stabilität mit
schnellem Ansprechverhalten zu schaffen.
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Das System nach Fig. 3 weist zwei mögliche elektronische
Regelschleifen auf. Die erste umfaßt den Gashebel des Piloten
und Signalgenerator 6, die Triebwerksdrehzahlfehlerschaltung
30, die dynamische Kompensationsschaltung 60a und den
Integrator 62a. Die zweite Schleife, die einen
Beschleunigungsbegrenzer darstellt, umfaßt eine Beschleunigungsfehlerschaltung
46, eine dynamische Kompensationsschaltung 60b und einen
Integrator 62b. Das Triebwerksdrehzahlsignal NH wird vom
Triebwerk direkt zur Drehzahlregelschleifen-Fehlerschaltung 30 und
über eine Differenzierschaltung 46 zur
Beschleunigungsbegrenzerschleife-Fehlerschaltung 46 rückgeführt. Die Wahl der
einen oder anderen dieser Regelschleifen erfolgt auf der
Basis der Brennstoffbedarfniedrigstwerte durch einen
Logikblock 42.
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Aus Gründen der Vereinfachung ist in den Zeichnungen der
Figuren 3 bis 6 eine Verzögerungsbegrenzerregelschleife
weggelassen worden. In der Praxis wäre eine solche
Verzögerungsbegrenzerschleife der Beschleunigungbegrenzerschleife sehr
ähnlich, jedoch mit entgesetztem Vorzeichen, und ihr
Ausgangssignal würde mit dem Ausgangssignal der NH-Regelschleife
auf der Basis der Brennstoffbedarfshöchstwerte verglichen.
Das Ergebnis dieses Vergleichs würde der Niedrigstwert-Logik
42 zugeführt.
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Bei dem System nach Fig. 4 ist die hydromechanische
Brennstoffdosiereinrichtung durch ein einfaches
Brennstoffdosierventil ersetzt, indem die Brennstoffströmung lediglich eine
Funktion der Stellung des Ventilorgans bzw. des
Gesamtbrennstoffbedarfssignals FD ist. Um eine qualitätiv gleiche oder
bessere Leistung zu erzielen, müssen die der Arbeitsweise des
hydromechanischen Ventils innewohnenden komplexen Funktionen
durch zusätzliche Rechnerleistung in der elektronischen
Regelung ersetzt werden. Die dynamische Leistungsfähigkeit der
Drehzahlregel- und -begrenzerschleifen werden verbessert,
weil der integrierende Effekt des Dosierventils des
Brennstoffsystems nicht mehr vorhanden ist. Jedoch müssen im
Ergebnis nunmehr die Beschleunigungs und
Verzögerungsregelschleifen zwei berechnete Integrationsfunktionen enthalten.
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Die dynamischen Kompensationsblöcke 60a und 60b sind nicht
mehr erforderlich. An ihrer Stelle wird ein veranschlagter
Triebwerksbedarf Fss* für den stationären Triebwerkslauf
durch den Block 24 in Abhängigkeit von einem
NH-Eingangssignal berechnet, und dieses Signal wird zu der vom Logikblock
42 gewählten Beschleunigungs-Brennstoffüberscußbedarf ΔF
hinzuaddiert. Der Kürze halber ist wiederum die entsprechende
Verzögerungsschleife in der Zeichnung nicht dargestellt.
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Die Stationärszustands- und Brennstoffüberschußsignale Fss
und AF werden an einer Summierverbindung 26 arithmetisch
summiert, und das Gesamtsignal wird einem Eingang eines weiteren
Niedrigstwert-Logikblocks 28 zum Vergleich mit einem
Maximalbrennstoffsignal Flim zugeführt. Der Ausgang dieses Blockes
stellt das entgültige Brennstoffbedarfsignal Fd dar und
bewirkt den Steuervorgang im Brennstoffsystem 8. Ein weiteres
Minimalbrennstoffgrenzsignal wird mit dem Ausgangsignal des
Blocks 28 durch eine Höchstwertschaltung verglichen, jedoch
ist diese in den Figuren 4 bis 6 weggelassen, aber in Fig. 7
dargestellt.
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In Fig. 4 ist die
Stationärzustands-Brennstoffströmungsvorgabe Fss* eine Annäherung in einer offenen Schleife in dem
Sinn, daß eine Messung der tatsächlichen Triebwerksdrehzahl
NH dazu benutzt wird, den veranschlagten Stationärzustands-
Brennstoffbedarf Fss* zu berechnen. Im Gegensatz dazu
benützen die Anordnungen nach den Fig. 5 und 6 im wesentlichen
die gleichen Regelschleifen wie in Fig. 4, jedoch wird das
Triebwerk als mathematisches Modell behandelt, um den
Brennstoffpegel Fss* zu berechnen. Das System nach Fig. 6 ist im
wesentlichen das Gleiche wie in Fig. 5, weist aber einen
zusätzlichen Signalpfad zum Rückstellen der H-Schleife auf,
was sicherstellt, daß das Ausgangssignal des Integrators in
der Beschleunigungsregelschleife nicht drifted, wenn das
Schleifenfehlersignal Null ist.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 7
mehr im einzelnen dargestellt, wobei die gleiche
Blockdiagrammform wie zuvor verwendet ist. Wiederum haben gleiche
Komponenten gleiche Bezugszeichen. Für den Fachmann auf dem
Gebiet der Elektronik und der Rechenanwendung ist zugleich
offensichtlich, wie das System nach Fig. 7 praktisch
realisiert werden kann. Die Datenpfade, Regelschleifen und
Entscheidungspunkte können durch diskrete oder integrierte
Schaltungselemente gebildet werden.
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Jedoch wird, wie bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel,
das System vorzugsweise unter Verwendung eines digitalen
Prozessors aufgebaut, wobei das gesamte Regelgesetz und alle
Entscheidungsprozesse usw. dann in die Prozessorsoftware
eingebettet sind.
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Die Brennstoffströmung zum Triebwerk 2 wird mittels des
Brennstoffdosierventils 8 gesteuert, in welchem die
Brennstoffströmung proportional zur Stellung des Ventilorgans ist,
und das durch ein (nicht dargestelltes), vom
Brennstoffbedarfsignal Fd angetriebenes Betätigungsorgan gesteuert wird.
Bei diesem speziellen Beispiel weist das Betätigungsorgan
einen Stellenmotor auf, der durch das Fehlerausgangssignal
von einem Summierpunkt 10 gespeist wird. Die
Summierverbindung bei 10 empfängt ein negatives Rückführungssignal vom
Ventilbetätigungsorgan, das die Stellung des Ventilorgans
anzeigt, und ein positives Brennstoffbedarfssignal Fd vom
Block 12. Im allgemeinen wird dieses Brennstoffbedarfssignal
durch einen Ausgang des Prozessors bereitgestellt.
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Wie oben beschrieben, wählt das Regelsystem unter
verschiedenen Betriebsbedingungen eine Regelschleife auf der Basis
des kritischsten Triebwerksparameters aus. Die Tätigkeit des
Regelsystems besteht darin, einen mittleren
Brennstoffströmungswert entsprechend der augenblicklichen
Triebwerksdrehzahl
zu berechnen und einzustellen, und die jeweils wirksame
Triebwerksparameterschleife stellt in jedem Zeitpunkt einen
zusätzlichen Brennstoffüberschußwert ein, der positiv oder
negativ sein kann, um das Triebwerk nach Bedarf zu
beschleunigen oder zu verzögern. Die Auswahl der Schleife erfolgt
grundsätzlich auf der Basis des niedrigsten
Brennstoffüberschußbedarfswerts. Da das Hauptziel dieses Regelsystems eine
genaue Beschleunigung in positivem oder negativem Sinn ist,
wird einem die Brennstoffströmung beeinflussenden Signal,
wenn dessen Signalpegel es erfordert, durch die Intervention
der Höchst- und Niedrigstwertlogik zeitweise Vorrang vor
einem Beschleunigungsregelschleifensignal gegeben.
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Diese Art der Schleifenauswahl entsprechend dem
Übersteuerungserfordernis geht aus der folgenden Beschreibung hervor.
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Die Basisregelung des Triebwerks erfolgt durch eine
Veranschlagung des Brennstoffbedarfs Fss* für stationären
Triebwerkslauf mit Bezug auf die Hochdruckwellendrehzahl NH, wobei
dieser Brennstoffwert durch die Triebwerksmodellschleife
berechnet wird, die in Fig. 7 allgemein bei 14 dargestellt ist.
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Den Eingang zu der Triebwerksmodellschleife 14 bildet das
gesamte Brennstoffbedarfssignal Fd, und an der
Summierverbindung 16 wird das Schleifenausgangssignal, d.h. ein
veranschlagtes Brennstoffsignal Fss* für stationären Zustand von
Fd abgezogen. Die Differenz bildet den tatsächlichen
Brennstoffüberschußbedarf ΔF, einschließlich irgendwelcher
durch externe Faktoren bei den Logikschaltungen 28 und 12
aufgeprägter Begrenzungen. Die Differenz ΔF wird bei 18
durch die Änderungsgeschwindigkeit der Triebwerksdrehzahl
dividiert, wobei die Brennstoffzunahme ΔF/ H eine
Berechnung der Triebwerksbeschleunigung eine berechnete
Triebwerksbeschleunigung H* liefert.
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Die berechnete Beschleunigung H* wird durch einen Integrator
22 integriert, um eine berechnete Triebwerksdrehzahl NH* zu
erhalten, woraus durch den Triebwerksmodellblock 24 ein
veranschlagter Brennstoffbedarf Fss* für den stationären
Zustand berechnet wird. Zusätzliche Signale P2, T2 und, bei
einem Triebwerk mit variabler Geometrie, der
Einlaßleitschaufelwinkel (IGV) sind als Eingangsignale zum Block 24
dargestellt. Diese Signale modifizieren die zur Berechnung
der Kennlinie Fss* gegenüber NH* verwendete Formel bzw.
alternativ die Auswahl der am besten geeigneten aus einer
Kennliniengruppe gemäß den vorherschenden, durch die
Eingangssignale repräsentierten Bedingungen.
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Der vom Block 24 bereit gestellte berechnete Zusammenhang ist
so genau wie möglich an das tatsächliche Triebwerksverhalten
anzupassen. Deshalb können weitere Eingänge zu diesem Block
für die Triebwerksleistung beeinflussende veränderliche
Parameter wie beispielsweise mechanischen Leistungsabgriff, Pegel
der Verdichterluftanzapfung usw. vorgesehen sein, deren
Auswirkung sich in dem berechneten Zusammenhang wiederspiegeln
muß.
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Die Struktur des Triebwerksmodells ist derart, daß in einem
stationären Zustand, d.h. im Reiseflugzustand, Fss* gleich Fd
ohne Versatz ist. Der Zusammenhang zwischen Fd und ΔF,
einem Brennstoffzunahmeelement, ist seiner Natur nach eine
reine Nullversatz-Integration und hat eine
Phasenführungskompensation, die eng an die Zeitkonstante von NH gegenüber F
angepaßt ist. Die berechnete Triebwerksbeschleunigung H*, die
als Eingangssignal zum Integrator 22 dient, wird außerdem als
"Rückstell"-Eingang zu Summierverbindungen 45 und 41 in der
Beschleunigungs- bzw. Verzögerungsregelschleife benützt. In
der Beschleunigungsschleife wird der berechnete
Beschleuniggungsbedarf vom Verstärker 51 vom Rückstelleingang abgezogen,
d.h. von der veranschlagten Beschleunigung, um einen
verzogerten Versatz am Eingang des Integrators 48 durch Addition
mit dem positiven H-Bezugswert an der Summierverbindung 46
zu schaffen. Dies stellt sicher, daß Eingangssignal und
Ausgangssignal des Integrators korrekt berechnet werden, wenn
die Tätigkeit der Schleife begrenzt oder durch logisches
Umschalten auf eine andere Regelschleife unterbrochen wird.
Das Brennstoffsignal Fss* für den stationären Zustand wird
bei 26 mit einem Brennstoffüberschußpegel summiert, der an
dem gewählten der mehreren Schleifeneingänge nach links
bereitgestellt und durch die Niedrigst/Höchstwertlogik
ausgewählt wird. Bevor dieser gewählte Brennstoffwert Fsd als
Brennstoffbedarfsignal Fd bereitgestellt werden kann, wird er
bei 12 und 28 weiteren logischen Vergleichen unterzogen.
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Der Block 28 bezeichnet einen Niedrigstwert-Logikvergleich,
bei welchem Fsd gegenüber einem Brennstoffmaximalgrenzwert
Flim (ACC) für ein in der Beschleunigung befindliches
Triebwerk und außerdem gegenüber einer Vielfalt anderer
Brennstofftabellen geprüft wird. Das
Niedrigstwert-Brennstoffsignal wird weiter bei 12 durch eine Höchstwert-Logik gegenüber
einem Brennstoffminimalgrenzwert Flim (DEC) geprüft. Die
Niedrigstwert-Logik 28 stellt sicher, daß das Triebwerk nicht
durch Brennstoffüberschuß in Pumpschwingungen getrieben wird,
während die Höchstwertlogik 12 sicherstellt, daß der
Brennstoff nicht auf einen Pegel beschnitten wird, bei welchem ein
Auslöschen der Flamme auftreten kann.
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Die alternativen Brennstofftabellen, die oben im Zusammenhang
mit den Eingangssignalen zur Logik 28 erwähnt worden sind,
umfassen eine Bodenanfahrbrennstofftabelle, in welcher
Brennstoff in diskreten Schritten von Null an entsprechend dem
Erreichen vorgegebener Triebwerksdrehzahlen zunimmt, während
die Triebwerkswellen aus dem Stillstand hochlaufen, eine Im-
Flug-Anfahr- bzw. -Wiederanzündbrennstofftabelle, und eine
Waffenabfeuerbetriebsart (bei militärischen Flugzeugen),
welche die Brennstoffströmung auf ein zeitweises niedriges
Maximum zwingt, um Pumpschwingungen oder ein Erlöschen der Flamme
infolge des Einsaugens von Waffenabgas zu vermeiden.
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Das Brennstoffüberschußerfordernis für trockene
Triebwerksregelung wird durch den einen oder anderen der
Regelschleifeneingänge zur linken Seite von Fig. 7 bestimmt. Die Vorgabe
vom Gashebel 6 wird in ein Wellendrehzahlbezugssignal NHdat
in einem Steuerschleifeneingang umgesetzt und am Summierpunkt
30 mit einem Wellendrehzahlüberwachungssignal NH summiert,
das durch einen Block 32 in ein NH-Equivalent umgewandelt
wird. Das sich ergebende equivalente NH-Fehlersignal wird im
Verstärker Kgov bei 34 skaliert und zusammen mit einem
Verzögerungsbegrenzersignal, das zur Steuerung der maximalen
Verzögerungsrate dient, in ein Höchstwertlogikgatter 36
zugeführt.
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Die Verzögerungsregelschleife ist direkt unter der
Steuerschleife in Fig. 7 dargestellt. Wenn sie nicht im
Regelbetrieb ist, wird das Ausgangssignal dieser Schleife vom
Verstärker Kdec effektiv zur Begrenzung von H auf einen festen
Teil der negativen H-Grenze der Vorgabe, H (-dat),
eingestellt.
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Befindet sich diese Schleife im Regelbetrieb, bleibt die
anfängliche Grenze für die Dauer einer Rampenverzögerung 38
wirksam. Nach dieser Zeitverzögerung wird der skalierte
Schleifenfehler zur negativen H-Grenze hinzuaddiert, und der
Integrator 40 beginnt, ein gefordertes NH-Sollsignal
auszugeben. Das NH-Sollsignal wird mit der gemessenen
NH-Triebwerksdrehzahl verglichen, und der durch den Verstärker Kdec
skalierte Fehler wird dem Höchstwertlogikgatter 36 zugeführt
und an den zweiten Skalierverstärker Kd angelegt, um die H-
Grenze gegenüber der Rampenverzögerung 38 zu aktualisieren.
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Das durchgreifende Regelsignal von Steuer- und
Verzögerungsschleife wird dem ersten Eingang eines mehrere Eingänge
aufweisenden Niedrigswertlogikgatters 42 zugeführt und mit einer
Mehrzahl anderer möglicherweise begrenzender Eingangssignale
verglichen. Das erste dieser weiteren Eingangssignale ist der
positive H-Begrenzer, d.h. ein Beschleunigungsbegrenzer, der
tatsächlich das Spiegelbild des oben beschriebenen
Verzögerungsbegrenzers ist. Das Ausgangssignal dieser Schleife vom
Verstärker Kacc wird, wenn die Schleife sich nicht im
Regelbetrieb befindet, zur Begrenzung von H auf einen durch die
Verstärkung von Kacc bestimmten Anteil des geforderten
positiven H-Bezugswerts, H (+dat), eingestellt. Wenn das
Triebwerksbeschleunigungssignal das Vorzeichen ändert und
eine Rückstellung erzeugt und die Schleife die Regelung
übernimmt, bleibt die vorhergehende Grenze während der Dauer der
Rampenverzögerung 44 noch vorherrschend. Am Ende dieser
Verzögerung wird ein durch die Verstärkung von KA bestimmter
Anteil des Ausgangssignals von Kacc bei 46 mit dem
H-Bezugswert summiert und zum Eingang des Integrators 48 geführt, um
ein NH-Sollsignal zu erzeugen.
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Am Summierpunkt 50 erhält man den Fehler zwischen dem
tatsächlichen NH-Wert und dem NH-Sollwert, der als Eingang zum
Verstärker Kacc dient, um den NH-Grenzwert zu aktualisieren.
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Ein weiterer Begrenzer auf der Basis der
Turbinenschaufeltemperatur ist unmittelbar über der Beschleunigungsschleife
dargestellt. Die heißeste und damit kritischste Temperatur
findet sich im Hochdruckturbinenbereich. Die Temperatur in
diesem Bereich des Triebwerks kann während
Triebwerksbeschleunigungen leicht die sichere maximale Materialtemperatur
übersteigen, wenn sie nicht, wenn diese kritisch wird, durch
Begrenzung des Brennstoffüberschußes beherrscht wird. Ein
Turbinenschaufeltemperatur-Messignal TBT wird einem
Wandlerblock 52 zugeführt, der das Signal in ein äquivalentes NH-
Signal umsetzt, das mit einem in gleicher Weise skalierten
TBT-Bezugsignal am Summierpunkt 54 vergleicht, um ein
direktes, dem verbleibenden sicheren Temperaturgrenzabstand
proportionales Fehlersignal zu erzeugen. Dieses Signal wird
dann in einen äquivalenten H-Wert zurückumgewandelt.
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Weitere Begrenzerfunktionen können in ähnlicher Weise
eingeführt werden. Grundsätzlich sind alle
Schleifenabweichungswerte auf einen äquivalenten H-Wert bezogen, und die
Schleifenwähllogik ist so ausgelegt, daß im Ergebnis zur Bestimmung
des Triebwerksbrennstoffsüberschußbedarfs während der
Beschleunigung der niedrigste Grenzwert bzw. während der
Verzögerung der höchste Grenzwert ergibt.
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Der am Ausgang des Niedrigstwertlogikgatters 42 erscheinende
Brennstoffüberschußbedarfspegel wird in Form eines
äquivalenten H-Werts ausgedrückt, d.h. in einer
Änderungsgeschwindigkeit der Triebwerksdrehzahl. Dies wird im Block 44 durch
einen komplexen Operator, der H in eine Brennstoffzunahme in
Beziehung setzt, in einen aktuellen Brennstoffüberschußbedarf
übersetzt. Dieser Operator ist eine Funktion von
Einlaßlufttemperatur und -druck und Triebwerksdrehzahl.
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Im Allgemeinen ist der Brennstoffüberschußbedarf eine
Funktion von Druck- und Triebwerksdrehzahl und vom Kehrwert
der Temperatur, und dynamische Korrekturen am
Brennstoffüberschußfaktor werden entsprechend den Änderungen der
überwachten Parameter vorgenommen.
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Das beschriebene System kann mit Hilfe analoger oder
digitaler elektronischer Schaltkreise praktisch realisiert
werden. Vorzugsweise wird jedoch, wie im beschriebenen
Ausführungsbeispiel, ein Regelsystem auf Mikroprozessorbasis
verwendet, in welchem die beschriebenen Funktionen in
geeigneten Software-Programminstruktionen dargestellt sind. Diese
Instruktionen bilden einen Teil eines vollständigen
Triebwerksregeleprogramms, das unter der Steuerung eines
Taktsteuerhauptprogramms zyklisch ausgeführt. Beim vorliegenden
Beispiel wird der Regelprogrammzyklus mit einer Periode von
grob 50 Millisekunden ausgeführt.
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Im Betrieb wird jeder Eingang bei jedem Zyklus abgetastet,
erforderlicherfalls digitalisiert und verarbeitet, um in
jedem Zeitpunkt einen frischen
Brennstoffüberschuß-Berechnungswert und Brennstoffbedarfswerte für stationären Zustand
zu erhalten. Aufgrund des berechneten
Brennstoffsbedarfsausgangssignals Fd wird das Brennstoffdosierventil, falls
notwendig, nachgestellt, um die zum Erreichen der gewünschten
Triebwerksdrehzahl notwendige Brennstoffmenge zuzuführen.