DE1902356B2 - Brennstoffregeleinrichtung für Gasturbinentriebwerke - Google Patents
Brennstoffregeleinrichtung für GasturbinentriebwerkeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffregeleinrichtung für Gasturbinentriebwerke nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
Brennstoffregeleinrichtungen gestatten dem Piloten die Vorwahl einer bestimmten Triebwerksdrehzahi
durch entsprechende Einstellung des Gashebels und regeln diese Drehzahl durch Regelung der Brennstoffzufuhr zum Triebwerk in Übereinstimmung mit dem
vorgegebenen Drehzahl-Sollwert.
Aus der US-PS 29 48 114 ist eine Brennstoffregeleinrichtung der eingangs genannten Art bekannt, die einen
Proportionalregler aufweist, bei welchem ein die Differenz von Drehzahl-Sollwert und Drehzahl-Istwert
darstellendes Fehlersignal in einem Verstärker verstärkt wird, dessen Ausgangssignal als Steuersignal
einem Stellglied zugeführt wird. Außerdem wird bei dieser bekannten Einrichtung das Drehzahl-Istwertsignal differenziert und bei Triebwerksbeschleunigungen
dem Verstärker als eine einer Drehzahländerung des Triebwerks entgegengerichtete Eingangsgröße zugeführt, die also einen begrenzenden Einfluß auf die
Triebwei ksbeschleunigung ausübt. Diese Maßnahme kann als eine Art Gegenkopplung aufgefaßt werden.
Abgesehen von diesem beschleunigungsbegrenzenden Einfluß zeigt die bekannte Anordnung aber ein reines
Proportionalverhalten.
Eine weitere Brennstoffregeleinrichtung der eingangs genannten Art ist aus der US-PS 30 76 312 bekannt.
Diese andere bekannte Einrichtung weist einen integrierenden Regler auf, bei welchem das Fehlersignal
auf dem Weg vom Sollwert-Istwert-Vergleicher zum
Integrator noch durch Temperatur- und Drucksjgnale modifiziert wird, wobei aber im übrigen ein rein
integrierendes Regelverhalten vorliegt
Das Regelverhalten der bekannten Einrichtungen ist im Hinblick auf das mögliche Betriebsverhalten von
Gasturbinentriebwerken nicht optimal. Beispielsweise können bei einem reinen Proportionalverhalten unter
Umständen, d. h. je nach dem Verhalten des Tri-jbwerks
ίο als Regelstrecke und der übrigen Regelkreisglieder, Instabilitäten auftreten, und die bei Proportionalreglern
charakteristische, für ihre Arbeitsweise erforderliche Regelabweichung bedingt ein ständiges Pendeln des
Drehzahl-Istwerts um den gewünschten Sollwert Ein rein integrierendes Regelverhalten ist beispielsweise bei
schnellen, starken Regelabweichungen ungünstig, zum Beispiel bei einem schnellen Drehzahlabfall infolge
eines plötzlichen Erlöschens der Flamme im Triebwerk, weil der Eingriff der Regelung in einem solchen Fall zu
schwach und der Ausgleich zu langsam erfolgt Ein Proportionalregler neigt in einer solchen Situation zu
heftigem Oberschwingen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffregeleinrichtung der eingangs genannten Art
mit einer für die Brennstoffregelung von Gasturbinentriebwerken besonders günstigen Regelungscharakteristik auszustatten, dir. eine genaue und stabile Regelung
mit sehr schnellem Ansprechvermögen, jedoch mit möglichst geringer Überschwingungsneigung aufweist
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen
Merkmale gelöst
Demgemäß zeigt die erfindungsgemäße Brennstoffregeleinrichtung ein PID-Verhalten, wobei zusätzlich
die Gewichtung der Proportional-, Integral- und Differentialanteile nach bestimmten Funktionen drehzahlabhängig veränderlich ist und damit eine bestmögliche Anpassung des Regelverhaltens an das Triebwerksverhalten und den jeweiligen Triebwerksbetriebszustand erzielt wird. Damit erreicht man, daß das
Triebwerk zwar sehr schnell auf Änderungen des durch den Pilotenhebel eingegebenen Drehzahlsollwerts reagiert und daß auch plötzliche und starke Regelabweichungen schnell ausgeregelt werden, daß jedoch
Drehzahländerungen im Triebwerk ohne Erreichen kritischer Zustände oder Überbeanspruchungen von
Triebwerksteilen ablaufen.
Die Maßnahme nach Anspruch 2 dient zur Unterdrükkung von Einschvvingvorgängen durch zu starken
so Reglereingriff bei nur kleinen Regelabweichungen.
Eine zweckmäßige Möglichkeit zur Realisierung der drehzahlabhängigen Veränderung der Faktoren bzw.
der Gewichtung des Proportional-, Integral- und Differentialanteils ist Gegenstand des Anspruchs 3.
Die Multiplikation eines Signals mit einem veränderlichen Faktor mit Hilfe eines Verstärkers, dessen
Verstärkungsfaktor veränderbar ist, ist aus der US-PS 31 28 603 an sich bekannt, die einen Proportionalregler
zur Brennstoffregelung bei Gasturbinentriebwerken betrifft, bei welchem der Verstärkungsfaktor eines
Differenzverstärkers in Abhängigkeit von einer Drehzahlfunktion elektromechanisch veränderbar ist
Die drei Faktoren der das Steuersignal der erfindungsgemäßen Einrichtung bestimmenden mathematisehen Ausdrücke und ihre Drehzahlabhängigkeit
können für ein jeweils gegebenes Triebwerk durch Rechnung oder empirisch ermittelt werden.
Ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung wird nächste-
hend anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Brennstoffregeleinrichtung nach der Erfindung und
F i g. 2 in einem Diagramm die Abhängigkeit der drei Faktoren von der Triebwerksdrehzahl.
Das in F i g. 1 schematisch angedeutete Gasturbinentriebwerk 1 weist einen Drehzahl-Istwertgeber auf, der
ein die jeweilige Triebwerksdrehzahl darstellendes Istwertsignal Sliefert Ein Sollwertgeber 2 (zum Beispiel
Gashebel mit elektrischem Umsetzer) dient zur Einstellung der jeweils gewünschten TriebwerksdrehzahL
Ein Vergleicher 3 vergleicht das vom Istwertgeber kommende Istwertsignal und das vom Sollwertgeber 2
kommende SollwertsignaJ miteinander und erzeugt ein die Differenz zwischen diesen darstellendes Fehlersignal
e.
Eine Recheneinrichtung 4 bis 9 zur Bildung eines vom Fehlersignal abhängigen Steuersignals zur Ansteuerung
eines die Brennstoffzufuhr zum Triebwerk 1 steuernden Stellglieds 10 weist drei Zweige auf. Der erste Zweig
enthält einen Integrator 4 und einen Verstärker 5 zur Multiplikation des Integrals des Fehlersignnls e mit
einem ersten Faktor x. Der zweite Zweig enthält einen Verstärker 6 zur Multiplikation des Fehlersignals e mit
einem zweiten Faktor y. Der dritte Zweig enthält ein Differenzglied 8 und einen Verstärker 9 zur Multiplikation
der Ableitung des Fehlersignals mit einem dritten Faktor z. Dem Differenzgiied 8 im dritten Zweig ist eine
Schaltung 7 zur Kleinsignalunterdriickung vorgeschaltet.
Die Ausgänge der drei Verstärker 5, 6 und 9 sind zusammengeschaltet, so daß sich das Steuersignal zur
Ansteuerung des Stellglieds 10 als Summensignal der drei Verstärkerausgänge ergibt.
Die drei Verstärker 5, 6 und 9 weisen unabhängig voneinander veränderbare Verstärkungsfaktoren auf.
Ihre Anschlüsse zur Veränderung der Verstärkungsfaktoren sind über eine Leitung 11 an den Istwertgeber
angeschlossen, so daß die Veränderung der Verstärkungsfaktoren drehzahlabhängig erfolgt Die drei
Faktoren x, y und z, mit denen das Integral des Fehlersignals, das reine Fehlersignal und die Ableitung
des Fehlersignals multipliziert werden, sind also veränderlich und jeweils durch die Verstärkungsfaktoren
der Verstärker 5,6 und 9 gegeben.
Die Abhängigkeit der drei Faktoren x,yund ζ von der
jeweiligen Triebwerksdrehzahl ist durch nichtlineare Funktionen gegeben, die beispielsweise für ein gegebe-
nes Triebwerk in dem Diagramm nach Fig.2
dargestellt sind.
Die Kleinsignalunterdrückung durch die Schaltung 7 im dritten Zweig der Recheneinrichtung dient dazu, bei
nur kleinen Regelabweichungen das Differentialverhalten der Regeleinrichtung zu unterdrücken, wodurch
Schwingungen auf Grund eines unerwünscht heftigen Reglereingriffs bei nur geringfügigen Regelabweichungen
verhindert werden.
Die Glieder 3 bis 9 der in F i g. 1 gezeigten
Regelschaltung können Ar.alogrechp-iglieder sein. Als
Schaltung 7 zur Kleinsignalunterdrückung kann dabei eine einfache Diodensperrschaltung verwendet werden.
Die Verstärker 5, 6 und 9 können als Verstärkerschaltungen mit elektronisch veränderbaren Verstärkungs-
faktoren ausgebildet und die Funktionen x, yund zdurch
geeignete, nicht dargestellte nichtlineare Netzwerke realisiert sein, die zur Beeinflussung der Verstärkungsfaktoren
der Verstärker an entsprechende Steuerein· gänge derselben angeschlossen sind.
Die Regeleinrichtung kann aber auch ganz oder teilweise digital arbeiten, wobei dann die Glieder 3 bis 9
der dargestellten Blockschaltungen alle oder zum Teil als digitale Rechenschaltungen ausgebildet sind.
Schließlich ist es auch möglich, eine digitale Rechenein-
richtung zu verwenden, die so programmiert ist, daß sie die genannten Aufgaben der Glieder 3 bis 9 der
dargestellten Blockschaltung erfüllt.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Brennstoffregeleinrichtung für Gasturbinentriebwerke mit einem Drehzahl-Istwertgeber, einem
Drehzahl-Sollwertgeber, einer Istwert und Sollwert vergleichenden und ein entsprechendes Fehlersignal
erzeugenden Einrichtung und einer Recheneinrichtung zur Bildung eines vom Fehlersignal abhängigen
Steuersignals zur Ansteuerung eines die Brennstoffzufuhr steuernden Stellglieds, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung (4
bis 9) das Steuersignal als Summe dreier mathematischer Ausdrücke bildet, von denen der erste
Ausdruck das mit einem ersten Faktor (x) multiplizierte Integral des Fehlersignals (e\ der zweite
Ausdruck das mit einem zweiten Faktor (y) multiplizierte Fehlersignal und der dritte Ausdruck
die mit einem dritten Faktor (z) multiplizierte Ableitung des Fehlersignals ist und daß die drei
Faktoren /V y, z) nach bestimmten Funktionen in Abhängigkeit vom Drehzahl-Istwert (S) veränderlich sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem die Ableitung des Fehlersignals (e)
erzeugenden Differenzierglied (8) eine Schaltung (7) vorgeschaltet ist, die unterhalb eines bestimmten
Schwellenwertes liegende Fehsersignale sperrt
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Verstärker (5, 6, 9) mit
elektronisch veränderbarer Verstärkung zur Multiplikation mit den Faktoren (x, y, z) vorgesehen sind,
denen nichtlineare, mit dem Drehzahl-Istwertsignal (S) gespeiste Verstäikungss^uerschaltungen zugeordnet sind.
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