DE69024849T2 - Beschleunigungsregelung für ein Gasturbinenflugtriebwerk mit Ausgleich der Druckverluste in den Strömungskanälen - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinentriebwerke zum Antreiben von Flugzeugen und, mehr insbesondere, auf denjenigen Teil des Steuersystems, der dafür ausgelegt ist, den Betrieb des Triebwerks während der Beschleunigung zu steuern, und der weiter eine Einrichtung aufweisen kann, um Variationen in der Fan-Betriebskennlinie zu kompensieren, wenn die Brennstoffzufuhr für die Beschleunigung festgelegt wird.
• In Gasturbinentriebwerken, bei denen Axialströmungsverdichter benutzt werden, kann es bekanntlich zu Strömungsabriß und Pumpen kommen. Zum Strömungsabriß kann es in dem Verdichter kommen, wenn der Anstellwinkel und andere Bedingungen so sind, daß sich die Grenzschicht der Luft an den Verdichterschaufeln ablöst, wodurch eine Druckpulsation hervorgerufen wird. Wenn die Pulsation nicht nachläßt und wenn ihr gestattet wird, sich zu anderen Schaufeln fortzupflanzen, wird der gesamte Verdichter pumpen, was zu einer Triebwerksfehlfunktion führen könnte. Die Industrie hat versucht, das Pumpen zu eliminieren oder Einrichtungen zu schaffen, die sicherstellen, daß es nicht zum Pumpen kommt, wobei in diesem Fall an Ort und Stelle eine Abhilfemaßnahme vorgesehen wird, um den Zustand zu vermeiden.
• Die US-A-4 117 668 beschreibt einen Strömungsabrißdetektor für ein Gasturbinentriebwerk. Der Strömungsabriß wird erkannt, indem die Beschleunigungsablaufsteuerung des Brennstoffreglers des Triebwerks und ein Triebwerksbetriebsparameter, entweder die Verdichterdrehzahl oder der Verdichterdruck, überwacht werden und indem Signale berechnet werden, welche angeben, wann der Brennstoffregler in oder nahe bei dem festgelegten Beschleunigungsverlauf ist und wann (1) die Verdichterdrehzahl mit einer bestimmten Geschwindigkeit abklingt oder (2) der Verdichterauslaß- oder Brennerdruck mit einer bestimmten Geschwindigkeit abklingt oder (3) das Druckverhältnis von Niederdruckverdichterauslaßdruck zu Verdichtereinlaßdruck oder Brennerdruck zu Verdichtereinlaßdruck auf einem vorbestimmten niedrigen Wert ist, wobei dann ein Ausgangssignal abgegeben wird.
• Historisch sind Brennstoffregler dafür ausgelegt, eine Ablaufsteuerung mit offenem Regelkreis vorzunehmen, die einen ausreichenden Pumpabstand hat, um sicherzustellen, daß das Triebwerk beschleunigt werden kann, ohne daß es zum Pumpen kommt. Die anerkannte Philosophie für solche Ablaufsteuerungen besteht darin, ausreichend Abstand zwischen der Triebwerkbetriebskennlinie und der Pumpkennlinie im ungünstigsten Betriebszustand vorzusehen, so daß ungeachtet dessen, welcher Triebwerkszustand vorliegt, Pumpen vermieden wird. Der bei Anwendung dieser Philosophie vorgesehene Abstand ist ein Kompromiß zwischen der Geschwindigkeit der Beschleunigung, die unter den sichersten Betriebsbedingungen erzielt werden könnte, und dem Pumpabstand, der für den ungünstigsten Betriebszustand erforderlich ist. Da zugunsten des Vermeidens des Pumpens immer Beschleunigungszeit geopfert wird, erfolgen die Beschleunigungen nicht so schnell wie gewünscht oder möglich, wenn bei Bedingungen gearbeitet wird, bei denen es sich nicht um die ungünstigste mögliche Kombination handelt. Selbstverständlich ist es ideal, das Triebwerk so schnell wie möglich zu beschleunigen, so daß in diesem "Drehbuch" jede Maßnahme, die das Vermeiden des Pumpens gewährleisten wird, dabei aber eine schnelle Beschleunigung bei allen Betriebsbedingungen gestattet, ein erwünschtes Ziel in dieser Technik ist.
• Da der Pumpabstand, der zur Beschleunigung erforderlich ist, normalerweise durch den härtesten Betrieb diktiert wird, der bei dem Triebwerk vorkommen kann (obgleich sich diese Situation selten, wenn überhaupt, einstellt), ist es ziemlich klar, daß der Triebwerksbetrieb bei den meisten Betriebsbedingungen verbessert werden kann, indem einfach das Drehbuch für den ungünstigsten Betriebsfall ignoriert wird. Das ist offensichtlich eine inakzeptable Lösung für das Problem, da Pumpen bei allen Betriebsbedingungen vermieden werden muß, um die Flugsicherheit zu gewährleisten.
• Bekanntlich arbeiten Brennstoffregler wie die Regler JFC-60 und JFC-68, die von der Hamilton Standard Division of United Technologies Corporation, der Inhaberin der vorliegenden Patentanmeldung, hergestellt werden, mit Ablaufsteuerungen mit offenem Regelkreis und ausreichenden Strömungsabrißspielräumen zur Vermeidung von Strömungsabriß bei allen in Betracht kommenden Betriebszuständen der Triebwerke. Bezüglich Einzelheiten der Beschleunigungssteuerungen wird auf die vorerwähnten Brennstoffreglermodelle verwiesen.
• In solchen Regelsystemen wird mit einem Steuerparameter gearbeitet, der Wf/PB angibt (wobei Wf die Brennstoffzufuhrleistung in Pfund pro Stunde und PB der Brennerdruck in Pfund pro Quadratfuß absolut ist). Dieser Parameter verändert sich als eine Funktion der Verdichterdrehzahl (entweder der Niederdruckverdichterdrehzahl N&sub1; oder der Hochdruckverdichterdrehzahl N&sub2;) bei einem Zweiwellentriebwerk und von anderen Triebwerksparametern, die ausgewählt werden, um die Drehzahl auf einen Grundlinienwert zu korrigieren, und wird mit dem Istbrennerdruck (PB) oder seinem Äquivalent multipliziert, um die richtige Brennstoffzufuhr zu dem Triebwerk zur. Triebwerksbeschleunigung festzulegen.
• Bei anderen Triebwerkssteuerschemata kann &sub1; oder &sub2; (Änderungsgeschwindigkeitssignal) benutzt werden, um dieselbe Funktion wie der Parameter Wf/PB zu erfüllen. Aber, in jedem einzelnen Fall oder durch eine Kombination der beiden wird der Strömungsabrißabstand übermäßig groß und/oder sorgt von Haus aus für langsame Beschleunigungen, wenn nicht unter den Bedingungen des ungünstigsten Betriebsfalles gearbeitet wird. Diese Unzulänglichkeiten dieser Systeme werden sogar noch verstärkt, wenn der Triebwerksbetrieb aufgrund von Leistungsentnahme, Verdichteranzapfung und Triebwerkswirkungsgradverschlechterung von der Norm abweicht.
• Es hat sich herausgestellt, daß man ein Regelschema schaffen kann, das die optimale Beschleunigung (die schnellste) gewährleistet, und zwar ohne Gefahr eines Verdichterströmungsabrisses bei irgendeiner Kombination von Anzapfung, Leistungsentnahme und Triebwerkszustand. Die Erfindung sieht ein System mit geschlossenem Regelkreis vor, das eine Beschleunigungsregelung vornimmt, welche ein simuliertes Verdichterströmungsabrißgrenzsignal erzeugt, das in einen Sollbrennerdruckgrenzwert umgewandelt wird. Dieser Grenzwert wird berechnet, indem ein Solltriebwerksdruckverhältnis als eine Funktion der korrigierten Hochdruckverdichterrotordrehzahl ausgewählt wird und der Regelkreis bei dem Istbrennerdruck geschlossen wird, um die Brennstoffzufuhr zu dein Brenner zu regeln. Der Fehler zwischen dem Istbrennerdrucksignal und dem simulierten Verdichterströmungsabrißgrenzsignal bestimmt die Geschwindigkeit der Brennstoffzufuhr während der Beschleunigung, wobei Verdichteranzapfung, Leistungsentnahme und Verschlechterung des Triebwerkswirkungsgrades richtig berücksichtigt werden.
• Das Solltriebwerksdruckverhältnis kann ein begrenzendes Verhältnis des Brennerdruckes und eines weiteren Triebwerkdruckes sein. Eine solche Regelungsbetriebsart greift auf die Verwendung eines Funktionsgenerators zurück, bei dem ein Verhältnis des Brennerdruckes und eines anderen Triebwerksdruckes benutzt wird, um ein Hochdruckverdichterdruckverhältnis zu simulieren. Es gibt zahlreiche Triebwerksstationen, wo der gemessene Druck gut mit dem Hochdruckverdichtereinlaßdruck korreliert. Diese Stellen beinhalten, ohne aber darauf beschränkt zu sein, Gesamt- und statische Druckmessungen in irgendeinem Punkt längs des Fanmantelstromkanals, Schubverstärkereinlaßdrücke und Drücke an dem Fanauslaß. Wenn Drücke nahe dem hinteren Ende des Fanmantelstromkanals benutzt werden, um den Verdichtereinlaßdruck zu simulieren, haben Kanalverluste in dem Fankanal einen Einfluß auf die Korrelation zwischen dem gemessenen Druck und dem simulierten Verdichtereinlaßdruck. Die Auswirkung der Fankanalverluste auf die Korrelation zwischen dem Verdichterdruckverhältnis und der ausgewählten Regelvariablen ist am größten, wenn das Verhältnis von Brennerdruck und Schubverstärkereinlaßdruck (P&sub6;) benutzt wird, um das Hochdruckverdichterdruckverhältnis zu simulieren. Wenn diese Variable (PB/P&sub6;) als ein Regelparameter benutzt wird, können Veränderungen in dem Kanalverlust aufgrund von Fanbetriebskennlinienvariationen die Korrelation zwischen diesem Parameter und dem Druckverhältnis an dem Hochdruckverdichter verändern. Wenn das Verhältnis des Brennerdruckes und anderer Triebwerksdrücke vorderhalb des Schubverstärkereinlasses als ein Regelparameter benutzt wird, ist die Auswirkung von Variationen in der Fanbetriebskennlinie auf die Kanaldruckverluste und die daraus folgende Auswirkung auf die Korrelation zwischen dem Verdichterdruckverhältnis und dem ausgewählten Regelparameter geringer, beeinflußt aber trotzdem noch die Korrelation. Da die zuvor beschriebene Beschleunigungsregelung dazu dient, das begrenzende Druckverhältnis für den Hochdruckverdichter festzulegen, ist es notwendig sicherzustellen, daß der ausgewählte Regelparameter (z.B. PB/P&sub6;) eine gültige Anzeige des Hochdruckverdichterdruckverhältnisses ist.
• Es hat sich gezeigt, daß eine geeignete Kompensation für Variationen im Kanaldruckverlust, die durch Fanbetriebskennlinienvanationen verursacht werden, vorgenommen werden kann, wenn das Verhältnis des Brennerdruckes und anderer gemessener Triebwerksdrücke benutzt wird, um das Hochdruckverdichterdruckverhältnis zu simulieren. Diese Kompensation kann manifestiert werden, indem eine Logikschaltung benutzt wird, in der eine korrigierte Niederdruckverdichterdrehzahl (N1C2) und ein Triebwerksdruckverhältnis (EPR) als eine Anzeige des Fanarbeitspunktes benutzt wird und das mit einer Grundlinienkorrelation verglichen wird, um Variationen im Betriebs-EPR relativ zu einer nominellen Fanbetriebskennlinie abzuschätzen. (Die EPR-Variation (Δ EPR) wird daher mit Änderungen in dem Kanaldruckverlust korreliert, um Fanbetriebskennlinienvariationen zu kompensieren). Diese Logik gewährleistet, daß der Druckverhältnisgrenzwert, der berechnet wird (z.B. PB/P&sub6;), das Hochdruckverdichterdruckverhältnis genau reflektieren wird.
• Das Ziel der Erfindung ist es, eine verbesserte Beschleunigungsbetriebsart für eine Gasturbinenkraftanlage zu schaffen, die für einen ausreichenden Strömungsabrißabstand unabhängig von Verdichteranzapfung, Leistungsentnahme und Verschlechterung des Triebwerkswirkungsgrades sorgt.
• Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung erreicht durch eine Beschleunigungsregelung für ein Gasturbinentriebwerk, wie sie im Anspruch 1 beansprucht ist. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.
• Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird für eine Flugzeugturbinenkraftanlage eine Beschleunigungsbetriebsart geschaffen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie extrem schnell ist, leicht an existierende Steuerungen angepaßt werden kann und mit Beharrungszustandssteuerungen kompatibel ist, die Fan- oder Triebwerksdruckverhältnis- und Brennerdruckgrenzwerte haben.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Beschleunigungsregelung mit geschlossenem Regelkreis geschaffen, die eine Verdichterströmungsabrißgrenze simuliert, indem sie ein begrenzendes Verhältnis des Brennerdruckes und eines anderen Triebwerksdruckes als eine Funktion der korrigierten Hochdruckverdichterrotordrehzahl erzeugt und den Regelkreis bei dem Istbrennerdruck schließt, indem die Brennstoffzufuhr zu dem Brenner gesteuert wird.
• Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Beschleunigungsregelung geschaffen, die elektronisch realisiert werden kann, entweder durch analoge oder digitale Regler, wobei die heutige bekannte Technologie benutzt wird, einschließlich der Verwendung von existierenden gemessenen Parametern und Steuersystemen.
• Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung folgt eine verbesserte Korrelationsfestlegung für eine Gasturbinenkraftanlage, wobei PB/P&sub6; oder ein ähnlicher Regelparameter als Regelparameter für die Triebwerksbeschleunigung benutzt wird, indem eine Steuerlogik vorgesehen wird, um Variationen in Fankanalverlusten zu kompensieren. Das Verhältnis PB/P&sub6; beinhaltet einen Druck, der den Brennerdruck angibt, und einen Druck, der ihn mit dem Verdichtereinlaßdruck korreliert (in diesem Fall dem Schubverstärkereinlaßdruck P&sub6;).
• Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung erfolgt eine Kompensation für einen Fankanaldruckverlust durch Erzeugen einer Grundlinie, d.h. einer Funktion des korrigierten Niederdruckverdichterrotordrehzahl- und Triebwerksdruckverhältnisses (EPR) und durch Berechnen des Fehlers (Δ EPR) zwischen diesem Wert und dem gemessenen EPR, um eine Korrektur für den Brennerdruck bei einem anderen Triebwerksbetriebsdruckverhältnisgrenzwert, der zur Beschleunigungsregelung benutzt wird, vorzunehmen.
• Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung kann der Strömungsabrißabstand während der Triebwerksbeschleunigung auf eine enge Nähe zu den begrenzenden Strömungsabrißkenndaten des Hochdruckverdichters festgelegt werden, indem der Regelkreis bei einem Brennerdruckgrenzwert geschlossen wird, der eine Funktion der korrigierten Hochdruckverdichterdrehzahl ist. Die Strömungsabrißabstandsfestlegung ist von Verdichteranzapfungen, Leistungsentnahme und Triebwerksverschlechterung unabhängig.
• Die vorstehenden und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen deutlicher werden, in denen:
• Fig. 1 eine schematische Darstellung eines mit zwei Wellen und einem Fan versehenen Axialgasturbinentriebwerks mit Schubverstärker ist, die ein Blockschaltbild einer Beschleunigungsregelungsausführungsform nach der Erfindung beinhaltet;
• Fig. 2 eine schematische Darstellung ähnlich der in Fig. 1 eines mit zwei Wellen und einem Fan versehenen Axialgasturbinentriebwerks mit Schubverstärker ist, die ein Blockschaltbild einer Beschleunigungsregelung beinhaltet; und
• Fig. 3 eine mit Fig. 1 identische schematische Darstellung ist, in welcher die Kompensationslogik Kanalverluste kompensiert.
• Die Erfindung ist in ihrer bevorzugten Ausführungsform zwar zur Verwendung bei einem zwei Wellen und einen Fan aufweisenden Axialgasturbinentriebwerk militärischen Typs vorgesehen, es ist aber klar, daß sie bei anderen Typen von Triebwerken wie einfachen Stahltriebwerken und Triebwerken, welche für nicht-militärische Zwecke benutzt werden, verwendbar ist. Die Erfindung wird hier in elektronischer Realisierung beschrieben, die in ihrer analogen Logikform gezeigt ist. Es ist klar, daß sie für die Verwendung in allen elektronischen Steuerungen und Regelungen digitalen Typs vorgesehen ist, wie z.B. den Steuerungen und Regelungen, wie sie bei der Triebwerksfamilie F-100 benutzt werden, bekannt unter der Abkürzung DEEC (Digital Electronic Engine Control), und bei den Steuerungen, die für die Verwendung bei der Familie F119 von fortgeschrittenen Triebwerken geplant sind, bekannt unter der Bezeichnung FADEC (Full Authority Digital Electronic Control), die durch Bezugnahme hierin aufgenommen werden. Die F100-Familie von Militärtriebwerken wird von Pratt & Whitney Aircraft, einer Tochtergesellschaft von United Technologies Corporation, der Inhaberin der vorliegenden Patentanmeldung, hergestellt, und die F119 wird gegenwärtig für zukünftige militärische Zwecke entwickelt.
• Das zwei Wellen und einen Fan aufweisende Axialstrahltriebwerk, das mit der Bezugszahl 10 bezeichnet ist, ist in Fig. 1 in vereinfachter Form dargestellt, mit einem Niederdruckteil, der einen Fan/Niederdruckverdichterabschnitt 12 hat, welcher durch einen Niederdruckturbinenabschnitt 14 angetrieben wird, und mit einem Hochdruckteil, der einen Hochdruckverdichterabschnitt 16 aufweist, welcher durch den Hochdruckturbinenabschnitt 18 angetrieben wird. Ein ringförmiger Brenner 20 wird mit Brennstoff versorgt, der mit der Druckluft verbrennt, welche in den Brenner eingeleitet wird, um heiße Gase zum Antreiben der Turbinen zu erzeugen. Luft, die von dem Fan 12 abgegeben wird, wird durch einen Strömungsteiler 13 aufgeteilt, so daß ein Teil in das Kerntriebwerk eintritt und ein Teil über einen Mantelstromkanal 15 um dieses herumgeleitet wird, um sich mit dem von dem Kerntriebwerk abgegebenen Gas zu vermischen.
• Vorstehende Darlegungen zeigen, daß die Verbrennungsgase, die aus der Turbine (dem Kerntriebwerk) abgegeben werden, zusammen mit der Fanauslaßluft später über eine Schubdüse abgegeben werden, die auf das Triebwerk Schub ausübt. In vielen militärischen Fällen und ebenso in einigen anderen Fällen wird ein Schubverstärker benutzt, wie er in dieser bevorzugten Ausführungsform angegeben ist. Der Schubverstärker 24 hat die Aufgabe, wie sein Name besagt, dem Triebwerk zusätzlichen Schub zu verleihen, indem Brennstoff in einem sekundären Verbrennungsabschnitt verbrannt wird. In diesem Fall weist der Schubverstärker geeignete Brennstoffdüsen, einen Flammenhalter und die Schubdüse 26 auf. Die Schubdüse 26 ist verstellbar, um sicherzustellen, daß der richtige thermodynamische Zyklus des Triebwerks sowohl bei Betrieb mit Schubverstärker als auch bei Betrieb ohne Schubverstärker aufrechterhalten wird. In Fällen von Flugzeugen ist es üblich, dem Triebwerk Leistung für andere Zwecke als zur Schuberzeugung zu entnehmen und Luft aus dem Verdichter abzuzapfen.
• Der dem Brenner zugeführte Brennstoff wird durch den Brennstoffregler wie üblich geregelt, um sicherzustellen, daß die richtige Brennstoffmenge zugeführt wird, um einen optimalen oder nahezu optimalen Triebwerksbetrieb sowohl für stationäre als auch für transiente Zustände für gegebenene Positionen eines Leistungshebels 27 automatisch aufrechtzuerhalten. Ein geeigneter Brennstoffregler, der durch einen Block dargestellt ist, welcher mit der Bezugszahl 30 bezeichnet ist, kann irgendein im Stand der Technik verfügbarer Regler sein, der elektronisch, mechanisch, hydraulisch, hydromechanisch oder gemäß einer Kombination davon arbeiten kann. Es genügt festzustellen, daß diese bekannten Regler üblicherweise Drehzahlen, Temperaturen und Drücke erfassen, die bei der Erfindung benutzt werden können.
• Die schematische Darstellung in Fig. 1 zeigt am besten, daß die Beschleunigungsregelung nach der Erfindung ein korrigiertes Drehzahlsignal (N&sub2;/ [Θ]) erzeugt. Die Korrektur erfolgt durch Beziehen einer Verdichtereinlaßtemperatur (T2,5) (der Index 2,5 bedeutet eine besondere Stationsbezeichnung in dem Triebwerk, wobei die Bezeichnung bei unterschiedlichen Triebwerksfamilien und -modellen variieren kann) auf den Meereshöhe-Temperaturwert 228,17 ºK (518.7º Rankine) durch einfache Berechnungen. Die Verdichtereinlaßtemperatur, die bei dieser Berechnung benutzt wird, kann ein gemessener Wert oder ein aus anderen gemessenen Werten berechneter Wert sein. Das ergibt ein Signal auf einer Leitung 31, das N&sub2;/ [Θ] angibt und als Eingangssignal an den Funktionsgenerator 32 angelegt wird. Der Funktionsgenerator 32 erzeugt ein Grenzwertsignal, das als der Parameter (PB/PS13,2) bezeichnet wird, wobei der Index 13,2 eine bestimmte Stelle stromabwärts von dem Fan angibt, und in der bevorzugten Ausführungsform gibt dieser Wert den Druck in dem Mantelstromkanal vor dem Einlaß des Schubverstärkers (Leitung 36) an. Selbstverständlich können andere Drücke (P2,5, P16, P6 usw.) gleichermaßen gültig sein und statt dessen benutzt werden, wie es für den einschlägigen Fachmann ohne weiteres klar sein dürfte. Der Wert von PB/PS13,2 dient zum Approximieren des Druckverhältnissses an dem Hochdruckverdichter 16. Tatsächliche Testdaten haben gezeigt, daß es eine ausgezeichnete Korrelation zwischen diesen beiden Verhältniswerten (dem Verhältnis von PB/PS13,2 und dem Druckverhältnis des Hochdruckverdichters) gibt, da der Mantelstromkanaldruck (Leitung 36) direkt mit dem Einlaßdruck des Hochdruckverdichters 16 über den Mantelstromkanal 15 verknüpft ist. Außerdem ist bekannt, daß der Brennerdruck fast immer gleich dem Hochdruckverdichterauslaßdruck ist.
• Vorstehende Darlegungen zeigen, daß durch Verwendung der oben angegebenen Korrelation und gemäß der Darstellung in Fig. 1 das Ausgangssignal des Funktionsgenerators 32 die PB/PS13,2-Grenzwertfestlegung definiert. Da die Hochdruckverdichterabrißgrenze als eine Funktion der korrigierten Rotordrehzahl (N&sub2;/ [Θ]) aufgetragen ist, kann der Strömungsabrißabstand ausgewählt werden, um Variationen von Triebwerk zu Triebwerk bei den Hochdruckverdichterströmungsabrißgrenzwerten und Einlaßverzerrrungen zu berücksichtigen. Außerdem, da der PB/PS13,2-Grenzwert mit dem gemessenen Mantelstromkanaldruck (Leitung 36) verknüpft wird, bildet der Parameter einen PB-Grenzwert für die Triebwerksbeschleunigung. Das PB-Grenzwertsignal auf der Leitung 38 ist das Produkt des Ausgangssignals des Funktionsgenerators 32 auf einer Leitung 40 (Pb/PS13,2) und PS13,2 (Leitung 36), welches der Mantelstromkanaldruck ist. Der PB-Grenzwert ist daher von der Leistungsentnahme, Verdichteranzapfung und Triebwerksverschlechterung unabhängig, und der Strömungsabrißabstand braucht nicht festgelegt zu werden, um diese Bedingungen zu berücksichtigen.
• Der Komparator 42 vergleicht das PB-Grenzwertsignal und den Istwert von PB, um ein Fehlersignal zu erzeugen, welches dazu dient, den Regelkreis bei PB zu schließen, indem die Brennstoffzufuhr über den Brennstoffregler verändert wird.
• Eine Minimumwählschaltung 46 kann benutzt werden, wenn es erwünscht ist, zwischen dem stationären Brennerdruckgrenzwert, der durch den Brennstoffregler 30 manifestiert wird, und dem PB-Grenzwertsignal, welches durch die vorliegende Erfindung manifestiert wird, auszuwählen. Diese Option würde durch den besonderen Fall, in welchem die Erfindung benutzt werden soll, vorgegeben werden.
• Die Logik, die in Fig. 1 gezeigt ist, kann als eine Trimmung (oder ein "Topper") für Regelschemata unter Verwendung einer &sub2;-Beschleunigungsbetriebsart benutzt werden. Wenn sie als ein "Topper" benutzt wird, könnten die sehr wiederholbaren transienten Zeiten, die mit &sub2; möglich sind, ohne Gefahr eines Strömungsabrisses gewährleistet werden, wenn die Triebwerksbedingungen oder die Leistungsentnahme eine nominelle &sub2;-Beschleunigungsgeschwindigkeit nicht gestatten würden. Die Verwendung der PB/PS13,2-Beschleunigungsbetriebsart allein würde jedoch immer die schnellste mögliche transiente Zeit ergeben.
• Ein weiteres Zweiwellen-Fan-Axialstrahltriebwerk, das mit der Bezugszahl 10 bezeichnet ist, ist in einer vereinfachten Form in Fig. 2 gezeigt (in welcher sich gleiche Bezugszahlen auf gleiche Teile in beiden Figuren 1 und 2 beziehen), welches demgemäß einen Niederdruckteil mit einem Fan/Niederdruckverdichterabschnitt 12, angetrieben durch einen Niederdruckturbinenabschnitt 14, und einen Hochdruckteil mit einem Hochdruckverdichterabschnitt 16, angetrieben durch den Hochdruckturbinenabschnitt 18, aufweist. Ein ringförmiger Brenner 20 wird mit Brennstoff versorgt, der mit der Druckluft verbrennt, die in den Brenner eingelassen wird, um heiße Gase zum Antreiben der Turbinen zu erzeugen. Luft, die von dem Fan 12 abgegeben wird, wird durch den Strömungsteiler 13 aufgeteilt, so daß ein Teil in das Kerntriebwerk eintritt und ein Teil über den Mantelstromkanal 15 um dieses herumgeleitet wird, um sich mit dem Kerntriebwerksabgas zu vermischen.
• Aus vorstehenden Darlegungen wird deutlich, daß die Verbrennungsgase, die von der Turbine (dem Kerntriebwerk) abgegeben werden, zusammen mit der Fanauslaßluft schließlich über eine Schubdüse abgegeben werden, die dem Triebwerk Schub verleiht. In vielen militärischen Fällen und ebenso in einigen anderen Fällen wird ein Schubverstärker benutzt, wie er in dieser bevorzugten Ausführungsform dargestellt ist. Der Schubverstärker 24 verleiht, wie sein Name besagt, dem Triebwerk zusätzlich Schub, indem er Brennstoff in einem sekundären Verbrennungsabschnitt verbrennt. In diesem Fall hat der Schubverstärker geeignete Brennstoffdüsen, einen Flammenhalter und die Schubdüse 26. Die Schubdüse 26 ist verstellbar, um sicherzustellen, daß der richtige thermodynamische Triebwerkszyklus sowohl bei Betrieb mit Schubverstärker als auch bei Betrieb ohne Schubverstärker aufrechterhalten wird. Im Falle von Flugzeugen ist es üblich, dem Triebwerk Leistung für andere Zwecke als zur Schuberzeugung zu entnehmen und Luft aus dem Verdichter abzuzapfen.
• Wie üblich wird der Brennstoff, der dem Brenner zugeführt wird, durch den Brennstoffregler geregelt, um sicherzustellen, daß die richtige Brennstoffmenge zugeführt wird, um einen optimalen oder nahezu optimalen Triebwerksbetrieb sowohl für stationäre als auch für transiente Bedingungen bei gegebenen Positionen des Leistungshebels 27 automatisch aufrechtzuerhalten. Ein geeigneter Brennstoffregler, der als Block dargestellt ist, welcher mit der Bezugszahl 30 bezeichnet ist, kann daher irgendein verfügbarer bekannter Regler sein, der elektronisch, mechanisch, hydraulisch, hydromechanisch oder gemäß Kombinationen davon arbeitet. Es genügt hier anzugeben, daß diese bekannten Regler üblicherweise Drehzahlen, Temperaturen und Drücke erfassen, die bei der Erfindung benutzt werden können.
• In Fig. 2 ist schematisch am besten gezeigt, daß der Beschleunigungsregler nach der Erfindung ein korrigiertes Drehzahlsignal (N&sub2;/ [Θ]) erzeugt. Die Korrektur erfolgt durch Beziehen der Verdichtereinlaßtemperatur (T2,5) (der Index 2,5 bezieht sich auf eine besondere Stationsbezeichnung in dem Triebwerk, wobei die Bezeichnung bei unterschiedlichen Triebwerksfamilien und - modellen variieren kann) auf deni Meereshöhe-Temperaturwert 228,17 ºK (518.7º Rankine) durch einfache Berechnungen. Die Verdichtereinlaßtemperatur, die bei dieser Berechnung benutzt wird, kann ein gemessener Wert sein oder ein aus anderen gemessenen Werten berechneter Wert. Das ergibt ein Signal auf der Leitung 31, das N&sub2;/ [Θ] angibt und als Eingangssignal an den Funktionsgenerator 32 angelegt wird. Der Funktionsgenerator 32 erzeugt ein Grenzwertsignal, das als der Parameter (PB/P&sub6;) bezeichnet wird, wobei der Index 6 irgendeine Station stromabwärts des Fan angibt, und in der Ausführungsform, die den meisten Vorteil aus einer Kompensation von Fanbetriebskennlinienvariationen zieht, gibt dieser Wert den Druck an dem Einlaß des Schubverstärkers (Leitung 36) an. Selbstverständlich können andere Drücke gleichermaßen gültig sein und statt dessen benutzt werden, wie es für den einschlägigen Fachmann ohne weiteres klar sein dürfte. Der Wert von PB/P&sub6; dient zum Approximieren des Druckverhältnisses an dem Hochdruckverdichter 16. Tatsächliche Testdaten haben gezeigt, daß es eine ausgezeichnete Korrelation zwischen diesen beiden Verhältniswerten (dem PB/P&sub6;- Verhältnis und dem Druckverhältnis des Hochdruckverdichters) gibt, da der Schubverstärkereinlaßdruck (Leitung 36) direkt mit dem Einlaßdruck des Hochdruckverdichters 16 über dem Mantelstromkanal 15 verknüpft ist. Außerdem ist bekannt, daß der Brennerdruck fast gleich dem Hochdruckverdichterauslaßdruck ist.
• Aus vorstehenden Darlegungen wird deutlich, daß durch Verwendung dieser oben angegebenen Korrelation und gemäß der Darstellung in Fig. 2 das Ausgangssignal des Funktionsgenerators 32 die PB/P&sub6;-Grenzwertfestlegung definiert. Da der Hochdruckverdichterströmungsabrißgrenzwert als eine Funktion der korrigierten Rotordrehzahl (N&sub2;/ [Θ]) aufgetragen ist, kann der Strömungsabrißabstand ausgewählt werden, um Variationen von Triebwerk zu Triebwerk bei den Hochdruckverdichterströmungsabrißgrenzwerten und Einlaßverzerrungen zu berücksichtigen. Da der PB/P&sub6;-Grenzwert mit dem gemessenen Schubverstärkereinlaßdruck (Leitung 36) verknüpft wird, legt der Parameter eine PB-Grenze für die Triebwerksbeschleunigung fest. Das PB-Grenzwertsignal auf der Leitung 38 ist das Produkt des Ausgangssignals des Funktionsgenerators 32 auf der Leitung 40 (PB/P&sub6;) und (Leitung 36), bei welchem es sich um den Schubverstärkereinlaßdruck handelt. Der PB-Grenzwert ist von der Leistungsentnahme, Verdichteranzapfung und Triebwerksverschlechterung unabhängig, und daher braucht der Strömungsabrißabstand nicht festgelegt zu werden, um diese Bedingungen zu berücksichtigen.
• Der Komparator 42 vergleicht das PB-Grenzwertsignal und den Istwert von PB, um ein Fehlersignal zu erzeugen, das dazu dient, den Regelkreis bei PB zu schließen, indem die Brennstoffzufuhr über den Brennstoffregler verändert wird.
• Eine Minimumwählschaltung 46 kann benutzt werden, wenn es erwünscht ist, zwischen dem stationären Brennerdruckgrenzwert, der durch den Brennstoffregler 30 manifestiert wird, und dem PB-Grenzwertsignal, das durch die vorliegende Erfindung manifestiert wird, auszuwählen. Diese Option würde in dem besonderen Fall, in welchem die Erfindung benutzt wird, vorgegeben werden.
• Da das begrenzende Hochdruckverdichterdruckverhältnis unter Verwendung der PB/P&sub6;-Korrelation berechnet wird, die eine Funktion des Kanaldruckverlustes ist, werden Variationen in der Fanbetriebskennlinie diese Korrelation verändern. In Fällen, in denen dieser Effekt diese Korrelation nachteilig beeinflußt, kann die Kompensationslogik nach der Erfindung benutzt werden, um eine PB-Grenzwertfestiegung vorzunehmen, die die Pumpeigenschaften des Hochdruckverdichters genau reflektieren wird.
• Das ist am besten unter Bezugnahme auf Fig. 3 zu erkennen, die schematisch die Kompensationslogik zeigt, welche in der Schaltungsanordnung realisiert werden kann, welche in Fig. 2 gezeigt ist. Die gleichen Bezugszahlen beziehen sich auf gleiche Teile sowohl in Fig. 2 als auch in Fig. 3.
• In Fig. 3 ist zu erkennen, daß die Kompensationslogik die korrigierte Niederdruckverdichterdrehzahl (N&sub1;C&sub2;) und EPR-Kennwerte für eine nominelle Betriebskennlinie als eine Grundlinie benutzt und die Variation im Betriebs-EPR relativ zu dieser nominellen Betriebskennlinie abschätzt. Das ΔEPR ist mit der Änderung im Kanaldruckverlust korreliert, die es erzeugt, um eine Fanbetriebskennlinienvariation zu kompensieren, wenn der begrenzende PB/P&sub6;-Druckverhältnisparameter berechnet wird. Das Eingangssignal des Funktionsgenerators 60 ist ein korrigierter Drehzahlwert (N&sub1;C&sub2;), der durch Beziehen der Triebwerkseinlaßtemperatur (T&sub2;) auf die Standard-Meereshöhe- Temperatur in Grad Rankine und durch Berechnen seines Quadratwurzelwertes berechnet wird. Dieser Wert wiederum wird mit der gemessenen Drehzahl des Niederdruckverdichters 12 dividiert.
• Der Funktionsgenerator 60 dient zum Erzeugen eines Ausgangssignals auf einer Leitung 62, das das EPR für eine nominelle Betriebskennlinie angibt. Ein Komparator 64 vergleicht das Ist- EPR, welches das Verhältnis von P&sub6; zu P&sub2; ist, mit dem Ausgangssignal der Leitung 62, um ein Fehlersignal zu erzeugen. Das Fehlersignal auf der Leitung 66 ist ΔEPR und ist das Eingangssignal des Funktionsgenerators 68, der ein Ausgangssignal auf einer Leitung 70 erzeugt, welches die Änderung in PB/P&sub6; angibt, die benötigt wird, um eine Kompensation für einen Betrieb bei Fanbetriebskennlinien vorzunehmen, die von dem nominellen (ΔPb/P&sub6;) abweichen. Dieser ΔPB/P&sub6;-Wert wird dann durch einen Summierer 72 zu dem PB/P&sub6;-Grenzwertsignal addiert, das auf der Leitung 40 in Fig. 1 erscheint. Diese Kompensationslogik gestattet, eine einzelne Korrelation von Hochdruckverdichterdruckverhältnis und PB/P&sub6; über einem breiten Bereich von Fanbetriebskennlinien zu benutzen.
• Die Logik, die in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist, kann als eine Trimmung (oder ein "Topper") für Regelschemata benutzt werden, bei denen eine &sub2;-Beschleunigungsbetriebsart benutzt wird. Wenn sie als ein "Topper" benutzt wird, könnten die sehr wiederholbaren transienten Zeiten, die mit &sub2; möglich sind, ohne Gefahr eines Strömungsabrisses gewährleistet werden, wenn die Triebwerksbedingungen oder die Leistungsentnahme nicht die nominelle &sub2;-Beschleunigungsgeschwindigkeit erlauben würden. Die Verwendung der PB/P&sub6;-Beschleunigungsbetriebsart allein würde immer die schnellste mögliche transiente Zeit ergeben.
• Die Erfindung ist zwar mit Bezug auf detaillierte Ausführungsformen derselben gezeigt und beschrieben worden, dem einschlägigen Fachmann ist jedoch klar, daß verschiedene Änderungen hinsichtlich Form und Detail derselben möglich sind, ohne den Schutzbereich der beanspruchten Erfindung, wie er in den Ansprüchen definiert ist, zu verlassen.

Claims (10)

1. Beschleunigungsregler für ein Gasturbinentriebwerk (10) zum Regeln der Beschleunigungsbetriebsart des Triebwerks (10), wobei das Triebwerk einen Verdichter (16) hat, bei dem Strömungsabriß auftreten kann&sub1; einen Brenner (20) zum Erzeugen von Triebwerksarbeitsfluidmedium, eine Turbine (18), die durch das Triebwerksarbeitsfluidmedium angetrieben wird, zum Antreiben des Verdichters (16), eine Brennstoffregeleinrichtung (30), die auf Triebwerksbetriebsparameter (27, N&sub2;, T2,5, PB) anspricht, zum Regeln der Brennstoffzufuhr zu dem Brenner (20), wobei der Beschleunigungsregler gekennzeichnet ist durch Einrichtungen (31, 32, 36, 38, 42) zum Festlegen eines Strömungsabrißabstands für den Verdichter (16), mit einer Einrichtung (N&sub2;, 32), die auf die Verdichterrotordrehzahl (N&sub2;) anspricht, um ein erstes Signal (40) festzulegen, das einen Verdichterströmungsabrißgrenzwert simuliert, der das Verhältnis des Druckes des Brenners (30) und des Druckes in einer weiteren Station (P&sub6;; P13,2) in dem Triebwerk (10) angibt, wobei das erste Signal (40) mit dem Istdruck der weiteren Station (P&sub6;) multipliziert wird, einer Einrichtung (PB), die auf den Istbrennerdruck anspricht, um ein zweites Signal zu erzeugen, und einer Einrichtung (42), die auf das erste Signal und auf das zweite Signal anspricht, um die Brennstoffregeleinrichtung (30) einzustellen und die Brennstoffzufuhr zu dein Brenner (10) zu begrenzen, wobei der Strömungsabrißabstand unabhängig von einer Verdichteranzapfung, einer Leistungsentnahme aus dem Triebwerk und einer Verschlechterung des Triebwerkswirkungsgrads ist.

2. Beschleunigungsregler nach Anspruch 1, wobei das Triebwerk (10) einen Fan (12), einen Mantelstromkanal (15) zum Leiten von Fanauslaßluft und einen Schubverstärker (24) hat, wobei sich die andere Station in dem Mantelstromkanal befindet.

3. Beschleunigungsregler nach Anspruch 2, mit einer Einrichtung (36), die auf den Istdruck in dem Mantelstromkanal (15) anspricht, um ein drittes Signal zu erzeugen, und einer Multipliziereinrichtung (38) zum Multiplizieren des ersten Signals und des dritten Signals, um ein viertes Signal zu erzeugen, das einen begrenzenden Wert des Druckes in dem Brenner anzeigt, und einer Einrichtung, die auf den Fehler zwischen dem vierten Signal und dem Istbrennerdruck anspricht, um die Brennstoffregeleinrichtung (30) weiter zu steuern.

4. Beschleunigungsregler nach Anspruch 3, wobei das erste Signal auf der Verdichterdrehzahl (N&sub2;), korrigiert auf einen Grundlinienwert, beruht, der eine Temperatur an dem Einlaß des Verdichters (16) von 288,17ºK (518.7 Grad Rankine) angibt.

5. Beschleunigungsregler nach Anspruch 4, wobei die Brennstoffregeleinrichtung (30) ein stationäres Signal festlegt, welches den Wert des Druckes in dem Brenner (20) begrenzt, und mit einer Minimumwähleinrichtung (46) zum Auswählen des Minimalwertes zwischen dem stationären Signal und dem vierten Signal, um die auf den Fehler ansprechende Einrichtung (42) zu steuern.

6. Beschleunigungsregler nach Anspruch 1, wobei das Triebwerk (10) einen Fan (12) aufweist, einen Mantelstromkanal (15) zum Leiten von Fanauslaßluft und einen Schubverstärker (24), wobei sich die andere Station in dem Einlaß des Schubverstärkers befindet.

7. Beschleunigungsregler nach Anspruch 6, mit einer Einrichtung (36), die auf den Istdruck in dem Einlaß des Schubverstärkers (24) anspricht, um ein viertes Signal zu erzeugen, und mit einer Multipliziereinrichtung (38) zum Multiplizieren des ersten Signals und des vierten Signals, um ein fünftes Signal zu erzeugen, welches einen begrenzenden Wert des Druckes in dem Brenner (20) angibt, und einer Einrichtung, die auf den Fehler zwischen dem fünften Signal und dem Istbrennerdruck anspricht, zum weiteren Steuern der Brennstoffregeleinrichtung (30).

8. Beschleunigungsregler nach Anspruch 7, wobei das erste Signal auf der Verdichterdrehzahl beruht, korrigiert auf einen Grundlinienwert, der eine Temperatur an dem Einlaß des Triebwerks von 288,17 ºK (518.7 Grad Rankine) angibt.

9. Beschleunigungsregler nach Anspruch 8, wobei die Brennstoffregeleinrichtung (30) ein stationäres Signal festlegt, welches den Wert des Druckes in dem Brenner (20) begrenzt, und wobei eine Minimumwähleinrichtung (46) vorgesehen ist zum Auswählen des Minimalwertes zwischen dem stationären Signal und dem fünften Signal zum Steuern der auf den Fehler ansprechenden Einrichtung.

10. Beschleunigungsregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in Kombination mit Einrichtungen (60, 64, 68, 72) zur Kompensation von Mantelstromkanaldruckverlusten, die einen Funktionsgenerator (60) zum Erzeugen eines Triebwerksdruckverhältnissignals als eine Funktion der korrigierten Niederdruckverdichterrotordrehzahl und eine Einrichtung (64) zum Berechnen der Differenz zwischen dem erzeugten Triebwerksdruckverhältnis und dem Isttriebwerksdruckverhältnis, die das erste Signal modifiziert (72), umfassen.