DE1921623A1

DE1921623A1 - Steuersystem fuer Gasturbinen

Info

Publication number: DE1921623A1
Application number: DE19691921623
Authority: DE
Inventors: Boothe Willis Anson; Cornett Jack Edward; Rose Robert Koeberle; Rexford Donald Leslie
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1968-04-29
Filing date: 1969-04-28
Publication date: 1969-11-13
Also published as: BE731824A; GB1228308A; US3488948A; FR2007215A1

Description

Dr. rer. nah Horst Schuler 6Frankfurt/Maini,den 24. April

PATENTANWALT Telefon (0611) 237220

Postscheck-Konto: 282420 Frankfurt/M. η ** » e> r\f% Bank-Konto: 523/3168 v/lb/d Deutsche Bank AG, Frankfurt/M.

1O79-13D-4912

GENERAL ELECTHIC COMPANY

1 River Road
Schenectady, N.Y. / USA

Steuersystem für Gasturbinen

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Gasturbinen und insbesondere auf ein System zur Steuerung des Brennstoffflusses derselben.

Gasturbinen bestehen im wesentlichen aus einem Kompressor, einem Verdichter und einer Turbine, die bezogen auf die Strömungsrichtung in Serie liegen, um einen heißen Gasstrom zu erzeugen. Aus einer Maschine kann Energie oder Leistung gewonnen werden, indem ein heißer Gasstrom verwendet wird, um eine Turbine, die eine Welle für die Ausgangsleistung besitzt, anzutreiben, oder indem der heiße Gasstrom durch Düsen ausströmt, um eine Antriebsschubkraft zu gewinnen.

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Die Maschinenleistung ergibt sich im wesentlichen aus einer Funktion der Menge des verbrannten Brennstoffes und der Dichte der Luft, die in den Maschinenkompressor gelangt. Es ist allgemein üblich, eine Gasturbine dadurch zu steuern, daß ein Brennstoffstrom zum Kompressor aufrechterhalten wird, der eine geregelte Maschinenrotörgeschwindigkeit ergibt (der Kompressor- und Turbinenrotor sind vereinigt), die ihrerseits einen Leistungsausgang, entsprechend einer eingestellten Größe ergibt, die durch den Piloten oder durch anderes Betriebspersonal der Maschine gesteuert wird. Die Einstellung des Brennstoffhebeis durch den Piloten ergibt die gewünschte geregelte Maschinenrotörgeschwindigkeit. Dieses Signal wird mit der tatsächlichen geregelten Maschinenrotörgeschwindigkeit verglichen, um ein Fehlersignal zu erzeugen. Dieses Fehlersignal wiederum bewirkt ein Ansteigen oder eine Verringerung des Brennstoffflusses, bis die tatsächliche geregelte Maschinenrotörgeschwindigkeit mit der gewünschten Geschwindigkeit übereinstimmt, wodurch das Fehlersignal auf Null gebracht und eine neue Brennstoff flußmenge eingestellt wird, um eine gleichbleibende Ausgangsleistung der Maschine zu erhalten.

Während für die meisten Gasturbinen heutzutage ein solches Steuersignal charakteristisch ist, ist man sich schon seit langem bewußt, daß die Brennstoffflußmenge nicht als eine direkte Funktion des Gashebels des Piloten aufgefaßt werden kann, wenn außergewöhnliche Übergangsbedingungen vorherrschen, die einen Eingangsbedarf erforderlich machen, derart, daß eine wesentliche Änderung der Ausgangsleistung notwendig wird oder zur Verfügung gestellt werden muß.

Wenn z.B. die Brennstoffflußgeschwindigkeit durch Betätigung des Gashebels des Piloten unmittelbar von einem minimalen auf einen maximalen Wert ansteigt, würde sich ein Ansteigen des Gegendruckes beim Kompressor ergeben (verursacht durch die steigende Verbrennungsrate), wodurch sich ein Leistungsabfall des Kompressors und als Folge davon ein Maschinenenergieverlust

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einstellt. Umgekehrt würde sich ein Erlöschen der Flamme und ein Leistungsverlust der Haschine ergeben, wenn der Brennstoffstrom zu schnell verringert wird. In ähnlicher Weise könnten sich Übertemperaturbedingungen oder andere ungünstige Wirkungen einstellen, wenn der Brennstoffstrom derart unmittelbar ansteigt.

Es wurden sehr viele Vorschläge gemacht, um die Änderungsgeschwindigkeit der Brennstoffflußmenge zu begrenzen, damit ein Kompressorleistungsverlust und ein Ausgehen der Flamme während solcher Übergangsbedingungen verhindert wird. Der begrenzende Bestimmungsfaktor und die primäre Aufgabe eines solchen Systems besteht darin, ein Ansteigen der Ausgangsleistung der Maschine in einer minimalen Zeit unter Zugrundelegung stetiger Betriebsbedingungen des Kompressors und bei Vermeidung anderer schädlicher Wirkungen zu erreichen. Solche Systeme arbeiten während des Betriebes sicher und verläßlich. Sie sind jedoch sowohl kompliziert als auch relativ aufwendig, insbesondere wenn sie bei Maschinen eingesetzt werden, die zum Antrieb von Flugzeugen dienen, da die Übergangssteuerung des Brennstoffflusses'einen sicheren Betrieb der Maschine über einen großen Höhen- und Geschwindigkeitsbereich gewährleisten muß.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Steuersysteme für Gasturbinen zfu vereinfachen, die für eine ansteigende Ausgangsleistung in einer minimalen Zeit, bei einem einwandfreien Betrieb des Maschinenkompressors und unter Vermeidung anderer schädlicher Wirkungen, sorgen und die ferner in der Lage sind, eine solche Leistung über einen weiten Höhen- und Geschwindigkeitsbereich zu bewirken, wenn die Maschine für den Antrieb von Flugzeugen verwendet wird. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Übergangsste'uerung für den Brennstoffstrom bei Verringerung der Ausgangsleistung zu schaffen, derart, daß ein Ausgehen der Brennflamme verhindert wird.

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Wie aus den obigen Ausführungen zu entnehmen ist, werden bei der Steuerung von Flugzeugen viele Probleme berührt, die sich aus den besonderen Umgebungsbedingungen ergeben. So bestehen beim Flugzeugantrieb nicht nur große Druck- und Temperaturbereiche, sondern auch Schwingungen und Erdbeschleunigungsbelastungen, die sich auf die mechanischen, hydromechanischen und elektrischen Ausrüstungen sehr ungünstig auswirken, die aufgrund des Standes der Technik zur Erzeugung der notwendigen Signale und Steuerfunktionen vorgesehen und zur Steuerung des Betriebes einer Gasturbine, insbesondere während der Übergangsbedingungen erforderlich sind.

Die Fluidik stellt ein relativ neues technisches Gebiet zur Erzeugung elektrischer Signale dar und umfaßt Steuersysteme mit Steuerelementen (hardware), die wesentlich unempfindlicher gegen viele Faktoren solcher schädlichen Einflüsse sind, wie insbesondere Temperatur und Schwingungen, die die Betriebseigenschaften der elektrischen, elektronischen und hydromechanischen Steuerelemente, die hier verwendet werden, begrenzt.

Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, fluidische Bauelemente für ein Maschinensteuerungssystem in Weiterentwicklung der Erfindung zu verwenden,' wobei eine größere Vereinfachung und Verläßlichkeit des Maschinensteuerungssystems erreicht wird.

Die oben genannten Aufgaben der Erfindung werden durch ein Steuerungssystem erreicht, das einen Steuerkreis besitzt, wobei in dem vorwärtsgerichteten Teil des Kreises Elemente vorhanden sind, die die Geschwindigkeit des gemessenen Brenn-, stoffflusses zum Turbinenmaschinenkompressor proportional zum Wert des Steuersignaleingangs verändern.

Die Elemente im Rückkopplungsteil des Steuerkreises erzeugen ein Signal, das die Xnderunsrsge schwind igke it des gemessenen Brenhstoffflusses wiedergibt. Diese zwei Elemente erzeugen entsprechende integrierende und differenzierende Wirkungen.

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Das Eingangssignal des Kreises besteht aus einem Fehlersignal, das eine gewünschte Veränderung der Maschinenausgangsleistung anzeigt, wobei dieses Signal mit dem Signal, das die Geschwindigkeit anzeigt, summiert wird, um den Elementen für die Veränderung der Geschwindigkeit des Brennstofff lusses den Steuersignaleingang zuführen zu können. Eines dieser Signale ist als eine Funktion des Maschinenkompressorausgangsdruckes begrenzt, so daß der Anstieg der Geschwindigkeit des Brennstoffflusses stetig mit dem überlastfreien Betrieb des Kompressors erfolgt, wobei andere schädliche Wirkungen vermieden werden.

Der vorwärtsgerichtete Teil des Kreises schließt vorzugsweise Elemente zur Integrierung des Ausganges der Summenvorrichtungen ein, um einer zweiten Fehler- und Geschwindigkeitssummiereinrichtung ein Eingangssignal zuführen zu können. Es ist ferner ein innerer Kreis vorgesehen, der Elemente zur Erzeugung eines Signales umfaßt, das die tatsächliche Brennstoffflußgeschwindigkeit anzeigt. Dieses Brennstoffflußgeschwindigkeitssignal wird der zweiten Summiere inrichtung zugeführt, dessen Ausgangssignal das Steuersignal darstellt.

Fernerhin ist es vorteilhaft, daß die verschiedenen Steuersignale durch fluidische Elemente erzeugt werden, wobei das Fehlersignal mit den Steueröffnungen eines fluidischen Begrenzungs verstärke rs verbunden werden, und wobei der Leistungsströmungsdr uck dieses Verstärkers proportional zum Ausgangsdruck des Kompressors ist. Das Ausgangsssignal des fluidischen Begrenzungsverstärkers ist dem Fehlersignal bis zu einem Grenzwert proportional; der Grenzwert ist als eine Funktion des Kompressorausgangsdruckes variabel. Diese einfachen und wirksamen begrenzenden Funktionen, die mit dem Brennstofffluß ansteigen, verursachen keine Kompressorüberlastung, sondern eine>Ve ränderung der Brennstoffflußgeschwindigkeit, die mit dem Ansteigen des Kompressorausgangsdruckes progressiv ansteigt, so daß eine steigende Ausgangsleistung

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-6-In einer minimalen Zeit erreicht werden kann.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:

Figur 1 eine diagrammartige und schematische Darstellung einer Gasturbine und ein Steuersystem, das die vorliegende Erfindung enthält;

Figur 2 eine Kurve, die die Betriebscharakteristiken eines fluidischen Elementes, das in Figur 1 dargestellt ist, wiedergibt;

Figur 3 einen grundlegenden Steuerkreis nach Figur 1 in vereinfachter Darstellung;

Figur 4 eine mehr in Einzelheiten gehende elementare Darstellung des Steuerkreises gemäß Figur 1, und

Figur 5 eine Kurve, die den Druckanstieg und die Strömungscharakteristiken eines typischen Kompressors wiedergibt .

Figur 1 gibt eine Gasturbine 10 wieder, die einen Kompressor 12, eine Verbrennungskammer l4 und eine Turbine 16 besitzt. Der heiße Gasstrom, der durch diese Komponenten erzeugt wird, wird durch eine Düse 18 zur Erzeugung eines Antriebsschubes für ein Flugzeug, in das die Maschine eingebaut sein kann, abgeströmt.

Die durch den Kompressor 12 zusammengepreßte Luft fördert die Verbrennung des Brennstoffes und strömt aus den Düsen innerhalb der Verbrennungskammer 14 aus. Der heiße Gasstrom treibt sodann die Turbine 16, bevor er aus der Düse 18 ausströmt. Der Kompressor und die Turbine enthalten mit Schaufeln versehene Rotoren, die durch eine Welle 22 verbunden sind, um so einen Maschinenrotor 2k zu bilden.

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Der Brennstoffstrom zu den Verbrennungskammerdüsen 20 wird durch ein Ventil 26 gemessen. Dieses Ventil kann konventionell aufgebaut sein und einen Kolben besitzen (nicht dargestftllt), dessen Lage die Öffnung oder die Fläche einer öffnung bestimmt, über die sich ein bestimmtes Druckgefälle ausbildet. Die mit 27 bezeichneten Elemente übertragen den Flüssigkeitsdruck selektiv zu den entgegengesetzten Enden des Kolbens, um den Kolben in die richtige Lage zu bringen. Die Fläche der Meßventilöffnung bestimmt auf diese Weise die Geschwindigkeit des Brennstoffflusses zur Verbrennungskammer und die Elemente zur Veränderung und zur Steuerung der Kolbenposition stellen die Elemente zur Veränderung der Brennstoffflußgeschwindigkeit dar.

Das Meßventil wird durch Betätigung des vom Piloten gesteuerten Gashebels 28 geregelt und zwar mit Hilfe des Steuersystems" gemäß vorliegender Erfindung,das im folgenden näher beschrieben wird.

Der Gashebel 28 bewirkt ein mechanisches Eingangssignal auf einen fluidisch geregelten Geschwindigkeitsfehlersignalgenerator 30. Dieser Signalgerierator weist auch einen Signaleingang N auf, der die Geschwindigkeit des Maschinenrotors 2k darstellt, und einen Signaleingang Tp, das die Temperatur der Luft anzeigt, die dem Kompressor 12 zugeführt wird. Der Ausgang dieses Signalgenerators wird durch den Druck eines Luftstromes in zwei Röhren oder Leitungen 32 und 3¹* dargestellt. Wenn die Drucke in diesen zwei Leitungen gleich sind, besitzt der Rotor 24 die geregelte Geschwindigkeit, die durch die Einstellung des Gashebels 28 gefordert wird. Wenn die geregelte Rotorgeschwindigkeit anders als die geforderte Geschwindigkeit ist, ergibt sich ein geregeltes Qeschwindigkeitsfehlersignal, das durch einen Differenzdruck in den Leitungen 32 und 3¹I dargestellt wird. Die Größe dieses Unterschiedes gibt die Differenz zwischen der tatsächlichen und der geforderten Geschwindigkeit an und die Leitung, die den größeren Druck aufweist, zeigt an, ob es sich um eine höhere oder niedrige Geschwindigkeit handelt.

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Die Leitungen 32 und 34 sind mit den entsprechenden Steueröffnungen 36 und 38 eines fluidischen Begrenzungsverstärkers ' 40 verbunden. Die Ausgangsempfänger 42 und 44 dieses fluidischen Verstärkers sind über Öffnungen 46,48 mit den entsprechenden Steueröffnungen 50 und 52 des fluidischen Summenverstärkers54 verbunden. Die Ausgangsempfänger 56 und 58 des fluidischen Summenverstärkers stallen die Eingänge zu einem integrierenden fluidischen Verstärker 60 und einem zweiten fluidischen Summenverstärker 62 dar. Daher ist der Empfänger 56 über Öffnungen 64 und einer Kammer oder ein Volumen (V) mit einer Steueröffnung 68 eines STferstärkers 60 und über Öffnungen 70 mit einer Steueröffnung 72 eines Verstärkers 62 verbunden. In ähnlicher Weise ist der Empfänger 58 über Öffnungen 74 und einer Kammer 76 mit der anderen Steueröffnung 78 des Verstärkers 60 und über Öffnungen 80 mit der anderen Steueröffnung 82 des Verstärkers 62 verbunden. Die Ausgangsempfänger 84 und 86 des Verstärkers 60 sind auch in entsprechender Weise mit den Steueröffnungen 72 und über Öffnungen 88 und 90 verbunden. Die Empfänger 84 und 86 sind auch in entsprechender Weise als eine positive Bückkopplung zur Steueröffnung 78 und 68 des integrierenden Verstärkers 60 über eine Öffnung 92 und die Kammer 76 und über eine Öffnung 94 und die Kammer 66 verbunden.

Die Ausgangsempfänger 96 und 98 des Summenverstärkers 62 sind in entsprechender Weise über Öffnungen 100 und 102 mit den Steueröffnungen 104 und 1Θ6 eines dritten fluidischen Summenverstärkers 107 verbunden. Die Ausgangsempfänger 108 und 109 des Verstärkers 107 sind mit den Elementen zur Stel-Iungsanzeige27 des Meßventils verbunden. Sobald zwischen den Empfängern 108 und 109 eine Druckdifferenz auftritt, ergibt ' · sich eine Veränderung der Stellung des Meßventils 26.

Im folgenden werden Elemente zur Erzeugung fluidischer Signale beschrieben, die die entsprechende Stellung dös Meßventils und die Änderungsgeschwindigkeit seiner Lage anzeigt.

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Ein Nocken 110 ist mit dem Meßventil mechanisch verbunden, derart, daß seine Winkellage die Stellung des Meßventils und seine Rot„atlonsgeschwindigkeit die Änderungsgeschwindigkeit der Stellung des Meßventils anzeigt. Diese Parameter sind der Brennstoffflußgeschwindigkeit und der Änderungsgeschwindigkeit des Brennstoffflusses entsprechend proportional.

Ein Röhrenpaar 112 und 114 ist zum Nocken 110 hin gerichtet und ihm entsprechend räumlich zugeordnet. Diese Röhren werden von einer festen Bezugsquelle 117 über Öffnungen 116 und 118 mit Preßluft beaufschlagt. Pur jede vorgegebene Lage des Ventils 26 ist ein relativer Abstand zwischen den Enden der Röhren 112 und 114 und dem Nocken 110 vorgegeben, so daß für jede Stellung des Ventils 26 ein entsprechender Druckunterschied zwischen diesen Röhren besteht. Diese Druckdifferenz stellt ein Signal dar, das die Stellung des Meßventils anzeigt, wobei dieses Signal ein zweites Eingangssignal zum Verstärker 107 bildet, da das Rohr 112 mit der Steueröffnung 104 über Öffnungen 120 und das Rohr 114 mit der Steueröffnung 106 über Öffnungen 122 verbunden ist.

Die Druckänderungsgeschwindigkeit in einer der Röhren 112 und 114 zeigt auch die Änderungsgeschwindigkeit des Brennstoffflusses an. Das Rohr 112 ist über eine Öffnung 124 und einer Kammer (V) 126 mit einer der Steueröffnungen 128 eines fluidischen Differenzverstärkers 130 verbunden. Das Rohr 112 ist über eine Öffnung 132 direkt mit der anderen Steueröffnung 134 des Differenzverstärkers 130 verbunden. Die Ausgangsempfänger 136 und 138 des Verstärkers 130 sind über die entsprechenden Öffnungen l40 und 142 mit den Steueröffnungen 50 und 52 des SummenVerstärkers 54 verbunden.

Die beschriebenen fluidischen Verstärker können nach der anslch bekannten Technik hergestellt werden, um die notwendige Signalstärke und die geeigneten Beziehungen zwischen den Eingangs- und Ausgangssignalen herzustellen, um so die Steuer-

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funktionen, die im folgenden beschrieben werden, zu ermöglichen, Die beschriebenen fluidischen Verstärker können in ansich bekannter Art jeweils mit Einigen Verstärkerstufen versehen sein, die auf verschiedene Weise untereinander verbunden sind, um die Funktionen zu erhalten, die einer einfachen Verstärkerstufe zugeschrieben werden.

Es sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, daß die Leistungsströme (die durch gestrichelte Linien Angezeigt sind) für die verschiedenen fluidischen Anordnungen, vorzugsweise von einer festen Preßluftbezugsquelle ausgehen, jedoch mit einer wichtigen Ausnahme, Diese Ausnahme ist der fluidische Begrenzungsverstärker 40. Die Leistungsstromdüse 144 für diesen Verstärker ist mit einer Druckbezugsquelle 146 mit relativ niedrigem Druck über eine öffnung 148 und über eine öffnung 150 mit einer statischen Drucksonde 152, die sich am Ausgang des Maschinenkompressors 12 befindet, verbunden. Die Leistungsdüse ist auch mit der umgebenden Atmosphäre über eine öffnung 154 verbunden. Die Bezugsquelle 146, die öffnung 148,150 und 154 und die Düsen 144 erhalten einen Leistungsströmungsdruck, der dem Dnuck der Luft, die aus dem Kompressor 12 strömt, über einen großen Temperaturbereich linear oder/nahezu proportional ist.

Der beschriebene Kreis ist primär zur Steuerung des Brennstoff flusses und des Maschinenbetriebes bestimmt, nachdem der Anlaufstartzyklus abgeschlossen ist und die Verbrennungsgeschwindigkeit des Brennstoffes ausreichend ist, um den Maschinenbetrieb aufrecht zu erhalten. Bei der folgenden Beschreibung wird daher als Ausgangspunkt angenommen, daß die Maschinenrotorgeschwindigkeit sich der geforderten Rotorgeschwindigkeit bei Betätigung des Qashebels zur Einstellung einer verringerten Ausgangsleistung aus der Maschine angepaßt hat.

Bei einem solchen Ausgangspunkt gibt es kein Druckdifferenzsignal zwischen den Leitungen 32 und 34 und kein Ausgangs-

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signal aus dem Verstärker 40. Aus dem Verstärker 54 gibt es kein Ausgangssignal, da es für diesen weder aus dem Verstärker ¹JO noch aus dem Differenzverstärker 130 ein Eingangssignal gibt. Es ist Jedoch aus dem integrierenden Verstärker ein Ausgangssignal und aus dem Verstärker 62 zu den Steuer-Offnungen des Verstärkers 107 ein resultierendes Ausgangssignal vorhanden. Es gibt jedoch kein Ausgangssignal, d.h. eine Druckdifferenz zwischen den Empfängern 108 und 109 aus dem Verstärker 107» da die Drucksignale aus den die Stellung anzeigenden Röhren 112 und 114 gleiche Drucke in den Steueröffnungen 10¹I und 106 besitzen.

Nimmt man als nächstes an, daß der Gashebel 28 in eine Lage gebracht wird, um einen maximalen Schub zu bewirken, so gibt es eine unverzügliche oder schrittweise Veränderung des Druckdifferentials zwischen den Signalgeneratorausgangsleitungen 32 und 3^4 und nachfolgende Eingangs- und Ausgangsschritte zu den fluidischen Verstärkern ^0,5^,62 und 107, wodurch sich ein Druckdifferential ergibt, das dafür sorgt, daft das Brennstoff meßventil verändert wird, um den Brennstoffstrom ansteigen zu lassen. Die Bewegung des Meßventils wiederum bewirkt eine Veränderung der Stellung des Signaleingangs aus den Meßröhren 112 und 11*4 zum Summenverstärker 107. Es bewirkt auch ein Druckdifferenzausgangssignal aus dem differenzierenden Verstärker 130, das als ein zweites Eingangssignal dem Summenverstärker 5¹J zugeführt wird.

Es gibt eine weitere Signalveränderung als Ergebnis eines Schrittwechsels im Ausgang des Signalgenerators 30, nämlich das Ausgangssignal des integrierenden Verstärkers 60. Wenn ein Wechsel des Druckdifferenzsignaleinganges aus dem Verstärker 5** zu den Steueröffnungen 68 und 78 vorliegt, verhindern die Kammern 66 und 76 irgendwelche unmittelbaren Veränderungen der Druckdifferenz, die sich auf den Leistungsstrom des Verstärkers auswirken. Stattdessen gibt es eine progressive und entsprechende Veränderung der Druckdifferenz des Ausgangs-

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signals an den Empfängern 8¹J und 86. Dahe/£nt· steht für eine vorgegebene Druckdifferenz zwischen den Verstärkerausgängen und 68 eine vorgegebene Änderungsgeschwindigkeit des Ausgangssignals aus dem integrierenden Verstärker 60. Diese Änderungsgeschwindigkeit ist auch eine Funktion der Rückkopplungsverj^ bingungen aus den Empfängern 84 und 86 .'zu den entsprechenden Kammern 76 und 66. Diese Rückkopplungsverbindungen besitzen die weitere Funktion, eine vorgegebene Signalausgangsgröße aus dem integrierenden Verstärker aufrechtzuerhalten, wenn es dazu aus dem Verstärker 5¹J kein Eingangssignal gibt. Hierdurch wird die frühere Feststellung besser erklärt, daß es einen Signalausgang aus dem integrierenden Verstärker 60 gibt, wenn es kein Ausgangssignal aus dem Signalgenerator 30, bei gleichbleibenden Betriebszuständen, gibt.

Wenn einmal die Meßventilgeschwindigkeit (und die Änderungsgeschwindigkeit des Brennstoffflusses) sich auf einen Wert befindet, der durch den Signalausgang aus dem fluidischen Verstärker *iO dargestellt wird, gleicht die negative Summierung der Signale am Eingang des Verstärkers 5*\ ihre Ausgangssignale ab.

Die Funktionen der verschiedenen oben beschriebenen Komponenten wurden primär auf isolierte oder schrittweise Veränderungen der Eingangssignale bezogen. Das System selbst ist natürlich in seiner Wirkungsweise bei den verschiedenen Veränderungen dynamisch, die gleichzeitige und miteinander verbundene Wirkungen aufweisen, die durch Darstellung eines Steuerkreises besser verstanden werden können.

Das beschriebene Steuersystem bildet einen Steuerkreis, der · in der Figur 3 in elementarer Weise aufgezeigt ist. Das Geschwindigkeitsfehlersignal N bildet einen Signaleingang zum fluidischen Begrenzungsverstärker 10. Der Ausgang des fluidisehen Begrenzungsverstäfckers ¹IO wird unter Rfeinen Umstänmden einen Grenzwert überschreiten, der eine direkte Funktion des Kompressorausgangsdruckes P , darstellt. Das Ausgangssignal

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des fluidischen Begrenzungsverstärkers ²IO bildet ein Eingangssignal zum fluidischen Summenverstärker 54, der wiederum ein Steaersignal erzeugt, das das Meßventil 26 verschiebt. Da das Meßventil 26 sich solange bewegt, wie ein Steuersignaleingang Tiesteht, wirkt es als ein Integrator. Die Bewegung des Brennstoffmeßventiles 26 erzeugt eine Veränderung der Brennstoffflußgeschwindigkeit. Die ,Bewegung des Brennstoffmeßventils 26 bewirkt ajich ein Eingangssignal zum fluidischen Differenzverstärker 130, dessen Ausgang dem fluidischen Summenverstärker 54 zugeführt wird. Die übertragungsfunktionen, die einem Steuerkreis zugrunde liegen, der einen Integrator und eine differenzierende Rückkopplung besitzt, haben zur Folge, daß eine Änderungsgeschwindigkeit des Brennstoffflusses erzeugt wird, die direkt proportional der Größe des Signaleinganges aus dem fluidischen Begrenzungsverstärker ^O zum fluidischen Summenverstärker 54 ist.

In Figur 4 ist ein vollständigeres Kreislaufdiagramm des beschriebenen Steuersystems dargestellt, aus dem hervorgeht, daß tatsächlich zwei Steuerkreisläufe vorhanden sind, nämlich der sogenannte äußere Kreislauf, der die vorher in Verbindung mit Figur 3 beschriebenen Elemente besitzt, und der innere Kreislauf, der die Elemente zur Erzeugung einer integrierenden und proportionalen Verstärkerfunktion enthält, die durch den integrierenden Verstärker 60 und den proportionalen Summenverstärker 62 erzeugt wird. Der innere Kreislauf enthält ferner das Stellungsrückkopplungssignal, das durch den Summenverstärker 107 summiert wird, um das Stellungsbezugssignal abzugleichen, das durch den Integrator 60 erzeugt wird. Die Hinzufügung des inneren Kreislaufes bewirkt eine zusätzliche Stabilität des Kreises, in dem ein Nachlaufen verhindert wird.

Aus dem Vorhergehenden ist ersichtlich, daß die Änderungsgeschwindigkeit des Brennstoffflusses niemals einen Wert überschreiten kann, der durch den Kompressorausgangsdruck festgelegt ist. Dieser Zusammenhang wird im einzelnen durch Bezugnahme auf Figur 2 näher erläutert, in der die Betriebse&arakte-

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ristlken des .Begrenzungsverstärkers 40 aufgezeigt werden. Die durchgezogene Kurve in Figur 2 veranschaulicht, daß, wenn der Druck an der Steueröffnung 36 relativ zum Druck bei der Steueröffnung 38 größer oder positiver wird, der Ausgangsdruek am Empfänger 44 relativ zum Druck am Empfänger 42 progressiv größer oder positiver wird. Da der Signaldruck am Eingang 36 progressiv positiver wird, wird der Ausgangsdruek am Empfänger 44 progressiv positiver und zwar in linearer Weise, bis ein maximaler Wert erreicht wird, wobei ein weiteres Ansteigen des positiven Wertes des Druckes am Empfänger 36 einen begrenzten festen Ausgangsdruek am Empfänger 44 ergibt. Wenn der Druck am Empfänger 38 größer ist, wird umgekehrt der Druck am Empfänger 42 positiver und zwar in linearer Weise, relativ zum Druck am Empfänger 44, bis ein Grenzwert erreicht ist. Auf diese Weise stellt sich eine proportionale Verstärkung des Geschwindigkeitsfehlersignals ein, das durch die Druckdifferenz zwischen den Leitungen 32 und 34 dargestellt wird, bis ein maximaler Grenzwert erreicht wird. Ein weiteres Ansteigen der Größe des Fehlersignals bewirkt keine Veränderung der begrenzten Ausgangssignalstärke aus dem Verstärker 44.

Ein fluidischer Verstärker zur Erzielung eines solchen variablen Grenzwertes wird in dem US Patent 3,233^622 beschrieben, der sich allgemein bei der vorliegenden Erfindung verwenden läßt.

Die Größe der Ausgangssignalgrenze aus dem Verstärker 40 ist eine Funktion des Druckes des Leistungsstromes, der aus der Düse 144 entströmt. Die durchgezogene Kurve gibt einen maximalen Leistungsstromdruck wieder. Wenn der Druck auf die Hälfte seines maximalen Wertes reduziert wird, wird der Grenzwert auf die Hälfte des maximalen Grenzwertes reduziert, wie durch die unterbrochene Linie in Figur 2 wiedergegeben ist. In ähnlicher Weise wird die Stärke des maximalen Ausgangssignals aus dem Verstärker 40 bei einem minimalen Wert von P ^ auf

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einen proportional geringeren Wert reduziert, wie durch den punktiert dargestellten Kurvenzug in Figur 2 ersichtlich ist.

Es ist augenscheinlich, daß das maximale Eingangssignal zum Steuerkreis, wie oben besöhrieben, als eine direkte Funktion zum Kompressorausgangsdruck variiert, unabhängig von der Größe des Geschwindigkeitsfehlersignals. Da das Fehlereingangssignal zum Steuerkreis auf diese Weise begrenzt wird, wird die Änderungsgeschwindigkeit d[es Brenrtstpffflusses relativ niedrig, bei niedrigen Kmmpressdirausgangsdrucken und progressiv höher, bei höheren Kompressorausgangsdrucken sein.

Die genaue Änderungsgeschwindigkeit des Brennstoffflusses hängt von den Betriebscharaktfcristiken einer vorgegebenen Maschinenkonstruktion ab. Dies wird ebenfalls durch die Figur 5 wiedergegeben, die eine Kurve der Betriebscharakteristiken eines typischen Kompressors darstellt. Diese Kurve veranschaulicht, daß für einen vorgegebenen Kompressor, bei dem der Druckanstieg (P,:P«) einen vorgegebenen Wert bei einem vorgegebenen geregelten Luftstrom durch den Kompressor überschreitet, eine Überlastbedingung entsteht, wie durch die Überlastkurve wiedergegeben ist, die als Kompressorplan bezeichnet wird. Die dünn gestrichelten Kurven in Figur 5 geben Kurven konstanter regulierter Maschinenrotorgeschwindlgkeit (N ) wieder, aus denen entnommen werden kann, daß, wenn der Druckanstieg bei einer vorgegebenen Maschlnenrotorgeschwindigkeit zunimmt, sich Veränderungen des regulierten Luftstromes ergeben und daß eine Überlastbedingung erreicht wird, wenn der Druckanstieg weiterverläuft, ohne daß die Rotorgeschwindigkeit zunimmt. Auch die punktierte Kurve in Figur 5 stellt eine Betriebskurve dar, die den regulierten Luftstrom und Druckanstieg für irgendwelche stetigen Betriebszustände der Maschine, bei einer vorgegebenen Maschinengeschwindigkeit, wiedergibt. Wenn beabsichtigt ist, die Ausgangsleistung der Maschine von einem minimalen Wert, durch den Punkt A dargestellt, auf einen maximalen Wert, durch den Punkt B dargestellt, ansteigen zu lassen, ist es notwendig, daß diese Beziehungen zwischen dem Druckanstieg und dem regu-

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"lierten Luftstrom unterhalb der überlaatkurve gehalten werden»

Gemäß vorliegender Erfindung ist es möglich, die Änderungsgeschwindigkeit des Brennstoffflusses aufzutragen, die einen Be= schleunigungsverlauf vom Betriebspunkt A zum Betriebspunkt B ergibt und die durch die verbindende gestrichtelte Linie dargestellt ist, welche eine Kompressorüberlastung, Übertemperaturen und andere schädliche Effekte vermeidet.

Die Änderungsgeschwindigkeit des Brennstoffflusses ist allein als eine Funktion des Kompressorausgangsdruckes P, aufgetragen. Aus dem gleichen Grunde kann, falls von einem Zwischenpunkt C zum maximalen Punkt B beschleunigt werden soll, der gleiche Parameter, d.h. der Kompressorausgangsdruck verwendet werden, um den Übergangsbetrieb herzustellen, der in sicherer Weise unterhalb der überlastkurve gehalten wird und der eine Beschleunigung in minimaler Zeit bewirkt und Druck- und Temperaturwechsel kompensiert, wenn der Betrieb in verschiedenen Höhen und Fluggeschwindigkeiten sich vollzieht. Die empirisch abgeleitete Beziehung zwischen Kompressor, Ausgangsdruck und Änderungsgeschwindigkeit der Strömung kann als ein modifizierender Faktor in der Konstruktion des Meßventils 26 berücksichtigt werden. Das bedeutet, daß das Meßventil während einer Übergangsbedingung mit einer Geschwindigkeit verschoben wird, die eine lineare Funktion des Kompressorausgangsdruckes darstellt; die Änderungsgeschwindigkeit des Brennstoffflusses kann Jedoch durch geeignete Ausbildung der Meßöffnungen im Kolben, der bewegt wird, um die öffnungsfläche zu variieren, eine nicht-lineare Funktion sein, Es ist auch möglich, gleiche oder verbesserte , Ergebnisse dadurch zu erhalten, daß eine nicht-lineare Beziehung zwischen Kompressorausgangsdruck und dem Ausgangsgrenzwert des Verstärkers 40 vorgesehen wird. [

Die vorstehende Beschreibung behandelte primär das Ansteigen der Maechinenleistung. Mit dem gleichen System kann jedoch auch

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die Verringerung der Leistung erreicht werden. Wenn daher ein größerer Druck auf der Signallei/tung 32 ein Ansteigen der Maschinenrotorgeschwindigkeit und ein Ansteigen der Maschinenleistung bedingt, so wird ein größerer Druck auf der Leitung 34 eine Abnahme der Rotorgeschwindigkeit und der Maschinenleistung zur Folge haben. Der Brennstoffstrom wird bis auf eine Grenzrate zurückgehen, die* dem Kompressorausgangsdruck proportional ist und die das Ausgehen der Verbrennungskammer verhindert.

Während es, wie hier beschrieben, vorgezogen wird, die Signale fluidisch zu erzeugen, können natürlich auch in weitestem Sinne der Erfindung andere erzeugte Signale, z.B. elektrisch oder mechanisch, ebenfalls verwendet werden.

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Claims

-ie-■ 192162

Ansprüche

Steuersystem für Gasturbinen, die aus einem Kompressor,

Rotor, einer Verbrennungskammer und Vorrichtungen zur Beförderung des Brennstoffes in die Brennstoffkammer bestehen, wobei die Verbrennung mit Hilfe eines Luftstromes, der durch den Kompressor eingeblasen wird, erfolgt, um einen heißen Gasstrom zu erzeugen, dadurch ge kennzeichnet, daß das Steuersystem aus einem Ventil (26) zur Messung der Geschwindigkeit des Brennstoffstromes zur Verbrennungskammer, aus Elementen (30) zur Erzeugung von Fehlersignalen, die proportional der Differenz der gewünschten Maschinenausgangsleistung und der tatsächlichen Maschinenausgangsleistung ist, aus einem Steuerkreis, der Elemente (27) zur Lageanzeige des Ventils im vorderen Teil der Kreises zur Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit der Meßeinrichtung, bei einer Geschwindigkeit die proportional zum Steuersignaleingang ist, besitzt, wobei eine Integration stattfindet, aus Nockeneinrichtungen (110) im Rückkopplungsteil des Kreises zur Erzeugung eines Signals, das der Änderungsgeschwindigkelt in der Meßeinrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit entspricht, wobei eine Differenzierung vorgenommen wird, aus einem Verstärker (107) zur Summierung des Geschwindigkeitssignales mit dem Fehlersignal, um einSteuersignaleingang zu den Elementen zur Veränderung der Meßeinrichtung*·.zu erzeugen, und aus einem Verstärker (¹IO) zur Begrenzung der Größe eines der Signale als eine direkte Funktion des Ausgangsdruckes aus dem Kompressor, wobei die Änderungsgeschwindigkeit des Brennstoff stromes proportional zur Größe des Fehlersignals ist, das jedoch nicht einen Grenzwert überschreitet, der mit dem Kompressorausgangsdruck proportional ansteigt, besteht.

2. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Elemente (lM4,15O und 152) vorhanden sind, um das Fehlersignal, das zum Kompressorentladedruck proportional ist, variabel zu begrenzen.

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3 β Sfeeiie^syafcem siaeii Asisp^wsh S₃ el a et ia x= e h g e k e η η 2 e i e ii η e ί, daß der Steuerfreie In seinem vorwärtsgerichteten Teil einen Verstärker (6O)₃ um das Geschwindigkeitssignal zu integrieren und Elemente sur Summierung des Fehlersignals besitzta um ein dazwischen liegendes Bezugsssignal zu erzeugen, daß ein zweiter Summenverstärker (62), der das dazwischen liegende Bezugssignal als ein Eingang verwendet, vorhanden ist und daß der Steuerkreis fernerhin einen inneren Kreis einschließt, der einen Verstärker(130) zur Erzeugung eines Signals, das zur Flußgeschwindigkeit in der ,Meßeinrichtung proportional ist, aufweist, wobei das Flußgeschwindigkeitssignal den Summierungsvorrichtungen für das zweite Signal zugeführt wird, so daß der Ausgang der zweiten Summiervorrichtung das Steuersignal für die Elemente, die die Meßeinrichtung verändert,, liefert.

4. Steuersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente zur Erzeugung des Fehler-, Geschwlndigkeits- und Steuersignals aus fluidisch wirkenden Elementen bestehen, die fluidische Signale verschiedener Druckwerte erzeugen, daß die Elemente zur Begrenzung des Fehlersignals aus einem fluidischen Verstärker (¹IO), dem ein Leistungsstrom (144) zugeführt wird, aus Empfängervorrichtungen (42,M), die sich zum Leistungsstrom abstromseltig befinden, bestehen, daß Steueröffnungen (36,38) zur Ablenkung des keistungsstromes vorhanden sind, wobei die Steueröffnungen mit den Vorrichtungen zur Erzeugung des fluidischen Fehlersignals (30) verbunden sind und daß Vorrichtungen (146,141) zur Steuerung des Druckes

des Leistungsstromes als direkte Funktion des Ausganges aus dem Kompressor vorhanden sind, wobei der Signaldruck aus dem Empfängt r einen maximalen Grenzwert besitzt, der als direkte Punktion des Kompressorausgangsdruckes variiert.

5. Steuersystem nach Anspruch H₉ dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Grenzwert des fluidlschen Verstärkers als lineare Funktion des Kompreasorausgangedruckee variiert.

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6. Steuersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckabzapfstelle (152) sich am Aus-' gang des Kompressors befindet und daß eine Leitung von dieser Anzapfstelle zum fluidischen Verstärker über Druckreduzierungsvorrichtungen .(150) geführt ist.

7. Steuersystem nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente zur Erzeugung des Pehlersig-

nals aus folgenden Elementen bestehen: aus einem von einem Piloten betätigten Hebel (28), aus einem fluidischen Signalge- · nerator (30), wobei der vom Piloten betätigte Hebel ein Signaleingang zum Signalgenerator erzeugt, das die gewünschte regulierte Geschwindigkeit wiedergibt, und aus Signaleingangsvorrichtungen (N und T₀), die für den Signalgenerator Signaleingänge erzeugen, die entsprechend die tatsächliche Geschwindigkeit und die Temperatur der Luft, die in den Kompressor eindringt, wiedergibt, wobei der Signalgenerator auf die genannten Eingänge anspricht, um ein Differenzausgangsdrucksignal zu erzeugen, das ein reguliertes Geschwindigkeitsfehlersignal darstellt, aus dem eine überhöhte oder verminderte Geschwindigkeit und ihre Größe entnommen werden kann.

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