DE2156670A1

DE2156670A1 - Verfahren und Einrichtung zum Feststellen einer Abweichung in der qualitativen Maschinenleistung eines Gasturbinen-Triebwerkes

Info

Publication number: DE2156670A1
Application number: DE19712156670
Authority: DE
Inventors: John Stinson; Rowan Richard Lee; Fort Worth Tex. Howell (V.StA.). M
Original assignee: Howell Instruments Inc
Current assignee: Howell Instruments Inc
Priority date: 1970-11-16
Filing date: 1971-11-15
Publication date: 1972-07-27
Also published as: FR2114766A5; DE2156670C2; IT941155B; JPS5038769B1; CA998472A; US3721120A; GB1351314A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. R "We ic km an ν,

Dipl.-Ing. H.Veickmann, Dipl.-Phys. Dr.K.Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

8 MÜNCHEN 86, DEN POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 48 39 21/22

<983921/22>

HOWELL INSTBIMEHIS, INC.
3479 West Yickery Boulevard.
Forth Y/orth, Texas, Y.St.v.A.

Verfahren und Einrichtung zum Peststellen einer Abweichung in der qualitativen Maschinenleistung eines Gasturbinen-Triebwerkes.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Peststellen einer Abweichung in der qualitativen Maschinenleistung, dem Yi/irkungsgrad bzw. dem Trimm eines Gasturbinen-Triebwerkes. Genauer bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren sowie eine Einrichtung, die es erlaubt, festzustellen, wenn unerwünschte Änderungen verschiedener Maschinenjustierungen auftreten, welche zur Folge haben, daß das Gasturbinen-Triebwerk außerhalb eines erwünschten Betriebszustandes arbeitet.

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G-asturbinen-Triebwerke haben sich als außergewöhnlich zuverlässige Leistungsquellen für Flugzeuge sowie für andere Zwecke, wie Schiffsantriebe und stationäre Elektro-Generatoren, bewährt. Allerdings ist ein Gasturbinen-Triebwerk eine extrem komplizierte Maschine mit einer Reihe von Justiermöglichkeiten und anderen Einflußgrößen, welche im Laufe der Zeit Änderungen erfahren, so daß sich eine Verschlechterung in der allgemeinen Maschinenleistung ergeben kann. Einige dieser Änderungen treten ganz allmählich auf und die meisten können nicht unmittelbar beobachtet werden.

Wenn alle Maschinenjustierungen in Ordnung sind und die Maschine in ihrem Auslegungspunkt arbeitet, sagt man, daß die Maschine "im Trimm" ist oder daß ihre qualitative Maschinenleistung optimal ist. Andererseits spricht man für den Fall, daß die Betriebskenngrößen der Maschine nicht optimal aufeinander abgestimmt sind oder daß die Maschine nicht in ihrem Auslegungspunkt arbeitet, davon, daß die Maschine "außer Trimm" ist.

Es ist von Vorteil, einen derartigen "Außer-Trimm-Zustand" so schnell wie möglich zu entdecken, so daß Korrekturen vorgenommen werden können und die Maschine sobald wie möglich widder in Trimm gebracht werden kann.Da jedoch viele dieser besprochenen Änderungen schwer zu entdecken sind, ist es für die Bedienungsperson einer derartigen Maschine sehr schwer, zwischen den regelmäßigen Überhol-Kontrollen der Maschine positive Anzeigen dafür zu bekommen, daß die Maschine außer Trimm ist.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche unmittelbar eine verwertbare Anzeige

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für die qualitative Maschinenleistung geben.

Eine Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit folgenden Verfahrensschritten erhalten:

a) Messen wenigstens einer ersten Betriebskenngröße;

Tj) Berechnen eines Rechenwertes für wenigstens eine zweite Betriebskenngröße unter Verwendung wenigstens der ersten Betriebskenngröße;

C-.) Messen des wahren Wertes dieser zweiten Betriebskenngröße;

d) Vergleich des Rechenwertes und des gemessenen wahren ' Wertes der zweiten Betriebskenngröße, wobei die Abweichung beider Werte voneinander ein Anzeichen für die Abweichung in der Maschinenleistung darstellt.

Der Vergleich dieser beiden Signale stellt ein Maß für den Leistungszustand der Maschine dar und könnte bei verschiedenen Leistungszuständen der Maschine durchgeführt werden, wie beispielsweise Trimm-TesteLäufe am Boden. Außerdem besteht die Möglichkeit, am Ende einer bestimmten Zeit, beispielsweise nach der Landung eines Plugzeuges ein Instrument abzulesen, welches jede Abweichung zwischen den summierten wahren und berechneten Werten der gewählten zweiten Betrieb skenngröße anzeigt.

Wenn die Maschine "im Trimm" ist, sollte der berechnete Y/ert der Betriebskenngröße sich in vorhersehbarer Weise zu dem wahren gemessenen Wert dieser gleichen Betriebskenngröße verhalten. Wenn jedoch die Maschine "außer Trimm" ist, wird sich das in einer Abweichung dieses Verhältnisses äussern, wobei das Ablesen der Abweichung durch die Be-

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dienungsperson nach dem Flug bereits eine verwertbare Anzeige für den Leistungszustand der Maschine vermittelt und so erkennen läßt, ob die Maschine noch "im Trimm" ist oder bereits begonnen hat, "außer Trimm" zu geraten.

Wenn natürlich im Blickbereich der Bedienungsperson (z.B. des Piloten) ein Anzeigegerät vorgesehen ist, könnte der Beginn einer Abweichung von der Bedienungsperson sofort schon während des Fluges erkannt werden. Außerdem könnte ein akustisches Alarmsignal erzeugt werden, wenn eine derartige Abweichung aufzutreten beginnt.

Für eine erste einfache Erläuterung der Erfindung sei angenommen, daß ein bestimmtes Gasturbinen-Triebwerk in seiner Abgasleitung mit den üblichen Thermoelementen zum Messen der Abgastemperatur (EG-T) und einem Tachometer zum Messen der Wellendrehzahl (EPM) versehen ist. Wenn diese Daten über eine bestimmte Zeit, bei einer gut funktionierenden Maschine, welche"im Trimm" ist, gemessen werden, kann der gewünschte funktionelle Zusammenhang zwischen der augenblicklichen Abgastemperatur und der Wellendrehzahl aufgestellt werden (entweder empirisch oder mathematisch, wenn ein gutes mathematisches Modell der Maschine zur Verfügung steht) und man erkennt, daß die Abgastemperatur eine Funktion der Wellendrehzahl ist, wenn zunächst andere Parameter unberücksichtigt bleiben.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist unter anderem ein Funktionsgenerator vorgesehen, welcher das gemessene Abgastemperatur-Signal entsprechend der aufgestellten "In-Trimm-Funktion" verarbeitet, so daß das Ausgangs-Signal die Wellendrehzahl darstellt. Dieses berechnete Drehzahl-

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signal wird dann ständig mit dem wahren gemessenen Drehzahlsignal verglichen, welches vom Tachometer kommt, und solange das "berechnete und das wahre Signal ein bestimmtes Verhältnis zueinander aufweisen, arbeitet die Maschine richtig und ist "im Trimm". Wenn jedoch der berechnete und der wahre Wert der Wellendrehzahl unerwartete Abweichungen von diesem Verhältnis zeigen, ist es offensichtlich, daß irgendein Grund vorliegt, welcher die Leistung der Maschine verschlechtert und diese "außer Trimm" bringt.

Natürlich könnten im vorbeschriebenen Beispiel die Wellendrehzahl und die Abgastemperatur in ihrer Funktion vertauscht werden, wie in der Tat in der folgenden Beispielsbeschreibung dargestellt wird.

In der Praxis, insbesondere bei Flugzeug-Triebwerken, beeinflussen Höhe und Außentemperatur den funktioneilen Zusammenhang zwischen der Abgastemperatur und der Wellendrehzahl. Als Folge davon muss eine der besagten Betriebskenngrößen, beispielsweise die Abgastemperatür, mit allen diesen störenden Parametern wie Höfc? und Außentemperatur, für eine gut arbeitende, ausgetrimmte Maschine verglichen werden, um die empirischen Daten für eine besser ausgearbeitete Funktion zur Verfugung zu stellen, welche Ausgleichsfaktoren für diese zusätzlichen Störungen aufweist.

Der Fachmann kann erkennen, daß die besonderen, in dieser Erfindung verwendeten Betriebskenngrößen nicht auf die Wellendrehzahl und die Abgastemperatur beschränkt sind. Es gibt zusätzlich andere Betriebskenngrößen, wie beispielsweise Brennstoffzufuhr, Schub, mechanisch veränderbare Bauteile wie Düsenquerschnitte und verschiedene Druckver-

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hältnisse, die anstelle oder in Verbindung mit der Wellendrehzahl und der Abgastemperatur verwendet werden können, wie für den Fachmann naheliegend.

Außerdem ist es bekannt, daß bestimmte Betriebezustände verfälschte Signale·erzeugen können, welche für das erfindungsgemäße Verfahren nicht Verwendung finden sollten. Zum Beispiel könnte der Pilot während des Eollens am Boden das Triebwerk auf eine hohe Drehzahl bringen, um das Flugzeug in Bewegung zu setzen, während er anschließend den Gashebel schnell zurücknimmt, wobei die Maschine noch eine fc Weile mit hoher Drehzahl weiterläuft, ohne jedoch nennenswerte Mengen von Brennstoff zu verbrennen. Unter diesen Umständen sollte die Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung abgeschaltet werden, um zu verhindern, daß der zeitweise unreale Zusammenhang'zwischen Wellendrehzahl und Abgastemperatur eine falsche Anzeige der Maschinenleistung verursacht.

Eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, insbesondere zum Anzeigen der Abweichung in der Maschinenleistung von Grasturbinen-Triebwerken, ist gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Aufnehmen und Messen wenigstens einer ersten Betriebskenngröße, ™ eine Einrichtung zum Berechnen wenigstens einer zweiten Betriebskenngroße. unter Verwendung wenigstens der ersten Betriebskenngröße,

eine erste Integriereinheit zum Integrieren der berechneten zweiten Betriebskenngröße zu einem Integralwert, eine Einrichtung zum Messen des wahren Wertes der zweiten Betriebskenngröße,
eine zweite Integriereinheit zum Integrieren des wahren

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Wertes der zweiten Betriebskenngröße, eine zweite Integriereinheit zum Integrieren des wahren Wertes der zweiten Betriebskenngröße zu einem Integralwert,

eine Einrichtung zur Ermittlung des Verhältnisses zwischen den Integralwerten der berechneten und der gemessenen zweiten Betriebskenngrößen zur Ermittlung der Abweichung in der Maschienenleistung.

Der berechnete und der wahre Wert dieser Betriebskenngrößen können also integriert werden, bevor sie verglichen werden, Ebenso kann eine Differenz zwischen dem berechneten und dem wahren Wert gebildet werden, welche anschließend integriert und mit einem Standardwert verglichen wird, der seinerseits als über den gleichen Zeitraum gebildetes Integral einer der Betriebskenngrößen oder einer zeitabhängigen Größe gebildet werden kann. Wenn der Vergleich inform einer Verhältniszahl gebildet wird, kann der Zeitraum der Integration so gewählt werden, daß der Nenner eine gerade Potenz von 10 ist, sodaß das Integral, welches den Nenner darstellt, direkt als Leistungsangabe interpretiert werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 in Diagrammform den Zusammenhang zwischen der Abgastemperatur und der Wellengeschwindigkeit für ein bestimmtes Flugzeug!

Fig. 2 in Diagrammform typische Korrekturkurven für den Einfluss der Arbeitslufttemperatur und -höhe als Funktion der Höhe für die Abgastemperatur;

Fig. 3 ein Blockdiagramm für den Aufbau einer Einrichtung

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zur Leistungsanzeige j

Pig. 4 ein Blockdiagramm von einem gegenüber Pig. 3 geänderten leistungsanzeiger;

Figo 5 schematisch den Aufbau eines Ausführungsbeispiels;

Pig. 6 ein Diagramm zur Erläuterung der Punktion des Ausführungsbeispiels gemäß Pig. 5.

In einem gut abgestimmten Gasturbinen-Triebwerk besteht eine optimale funktionelle Abhängigkeit zwischen vielen der Betriebskenngrößen. Diese funktionale Abhängigkeit kann empirisch oder mathematisch aufgestellt werden, wie schon beschrieben wurde. Zusätzlich kann diese funktionale Abhängigkeit durch Störungen beeinflusst werden,welche durch Veränderungen in der die Maschine umgebenden Atmosphäre, beispielsweise Lufttemperatur und Höhe, verursacht werden. Ebenso wie die grundsätzliche funktionale Abhängigkeit können auch diese Störungsgrößen in die Abhängigkeitsbeziehung einbezogen werden, und zwar durch empirische Beobachtung einer gut justierten Maschine einer speziellen Bauart und Type.

Pig. 1 zeigt eine» typische Punktion zwischen Abgastemperatur und Wellengeschwindigkeit, wie sie sich aus empirischen Messungen an einer Gasturbine wie beispielsweise dem J-57 Triebwerk, ermitteln läßt* Pig. 2 zeigt zusätzlich verschiedene Korrekturfaktoren, die bei einer solchen Maschine berücksichtigt werden müssen, wenn sie in einem Plugzeug in verschiedenen Höhen (h) und unter verschiedenen Temperaturbedingungen der Außenluft (OAT) arbeitet. Als Ergebnis dieser empirischen Daten kann eine Punktion zwischen Abgas temp era tür und anderen Betriebskenngrößen bzw. Umgebungsparameter für einen begrenzten Betriebsbereich gewonnen werden.

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Die allgemeine Gleichung zwischen diesen verschiedenen Parametern kann folgende Porm annehmen: EGT = A (EPM) + B (OAT) + 0 (h²) + D(h) + E

Dabei ist EGT gleich Abgastemperatur, RPM gleich Wellengeschwindigkeit, OAT gleich Temperatur der ümgebungsluft, h gleich Höhe, A,B,C,D und E sind Konstanten.

Die Gleichung für das J-57 Triebwerk lautet beispielsweise folgendermaßen:

EGT = 20,1 (RPM) + OAT + 0,0505h² +'0,46h.+ 1332,1

Es soll klargemacht werden, daß diese Gleichung nur beispielhaft und zur Illustration des allgemeinen Gleichungstyps steht, welcher durch empirische Messungen an einer gut justierten Maschine einer beliebigen Bauart und Type und für eine bestimmte Anwendung gewonnen wird.

Obwohl für diese Darstellung nur die Betriebskenngrößen EGT und RPM gewählt wurden, ist es für den Fachmann naheliegend, daß allgemein die Messung einer Betriebskenngröße die Berechnung eines optimalen Wertes für die andere oder zweite Betriebskenngröße erlaubt, welche dann mit dem wahren gemessenen Wert dieser zweiten Betriebskenngröße verglichen werden kann. Wenn die Maschine "im Trimm" ist und im Auslegungspunkt arbeitet, stehen der berechnete und der gemessene Wert der für den Vergleich ausgewählten Betriebskenngrößen in einem bestimmten Verhältnis zueinander.

Wenn jedoch die Maschinenleistung durch irgendeinen Einfluss absinkt oder "außer Trimm" gerät, ändert eich die Abhängig-

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keit zwischen den Betriebskenngrößen entsprechend, so daß der berechnete Wert der ausgesuchten Betriebskenngröße mit dem gemessenen Wert dieser Größe nicht länger korrespondiert.

So erhält man einen sehr brauchbaren Anzeiger für die qualitative Maschinenleistung durch Vergleich des berechneten Wertes und des gemessenen Wertes der Betriebskenngröße_o Ein Differenzsignal zeigt eine augenblickliche Abweichung vom Normalzustand. Diese augenblickliche Abweichung kann ebensogut über eine Zeitdauer, beispielsweise ein festes Zeitinterval oder die gesamte Flugdauer ermittelt werden, so daß die durchschnittliche Abweichung der gemessenen Betriebskenngröße angezeigt wird. Durch Integration des berechneten und des gemessenen Wertes der Betriebskenngröße und Vergleich der integrierten Werte nach einer bestimmten Zeit (beispielsweise der Flugzeit) kann ein Verhältniswert gewonnen werden, welcher die Maschinenleistung angibt. Ebenso kann die integrierte Differenz zwischen gerechnetem und gemessenem Wert verglichen werden, welche ebenfalls die qualitative Maschinenleistung angibt. Dazu kann beispielsweise die Differenz zwischen dem berechneten und gemessenen Wert einer Betriebskenngröße integriert und mit dem Integral einer Variablen verglichen werden, welche beispielsweise von der Betriebsdauer abhängt oder proportional zur Maschinengeschwindigkeit ist. Der Nenner in einem Verhältniswert kann so gewählt werden, daß er eine gerade Potenz von Zehn darstellt, so daß der Zähler direkt als Anzeige der Maschinenleistung angesehen werden kann.

Pig. 3 zeigt ein Blockdiagramm für ein Anzeigegerät, bei welchem ein EPM-Sensor 10 die Maschinengeschwindigkeit oder die Zahl der Umdrehungen pro Minute der Masohinenwelle aufnimmt und in einen Funktionsgenerator 12 eingibt. Dieser verarbeitet das Signal des Sensors 10 und erzeugt in der

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Leitung 14 ein Ausgangssignal, welches den Wert der Abgastemperatur (EG-T) angibt, soweit er von der Wellendrehzahl (EPM) abhängt. Außerdem gibt es einen Sensor 16 zum Messen der Außenluft-Temperatur» welcher über einen Funktionsgenerator 18 in der Leitung 2o ein Korrektursignal für die Störungen liefert, · welche durch Änderungen in der Außentemperatur hervorgerufen werden. In gleicher Weise liefert ein Höhensensor 22 in Verbindung mit einem Funktionsgenerator 24 in Leitung 26 ein Signal, welches die Änderungen der Abgastemperatur in Abhängigkeit von der Höhe berücksichtigt.

Der Funktionsgenerator 28 kombiniert die Signale der Leitungen 14, 2o und 26 und erzeugt in der Leitung 3o ein Ausgangssignal, welches den Optimalwert für die Abgastemperatur der Maschine angibt, wie er aufgrund der vorbestimmten funktionalen.Abhängigkeit zwischen der Abgastemperatur und der Wellengeschwindigkeit in Verbindung mit den Störungen durch Änderungen in der Außentemperatur und Höhe berechnet worden ist.

Das Signal in Leitung 3o» welches die Größe der berechneten Abgastemperatur angibt, wird dann in einer Integriereinheit 32 integriert. Die Signale in Leitung 3o können beispielsweise Pulse sein, deren Folgegeschwindigkeit proportional zur berechneten Abgasgeschwindigkeit ist. Die Integriereinheit 32 kann als mechanisches oder elektrisches Zählwerk ausgebildet sein, dessen Stand über eine Anzeigeeinrichtung 34 abgelesen werden kann. Zur gleichen Zeit wird die wahre Abgastemperatur durch eine Thermoelement-Anordnung 37 gemessen und der Ausgang dieser Anordnung in einer anderen Integriereinheit 38 aufsummiert, welche ebenso als Zählwerk mit Anzeigeeinrichtung 36 ausgebildet sein kann·

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Zu Beginn eines Fluges werden die Zähleinrichtungen 32 und 38 jeweils auf Null gesetzt. Am Ende einer vorbestimmten Zeit werden die Ergebnisse der Anzeigeeinrichtungen 34 und 36 miteinander verglichen. Dieser Vergleich sollte immer dann ein festes, vorherbestimmbares Ergebnis bringen, wenn die Maschine nicht "außer Trimm" ist. Selbstverständlich ist es für den Fachmann naheliegend", daß anstelle einer visuellen Ablesung der Anzeigegeräte 34 und 36 auch automatische elektronische Yergleichsgeräte vorgesehen sein können, welche die Angaben der Integriereinheiten 32 und 38 vergleichen und eine automatische Anzeige jeder unerwarteten Abweichung besorgen.

Ein gegenüber der Fig. 3 geändertes Ausführungsbeispiel zeigt das Blockschaltbild gemäß Fig. 4. Die Signale, welche den berechneten Wert der Abgastemperatur in Leitung 3o bzw. den wahren gemessenen Wert der Abgastemperatur in Leitung 33 darstellen, werden ebenso gewonnen, wie in Fig. 3 beschrieben. Jetzt wird jedoch der berechnete Wert von dem gemessenen Wert durch eine geeignete Subtrahier-Einheit 50 abgezogen, welche ihrerseits in Leitung 52 ein Signal hervorruft, welches der Größe der Differenz zwischen berechnetem und gemessenem Wert der Abgastemperatur entspricht. Das Abweich- oder Differenzsignal in Leitung 52 wird dann in einer Integriereinheit 54 integriert, welche in der bereits beschriebenen Weise einen Fehler zum Aufsummieren von Pulsen sowie eine Anzeigeeinrichtung 56 enthalten kann.

Wenn der berechnete und der gemessene Wert unter vollkommen idealen Bedingungen genau gleich sind, sollte das Signal in Leitung 52 theoretisch eine Null-Differenz anzeigen. Die Angabe der Integriereinheit 54 sollte dann ebenfalls auf Null stehenbleiben, wobei jede davon abweichende Angabe

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in der Integriereinheit 54 eine Änderung der qualitativen Maschinenleistung bzw. des Trimm-Zustandes angibt. In Wirklichkeit ist es normal, daß die berechneten und gemessenen Werte nicht exakt gleich sind, sondern sich durch einen feststehenden Betrag unterscheiden. Dieses konstante Signal in Leitung 52 wird in der Integriereinheit 54 integriert , so daß die Anzeigeeinrichtung 56 einen linear ansteigenden Wert angibt. Um also eine Änderung im Trimm-Zustand der Maschine festzustellen, müssen die Angaben der Integriereinheit 54 mit den Angaben' eines gleichen Integrators verglichen werden, welcher ebenfalls ein konstantes oder festes Eingangssignal integriert.

Dazu kann der Integrator 58 beispielsweise Signale integrier en, welche von einem Uhrwerk ausgehen. Da andererseits die erwartete Differenz zwischen dem berechneten und gemessenen Wert der Abgastemperatur in Wahrheit auch eine Funktion der Wellengeschwindigkeit ist, verarbeitet der Integrator 58 zweckmäßigerweise ein Signal, welches proportional zur Wellendrehzahl ist, wie in Pig· 4 gezeigt.

Auf diese Weise integriert der Integrator 58 in der Tat für jede gegebene Wellendrehzahl einen festen oder konstanten Eingangswert* während der Integrator 54 die Differenz zwischen dem gemessenen und berechneten Wert der Abgastemperatur integriert. Vorausgesetzt die Maschine ist "im Trimm", dann ist diese Differenz ebenso konstant und die beiden Integratoren 54 und 58 korrespondieren miteinander. Wenn hingegen die Maschine "außer Trimm" ist, ist die Differenz zwischen dem gemessenen und berechneten Wert der Abgastemperatur nicht mehr fest und die beiden Integratoren 54 und 58 korrespondieren nicht mehr miteinander.Ebenso wie im Fall der Fig. 3, ist es für den Fachmann naheliegend,

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daß zwischen die Integratoren 54 und 58 automatische Vergleichseinrichtungen geschaltet sein können, welche automatisch jede Abweichung zwischen den beiden Integratoren anzeigen.

Mg« 5 zeigt ein schematisehes Diagramm von einem Ausführungsbeispiel, welches für das J-57 Triebwerk eines F-1Q2 Jagdflugzeuges Verwendung findet.

Folgende Abhängigkeitsfunktion zwischen EGT (Maschinenabgastemperatur), RPM (Wellengeschwindigkeit des Hochdruckkompressors und θ (totale Lufttemperatur Tm geteilt durch 519) wurde für das F-102 Flugzeug mit dem J-57 Triebwerk auf experimentellem Weg für einen begrenzten Betriebsbereich ermittelt, wobei die Gleichung nicht linear ist. Natürlich können andere Flugzeug-Maschinen-Kombinationen andere Parameter erfordern, um eine verlässliche Funktion im oben aufgezeigten Sinne zu erhalten, wie für den Fachmann naheliegend ist:

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EGT = 21,27 Q RPM - 1394,68 θ + Konstante

(Natürlich variiert die Konstante für andere Maschinen und/oder andere Betriebszustände. Die vorliegende Gleichung enthält Korrekturfaktoren für die Umrechnung auf Standard-Tagbedingungen, wie für den Fachmann naheliegend ist). Die Abgastemperatur, welche mit Hilfe der obigen Gleichung . unter Verwendung der gemessenen Werte Q und RPM errechnet wird, wird mit der wahren Abgas temperatur, die durch die Thermoelemente geliefert wird, verglichen. Die Differenz zwischen diesen beiden Werten wird in ein digitales Zählwerk mit veränderlicher Zählrate eingegeben. Wenn keine Differenz besteht, ist die Zählrate dieses Zählwerkes der konstanten Rate des Referenzzählwerkes gleich.

Das Verhältnis des Zählwerkes mit veränderlicher Rate zu dem mit fester Rate ist deshalb eine AnzeL ge für die

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Maschinenleistung und wird "Maschinenleistungsindex" genannt. Ein Verhältnis von 1s1 zeigt an, daß die berechnete Beziehung zwischen EG-ίΕ und RPM besteht. Wenn das Verhältnis größer oder kleiner als 1:1 ist, so ist dies ein Anzeichen dafür, daß die Maschinenleistung herabgesetzt ist, was durch einen beginnenden Defekt der Turbine, des Kompressors, eines Lagers, der Brennstoffregelung oder durch andere Defekte verursacht werden kann.

Wie oben schon angedeutet, erhält man keine brauchbaren Daten, wenn die Maschine mit niedriger Leistung arbeitet. Deshalb ist bei einem Gerät zur Durchführung der Erfindung .vorzugsweise eine geeignete Einrichtung vorgesehen, welche die Anzeige unterhalb einer bestimmten Maschinenleistung abschaltet.

Wenn die Maschinendaten nur gebraucht werden, um die qualitative Maschinenleistung festzustellen, können weitere Einrichtungen vorgesehen sein, welche das Gerät nur während einer begrenzten Zeit bei jedem Plug einschalten. Wenn beispielsweise eine feste Bate (welche den Nenner eines Verhältniswertes darstellt) von 1000 auf einem Zählwerk mit fester Rate erreicht ist, und das Zählwerk mit variabler Rate eine durchschnittliche Abweichung von 1000 anzeigt, so heißt das, daß die berechnete Abhängigkeit zwischen EGT und RPM besteht. Natürlich müssen beide Zählwerke vor dem ]Plug neu eingestellt werden.

Die Sektion I in Fig. 5 zeigt eine Schaltungsanordnung für die Erzeugung der θ -Funktion. Der Eingang dieser Sektion ist an ein Widerstandsmessgerät zur Messung der totalen Lufttemperatur angeschlossen, während der Ausgang dieser Sektion den Wert 1394»68 Q (oder ein anderes Vielfaches

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von Q für eine andere Maschine) angibt. Dieser letztere Wert wird zu einem Summierungspunkt in Sektion III geleitet, während ein anderes Ausgangssignal, welches pro-.

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portional zu Q ' ist, in Sektion II eingespeist wird.

Ein weiteres Eingangssignal für Sektion II kommt von einem Tachometer und ist proportional zur Wellendrehzahl. Die Eingangsfrequenz von dem Tachometer wird in eine Gleichspannung umgeformt und mit der Q ' -Funktion von Sektion weiterverarbeitet. Das Ausgangssignal von Sektion II, nämlich - 21,27 β¹' ²fßPM](oder ein anderer faktor für Q ' für eine andere Maschine) wird zu einem Summierungs-!- punkt in Sektion III geleitet. Ein Vergleich mit der wahren Abgastemperatur wird dadurch ermöglicht, daß dem Summierpunkt auch ein Signal zugeführt wird, welches diese wahre Abgastemperatur darstellt. Das Ergebnis (wahre Abgastemperatur - berechnete Abgastemperatur) wird dann dazu verwendet, die Frequenz eines Oszillators mit variabler Frequenz, welcher ein Zählwerk betreibt, zu steuern und gegebenenfalls von seiner normalen Rate abzulenken. Am Ende einer bestimmten Zeit, während welcher die Maschine Oberhalb einer festgelegten Abgastemperatur gearbeitet hat, und die 1000 Zählschritten des Oszillators bei normaler Zählrate entspricht, zeigt das Zählwerk die durchschnittliche Abweichung der Abgastemperatur bzw. einen Maschinenleistungsindex während dieser Zeit an. Für den Fachmann liegt es nahe, daß auch ein durchschnittlicher Verhältniswert oder eine andere Funktion der integrierten bzw. gemittelten Abweichung erhalten und verwendet werden kann.

Das Widerstandsthermometer zur Messung der totalen Lufttemperatur ist an die Anschlüsse 100, 102 und 104 angeschlossen, wie Fig. 5 zeigt. Der Anschluss 100 dient zur

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Erregung der Widerstände 106 und 108, während der Anschluss 104 geerdet ist. Das Signal T_m am Anschluss 102 wild durch die Elemente 110, 112, 114 und 116 gefiltert, bevor es in den nicht invertierenden Differential-Operationsverstärker 118 (wie beispielsweise der integrierte Schaltkreis (I.C) Fairchild 727) eingespeist wird, Die komplementären Ausgänge in den Leitungen 120, 122 werden in die Eingangsseite eines weiteren Differential-Operationsverstärkers 124 eingegebene Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 118 erhält ein ßückkopplungssignal über die Widerstände 126,128 sowie ein konstantes Offset-Potential von den Widerständen 13o, 132. Ein weiteres Kompensations-Eingangssignal über den Widerstand 134 wird später erklärt werden.

Da Q■» T ist und da das Ausgangssignal des Verstärkers

124 proportional zu Tm ist, kann*durch genaues Einregeln des Ergebnisses, das Ausgangssignal gleich 1394»68 θ oder irgendeine andere lineare Funktion von Q sein und damit einen der Ausdrücke in der weiter vorne genannten Gleichung für den Wert EGT darstellen.

Die Funktion, welche eine Quadratwurzel von θ enthält, kann durch drei Geradenstücke angenähert werden, wie Fig. 6 zeigt. Das Geradenstück A gilt, wenn beide Transistoren 136, 138 abgeschaltet sind. Auf diese Weise ist der Widerstand 14o ohne Nebenschluss, so daß der Geradenzug A der ΚΘ ' -Kurve erzeugt wirdc Wenn das Signal rechts vom Wider stand 140 eine erste, bestimmte Höhe 1. erreicht, wird der Feldeffekttransistor 136 (FET) durch das vorher einregulierte Potentiometer 142 eingeschaltet. Dadurch wird

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die Steigung der Kurve in Fig. 6 an diesem Punkt geändert und folgt dem G-eradenzug B, da der Widerstand 14.4 jetzt einer festen Spannungshöhe parallel geschaltet ist. Natürlich kann die Steigung des Geradenzuges B durch Regelung des Widerstandes 140 geändert werden. In gleich, er Weise schaltet der Feldeffekttransistor 158 ein, wenn der Punkt Ip (welcher durch den Widerstand 146 bestimmt wird) eingeschaltet wird, so daß der Widerstand 148 im Bereich des Geradenzuges C in den Ausgangsstromkreis eingeschaltet wird. Die Steigung des Geradenzuges C kann ebenso durch Änderung des Widerstandes 148 geändert werden, wie für den Fachmann naheliegend ist.

Auf diese.Weise kann durch geeignete Auswahl des Widerstandes 140 und entsprechende Regelung der Potentiometer 142, 146 und 144»148 auf der rechten Seite des Widerstandes 140 ein Signal erhalten werden, welches annähernd proportional zur Quadratwurzel von θ ist.

Es wurde auch festgestellt, daß die Nicht-Linearitäten des Widerstandsmessgerätes dadurch kompensiert werden können, daß diese Quadratwurzel-Funktion zu dem invertierenden Eingang des Verstärkers 118 über den Widerstand 134 eingegeben wird, wie in Fig. 5 gezeigt wird.

Das Tachometersignal, welches proportional zu RPM ist, stellt das Eingangssignal für die Sektion II in Fig. 5 dar und wird über die Anschluss© 15o, 152 dem umformer 154 zugeführt. Nach Filterung durch den Kondensator 156 und umformung durch den Verstärker 158, wird das alternierende Tachometersignal über die Leitung I6o in den Frequenz-Spannungs-Umformer und Verstärker 162 eingebeben. Hier

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wird das Tachometersignal in eine Gleichspannung umgewandelt und durch die Eingabe des in der Leitung 164
geführten Signals (Ko') verstärkt. Das Ausgangesignal des Umformers und Verstärkers 162 in Leitung 166 ist
proportional zu Q ¹^²(RPM).

Nach Filterung durch die Elemente 168, 17o und 172 wird dieses Signal in den invertierenden Eingang des Verstärkers

174 eingegeben· Der Verstärker 174 ist mit dem Verstärker

175 in Reihe geschaltet, wie die "bereits besprochenen
Verstärker 118, 124, um eine lineare Verstärkung zu erhalten (wenn auch in diesem lall invertiert). Das Ausgangssignal in Leitung 178 stellt demnach etwa den Wer.t

-21,27 Θ¹'² (RPM) oder ein anderes Vielfaches von θ
dar, was von der Regelung des Widerstandes 179 abhängt.

Die berechneten Komponenten der Gleichung
EGT = 21,27 Ö¹/² (RPM) - 1594,68 θ

werden dann im Summierungspunkt 18o mit einem Signal kombiniert, welches die wahre Abgastemperatur darstellt und über.Leitung 182 und Potentiometer 184 zugeführt wird. Das Ergebnis ist wahre Abgastemperatur minus berechnete Abgästemperatur, welches dem Oszillator 186 zur Regelung der Ausgangsfrequanz zugeführt wird. Das Ausgangssignal des geregelten Oszillators 186 wird dann in einem Zählwerk
188 aufsummiert, um es für eine folgende Interpretierung als Maschinenleistungsindex verwerten zu können.

Wie für den lachmann offensichtlich, sind in lig. 5 eine Reihe von notwendigen ergänzenden Komponenten nicht gezeigt. Es soll auch betont werden, daß lig. 5 nur ein
Ausführungsbeispiel darstellt und daß andere Techniken

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und Schaltkreise für die Ausführung der Erfindung möglich · sind.

Ebenso können durch den Fachmann Einrichtungen zum Abschalten der Anzeigevorrichtungen bei geringer Leistung oder wenn unregelmäßige Betriebsbedingungen vorliegen, hinzugefügt werden_o So kann z.B. das Fehlersignal im Summierungspunkt 18o mit Referenzwerten verglichen werden. Wenn dann der Fehler einen bestimmten Maximalwert übersehreitet, kann das als Anzeichen für. unregelmäßige Betriebsbedingungen (wie beispielsweise Start, usw. ) gewertet und die Einrichtung abgeschaltet werden, bis das Fehlersignal wieder innerhalb vorgeschriebener Grenzen liegt. Eine mögliche Obergrenze für die vorliegende Anwendung ist beispielsweise 400 G-rad Abgastemperatur.

Anstelle des hier beispielsweise beschriebenen Verfahrens, bei welchem die bestimmten Betriebskenngrößen KPM und EG-T für die Erläuterung gewählt wurden, können anstelle einzelner oder aller dieser Betriebskenngrößen auch andere Größen verwendet werden, wie beispielsweise Brennstoffzufuhr, Schub, verschiedene mechanische Regelzustände und/oder Druckverhältnisse.

Außerdem kann anstelle einzelner auch eine ganze Gruppe von Betriebskenngrößen für die Vergleichszwecke benutzt werden. Eine derartige Verwendung einer ganzen Gruppe von Betriebskenngrößen ist vorteilhaft in Verbindung mit elektronischen Rechnern, wobei jede der Betriebskenngrößen berechnet, bewertet und kombiniert werden kann, bevor sie mit einem Standardwert verglichen wird.

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zum Feststellen von Abweichungen der qualitativen Maschinenleistung von Grasturbinen-Triebwerken, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

a) Messen wenigstens einer ersten Betriebskenngröße;

b) Berechnen einer zweiten Betriebskenngröße unter Verwendung wenigstens der ersten Betriebskenngröße;

c) Messen des wahren Wertes der zweiten Betriebskenngröße;

d) Direkter oder indirekter Vergleich des berechneten mit dem gemessenen Wert der zweiten Betriebskenngröße;

e) Feststellen der Abweichung des berechneten vom gemessenen Wert der zweiten Betriebskenngröße als Anzeige für eine Abweichung der Maschinenleistung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, insbesondere zum Messen der leistungsabweichung, dadurch gekennzeichnet, daß der berechnete Wert sowie der gemessene Wert der zweiten Betriebskenngröße jeweils integriert und die integrierten Werte anschließend miteinander verglichen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, insbesondere zum Anzeigen einer Leistungsabweichung, dadurch gekennzeichnet, daß beim Vergleich des berechneten und gemessenen Wertes der zweiten Betriebskenngröße deren Differenz gebildet wird,

diese Differenz integriert wird,

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ein Signal, welches einer der ersten oder zweiten Betriebskenngrößen proportional ist, integriert wird, so daß sich ein integrierter Standard-Wert ergibt, und daß der integrierte Differenzwert der zweiten Betrieb skenngröße mit dem integrierten Standard-Wert verglichen wird, wobei offensichtliche Abweichungen eine Änderung der Maschinenleistung anzeigen.

Verfahren nach Anspruch 1, insbesondere zum Anzeigen der Leistungsabweichung, dadurch gekennzeichnet, daß beim Vergleich des berechneten und gemessenen Wertes der zweiten Betriebskenngröße deren Differenz gebildet und diese differenziert wird,

daß ein Signal, welches der Betriebszeit proportional ist, integriert wird, sodaß sich ein Standardzeit-Wert ergibt, und daß der integrierte Differenzwert mit dem Standardzeit-Wert verglichen wird, wobei offensichtliche Abweichungen eine Änderung der Maschinenleistung anzeigen.

Verfahren nach Anspruch 1, insbesondere zum Anzeigen einer Leistungsabweichung, dadurch gekennzeichnet, daß beim Vergleich des berechneten und gemessenen Wertes der zweiten Betriebskenngröße ein augenblicklicher Verhältniswert gebildet wird,

daß dieser Verhältniswert integriert wird, daß ein Signal, welches der Betriebszeit proportional ist, integriert wird, so daß sich ein Standardzeit-Wert ergibt,

und daß der integrierte Verhältniswert mit dem Standardzeit-Wert verglichen wird, wobei offensichtliche Abweichungen eine Änderung der Maschinenleistung anzeigen.

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6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß zur Berechnung der zweiten Betriebskenngröße außer der ersten Betriebskenngröße noch Einflußgrößen aus der Umgebung des Triebwerkes verwendet werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Betriebskenngröße aus der Gruppe Maschinendrehzahl, Abgastemperatur und Brennstoffzufuhr gewählt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Betriebskenngröße aus der Gruppe Abgastemperatur, Maschinendrehzahl und Brennstoffzufuhr gewählt wird.

9. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, insbesondere zum Messen und Anzeigen einer Abweichung in der qualitativen Leistung von Gasturbinen-Triebwerken, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (Io) zum. Aufnehmen und Messen wenigstens einer ersten Betriebskenngröße,

eine Einrichtung (12) zum Berechnen wenigstens einer zweiten Betriebskenngröße unter Verwendung der ersten Betriebskenngröße,

eine Einrichtung (37) zum Messen des wahren Wertes der zweiten Betriebskenngröße,

Einrichtungen (28) zum direkten oder indirekten Vergleich der berechneten und gemessenen zweiten Betriebskenngröße als Maß für eine Abweichung der qualitativen Maschinenleistung.

10. Einrichtung nach Anspruch 9» gekennzeichnet durch eine erste Integriereinrichtung zum Integrieren der berechneten

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zweiten Betriebskenngröße,

eine zweite Integriereinrichtung zum Integrieren der · gemessenen zweiten Betriebskenngröße, eine· Einrichtung zum Vergleich der genannten integrierten Werte durch Verhältnisbildung dieser Werte.

11. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zur Bildung eines Differenzwertes zwischen der berechneten und gemessenen zweiten Betriebskenngröße, vorgesehen sind, welche mit der Einrichtung zum Berechnen der zweiten Betriebskenngröße sowie mit der Einrichtung zum Messen der wahren zweiten Betriebskenngröße in Wirkverbindung stehen.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Integriereinrichtung zum Integrieren dieses Differenzwertes vorgesehen ist,

daß eine zweite Integriereinrichtung zum Integrieren eines Standardsignals vorgesehen ist, welches proportional zu der ersten oder zweiten Betriebskenngröße ist und einen integrierten Standard-Wert ergibt.

13. Einrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekannzeichnet, daß Einrichtungen zur Bildung eines augenblicklichen Verhältniswertes zwischen dem berechneten und dem gemessenen wahren Wert der zweiten Betriebskenngröße vorgesehen sind,

. welche jeweils mit den Einrichtungen zum Berechnen und Messen der zweiten Betriebskenngröße in Verbindung stehen.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Integriereinrichtung zum Integrieren des Verhältniswertes vorgesehen ist und

daß eine zweite Integriereinrichtung zum Integrieren eines

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Standardsignals vorgesehen ist, welches proportional zur Betriebszeit ist und einen integrierten Zeitstandard ergibt.

15· Einrichtung nach einem der Ansprüche 1o, 12 und· 14» dadurch gekennzeichnet, daß jede Integriereinrichtung mit einem Zählwerk versehen ist, welches die eingehenden Pulse summiert, wobei die Pulsrate proportional zur Größe des zu integrierenden Wertes ist.

16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9, lo, 12 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Vergleich der berechneten und gemessenen zweiten Betriebskenngröße wenigstens ein visuelles Anzeigegerät aufweist, welches wenigstens einer der Integriereinrichtungen zugeordnet ist und welches dessen Zählstand (Inhalt) anzeigt.

17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Integriereinheit einen Oszillator mit variabler Frequenz aufweist, dessen Ausgangsfrequenz von einem. Normalwert mittels des Yerhältniswertes bzw. Differenzwertes abgeleitet ist, wobei das erste Zählwerk der ersten Integriereinrichtung mit dem Oszillator verbunden ist und dessen Ausgangspulse zählt.

18. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,

daß Mittel zur Unterbrechung der Pulseingabe in das erste Zählwerk vorgesehen sind, sobald das zweite Zählwerk eine einer bestimmten Zeitspanne entsprechende Pulszahl summiert hat.

19. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch

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gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Messen wenigstens eines Einflußfaktors aus der Umgebung des Triebwerkes sowie eine Einrichtung zur Berechnung eines Korrektursignals zur Korrektur wenigstens einer der zweiten sowie ersten Betrieb skenngröße unter Verwendung des Einflußfaktors vorgesehen sind, sodaß Integration und Vergleich in Wirklichkeit mit Standardtag-Werten durchgeführt werden.

20. Einrichtung nach einem der Ansprüche S bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß bei Wahl der ersten und zweiten Betrieb skenngröße aus der Gruppe Abgastemperatur, Maschinendrehzahl und Brennstoffzufuhr Einrichtungen zum Messen der totalen Lufttemperatur der Umgebungsluft sowie Einrichtungen zum Korrigieren der berechneten zweiten Betriebskenngröße unter Verwendung der totalen Lufttemperatur vorgesehen sind.

21. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 2o, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zur Messung der Höhe vorgesehen sind, in der das Triebwerk arbeitet, sowie weitere Einrichtungen zum Korrigieren der berechneten zweiten Betriebskenngröße unter Verwendung der Höhe vorgesehen sind.

22. Einrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, welche ein: Kompensationssignal, welches der Quadratwurzel der Temperatur Q (totale Lufttemperatur ϊ 519) proportional ist, ableitet, um dieses Signal als Rückkopplung für ein Temperaturmeßgerät zu verwenden und dessen natürliche nichtlineare Charakteristik zu kompensieren.

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