DE2532817C2

DE2532817C2 - Elektronische Brennstoffsteuereinrichtung für ein Gasturbinentriebwerk

Info

Publication number: DE2532817C2
Application number: DE2532817A
Authority: DE
Inventors: Shirley Solihull West Midlands Chiswick Green; Graham John Marston Green Birmingham Hindmarsh; Arthur Frank Saunders
Original assignee: Lucas Industries Ltd
Current assignee: ZF International UK Ltd
Priority date: 1974-07-24
Filing date: 1975-07-23
Publication date: 1983-12-15
Also published as: GB1520882A; JPS6018818B2; US4040250A; FR2279934A1; FR2279934B1; DE2532817A1; IT1041014B; JPS5149314A

Description

a) einen mit dem der Änderungsgeschwindigkeit des Fehiersignals für die Brennstoffmenge entsprechenden Signal u.id einem von Betriebs-Parametern des Gasturbinentriebwerks (10) abhängigen, mittels eines Funktionsgenerators (9) erzeugten Bezugssignal gespeisten ersten Spannungskomparator (25),

b) einen mit dem auch dem Begrenzer (20) zugeführten Fehlersignal beaufschlagten zweiten Spannungskomparator (29), der ein Ausgangssignal erzeugt, wenn das Fehlersignal einen vorgegebenen Wert überschreitet, und

c) ein UND-Gatter (28), dem die Ausgangssignale der beiden Spannungskomparatoren (25, 29) sowie einer ersten monostabilen Schaltung (27) zugeführt werden, welchletztere das UND-Gatter (28) für eine vorgegebene Zeit sperrt, nachdem der zweite Spannungskomparator (29/ begonnen hat, ein Ausgangssignal zu erzeugen,

aufweist.

3. Brennstoffsteuereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektureinrichtung eine zweite monostabile Schaltung (30) aufweist, die auf das Ausgangssignal des UND-Gatters (28) anspricht, um das Soll-Signal für die Turbinendrehzahl für eine vorbestirnmte Zeit auf einen negativen Wert zu reduzieren, so daß das βο· Ausgangssignal des Integrators (21) und damit das Ausgangssignal des zweiten Differenzverstärkers (22) ebenfalls reduziert werden.

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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Brennstoffsteuereinrichtung für ein Gasturbinentriebwerk, bei der ein Soll-Signal und ein Ist-Signal der Turbinendrehzahl einem ersten Differenzverstärker zugeführt -werden zur Bildung eines Fehlersignals, weiches nach Passieren eines auf Betriebsparameter des Gasturbinentriebwerks ansprechenden Begrenzers einem Integrator zugeführt wird, dessen Ausgangssignal zusammen mit dem Ist-Signal der Turbinendrehzahl einem zweiten Differenzverstärker zugeleitet wird, der ein Fehlersignal für die Brennstoffmenge erzeugt, welches der Ansteuerung einer Brennstoffzumeßeinrichtung dient

Brennstoffsteuereinrichtungen dieser Art sind bekannt (DE-OS 24 20 572).

Bei solchen Brennstoffsteuereinrichtungen sorgt der Begrenzer dafür, daß in der Beschleunigungsphase die Turbinendrehzahl und die Brennstoffzufuhr einander entsprechen. Die Gefahr, daß trotz des Begrenzers die Turbine den stabilen Arbeitsbereich verläßt, besteht jedoch dann, wenn die Turbine in der Beschleunigungsphase stark belastet wird. Das Signa! für die Brennstoffmenge steigt dann schneller an als die Turbinendrehzahl. Eine Rückkehr in den stabilen Betriebsbereich ist in den meisten Fällen nicht mehr möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Brennstoffsteuer-oinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 so zu verbessern, daß beim Oberschreiten der Pumpgrenze des Verdichters des Gasturbinentriebwerks eine Rückführung in den stabilen Betriebsbereich des Gasturbinentriebwerks erreicht wird.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 erreicht

In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen der Erfindung gekennzeichnet Die mit der Erfindung erzielte fortschrittliche Wirkung wird im Zusammenhang mit der Beschreibung des Ausführungsbeispiels im Einzelnen erläutert.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel schematisch darstellenden Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild und

F i g. 2 eine Übersicht über Kurven an verschiedenen Stellen des Blockschaltbildes.

Die Zeichnung zeigt die Hauptbestandteile der Brennstoffsteuereinrichtung für eine Gasturbine 10 mit einer einen Verdichter und eine Turbine tragenden Hauptwelle 11 und einer freien Turbine 12 zur Abnahme der Leistung. Der Pilot hat für die Geschwindigkeitssteuerung der Hauptwelle 11 und damit auch der freien Turbine 12 zwei Steuerglieder 13, 14. Jedes erzeugt ein elektrisches Signal, das der gewünschten Geschwindigkeit des entsprechenden Teils entspricht. Wandler 6,7 in der Turbine erfassen die wirkliche Geschwindigkeit und liefern Signale, die der wirklichen Geschwindigkeit entsprechen. Das Ausgangssignal des Steuergliedes 13 wird über einen Differenzverstärker 15 geleitet, auf den später noch Bezug genommen wird. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 15 wird an eine Programmschaltung 16 geliefert, deren Ausgangssignal konstant und positiv für alle Eingangswerte ist, die unter einem vorbestimmten Wert liegen und das mit dem Eingangssignal linear ansteigt für Eingangswerte, die oberhalb des vorbestimmten Wertes liegen. Dadurch soll sichergestellt werden, daß, wenn einmal die Turbine gestartet ist, die Brennstoffzufuhr zur Turbine nicht unter einen Wert fällt, der zur Aufrechterhaltung der

Verbrennung notwendig ist. Die Einrichtung weist weitere Bauteile auf, die während der Startphase betätigt werden, da diese aber für die vorliegende Erfindung nicht relevant sind, kann auf eine Beschreibung hier verzichtet werden.

Das Ausgangssignal der Programmschaltung 16 wird einem Differenzverstärker 17 zugeführt, dem außerdem das wirkliche Drehzahlsignai der Hauptwelle 11 zugeführt wird. Der Verstärker 17 erzeuge ein Fehlersignal für die Drehzahl der Hauptwelle 11. Dieses to Signal ist positiv, wenn die wirkliche Geschwindigkeit geringer als die gewünschte Geschwindigkeit ist. Ein weiterer Differenzverstärker 18 vergleicht die Signale des Steuergliedes 14 und des Wandlers 7 der freien Turbine. In Abhängigkeit von diesen beiden Signalen erzeugt er ein Fehlersignal für die Drehzahl der freien Turbine 12, das positiv ist, wenn die Drehzahl der freien Turbine kleiner als die gewünschte Drehzahl ist

Die Ausgangsklemmen der beiden Differenzverstärker 17 und 18 sind mit dem Eingang einer Torschaltung iS verbunden, der weitere Fehler- oder Bcgrenzungssignale, die für das Wesen der vorliegenden Eiiindung nicht relevant sind, zugeführt werden. Die Torschaltung

19 ist derart ausgelegt, daß sie das jeweils niedrigste Signal am Eingang zum Ausgang durchläßt. Der Ausgang der Torschaltung 19 ist mit einem Begrenzer

20 verbunden, der dem Fehlersignal eine variable Grenze vorgibt. Wenn das Fehlersignal kleiner ist als diese Grenze, passiert es unverändert den Begrenzer 20. Der Grenzwert des Begrenzers 20 wird verändert durch ein Signal, das über die Klemme 20a dem Begrenzer 20 zugeführt wird.

Die Ausgangsklemme des Begrenzers 20 ist mit der Eingangsklemme eines Integrators 21 verbunden. Der Ausgang des Integrators 21 ist mit einem Eingang eines r> Differenzverstärkers 22 verbunden, dessen anderer Eingang mit dem Wandler 6 der Hauptwelle 11 verbunden ist Das Ausgangssignal des Integrators 21 repräsentiert die augenblickliche Drehzahl, so daß das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 22 ein Fehlersignal für die Drehzahl ist. Dieses Fehlersignal wird einem Brennstoffmengenzuteiler 23 zugeführt, der in Abhängigkeit von dem Fehlersignal die der Turbine zugeführte Brennstoffmenge einstellt.

Der Begrenzer 20 wird durch einen Funktionsgenerator 9 gesteuert, der Eingangssignale vor; dem Differenzverstärker 22, von dem Wandler 6 für die Drehzahl der Hauptwelle 11 und einem Wandler 8 für den Umgebungsdruck erhält.

Mit der soweit beschriebenen Vorrichtung ist bei vi nicht ändernden Betriebsbedingungen das Fehlersignal von einem der beiden Differenzverstärker 17, 18 Null, während das Fehlersignal von dem anderen positiv ist. Das Eingangssignal des Integrators 21 ist Null und sein Ausgangssignal ist konstant, so daß bei einer bestimmten Drehzahl der Hauptwelle 11 der Turbine der Differenzverstärker 22 an den Brennstoffmengenzuteiler ein Steuersignal liefert, um ausreichend. Brennstoff an die Turbine zur Beibehaltung der Drehzahl zu liefern. Der eine der beiden Differenzverstärker 17, 18, dessen Ausgangssignai bei sich nicht ändernden Betriebsbedingungen Null ist, wird zu dieser Zeit von der Drehzahl aktiv gesteuert. Wenn das gerade der Differenzverstärker 18 ist, bewirken irgendwelche Änderungen in der gemessenen Drehzahl der freilaufenden Turbine, die z. B. durch Änderung der Belastung hervorgerufen werden können, eine Änderung in dem steuernden Drehzahlsignal, das wiederum das Steuersignal für den

Brennstoffmengenzuteiler 23 ändert, um die Drehzahl der Hauptwelle 11 zu verändern und damit die Drehzahl der freilaufenden Turbine 12 zu korrigieren. Unter diesen Bedingungen ist die Drehzahl der Hauptantriebswelle 11 begrenzt durch die Einstellung des Steuergliedes 13, so daß, sobald die am Steuerglied 13 eingestellte Drehzahl der Hauptwelle 11 der Turbine erreicht ist, das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 17 Null wird und dieser Differenzverstärker 17 die Kontrolle -übernimmt

Während der Beschleunigung, d. h. nach Verstellung des Steuergliedes 13 oder 14, je nachdem, welches zu der Zeit gerade steuerte, auf eine höhere Drehzahl, bestimmt der Begrenzer 20 das maximale Eingangssignal an den Integrator 21. Auf diese Weise wird die Anstiegkurve des Integrators 21 beeinflußt Normalerweise ist der Anstieg so gewählt, daß tichergestellt ist, daß die Änderungsgeschwindigkeit der Drehzahl der Hauptwelle 11 Schritt halten kann mit dem Anstieg des Ausgangssignals des Integrators.

Die beschriebene Einrichtung berüc!cs'cht!gi noch nicht die Situation, die entsteht, wenn während der Beschleunigung die Turbine außer Kontrolle gerät und die Hauptantriebswelle beginnt langsamer zu laufen, während der Ausgang des Integrators noch zunimmt Wie beschrieben, würde die unmittelbare Folge einer solchen Situation sein, daß die Brennstoffzufuhr zu der Turbine vergrößert wird, wodurch der Zustand des Außerkontrollegeratens weiter verschlechtert würde.

Die erfindungsgemäße Einrichtung hat zur Berücksichtigung dieses Betriebszustandes einen Detektor, der eine Differenzierschaltung 24 aufweist, die von dem Differenzverstärker 22 ein Eingangssignal empfängt und ein Ausgangssignal erzeugt, das proportional zu dem Zeitdifferential des Ausgangssignals des Differenzverstärkers 22 ist Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 24 wird einem Spannungskomparator 25 zugeführt, dem außerdem ein Referenzsignal von einem Funktionsgenerator 9 zugeführt wird, so daß der Komparator 25 ein positiv verlaufendes Ausgangssignal liefert, wenn das Ausgangssignal der Differenzierschaltung 24 das des Funktionsgenerators 9 übersteigt. Der Funktionsgenerator 9 erzeugt ein Ausgangssignal, das empirisch auf die Turbine abgestimmt ist, wobei sowohl die Grenze der Beschleunigung als auch die Feststellung des Außerkontrollegeratens zu berücksichtigen sind.

Das Ausgangssignal des Komparators 25 wird dem Eingang einer Torschaltung 28 zugeführt, der außerdem das Ausgangssignal einer ersten mono-stabilen Schaltung 27 und das Ausgangssignal eines weiteren Spannungskomparators 29 zugeführt werden. Dem Spannungskomparator 29 wird an einem Eingang das Ausganpssignal der Torschaltung 19 und am anderen Eingang eine Bezugsspannung zugeführt. Der monostabile Schaltkreis 27 ist mit seinem Eingang am Ausgang des Komparators 29 angeschlossen. Das Ausgangssignal der mono-stabilen Schaltung 27. das normalerweise positiv ist, wird klein, z. B. für 1,2 Sekunden, sobald das Ausjangssignal des Komparators 29 groß wird. De^r Komparator 29 dient zur Blockierung der UND-Torschaltung 28, wenn ein Fehlersignal klein ist, so daß der Detektor bei normaler, sich nicht ändernder Drehzahl infolge Lastschwankungen der freilaufenden Turbine 12 nicht getriggert wird. Der mono-stabile Schaltkr.-is 27 stellt sicher, daß die UND-Torschaltung 28 während kurzzeitiger Spitzen im Ausgangssignal der Differenzierschaltung 24 am Anfang der Beschleunigung blockiert ist. was im Zusam-

menhang mit Fig. 2 noch im ein/einen erklärt werden wird.

Die Ausgungsklemme der UND-Torschaltiing 28 ist über eine Verzögerungsschaltung 31 für 20 Millisekunden mit dem Eingang einer /weiten mono-stabilen ·, Schaltung 30 verbunden, die ein positiv verlaufendes Signal H einer bestimmten Dauer (z. B. 0,6 Sekunden) erzeugt, wenn die UND-Torschaltung 28 ein Ausgangssignal von nicht langer als 20 Millisekunden erzeugt. Der Ausgang der mono-stabilen Schaltung 30 ist mit κι dem Eingang des Differenzverstärkers 15 verbunden, so daß. wenn das genannte Signal erzeugt wird, das Ausgangssignal A des Differenzverstärkers 15 negativ wird und das Ausgangssignal der programmierten Schaltung 16 sofort auf seinen minimalen Wert fällt. r> Daher wird das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 17 negativ und kann deshalb über die Torschaltung 19 gelangen und bewirken, daß der Integrator 21 für die Dauer des Signals H nach unten abfallt. Am Ende des Signals H nimmt die Einrichtung wieder die normale >» Steuerung auf und die Turbine kann wieder normal beschleunigt werden auf die Geschwindigkeit, die von einem der beiden Steuerglieder 13,14 vorgegeben ist.

In Fig. 2 ist das typische Verhalten beim Außerkontrollegeraten während der Beschleunigung dargestellt. :\ Zur Zeit Γι wird das Stellglied 13 verstellt, um eine stufenförmige Änderung der Drehzahl der Hauptwelle 11 zu fordern. Die Kurve A repräsentiert das entsprechende Ausgangssignal am Differenzverstärker 15. das plötzlich beträchtlich ansteigt. Ein entsprechen- jo der Anstieg des Signals B ergibt sich am Ausgang der Torschaltung 19. Wegen verschiedener Verzögerungen in der Rückkopplungsschleife der Brennstoffversorgung entsteht eine Verzögerung, bevor das Signal C des Wandlers 6 der Hauptwelle 11 der Turbine beginnt anzusteigen, aber das Ausgangssignal des Integrators 21 hat begonnen, sofort anzusteigen. Infolgedessen erscheint eine kleine Spitze in dem Fehlersignal D für die Drehzahl des Differenzverstärkers 22 zwischen T\ und T>. die den Komparator 25 veranlaßt, /u arbeiten, so daß sein Ausgangssignal ansteigt. Ein ausreichend positiv verlaufendes Fehlersignal bei B läßt das Ausgangssignal ZTdes Komparator 29 groß werden, so daß das Signal F am Ausgang der mono-stabilen Schaltung 27 beginnend bei T\ für 1,2 Sekunden klein wird. Die UN D-Torschaltung 28 ist daher blockiert und kein Anzeigesignal für ein Außerkontrollegeraten der Turbine wird zurück an den Differenzverstärker 15 geliefert.

Normalerweise wird nun weiter bis zur Zeit T\ beschleunigt (mehr als 1,2 Sekunden nach Ti), wenn der Zustand des Außerkontrollegeratens beginnt. Dies vwird von dem Komparator 25 festgestellt. Da der Komparator 29 noch ein großes Ausgangssignal £ liefert und die mono-stabile Schaltung 30 zurückgestellt ist, erzeugt die Torschaltung 28 ein große' Ausgangssignal, das nach einer von der Verzögerungsschaltung 31 vorgegebenen Verzögerung von 20 Millisekunden das Ausgangssignal Aider mono-siabiien Schaltung 30 groß werueri laut, so daß das Ausgangssignal des Generators für 0,6 Sekunden abfällt.

Wenn die Beschleunigung wieder beginnt, entsteht eine kleine Spitze im Fehlersignal D der Drehzahl zwischen T-, und 7"„. doch da das Ausgangssignal B negativ wird während des 0.6 Sekunden dauernden Abfalls des Ausgangssignals des Integrators 21,wird das Ausgangssignal E klein und die mono-stabile Schaltung 27 wird wieder bei T-, getriggert, um das Anzeigesignal für das Außerkontrollegeraten zu unterdrücken, wie bei T\.

Der letzte Zehpunkt 7? in F i g. 2 ist der Zeitpunkt, an dem die Turbine eine Drehzahl erreicht, die innerhalb eines halben Prozentes der gewählten Drehzahl liegt, so daß das Ausgangssignal E des Komparators 29 klein wird. Danach sind die normalen Steuerungszustände wiederhergestellt und alle Übergänge, die genügen, um den Komparator 25 zu betätigen, werden unterdrückt, sogar wenn sie 20 Millisekunden überschreiten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronische Brennstoffsteuereinrichtung für ein Gasturbinentriebwerk, bei der ein Soll-Signal und ein Ist-Signal der Turbinendrehzahl einem ersten Differenzverstärker zugeführt werden zur Bildung eines Fehlersignals, welches nach Passieren eines auf Betriebsparameter des Gasturbinentriebwerks ansprechenden Begrenzers einem Integrator zugeführt wird, dessen Ausgangssignal zusammen mit dem Ist-Signal der Turbinendrehzahl einem zweiten Differenzverstärker zugeleitet wird, der ein Fehtersignal für die Brennstoffmenge erzeugt, welches der Ansteuerung einer Brennstoffzumeßeinrichtung dient, dadurch gekennzeich- \~, net, daß eine Korrektureinrichtung zur Rückführung des Gasturbinentriebwerks (10) in den stabilen Betriebsbereich nach Oberschreiten der Pumpgrenze vorgesehen ist, wobei in einem Differentiator (24) einderÄnderungsgeschwiridigkeitdes Fehlersignals für die Brennstoffmenge entsprechendes Signa! erzeugt wird, welches in einer auf Betriebsparameter des Gasturbinentriebwerks (10) ansprechenden Detektorschaltung (25, 27, 28, 29) auf das Vorliegen einer Überschreitung der Pumpgrenze geprüft wird, und wobei gegebenenfalls ein Ausgangssignal der Detektorschaltung (25, 27, 28, 29) zur Abschwächung des Soll-Signals für die Turbinendrehzahl für eine vorbestimmte Zeh gebildet wird.

2. Brennstoffsteuereinrichtung nach Anspruch 1, jo dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorschaltung