DK151487B - Styreindretning til opstart af en gasturbine - Google Patents

Description

151487 5 Opfindelsen angår anlæg til styring af brændstoftilførslen til en motor af turbinetypen til acceleration af moto'ren fra tænding til tomgangsdrift, især en motor, der ud over at levere effekt til et flys fremdrift også leverer effekt til flyets hjælpeudstyr, 10 hvilket anlæg omfatter en brændstofkontrol til regulering af brændstoftilførslen i afhængighed af et tilført indgangssignal.

Som det er velkendt inden for den teknik, der angår 15 styring af reaktionsmotorer eller jet-motorer, sker der det under opstart af motoren, d.v.s. fra det øjeblik motoren "tænder", indtil den når op på tomgangshastigheden, at brændstofstyringen fastlægger et forud bestemt forløb. Hidtil har sådanne brændstofstyrings-20 forløb været uden tilbageføring, idet en bestemt indstilling af effektreguleringshåndtaget udløste et indbygget forløb, der var udformet til at forudsige motorens driftsydelser. Et sådant indbygget forløb kunne selvsagt ikke være helt nøjagtigt, da det ikke 25 var indrettet til at tage hensyn til forskelle i driftsydelser mellem forskellige motorer af en og samme model, eller forringelse af styringen og lignende. 1

De typiske brændstofstyringer, som f.eks. kendes fra modellerne JFC-12, JFC-25 og JFC-60, der fremstilles af United Technologies Corporation, Hamilton standard Division, eller modellerne AJ-H1, CJ-G5 og CJ-G8, der fremstilles af Bendix Corporation, Bendix 2 151487 1 energy Controls Division, har alle brændstofstyringsforløb uden tilbageføring, og de påvirkes stort set alene af den omgivende lufts temperatur. Som det er velkendt, bør opstartkarakteristikken ikke alene tage 5 hensyn til parametre, der repræsenterer motorens moment, men også til andre funktioner af motorens interne parametre, som f.eks. temperatur og tryk. At gå frem på anden måde ville betyde at udsætte motorens opstart for risici i de tilfælde, hvor opstart skal kunne 10 ske over et bredt område af startbetingelser.

Med fremkomsten af elektronisk styreudstyr og dette udstyrs evne til at reagere hurtigt, er ønskerne om en mulighed til at overvåge visse af motorens driftspa-15 rametre og optimalisere motorens opstart over et bredt område af startbetingelser blevet til virkelighed.

Det er af stor betydning, at motorens accelleration op til tomgangshastigheden sker så hurtigt som muligt uden at fremkalde stalling eller "pumpning" ("surge").

20

Fra britisk patentskrift nr. 1.330.853 kendes et anlæg til styring af brændstoftilførslen til en motor af turbinetype, hvilket anlæg omfatter en brændstof-kontrol til regulering af brændstoftilførslen som 25 en funktion af motorens acceleration (målt ved hjælp af et tachometer) under start. En simpel styring som funktion af hastigheden eller accelerationen er imidlertid ikke tilstrækkeligt til at sikre en tilstrækkelig hurtig acceleration af motoren, hvis denne f.eks.

30 er belastet med en generator eller i fly med udstyr koblet til motoren, hvis motorens moment ikke er tilstrækkeligt til også at accelerere den belastning, som motoren har.

3 151487 1 Formålet med opfindelsen er derfor, at anvise et anlæg der kan bestemme motorens opstart ved at overvåge givne motor-betingelser og således tilvejebringe det ønskede opstartforløb ved at justere brændstoftil-5 strømningen og derved opnå en motor-acceleration, der er fri for stalling og kan gentages.

Dette opnås ifølge opfindelsen ved hjælp af organer til i afhængighed af korrigeret rotorhastighed (N/Vø"), 10 hvor O er temperaturen, Mach-tal eller aktuelle flyvehastighed, og kompressorens indløbstryk (CIP) eller kompressorens udløbstryk (CDP) at fastlægge et refe-rence-momentsignal, organer til i afhængighed af det faktiske moment, der frembringes af motoren ved op-15 start, at frembringe et faktisk-momentsignal til sammenligning med reference-momentsignalet til frembringelse af et fejlsignal i afhængighed af forskellen, hvilket fejlsignal bruges som indgangssignal til brændstofkontrollen .

20

Ved at styre brændstoftilførslen ud fra måling af motorens moment opnås således, at det altid bliver muligt at opnå en optimal motorstart uanset, om motoren er ubelastet eller belastet, hvilket især er af 25 betydning ved start af flymotorer, idet det sikres, at motoren også er istand til at accelerere tilkoblet hjælpeudstyr.

Ifølge opfindelsen sker der således en kontinuerlig 30 overvågning af motorens tilstand inden og under op startforløbet. Ved hjælp af reference-parametrene og de affølte faktiske parametre opretholdes et optimalt brændstoftilførselsforløb gennem hele opstarttidsrummet ved tilvejebringelse af den optimale acce- 4 151487 1 lerations-karakteristik uden at fremkalde stalling i kompressionssystemet.

Det er hensigtsmæssigt hvis anlægget er udformet, 5 . som angivet i krav 2, idet man herved får sikkerhed for at signalerne er mest muligt præcise under motorens opstart. Ved den i krav 3 omhandlede udformning, hvor reference-momentsignalet dannes som en funktion af kompressorens hastighed og indløbstryk, og hvor 10 faktisk-momentsignalet dannes ud fra kompressorens acceleration, opnås et anlæg, der effektivt kan styre motorens opstart.

Hvis anlægget udformes som omhandlet i krav 4 opnås 15 at det ikke træder i funktion før motoren har opnået tænding.

Ved den i krav 5 omhandlede udførelsesform, hvor brændstofstrømmen reguleres af temperaturen ved motoren, 20 opnås et velfungerende anlæg, der tager hensyn til motorens aktuelle temperatur.

Et anlæg ifølge opfindelsen kan endvidere, som omhandlet i krav 6, være ejendommeligt ved, at det også 25 tager hensyn til Mach-tallet, således at også lufthastigheden omkring flyet tages i betragtning.

Endelig beskriver krav 7 en foretrukken udførelsesform, der giver et yderligere velfungerende anlæg.

30

Opfindelsen vil i det følgende blive nærmere beskrevet under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 er et blokdiagram til belysning af opfin- 5 151487 1 delsen, og fig. 2 er et yderligere blokdiagram, der belyser en anden udførelsesform for opfindelsen.

5

Som det kan ses af fig. 1, består indretningen ifølge opfindelsen af to grundlæggende logiske funktioner, som består af velkendte elektroniske komponenter.

Den første logiske funktion tilføres som indgangssig-10 nal til et additionsled 10, der er et brændstof s trømningssignal dannet ud fra en funktion af temperaturen i gasserne nedstrøms for motorens kompressor, og den anden logiske funktion, som er det andet indgangssignal til additionsleddet 10, således som det skal forlares 15 i det følgende.

Til at begynde med aktiverer effektbetjeningshåndtaget aktiveringsrelæerne 12 og 14 i tidsstyret rækkefølge og tændingsforsinkelsesorganet 16. Tændingsfor-20 sinkelsesorganet 16 tjener til at forsinke anlæggets indkobling indtil motoren har opnået tænding. Samtidig hermed føres udgangssignalet fra funktionsgeneratoren 18, som bestemmer tændingsbrændstofstrømningens forløb som en funktion af motorens temperatur, f.eks.

25 temperaturen ved turbinens indløb eller udløb, til additions leddet 10, som i sin tur melder videre til brændstofstyreorganerne, som begynder at fylde brændstoffordelingsorganet. Efter fyldningen tænder motoren og begynder at accelerere.

30

Dersom brændstofstrømmen skulle være konstant under opstartforløbet, ville accelerationen falde med stigende rotorhastighed, hvad der skyldes det formindskede forhold mellem brændstof og luft ved høje lufthastighe- 6 151487 1 der i motoren. Det er hensigten med opfindelsen at denne tilstand afhjælpes ved at overvåge visse motorparametre og at fastlægge et optimalt opstart-forløb.

5 Ifølge opfindelsen tilvejebringes et ønskemomentsig- nal af funktionsgeneratoren 20, hvilket signal frembringes som en funktion af den korrigerede motorhastighed (N/Vø”) og flyets Mach-tal multipliceret med trykket i kompressorens indløb eller udløb (eller 10 i motorens indløb), hvilken værdi multipliceres med en passende konstant Κχ.

Udgangssignalet, bestående af momentfunktionssignalet multipliceret med produktet af kompressorindløbstryk-15 signalet multipliceret med konstanten Κχ i en multiplikator 22, tilføres indgangen på et additionsled 24.

Den næste del af det logiske kredsløb tjener til at 20 tilvejebringe et signal svarende til det faktiske moment. Styringen måler kompressor-rotorens acceleration (N) og multiplicerer den med en konstant K2, som er en inertimoment-konstant. Da flyets hjælpeudstyr, navnlig ved store højder, forbruger en høj pro-25 centandel af motorens samlede moment, tager opfindelsen hensyn til dette aspekt ved at måle den faktiske rotorhastighed og frembringe et til flyets hjælpeudstyr svarende signal i en funktionsgenerator 26. Udgangssignalet fra denne generator 26 tilføres et additionsled 30 28, hvori det adderes til produktet af N- og K2~signa- lerne. Sumsignalet fra additionsleddet 28 tilføres additionsleddet 24, der frembringer et signal svarende til forskellen mellem det planlagte eller ønskede momentsignal og det faktiske momentsignal.

7 151487 1 Udgangssignalet fra additionsleddet 24 føres derpå til additionsleddet 10 gennem en dertil egnet integrator 30/ som tjener til at justere brændstofstrømmen til den hydromekaniske styreenhed for motorbehov-5 et.

Som bemærket i det foregående tjener tændingsrelæet 14 til først at lade momentfejlsignalet passere/ efter at motoren har opnået tænding. Tændingsforsinkelsesor-10 ganet 16 er forudindstillet i effektbetjeningshåndta gets kredsløb, og tager hensyn til påfyldningstiden for brændstoffordelingsorganet. Efter udløbet af forsinkelsestiden passerer momentfejlsignalet til integra-toren 30, som foretager en tilføjelse til den grundlæg-15 gende tændingsbrændstofstrøm.

Dersom motoren af en eller anden årsag ikke skulle tænde under tæningsforsinkelsestidsrummet, vil styringen begynde at forøge brændstofstrømmen i et forsøg 20 på at opnå en tilpasning til reference-momentet. Herved opnås, at den forøgede brændstofstrøm til motoren vil tilvejebringe bedre betingelser for tænding ("lightoff"). 1 2 3 4 5 6

Det logiske kredsløb ifølge opfindelsen medfører fjer 2 nelsen af unøjagtigheder ved brændstoftilførsels 3 systemet, såsom måleventilstillinger, tryk og lignen 4 de. Dersom der faktisk findes en fejl i tilførselssy 5 stemet, sker der automatisk en korrektion i det elek- 6 troniske styreudstyr ved hjælp af den ved den lukkede sløjfe opnåede motor-accelerationskarakteristik. Ydermere sker der en kompensation for koldt brændstof eller brændstof af ringe kvalitet, idet der sker en automatisk korrektion for dårlig forbrænding.

8 151487 1 Fig. 2 viser et andet udførelseseksempel på en indretning ifølge opfindelsen, som i lighed med det i det foregående beskrevne udførelseseksempel opfatter to logiske hovedkredsløb eller -funktioner, bestå-5 ende af velkendte elektroniske komponenter.

Det første kredsløb er det logiske accelerationspåbegyndelseskredsløb 29, der er afbildet inden for den med dette henvisningstal afmærkede stiplede linie, 10 og som virker på følgende måde.

Et startsignal 31 anvendes til at udløse det forløb af opstart-brændstofstrømmen, der styres af turbine-gastemperaturen 32 (enten ved turbinens indløb eller 15 dens udløb) ved hjælp af et relæ 33, og tilvejebringer det begyndende brændstofkravsignal 34 til motoren.

Det i det foregående omtalte startsignal sætter også 20 et forsinkelsesur 35 i gang, som efter et forud bestemt tidsrum udløser et relæ 36, som lader et signal svarende til stigningstakten ("slew rate") for den ikke-tændte motors brændstofstrøm (en funktion af trykket ved motorens indløb eller ved kompressorens indløb 25 eller udløb multipliceret i konstant-multiplikatoren 37 med konstanten K]_) passere gennem et relæ 38, en minimumsvælgelogik 39 og en integrator 40, hvilket signal i et additionsled 41 adderes med et signal svarende til tændingsbrændstofstrømmen ("lightoff 30 flow") og derefter føres gennem relæet 33 til dannelse af et stigende brændstofkravsignal 34.

En tændingsdetektor ("lightoff detector") 42 måler gastemperaturen (enten ved turbinens indløb eller 9 151487 1 dens udløb), for at afgøre hvorvidt tsending har fundet sted inden i motoren. Udgangssignalet fra detektoren 42 aktiverer et relæ 38, som afslutter signalet svarende til stigningstakten for den ikke-tændte motors 5 brænds tof strøm og lader det til trim-takten for den tsendte motors brænds tof strøm svarende signal passere.

Det vil ved undersøgelse af de hidtil omtalte logiske komponenter kunne ses, at tændingsdetektoren 42 kan fungere inden udløbet af arbejdstidsrummet for forsin-10 kelsesuret 35.

Signalet svarende til trim-takten for den tsendte motor, der føres gennem reiseet 38, minimumsvælgeren 39, inte-gratoren 40, additions leddet 41 og relæet 33 til dan-15 nelse af brsendstof kravsignalet 34, frembringes på følgende måde:

Flyets Mach-tal (eller lufthastighed) anvendes til at definere en brændstofstrøm- og trim-funktion 43, 20 som påvirkes af trykket i motorens indløb eller i kompressorens indløb eller udløb ved hjælp af multiplikatoren 44 og integratoren 45.

Det til trim-takten for den tsendte motors brsendstof-25 strøm svarende signal åbner for brsendstof strømmen til motoren på en tilstrsekkeligt langsom måde efter tændingen af motoren til at undgå at kompressionssystemet staller. Efterhånden som det signal, der svarer til brsendstof leverings takten til stadighed forøges 30 ved indgangen til minimumsvælgeren 39, stiger motorens accelerationstakt indtil det andet logiske hovedkredsløb, nemlig den lukkede sløjfes trim-takt for brsendstof strømmen, ved minimumsvælgeren 39.

151487 ίο 1 Det lukkede accelerations-sløjfelogikkredsløb 60, der er afbildet inden for den med dette henvisningstal afmærkede stiplede linie, virker på følgende måde: 5 Flyets Mach-tal (eller lufthastighed) og den korrigerede rotorhastighed for kompressoren (eller motoren) anvendes til at definere en momentfunktion 46, som påvirkes af en trykfunktion 47, (frembragt af trykket i motorens indløb eller i kompressorens indløb eller 10 udløb og bearbejdet med konstanten K2) af en multiplikator 48 til dannelse af motorens reference-moment, som tilføres et aditionsled 49. Det andet indgangssignal til additions leddet 49 er et til det ydre moment svarende signal, bestående af startermomentet og hjæl-15 peudstyrs-momentet som tilført additionsleddet 50. Hjælpeudstyrs-momentet repræsenterer den ydre belastning på motoren, og er en funktion af rotor hastigheden 51 i kompressoren (eller motoren). Starter-momentet 52 genereres af rotorhastigheden i kompressoren (eller 20 motoren), starterens indløbstemperatur, og starterens indløbstryk. Starter-moment-signalet passerer gennem en vælger 53, som trigges af startersignalet, som konstaterer, hvorvidt starteren arbejder under motorens start eller ej. Udgangssignalet fra additionsleddet 25 50 kombineret i additionsleddet 49 frembringer referen- ce-accelerations-momentet, som tilføres additionsleddet 54 sammen med motorens accelerationstakt som udregnet fra rotorhastigheden i K3-konstantmultiplikatoren 55. Udgangssignalet fra additionsleddet 54 er moment-30 fejlsignalet, og repræsenterer forskellen mellem de forud planlagte momenter og det målte accelerationsmoment på rotoren i kompressoren (eller motoren). Et nedadtrimnings-momentsignal, der genereres af turbine-gastemperaturen (ved ind- eller udløb), anvendes til 11 151487 1 at ophæve den pludselige påvirkning fra momentfejlsignalet ved anvendelse af minimumvælgeren 57 i tilfælde af en varm start, forårsaget af stallling i kompressionssystemet eller for stor brændstoftilførsel under 5 motorens start, således at beskadigelse af motoren automatisk undgås. Udgangssignalet fra minimumvælgeren 57, moment-trim, bearbejdes af konstanten K4 i en konstantmultiplikator 58, der giver den lukkede sløjfes brændstof-trim-taktfunktion. Denne bearbejdes af ind-10 løbstrykket i motoren eller kompressoren i multiplikatoren 59 til frembringelse af et signal svarende til den lukkede sløjfes brændstof-trim-takt, der tilføres minimumvælgeren 39. Som omtalt ovenfor bearbejdes udgangssignalet fra minimumvælgeren 39 af integrato-15 ren 40, additions leddet 41 (der adderer til brænd stofstrømmen ved tænding ("lightoff")) og relæet 33 til dannelse af brændstofkravsignalet 34, der overføres til de hydromekaniske styreorganer til efter behov at modulere den til motoren leverede brændstofstrøm.

20 I styreindretningen ifølge opfindelsen forhindrer den lukkede sløjfes logiske kredsløb at der opstår unøjagtigheder i brændstoftilførselssystemet, som f.eks. vedrørende måleventilstillinger, tryk og lignen-25 de. Dersom der faktisk findes et problem i brændstoftilførselssystemet, sker der automatisk en korrektion ved hjælp af de elektroniske styreorganer på grund af motor-accelerations-karakteristikkens til en lukket sløjfe svarende egenskaber. Der sker endvidere, takket 30 være de til den lukkede sløjfe svarende egenskaber, en automatisk kompensation for variationer i brændstoffets forbrændings-egenskaber, der kan være forårsaget af brændstoffets art eller kvalitet og/eller temperaturen.

Claims (7)

151487

1. Anlæg til styring af brændstoftilførslen til en motor af turbinetypen til acceleration af motoren 5 fra tænding til tomgangsdrift, især til en motor, der ud over at levere effekt til et flys fremdrift også leverer effekt til flyets hjælpeudstyr, hvilket anlæg omfatter en brændstofkontrol til regulering af brændstoftilførslen i afhængighed af et tilført 10 indgangssignal, kendetegnet ved organer (20) til i afhængighed af den korrigerede motorhastighed (N/VC) og flyets Mach-tal eller aktuelle flyvehastighed multipliceret med trykket i kompressorens indløb eller udløb at fastlægge et reference-momentsig-15 nal, organer (52) til i afhængighed af det faktiske moment, der frembringes af motoren ved opstart, at frembringe et faktisk-momentsignal til sammenligning med reference-momentsignalet, samt organer (24, 49) der er indrettede til at sammenligne reference-mement-20 signalet med faktisk-momentsignalet til frembringelse af et fejlsignal i afhængighed af forskellen, hvilket fejlsignal bruges som indgangssignal til brændstofkontrollen. 1 2 3 4 5 6

1 PATENTKRAV

2. Anlæg ifølge krav 1, kendetegnet ved 2 organer (26, 51) til i afhængighed af en af moto 3 rens driftsparametre at omsætte denne til et hjælpe- 4 udstyrsmomentsignal, samt organer (28, 50) til i afhæn 5 gighed af hjælpeudstyrsmomentsignalet og faktisk- 6 momentsignalet at frembringe et signal, der repræsen terer motorens fremdriftskraft, hvilket signal anvendes som indgangssignal til sammenligningsorganerne (24, 49). 151487*

3. Anlæg ifølge krav 1-2, og hvor motoren omfatter en kompressor, kendetegnet ved, at det er således indrettet, at reference-momentsignalet dannes som en funktion af kompressorens hastighed 5 og kompressorens indløbstryk, og også således, at faktisk-momentsignalet dannes ud fra kompressorens accelleration og en forud bestemt konstant.

4. Anlæg ifølge krav 1-3, kendetegnet 10 ved, at det er indrettet således, at brasnds tof tilførslen til motoren begynder ved et forud bestemt aktiveret signal til igangsætning af tændingen, og at anlægget omfatter tidsforsinkelsesorganer (16), der sætter anlægget ud af funktion, indtil tænding er 15 opnået.

5. Anlæg ifølge krav 4, kendetegnet ved, at det er indrettet således, at den brænd s tof strøm, der tilføres motoren med henblik på tænding, reguleres 20 som en funktion af temperaturen ved motorens indløb eller udløb.

6. Anlæg ifølge krav 1-5, kendetegnet ved, at det er indrettet således, at reference-moment- 25 signalet adderes med et signal, der repræsenterer Mach-tallet.

7. Anlæg ifølge krav 1-6, kendetegnet ved organer (29) til i afhængighed af motorens ind- 30 løbs- eller udløbstemperatur at detektere en start med varm motor og som funktion heraf korrigere faktisk-momentsignalet på en sådan måde, at varmeudviklingen i motoren begrænses.