DE10032471A1

DE10032471A1 - Method for adapting the operating status of a stepped combustion chamber for gas turbines feeds an overall fuel mass flow rate into a combustion chamber through a control valve adapted to a defined operating point for a power mechanism.

Info

Publication number: DE10032471A1
Application number: DE10032471A
Authority: DE
Inventors: Leif Rackwitz; Klaus-Juergen Schmidt
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2000-07-04
Filing date: 2000-07-04
Publication date: 2002-01-17

Abstract

An overall fuel mass flow rate (WF) metered through a control valve (6) and adapted to a defined operating point for a power mechanism is fed into a combustion chamber. A stepped valve (7) adjusts what proportion of the overall fuel mass flow rate is fed to pilot and main burners. An electronic power mechanism regulator (8) has first (8a) and second (8b) regulating blocks. The first block adjusts the control valve. The second block controls the stepped valve.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzsystem für eine gestufte Brennkammer beispielsweise eines Fluggasturbinen- Triebwerks oder einer statischen Gasturbine, deren Pilotbrenner stets mit einer gewissen Brennstoffmenge versorgt wird/werden, während deren Hauptbrenner(n) nur bei höherer Triebwerkslei stung Brennstoff zugemessen wird, wobei stromab einer die ge samte Brennstoffmenge bestimmenden Steuer-Ventileinheit eine diesen Gesamt-Brennstoffmassenstrom auf den/die Pilotbrenner sowie den/die Hauptbrenner veränderbar aufteilende Stufungs- Ventileinheit vorgesehen ist, die beide von einem Triebwerks regler angesteuert werden, der für die Ansteuerung der Stu fungs-Ventileinheit die gewünschte Triebwerksleistung zugrunde legt. Ein derartiges Brennstoffeinspritzsystem ist aus der WO 95/17632 bekannt.The invention relates to a fuel injection system for a stepped combustion chamber for example of an aircraft gas turbine Engine or a static gas turbine, its pilot burner is always supplied with a certain amount of fuel, during their main burner (s) only at higher engine factories Stung fuel is metered, downstream of which the ge entire fuel quantity determining control valve unit this total fuel mass flow to the pilot burner (s) as well as the grading division of the main burner Valve unit is provided, both from an engine Controllers that are used to control the stu tion valve unit based on the desired engine performance sets. Such a fuel injection system is from the WO 95/17632 known.

Mit einer so genannten gestuften Brennkammer sind an einer Gas turbine, insbesondere an einem Fluggasturbinen-Triebwerk, ver ringerte Schadstoffemissionen erzielbar, wenn die Brennstoff einspritzung in die Brennkammer hierfür geeignet ausgelegt wird. Insbesondere muss hierfür die genannte Stufungs-Ventil einheit geeignet angesteuert werden, das heißt die Aufteilung der der Brennkammer in einem bestimmten Betriebspunkt zugemessenen gesamten Brennstoffmenge auf deren so genannten Pilotzone, welcher der oder zumeist die mehrfach vorhandenen Pilotbrenner zugeordnet ist/sind, sowie auf deren Hauptzone, welcher der oder zumeist die mehrfach vorhandenen Hauptbrenner zugeordnet ist/sind, sollte unter Verwendung von Kennfeldern erfolgen, die bevorzugt im Hinblick auf niedrige Schadstoff emissionen der Brennkammer beziehungsweise der in dieser statt findenden Verbrennung hin ausgelegt sind. Selbstverständlich können bei der Auslegung dieser Kennfelder auch weitere Krite rien berücksichtigt werden, so bspw. eine möglichst große Sta bilitätsreserve gegenüber einer Flammenverlöschung. In diesem Zusammenhang sei noch ausdrücklich darauf hingewiesen, dass un ter der genannten Aufteilung des Gesamt-Brennstoffmassenstromes auf die Pilotzone sowie auf die Hauptzone der Brennkammer auch derjenige Zustand zu verstehen ist, in dem die gesamte Brenn stoffmenge alleine dem/den Pilotbrenner(n) zugeführt wird.With a so-called stepped combustion chamber are on a gas turbine, in particular on an aircraft gas turbine engine, ver reduced pollutant emissions achievable when the fuel injection into the combustion chamber designed for this purpose becomes. In particular, this requires the step valve mentioned unit can be controlled appropriately, i.e. the division that of the combustion chamber at a certain operating point measured total amount of fuel on their so-called Pilot zone, which is or mostly the duplicate Pilot burner is / are assigned, as well as on their main zone, which one or mostly the multiple existing main burner is / should be assigned using maps take place, which is preferred with regard to low pollutant Emissions from or in the combustion chamber instead Finding combustion are designed. Of course can also use other criteria when interpreting these maps ria are taken into account, for example the largest possible sta reserve reserve against extinguishing a flame. In this Context it should be expressly pointed out that un ter of the named division of the total fuel mass flow on the pilot zone as well as on the main zone of the combustion chamber the state to be understood in which the entire focal amount of substance alone is supplied to the pilot burner (s).

In der eingangs genannten WO 95/17632 wird von einem so genann ten schubindikativen Parameter gesprochen, anhand dessen die genannte Aufteilung des Gesamt-Brennstoffmassenstromes vorge nommen wird, das heißt dieser schubindikative Parameter dient als Eingangsgröße für die Ansteuerung einer so genannten Stu fungs-Ventileinheit, die die genannte Aufteilung der von einer Steuer-Ventileinheit zugemessenen gesamten Brennstoffmenge auf die Pilotbrenner sowie auf die Hauptbrenner vornimmt. Dieser dort so genannte schubindikative Parameter, der allgemein auch als Stufungsparameter bezeichnet werden kann und als ein sol cher verwendet wird, ist dabei auch eine Kenngröße für die ge wünschte Triebwerksleistung, die mit dem zugemessenen Gesamt- Brennstoffmassenstrom erzeugt werden kann. Für diesen Stufungs parameter, der selbstverständlich einfach erfassbar beziehungs weise messbar sein soll, werden in dieser genannten Schrift entweder die Gastemperatur am Kompressor-Austritt oder der Quo tient aus dem Gesamt-Brennstoffmassenstrom und dem Druck in der Brennkammer vorgeschlagen.In the above-mentioned WO 95/17632 one of the so-called thrust-indicative parameters, on the basis of which the mentioned distribution of the total fuel mass flow pre is taken, that is, this thrust-indicative parameter serves as an input variable for the control of a so-called stu tion valve unit, which is the division of a Control valve unit metered total amount of fuel the pilot burner and the main burner. This there so-called thrust-indicative parameters, which in general also can be described as a grading parameter and as a sol cher is used, is also a parameter for the ge desired engine performance, which with the allocated total Mass fuel flow can be generated. For this grading parameters that are of course easy to grasp or relate to This document should be able to be measured wisely either the gas temperature at the compressor outlet or the quo tient of the total fuel mass flow and the pressure in the Combustion chamber suggested.

Wie bereits erwähnt wurde, soll die Stufungs-Ventileinheit be vorzugt unter Rückgriff auf emissionsoptimierte Kennfelder an gesteuert beziehungsweise betätigt werden, das heißt der so ge nannte Stufungsparameter, anhand dessen die Stufungs-Ventil einheit (wegen des Rückgriffs auf die genannten Kennfelder) an hand einer Schaltgeraden angesteuert wird, sollte nicht nur ei nen Bezug zur Triebwerksleistung haben, sondern in direkter Weise auch mit dem Betrieb der Brennkammer in Zusammenhang ste hen, um die Vorteile, die eine gestufte Brennkammer hinsicht lich verringerter Schadstoffemissionen grundsätzlich besitzt, auch tatsächlich nutzen zu können. As already mentioned, the step valve unit should be preferably by using emission-optimized maps are controlled or operated, that is, the so ge called grading parameters, based on which the grading valve unit (because of the recourse to the maps mentioned) is controlled by a switching line, should not only egg have a relation to engine performance, but in a more direct way Way also related to the operation of the combustion chamber hen to the advantages that a stepped combustion chamber regards fundamentally reduced pollutant emissions, to actually be able to use.

Bei der Regelung eines Gasturbinenflugtriebwerks mit einer schadstoffarmen, gestuften Brennkammer ist ein ständiges Hin- und Herstufen zwischen Pilot- und Zweistufenbetrieb bei kleinen Drehzahl- oder Lastoszillationen zu vermeiden. Dies hat nicht nur Auswirkungen auf die Triebwerksstabilität sondern beein flusst die Lebensdauer der Heißteile negativ. Eine so genannte Schalthysterese verhindert durch ein entsprechend breit defi niertes Hystereseband unerwünschtes zyklisches Schalten der Kraftstoffstufung.When controlling a gas turbine aircraft engine with a Low-pollution, stepped combustion chamber is a constant and switching between pilot and two-stage operation in small Avoid speed or load oscillations. This has not only affects engine stability but affects affects the life of the hot parts negatively. A so-called Switching hysteresis prevented by a correspondingly wide defi nated hysteresis band unwanted cyclic switching of the Fuel staging.

Allgemein werden solche Hysterese-Verfahren in der Regelung häufig eingesetzt. Durch die Definition eines oberen und eines unteren Stufungspunktes wird zum Beispiel ein Zurückstufen in den Pilotbetrieb erst vorgenommen, wenn der untere Stufungs punkt unterschritten wurde und damit auch eine entsprechend größere Laständerung des Triebwerks stattgefunden hat. Ein sol ches Verfahren ist in der WO 95/17632 beschrieben.Such hysteresis methods are generally used in the control frequently used. By defining an upper and a lower grading point, for example, a downgrading to the pilot operation only carried out when the lower grading point was undershot and therefore also a corresponding major engine load change has occurred. A sol The process is described in WO 95/17632.

Die Nutzung einer Schalthysterese bringt folgende Nachteile mit sich: Die ständige Berechnung zweier Stufungspunkte (unterer und oberer) erfordert einen höheren Software-Aufwand als die Verwendung eines einzelnen Stufungspunktes. Weiterhin erfordert die Verwendung eines Hysteresebandes im Stufungsschaltplan ei nen weiter gehenden Kompromiss hinsichtlich der Optimierung zur Schadstoffarmut im Stufungsbereich als die Verwendung eines einzelnen Stufungspunktes. Auch die Qualität des Stufungspara meters wird in der Praxis durch Signalrauschen zu Zugeständnis sen in der Breite des Hysteresebandes führen. Darunter leidet auch die Schadstoffoptimierung beziehungsweise es muss teure Messtechnik zum Einsatz kommen. Beim Einsatz einer Schalthysterese ist deren Bandbreite flexibel und abhängig vom transienten Zustand des Triebwerks zu halten. Auch dies stellt hohe Ansprüche an das Messsignal.The use of a switching hysteresis has the following disadvantages itself: The constant calculation of two grading points (lower and upper) requires a higher software effort than that Use of a single grading point. Still requires the use of a hysteresis band in the grading circuit diagram a further compromise with regard to optimization Low levels of pollutants as the use of a individual grading point. Also the quality of the grading para In practice, meters becomes a concession through signal noise lead in the width of the hysteresis band. Suffer from also the pollutant optimization or it has to be expensive Measurement technology are used. When using a Switching hysteresis, its bandwidth is flexible and depends on to maintain the transient state of the engine. This also poses high demands on the measurement signal.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, an einem Brennstoffeinspritzsystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 Maßnahmen aufzuzeigen, mit Hilfe derer der Betrieb der Brenn kammer des Fluggasturbinen-Triebwerks insbesondere hinsichtlich niedriger Schadstoffemissionen weiter verbessert werden kann.The object of the present invention is therefore on a Fuel injection system according to the preamble of claim 1 To demonstrate measures by means of which the operation of the Brenn Chamber of the aircraft gas turbine engine in particular with regard lower pollutant emissions can be further improved.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vor teilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.According to the invention, the object is characterized by the features of Main claim solved, the sub-claims show more partial embodiments of the invention.

Die Erfindung zeichnet sich durch eine Reihe erheblicher Vor teile aus.The invention is characterized by a number of significant before hand out.

Erfindungsgemäß wurde ein Regelkonzept zum sicheren und ver lustminimierenden Betrieb einer gestuften Brennkammer für Flug triebwerke gefunden. Die gestufte Brennkammer kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Regelsystems in zwei verschiedenen Be triebzuständen betrieben werden. Im unteren Lastbereich wird der gesamte Kraftstoff in die Pilotzone der Brennkammer einge sprüht. In diesem Modus entspricht die Operationsweise der ge stuften Brennkammer der einer ungestuften Brennkammer. Zusätz lich werden im ungestuften Betrieb die Hauptbrenner mit Kraft stoff aus dem Pilotzweig gekühlt, um die Verkokungsgefahr zu verringern. Ab einem bestimmten Betriebspunkt erfolgt die defi nierte Zuschaltung der Hauptstufe, sodass beide Ringleitungen (Pilotstufe und Hauptstufe) mit Kraftstoff versorgt werden. Die Aufteilung des Kraftstoffs erfolgt über ein zusätzliches Zu messventil, das den Gesamtkraftstoff auf den Pilot- und den Hauptzweig verteilt. Dieser Betriebszustand der Brennkammer wird als gestufter Modus bezeichnet.According to the invention, a control concept for safe and ver pleasure-minimizing operation of a staged combustion chamber for flight engines found. The stepped combustion chamber can with the help of the control system according to the invention in two different Be operating states are operated. In the lower load range all of the fuel is fed into the pilot zone of the combustion chamber sprayed. In this mode, the operation corresponds to the ge tiered combustion chamber of an unrated combustion chamber. Zusätz The main burners become powerful in non-staged operation Cooled fabric from the pilot branch to reduce the risk of coking reduce. Defi takes place from a certain operating point nied connection of the main stage, so that both ring lines (Pilot stage and main stage) are supplied with fuel. The The fuel is distributed via an additional Zu metering valve that shows the total fuel on the pilot and the Main branch distributed. This operating state of the combustion chamber is called tiered mode.

Ein wesentliches Element des neuen Verfahrens ist das Zeitele ment "TIMER". Die vorgeschaltete Logik zur Berechnung eines no minalen Stufungspunktes ermöglicht somit, dass über eine Summa tionsstelle verschiedene Einflüsse wie zum Beispiel instationä rer Betrieb und Flughöhe berücksichtigt werden können. Ist die Differenz zwischen dem neuen angepassten Schaltpunkt und dem aktuellen Messwert kleiner als ein Grenzwert, wird der gestufte Modus selektiert (Kommando für Stufungspunkt, SPK = 1). Nach dem Über- beziehungsweise Unterschreiten des nominalen Stu fungspunktes wird der Umschaltvorgang zeitlich verzögert, wenn die Zeitdauer seit dem Ausführen der letzten Stufung kleiner ist als eine vordefinierte Zeitkonstante, die in einem Kennfeld abgelegt ist.An essential element of the new process is the Zeitele ment "TIMER". The upstream logic for calculating a no minimum grading point thus allows that over a sum different influences such as unsteady Operation and altitude can be taken into account. Is the Difference between the new adjusted switching point and the current measured value is less than a limit value, the stepped Mode selected (command for grading point, SPK = 1). To the exceeding or falling below the nominal stu the switching process is delayed if the length of time since the last step was carried out is as a predefined time constant in a map is filed.

Sobald SPK den Wert 1 annimmt, wird das Zeitelement "TIMER" ak tiviert. Die Funktion "TIMER" besitzt als Eingangsgröße den ak tuellen, momentanen Wert von SPK. Der Parameter t_MIN,Stufung dient zur Steuerung des Elementes "TIMER" und beschreibt die Zeit dauer, die mindestens zwischen zwei Stufungsereignissen einge halten werden muss, wenn zwischen den beiden Betriebszuständen umgeschaltet werden soll. Liegt das Kommando für eine weitere Stufung innerhalb des Zeitfensters, wird die Ausgangsgröße des Zeitelementes (zeitverzögertes Kommando für Stufungspunkt, SPK*) solange auf den Wert der Eingangsgröße (= SPK) gehalten, bis die aktuelle Zeitspanne seit der letzten Stufung größer ist als das minimale Stufungsintervall, das heißt t_TIMER < t_MIN,Stufung.As soon as SPK assumes the value 1, the time element "TIMER" is activated. The "TIMER" function has the current, current value of SPK as the input variable. The parameter t _{MIN, gradation} is used to control the "TIMER" element and describes the time that must be maintained between at least two grading events if you want to switch between the two operating states. If the command for a further grading is within the time window, the output variable of the time element (time-delayed command for grading point, SPK *) is kept at the value of the input variable (= SPK) until the current time period since the last grading is greater than the minimum Step interval, that is t _TIMER <t _{MIN, step} .

Das Kennfeld für den minimalen Stufungszyklus t_MIN,Stufung berück sichtigt den Einfluss schneller Lastwechsel des Flugtriebwer kes. Bei schnellen Lastwechseln, bei denen eine unverzügliche Systemantwort des Triebwerkes zum Beispiel beim Durchstarten gefordert wird, ist die Forderung nach der Einhaltung eines mi nimalen Stufungszyklus von untergeordneter Bedeutung, sodass der Wert von t_MIN,Stufung gleich 0 ist. Je langsamer der Lastwech sel ist, desto größer wird t_MIN,Stufung und erreicht im Fall quasi-stationärer Lastwechsel den Maximalwert, der unendlich groß ist (t_MIN,Stufung » 1 sec). In diesem Fall, wenn kein Last wechsel erfolgt beziehungsweise die Schubhebelposition unverän dert bleibt, ist der Betriebszustand der Brennkammer "eingefro ren" das heißt ändert sich nicht und die Brennkammer verharrt in ihrem vorherigen Betriebsmodus (entweder ungestuft oder ge stuft). Erst wenn ein Lastwechsel durch eine Drehzahländerung (IdNH/dtl < 0) auftritt, kann sich der Betriebszustand der Brennkammer ändern und es wird wieder ein endlicher minimaler Stufungszyklus (t_MIN,Stufung < 1 sec) selektiert.The map for the minimum grading cycle t _{MIN, grading} takes into account the influence of rapid load changes of the aircraft engine. In the case of rapid load changes, in which an immediate system response of the engine is required, for example during take-off, the requirement for compliance with a minimum grading cycle is of minor importance, so that the value of t _{MIN, gradation} is 0. The slower the load change, the greater t _{MIN, gradation} and, in the case of quasi-stationary load changes, reaches the maximum value that is infinitely large (t _{MIN, gradation} »1 sec). In this case, if there is no load change or the thrust lever position remains unchanged, the operating state of the combustion chamber is "frozen", ie it does not change and the combustion chamber remains in its previous operating mode (either unrated or graded). Only when a load change occurs due to a change in speed (IdNH / dtl <0) can the operating state of the combustion chamber change and a finite minimum step cycle (t _{MIN, step} <1 sec) is selected again.

Die Ausgangsgröße SPK* der Funktion "TIMER" dient als Steuer größe für ein nachfolgendes Auswahlelement. Besitzt SPK* den Wert 0, wird am Auswahlelement "F" (= falsch) selektiert. In diesem Zustand ist der berechnete Betriebszustand (BZ) der ge stuften Brennkammer gleich SPK, das heißt zur Auswahl des Be triebsmodus wird der aktuelle Wert der Stufungspunktberechnung herangezogen. Sobald SPK* = 1 ist, das heißt eine Stufung in nerhalb von t_MIN,Stufung erfolgen soll, wird im Gegensatz dazu (Auswahlelement "T" (= true, richtig)) der historische Wert von BZ, das heißt der Wert aus dem letzten Zeitschritt Z^-1, verwen det. Damit wird sichergestellt, dass zwischen beiden Betriebs modi kein zyklisches Schalten des Stufungsventils auftritt. Bei Überschreiten des Zeitkriteriums für den minimalen Stufungszy klus wird der Betriebszustand (0 = ungestuft, 1 = gestuft) wie der nach der erfindungsgemäßen Berechnungsvorschrift kontrol liert.The output variable SPK * of the "TIMER" function serves as a control variable for a subsequent selection element. If SPK * has the value 0, "F" (= wrong) is selected on the selection element. In this state, the calculated operating state (BZ) of the staged combustion chamber is equal to SPK, that is to say the current value of the staging point calculation is used to select the operating mode. In contrast, as soon as SPK * = 1, that is to say a gradation within t _{MIN, gradation is to} take place (selection element "T" (= true, correct)), the historical value of BZ, ie the value from the last one Time step Z ^-1 , used det. This ensures that there is no cyclical switching of the step valve between the two operating modes. If the time criterion for the minimum grading cycle is exceeded, the operating state (0 = not graded, 1 = graded) is checked like that according to the calculation rule according to the invention.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit ein hohes Maß an Flexibilität bei der Regelung des Betriebszustandes einer ge stuften Brennkammer, da durch die Einführung einer variablen Zeitfunktion ein stabiler Betrieb der Brennkammer im ungestuf ten und gestuften Betrieb sichergestellt ist. Ein erhöhtes Signalrauschen der Regelparameter zum Beispiel von P30 wirkt sich nicht auf die Auswahl des Betriebszustandes im stationären Betrieb des Flugtriebwerkes aus, da in diesem Fall ein Umschal ten nicht möglich ist. Erst bei einem Lastwechsel, der in Form einer Änderung der Hochdruckdrehzahl detektiert wird (IdNH/dtl < 0), ist ein weiterer Schaltvorgang freigegeben.The present invention thus enables a high degree of Flexibility in controlling the operating state of a ge tiered combustion chamber because by introducing a variable Time function a stable operation of the combustion chamber in the stepped th and staged operation is ensured. An elevated one Signal noise of the control parameters, for example from P30, has an effect does not rely on the selection of the operating state in the stationary Operation of the aircraft engine, since in this case a formwork ten is not possible. Only when there is a load change that is in shape a change in the high-pressure speed is detected (IdNH / dtl <0), another switching process is enabled.

Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass die Triebwerks leistung durch die Belastung der Gasturbinen-Brennkammer in Form eines so genannten Stufungsparameters (SP) charakteri siert ist, anhand dessen die Stufungs-Ventileinheit entspre chend einer Schaltgeraden angesteuert wird und wobei der Stu fungsparameter (SP) aus einem der folgenden funktionalen Zusam menhänge abgeleitet wird:
Nach dem ersten funktionalen Zusammenhang wird der Gesamt- Brennstoffmassenstrom (WF) durch den Gasdruck am Brennkammer- Eintritt (P30) dividiert und dieser Quotient mit der Gastempe ratur am Brennkammer-Eintritt (T30) multipliziert, das heißt der Stufungsparameter SP ist eine Funktion von [WF/P30.T30].According to the invention it is further provided that the engine performance is characterized by the load on the gas turbine combustion chamber in the form of a so-called grading parameter (SP), on the basis of which the grading valve unit is controlled in accordance with a switching straight line, and the staging parameter (SP) one of the following functional relationships is derived:
After the first functional relationship, the total fuel mass flow (WF) is divided by the gas pressure at the combustion chamber inlet (P30) and this quotient is multiplied by the gas temperature at the combustion chamber inlet (T30), i.e. the step parameter SP is a function of [ WF / P30.T30].

Nach dem zweiten funktionalen Zusammenhang wird der Gesamt- Brennstoffmassenstrom (WF) durch den Gasdruck am Brennkammer- Eintritt (P30) dividiert und dieser Quotient mit der Quadrat wurzel der Gastemperatur am Brennkammer-Eintritt (T30) multi pliziert, das heißt der Stufungsparameter SP ist eine Funktion von [WF/P30.(T30)^1/2].After the second functional relationship, the total fuel mass flow (WF) is divided by the gas pressure at the combustion chamber inlet (P30) and this quotient is multiplied by the square root of the gas temperature at the combustion chamber inlet (T30), i.e. the step parameter SP is one Function of [WF / P30. (T30) ^1/2 ].

Nach dem dritten funktionalen Zusammenhang wird der Gesamt- Brennstoffmassenstrom (WF) durch den Gasdruck am Brennkammer- Eintritt (P30) dividiert und dieser Quotient mit der Quadrat wurzel des Quotienten aus der Gastemperatur am Brennkammer-Ein tritt (T30) und der Gastemperatur am Triebwerks-Eintritt (T20) multipliziert, das heißt der Stufungsparameter SP ist eine Funktion von [WF/P30.(T30/T20)^1/2].After the third functional relationship, the total fuel mass flow (WF) is divided by the gas pressure at the combustion chamber inlet (P30) and this quotient with the square root of the quotient from the gas temperature at the combustion chamber inlet (T30) and the gas temperature at the engine Entry (T20) multiplied, i.e. the grading parameter SP is a function of [WF / P30. (T30 / T20) ^1/2 ].

Nach dem vierten funktionalen Zusammenhang wird der Gesamt- Brennstoffmassenstrom (WF) durch den Gasdruck am Brennkammer- Eintritt (P30) dividiert und dieser Quotient mit dem Wert der Größe der Total-Temperatur stromab der Hochdruckturbine (= T44) oder mit der Quadratwurzel hiervon multipliziert, das heißt der Stufungsparameter SP ist eine Funktion von [WF/P30.T44] beziehungsweise SP ist eine Funktion von [WF/P30.(T44)^1/2]. After the fourth functional relationship, the total fuel mass flow (WF) is divided by the gas pressure at the combustion chamber inlet (P30) and this quotient is multiplied by the value of the size of the total temperature downstream of the high-pressure turbine (= T44) or by the square root thereof, that is, the grading parameter SP is a function of [WF / P30.T44] or SP is a function of [WF / P30. (T44) ^1/2 ].

In anderen Worten ausgedrückt soll die Regelung des Brennstoff einspritzsystems einer gestuften Gasturbinen-Brennkammer also durch einen die Belastung dieser Brennkammer charakterisieren den Stufungsparameter erfolgen, wobei die besagte Stufungsven tileinheit entsprechend einer Schaltgeraden angesteuert wird und der Stufungsparameter aus einem der oben aufgelisteten Zu sammenhänge abgeleitet wird.In other words, the regulation of the fuel injection system of a staged gas turbine combustion chamber by characterizing the load on this combustion chamber the grading parameters take place, said grading ven tileinheit is driven according to a switching line and the grading parameter from one of the To listed connections is derived.

Erfindungsgemäß handelt es sich nun beim Stufungsparameter (SP) weniger um einen schubindikativen Parameter sondern vielmehr um einen die Brennkammerbelastung widerspiegelnden Parameter, so dass die Kennfelder, auf welche über diesen Stufungsparameter zugegriffen wird und aus denen heraus die Stufungs-Ventilein heit entsprechend einer Schaltgeraden angesteuert wird, unter deutlich stärkerer Bezugnahme auf die Brennkammer und somit auf die darin stattfindende Verbrennung ausgelegt werden können. Damit ist eine verbesserte Verbrennung in nahezu allen Brenn kammer-Betriebszuständen, in denen eine gestufte Verbrennung erfolgt, das heißt in denen sowohl die Pilotbrenner als auch die Hauptbrenner mit Brennstoff versorgt werden, erzielbar.According to the invention, the grading parameter (SP) is now less about a thrust-indicative parameter but rather about a parameter reflecting the combustion chamber load, so that the maps on which this grading parameter is accessed and from which the staging valves are unit is controlled according to a switching line, under much stronger reference to the combustion chamber and thus to the combustion taking place in it can be designed. This means an improved combustion in almost all burners chamber operating states in which a staged combustion takes place, that is in which both the pilot burner and the main burners are supplied with fuel, achievable.

In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass der Gesamt- Brennstoffmassenstrom (WF) über eine spezielle Kalibriertabelle in Abhängigkeit von der Ventilposition der eingangs bereits ge nannten Steuer-Ventileinheit, die diesen in Form eines primären Zumessventiles bestimmt, berechnet werden kann. Dabei kann das diesen Gesamt-Brennstoffmassenstrom wiedergebende Signal, das gegenüber Signalrauschen besonders anfällig sein kann, mit Hilfe geeigneter Tiefpasselemente gefiltert werden. Ferner können die Anforderungen an das jeweils gewünschte Brennstoff- Luft-Verhältnis in den einzelnen Betriebspunkten (insbesondere auch hinsichtlich der jeweiligen Flamm-Verlöschgrenzen) über funktionale Zusammenhänge in entsprechenden Kennfeldern abgebildet werden. In this context, it should be noted that the overall Fuel mass flow (WF) using a special calibration table depending on the valve position of the ge already called control valve unit, which this in the form of a primary Metering valves determined, can be calculated. It can this signal representing the total fuel mass flow, the can be particularly susceptible to signal noise with Be filtered using suitable low-pass elements. Further can meet the requirements for the desired fuel Air ratio in the individual operating points (in particular also with regard to the respective flame extinguishing limits) functional correlations in corresponding maps be mapped.

Wie bereits erläutert wurde, kann eine gestufte Brennkammer mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Regelsystems in zwei verschiedenen Operationsmodi betrieben werden. Im unteren Lastbereich des Triebwerks wird der gesamte Brennstoff in die Pilotzone der Brennkammer eingesprüht, sodass in diesem Modus die Operationsweise der gestuften Brennkammer derjenigen einer ungestuften Brennkammer entspricht. Ab einem bestimmten Betriebspunkt erfolgt die definierte Zuschaltung der Hauptstufe, wonach sowohl die Pilotbrenner als auch Hauptbrenner mit Brennstoff versorgt werden. Das Umschalten zwischen dem ungestuften und dem gestuften Betriebsmodus erfolgt unter Einbeziehung des erfindungsgemäßen Zeitelements (TIMER), wobei bei einem Ansteigen der Triebwerksleistung über den Stufungspunkt die Hauptbrenner zugeschaltet und bei Absin ken der Triebwerksleistung unter den Stufungspunkt die Haupt brenner abgeschaltet werden.As already explained, a stepped combustion chamber can be used With the help of a control system according to the invention in two different operating modes. At the bottom The load range of the engine is all the fuel in the Pilot zone of the combustion chamber sprayed, so in this mode the operation of the stepped combustion chamber of that one unrated combustion chamber corresponds. From a certain one Operating point is the defined connection of the Main stage, after which both the pilot burner and Main burner can be supplied with fuel. Switching between the non-tiered and tiered operating modes takes place with the inclusion of the time element according to the invention (TIMER), whereby when the engine power increases over the main burner switched on and at Absin the engine performance below the staging point the main burner can be switched off.

In einem quasistationären Betriebszustand des Triebwerks wird der Stufungspunkt bevorzugt aus einem Kennfeld in Abhängigkeit vom erfindungsgemäßen Stufungsparameter ermittelt. Damit jedoch erwünschtermaßen stets beim gleichen Wert für das Brennstoff- Luftverhältnis umgeschaltet wird, sollen nach einer vorteil haften Weiterbildung der Erfindung verschiedene Einflüsse berücksichtigt werden. Der Stufungspunkt ergibt sich durch Addition beziehungsweise Subtraktion von Korrekturgliedern (ΔSP) zu beziehungsweise von dem nominalen, aus einem der weiter oben genannten funktionalen Zusammenhänge abgeleiteten Stufungsparameter (SP). Dabei sei darauf hingewiesen, dass für jeden Einflussparameter ein eigenes additives Korrekturglied vorgesehen sein kann, die dann alle aufsummiert werden können, sodass praktisch alle wesentlichen Einflussparameter bei der Berechnung des Stufungspunktes über eine einfache Summenbildung berücksichtigt werden können. Der einzelne Beitrag der Einflussparameter wird dabei als relative Änderung zum nominalen Stufungspunkt erfasst. In a quasi-stationary operating state of the engine the grading point is preferably dependent on a map determined by the grading parameter according to the invention. But with that Desirably always at the same value for the fuel Air ratio toggled should be according to one advantage further development of the invention adhere to various influences be taken into account. The grading point results from Addition or subtraction of correction elements (ΔSP) to or from the nominal, from one of the derived functional relationships mentioned above Grading parameters (SP). It should be noted that for each influencing parameter has its own additive correction element can be provided, which can then all be summed up, so that practically all essential influencing parameters in the Calculation of the grading point by simple summation can be taken into account. The single contribution of Influence parameter is used as a relative change to nominal grading point recorded.

Ein erster derartiger Einflussparameter ist der Absolutwert des Gasdruckes (P30) und/oder die Gastemperatur (T30) am Brennkam mer-Eintritt. Diesbezüglich wird vorgeschlagen, den Stufungsvorgang vom ungestuften in den gestuften Betrieb zu verzögern, sobald der Brennkammer-Eintrittsdruck (P30) und/oder die Brennkammer-Eintrittstemperatur (T30) unterhalb bestimmter durch Brennkammerversuche ermittelte Grenzwerte für den stabilen Betrieb der Brennkammer sinkt/sinken. Diese Funktion ist insbesondere im gestuften Modus aktiv und führt bei Unterschreitung der genannten Grenzwerte für (P30) und/oder (T30) zum Umschalten in den Pilotbetrieb, in welchem nur die Pilotbrenner mit Brennstoff versorgt werden.A first such influencing parameter is the absolute value of the Gas pressure (P30) and / or the gas temperature (T30) at the burner mer entry. In this regard, it is proposed that Grading process from the non-graded to the graded operation delay as soon as the combustion chamber inlet pressure (P30) and / or the combustion chamber inlet temperature (T30) below certain limit values determined by combustion chamber tests for the stable operation of the combustion chamber decreases / decreases. this function is particularly active in tiered mode and leads Falling below the stated limit values for (P30) and / or (T30) to switch to pilot mode, in which only the Pilot burners are supplied with fuel.

Ein zweiter Einflussparameter ist die korrigierte Drehzahl des Hochdruckverdichters (N2RT20) und der Gasdruck am Triebwerks eintritt (P20). Mit Hilfe dieser weiteren redundanten Funktion kann ein Umschalten vom ungestuften in den gestuften Modus unterhalb des Leerlaufbetriebszustandes des Triebwerkes verhindert werden. Konkret wird hierfür vorgeschlagen, in Abhängigkeit von definierten Grenzwerten für die korrigierte Drehzahl des Hochdruckverdichters (N2RT20) und für den Fan- Eintrittsdruck (P20) den Stufungspunkt künstlich zu sehr hohen Werten für den Stufungsparameter (SP) zu verschieben und damit solange ein Umschalten zu verhindern, bis diese Grenzwerte überschritten sind.A second influencing parameter is the corrected speed of the High pressure compressor (N2RT20) and the gas pressure on the engine entry (P20). With the help of this additional redundant function can switch from non-tiered to tiered mode below the idle operating state of the engine be prevented. Specifically, this is suggested in Dependence on defined limit values for the corrected Speed of the high pressure compressor (N2RT20) and for the fan Entry pressure (P20) artificially too high the grading point To shift values for the grading parameter (SP) and thus as long as to prevent switching until these limit values are exceeded.

Ein dritter Einflussparameter ist die Flughöhe des Fluggastur binen-Triebwerks sowie Änderungen von Umgebungsbedingungen.A third influencing parameter is the flight altitude of the flight gastur bine engine and changes in environmental conditions.

Ein vierter Einflussparameter schließlich ist die Lastwechsel geschwindigkeit des Triebwerkes, und zwar mit folgendem Hinter grund: Im gestuften Modus ist die Stabilität der Verbrennung in der Pilotzone zur Gewährleistung eines sicheren Betriebes der Brennkammer von entscheidender Bedeutung. Damit in jedem Betriebszustand keine Flammenverlöschung der Pilotbrenner durch eine ungünstige Brennstoffaufteilung auf die beiden Brennstoffkreise, das heißt auf die Pilotbrenner und auf die Hauptbrenner auftreten kann, wird der Umschaltvorgang vom reinen Pilotbetrieb in den gestuften Betrieb bei schnellen instationären Lastwechselvorgängen verzögert. Dazu wird auf den bereits genannten Grundwert des Stufungspunktes ein vom Betriebszustand der Brennkammer abhängiger Offset addiert. Hierdurch wird der Stufungspunkt bei schnellen Lastwechseln zu höheren Werten des erfindungsgemäßen Stufungsparameters (SP) hin verschoben.Finally, a fourth influencing parameter is the load change speed of the engine, with the following rear Reason: In the stepped mode, the stability of the combustion is in the pilot zone to ensure safe operation of the Combustion chamber vital. So in everyone Operating state no flame extinction of the pilot burner an unfavorable fuel distribution between the two Fuel circuits, that is, on the pilot burner and on the Main burner can occur, the switching process from pure pilot operation in staged operation at fast unsteady load changes are delayed. For this, the already mentioned basic value of the grading point from Operating state of the combustion chamber dependent offset added. As a result, the grading point becomes too fast during load changes higher values of the grading parameter (SP) according to the invention postponed.

Ein fünfter Einflussparameter berücksichtigt den Einfluss des Verdichterpumpens auf die Stabilität der Verbrennung in der ge stuften Brennkammer.A fifth influencing parameter takes into account the influence of the Compressor pumping on the stability of the combustion in the ge tiered combustion chamber.

In diesem Zusammenhang sei noch beschrieben, auf welche Weise ein schneller, sicherer und schubverlustfreier Übergang zwischen den beiden Operationsmodi der gestuften Brennkammer gewährleistet werden kann. Ein Stufungsvorgang das heißt ein Wechsel des Operationsmodus sollte nämlich keine signifikanten Auswirkungen auf das Verhalten des gesamten Triebwerkes, wie z. B. Verdichterpumpen durch instabile Verbrennung oder ver ringerten Pumpgrenzenabstand, Schubverlust, Flammenverlöschung, Beschädigung der Turbine durch Überhitzung, etc. hervorrufen. Folgende Methoden werden für einen schnellen und sicheren Übergang zwischen den Operationsmodi vorgeschlagen:
Während schneller Lastwechsel wird die Stabilität und Zündfähigkeit der Verbrennung durch eine kurzzeitige Anreicherung (Verfettung) des Brennstoff-Luft-Gemisches der Pilotzone sichergestellt, indem die Hauptstufe abgemagert und der damit überschüssige Brennstoff den Pilotbrennern zugeführt wird. Die Pilotzone arbeitet dann in jedem Fall innerhalb ihres Stabilitätsbereiches und dient für das Brennstoff-Luft-Gemisch der Hauptstufe als Zündquelle. Um dies zu erreichen, wird in Abhängigkeit von der momentanen Beschleunigung beziehungsweise Verzögerung eine erweiterte Brennstoffsplitting-Tabelle, in der in Abhängigkeit vom Stufungsparameter (SP) die Aufteilung des Gesamt-Brennstoffmassenstromes auf die Pilotbrenner sowie die Hauptbrenner fest gehalten ist, verwendet. Als indikative Parameter für diese Brennstoffsplitting-Tabelle beziehungsweise für dieses Kennfeld werden sowohl die zeitliche Ableitung der Drehzahl des Hochdruckverdichters (N2) als auch die zeitliche Ableitung des Brennkammer-Eintrittsdruckes (P30) genutzt. Zusätzlich wird über definierte Schliessratenbegrenzer eine zu starke Änderung des Brennstoffmassenstromes für den Pilotbrenner und damit eine zu starke Änderung der Brennstoff- Luft-Verhältnisse in der Pilotzone verhindert.In this context, it should also be described how a quick, safe and thrust-free transition between the two operating modes of the stepped combustion chamber can be guaranteed. A staging process, that is, a change in the operating mode should namely have no significant effects on the behavior of the entire engine, such as. B. Compressor pumps due to unstable combustion or reduced pumping distance, shear loss, flame extinction, damage to the turbine due to overheating, etc. The following methods are suggested for a quick and safe transition between the operating modes:
During rapid load changes, the stability and ignitability of the combustion is ensured by briefly enriching (degreasing) the fuel-air mixture in the pilot zone by leaning the main stage and supplying the excess fuel to the pilot burners. The pilot zone then always works within its stability range and serves as the ignition source for the fuel-air mixture of the main stage. To achieve this, an extended fuel splitting table is used depending on the current acceleration or deceleration, in which the distribution of the total fuel mass flow between the pilot burner and the main burner is fixed depending on the grading parameter (SP). Both the time derivative of the speed of the high-pressure compressor (N2) and the time derivative of the combustion chamber inlet pressure (P30) are used as indicative parameters for this fuel splitting table or for this map. In addition, a too large change in the fuel mass flow for the pilot burner and thus an excessive change in the fuel-air ratio in the pilot zone are prevented via defined closing rate limiters.

Parallel beziehungsweise unterstützend hierzu kann ein so ge nannter Splitwert, der die Kraftstoffaufteilung auf die Pilot brenner und Hauptbrenner beschreibt (und somit aus der genann ten Brennstoffsplitting-Tabelle auffindbar ist) und anhand des sen die Stufungs-Ventileinheit angesteuert wird, ebenfalls in instationären Zustände angepasst werden. Wie bereits mehrfach erwähnt wurde, wird in quasistationären Betriebszuständen des Triebwerks ein schadstoffoptimiertes Kennfeld zur Ansteuerung der Stufungs-Ventileinheit verwendet, wobei der beziehungsweise einer der erfindungsgemäßen Stufungsparameter als indikative Eingangsgröße für dieses. Kennfeld herangezogen wird. Ergänzend wird nun vorgeschlagen, während instationärer Triebwerks-Manö ver den berechneten Splitwert durch einen Korrekturfaktor anzu passen, wobei dieser Korrekturfaktor in Abhängigkeit von der zeitlichen Änderung der Drehzahl insbesondere der Hochdruck welle des Triebwerks berechnet wird. Diese Anpassung kann dabei derart erfolgen, dass der kommandierte Pilot-Brennstoffmassen strom und damit das Brennstoff-Luft-Verhältnis der Pilotzone kurzzeitig erhöht wird, um eine Flammenverlöschung der Flammen in der Pilotzone der Brennkammer zu verhindern. Dabei empfiehlt es sich, den so berechneten Splitwert bspw. über für elektroni sche Steuerkreise bekannte High-Win- und Low-Win-Glieder inner halb definierter Grenzwerte zu halten. In parallel or in support of this, a so-called called split value, which is the fuel distribution among the pilot burner and main burner describes (and thus from the genann fuel splitting table can be found) and using the the step valve unit is controlled, also in transient states can be adjusted. As already several times was mentioned, is in quasi-stationary operating states of the Engine a pollutant-optimized map for control the step valve unit used, the or one of the grading parameters according to the invention as indicative Input size for this. Map is used. additional is now proposed during transient engine maneuvers ver the calculated split value by a correction factor fit, this correction factor depending on the temporal change in speed, especially high pressure shaft of the engine is calculated. This adjustment can be done be done such that the commanded pilot fuel masses electricity and thus the fuel-air ratio of the pilot zone is briefly increased to extinguish the flames in the pilot zone of the combustion chamber. Recommends it is the calculated split value, for example, for electronics control circuits known high-win and low-win elements inside keep half defined limits.

Um in einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfin dungsgemäßen Brennstoffeinspritzsystems bei Erkennen eines Pum pens des Verdichters des Fluggasturbinen-Triebwerks einen sta bilen Betrieb der gestuften Brennkammer zu gewährleisten, ist Folgendes vorgesehen: Die bereits bekannten beziehungsweise existierenden Triebwerks-Regelgesetze können ein auftretendes Verdichterpumpen bevotzugt durch das Erfassen stark schwanken der Werte des Gasdruckes (P30) am Brennkammer-Eintritt und durch einen anschließenden Vergleich mit einem gesetzten Grenz wert detektieren. Nun wird vorgeschlagen, dass die Ausgangs größe dieser Logik in einer digitalen elektronischen Steuerein heit zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzsy stems ein Flag für den Zeitraum des detektierten Pumpvorgangs auf den Wert "1" setzt. Dieser Flag wird dann genutzt, um in den ebenfalls in der elektronischen Steuereinheit implementier ten Regelgesetzen für die gestufte Verbrennung für den Zeitraum des Verdichterpumpens die Schaltgerade zu verändern, (wozu be reits an dieser Stelle auf die später noch näher erläuterte Fig. 5 verwiesen wird). Dazu wird der Stufungspunkt in den Be reich hoher Lastpunkte verschoben, sodass die gestufte Brenn kammer in dem Betriebmodus vor dem Auftreten des Verdichterpum pens verweilt. Damit wird bei einer starken Änderung des Stu fungsparameters ein zyklisches Schalten zwischen den beiden Operationsmodi der Brennkammer (das heißt zwischen Pilotbe trieb, in dem nur die Pilotbrenner mit Brennstoff versorgt wer den, und dem gestuften Betrieb, in dem auch die Hauptbrenner Brennstoff erhalten) verhindert. Nach dem Pumpen - das heißt sobald das Flag wieder den Wert "0" annimmt - wird der Wert für den Stufungspunkt wieder entsprechend den hier beschriebenen (regulären) Regelgesetzen für den gestuften Brennkammerbetrieb berechnet. Der Vorteil dieser Methode liegt neben dem Verhin dern zyklischen Schaltens auch darin, dass der aktuelle Kraft stoffsplit während des kurzzeitigen Pumpens des Verdichters ohne ein Wechsel des Betriebsmodus immer noch aus einem Kenn feld berechnet wird. Dadurch wird sichergestellt, dass der Pilotkraftstoffmassenanteil entsprechend dem Kraftstoff-Luft- Verhältnis bestimmt wird und eine genügend hohe Stabilitätsre serve gegenüber Flammenverlöschung erhalten bleibt.In order to ensure stable operation of the staged combustion chamber in a further advantageous development of the fuel injection system according to the invention upon detection of a pump of the compressor of the aircraft gas turbine engine, the following is provided: The already known or existing engine control laws can favor an occurring compressor pumping by the Detect strongly fluctuating values of gas pressure (P30) at the combustion chamber inlet and detect by a subsequent comparison with a set limit value. It is now proposed that the output variable of this logic in a digital electronic control unit for implementing the fuel injection system according to the invention sets a flag for the period of the detected pumping operation to the value "1". This flag is then used to change the switching line in the control laws for the staged combustion, which are also implemented in the electronic control unit, for the period of the compressor pumping (for which purpose reference is already made here to FIG. 5, which will be explained in more detail later). , For this purpose, the staging point is shifted to the area of high load points, so that the staged combustion chamber remains in the operating mode before the compressor pump occurs. In the event of a major change in the staging parameter, cyclic switching between the two operating modes of the combustion chamber (that is, between pilot operation in which only the pilot burner is supplied with fuel and the staged operation in which the main burner also receives fuel) is prevented , After pumping - that is, as soon as the flag returns to the value "0" - the value for the grading point is calculated again in accordance with the (regular) control laws described here for the stepped combustion chamber operation. In addition to preventing cyclical switching, the advantage of this method is that the current fuel split is still calculated from a map during a brief pumping of the compressor without changing the operating mode. This ensures that the pilot fuel mass fraction is determined according to the air-fuel ratio and that a sufficiently high stability reserve against flame extinguishing is retained.

In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung wird auf einen Grenz-Ersatzwert für den Splitwert zurückgegriffen, wenn der berechnete und danach zeitlich differenzierte Splitwert einen Grenz-Differenzenwert überschreitet. Hierdurch können eventuell auftretende Störungen in der Regelgröße bspw. während schnellster Lastwechsel oder unerwarteter Betriebsstörungen durch eine Limitierung der Öffnungs- beziehungsweise Schliessungsrate der Stufungs-Ventileinheit abgefangen werden. Diesbezüglich wird bereits an dieser Stelle auf die beigefügte, später noch kurz erläuterte Fig. 4 verwiesen. Dazu wird die zeitliche Ableitung des berechneten Splitwertes über einen Zeitschritt gebildet und mit Hilfe eines Limiters begrenzt. Dieser Limiter ist nur aktiv, wenn der kommandierte beziehungs weise ermittelte Splitwert unterhalb eines definierten Grenz wertes fällt, der im gestuften Modus die maximal zulässige Brennstoff-Aufteilung auf die Pilotbrenner sowie auf die Haupt brenner berücksichtigt. Die aktuelle Änderungsrate der Position der Stufungs-Ventileinheit wird mit der maximal erlaubten Änderungsrate beaufschlagt, solange der vordefinierte Grenzwert erreicht ist.In a preferred development of the invention, a limit replacement value for the split value is used if the calculated and then time-differentiated split value exceeds a limit difference value. In this way, any disturbances in the controlled variable that may occur, for example during the fastest load changes or unexpected malfunctions, can be intercepted by limiting the opening or closing rate of the staged valve unit. In this regard, reference is made at this point to the attached FIG. 4, which will be explained briefly later. For this purpose, the time derivative of the calculated split value is formed over a time step and limited using a limiter. This limiter is only active if the commanded or determined split value falls below a defined limit value, which takes into account the maximum permissible fuel distribution between the pilot burner and the main burner in staged mode. The current rate of change in the position of the grading valve unit is subjected to the maximum allowed rate of change as long as the predefined limit value is reached.

Weiterhin wird vorgeschlagen, während eines Stufungsvorganges beziehungsweise eines Überganges vom Pilotbetrieb (das heißt nur die Pilotbrenner werden mit Brennstoff versorgt) in den ge stuften Betrieb (das heißt die Pilotbrenner und die Hauptbren ner werden mit Brennstoff versorgt) eine Änderung hinsichtlich der Entnahme von Zapfluft aus dem Triebwerk zu unterdrücken. Hierdurch kann eine zusätzliche Variation des Brennstoff-Luft- Gemisches vermieden werden. Nachdem anschließend im gestuften Operationsmodus ein Maximalwert für den Splitwert unterschrit ten wird, erfolgt dann minimal verzögert die gewünschte Zapfluftentnahme im gestuften Betrieb. It is also proposed during a grading process or a transition from pilot operation (that is only the pilot burners are supplied with fuel) in the ge tiered operation (i.e. the pilot burners and the main burners ner are fueled) a change in terms suppress bleeding air from the engine. This allows an additional variation of the fuel-air Mixtures can be avoided. Afterwards in the tiered Operation mode falls below a maximum value for the split value then the desired delay takes place with a minimal delay Bleed air extraction in staged operation.

Schließlich ist es vorteilhaft, wenn eine so genannte Stufungs- Vorwegnahme-Logik, die bei sich abzeichnender Zuschaltung der Hauptbrenner ein kurzzeitiges Befüllen der Hauptbrenner mit Brennstoff hervorruft. Dies geschieht mit dem Ziel, das Auftreten von Schubverlusten und Brennkammer-Instabilitäten im Verlaufe eines Stufungsvorganges (das heißt wenn zusätzlich zu den zuvor alleinig betriebenen Pilotbrennern nun auch die Hauptbrenner mit Brennstoff versorgt werden sollen) zu verhindern. Im Falle eines derartigen transienten Triebwerksmanövers kann es nämlich aufgrund des Auffüllvorgangs des wenn auch kleinen Totvolumens der Hauptbrennerdüsen kurzzeitig zu einem Absinken des der Brennkammer zugeführten Gesamt-Brennstoffmassenstromes kommen. Dies kann nun durch eine so genannte Stufungs-Vorwegnahme-Logik verhindert werden, die während des Stufungsvorganges ein im Brennstoffsystem vorgesehenes Druckregelventil (Zumessventil des Gesamt- Brennstoffmassenstromes) kurzzeitig weiter öffnet, um einerseits den Brennstoffdruck in den Pilotbrennern und damit den Brennstoffdurchsatz durch die Pilotbrenner aufrechtzuerhalten als auch die Totvolumina in den Hauptbrennern schneller aufzufüllen. Sowohl der Zeitraum der Positionsänderung des Ventils als auch der Betrag der Positionsänderung werden in Abhängigkeit von Parametern bestimmt, die den stationären Betriebszustand und die Änderung dieses Betriebszustandes berücksichtigen. Gleichzeitig erfolgt dadurch während der Stufung auch eine gewisse Anreicherung des gesamten Brennstoff-Luftverhältnisses in der Brennkammer, die notwendig ist, um die durch einen gewissen Zündverzug in der Hauptstufe der Brennkammer verzögert stattfindende Umsetzung des Brennstoffs in Wärme zu kompensieren. Daneben bestehen jedoch auch andere Möglichkeiten, bei einem sich abzeichnenden Stufungsvorgang kurzzeitig einen vergrößerten Brennstoffmassenstrom zur Verfügung zu stellen, um hiermit die Hauptbrenner vollständig zu befüllen und somit einen andernfalls möglicherweise kurzzeitig auftretenden Schubverlust zu verhindern. Finally, it is advantageous if a so-called grading Anticipation logic that appears when the Main burner a short filling of the main burner with Fuel. This is done with the aim of Occurrence of thrust losses and combustion chamber instabilities in the Course of a grading process (that is, if in addition to the pilot burners previously operated exclusively now also the Main burner to be supplied with fuel) prevent. In the case of such a transient Engine maneuvers can occur because of the filling process of the small dead volume of the main burner nozzles briefly to a decrease in the fed to the combustion chamber Total fuel mass flow come. This can now be done through a so-called staging anticipation logic can be prevented during the grading process in the fuel system provided pressure control valve (metering valve of the total Fuel mass flow) briefly continues to on the one hand the fuel pressure in the pilot burners and thus the fuel throughput through the pilot burner maintain as well as the dead volumes in the Refill main burners faster. Both the period of Change in position of the valve as well as the amount of Position changes are dependent on parameters which determines the steady state and the change take this operating state into account. At the same time thereby also a certain enrichment of the total fuel-air ratio in the combustion chamber, the is necessary due to a certain ignition delay in the Main stage of the combustion chamber is delayed implementation to compensate for the fuel in heat. Beside exist however, there are other options in an emerging Grading process briefly an enlarged To provide fuel mass flow to hereby the Main burner to fill completely and thus one otherwise it may occur for a short time To prevent thrust loss.

Als Abfragebedingung für diese vorgeschlagene Funktion wird jeder mögliche Parameter beansprucht, der im Zusammenhang mit der implementierten Grundformel beziehungsweise den grundsätzlichen Regelgesetzen zum Stufungsvorgang steht sowie jede beliebige Kombination der Parameter untereinander, als auch die Möglichkeit einer Erweiterung der Abfragebedingung durch weitere Tabellen, die auf diesem Parameter basieren. Grundsätzlich muss hierfür die genannte Abfragebedingung lediglich auf geeigneten Tabellen basieren, die den zu erwarteten Verlust oder Überschuss des Gesamt- Brennstoffmassenstromes berücksichtigen.As a query condition for this proposed function claimed every possible parameter related to the implemented basic formula or basic rules regarding the grading process stands as well any combination of parameters with each other, as also the possibility of expanding the query condition through additional tables based on this parameter. Basically, this requires the specified query condition based only on appropriate tables that correspond to the expected loss or excess of the total Take fuel mass flow into account.

Wie in Fig. 5 dargestellt, gibt somit der Splitwert (S) den ak tuellen Wert der Aufteilung der Massenströme des Brennstoffs zu der Pilotstufe beziehungsweise der Hauptstufe der Brennkammer vor. Der Stufungspunkt (SPK) gibt eine Aussage, in welchem Mo dus sich das Brennstoffeinspritzsystem jeweils befindet, er gibt somit eine Zustandsanzeige ab. Mit ABS ist in Fig. 5 ein Absolutwert des Stufungspunktes bezeichnet, welcher stets posi tiv ist. Der nachgeschaltete Vergleicher, in welchen auch der Grenzwert eingeht, erzeugt daraufhin einen SPK-Stufungspunkt- Wert von 0 oder 1.As shown in Fig. 5, the split value (S) thus specifies the current value of the distribution of the mass flows of the fuel to the pilot stage or the main stage of the combustion chamber. The grading point (SPK) gives a statement as to the mode in which the fuel injection system is located, so it gives a status display. ABS is an absolute value of the grading point in Fig. 5, which is always positive. The downstream comparator, which also includes the limit value, then generates an SPK rating point value of 0 or 1.

Weiterhin zeigt die Fig. 5, dass in das Kennfeld zur Steuerung des TIMERS die Ableitung der Hochdruckwellendrehzahl nach der Zeit eingeht. Wie in der Beschreibung vorstehend bereits erläu tert, umfasst das Auswahlelement zwei Zustände, nämlich "T" für "true" und "F" für "falsch". In dem Zustand "T" wird, da der Wert SPK* = 1 ist, der historische Wert von BZ (Betriebszu stand), das heißt der Wert aus dem letzten Zeitschritt Z^-1 ver wendet. In der Legende der Fig. 5 wird mit SPK das Kommando für den Stufungspunkt bezeichnet, während SPK* das zeitverzögerte Kommando für den Stufungspunkt bedeutet. Mit dem Zustand 0 wird ein ungestufter Betriebszustand der Brennkammer bezeichnet, bei dem die Pilotstufe an-, die Hauptstufe jedoch ausgeschaltet ist. Mit 1 wird ein Betriebszustand bezeichnet, bei welchem so wohl die Pilotstufe als auch die Hauptstufe angeschaltet sind.Furthermore, FIG. 5, that in the map for controlling the timer, the derivation of the high-pressure shaft speed is received after the time. As already explained in the description above, the selection element comprises two states, namely "T" for "true" and "F" for "false". In the state "T", since the value SPK * = 1, the historical value of BZ (operational status), that is, the value from the last time step Z ^{-1 is used} . In the legend of FIG. 5, SPK denotes the command for the grading point, while SPK * means the time-delayed command for the grading point. State 0 denotes an unstaged operating state of the combustion chamber in which the pilot stage is on but the main stage is switched off. 1 denotes an operating state in which both the pilot stage and the main stage are switched on.

In diesem Zusammenhang sei noch eine Methode zur Vorauffüllung der zu den Hauptbrennern führenden Brennstoffleitungen be schrieben, die beim Anlassen des Triebwerks bevorzugt angewen det werden kann. Üblicherweise wird nämlich eine so genannte Brennstoffringleitung, die zu den Hauptbrennern führt, bei jedem Abschalten des Triebwerks passiv, das heißt mit Luft, gespült und der darin befindliche Brennstoff in einen Spültank entleert. Beim Betrieb des Triebwerks ist es jedoch erforderlich, dass die Brennstoffringleitung zu den Hauptbrennerdüsen vollständig aufgefüllt ist, wenn vom ungestuften Pilotbetrieb zum gestuften Betrieb beziehungsweise Operationsmodus übergegangen werden soll. Dies ist eine Voraussetzung für den sicheren und stabilen Betrieb des Triebwerks über dessen gesamten Leistungsbereich. Daher ist eine besondere Maßnahme erforderlich, die sicherstellt, dass beim Anlassen des Triebwerks die Brennstoffringleitung zu den Hauptbrennern parallel mit dem Auffüllen der zu den Pilotbrennern führenden Brennstoffringleitung aufgefüllt wird. Hierfür wird die folgende Methode vorgeschlagen:
Vor jedem Anlassen des Triebwerks ist die Hauptbrenner- Ringleitung von Brennstoff leergespült. Wenn das Triebwerk angelassen wird (hierbei kann es sich um Bodenstarts und um Starts im Flug handeln), erfolgt zunächst ein über einen möglichst kurzen Zeitraum stattfindendes Auffüllen des gesamten Brennstoffleitungsvolumens zwischen der Brennstoffzumesseinheit beziehungsweise Steuer-Ventileinheit und den Einspritzdüsen der Pilotbrenner sowie der Hauptbrenner. Der schnelle Auffüllvorgang hält den Einspritzverzug in die Brennkammer und damit den dort stattfindenden Zündverzug so gering wie möglich. Hierfür ist eine zusätzliche Logik im elektronischen Triebwerksregler implementiert. Demzufolge werden zunächst mit einem erhöhten Brennstoffmassenstrom, der mehrfach oberhalb des Zünd-Brennstoffmassenstromes liegt, sämtliche Brennstoff- Ringleitungen aufgefüllt. Damit dieser Brennstoff auch in die zu den Hauptbrennern führenden Leitungen gelangen kann, wird die genannte Stufungs-Ventileinheit vorübergehend von der nur die Pilotbrenner beaufschlagenden Position in eine halb offene Position gefahren, in der auch die Hauptbrenner mit Brennstoff versorgt werden. Dadurch werden parallel zu den Pilotleitungen auch die zu den Hauptbrennern führenden Brennstoffleitungen aufgefüllt. Die entsprechende Öffnungszeit und die Öffnungsposition der Stufungs-Ventileinheit sind dabei geeignet vorbestimmt. Der Vorteil dieser Methode ist, dass auf die Überwachung des Füllzustandes der Leitung in/zu den Hauptbrennern verzichtet werden kann.In this context, a method for pre-filling the fuel lines leading to the main burners should be described, which can preferably be used when starting the engine. Usually, a so-called fuel ring line, which leads to the main burners, is flushed passively, that is to say with air, each time the engine is switched off, and the fuel therein is emptied into a flushing tank. When operating the engine, however, it is necessary for the fuel ring line to the main burner nozzles to be completely filled up if the transition from the non-staged pilot operation to the staged operation or operation mode is to be carried out. This is a prerequisite for the safe and stable operation of the engine over its entire performance range. A special measure is therefore required to ensure that when the engine is started, the fuel ring line to the main burners is filled in parallel with the filling of the fuel ring line leading to the pilot burners. The following method is proposed for this:
Before starting the engine, the main burner ring line is flushed out of fuel. If the engine is started (this can be ground starts and in-flight starts), the entire fuel line volume is first filled as short as possible between the fuel metering unit or control valve unit and the injection nozzles of the pilot burner and the main burner. The rapid filling process keeps the injection delay into the combustion chamber and thus the ignition delay taking place there as low as possible. For this, additional logic is implemented in the electronic engine controller. Accordingly, all fuel ring lines are first filled with an increased fuel mass flow that is several times above the ignition fuel mass flow. So that this fuel can also get into the lines leading to the main burners, the above-mentioned step valve unit is temporarily moved from the position which only applies to the pilot burner to a half-open position in which the main burners are also supplied with fuel. As a result, the fuel lines leading to the main burners are also filled up in parallel to the pilot lines. The corresponding opening time and the opening position of the step valve unit are suitably predetermined. The advantage of this method is that there is no need to monitor the filling level of the line in / to the main burners.

Um dabei sicherzustellen, dass die Hauptbrenner-Brennstoff leitungen vollständig gefüllt werden, ist der Brennstoffdruck in diesen Leitungen durch geeignete Positionierung der Stufungs-Ventileinheit selbstverständlich so groß zu halten, dass die Rückschlagventile in den Hauptbrenner-Einspritzdüsen kurzzeitig aufgedrückt werden und sowohl das sich bildende Luftpolster als auch eine geringe Brennstoffmenge in die Brennkammer hineingedrückt werden. Diese geringe Brennstoffmenge verbrennt danach in der Brennkammer zusammen mit dem gleichzeitig durch die Pilotbrenner eingespritzten Zünd-Brennstoffmassenstrom. Die Hauptbrenner-Einspritzdüsen werden anschließend durch das passive Spülsystem wieder von Brennstoff freigespült, wodurch ein Verkoken der Hauptbrenner verhindert wird. Anschließend werden die Stufungs-Ventileinheit geschlossen (das heißt nur die Pilotbrenner sind zugeschaltet) und gleichzeitig der Brennstoffmassenstrom von der Brennstoffzumesseinheit beziehungsweise Steuer-Ventileinheit auf das Niveau des für die Zündung erforderlichen Zünd- Brennstoffmassenstroms reduziert. Die weitere Regelung der Brennstoffzufuhr bis zur Zündung und Beschleunigung wird wie bei einem Triebwerk mit einem konventionellen System gehandhabt.To ensure that the main burner fuel lines are completely filled, is the fuel pressure in these lines by appropriate positioning of the Of course, to keep the staged valve unit so large that the check valves in the main burner injectors be pressed briefly and both the forming Air cushion as well as a small amount of fuel in the Combustion chamber to be pushed in. This minor The amount of fuel then burns together in the combustion chamber with the one injected simultaneously by the pilot burner Ignition fuel mass flow. The main burner injectors are then re-activated by the passive flushing system Fuel flushed out, causing the main burner to coke is prevented. Then the step valve unit closed (i.e. only the pilot burners are switched on) and at the same time the fuel mass flow from the Fuel metering unit or control valve unit to the level of the ignition required for the ignition Reduced fuel mass flow. The further regulation of Fuel supply until ignition and acceleration will be like for an engine with a conventional system handled.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei spiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:In the following, the invention is illustrated by means of an embodiment game described in connection with the drawing. there shows:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer gestuften Brennkam mer eines Fluggasturbinen-Triebwerks, Fig. 1 is a schematic representation of a stepped Brennkam mer an aircraft gas turbine engine,

Fig. 2 eine schematische Teilansicht eines erfindungsgemäßen Triebwerkreglers, Fig. 2 is a partial schematic view of an engine controller according to the invention,

Fig. 3 ein Teil-Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen Trieb werkreglers, Fig. 3 is a partial schematic diagram of the drive according to the invention plant regulator,

Fig. 4 ein weiteres Teil-Prinzipschaltbild des erfindungsge mäßen Triebwerkreglers, und Fig. 4 shows a further partial block diagram of the engine controller according to the invention, and

Fig. 5 ein Prinzipschaltbild zur Umsetzung in einer digitalen elektronischen Steuereinheit bei einem bevorzugten Aus führungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffein spritzsystems. Fig. 5 is a basic circuit diagram for implementation in a digital electronic control unit in a preferred from exemplary implementation of the invention Brennstoffein injection system.

In Fig. 1, in welcher ein üblicher Teil-Schnitt durch eine ge stufte Ring-Brennkammer eines Fluggasturbinen-Triebwerks darge stellt ist, ist mit der Bezugsziffer 1 die Brennkammer und mit der Bezugsziffer 2 der Austritt aus dieser Brennkammer 1 be zeichnet. In die Brennkammer 1 gelangt gemäß den dargestellten Pfeilen ein von einem vorgeschalteten Kompressor geförderter und dabei verdichteter Gasstrom beziehungsweise Luftstrom hin ein, der den benötigten Sauerstoff mitführt, um den über den (beziehungsweise die mehrfach vorhandenen ringförmig angeordne ten) Pilotbrenner 3 sowie ggf. über den (beziehungsweise die mehrfach vorhandenen ringförmig angeordneten) Hauptbrenner 4 in die Brennkammer 1 eingebrachten Brennstoff (dieser ist punk tiert dargestellt) in der Brennkammer 1 zu verbrennen. Die Ver brennungs-Abgase gelangen dann durch den Brennkammer-Austritt 2 gemäß Pfeil zunächst in die Turbine des Triebwerks. In Fig. 1, in which a conventional partial section through a ge stepped ring combustion chamber of an aircraft gas turbine engine is Darge, with the reference number 1, the combustion chamber and with the reference number 2, the exit from this combustion chamber 1 be distinguished. According to the arrows shown, the combustion chamber 1 enters a gas stream or air stream conveyed by an upstream compressor which is compressed and carries the required oxygen in order to pass the pilot burner 3 via the (or the multiple ring arrangement) and possibly via the (or the multiple existing ring-shaped) main burner 4 in the combustion chamber 1 introduced fuel (this is shown in dotted lines) to burn in the combustion chamber 1 . The combustion gases then pass through the combustion chamber outlet 2 according to the arrow first into the turbine of the engine.

Die Brennkammer 1 ist räumlich unterteilt in eine Pilotzone 1a, die sich direkt stromab der Pilotbrenner 3 befindet, sowie in eine sich in Strömungsrichtung der Gase daran anschließende Hauptzone 1b, in die die Hauptbrenner 4 den Brennstoff abgeben. Letzteres, das heißt eine Brennstoffzufuhr in die Hauptzone 1b der Brennkammer 1 über die Hauptbrenner 4 geschieht jedoch nur in solchen Betriebspunkten des Triebwerks, in denen eine höhere Leistungsentfaltung beziehungsweise Leistungsabgabe gefordert wird. Ständig hingegen gelangt über die Pilotbrenner 3 Brenn stoff in die Brennkammer 1. In Abhängigkeit vom jeweiligen Be triebspunkt des Fluggasturbinen-Triebwerks gelangen somit zwi schen 10% und 100% des gesamten zugeführten Brennstoffmassen stromes über die Pilotbrenner 3 in die Brennkammer 1, während demzufolge über die Hauptbrenner 4 bei hoher Triebwerksleistung 90% und bei niedriger Triebwerksleistung 0% des Gesamt-Brenn stoffmassenstromes in die Brennkammer 1 eingeleitet werden.The combustion chamber 1 is spatially divided into a pilot zone 1 a, which is directly downstream of the pilot burner 3, and in a subsequent in the flow direction of gases from the main zone 1 b, in which the main burner 4 leave the fuel. The latter, that is, a fuel supply into the main zone 1 b of the combustion chamber 1 via the main burner 4 , however, only occurs at those operating points of the engine in which a higher power delivery or output is required. Constantly, however, 3 fuel reaches the combustion chamber 1 via the pilot burner. Depending on the respective operating point of the aircraft gas turbine engine, between 10% and 100% of the total fuel mass flow thus reaches the combustion chamber 1 via the pilot burner 3 , while consequently via the main burner 4 at a high engine output 90% and at a low engine output 0%. of the total fuel mass flow are introduced into the combustion chamber 1 .

In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßes Brennstoffeinspritzsystem, mit welchem die Pilotbrenner 3 sowie die Hauptbrenner 4 mit Brennstoff versorgt werden, schematisch und dabei stark verein facht dargestellt. Der Pfeil WF verdeutlicht dabei den Gesamt- Brennstoffmassenstrom, der über eine Steuer-Ventileinheit 6 do siert und damit an einen bestimmten Betriebspunkt des Trieb werks angepasst in die Brennkammer 1 eingeleitet wird. Eine so genannte Stufungs-Ventileinheit 7 stellt dabei ein, welcher An teil dieses Gesamt-Brennstoffmassenstromes WF gemäß Pfeil 3' den Pilotbrennern 3 und welcher (damit komplementär zusammen hängende) Anteil dieses Gesamt-Brennstoffmassenstromes WF gemäß Pfeil 4' den Hauptbrennern 4 zugeführt wird.In Fig. 2, a fuel injection system according to the invention, with which the pilot burner 3 and the main burner 4 are supplied with fuel, is shown schematically and greatly simplified. The arrow WF illustrates the total fuel mass flow, which is done via a control valve unit 6 and is introduced into the combustion chamber 1 in a manner adapted to a specific operating point of the engine. A so-called staging valve unit 7 sets which part of this total fuel mass flow WF according to arrow 3 'is fed to the pilot burners 3 and which (complementarily related) part of this total fuel mass flow WF according to arrow 4 ' is fed to the main burners 4 .

Mit der Bezugsziffer 8 ist der (elektronische) Triebwerksregler bezeichnet, der üblicherweise mehrere Regelblöcke enthält. Hier ist nun ein erster Regelblock 8a dargestellt, der die Steuer- Ventileinheit 6 betätigt beziehungsweise geeignet positioniert oder einstellt, und der hierfür geeignete (übliche) Triebwerk regelgesetze enthält beziehungsweise berücksichtigt. Ferner ist ein zweiter Regelblock 8b dargestellt, der die Stufungs-Ventil einheit 7 kontrolliert und demzufolge Regelgesetze für die ge stufte Verbrennung enthält beziehungsweise berücksichtigt. Die ser Regelblock 8b bestimmt somit den so genannten Splitwert S. der die Aufteilung des Gesamt-Brennstoffmassenstromes WF auf die Pilotbrenner 3 sowie auf die Hauptbrenner 4 kennzeichnet und stellt die Stufungs-Ventileinheit 7 dementsprechend ein.The reference number 8 denotes the (electronic) engine controller, which usually contains several control blocks. Here, a first control block is now shown 8a, operates the control valve unit 6 and suitably positioned or ceases, and suitable for this purpose (standard) engine control laws contain or taken into account. Furthermore, a second control block 8 b is shown, which controls the step valve unit 7 and consequently contains or takes account of control laws for the staged combustion. The water control block 8 b thus determines the so-called split value S. which characterizes the distribution of the total fuel mass flow WF between the pilot burner 3 and the main burner 4 and adjusts the staging valve unit 7 accordingly.

Fig. 3 zeigt schematisch und stark vereinfacht die Berechnung der Aufteilung des Gesamt-Brennstoffmassenstromes WF auf die Pilotbrenner 3 (Brennstoffstrom 3' in Fig. 2) und die Haupt brenner 4 (Brennstoffstrom 4' in Fig. 2), wobei diese Auftei lung durch einen so genannten Splitwert S beschrieben wird. Wie weiter oben ausführlich erläutert wurde, wird hierbei auf die bekannten Größen
WF = Gesamt-Brennstoffmassenstrom,
P30 = Gasdruck am Brennkammer-Eintritt,
T30 = Gastemperatur am Brennkammer-Eintritt, oder
T44 = Total-Temperatur stromab der Triebwerks-Hochdruck turbine
gegebenenfalls auch auf
T20 = Gastemperatur am Triebwerks-Eintritt
zurückgegriffen. Hieraus ergibt sich nach obigen Erläuterungen der so genannte Stufungsparameter SP. Fig. 3 shows schematically and greatly simplifies the calculation of the division of the total fuel mass flow WF to the pilot burner 3 (fuel flow 3 'in Fig. 2) and the main burners 4 (fuel flow 4' in Fig. 2), these Auftei lung by a so-called split value S is described. As has been explained in detail above, this refers to the known sizes
WF = total fuel mass flow,
P30 = gas pressure at the combustion chamber inlet,
T30 = gas temperature at the combustion chamber inlet, or
T44 = total temperature downstream of the engine high pressure turbine
if necessary also on
T20 = gas temperature at the engine inlet
resorted. According to the above explanations, this results in the so-called grading parameter SP.

Ferner kann noch die zeitliche Änderung der Drehzahl der Hoch druckwelle des Triebwerks, das heißt der Quotient (dNH/dt)_Ref berücksichtigt werden, wie dies unten in Verbindung mit An spruch 3 erläutert wird.Furthermore, the temporal change in the speed of the high pressure shaft of the engine, that is, the quotient (dNH / dt) _{Ref can be} taken into account, as will be explained below in connection with claim 3.

Über Kennfelder 5 ergibt sich hiermit ein Splitwert S', der zu nächst noch über ein an sich übliches Low-Win-Glied 9a sowie ein High-Win-Glied 9b geführt wird, woraus sich ein nominaler Splitwert S* ergibt. Das Low-Win-Glied 9a berücksichtigt dabei einen maximalen Splitwert MAX (dieser entspricht 100% Brenn stoffanteil für die Pilotbrenner 3), während das High-Win-Glied 9b einen minimalem Splitwert MIN berücksichtigt, der zwischen 10% und 40% Brennstoffanteil für die Pilotbrenner 3 liegen kann. Auch diesbezüglich wird auf die Erläuterungen zu Patent anspruch 3 verwiesen.Characteristic maps 5 hereby result in a split value S ', which is initially also carried out via a low-win element 9 a and a high-win element 9 b, which results in a nominal split value S *. The low-win link 9 a takes into account a maximum split value MAX (this corresponds to 100% fuel share for the pilot burner 3 ), while the high-win link 9 b takes into account a minimum split value MIN which is between 10% and 40% fuel share can be for the pilot burner 3 . Also in this regard, reference is made to the explanations for claim 3.

In Fig. 4 ist eine bevorzugte Art der Limitierung der Brenn stoffaufteilung auf die Pilotbrenner 3 sowie auf die Hauptbren ner 4 dargestellt. Diesbezüglich wird auf die Erläuterungen zu Patentanspruch 5 verwiesen. Ein (zeitliches) Differenzierglied für den nominalen Splitwert S* trägt die Bezugsziffer 10 und der im obigen Beschreibungsabschnitt zu Anspruch 5 genannte Li miter die Bezugsziffer 11. Der Grenzwert, der für diese Abfrage ggf. berücksichtigt wird, ist als Eingangsgröße mit der Bezugs ziffer 12 bezeichnet und kann bspw. 50% betragen. Bei einer Stufung vom Pilotbetrieb in den so genannten Dualbetrieb - (in diesem werden die Pilotbrenner und die Hauptbrenner betrieben) - durchläuft der kommandierte Splitwert den Bereich zwischen 100% und 40%. Erst ab einem Pilotbrennstoffanteil unterhalb von 50% erfolgt die Limitierung der Brennstoff-Aufteilung auf die Pilotbrenner. Dies bedeutet, dass der Anteil 4' am Gesamt- Brennstoffmassenstrom WF, der über die Hauptbrenner 4 in die Brennkammer 1 gelangen kann, im Bereich zwischen 0% und 50% liegen kann.In Fig. 4, a preferred way of limiting the fuel distribution to the pilot burner 3 and the main burner ner 4 is shown. In this regard, reference is made to the explanations for claim 5. A (temporal) differentiator for the nominal split value S * bears the reference number 10 and the li miter mentioned in the above description section to claim 5 miter reference number 11 . The limit value that may be taken into account for this query is designated as the input variable with the reference number 12 and can be, for example, 50%. In the case of a gradation from pilot operation to so-called dual operation - (in which the pilot burners and the main burners are operated) - the commanded split value runs through the range between 100% and 40%. Only when the pilot fuel content is below 50% is the fuel distribution limited to the pilot burner. This means that the portion 4 ′ of the total fuel mass flow WF that can enter the combustion chamber 1 via the main burner 4 can be in the range between 0% and 50%.

Fig. 5 schließlich zeigt ein Schemata zur bevorzugten Berech nung des Operationsmodus der Brennkammer 1, das heißt ob diese im Pilotbetrieb oder im gestuften Betrieb gefahren wird. Die Ausgangsgröße dieses Schematas ist eine digitale Ja/Nein-Größe, die angibt, ob die Hauptbrenner 4 mit Brennstoff versorgt wer den oder nicht. Fig. 5 shows a diagram for the preferred calculation of the operating mode of the combustion chamber 1 , that is, whether it is operated in pilot mode or in staged mode. The output variable of this scheme is a digital yes / no variable, which indicates whether the main burner 4 is supplied with fuel or not.

Neben dem berechneten Splitwert S* (nomineller Stufungspunkt), sowie dem aktuellen Splitwert "Actual" gehen dabei in diese Festlegung beziehungsweise Berechnung des Stufungspunktes wie ersichtlich additiv mehrere Korrekturglieder ΔSP ein, so wie dies ebenfalls bereits ausführlich erläutert wurde. Diese ein zelnen Korrekturglieder, die zu ΔSP aufsummiert werden, be rücksichtigen dabei - wie bereits erläutert wurde - über geeig nete Kennfelder 5 mehrere Einflussparameter. Die Berücksichti gung der Lastwechselgeschwindigkeit ist dabei auch mit "Transi ent" und diejenige der Flughöhe auch mit "Altitude" bezeichnet. Die ein Umschalten vom ungestuften Pilotbetrieb in den gestuften Operationsmodus unterhalb des Leerlaufbetriebs zustandes des Triebwerkes verhindernde Funktion ist auch mit "Idle" bezeichnet, und diejenige Funktion, die einen Absolut wert für den Gasdruckes (P30) und/oder die Gastemperatur (T30) am Brennkammer-Eintritt berücksichtigt, um einen stabilen Betrieb der Brennkammer sicherzustellen, ist auch mit "Stability" bezeichnet.In addition to the calculated split value S * (nominal grading point) and the current split value "Actual", this correction or calculation of the grading point includes, as can be seen, additively several correction elements ΔSP, as has also already been explained in detail. These individual correction elements, which are added up to ΔSP, take into account - as already explained - several influencing parameters via suitable characteristic diagrams 5 . The consideration of the load change speed is also referred to as "Transi ent" and that of the altitude is also referred to as "Altitude". The function preventing a switch from the unstaged pilot mode to the staged operating mode below the idling state of the engine is also referred to as "idle", and the function that is an absolute value for the gas pressure (P30) and / or the gas temperature (T30) at the combustion chamber - Admission taken into account to ensure stable operation of the combustion chamber is also referred to as "stability".

Mit den soweit beschriebenen Merkmalen ergibt sich ein Brenn stoffeinspritzsystem für eine gestufte Brennkammer insbesondere eines Fluggasturbinen-Triebwerks, mit der ein im Wesentlichen optimaler Betrieb dieser Brennkammer 1 ermöglicht wird. Möglich ist insbesondere eine schadstoffoptimierte kennfeldgestützte Regelung der gestuften Verbrennung im quasistationären Betrieb. Die im Regelblock 8b des Triebwerksreglers 8 implementierbaren und weiter oben beschriebenen Regelgesetze für die gestufte Verbrennung erlauben einen Betrieb einer beziehungsweise der gestuften Brennkammer 1 im ungestuften Pilotbetrieb und im gestuften Modus ohne signifikantem Einfluss auf die Sicherheit, Stabilität und das Schubvermögen des gesamten Triebwerkes während eines Stufungsvorganges, worunter ein Umschaltvorgang zwischen den beiden Operationsmodi verstanden wird. Insbesondere wird ein nahezu schubverlustfreier Übergang vom Betriebszustand mit alleiniger Beaufschlagung der Pilotbrenner 3 in den gestuften Betrieb, in dem neben den Pilotbrennern 3 auch den Hauptbrennern 4 Brennstoff zugemessen wird, gewährleistet. Der so genannte Stufungsvorgang beansprucht dabei vorteilhafterweise nicht die vorhandene Stabilitätsreserve des Verdichters.With the features described so far, there is a fuel injection system for a stepped combustion chamber, in particular an aircraft gas turbine engine, with which an essentially optimal operation of this combustion chamber 1 is made possible. Pollution-optimized control of the staged combustion in quasi-steady-state operation is particularly possible. The rule block 8 b of the engine controller 8 implementable and described above control laws for the staged combustion allow an operation of a or the staged combustion chamber 1 in the non-stepped pilot operation and staged mode without significant effect on the safety, stability and the thrust capacity of the entire engine during a Staging process, which means a switching process between the two operating modes. In particular, an almost shear loss-free transition from the operating state to the pilot burner 3 alone in the stepped operation, in which fuel is metered in addition to the pilot burner 3 and the main burner 4 , is ensured. The so-called staging process advantageously does not take up the existing stability reserve of the compressor.

Die stufenlos einstellbare Stufungs-Ventileinheit 7 stellt sicher, dass sowohl das Emissionsniveau der Brennkammer insbesondere bezüglich NO_x als auch das Temperaturprofil am der Brennkammer 1 nachgeschalteten Turbineneintritt über dem gesamten Betriebsbereich des Triebwerks optimiert ist. Die gewählte Methode der Einstellung des Brennstoffsplits, das heißt des Splitwerts S, auf die Pilotbrenner 3 und die Hauptbrenner 4 ermöglicht damit eine flexible Aufteilung des Brennstoffs entsprechend den aktuellen Anforderungen an das Regelsystem im jeweiligen Betriebszustand. Damit erlaubt diese Methode neben einer optimalen Einstellung der Brennstoffaufteilung zur Minimierung der Schadstoffemissionen auch eine Optimierung des Betriebsverhaltens der Brennkammer hinsichtlich Verbrennungsstabilität, Ausbrandverhalten und des Temperaturaustrittsprofils über dem gesamten Lastbereich des Triebwerks.The continuously adjustable staging valve unit 7 ensures that both the emission level of the combustion chamber, in particular with respect to NO _x, and the temperature profile at the turbine inlet downstream of the combustion chamber 1 are optimized over the entire operating range of the engine. The selected method of setting the fuel split, that is to say the split value S, between the pilot burners 3 and the main burners 4 thus enables flexible distribution of the fuel in accordance with the current requirements for the control system in the respective operating state. In addition to an optimal setting of the fuel distribution to minimize pollutant emissions, this method also allows the operating behavior of the combustion chamber to be optimized with regard to combustion stability, burnout behavior and the temperature exit profile over the entire load range of the engine.

Wie beschrieben erfolgt bevorzugt ein getrenntes Erfassen der wesentlichen Einflussfaktoren, wie z. B. Flughöhe, transiente Betriebsmanöver auf den Stufungspunkt sowie die korrekte Einstellung der Brennstoffaufteilung auf beide Brennstoffkreise im gestuften Modus. Alle wesentlichen Einflüsse auf die Stufungscharakteristik werden über einfache Kennfelder erfasst und deren Einfluss additiv sowohl auf den Stufungspunkt als auch auf den Brennstoffsplit, das heißt auf den Splitwert S, berücksichtigt. Damit wird sowohl eine Optimierung der Verbrennung in den beiden Brennkammerzonen, nämlich der Pilotzone 1a und der Hauptzone 1b, als auch die Einhaltung der Stabilität der Verbrennung gewährleistet.As described, the essential influencing factors, such as e.g. B. flight altitude, transient maneuvers on the staging point and the correct setting of the fuel distribution to both fuel circuits in staged mode. All significant influences on the grading characteristics are recorded using simple characteristic maps and their influence is taken into account additively both on the grading point and on the fuel split, that is to say on the split value S. This ensures both an optimization of the combustion in the two combustion chamber zones, namely the pilot zone 1 a and the main zone 1 b, and compliance with the stability of the combustion.

Generell ergibt sich eine verbesserte Regelqualität aufgrund der Verwendung von gut messbaren Triebwerks-Parametern, wie WF, P30, T30 u. a. Eine Synthetisierung von Triebwerks-Parametern wird hierdurch vermieden. Auch kann bei Implementierung der so genannten Stufungs-Vorwegnahme-Logik während eines Stufungsvorganges eine signifikante Verminderung des Triebwerk- Schubes verhindert werden. Auch die beschriebene Berück sichtigung eines Anlassvorganges ist in einem erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzsystem äußerst vorteilhaft. Schließlich ist die Software zur Regelung des Stufungsprozesses einfach in einen vorhandenen Triebwerksregler integrierbar, wobei noch darauf hingewiesen sei, dass selbstverständlich eine Vielzahl von Details abweichend von obigen Erläuterungen gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.Generally there is an improved control quality due to the use of easily measurable engine parameters, such as WF, P30, T30 and. a. A synthesis of engine parameters is avoided. Also when implementing the so called step anticipation logic during a Staging process a significant reduction in engine Thrusts can be prevented. Even the described Berück Viewing a starting process is in an inventive Fuel injection system extremely beneficial. Finally is the software for regulating the grading process simply in an existing engine controller can be integrated, although still it should be noted that of course a variety be deviated from details deviating from the above explanations can without leaving the content of the claims.

Zusammenfassend ist Folgendes festzustellen:
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzsystem für eine gestufte Brennkammer 1 eines Fluggasturbinen-Triebwerks, deren Pilotbrenner 3 stets mit einer gewissen Brennstoffmenge ver sorgt wird/werden, während deren Hauptbrenner(n) 4 nur bei hö herer Triebwerksleistung Brennstoff zugemessen wird, wobei stromab einer die gesamte Brennstoffmenge bestimmenden Steuer- Ventileinheit 6 eine diesen Gesamt-Brennstoffmassenstrom (WF) auf die Pilotbrenner 3 sowie auf die Hauptbrenner 4 veränderbar aufteilende Stufungs-Ventileinheit 7 vorgesehen ist, die beide von einem Triebwerksregler 8 angesteuert werden, der für die Ansteuerung der Stufungs-Ventileinheit 7 die gewünschte Trieb werksleistung zugrunde legt, dadurch gekennzeichnet, dass die Triebwerksleistung durch die Belastung der Gasturbinen-Brenn kammer 1 in Form eines so genannten Stufungsparameters (SP) charakterisiert ist, anhand dessen die Stufungs-Ventileinheit 7 entsprechend einer Schaltgeraden angesteuert wird, dass der Stufungsparameter (SP) aus einem funktionalen Zusammenhang ab geleitet wird, dass eine nachgeschaltete Summationsstelle zur Berechnung der Differenz zwischen einem aktuellen Wert des Stu fungspunktes und einem Wert des nominalen Stufungspunktes vor gesehen ist, und dass der Summationsstelle ein Zeitelement (TIMER) nachgeordnet ist, welches so ausgebildet ist, dass nach dem Über- beziehungsweise Unterschreiten des angepassten Stu fungspunktes der Umschaltvorgang zeitlich verzögert wird, wenn die Zeitdauer seit dem Ausführen der letzten Stufung kleiner ist als eine vordefinierte Zeitkonstante, die in einem Kennfeld abgelegt ist.In summary, the following can be stated:
The invention relates to a fuel injection system for a stepped combustion chamber 1 of an aircraft gas turbine engine, the pilot burner 3 is / are always provided with a certain amount of fuel, while the main burner (s) 4 fuel is metered only at higher engine power, downstream of which the entire Control valve unit 6 determining the amount of fuel is provided with a staging valve unit 7 which distributes this total fuel mass flow (WF) to the pilot burner 3 and to the main burner 4 in a variable manner, both of which are controlled by an engine controller 8 which is used to control the staging valve unit 7 is based on the desired engine power, characterized in that the engine power is characterized by the load on the gas turbine combustion chamber 1 in the form of a so-called step parameter (SP), on the basis of which the step valve unit 7 is controlled according to a switching line that the step gparameter (SP) is derived from a functional relationship, that a downstream summation point is provided for calculating the difference between a current value of the grading point and a value of the nominal grading point, and that the summation point is followed by a time element (TIMER) which is designed such that the switching process is delayed after exceeding or falling below the adjusted staging point if the period of time since the last staging has been carried out is less than a predefined time constant which is stored in a characteristic diagram.

Claims

1. Fuel injection system for a stepped combustion chamber ( 1 ) of an aircraft gas turbine engine, the pilot burner ( 3 ) is / are always supplied with a certain amount of fuel, while the main burner (s) ( 4 ) is metered only at higher engine power, with downstream a control valve unit ( 6 ) which determines the total fuel quantity and which has a total fuel mass flow (WF) on the pilot burner ( 3 ) and on the main burner ( 4 ) which has a variable grading valve unit ( 7 ), both of which are from one drive Factory controller ( 8 ) can be controlled, which is based on the desired engine power for the control of the staging valve unit ( 7 ), characterized in that the engine power due to the load on the gas turbine combustion chamber ( 1 ) in the form of a so-called staging parameter (SP) is characterized, on the basis of which the stage valve unit ( 7 ) is controlled in accordance with a switching straight line It is determined that the grading parameter (SP) is derived from a functional relationship, that a downstream summation point is provided for calculating the difference between a current value of the grading point and a value of the nominal grading point, and that the summation point has a time element (TIMER) subordinate, which is designed such that after the adjusted grading point is exceeded or undershot, the switchover process is delayed if the length of time since the last grading was carried out is less than a predefined time constant, which is stored in a characteristic diagram.

2. Fuel injection system according to claim 1, characterized indicates that the time element (TIMER) can be activated, as soon as the current value of the grading point is 1 accepts.

3. Fuel injection system according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the time element (TIMER) by means of a Map control is controllable.

4. Fuel injection system according to claim 3, characterized in that the map control is designed to deliver a control parameter t _{MIN, gradation} to the time element (TIMER).

5. Fuel injection system according to claim 4, characterized records that the control parameter at fast load is small and set large for slow load travel.

6. Fuel injection system according to one of claims 3 to 5, characterized in that the map control for the time element (TIMER) as the input variable the derivative the high pressure turbine shaft speed over time (dNH / dt) is feedable.

7. Fuel injection system according to one of claims 1 to 6, characterized in that the initial value SPK * des Zeitelement (TIMER) a selection element can be fed.

8. The fuel injection system according to claim 7, characterized in that the selection element is designed such that the current value of the staging point calculation is used at SPK * = 0 and that the value of the last time step (Z ^-1 ) is used at SPK * = 1 becomes.

9. Fuel injection system according to one of claims 1 to 8, characterized in that the grading parameter (SP) is derived from a functional relationship:
{Total fuel mass flow (WF)} divided by {gas pressure at the combustion chamber inlet (P30)} multiplied by {gas temperature at the combustion chamber inlet (T30)},
that is SP = function of [WF / P30.T30] or
{Total fuel mass flow (WF)} divided by {gas pressure at the combustion chamber inlet (P30)} multiplied by {square root of the gas temperature at the combustion chamber inlet (T30)},
that is, SP = function of [WF / P30. (T30) ^1/2 ] or
{Total fuel mass flow (WF)} divided by {gas pressure at the combustion chamber inlet (P30)} multiplied by {square root of the quotient of the gas temperature at the combustion chamber inlet (T30) and the gas temperature at the engine inlet (T20)},
that is SP = function of [WF / P30. (T30 / T20) ^1/2 ] or
{Total fuel mass flow (WF)} divided by {gas pressure at the combustion chamber inlet (P30)} multiplied by {total temperature (T44) downstream of the high pressure turbine or the square root thereof},
that is, SP = function of [WF / P30.T44], or
SP = function of [WF / P30. (T44) ^1/2 ].

10. Fuel injection system according to one of claims 1 to 9, characterized in that with regard to switching on and switching off the main burner ( 4 ) it is provided that when the engine output rises above the stu point, the main burner is switched on and when the engine output drops below the staging point Main burner are switched off, and that at least one correction element (ΔSP) in the form of an offset is added to a basic value of the grading point, which is determined in particular from a map, by means of which one of the following influencing parameters is taken into account:
Absolute value of the gas pressure (P30) and / or the gas temperature (T30) at the combustion chamber inlet
corrected speed of the high pressure compressor (N2RT20) and gas pressure at the engine inlet (P20)
Flight altitude and / or selected environmental conditions
Load change speed
Compressor pumps.

11. Fuel injection system according to one of claims 1 to 10, wherein a so-called split value (S) is determined from the grading parameter (SP) via a map, which describes the fuel distribution to the pilot burner ( 3 ) and the main burner ( 4 ) and on the basis thereof the stage valve unit ( 7 ) is controlled, characterized in that in transient states of the engine the split value (S) is adjusted by a correction factor which, depending on the change in speed over time, in particular the high-pressure shaft of the engine, it averages becomes.

12. Fuel injection system according to one of claims 1 to 11, characterized in that on a border replacement value for the split value is used if the time-differentiated calculated split value a limit Difference value exceeds.

13. Fuel injection system according to one of claims 1 to 12, characterized in that initiated during the staging process, in which the main burner ( 4 ) is switched on or off, initiated by the engine regulator ( 8 ) prevents a change in the bleed air removal rate from the engine becomes.

14. Fuel injection system according to one of claims 1 to 13, characterized by a step anticipation logic, which causes a short-term filling of the main burner when the main burner ( 4 ) appears to be switched on.

15. Fuel injection system according to one of claims 1 to 14, characterized in that during an event gearbox of the engine to the fuel lines Main burners simultaneously with the lines to the pilot be filled without the filling state in the Main burner lines to measure.