SE458548B - Styranordning samt saett foer att kompensera dragkraftsminskning vid gasturbinmotorer - Google Patents

Description

458 548 _ 2 Fig. 2 - 5 åskådliggör de ändringar som olika motorkomponenter utsätts för med tiden under acceleration.

Fig. 6 åskådliggör en utföringsform av föreliggande uppfinning.

Detaljerad beskrivning av uppfinningen.

Fig. 2 visar en kurva över transienten 16 hos temperaturen (benämnd TS) vid utblåsningen hos en lågtrycksturbin 18 under acceleration. TS mätes i punkten 21 i figur 1, nedströms lågtrycksturbinen 18. Den vertikala axeln 8 fig. 2 återger T5 i grader Fahrenheit, men refererat till en godtycklig nollpunkt, som i själva verket är den maximala programenliga temperaturen för TS, som i praktiken är ca 1500°F. (ca 820°C). Under 60 sekunders intervallet 24 och tidigare arbetar motorn i tomgång, och vid en tidpunkt T = 0, accelereras motorn, vilket bringar TS att snabbt öka med ca 800°F (ca 445°C) inom 4 sek. intervallet 27. ' Fig. 3 - 5 åskådliggör effekten av denna snabba ökning i TS på tempera- turerna hos turbinen 9 och manteln 12li fig. 1. Fig. 3 visar transienten 30 hos manteldiametern och fig. 4 visar transienten 33 hos turbindiametern, båda som funktioner av tiden. De vertikala axlarna i båda dessa figurer är indelade i godtyckliga diameterenheter. Även om båda turbinen 9 och manteln 12 expanderar vid upphettning, har manteltransienten emellertid givits en positiv lutning medan turbintransienten 33 givits en negativ lutning. Detta beror på att kurvor- na är refererade till spetsspelet 15 i fig. 1 och ej till absolut diameter.

Eftersom expanderingen av manteln 12 i fig. 1 bringar spetsspelet 15 att_öka, tilldelas manteltransienten 30 i fig. 3 en positiv lutning. Eftersom emellertid turbinens 9 expansion bringar spetsspelet 15 att minska, tilldelas turbintransi- enten 33 en negativ lutning. I Transienterna i fig. 3 och 4 adderas algebraiskt för att bilda transien- ten 36 i fig. 5. Transienten 36 åskådliggör nettospetsspelet 15 i fig. 1 som funktion av tiden under acceleration. Återigen är den vertikala axeln i fig. 5 uppdelad i godtyckliga enheter indikerande spelets storlek. Det kan noteras att det inledningsvis finns ett största spel i punkten 39, som gradvis minskar mot det stationära värdet 32. Såsom figuren visar tar det approximativt 4 eller 5 minuter för att spetsspelet 15 skall nå det stationära värdet 42.

Fig. 6 visar en form av föreliggande uppfinning, som kompenserar för verkan av spetsspeltransienten 36 i fig. 5 på dragkraften. Blocket 50 i fig. 6 alstrar en digital utgångs-kontra-tidssignal, som liknar transienten 30 i fig. 3, och blocket 53 alstrar en signal liknande transienten 33 i fig. 4. Sunmering i en summerare 56, se fig. 6, alstrar en nettoutsignal på ledningen 59 liknande transienten 36 enligt fig. 5. Nettoutsignalen subtraheras i summeraren 62 i fig. 6, i vilken den verkliga uppmätta TS adderas av blocket 64 på ledningen 65. 'i 458 548 I summeraren 62 subtraheras även en TS-referenssignal erhållen från en förteck- ning indikerad av blocket 68. Sistnämnda block 68 är en förteckning eller lista över olika värden hos T5, vilka kalkylerats i förväg för olika motordriftförhål- landen. Det vid summeraren 62 av blocket 68 subtraherade värdet kommer sålunda att ändras beroende på motorns drifttillstånd.

Blocken 64 och 68 (med bortseende från verkan av nettoutsignalen på ledningen 59) ger på ledningen 72 en TS-felsignal, i den meningen att felsignalen anger en avvikelse hos den verkliga TS från den listade TS. Adde- ringen av nettoutsignalen (från sumeraren 56) på ledningen 59 modifierar T5- felsignalen till en TS-felsignal, ehuru fallkompenserad (TSE-DC). TSE-DC inte- greras i blocket 75 indikerat av symbolen 1/S (varvid 1/S är en Laplace-trans- formeringsterml och uppvisande en förstärkning indikerad genom termen K. Utsig- nalen på ledningen 78 är en korrigeringssignal för arean hos ett utblåsningsmun- stycke (VEM) med variabel utblåsningsöppning.

Utblåsningsarean hos detta med 95 i fig. 1 betecknade munstycke varieras såsom visas med streckad linje 95A för att modifiera trycket i punkten 21 i motorn. Denna modifiering av trycket, på ett sätt som här ej behöver förstås, ändrar den av motorn alstrade dragkraften. Styrning av moduleringen sker med i och för sig känd och nedan antydd apparatur. Den av blocket 101 avgivna signalen, en VEN-area-kravsignal på ledningen 103, adderas i summeraren 105.

Från summeraren 105 subtraheras utsignalen från summeraren 108, vilken som insignaler mottager en återkopplingssignal utefter ledningen 110, vilken avges av en omvandlare, som mäter den verkliga VEN-arean. Den andra ingångssignalen vid summeraren 108 är VEN~korrigeringssignalen på ledningen 78, vilken subtrahe- ras däri. Utsignalen från summeraren 105 på ledningen 115 behandlas på i och för sig känt sätt i ett block 120 som innefattar digitala filter för stabilisering av VEM-styrslingan och de nödvändiga analoga elektriska och hydromekaniska komponenterna för att modulera munstycksarean 95 i fig. 1 och 6.

Den i fig. 6 visade kretsens arbetssätt kan beskrivas enligt följande.

Under T5-transienten 16 i fig. 2 subtraheras en nettoutgångskurvan 36 i fig. 5 liknande signal i fig. 6 från summeraren 62 via ledningen 59. Detta höjer i själva verket TS-referensen i blocket 68, eftersom båda signalerna från summe- raren 56 och blocket 68 tillförs summeraren 62 med samma algebraiska tecken.

Därför blir TS-felsignalen på ledningen 75 större så att VEN-korrigeringssig- nalen på ledningen 78 bringar VEN-arean att ändras mot en storlek, som reducerar T5-felet, och därigenom öka dragkraften. (Det har visat sig empiriskt att dragkraften är en funktion av T5 och vidare en väsentligen linjär funktion vid medeldragkrafter, så att styrning av T5 innebär styrning av dragkraften). 458 548 f « Symbolerna 110, 112 och 114 indikerar i och för sig kända signalbegränsa- re, vilka får anses självklara. Begränsaren 110 begränsar sålunda den signal som tillåts uppträda på ledningen 116 till ett område representerande 0 och -123°F (~85°C).

Termen i blocket 50, nämligen lšål-šçï-J , är en Laplace-transfor- mation. Den signalbehandling, som upp äöer mellan punkten 120 och punkten 122 kan sålunda beskrivas genom följande överföringsfunktion (med ignorering av verkan av begränsarna, såsom begränsaren 110): Ts come = Es-TSREF] Lai + lTrs-'rsaßgßz där TSCOMP är den på ledningen 59 genererade signalen.

Den uppfinning, som beskrivits här innebär, att en dragkraftsminskning uppträdande under acceleration av en gasturbinmotor kompenseras. Minskningen förorsakas av den transienta ökningen av spetsspelet mellan högtrycksturbinen och den denna omgivande manteln. Speltransienten förorsakas av skillnaden i värmeutvidgning mellan turbinen och manteln. Genom den föreliggande uppfinningen ökas motorns dragkraft, t.ex. genom att påverka parametrar såsom utblåsningsmun- styckets area och bränsleflödet, som funktion av spetsspelet i ändamål att kom- pensera för den av speltransienten inducerade förlusten.

En betydelsefull aspekt av uppfinningen är att de allmänna formerna hos de signaler som alstras av blocken 50 och 53 i fig. 6 är förutbestämda. Närmare bestämt avklingar signalerna med förutbestämda tidskonstanter såsom de i fig. 3 och 4 visade signalerna. De ursprungliga amplituderna hos de av dessa block alstrade signalerna är emellertid en funktion av den på ledningen 122 i fig. 6 förekommande signalen. Härigenom alstras de av blocken 50 och 53 alstrade signalerna i enlighet med förutbestämda funktioner: avklingningstiderna (bestämda av tidskonstanterna i blocken 50 och 53) är förutbestämda, men de inledande amplituderna bestäms av T5-felet. 1 - Ett flertal modifikationer kan företagas utan att frångå uppfinningsprin- cipen. Ett utförande har sålunda provats vid vilket följande variabler gavs följande värden: _s 458 5-48 där termen WFMC hänför sig till bränsleflödet (i pounds per timme), men korrigeras för det statiska bränslebehovet vid havsnivån vid mellaneffekt. Genom att göra tidskongtanterna 7: och 7š variabla på detta sätt erhålles korri- gering för verkan av Reynolds tal på värmeöverföringen till turbinskivan 9 i fig. 1 och manteln 12 i fig. 1.

Man inser emellertid att fackmannen känner till att styranordningar för olika motorer utnyttjande uppfinningsprincipen med största sannolikhet kommer att erfordra olika värden för dessa variabler. Värdena hos en annan motor kan kalkyleras från den i fig. 5 visade typen av transient, som motsvarar denna motor. Tídskonstanterna 7:! och 5É~kalkyleras från tidskonstanterna hos kurvorna i fig. 3 och 4 och förstärkningarna G kalkyleras på i och för sig känt sätt för att ge rätt storlek hos den på ledningen 59 i fig. 6 uppträdande signalen.

E.

Claims (4)

458 548 ' 6 Patentkrav.

1. Styranordning för gasturbinmotor, k ä n n e t e c k n a d av, a) temperaturfelorgan (56,59) för härledning av en felsignal, TS-fel, som indikerar temperaturavvikelsen hos en motorkomponent från en referenstemperatur; b) en variabel utblåsningsmunstyckeanordning (VEM) för att modifiera arean hos motorns utblåsningsmunstycke (95) som funktion av TS-felet; och c) T5-fel-kompenseringsorgan (50,53) för att modifiera T5-felet så att detta först ökar och därpå minskar för att därigenom bringa nämnda variabla utblåsningsmunstycksanordning att först minska och därpå öka munstycksarean.

2. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k nua d av a) första modifieringsorgan (50) för att modifiera T5-felet; b) andra modifieringsorgan (53) för att modifiera T5-felet så att en kombinerad verkan av nämnda första och andra modifieringsorgan är att inledningsvis öka T5-felet enligt en förutbestämd tidskonstant och däpå minska TS-felet enligt en förutbestämd andra tidkonstant.

3. Anordning enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av att a) de första modifieringsorganen (50) modifierar T5-felet huvudsakligen enligt följande Laplacetransformation: <5 7 2:' sïaß 1 b) de andra modifieringsorganen (53) modifierar TS-felet huvudsakligen f enligt följande Laplacetransformation: 652 ,_, 4% 4;-+ I där 2 större än 1 .

4. Sätt att kompensera för den dragkraftminskning som uppträder vi en gasturbinmotor vid acceleration, k ä n n e t e c k n at av följande åtgärder: a) uppträdandet av en nñnskning bestämmes från en ändring i temperaturen T5 hos lågtrycksturbinutblåsningen; bi skillnaden mellan T5 och en referens ökas och minskas därpå för att alstra en kompenserad temperatursignal, T5-COMP; och c) utblåsningsmunstyckesarean hos motorn moduleras som funktion av T5- COMP.