NL8002584A - Besturingssysteem voor het opstarten van een gasturbinemotor. - Google Patents

Description

- 1 - . *

Besturingssysteem voor het opstarten van een gasturbine-motor.

De uitvinding heeft betrekking op gasturbinemotors en in het bijzonder op een logische schakeling van een elektronisch brandstofregelsysteem, dat bepaalde motor-operatieparameters, die indicatief zijn voor het motor-5 koppel, bewaakt, en de lus op de brandstofstroom sluit voor het verschaffen van een bepaald draaikoppelschema voor het opstarten van de motor.

Zoals bekend is in de straalmotorregeltechniek, stelt bij het opstarten van de motor, dat wil zeggen 10 vanaf het punt, waarop de motor wordt ontstoken tot aan het punt, waar de motor zijn onbelaste snelheid bereikt, de brandstofregeling een vastgesteld schema in. Tot nog toe waren dergelijke brandstofregelschema's open-lus-schema's, waarbij een gegeven vermogensniveaustand een 15 ingebouwd programma initieerde, dat was ontworpen op voorspellingsbasis van de operationele eigenschappen van de motor. Het spreekt vanzelf, dat een dergelijk ingebouwd schema niet absoluut nauwkeurig was, aangezien het geen rekening hield met variaties in de werking van verschillende 20 motoren van een gegeven motormodel, of defekten in de regeling of dergelijke.

Bij de kenmerkende brandstofregelingen, bijv. de modellen JFC-12, JFC-25 en JFC-60, vervaardigd door Hamilton Standard Division van United Technologies Corpora-25 tion, of de AJ-H1, CJ-G5, GT-G8, vervaardigd door Bendix Energy Controls Division van Bendix Corporation, is het enkelvoudige brandstofstroomschema een open-lus-schema en algemeen uitsluitend bepaald door omgevingsluchttemperatuur. Zoals bekend is, dient bij de ontstekingskarakteris-30 tieken niet alleen rekening gehouden te worden met de bovengenoemde parameters, maar moet eveneens rekening gehouden worden met andere funkties van inwendige motor-parameters, zoals temperatuur en druk. Een andere mogelijkheid zou zijn het vinden van een compromis voor het 35 opstarten van een motor, zoals dit plaatsvindt over een uitgebreid gebied van startvereisten.

Met de komst van elektronische regelsystemen en 800 2 5 84 - 2 - * de snelle tijdsresponsie daarvan, is de mogelijkheid om bepaalde motoroperatieparameters te bewaken en het opstarten van een motor te optimaliseren over een groot gebied van startvereisten een werkelijkheid geworden.

5 Het is belangrijk, dat de motorversnelling naar onbelaste’ toestand zo snel mogelijk plaatsvindt zonder dat daarbij overtrekking of een plotseling stijgen optreedt. Volgens de uitvinding wordt daarom voorgesteld, dat het motor-opstartschema wordt verkregen door het bewaken van bepaalde 10 motorvereisten en het sluiten van de lus op de bewaakte parameters, teneinde een opstartschema te verschaffen door het instellen van de brandstofstroom, en een reproduceerbare motorversnelling te verkrijgen, die vrij is van overtrek. Volgens de uitvinding wordt voorgesteld, dat een motor-15 koppelfoutsignaal, dat indicatief is voor het verschil tussen een gewenst motorkoppelschema, verkregen als funktie van de gecorrigeerde rotorsnelheid (Ν/ΐ/θ), het Mach-getal, en de compressorinlaatdruk (CIP) of compressorontladingsdruk (CDP), en het werkelijke draaikoppel, de versnelling N maal 20 een constante, min het draaikoppel, dat wordt gebruikt voor vliegtuigaccessoires,en het koppel, geleverd door een starter, worden gebruikt voor het verkrijgen van de gewenste brandstofstroom voor het verschaffen van de versnelling.

25 · Aldus wordt volgens de uitvinding de toestand van de motor voorafgaand en gedurende de startcyclus continu bewaakt. De referentieparameters en de afgetaste parameters zorgen voor de optimale programmering van de brandstof gedurende de start door de optimale versnellingskarakteris-30 tieken te verschaffen, zonder dat daarbij het compressie-systeem in overtrokken toestand geraakt.

Het is een doel van de uitvinding om voor een gasturbinemotor een optimaal opstartregelsysteem te verschaffen, dat een snel opstarten bereikt vanaf ont-35 steking tot aan onbelaste loop, zonder dat daarbij overtrekken (stall) plaatsvindt. Een verder aspect van de uitvinding is om de lus te sluiten op het verschil tussen een gewenst motorkoppelsignaal en een feitelijk motor-koppel door het instellen'van de brandstofstroom naar het 40 hoofdverbrandingssysteem'van de motor.

800 2 5 84 \ - 3 - f r

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van twee uitvoeringsvormen onder verwijzing naar de tekening. In de tekening toont: fig. 1 een blokschema, waarin een eerste uitvoerings-5 vorm van de uitvinding is belicht; en fig. 2 een tweede blokschema van een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding.

Zoals is te zien in fig. 1, omvat de uitvinding twee basis-logische circuits, die bestaan uit bekende 10 elektronische onderdelen. De eerste logische schakeling is aangelegd als ingang aan het sommeerorgaan 10, dat een brandstofstroomsignaal geeft, dat wordt ingesteld door de som van het initiële brandstofstroomsignaal, dat een funktie is van de temperatuur van de gassen stroom-15 afwaarts van de motorcompressor, en het signaal van de tweede logische keten, dat de andere ingang vormt aan het sommeerorgaan 10, en dat hieronder wordt beschreven.

Initieel bekrachtigt het vermogensniveau de bekrachtigingsrelais 12 en 14 in getimede volgorde, 20 bepaald door de ontstekingsvertraging 16. De ontstekings-vertraging 16 dient voor het vertragen van de gesloten-lus-operatie, totdat de motor zijn ontsteking heeft gekregen. Tegelijk wordt de funktiegenerator 18, die de ontstekingsbrandstofstroom beraamt als funktie van de 25 motortemperatuur, dat wil zeggen de turbine-inlaat of ontladingstemperatuur, aangelegd aan de sommeerketen 10, die op zijn beurt het signaal doorgeeft aan de brandstof-regeling, welke begint het brandstofspruitstuk te vullen.

Na het vullen ontsteekt de motor en begint te versnellen.

30 Indien de brandstofstroom constant zou blijven gedurende de startcyclus, zou de versnellingsgraad verminderen naarmate de motorrotorsnelheid toeneemt als gevolg van de verminderde brandstof/luchtverhouding bij hoge motorluchtstromen. Volgens de uitvinding wordt 35 beoogd, dat deze toestand wordt gecorrigeerd door het bewaken van bepaalde motoroperatieparameters en het bepalen van een optimaal opstartschema.

Volgens de uitvinding wordt een gewenst motorkoppel-signaal geleverd door de funktiegenerator 20, dat wordt 40 gegenereerd als funktie van de gecorrigeerde rotorsnelheid 800 2 5 84 *·- - 4 - (Ν/ \/θ) en het Mach-getal, vermenigvuldigd door de compressorinlaat of -uitlaatdruk (motorinlaatdruk kan eveneens worden gebruikt), welke waarde wordt vermenigvuldigd met een geschikte constante K^.

5 De uitgang van het motorkoppelfunktiesignaal, vermenigvuldigd met het produkt van het compressorinlaat-druksignaal, vermenigvuldigd met de constante in vermenigvuldiger 22, wordt aangelegd aan de ingang aan de sommeerketen 24.

10 Het volgende gedeelte van de logische schakeling dient voor het verschaffen van een signaal, dat indicatief is voor het feitelijke draaikoppel. De regeling meet de versnelling van de compressorrotor (N) en vermenigvuldigt deze met een constante K2/ welke een traagheidsmoment-15 constante is. Aangezien vliegtuigaccessoires, in het bijzonder bij grote hoogtes, een hoog percentage gebruiken van het totale motorkoppel, wordt dit aspect bij de uitvinding in rekening gebracht door het meten van de feitelijke rotorsnelheid en het genereren van een signaal, 20 dat indicatief is voor de vliegtuigaccessoires in de funktiegenerator 26. De uitgang var dit signaal wordt aangelegd aan de sommeerketen 28, en opgeteld bij de uitgang van het vermenigvuldiggetal van het N en K2 signaal. Het somsignaal van sommeerketen 28 wordt aangelegd aan 25 sommeerketen 24, welke een signaal produceert, dat indicatief is voor het verschil tussen het geplande of gewenste draaikoppelsignaal en het feitelijke draaikoppel-signaal.

De uitgang van sommeerketen 24 wordt vervolgens 30 aangelegd aan sommeerketen 10 via een geschikte integrator 30, die dient voor het instellen van de brandstofstroom voor het instellen van de brandstofstroom aan de aan de motorvereisten beantwoordende hydromechanische regel-eenheid.

35 Zoals boven werd opgemerkt, dient het ontstekings- relais 14 voor het doorlaten van het draaikoppelfoutsignaal uitsluitend na ontsteking van de motor. De ontsteker (brandstofontsteking)-tijdsvertraging 16 is vooringesteld in de vermogenshefboomschakeling en houdt rekening met 40 de brandstofspruitstukvultijd. Nadat de vertragingstijd 800 2 5 84 - 5 - voorbij is, gaat het draaikoppelfoutsignaal door naar de integrator 30, welke het toevoegt aan de basisontstekings-brands tofö troom.

Indien de motor niet zou ontsteken voor een of andere 5 reden gedurende de ontstekingstijdvertragingstijdsperiode, zal de regeling de brandstofstroom doen stijgen in een poging om aanpassing te vinden aan het referentiedraaikoppel. Daardoor zal de hogere brandstofstroom, gepland voor de motor, zorgen voor een betere ontstekingstoestand.

10 Bij de uitvinding elimineert de gesloten-lus-logica onnauwkeurigheden, geassocieerd met het brandstofleverings-systeem, zoals doseringskiepstanden, drukken en dergelijke. Indien er zich een probleem voordoet bij het leverings-systeem, wordt automatisch een correctie gemaakt in de 15 elektronische regeling door middel van de gesloten-lus-motorversnellingskarakteristieken. Verder wordt gecompenseerd voor koude of arme brandstof, doordat automatisch wordt gecorrigeerd voor slechte verbranding.

In fig. 2 is een andere uitvoeringsvorm van de 20 uitvinding getoond, die eveneens bestaat uit twee hoofd-logiscne-circuits, welke bekende elektronische onderdelen bevatten.

De eerste is de versnellingsinitierings-logische-schakeling, gelegen tussen het gebroken-lijn-blok,dat is 25 aangegeven met 29, en welke schakeling werkt als volgt.

Een startsignaal 31 wordt gebruikt voor het vrijgeven van de ontstekingsbrandstofstroom, die wordt bepaald door de turbinegastemperatuur 32 (of de turbine-inlaat of de uitlaat) door middel van een relais 33, en geeft de 30 initiële brandstofstroomvraag 34 aan de motor.

Het bovengenoemde startsignaal initieert verder een timer 35, die na een vastgestelde tijdsperiode een relais 36 trekkert, dat de brandstofstroomhoeveelheid bij niet ontstoken motor (een funktie van motorinlaat, 35 compressorinlaat of ontladingsdruk vermenigvuldigd met K1 37) doorgeeft via een relais 38, de minimumselectie-logica 39, en een integrator 40, welk signaal wordt toegevoegd aan de ontstekingsstroom bij een sommeerketen 41, en passeert een relais 33 teneinde een verzoek 34 om 40 verhoogde brandstofstroom te worden.

800 2 5 84 - 6 - *

Een ontstekingsdetector 42 meet de gastemperatuur (hetzij turbine-inlaat of ontlading) om vast te stellen, of ontsteking heeft plaatsgevonden binnen de motor. Het uitgangssignaal van de detector bekrachtigt een relais 38, 5 dat de brandstofstroom bij onontstoken machine onderbreekt en de brandstofstroomtrimhoeveelheid bij ontstoken machine doorlaat. Bij beschouwing van de tot nog toe besproken logische schakeling is het duidelijk, dat de ontstekingsdetector 42 kan funktioneren voor de voltooiing van de 10 cyclus van timer 35.

De brandstofstroomtrimhoeveelheid bij ontstoken machine, welke gaat door relais 38, de minimum-selector 39, de integrator 40, de sommeerketen 41 en het relais 33 teneinde het brandstofstroomverzoek 34 te worden, wordt 15 als volgt gegenereert: het Mach-getal (of de luchtsnelheid) wordt gebruikt voor het beschrijven van een brandstofstroom en trimfunktie 43, welke wordt beïnvloed door de motorinlaat of compressorinlaat of de ontladingsdruk door middel van de vermenigvuldiger 44 en de integrator 45.

20 De brandstofstroomhoeveelheid bij ontstoken motor brengt de brandstofstroom naar de motor op gang op een voldoende langzame manier na motorontsteking, dat over-trekking (van de rotorbladen) van het compressiesysteem wordt vermeden. Als de hoeveelheid van brandstofstroom-25 afgifte continu toeneemt in de minimum-selector 39, neemt de motorversneliingsgraad toe tot de tweede hoofd-logische-schakeling, de gesloten-lus-versnellings-logica is gekozen met behulp van de gesloten-lus-brandstofstroomtrimhoeveelheid aan de minimum-selector 39.

30 De gesloten-lus-versnellings-logische-schakeling, die is omvat binnen het gebroken lijnenblok 60, werkt als volgt: De voor het vliegtuig-Mach-getal (of luchtsnelheid) en compressor (of motor) gecorrigeerde rotorsnelheid wordt gebruikt voor het bepalen van een draaikoppelfunktie 35 46, die wordt beïnvloed door de drukfunktie 47 (gegenereert door de motorinlaat of compressorinlaat of ontladingsdruk, beïnvloed door constante I^) door de vermenigvuldiger 48 voor het verschaffen van het referentiemotorkoppel, dat wordt aangelegd aan de sommeerketen 49. De andere ingang ’ 40 van -de sommeerketen 49 vormt het uitwendige koppel, dat 800 2 5 84 * £ - 7 - bestaat uit het starterkoppel en het accessoirenkoppel, aangelegd aan de sommeerketen 50. Het accessoirenkoppel representeert de uitwendige belasting, afgenomen van de motor, en is een funktie van de compressor (of motor) 5 rotorsnelheid 51. Het starterkoppel 52 wordt gegenereerd door de compressor (of motor) rotorsnelheid, de starter-inlaattemperatuur, en de starterinlaatdruk. Het starter-momentsignaal gaat door een selector 53, die wordt getrekkerd door het startersignaal, dat vaststeit of al dan niet de 10 starter werkzaam is gedurende de motorstart. De uitlaat van sommeerketen 50 gecombineerd met sommeerketen 49 produceert het referentieversnellingskoppel, dat wordt aangelegd aan de sommeerketen 54 samen met de motorversnel-lingsgraad, zoals berekend door compressor (of motor) 15 rotorsnelheidsgraad en constante 55. De uitgang van de sommeerketen 54 is de draaikoppelfout en representeert het verschil tussen de geplande draaikoppels en het gemeten versnellingskoppel van de comporessorrotor (of motorrotor). Een omlaagtrimkoppel, voortgebracht door de turbinegas-20 temperatuur (inlaat of ontlading) wordt gebruikt om de invloed van de draaikoppelfout op te heffen door gebruikmaking van de minimumselector 57 in het geval .van een hete start, veroorzaakt door overtrekking van het compressie-systeem, of doordat overmaat brandstof optreedt gedurende 25 de motorstart, waardoor automatisch motorschade wordt geëlimineerd. De uitgang van de minimum-selector 57, de draaikoppeltrim, wordt beïnvloed door de constante K4 58, die de gesloten-lus-brandstofstroomtrimhoeveelheidfunktie levert. Dit wordt beïnvloed door de motor- of compressor-30 inlaatdruk door de vermenigvuldiger 59 voor het vóórtbrengen van de gesloten brandstofstroomtrimhoeveelheid, die wordt toegevoerd naar de minimum-selector 39. Zoals eerder beschreven wordt de uitgang van de minimum-selector . 39 beïnvloed door de integrator 40, de sommeerketen 41 35 (die addeert aan de ontstekingsbrandstofstroom), en het relais 33 voor het leveren van het brandstofstroomverzoek-signaal 34, dat wordt overgedragen aan de hydromechanische regelingsuitvoerorganen voor al naar vereist wordt het moduleren van de brandstofstroom, geleverd aan de motor.

40 Volgens de uitvinding elimineert de gesloten-lus- 800 25 84 * if - 8 - logica onnauwkeurigheden van het brandstofleveringssysteem, zoals de doseringskleppenstand, drukken e.d. Indien er zich een probleem voordoet met het leveringssysteem, wordt automatisch een correctie gemaakt door de elektronische 5 r.egeling door middel van het gesloten-lus-karakter van de motorversnellingskarakteristieken. Verder wordt op overeenkomstige wijze automatisch gecompenseerd voor variaties van brandstofverbrandingskarakteristieken als gevolg van soort, kwaliteit, en/of temperatuur door middel 10 van de gesloten-lus-karakteristieken.

Het zal duidelijk zijn, dat de uitvinding niet is beperkt tot de uitvoeringsvoorbeelden zoals getoond en beschreven, maar dat tal van variaties en modificaties kunnen worden aangebracht zonder daardoor te treden buiten 15 het kader van de uitvinding.

- conclusies - 800 25 84

Claims (11)

1. Besturingssysteem voor het regelen van de brandstofstroom naar een turbine-type motorinstallatie voor het starten van de motor vanaf ontsteking tot onbelaste bedrijfsmodus, gekenmerkt door middelen, 5 die reageren op bepaalde motoroperatieparameters voor het bepalen van een referentiedraaikoppeisignaal, middelen, die reageren op het feitelijke draaikoppel, geproduceerd door de motor bij het opstarten, om te worden vergeleken met het genoemde referentiedraaikoppeisignaal, en middelen, 10 omvattende een brandstofregeling voor het reguleren van de brandstofstroom in overeenstemming met het verschil van het referentiedraaikoppeisignaal en het feitelijke draaikoppèlsignaal voor het regelen van de hoeveelheid brandstof, die wordt toegevoerd naar de motor gedurende 15 de genoemde operatiemodus van de motorinstallatie.

2. Besturingssysteem volgens conclusie 1 voor een motorinstallatie, die additioneel aan het aandrijven van een vliegtuig wo^dt gebruikt voor het aandrijven van vliegtuigaccessoires, gekenmerkt door 20 middelen, die reageren op een motoroperatieparameter voor het converteren van deze· parameter in een draaikoppel-signaal, en middelen, die reageren op het accessoirenkoppel van het vliegtuig en het daadwerkelijke draaikoppel voor het voortbrengen van een signaal, dat het aandrijfkoppel' 25 van de motorinstallatie reflecteert, welk signaal wordt gebruikt als het feitelijke motorkoppelsighaal voor het regelen van de brandstofstroom gedurende de bedrijfsmodus van de motorinstallatie.

3. Besturingssysteem volgens conclusie 1, waarbij 30 de motorinstallatie een compressor heeft, me t het kenmerk, dat het beraamde draaikoppèlsignaal wordt gemanifesteerd als een- funktie van de compressorsnelheid en de compressorinlaatdruk, en dat het feitelijke draaikoppel wordt gemanifesteerd door de compressorversnelling 35 en een vastgestelde constante. 800 2 5 84 * - 10 -

4. Besturingssysteem volgens conclusie 1, m e t het kenmerk, dat de brandstofstroom naar de motor aanvangt na een vastgesteld bekrachtigd signaal voor het initiëren van de ontsteking, en dat er tijdvertragings- 5 middelen zijn, die het systeem onwerkzaam houden, totdat de ontsteking is verkregen.

5. Besturingssysteem volgens conclusie 4, m e t het kenmerk, dat de brandstof, toegevoerd naar de motorinstallatie met het oog op de ontsteking wordt 10 bestuurd als een funktie van de temperatuur aan de inlaat of uitlaat van de turbine.

6. Besturingssysteem volgens conclusie 3, m e t het kenmerk, dat een signaal, dat indicatief is voor het Mach-getal, het beraamde draaikoppelsignaal 15 beïnvloedt.

7. Besturingssysteem voor het regelen van de brandstofstroom naar een turbine-type motorinstallatie met een compressor en een turbine voor het starten van de motorinstallatie van ontsteking tot onbelaste snelheidsmodus 20 van bedrijf, gekenmerkt door een starter voor het opleggen van een draaibeweging aan de compressor en turbine, totdat een vastgestelde snelheid is verkregen voor ontsteking, een initieel opstartgedeelte, dat reageert op de compressorinlaatdruk en de turbine-inlaat-25 temperatuur, voor een initiële ontsteking bij bekrachtiging van de starter, een gesloten-lus-opstartgedeelte met middelen, die reageren op bepaalde motoroperatieparameters .voor het beramen van een referentiedraaikoppelsignaal, middelen, die reageren op het feitelijke draaikoppel, 30 geproduceerd door de motorinstallatie bij motoropstarten, om te worden vergeleken met het referentiedraaikoppelsignaal, en middelen, omvattende een brandstofbesturing voor het regelen van de brandstofstroom in overeenstemming met het verschil van het referentiedraaikoppelsignaal en het 35 feitelijke draaikoppelsignaal voor het regelen van de hoeveelheid brandstof, die wordt toegevoerd naar de motorinstallatie gedurende de genoemde bedrijfsmodus van de 80 0 2 5 84 4 - 11 - motorinstallatie.

8. Besturingssysteem volgens .conclusie 7, m e t het kenmerk, dat de bepaalde motoroperatiepara-met-ers omvatten de compressorsnelheid en de compressor- 5 inlaat of -uitlaatdruk.

9. Besturingssysteem volgens conclusie 7, m e t het kenmerk, dat het feitelijke draaikoppel wordt gemeten door het aftasten van de compressorsnelheid en het vermenigvuldigen daarvan met een gegeven constante.

10. Besturingssysteem volgens conclusie 7, m e t het kenmerk, dat er verder middelen zijn, die reageren op de turbine-inlaat-of uitlaattemperaturen voor het detecteren van een hete start van de motorinstallatie teneinde het feitelijke draaikoppelsignaal te beïnvloeden 15 teneinde de warmte, gegenereerd in de motorinstallatie te beperken.

11. Besturingssysteem volgens conclusie 7, me t het kenmerk,, dat er verder middelen zijn, die reageren op het draaikoppel, gegenereerd door de starter, 20 en het koppel van de motor voor vliegtuigaccessoires, teneinde het referentiedraaikoppelsignaal te beïnvloeden. 800 25 84