DE69100743T2

DE69100743T2 - Flugtriebwerkregelsystem ansprechend auf die Turbineneintrittstemperatur.

Info

Publication number: DE69100743T2
Application number: DE91402245T
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Maulat
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1990-08-16
Filing date: 1991-08-14
Publication date: 1994-05-11
Anticipated expiration: 2011-08-15
Also published as: EP0471623A1; FR2665927B1; US5157918A; EP0471623B1; FR2665927A1; DE69100743D1

Description

Auf die Turbineneintrittstemperatur ansprechendes Regelsystem für ein Flugtriebwerk
Die Erfindung betrifft die Regelung eines Flugtriebwerks. Sie bezieht sich insbesondere auf eine Vorrichtung zum Kompensieren der Temperatur vor der Hochdruckturbine eines Zweiwellen-Flugzeug-Turbotriebwerks für die automatische und zeitweilige Vergrößerung des Schubs des Turbotriebwerks bei schlechten Flugbedingungen, insbesondere bei hoher Umgebungstemperatur und kaltem Motor, wobei das Turbotriebwerk durch ein Regelungssystem auf eine konstante Soll-Temperatur hinter der Niederdruckturbine geregelt wird.
Bei einem Turbotriebwerk, das auf konstante Temperatur hinter der Turbine geregelt wird, ist normalerweise maximaler Schub vorhanden, wenn der Pilot das Steuersystem des Triebwerks auf Vollgas setzt. Bei kaltem Triebwerk und/oder bei erhöhter Umgebungstemperatur stellt man einen Mangel an Schubkraft fest. Dies ist insbesondere beim Abheben und in den Anflugphasen, d.h. in dem Augenblick der Fall, wenn der Pilot maximalen Schub benötigt. Dieser Mangel an Schubkraft ist darauf zurückzuführen, daß die Temperatur der Turbine unzureichend ist, wenn das Triebwerk auf Leistung gesetzt wird. Dieser Temperaturmangel vor der Turbine ist um so größer, je höher die Umgebungstemperatur ist oder wenn der Motor thermisch kalt ist.
Es ist eine Regelungsvorrichtung für eine Gasturbine bekannt, die es ermöglicht, bei erhöhter Umgebungstemperatur den Sollwert der Temperatur zu korrigieren. Eine solche Regelungsvorrichtung ist in FR-A-2 173 143 beschrieben. In Fig. 3 dieses Dokuments ist ein Funktionsgenerator 37 im Detail dargestellt, der ein Korrekturgesetz liefert, das eine Funktion des Verhältnisses der Rotationsgeschwindigkeit der Gasturbine zur Quadratwurzel der Umgebungstemperatur ist. Der Nachteil dieser Konstruktion besteht darin, daß sie es nicht erlaubt, bei der Leistungssteigerung der Maschine deren thermischen Zustand zu berücksichtigen, was bei einem Luftfahrzeug in der Phase des Abhebens besonders wichtig ist, wenn das Turbotriebwerk noch kalt ist.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Kompensationsvorrichtung der beschriebenen Art zur Verfügung zu stellen, die in das Regelsystem des Turbotriebwerks integriert ist und eine automatische Vergrößerung des Schubs des Turbotriebwerks erlaubt, wenn dieses kalt ist und/oder wenn die Umgebungstemperatur erhöht ist.
Dieses Ziel wird dadurch erreicht, daß die Vorrichtung gemäß der Erfindung gekennzeichnet ist
durch einen Funktionsgenerator, der Angaben über die Drehzahl der Niederdruckturbine und über die Ist-Temperatur am Ausgang der genannten Turbine aufnimmt und in Abhängigkeit von diesen Angaben und nach einem vorgegebenen Programmgesetz einen Korrekturwert der Soll-Temperatur liefert,
einen Addierer, der eine Angabe über der Wert der gegebenen Soll-Temperatur aufnimmt und zur Aufnahme des genannten Korrekturwerts zeitweilig mit dem Funktionsgenerator verbindbar ist, wobei er den in Rechnung zu stellenden korrigierten Wert der Soll-Temperatur an das Regelungssystem liefert,
und Mittel, die in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen des Turbotriebwerks eine zeitweilige Verbindung des Funktionsgenerators mit dem Addierer ermöglichen.
Die genannten Mittel, die eine zeitweilige Verbindung des Funktionsgenerators mit dem Addierer ermöglichen, umfassen folgende Teile:
- einen Schalter zum Verbinden des Funktionsgenerators mit dem Addierer,
- einen Zeitgeber, der die Betätigung des Schalters während einer vorbestimmten Zeit ermöglicht,
- eine erste Anzeigevorrichtung für die Drehzahl des Hochdruckkörpers, die über eine Torschaltung ET mit dem Zeitgeber verbunden ist und ein Signal abgibt, wenn die Drehzahl größer ist als ein vorbestimmter erster prozentualer Anteil der maximalen Drehzahl, und
eine zweite Anzeigevorrichtung für die Drehzahl des Hochdruckkörpers, die über einen Speicher mit der genannten Torschaltung ET verbunden ist und an diesen Speicher ein Aktivierungssignal abgibt, wenn die Drehzahl unter einen zweiten vorbestimmten prozentualen Anteil der maximalen Drehzahl liegt, wobei dieser zweite prozentuale Anteil kleiner ist als der erste prozentuale Anteil,
wobei der Speicher derart mit dem Zeitgeber verbunden ist, daß dieser bei seiner Sperrung den Speicher deaktiviert,
und wobei die Torschaltung ET an den Zeitgeber ein Sperrsignal liefert, wenn er von der ersten Drehzahl-Anzeigevorrichtung ein Signal empfängt und gleichzeitig der Speicher aktiviert ist.
Die erste Drehzahl-Anzeigevorrichtung vorzugsweise ein Signal liefert, wenn die Drehzahl des Hochdruckkörpers größer ist 90% seiner maximalen Drehzahl.
Dies ist dann der Fall, wenn der Pilot das Steuersystem des Turbotriebwerks auf Vollgas setzt.
Die zweite Drehzahl-Anzeigevorrichtung liefert vorteilhafterweise ein Aktivierungssignal an den Speicher, wenn die Drehzahl des Hochdruckkörpers kleiner ist als 80% seiner maximalen Drehzahl.
Diese niedrige Drehzahl wird im Funkbetrieb des Flugzeugs selten und im in der Regel nur in den Phasen erreicht, wenn ein Flughafen angeflogen wird.
Die vorgeschlagene Vorrichtung ermöglicht eine automatische Vergrößerung des Schubs des Turbotriebwerks in den "schlechten Flugbedingungen", da sie mechanische und thermische Parameter des Turbotriebwerks berücksichtigt. Das Programmgesetz des Funktionsgenerators ist so ausgebildet, daß der Funktionsgenerator einen Korrekturwert liefert, der zwischen einem Maximalwert liegt, der den ungünstigsten Flugbedingungen entspricht und eine Überhitzung des Turbotriebwerks vermeidet, und dem Wert Null liegt, der den optimalen Betriebsbedingungen der Turbine mit hoher Drehzahl entspricht.
Beim Abheben wird das System von der ersten Beschleunigung des Turbotriebwerks an wirksam, wobei die Drehzahl des Hochdruckkörpers des Turbotriebwerks dann gleich oder größer ist als 90% der maximalen Drehzahl. Anschließend während des Flugs wird die Vorrichtung nur ausnahmsweise reaktiviert, weil die Drehzahl des Hochdruckkörpers selten unter den Schwellenwert von 80% absinkt, der für ihre Wiedereinschaltung festgelegt wurde.
Bei der Anflugphase oder beim Landen wird die Vorrichtung erneut wirksam, sobald die Drehzahl des Hochdruckkörpers die Schwelle von 80% der maximalen Drehzahl wieder unterschreitet.
Bei Landungskorrekturen ("touch and go") sind die Betriebsbedingungen der Vorrichtung mit denjenigen identisch, die beim Anflug und Landen gegeben sind.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen:
Fig. 1 zeigt die Kurven der Temperatur vor der Turbine in Abhängigkeit von der Anwärmdauer des Triebwerks für verschiedene Umgebungstemperaturen bei einem Turbotriebwerk, das auf konstante Temperatur hinter der Turbine geregelt wird,
Fig. 2 zeigt die Kurven der Temperatur vor der Turbine für eine gegebene Umgebungstemperatur und für verschiedene Solltemperaturen hinter der Turbine,
Fig. 3 zeigt die Kurve des Programmgesetzes, das den Korrekturwert für die Solltemperatur in Abhängigkeit von der Drehzahl NBP der Niederdruckturbine und der effektiven Temperatur TE7 hinter dieser Turbine liefert,
Fig 4 zeigt eine schematische Darstellung der Vorrichtung gemäß der Erfindung.
Beim Leistungsanstieg eines Zweiwellen-Flugtriebwerks, das auf eine konstante Solltemperatur T7 hinter der Turbine geregelt wird, bedarf es einer gewissen Zeit, bis sich die Temperatur T vor den Turbinen auf ihren Maximalwert TM stabilisiert hat. Fig. 1 zeigt die Kurven C1 und C2 dieser Temperatur T in Abhängigkeit von der Zeit D, die seit dem Anwärmen des Turbotriebwerks verstrichen ist. Die Kurve C1 entspricht einer Umgebungstemperatur TA von 15 C und die Kurve C2 einer Umgebungstemperatur TA von 40 C. Die Kurven C1 und C2 lassen erkennen, daß das Temperaturdefizit vor der Turbine, d.h. die Differenz zwischen TM und T umso größer ist, je höher die Umgebungstemperatur TA ist, und daß diese Temperaturdifferenz mit zunehmender Zeit D kleiner wird. Diese Temperaturdifferenz verursacht bei hoher Umgebungstemperatur TA und bei kaltem Motor einen Mangel an Schubkraft. Diese ungünstige Situation entsteht insbesondere beim Abheben des Flugzeugs und beim Anflug oder bei der Landung, mit anderen Worten genau dann, wenn maximaler Schub benötigt wird.
Die vorliegende Erfindung hat sich das Ziel gesetzt eine in das Regelsystem des Turbotriebwerks integrierte Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die es automatisch und ohne Einwirkung des Piloten und ohne spezielles Steuergerät ermöglicht, die Temperatur T vor der Turbine während einer vorbestimmten Zeitspanne und in Abhängigkeit von den Flugbedingungen zu erhöhen und dadurch die Schubkraft des Turbotriebwerks während dieser vorbestimmten Zeitspanne zu verbessern.
Das Prinzip der Erfindung besteht darin, daß die Solltemperatur T7 während dieser vorbestimmten Zeitspanne in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Programmgesetz zeitweilig erhöht wird.
In Fig. 2 ist wiederum die Kurve C2 der Temperatur T vor der Turbine in Abhängigkeit von der Anwärmdauer D für eine Umgebungstemperatur CA von 40 C und für eine gegebene und konstante Solltemperatur T7 hinter der Turbine dargestellt. Die Kurve C3 zeigt die Temperatur T vor der Turbine, die man dann erhält, wenn die Solltemperatur T7 um einen konstanten Wert V7 erhöht wird. Man erhält dann eine deutlich über der Maximaltemperatur TM liegende Temperatur T, was zu einer gefährlichen Überhitzung des Turbotriebwerks führen kann. Man erhält die Kurve C4, wenn man ein Programmgesetz verwendet, das es erlaubt, die Solltemperatur T7 hinter der Turbine um einen Korrekturwert VC zu erhöhen, der einerseits zur Vermeidung einer Überhitzung des Turbotriebwerks auf einen maximalen Korrekturwert VCM unter den ungünstigsten Bedingungen begrenzt ist und andererseits eine Funktion der kinematischen und thermischen Parameter der Turbinen ist, und der in dem Maße kleiner wird, in dem man sich den optimalen Werten dieser Parameter bei Höchstdrehzahl annähert. Die gewählten Parameter sind die Drehgeschwindigkeit NBP der Niederdruckturbine und die effektive Temperatur TE7 am Ausgang der Niederdruckturbine.
Fig. 3 zeigt den Verlauf der Kurve C5, die den Korrekturwert VC in Abhängigkeit von einem Parameter P darstellt, der der Drehgeschwindigkeit NBP proportional und der Quadratwurzel der effektiven Temperatur TE7 am Ausgang der Niederdruckturbine umgekehrt proportional ist. Diese Kurve zeigt, daß der bis zu dem Wert P1 des Parameters P anzuwendende Korrektur wert VC gleich VCM ist. Dieser entspricht dem kalten Turbotriebwerk. Anschließend verringert sich der Korrekturwert zwischen den Parameterwerten P, die zwischen P1 und P3 liegen. Von dem Wert P2 ab schließlich, der dem warmen Motor und den idealen Betriebsbedingungen des Turbotriebwerks entspricht, sind die Temperaturen stabilisiert und der Korrekturwert VC ist gleich Null.
Fig. 4 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Vorrichtung 1 gemäß der Erfindung, die während der ungünstigen Flugbedingungen eine automatische Kompensation der Temperatur am Eingang der Turbine ermöglicht.
Wesentlicher Bestandteil der Vorrichtung 1 ist ein Funktionsgenerator 2, dem Informationen über die Drehzahl NBP der Niederdruckturbine und die effektive Temperatur TE7 am Ausgang der Niederdruckturbine zugeführt werden und der an seinem Ausgang den Temperaturkorrekturwert VC liefert, der eine Funktion des der Kurve C5 von Fig. 3 entsprechenden Programmgesetzes ist. Die Drehzahl NBP der Niederdruckturbine wird von einem Drehzahldetektor 3 geliefert. Die Temperatur am Ausgang der Niederdruckturbine wird von einem Temperaturdetektor 4 gemessen. Der gewonnene Korrekturwert VC wird bei gewissen weiter unten erläuterten Betriebsbedingungen des Turbotriebwerks einem Addierer 5 zugeführt, der außerdem eine Information über den Wert der normalen Solltemperatur T7 als Eingangssignal aufnimmt, der in dem Regelsystem des Turbotriebwerks gewonnen und von einer Vorrichtung 6 geliefert wird. Der Addierer 5 liefert an seinem Ausgang ein Signal, das einem Solltemperatur-Korrekturwert TC entspricht und den das Regelsystem des Turbotriebwerks als Regelungsgröße berücksichtigt.
Die Vorrichtung 1 weist weiterhin Mittel 8 auf, mit deren Hilfe der Korrekturwert VC unter bestimmten Betriebsbedingungen des Flugzeugs, insbesondere beim Abheben und in den Anflug- und Landephasen, dem Addierer 5 zugeführt werden kann.
Diese Mittel 8 bestehen im wesentlichen aus einem Zeitgeber 9, der einen Schalter 10 betätigt, über den der Funktionsgenerator 2 und der Addierer 2 miteinander verbunden werden können, so daß letzterem während einer vorbestimmten Zeitspanne von beispielsweise 150 Sekunden der von dem Funktionsgenerator 2 abgegebene Korrekturwert VC als Eingangssignal zugeführt wird.
Der Zeitgeber 9 wird durch eine Torschaltung ET 11 ausgelöst. Diese ist einerseits mit einem ersten Drehzahlanzeiger 12 verbunden, der dann ein Signal liefert, wenn die Drehzahl NHP des Hochdruckkörpers größer ist als 90% seiner maximalen Drehzahl, und andererseits mit einem Speicher 13, der bei seiner Aktivierung ein Signal liefert. Der Speicher 13 ist mit einem zweiten Drehzahlanzeiger 14 verbunden, der den Speicher 13 aktiviert, wenn die Drehzahl NHP auf weniger als 80% der maximalen Drehzahl absinkt. Der Speicher 13 ist außerdem mit dem Ausgang des Zeitgebers 9 verbunden. Zweck dieser Verbindung ist es, den Speicher 13 zu deaktivieren, sobald der Zeitgeber 9 ausgelöst wird.
Diese Anordnung bewirkt, daß die Vorrichtung 1 dann wirksam ist, wenn die Drehzahl NHP des Hochdruckkörpers kleiner ist als 80% seiner maximalen Drehzahl. Sie bleibt wirksam, bis der Zeitgeber 9 ausgelöst wird. Das Auslösen erfolgt nur dann, wenn die Drehzahl NHP mehr als 90% seiner maximalen Drehzahl beträgt. Die Vorrichtung 1 ist so vom ersten Drehzahlanstieg des Turbotriebwerks an wirksam, der beim Starten des Flugzeugs auftritt. Im Reiseflugbetrieb ist die Vorrichtung 1 in der Regel unwirksam, weil die Drehzahl NHP des Hochdruckkörpers nur sehr selten unter 80% seiner maximalen Drehzahl absinkt. In der Phase des Anflugs auf einen Flughafen wird die Vorrichtung erneut wirksam, wenn die Drehzahl NHP des Hochdruckkörpers unter 80% seiner maximalen Drehzahl absinkt. Sie tritt in Aktion, sobald der Pilot wieder Gas gibt, weil die Drehzahl NHP des Hochdruckkörpers dann größer wird als 90% seiner maximalen Drehzahl.
Wenn der Zeitgeber 9 nicht ausgelöst ist, ist die von dem Addierer 5 gelieferte korrigierte Solltemperatur TC gleich der normalen Solltemperatur T7. Falls die Flugbedingungen günstig sind, d.h. wenn die Umgebungstemperatur niedrig ist und der Motor warm ist, ist der von dem Funktionsgenerator 2 gelieferte Korrekturwert gleich Null.

Claims

1. Vorrichtung zum Kompensieren der Temperatur vor der Hochdruckturbine eines Zweiwellen-Flugzeug-Turbotriebwerks für die automatische und zeitweilige Vergrößerung des Schubs des Turbotriebwerks bei schlechten Flugbedingungen, insbesondere bei hoher Umgebungstemperatur TA und kaltem Motor, wobei das Turbotriebwerk durch ein Regelungssystem auf eine konstante Soll-Temperatur hinter der Niederdruckturbine geregelt wird,

gekennzeichnet durch

einen Funktionsgenerator (2), der Angaben über die Drehzahl NBP der Niederdruckturbine und über die Ist-Temperatur TE7 am Ausgang der genannten Turbine aufnimmt und in Abhängigkeit von diesen Angaben und nach einem vorgegebenen Programmgesetz einen Korrekturwert VC der Soll-Temperatur liefert,

einen Addierer (5), der eine Angabe über der Wert der gegebenen Soll-Temperatur T7 aufnimmt und zur Aufnahme des genannten Korrekturwerts VC zeitweilig mit dem Funktionsgenerator (2) verbindbar ist, wobei er (5) den in Rechnung zu stellenden korrigierten Wert der Soll-Temperatur TC an das Regelungssystem liefert,

und Mittel (8), die in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen des Turbotriebwerks eine zeitweilige Verbindung des Funktionsgenerators (2) mit dem Addierer (5) ermöglichen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß die genannten Mittel (8), die eine zeitweilige Verbindung des Funktionsgenerators (2) mit dem Addierer (5) ermöglichen, folgende Teile umfassen:

- einen Schalter (10) zum Verbinden des Funktionsgenerators (2) mit dem Addierer (5),

- einen Zeitgeber (9), der die Betätigung des Schalters (10) während einer vorbestimmten Zeit ermöglicht,

- eine erste Anzeigevorrichtung (12) für die Drehzahl NHP des Hochdruckkörpers, die über eine Torschaltung ET (11) mit dem Zeitgeber (9) verbunden ist und ein Signal abgibt, wenn die Drehzahl NHP größer ist als ein vorbestimmter erster prozentualer Anteil der maximalen Drehzahl, und

eine zweite Anzeigevorrichtung (14) für die Drehzahl NHP des Hochdruckkörpers, die über einen Speicher (13) mit der genannten Torschaltung ET (11) verbunden ist und an diesen Speicher (13) ein Aktivierungssignal abgibt, wenn die Drehzahl NHP unter einen zweiten vorbestimmten prozentualen Anteil der maximalen Drehzahl liegt, wobei dieser zweite prozentuale Anteil kleiner ist als der erste prozentuale Anteil,

sowie dadurch gekennzeichnet

daß der Speicher (13) derart mit dem Zeitgeber (9) verbunden ist, daß dieser bei seiner Sperrung den Speicher deaktiviert,

und daß die Torschaltung ET (11) an den Zeitgeber (9) ein Sperrsignal liefert, wenn er von der ersten Drehzahl-Anzeigevorrichtung (12) ein Signal empfängt und gleichzeitig der Speicher (13) aktiviert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Drehzahl-Anzeigevorrichtung (12) ein Signal liefert, wenn die Drehzahl NHP des Hochdruckkörpers größer ist 90% seiner maximalen Drehzahl.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Drehzahl-Anzeigevorrichtung (14) ein Aktivierungssignal an den Speicher (13) liefert, wenn die Drehzahl NHP des Hochdruckkörpers kleiner ist als 80% seiner maximalen Drehzahl.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitgeber (9) den Schalter (10) während einer vorbestimmten Zeit von etwa 150 Sekunden betätigt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Programmgesetz des Funktionsgenerators (2) einen Korrekturwert VC für die Soll-Temperatur T7 liefert, der auf einen maximalen Korrekturwert VCM begrenzt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Korrekturwert VCM etwa 15ºC beträgt.