DK142123B - Apparat til styring af udstødningsdysens åbning i en gasturbinemotor. - Google Patents

Description

(11) FREMLÆGGELSESSKRIFT 142123 DANMARK (B1) ,nt·Cl·3 F 02 c 9/00 //F 02 κ ι/ιβ »(21) Ansøgning nr. 4688/77 (22) Indleveret den 21. Okt . 1977 (24) Løbedag 21 · Okt. 1977 (44) Ansøgningen fremlagt og fremlaeggelsesskriftet offentliggjort den 1 · ββρ. 1980 DIREKTORATET FOR .

PATENT- OG VAREMÆRKEVÆSENET (30) fra den

1. nov. 1976, 757379a US

(72) UNITED TECHNOLOGIES CORPORATION, 1, Financial Plaza, Hartford, CT 06101, TTS.

Opfinder: Anthony Newman Martin, 11 Wyngate, Simsbury, CT 06070, US:

Carl James Buczek, 179 Blue Ridge Drive, Manchester, CT 06040, US: Ro= bert Joseph“Mongeon, 11 Fox Hedge Road, East Longmeadow, MA 01028, US.

(74) Fuldmaegtig under sagens behandHng:

Larsen & Birkeholm Patentkontor.

(54) Apparat til styring af udstødnings dysens åbning i en gasturbinemotor.

Denne opfindelse vedrører et apparat til styring af åbningen i en udstødningsdyse med variabelt areal i en gasturbinemotor omfattende en udstødningsdysepositionsfølerenhed placeret i nærheden af udstødningsdysen, en informationsbehandlingsenhed koblet til positi-5 onsfølerenheden og en drivindretning mekanisk koblet til udstødningsdysen og styret af informationsbehandlingsenheden.

Moderne gasturbinemotorer er afhængige af indviklede parametervariationer gennem hele motorens arbejde for at opnå optimal motor-10 effektivitet og -stabilitet over et bredt område af kraftniveau.

2 142123

De hyppigst varierede parametre er brændstoftilførslen, luftstrømskonturen og luftstrømtrykket. Adskillige mekaniske, pneumatiske, elektriske, hydrauliske og elektromekaniske anordninger er blevet udviklet for at imødekomme de driftsmæssige og miljø-5 miSssige krav til parametervariationer.

Nøjagtigheden af alle tidligere udviklede parameterstyreanordninger er naturligvis begrænset til nøjagtigheden af føleelementer inden for kontrolkredsløbet til modtagelse af fysisk information 10 såsom den aktuelle stilling af parameterstyreanordningen. Motorkonstruktører og -fabrikanter har ofret betydelige økonomiske og menneskelige ressourcer i udviklingen af forbedret føleapparatur, som kan tilpasses det ugunstige motormiljø, i hvilket føle- og styreapparaturet skal fungere.

15

Formålet med opfindelsen er at tilvejebringe et forbedret gasturbine-styresystem, det vil sige, et styresystem med ringe fremstillingsomkostninger, lav vægt og lille kompleksitet, og hvori termiske og vibrationsmæssige påvirkninger er reducerede i for-20 hold til kendte systemer.

Dette formål opfyldes ifølge opfindelsen ved, at informationsbehandlingsenheden er anbragt fjernt fra udstødningsdysen, at en optisk fiber-signalleder er indrettet mellem informationsbehand-25 lingsenheden ogen senderstation fbr positionsføleren, og at positionsfø-- leren haren optisk aflæselig ko debær er ogfLherledere fr kodede optiske signaler, som er indrettet mellem en modtagerstation for positionsføleren og informationsbehandlingsenheden. Herved undgås sårbare mekaniske eller elektriske følerforbindelser mellem den styrede 30 anordning og informationsbehandlingsenheden. Herved opnås endvidere en reduktion af de ugunstige virkninger af elektromagnetisk interferens.

Opfindelsen forklares nærmere under henvisning til tegningen, hvor 35 fig. 1 viser en forenklet skematisk tegning af en gasturbinemotor set fra siden, som omfatter et udstødnings- 142123 3 dysestyringsapparatur vist i blokform, og fig. 2 en skematisk fremstilling af et optisk positions-føleelement ifølge opfindelsen.

5

En forenklet skematisk tegning af en gasturbinemotor set fra siden er vist i fig. 1. Motoren består først og fremmest af en blæserdel 10, en kompressionsdel 12, en forbrændingsdel 14, en turbinedel l6 og en udstødningsdel 18. Effektiv motordrift kræver 10 nøjagtig styring af forskellige parameterindstillingsanordninger i motoren. Sådanne anordninger omfatter, men er ikke begrænset til variable udstødningsdyser til styring af udløbsåbningen'for motorens gasstrømsbane, anordninger til indstilling af roterende ledeskovles stigningsvinkel, eller luftstrømmens udtagningsåbning-15 er til at styre mængden af luft, der udtages fra en gasturbinemotors luftstrømbane under drift. Styringen af sådanne anordninger er beskrevet i detaljer inden for denne specifikation med hensyn til motorens udstødning, men principperne og systemerne som beskrevet og krævet er lige så egnede til andre styrede anordninger, 20 også sådanne anordninger, hvis position er påvirkelig af temperatur- og trykparametre.

Et system 20 til kontrol af udstødningsrørets åbning er vist i forenklet blokform. Systemet omfatter en positionsføleenhed 22 25 anbragt i nærheden af udstødningsrøret, en informationsbehandlingsenhed 24 anbragt i den omgivelsesmæssigt gunstigste del af motoren, såsom blæserhuset 26, og en anordning 28, som er mekanisk forbundet med udstødningsrøret. Positionsføleenheden og informationsbehandlingsenheden er forbundet med et optisk fiberka-30 bel 30, som er indstillet til tovejsoverførsel af lyskraft mellem de forbundne enheder. Informationsbehandlingsenheden og anordningen er forbundet med adskillige elektriske, mekaniske eller elektromekaniske elementer; disses nøjagtige karakter er ikke vigtig i forbindelse med denne opfindelse.

Den foretrukne udførelses væsentlige bestanddel, system 20, er 35 4 142123 det optiske positionsføleapparatur, som omfatter positionsføle-enheden 22 og det optiske fiberkabel 30. En typisk føleenhed og kabel er vist i fig. 2. Kablet har en stor central leder 32 og et antal mindre ledere 34. Føleenheden har en senderblok 36* som 5 omfatter en udvidet del 38 og en modtager blok 40, som har et antal adskilte huller 42. Modtagerblokkens huller ligger på linje med det optiske fiberkabels mindre ledere, og senderblokkens udvidede del ligger på linje med den centrale leder. En optisk skærm 44, hvis position kan ændres i forhold til sender- og mod-10 tagerblokkene, er anbragt mellem blokkene. Skærmen har et antal huller 46, anbragt i et bestemt mønster, beregnet til at indkode et positionssignal baseret på den relative stilling mellem hullerne i skærmen og hullerne i modtagerblokken. I én udførelse er den optiske skærm 44 mekanisk forbundet med den styrede anordning.

15 I en anden udførelse er sender- og modtagerblokkene forbundet med den styrede enhed, og skærmen forbliver stationær.

Når motoren er i funktion, udsendes lysenergi fra et optisk senderelement 48 ved informationsbehandlingsenheden til senderblokkens 20 udvidede del 38 gennem det optiske fiberkabels store leder 32. En del af lysenergien, udsendt fra den udvidede del 38, afskæres af den optiske skærm 44, mens den resterende del af lysenergien passerer gennem de huller 46 i skærmen, der ligger på linje med de tilsvarende huller 42 i modtagerblokken. Lysenergien til modta-25 gerblokken udgør et kodet signal, som viser den optiske skærms stilling og dermed den styrede anordnings stilling.

Det kodede signal er en digital "on-off" form dannet af lysenergi-multibits. I den viste udførelse består signalet af fire diskrete 30 bits af "on-off" information. Hver enkelt bit af information bliver overført fra positionsføleenhedens modtagerblok til en optisk modtager 50 ved informationsbehandlingsenheden 24 gennem en tilsvarende mindre leder 34. En endnu højere positionsnøjagtighed kan opnås med systemer, som arbejder med flere diskrete bits af 35 "on-off" information. For eksempel har et system med otte (8) bits "on-off" information en teoretisk nøjagtighed på 1/4 % (0.25¾). Tilpasset udstødningsrøret på en speciel motor omfatter systemet 142123 5 ni (9) mindre ledere 34 og ni (9) modtagerblokhuller 42 til at overføre ni (9) diskrete bits af information.

Den digitale "on-off" form, der frembringes af føleenheden, er 5 særdeles forenelig med moderne styre-systemers informationsbehandlingsenheder, også når disse anvender elektroniske eller optiske kredsløb. I modsætning til tidligere anvendte systemer er omdannelse af analog parameterinformation ikke nødvendig.

10 Informationsbehandlingsenheden 24 sammenligner anordningens positionssignal med den optimale position ved den ønskede motordriftstilstand og aktiverer anordningen 28 til at ændre den styrede anordnings stilling ved hjælp af konventionelle midler, indtil den aktuelle og den ønskede position i det væsentlige stemmer 15 overens.

Systemet 20 fungerer som en lukket-sløjfe, hvorved der opnås definitiv styring af motorparametrene selv under skiftende driftsbetingelser. Folk inden for branchen vil forstå, at anvendelsen 20 af lukket-sløj fe-styring giver betydelige fordele. Når operatøren har valgt en ny anordningsindstilling, vil motoren fortsætte med at reagere på den aktuelle anordningsindstilling, som den er opfattet af det tilstedeværende apparatur. Informationsbehandlingsenheds-integreringen af alle styrede anordningers aktuelle stil-25 lingsinformation muliggør glidende driftsmæssige ændringer.

Som vist i fig. 1 er informationsbehandlingsenheden anbragt på blæserhuset adskilt fra motorens forbrændings- og turbinedele.

Enheden kan alternativt anbringes ved kompressionsdelen 12. Et 30 forholdsvis køligt sted i motoren er valgt for at undgå ugunstig termisk indvirkning på enheden. En kølig anbringelse er især ønskelig, når der er anvendt elektroniske komponenter i informationsbehandlingsenheden.

35 Ligeledes er en forholdsvis kølig anbringelse fordelagtig, når der anvendes elastomeriske støddæmpningssystemer til informationsbehandlingsenheden. Støddæmpning nedsætter enhedens følsomhed 6 142123 over for vibrationspåvirkning, som kan have en ufordelagtig indflydelse på enhedens nøjagtighed.

Anvendelsen af det optiske positionsfølekredsløb er særlig kritisk for styre-systemet. Systemet kan ikke blive mere nøjagtigt end det positionssignal, som informationsbehandlingsenheden modtager. Interferens med det overførte positionssignal, som det kendes fra elektromagnetisk interferens i elektriske kabelsystemer, er her undgået.